CN101885955A - 全陶瓷轴承与金属轴粘合用的胶粘剂及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全陶瓷轴承与金属轴粘合用的胶粘剂及使用方法，所述的胶粘剂为有机和无机的复合胶粘剂，它是以环氧树脂为基，以酚醛树脂为固化剂，再加入纳米量级的CaO；其中环氧树脂取95-100phr、酚醛树脂取59-63phr，纳米量级是以环氧树脂和酚醛树脂为基数的2.5-3.0phr。使用时是在全陶瓷轴承内圈与金属轴之间加一金属内环，金属内环与陶瓷轴承的内圈使用本发明提供的胶粘剂进行粘合，本发明有效解决了全陶瓷轴承与金属轴之间进行机械连接的问题，操作简单。同时提供的复合胶粘剂克服了有机胶和无机胶的缺点，改善了粘合性能。

Description

全陶瓷轴承与金属轴粘合用的胶粘剂及使用方法

技术领域

本发明涉及一种全陶瓷轴承与金属轴粘合用的胶粘剂及使用方法，更确切地说本发明涉及可用于全陶瓷轴承内圈和金属内环进行有效粘合的胶粘剂及使用方法，所述的胶粘剂是无机胶和有机胶的复合胶。

背景技术

陶瓷轴承作为一种重要的机械基础件，由于其具有金属轴承所无法比拟的优良性能，抗高温、超强度等在新材料世界独领风骚。近十多年来，在国计民生的各个领域中得到了日益广泛的应用。航空航天、航海、核工业、石油、化工、轻纺工业、机械、冶金、电力、食品、机车、地铁、高速机床及科研国防军事技术等领域需要在高温、高速、深冷、易燃、易爆、强腐蚀、真空、电绝缘、无磁、干摩擦等特殊工况下工作，陶瓷轴承不可或缺的替代作用正在被人们逐渐地认识。

随着加工技术的不断进步，工艺水平的日益提高，陶瓷轴承的成本不断下降，已经从过去只在一些高、精、尖领域小范围内应用，逐步推广到国民经济各个工业领域，产品市场价格也逐渐接近实用化，达到用户可接受的程度，陶瓷轴承大面积应用的浪潮已经涌来。

目前在工业上普遍应用机械连接法将轴承和轴进行有效连接，但是陶瓷材料脆性较大，不易用机械法对轴承内圈和轴进行连接，在陶瓷轴承研制和开发过程中，如何克服陶瓷脆性大的缺点是陶瓷轴承一个重要的研究方向。

金属和陶瓷是两类不同的材料，相互结合时在界面上存在着化学及物理性能的差异，特别是化学键差异较大，加之陶瓷本身特殊的物理化学性能，采用常规的焊接方法不能有效的连接，因此陶瓷-金属之间的可靠连接是陶瓷材料能够发挥作用的关键。目前在工业上广泛应用的是机械手段，如锚、夹等手段实现金属与陶瓷的连接，但机械连接的接头应力集中，因而使用范围有限。其它连接技术如焊接、自蔓延技术等由于施工工艺的限制，不能在日常民用方面得到普及。而粘接连接技术具有工艺较简单、固化速度快、使用温度范围宽、抗老化性好等特点。本项目所开发的产品是一种粘接剂，使陶瓷轴承内圈与金属圈进行有效连接。

胶粘剂种类繁多，总的说来分为有机和无机两类。有机胶粘剂是以有机化合物为基料制成的胶粘剂，包括天然高分子胶粘剂与合成高分子胶粘剂，目前应用和研究较多的主要有环氧树脂类、酚醛树脂类、有机硅类以及含氮杂环聚合物。有机胶的粘结强度高，综合性能好，但脆性大，耐热性能差。无机胶粘剂由无机盐、无机酸、无机碱和金属氧化物、氢氧化物等组成，无机胶粘剂的耐高温和耐低温性能极为优异，原料易得，可室温固化。目前常用的无机胶粘剂有硅酸盐类、磷酸盐类、氧化物、金属胶粘剂等多种。

近些年来，胶粘剂应用日益扩大，对其技术要求也愈加苛刻。尽管胶粘剂新产品、新用途不断被报道，但限于无机和有机胶粘剂本身的固有缺陷，其性能很难有根本上的突破，这在很大程度上限制了它们的应用。目前，胶粘剂的主要发展趋势主要表现在以下几个方面：

