CN101715392B - 免维护的滑动轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种免维护的滑动轴承，它包括一个金属支撑体(1)、直接施加在其上的一个中间层(2)、以及施加在该中间层(2)上的一个滑动层(3)。根据本发明的滑动轴承的特征在于该中间层(2)包括至少一种功能化的热塑性聚合物，该聚合物具有式(I)、(II)、(III)和/或-COOR的多个功能基团，其中R表示具有1到20个碳原子的环状的或者直链的有机基团。

Description

免维护的滑动轴承
技术领域
本发明涉及一种免维护的滑动轴承，包括一个金属支撑体、一个直接施加在其上的中间层以及一个施加在该中间层上的滑动层。
背景技术
很长时间从现有技术中已经知道多种形式的免维护滑动轴承，这些滑动轴承包括具有一种金属支撑体材料、一个中间层以及一个施加在其上的滑动层的一种层结构，并且这些滑动轴承被用在众多的技术领域中，例如在汽车工程领域中。
EP 0 394 518 A1描述了一种多层滑动轴承材料，其中金属支撑体材料优选地包括冷轧钢，在其上施加了一层全氟代(甲基乙烯醚)和四氟乙烯的聚合物作为中间层。包括一种PTFE复合材料的一个滑动层进而被施加在该中间层上。在这种滑动轴承材料中，中间层具有的功能是建立滑动层到支撑体材料的牢固粘合。首先为了保证中间层到支撑体材料的粘合，在这种已知的滑动轴承材料中的金属支撑体材料的表面必须通过湿法化学设备以一种适当的方式进行预处理。到目前为止最好的结果是通过铬酸盐处理该金属支撑体的表面实现的。然而，这种方法因为环境保护的原因是有问题的并且因此就中期而言应该被替换。
发明内容
鉴于现有技术，本发明的一个目的是提供一种免维护的滑动轴承，它包括一个金属支撑体、一个直接施加在其上的中间层以及一个施加在该中间层上的滑动层，其中保证了该滑动层到该支撑体材料的长期的优异的粘着性并且它的生产在不使用生态学上有问题的表面预处理方法而完成的。
根据本发明，该目的是通过根据权利要求1的前序部分的一种免维护的滑动轴承实现的，是通过使中间层包括至少一种功能化的热塑性聚合物，该功能化的热塑性聚合物结合了多个功能基团，这些基团具有式
-COOH和/或-COOR，
其中基团R是具有从1到20个碳原子的环状的或者直链的有机基团。如果该有机基团R(例如)仅包含一个碳原子，那么功能基团优选地具有以下化学式：
Figure G2007800530133D00023
这些功能基团可以通过至少一种改性剂(B)而被结合到热塑性聚合物(A)之中。适当的改性剂是，例如，马来酸及其衍生物，具体是它们的酸酐；衣康酸及其衍生物，具体是它们的酸酐；和/或柠康酸及其衍生物，具体是它们的酸酐。在此，聚合物(A)与改性剂(B)的比例优选地是从99.9mol％(A)∶0.1mol％(B)到80mol％(A)∶20mol％(B)。熔体体积流动速率(MVR在50℃＞在熔点时，并且在7千克载入量情况下)是在从0.1到1000mm3/sec的级别。该MVR是聚合物的熔体流动的一种指标并且因此可以被用作分子质量的一种粗略的估计。理想的是，该MVR是在5-500mm3/sec的级别，特别优选地是在从10到200mm3/sec的范围中。
本发明的滑动轴承是以由该中间层引起的该滑动层到该支撑体材料的优异的粘附性为特征，根据本发明该中间层被配置为一种功能化的热塑性聚合物(具有上述类型的功能基团)。由于甚至到该金属支撑体(具体是冷轧钢、冷轧以及随后的电解镀锌的钢、铝或者不锈钢)的一种未经处理的表面上的这种优异的粘着性，可以省去生态学上有问题的并且处理-密集的湿法化学预处理方法(具体是铬酸盐处理)。如由本申请人实施的研究已经表明，在例如EP 0 848 031 B1(其中一种功能化的热塑性氟聚合物同样被描述为一种层压板的组分)中描述的用于表面预处理的多种物理方法(例如，通过电晕放电的等离子体预处理)不再是必须的。因此，生产本发明的滑动轴承的方法与现有技术相比可以在明显更低的成本下进行。
