CN101544080A - 金属塑料复合自润滑材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属塑料复合自润滑材料及其制备方法，由金属层、塑料结合层和塑料工作层组成，塑料结合层通过分子的化学键将金属层与塑料工作层结合在一起；塑料工作层的一部分在金属层的凹坑中镶嵌；塑料工作层材料成份按质量百分含量为：聚醚醚酮60～90％，聚四氟乙烯5～20％，石墨7％，MoS₂ 1％，三氧化二铝5～10％；塑料结合层材料成份按质量百分含量为：聚醚醚酮70～90％，聚苯硫醚5～20％，三氧化二铝5～10％。本发明在金属与塑料的工作层间添加一层塑料结合层，进一步提高金属与塑料的结合强度，具有良好的耐热性和抗化学性腐蚀、对环境无污染、噪音低且节能；使用温度为－60～250℃，摩擦系数为0.08～0.32，磨损率为0.8～3.5×10^－6mm³/N.m。

Description

金属塑料复合自润滑材料及其制备方法

技术领域

本发明提供了一种金属塑料复合自润滑材料及其制备方法。

背景技术

当前，随着航空航天工业、汽车工业、机械工业、食品和制药机械以及各种传动件的发展，对各类轴套、滑板、滑道及摩擦部件的要求越来越高。在机械运行中，经常采用的降低摩擦系数和延长设备使用寿命的方法有以下几种：

1、在金属瓦与轴的接触面上涂一层润滑油作润滑剂的方法达到降低摩擦系数和延长设备的使用寿命的目的。但设备在高温高压条件下，在有腐蚀性气体和液体的条件下，在医药、食品、纺织、印染等忌用润滑油的设备上，金属瓦的使用受到限制，存在磨损快和使用时间短等不足之处。

2、采用金属材料作为底材并在金属底材上嵌入固体润滑剂膏体复合制成自润滑性轴瓦，虽然其具有结构紧凑、结合牢固、耐高温性、抗极压性和延长摩擦副寿命的优点，但缺陷是制造复杂、摩擦系数不稳定、抗腐蚀性差且裸露的金属层容易划伤对摩面。

3、采用塑料和烧结铜粉自润滑耐磨复合材料制成轴瓦，虽然其具有高机械强度、耐热性和自润滑性等优点，但金属与塑料的结合性差，塑料的蠕变特性会导致金属与塑料间的结合容易剥离，影响了其实际的使用寿命。

发明内容

本发明的一个目的是为克服上述现有技术的不足，提供了一种金属与塑料结合牢固、结构紧凑、机械强度高、摩擦系数低且耐磨性能好的金属塑料复合自润滑材料。

本发明的第二个目的是提供了一种耐高温、抗各种化学腐蚀性强、耐辐射、无污染且能在苛刻条件下使用的具有自润滑性的复合材料的制备方法。

本发明金属塑料复合自润滑材料采用的技术方案是：由金属层、塑料结合层和塑料工作层组成，塑料结合层通过分子的化学键将金属层与塑料工作层结合在一起；塑料工作层的一部分在金属层的凹坑中镶嵌；塑料工作层材料成份按质量百分含量为：聚醚醚酮60～90％，聚四氟乙烯5～20％，石墨7％，MoS₂ 1％，三氧化二铝5～10％；塑料结合层材料成份按质量百分含量为：聚醚醚酮70～90％，聚苯硫醚5～20％，三氧化二铝5～10％。

本发明金属塑料复合自润滑材料的制备方法采用的技术方案是采用如下步骤：

a)在金属层上铣削设定直径与深度的凹坑；

b)去除金属层表面油污和氧化物，并进行表面磷化处理；

c)按质量百分含量的配比，分别将塑料结合层、塑料工作层混合均匀并干燥；

d)将步骤c)的塑料结合层混料向金属层表面喷涂厚度在50～120um的结合层；

e)将步骤d)中的结合件放入热压模具模腔内作为嵌件，再将步骤c)中的塑料工作层(1)混料平铺在金属层(3)上，平铺的厚度为2～10mm，加压至3～5MPa，以10～20℃/min的速度升温，待温度升至300～360℃后保持恒温10～30分钟，然后加压至5～15MPa，并升温至350～380℃后保持恒温10～60分钟，最后在保压条件下冷却使模具温度降到100℃以下脱模；