(1)、开发出新型有机胶粘剂，制备出耐高温、力学性能好的胶粘剂。

(2)、利用和开发新型的改性技术对现有的树脂胶粘剂进行改性，提高综合性能，扩大应用范围。

(3)、改善无机胶粘剂。主要是提高对底材的粘结强度、降低脆性和提高耐水性等。

(4)、利用有机胶和无机胶二者的优点，研究和开发有机和无机复合型胶粘剂。

利用无机胶粘剂和有机胶粘剂二者的优点，研制开发出适用于与陶瓷轴承内圈与金属环的有机和无机复合胶粘剂，有利于克服全陶瓷轴承脆性大、不易与金属轴进行有效连接的技术难题，可促进陶瓷轴承在工业生产中的推广和应用，从而引导出本发明的构思。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全陶瓷轴承与金属轴粘合用的胶粘剂及使用方法。

本发明所述的全陶瓷轴承包括氧化锆(ZrO₂)陶瓷轴承、氮化硅(Si₃N₄)陶瓷轴承以及碳化硅(SiC)陶瓷轴承，当然还包括各种增韧的ZrO₂、Si₃N₄或SiC陶瓷轴承。正如前面所述，全陶瓷轴承由于具体一系列优异的物理化学性能以及高温特性所以倍受业界青睐，但由于其陶瓷固有的脆性以及与金属轴的膨胀系数之间差异，所以不能将金属轴与全陶瓷轴承直接机械方式连接，在中间必须有一个过渡层。本发明的解决方案是在全陶瓷轴承内圈加一金属内环，金属内环可与金属轴进行有效的机械连接。金属内环和陶瓷轴承内圈是通过本发明的胶粘剂进行粘合，这样就可使全瓷轴承、金属内环和金属轴有效的连接在一起。

本发明提供的胶粘剂是以环氧树脂为基，以酚醛树脂为固化剂，再添加纳米量级CaO，改善环氧树脂/酚醛树脂胶粘剂体系的力学性能，制备出粘结金属和陶瓷轴承内圈胶粘剂的可行性配方。具体地说，环氧树脂取95-100phr(phr每100份加入的质量份数)，酚醛树脂取59-63phr，纳米量级CaO是以环氧树脂和酚醛树脂为基数的2.5-3.0phr。

所述的金属内环或与金属轴为同一种材料制成，或与金属轴膨胀系数相匹配的材料制成，也即它的膨胀系数介于金属轴与全陶瓷轴承材料之间的材料制成，金属内环通常为金属箔，厚度为20-30微米。

本发明与现有技术比具有以下优点：

1、可有效解决陶瓷轴承脆性大、不易与金属轴进行机械连接的问题，且操作简便，易于推广。

2、本发明专利涉及无机胶和有机胶的复合胶制备，有效克服了有机胶和无机胶的缺点，改善了胶粘剂的性能，可对全瓷轴承内圈和金属环进行有效粘接。

附图说明

图1为全陶瓷轴承与金属轴粘合时采用本发明提供的胶粘剂的结构示意图，图中1为全陶瓷轴承的外圈；2为全陶瓷轴承的内圈；3为本发明提供的胶粘剂；4为金属内环。

具体实施方式

下面通过具体实施方式的介绍，以进一步阐述本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于实施例。

实施例1.ZrO₂全陶瓷与金属轴的粘合

(1)环氧树脂/酚醛树脂胶粘剂制备

将环氧树脂和酚醛树脂按比例，环氧树脂取95-100phr，酚醛树脂取59-63phr，用挥发性溶剂溶解，机械搅拌均匀后，在70-75℃真空脱泡。

(2)环氧树脂/酚醛树脂/CaO胶粘剂制备

将2.5-3.0phr纳米级CaO分散到混合溶剂中去，再将制备好的环氧树脂/酚醛树脂胶液加入，机械混合并搅拌均匀。真空脱除气泡，使混合胶液增粘，以稳定纳米粒子的分散。将制备好的胶液密封备用。纳米级CaO颗粒越小则分散易均匀，考虑到成本和市售的可能性，以100-500纳米的CaO为宜。

(3)金属内环的选定和表面粗化处理

适当的金属表面粗化可以提高陶瓷表面润湿性并形成机械锁结，同时粗化表面也可为化学结合提供更大的面积。但是过度的粗化会导致金属陶瓷界面的应力集中，且产生陡的新生角，会使陶瓷的表面润湿性不完全，还会在界面形成气泡和孔穴，从而降低金瓷结合力。金属内环通常为金属箔，厚度小于35微米，它与陶瓷轴承内圈的间隙20-30微米，太大或太小均不利于两者的粘合。