本发明的一个第一实施方案提供了使该中间层的至少一个功能化的热塑性聚合物作为一种功能化的热塑性氟聚合物，具体是亚乙基四氟乙烯聚合物(ETFE)、全氟烷氧基-乙烯(PFA)或者四氟乙烯-全氟代(甲基乙烯醚)聚合物(MFA)，特别优选地是亚乙基四氟乙烯聚合物(ETFE)。
该中间层优选地不仅包括至少一种功能化的热塑性聚合物，而且还包括具有以下化学式的一种全氟代(甲基乙烯醚)的共聚物：
CF2＝CF-O-R1，
其中R1是一个全氟乙基、全氟-n-丙基或者全氟-n-丁基的基团、以及四氟乙烯。
该中间层的厚度本质上对应于该金属支撑体的粗糙度，该金属支撑体的粗糙度被定义为该金属支撑体的表面的粗糙度轮廓的最大轮廓峰值高度与最大轮廓凹陷深度之间的距离Rmax。以此方式，这首先保证了一种足够厚的粘合层被施加在该金属支撑体上，这样保证了在该滑动层与该金属支撑体之间的一种全区域粘结。其次，该粘合层还不应该制得太厚。在这种情况下，将会存在一种危险是在连接这些层时，部分的粘合层的会从该粘结中压出或者当该滑动轴承受到剪切应力时，粘聚力断裂可能发生在凸出在该金属支撑体表面的粗糙度轮廓之上的该粘合层的一些部分中。
根据本发明的一个特别有利的传授内容，它提供了该中间层包括两层功能化的热塑性聚合物，该功能化的热塑性聚合物具有多个功能化的基团，这些基团具有式
Figure G2007800530133D00031
-COOH和/或-COOR，其中一种金属性中间层被包埋在这两层之间。以此方式实现该材料的改进的可调整能力。该金属中间层在此可以被配置为多孔金属网。它优选地包括不锈钢、铝或者铜。
为了改进该滑动轴承的机械以及总体物理特性，该中间层优选地包含用来增加和/或改进热传导性和/或耐磨损性的多种填充剂。作为填充剂，给予优选的是使用纤维类，具体是玻璃纤维、碳纤维或者芳族聚酰胺；无机材料类，具体是陶瓷材料类、碳、玻璃、石墨、氧化铝、硫化钼、青铜或者碳化硅，所有无机材料均处于织物、粉末、小球或者纤维的形式；热塑材料类，具体是聚酰亚胺(PI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚亚苯基硫化物(PPS)、聚亚苯基砜(PPSO2)、液晶聚合物(LCP)、聚醚醚酮类(PEEK)、或者芳香族聚酯类(Ekonol)；或者矿物材料类，具体是硅灰石或硫酸钡；或者它们的混合物。在该中间层中的填充剂的优选的比例是按体积计1％-40％，具体是按体积计5％-30％。该中间层的厚度优选地是在从0.01到0.1mm的范围中，具体是从0.01mm到0.5mm。
在本发明的滑动轴承中使用的金属支撑体可以具有一种不同性质的表面。由于该中间层(包括功能化的热塑性聚合物)的优异粘合特性，该金属支撑体可以具有一种光滑表面或者一种粗糙化或有结构的表面(例如通过一种结构的擦刷、喷砂、压纹来实现)。不管该表面粗糙度如何，该表面还可以是一种表面升级的、具体是电解镀锌的表面。
至于所使用的材料，该金属支撑体可以包括钢，具体是冷轧钢，优选材料号1.0338或者1.0347，或者镀锌钢，不锈钢，优选材料号1.4512或者1.4720，或者铝或者它们的合金。
施加在该中间层上的滑动层进而优选包括一种氟聚合物，具体是聚四氟乙烯、聚酰胺、聚醚醚酮(PEEK)或者它们的一种混合物。给予特别优选的是被配置为一个PTFE化合物层的滑动层。在此，该滑动层可以被配置为一种多孔塑料薄膜以增加传导性。
本发明的免维护滑动轴承当该滑动层的厚度是从0.01到1.5mm、具体是从0.1到0.35mm时具有优异的滑动特性以及长使用寿命。施加在该中间层上的滑动层进而还可以包含用来增加和/或改进热传导性和/或耐磨损性的多种填充剂。这些优选地是纤维类，具体是玻璃纤维、碳纤维或者芳族聚酰胺；无机材料类，具体是陶瓷材料类、碳、玻璃、石墨、氧化铝、硫化钼、青铜或者碳化硅，所有无机材料均处于织物、粉末、小球或者纤维的形式；热塑材料类，具体是聚酰亚胺(PI)，聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚亚苯基硫化物(PPS)、聚亚苯基砜(PPSO2)、液晶聚合物(LCP)、聚醚醚酮类(PEEK)、或者芳香族聚酯类(Ekonol)；或者矿物材料类，具体是硅灰石或硫酸钡；或者它们的混合物。在该滑动层中的填充剂的比例按体积计特别优选地是从1％到40％，具体是按体积计从5％到30％。