f)将脱模冷却后的材料在200℃温度下保温1～2小时即可。

本发明在金属与塑料的工作层间添加一层塑料结合层，进一步提高了金属与塑料的结合强度，具有良好耐热性和抗化学性腐蚀、对环境无污染、噪音低且节能，并在-60～250℃较宽的温度范围呈现低摩擦、耐磨损且不损伤对偶面。在MM-200型环块摩擦磨损试验机测定时，转速为200rpm，压力为200N，大气室温下干摩擦，其承载压力为160MPa，使用温度为-60～250℃，摩擦系数为0.08～0.32，磨损率为0.8～3.5×10^-6mm³/N.m。材料适用范围广，与原金属轴瓦相比可延长摩擦副使用寿命3倍或3倍以上。其原因是：

1、本发明金属塑料复合自润滑材料成份中采用的聚醚醚酮结构规整，具有高耐热性、高强度、高模量、高韧性和加工性好等优异的综合性能，还具有绝缘性、耐水解和抗辐射等特点。聚醚醚酮在光滑对偶面上和粗糙对偶面上的磨损率很低，可以在无润滑、低速高载下或在液体、固体粉尘污染等恶劣环境下使用。聚醚醚酮的刚性较大，尺寸稳定性较好，线膨胀系数较小，接近于金属铝材料。在-65℃的低温下仍能保持常温下的冲击性能。长期使用温度达到250℃，短期使用温度可达300℃，在400℃下短时间几乎不分解。但聚醚醚酮的摩擦系数为0.42，远高于聚四氟乙烯的摩擦系数，故在选择聚醚醚酮作为用于减摩耐磨金属塑料复合材料中塑料的基体的前提下还需对聚醚醚酮进行配方设计，以求获得高强度、高模量、高断裂韧性和高尺寸稳定性等力学性能和耐滑动磨损、抗接触疲劳和抗微动磨损等摩擦学性能。

2、本发明金属塑料复合自润滑材料成份中采用的聚四氟乙烯具有良好的耐高低温性能、化学性能稳定、耐候性好、自润滑性和耐磨性好，有极低的摩擦系数，静摩擦系数可达0.04，是已知的可实用的滑动材料中摩擦系数最小的。

3、本发明金属塑料复合自润滑材料成份中采用的聚苯硫醚是一种综合性能优异的耐高温树脂粘接剂，其突出优点为耐高温、耐腐蚀、耐辐射、不燃、无毒、机械性能和电性能十分优异，制品的尺寸稳定性好。在200℃以下几乎不受化学药品侵蚀，热稳定性高。具有对金属的高度附着性和融流性、边缘效应小、涂层针孔较少。故为进一步提高金属与塑料的结合强度，需要在金属与聚苯硫醚塑料之间增加粘接层。

4、本发明金属塑料复合自润滑材料成份中采用石墨、二硫化钼和三氧化二铝添加到塑料工作层中，使得复合材料进一步提升其摩擦学性能，具有更好的机械性能，耐压缩抗蠕变，热传导性好。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的金属塑料复合自润滑材料的组成结构示意图。

图中：1.塑料工作层；2.塑料结合层；3.金属层。

具体实施方式

如图1所示，金属塑料复合自润滑材料自上而下由塑料工作层1、塑料结合层2和铣削有设定凹坑形貌钢板的金属层3组成。其中，塑料工作层1材料的各成份重量百分含量为：聚醚醚酮60～90％，聚四氟乙烯5～20％，石墨+MoS₂ 8％，其中石墨7％：MoS₂1％，三氧化二铝5～10％。塑料结合2层的材料的各成份质量百分含量为：聚醚醚酮70～90％，聚苯硫醚5～20％，三氧化二铝5～10％。底材金属层3的材料为45^#钢、铸铁或铝等金属，金属层3厚度为3～50mm。塑料结合层2通过分子的化学键将金属层3与塑料工作层1结合在一起；塑料工作层1的一部分在金属层3的凹坑中镶嵌。