(4)陶瓷轴承内圈表面与金属内环表面清洗

陶瓷及金属表面易受周围介质的污染，表面的锈渍或油污将会大大降低了胶粘剂对待粘表面的亲和力，导致粘接体系粘结力严重下降。所以在使用时先用清洗剂对陶瓷和金属内环待粘表面进行处理，再用毛刷蘸取丙酮刷洗待粘表面，将清洗过的金属环和陶瓷轴承烘干，待粘接面完全干燥后进行粘接。

(5)陶瓷轴承与金属内环的粘合

用毛刷蘸取适量步骤2配制好的胶液均匀涂刷在陶瓷轴承内圈2的内表面，同时用毛刷蘸取适量胶液均匀涂刷在金属内环4的外表面。然后将涂好胶的陶瓷轴承与金属内环的位置对齐，粘接好，最后将粘接好的样品置于室温(15-25℃)或适当加温条件下(低于50℃)固化。

本实施例解决了全陶瓷轴承脆性大，在现有条件下无法与金属轴进行有效机械连接的问题，有利于全瓷轴承的产业化发展，应用范围十分广泛，且本发明提供的胶粘剂适用于ZrO₂、Si₃N₄或SiC全陶瓷陶瓷轴承与金属内环的胶粘剂。

Claims (10)

1.一种全陶瓷轴承与金属轴粘合用的胶粘剂，其特征在于所述的胶粘剂是有机和无机的复合胶粘剂，它是以环氧树脂为基，以酚醛树脂为固化剂，再加入纳米量级的CaO；其中环氧树脂取95-100phr、酚醛树脂取59-63phr，纳米量级是以环氧树脂和酚醛树脂为基数的2.5-3.0phr。

2.按权利要求1所述的全陶瓷轴承与金属轴粘合用的胶粘剂，其特征在于所述的纳米量级CaO的粒径为100-500纳米。

3.按权利要求1所述的全陶瓷轴承与金属轴粘合用的胶粘剂，其特征在于所述的全陶瓷轴承为ZrO₂陶瓷轴承、Si₃N₄陶瓷轴承或SiC陶瓷轴承。

4.使用如权利要求1、2或3所述的全陶瓷轴承与金属轴粘合用的胶粘剂的方法，其特征在于在全陶瓷轴承内圈与金属轴之间加一金属内环，金属内环与陶瓷轴承的内圈使用权利要求1所述的胶粘剂进行粘合，具体步骤是：

(a)环氧树脂/酚醛树脂胶粘剂制备

按环氧树脂取95-100phr，酚醛树脂取59-63phr的配比，用溶剂溶解，机械搅拌均匀后，真空脱泡；

(b)环氧树脂/酚醛树脂/CaO胶粘剂制备

将2.5-3.0phr纳米CaO分散到混合溶剂中去，再将步骤a制备好的环氧树脂/酚醛树脂胶液加入，机械混合并搅拌均匀；真空脱除气泡，使混合胶液增粘，以稳定纳米粒子的分散；将制备好的胶液密封备用；

(c)金属内环的选择和表面粗化处理

所述的金属内环厚度小于35微米；

(d)陶瓷轴承内圈表面与金属内环表面清洗

首先用清洗剂对陶瓷和金属内环的待粘表面进行处理，再用毛刷蘸取丙酮刷洗待粘表面，将清洗过的金属环和陶瓷轴承烘干，待粘接面完全干燥后进行粘接；

(e)陶瓷轴承与金属内环的粘接

用毛刷蘸取步骤b配制好的胶液均匀涂刷在陶瓷轴承内圈的内表面，同时用毛刷蘸取适量胶液均匀涂刷在金属内环的内表面；然后将涂好胶的陶瓷轴承与金属内环的位置对齐置于室温或加温条件下固化。

5.按权利要求4所述的全陶瓷轴承与金属轴粘合用的胶粘剂的使用方法，其特征在于步骤(a)所述的真空托泡温度为70-75℃。

6.按权利要求4所述的全陶瓷轴承与金属轴粘合用的胶粘剂的使用方法，其特征在于所述的金属内环厚度为20-30微米。

7.按权利要求4或6所述的全陶瓷轴承与金属轴粘合用的胶粘剂的使用方法，其特征在于所述的金属内环与陶瓷轴承内圈的间隙20-30微米。

8.按权利要求4所述的全陶瓷轴承与金属轴粘合用的胶粘剂的使用方法，其特征在于金属内环与金属轴为同一种材料制成，或由膨胀系数介于金属轴材料与陶瓷材料之间。

9.按权利要求4所述的全陶瓷轴承与金属轴粘合用的胶粘剂的使用方法，其特征在于所述的室温为15-25℃。

10.按权利要求4所述的全陶瓷轴承与金属轴粘合用的胶粘剂的使用方法，其特征在于所述的加温条件为低于50℃条件。