就方法而言，在最初提到的目的是通过如权利要求1到22中任一项所述的一种用于生产免维护的滑动轴承的方法来实现的，这是通过将该中间层以及该滑动层在压力下并且通过引入热量在它们的区域上连接到该支撑体上而实现的。
在此方法中，该金属支撑体还有该中间层和滑动层都是在每种情况下被作为连续的材料从一个卷上卷下并且在一种叠层轧辊装置中在压力作用下并且在升高的温度下彼此相连接。为了实现中间层到金属支撑体的进一步改进的粘附性连同金属支撑体的改进的腐蚀特性，本发明的方法的一个优选实施方案提供了在施加该中间层之前使金属支撑体表面的进行粗糙化和/或表面升级(例如通过电解镀锌)。此外，该金属支撑体的表面可以通过机械结构化处理来增强，例如通过擦刷、喷砂、一种结构的压纹，由于交互重叠的可能性这在生成的结合力上具有一种积极的作用。
附图说明
通过描绘了一个实例的附图在以下对本发明进行说明。在附图中：
图1以示意性的截面视图示出了根据本发明的滑动轴承，并且
图2示出了在根据本发明的滑动轴承上依照DIN 1895的粘合强度测试的实验结果的图表。
具体实施方式
在图1中示出了根据本发明的免维护滑动轴承的结构。这里，以1表示该金属支撑体，同时2表示该中间层并且3表示施加在其上的滑动层。
根据本发明，中间层2包括至少一个功能化的热塑性聚合物，该聚合物具有多个功能基团，这些基团具有式
Figure G2007800530133D00051
-COOH和/或-COOR，其中这些基团R是具有1到20个碳原子的环状的或者直链的有机基团。这些功能基团可以通过加入至少一种改性剂(B)被结合到热塑性聚合物(A)中。适合的改性剂是(例如)马来酸及其衍生物，具体是它们的酸酐，衣康酸及其衍生物，具体是它们的酸酐，和/或柠康酸以及其衍生物，具体是它们的酸酐。在此，聚合物(A)与改性剂(B)的比率优选地是从99.9mol％(A)∶0.1mol％(B)到80mol％(A)∶20mol％(B)。
在本发明的情况下，施加在中间层2上的滑动层3被配置为一条PTFE复合带，具体是一种表面预处理的(优选蚀刻的)PTFE复合带。所使用的PTFE复合层3可以包含不同的填充剂以改进其机械特性，例如纤维类，具体是玻璃纤维、碳纤维或者芳族聚酰胺；无机材料类，具体是陶瓷材料类、碳、玻璃、石墨、氧化铝、硫化钼、青铜或者碳化硅，所有无机材料均处于织物、粉末、小球或者纤维的形式；热塑材料类，具体是聚酰亚胺(PI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚亚苯基硫化物(PPS)、聚亚苯基砜(PPSO2)、液晶聚合物(LCP)、聚醚醚酮类(PEEK)、或者芳香族聚酯类(Ekonol)；或者矿物材料类，具体是硅灰石或硫酸钡；或者它们的混合物。
在根据本发明的免维护的滑动轴承的情况下所实现的改进的粘合强度是由使用多个夹层的叠层板的180°剥离试验来确定的。为此目的，生产了具有一种五层结构的多个样品，在这种五层结构中的中间层是由一个金属支撑体形成并且一个中间层2被施加在金属支撑体1的每一侧上并且一个外滑动层3被施加在每个中间层2上。确切地说，一种功能化的ETFE被选作用于中间层2的材料，等级号1.0338的冷轧钢被选作金属支撑体1并且具有25％的填充剂含量的一种PTFE复合带被选作滑动层3。
在生产夹层结构之后，这些样品被切成具有25mm宽度的条状并且随后依照DIN 1895经受一种180°剥离试验以确定拉伸强度。
如在图2中给出的试验结果所示，与标准ETFE相比可以实现粘合强度的明显的改进，具体是在室温下当使用一种功能化的ETFE时，并且这种改进在高温下仍然存在。如本申请人所进行的进一步研究已经表明，根据材料的成分，通过该氟聚合物层的功能化可以实现粘合强度增加高达大约800％。

Claims (39)