本发明所用聚醚醚酮的粒度为50um，密度为1.32g/cm³；所述聚四氟乙烯的粒度为10um，密度为2.18g/cm³；聚苯硫醚的粒度为40um，密度为1.17g/cm³；所述石墨的粒度为20～40um；所述二硫化钼的粒度为40～80um；所述三氧化二铝的粒度为20～50um。

金属塑料复合自润滑材料具体的制备方法如下：在金属层3上铣削设定形貌：按照设定的凹坑排布，通过铣削车床在金属上铣削设定直径与深度的凹坑。对金属层3表面进行喷涂前的前处理，去除其表面的油污和氧化物，并进行表面的磷化处理，提升金属层3与塑料结合层2的结合性能。将塑料工作层1的材料的各成分按如下质量百分含量混合并干燥：聚醚醚酮60～90％，聚四氟乙烯5～20％，石墨7％：MoS₂ 1％，三氧化二铝5～10％；塑料结合层2的材料的各成份按如下质量百分含量混合并干燥：聚苯硫醚70～90％，聚醚醚酮5～20％，三氧化二铝5～10％。将塑料结合层2混料通过静电喷涂机，向铣削的金属层3表面喷涂厚度在50～120um的结合层。将得到的金属结合件放入热压模具模腔内作为嵌件，然后将制得的塑料工作层1混料平铺在铣削的金属层3的钢背上，平铺厚度为2～10mm，加压至3～5MPa，然后以10～20℃/min的速度升温，待温度升至300～350℃，保持恒温10～30分钟，然后加压至5～15MPa，并升温至350～380℃，再保持恒温10～60分钟，然后在保压条件下冷却，采用自然冷却或用冰急速冷却的方法是模具温度降到100℃以下脱模。最后将脱模冷却后的材料在200℃温度下保温1～2小时即可。

以下通过3个实施例再具体说明本发明：

实施例1

按如下步骤制备：

(1)按照预先设定的凹坑排布，通过铣削车床在金属层3上铣削设定直径与深度的凹坑；

(2)对金属表面进行喷涂前的前处理，去除其表面的油污、氧化物，并进行表面的磷化处理，提升金属与塑料层的结合性能；

(3)塑料工作层1取原料聚醚醚酮70份，聚四氟乙烯12份，石墨7份，二硫化钼1份，三氧化二铝10份，混合并干燥。塑料结合层2取原料聚醚醚酮72份，聚苯硫醚18份，三氧化二铝10份，混合并干燥；

(4)将上述(3)中的塑料结合层2混料，通过静电喷涂机，向铣削的金属层3表面喷涂厚度在50um的结合层；

(5)将上述(4)中的金属结合件放入热压模具模腔内作为嵌件，然后将上述(3)中的塑料工作层1混料平铺在铣削的金属层3的钢背上，平铺厚度为2mm，加压至3MPa，然后以10℃/min的速度升温，待温度升至300℃，恒温30分钟，然后加压至8MPa，并温升至350℃，恒温10分钟，然后在保压条件下冷却，采用自然冷却方法使模具温度降到100℃以下脱模；

(6)将步骤(5)脱模冷却后的材料在200℃温度下保温1小时即可制得。

经上述工艺制备的复合材料使用温度为-60～250℃，主要摩擦磨损性能为：摩擦系数为0.10～0.18，磨损率为1.2～2.6×10^-6mm³/N.m。

实施例2

按如下步骤制备：

步骤(1)～(4)按照与实施例1相同的工艺方法；所不同的是：塑料工作层1取聚醚醚酮75份，聚四氟乙烯7份，石墨7份，二硫化钼1份，三氧化二铝10份；塑料结合层2取聚醚醚酮72份，聚苯硫醚18份，三氧化二铝10份；