1.一种免维护的滑动轴承，包括一个金属支撑体(1)、直接施加在其上的一个中间层(2)以及一个施加在该中间层(2)上的滑动层(3)，其特征在于，该中间层(2)包括至少一种功能化的热塑性聚合物，该功能化的热塑性聚合物具有多个功能基团，这些基团具有式-C＝O、-C-O-R、-COH、-COOH和/或-COOR，其中这些基团R是具有1到20个碳原子的环状的或者直链的有机基团，其中这些功能基团通过加入至少一种改性剂而被结合到该热塑性聚合物之中，该改性剂为马来酸以及其衍生物，和/或衣康酸以及其衍生物，和/或柠康酸以及其衍生物。
2.如权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于，所述马来酸衍生物是马来酸酐，所述衣康酸衍生物是衣康酸酐，所述柠康酸衍生物是柠康酸酐。
3.如权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于，该中间层(2)的至少一种功能化的热塑性聚合物是一种功能化的热塑性氟聚合物。
4.如权利要求3所述的滑动轴承，其特征在于，所述热塑性氟聚合物是一种乙烯-四氟乙烯共聚物、全氟代烷氧基乙烯或一种四氟乙烯-全氟代(甲基乙烯醚)共聚物。
5.如权利要求4所述的滑动轴承，其特征在于，所述热塑性氟聚合物是乙烯-四氟乙烯共聚物。
6.如权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，包括至少一种功能化的热塑性聚合物的该中间层(2)进一步包括：一种具有以下化学式的全氟代(烷基乙烯醚)的共聚物：
CF2＝CF-O-R1
其中R1是一个全氟乙基、全氟-n-丙基、或者全氟-n-丁基的基团，以及四氟乙烯。
7.如权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，该中间层(2)的厚度实质上对应该金属支撑体(1)的粗糙度，该金属支撑体的粗糙度被定义为该金属支撑体(1)的表面的粗糙度轮廓的最大轮廓峰值高度与最大轮廓凹陷深度之间的距离。
8.如权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，该中间层(2)包括该功能化的热塑性聚合物的两个层，该功能化的热塑性聚合物具有多个功能基团，这些功能基团具有以下化学式：-C＝O、-C-O-R、-COH、-COOH和/或-COOR，其中，一种金属性中间层被包埋在这两个层之间。
9.如权利要求8所述的滑动轴承，其特征在于，该金属性中间层被配置为多孔金属网。
10.如权利要求8所述的滑动轴承，其特征在于，该金属性中间层包括不锈钢、铝或青铜。
11.如权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，该中间层(2)包含用来增加和/或改进热传导性和/或耐磨损性的多种填充剂。
12.如权利要求11所述的滑动轴承，其特征在于，该中间层(2)包含作为填充剂的纤维类；无机材料类，所有无机材料均处于织物、粉末、小球或者纤维的形式；热塑材料类；或者矿物材料类；或者它们的混合物。
13.如权利要求12所述的滑动轴承，其特征在于，所述纤维类是玻璃纤维、碳纤维或者芳族聚酰胺；所述无机材料类是陶瓷材料类、碳、玻璃、石墨、氧化铝、硫化钼、青铜或者碳化硅；所述热塑材料类是聚酰亚胺，聚酰胺酰亚胺、聚亚苯基硫化物、聚亚苯基砜、液晶聚合物、聚醚醚酮类、或者芳香族聚酯类；所述矿物材料类是硅灰石或硫酸钡。
14.如权利要求11所述的滑动轴承，其特征在于，该填充剂的比例按体积计是从1％到40％。
15.如权利要求14所述的滑动轴承，其特征在于，该填充剂的比例按体积计是从5％到30％。
16.如权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，该中间层(2)具有的厚度是从0.01到0.1mm。
17.如权利要求16所述的滑动轴承，其特征在于，该中间层(2)具有的厚度是从0.01到0.05mm。
18.如权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，该金属支撑体(1)具有一个光滑的表面。
19.如权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，该金属支撑体(1)具有一种粗糙化的表面。
20.如权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，该金属支撑体(1)具有一种表面升级的表面。
21.如权利要求20所述的滑动轴承，其特征在于，该金属支撑体(1)是电解镀锌的表面。
22.如权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，该金属支撑体(1)包括钢、铝或者它们的合金。
23.如权利要求22所述的滑动轴承，其特征在于，所述钢是冷轧钢、哑光镀锌钢、或者不锈钢。
24.如权利要求23所述的滑动轴承，其特征在于，所述冷轧钢的材料号是1.0338或者1.0347。
25.如权利要求23所述的滑动轴承，其特征在于，所述不锈钢的材料号是1.4512或者1.4720。
26.如权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，施加在该中间层(2)上的滑动层(3)包括聚四氟乙烯、聚酰胺、聚醚醚酮、或者它们的一种混合物。
27.如权利要求26所述的滑动轴承，其特征在于，该滑动层(3)被配置为一种PTFE化合物的层。
28.如权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，该滑动层(3)被配置为一个多孔的和/或透气的塑料薄膜。
29.如权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，该滑动层(3)具有的厚度是从0.01到1.5mm。
30.如权利要求29所述的滑动轴承，其特征在于，该滑动层(3)具有的厚度是从0.1到0.35mm。
31.如权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，该滑动层(3)包含用来增加和/或改进热传导性和/或耐磨损性的多种填充剂。
32.如权利要求31所述的滑动轴承，其特征在于，这些填充剂是纤维类；无机材料类，所有无机材料均处于织物、粉末、小球或者纤维的形式；热塑材料类；或者矿物材料类；或者它们的混合物。
33.如权利要求32所述的滑动轴承，其特征在于，所述纤维类是玻璃纤维、碳纤维或者芳族聚酰胺；所述无机材料类是陶瓷材料类、碳、玻璃、石墨、氧化铝、硫化钼、青铜或者碳化硅；所述热塑材料类是聚酰亚胺，聚酰胺酰亚胺、聚亚苯基硫化物、聚亚苯基砜、液晶聚合物、聚醚醚酮类、或者芳香族聚酯类；所述矿物材料类是硅灰石或硫酸钡。
34.如权利要求31所述的滑动轴承，其特征在于，该填充剂的比例按体积计是从1％到40％。
35.如权利要求34所述的滑动轴承，其特征在于，该填充剂的比例按体积计是从5％到30％。
36.用于生产如权利要求1到35中任一项所述的一种免维护的滑动轴承的方法，其特征在于，这些功能基团通过添加至少一种改性剂而被结合到该热塑性聚合物之中，该改性剂为马来酸以及其衍生物，和/或衣康酸及其衍生物，和/或柠康酸以及其衍生物，并且该中间层(2)以及该滑动层(3)是随后在压力下并且利用热传导在它们的区域上连接到该金属支撑体(1)上。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述马来酸衍生物是马来酸酐，所述衣康酸衍生物是衣康酸酐，所述柠康酸衍生物是柠康酸酐。
38.如权利要求36所述的方法，其特征在于，在施加该中间层(2)之前对该金属支撑体(1)的表面进行粗糙化和/或表面升级。
39.如权利要求38所述的方法，其特征在于，通过电解镀锌进行粗糙化和/或表面升级。
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