(5)将上述(4)中的金属结合件放入热压模具模腔内作为嵌件，然后将上述(3)中的塑料工作层1混料平铺在铣削的金属层3的钢背上，厚度为6mm，加压至5MPa，然后以15℃/min的速度升温，待温度升至340℃，恒温20分钟，然后加压至12MPa，并温升至370℃，恒温30分钟，然后在保压条件下冷却，采用冰急速冷却的方法使模具温度降到100℃以下脱模；

(6)将步骤(5)脱模冷却后的材料在200℃温度下保温1.5小时即可制得。

经上述工艺制备的复合材料使用摩擦系数为0.17～0.26，磨损率为1.4～2.7×10^-6mm³/N.m。

实施例3

按如下步骤制备：

步骤(1)～(4)按照与实施例1相同的工艺方法，所不同的是：塑料工作层1取聚醚醚酮80份，聚四氟乙烯4份，石墨7份，二硫化钼1份，三氧化二铝8份；塑料结合层2取聚醚醚酮80份，聚苯硫醚10份，三氧化二铝10份；

(5)将上述(4)中的金属结合件放入热压模具模腔内作为嵌件，然后将上述(3)中的塑料工作层1混料平铺在铣削的金属层3的钢背上，平铺厚度为10mm，加压至5MPa，然后以20℃/min的速度升温，待温度升至360℃，恒温30分钟，然后加压至15MPa，并温升至380℃，恒温20分钟，然后在保压条件下冷却，采用自然冷却方法使模具温度降到100℃以下脱模；

(6)将步骤(5)脱模冷却后的材料在200℃温度下保温2小时即可制得。

经上述工艺制备的复合材料使用摩擦系数为0.23～0.32，磨损率为1.8～3.3×10^-6mm³/N.m。

Claims (4)

1.一种金属塑料复合自润滑材料，由金属层(3)、塑料结合层(2)和塑料工作层(1)组成，其特征是：塑料结合层(2)通过分子的化学键将金属层(3)与塑料工作层(1)结合在一起；塑料工作层(1)的一部分在金属层(3)的凹坑中镶嵌；塑料工作层(1)材料成份按质量百分含量为：聚醚醚酮60～90％，聚四氟乙烯5～20％，石墨7％，MoS₂ 1％，三氧化二铝5～10％；塑料结合层(2)材料成份按质量百分含量为：聚醚醚酮70～90％，聚苯硫醚5～20％，三氧化二铝5～10％。

2.根据权利要求1所述的金属塑料复合自润滑材料，其特征是：所述聚醚醚酮的粒度为50um，密度为1.32g/cm³；所述聚四氟乙烯的粒度为10um，密度为2.18g/cm³；所述聚苯硫醚的粒度为40um，密度为1.17g/cm³；所述石墨的粒度为20～40um；所述二硫化钼的粒度为40～80um；所述三氧化二铝的粒度为20～50um。

3.根据权利要求1所述的金属塑料复合自润滑材料，其特征是：金属层(3)为45^#钢、铸铁或铝。

4.一种实现权利要求1-3任一所述的金属塑料复合自润滑材料的制备方法，其特征是采用如下步骤：

a)在金属层(3)上铣削设定直径与深度的凹坑；

b)去除金属层(3)表面油污和氧化物，并进行表面磷化处理；

c)按质量百分含量的配比，分别将塑料结合层(2)、塑料工作层(1)混合均匀并干燥；

d)将步骤c)的塑料结合层(2)混料向金属层(3)表面喷涂厚度在50～120um的结合层；

e)将步骤d)中的结合件放入热压模具模腔内作为嵌件，再将步骤c)中的塑料工作层(1)混料平铺在金属层(3)上，平铺的厚度为2～10mm，加压至3～5MPa，以10～20℃/min的速度升温，待温度升至300～360℃后保持恒温10～30分钟，然后加压至5～15MPa，并升温至350～380℃后保持恒温10～60分钟，最后在保压条件下冷却使模具温度降到100℃以下脱模；

f)将脱模冷却后的材料在200℃温度下保温1～2小时即可。