CN102977975A - 高性能环保无油润滑材料的配方及其复合板材的制作工艺 - Google Patents
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Classifications
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Abstract
本发明公开了一种高性能环保无油润滑材料的配方及其复合板材的制作工艺。其配方按重量百分比计为：聚酰亚胺6-12％、芳纶纤维6-12％，聚苯酯3-6％、二硫化钼6-12％、锡青铜6-12％，其余为聚四氟乙烯。无油润滑复合板材的制作工艺流程：基板上镀铜、基板上烧结无铅球形青铜粉、配粉料、高速混料、湿混、铺轧、烘干、烧结、精轧制成品板材。该发明将各原料的个体及相互融合后的互补特性，较好地发挥了原料的集约优势，在摩擦、磨损性能，抗腐蚀、抗疲劳、耐冲击性能，抗压强度、承载能力、热稳定性等物理性能方面优于含铅无油轴承中的表面耐磨层，达到高性能环保无油润滑的效果。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种耐磨材料的配方，以及用此配方生产的采用钢板、铜粉、耐磨材料三层复合而成的高性能环保无油润滑复合板材的制作工艺。
背景技术
在上世纪70年代，用钢板、铜粉、塑料三层复合无油润滑材料的板材制作成滑动轴承，在纺织、印刷、液压等行业应用。在后来的实践中，产品应用领域越来越广，发现的产品缺陷也越来越多，生产企业都各自改良配方和制造轴承工艺。
三层复合材料中表面耐磨层最成熟的配方是45％的聚四氟乙烯(PTFE)加55％的铅(Pb)，产品性能良好，在市场维持较长时间，并逐步进入汽车、电器和航空领域。当时的产品命名为SF-1X三层复合轴承。铅是一种重金属材料，其本身有较好的减摩性能，可以在无油的条件下润滑，并且该材料比重高，在制品中有增强密度的作用，所以，做成三层复合无油润滑材料后有较强的抗疲劳性能，尤其在液压行业使用，更显得质量稳定，能充分满足使用要求。随着社会的进步，人们对环保的要求越来越高，产品中由于所含的铅是有毒物质，所以，这种材料在汽车、食品、制药、家电、健身、办公、饮料等机械制造业中的使用受到排斥或限制，生产企业都着重研究用新材料来取代铅。
现在，一般的替代铅的方法是：加入聚苯硫醚粉体10％-15％；聚苯脂粉体10％-15％；芳纶纤维15％-20％，二硫化钼7％-8％，产品的名称为SF-1W。因为这些材料都是高分子材料，并大多是塑料，在取代铅的过程中，摩擦因数可以达到原来的技术要求，但抗疲劳性能却大大降低，而且其产品随温度的变化而性能也较不稳定。因此，寻找一种能替代铅，并且承载能力强，温差稳定性好，又无毒的材料是当前复合轴承材料亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是解决完全取代铅，不仅达到环保要求，更要使产品性能超过原来的PTFE45％加Pb55％的配方，提供一种耐高压能力和抗疲劳能力、耐冲击能力和减摩性能好的高性能环保无油润滑材料的配方，并且用此配方生产出钢板、铜粉、以塑料为主耐磨层的三层复合而成的高性能环保无油润滑复合板材，为制作无油润滑轴承提供原材料。
高性能环保无油润滑材料的配方按重量百分比计为：聚酰亚胺(Pi)6-12％、芳纶纤维(Kevlar)6-12％，聚苯酯(Ekonol)3-6％、二硫化钼(MoS2)6-12％、锡青铜(CuSn10)6-12％，其余为聚四氟乙烯(PTFE)。
应用高性能环保无油润滑材料的配方生产高性能环保无油润滑复合板材的制作工艺流程如下：
A、选用牌号为SPCC或ST12的钢卷带或钢板作为材料基板，在基板上镀铜；
B、在镀铜的基板上烧结无铅球形青铜粉厚度为0.20～0.35mm，无铅球形青铜粉的球径为70～120μm，烧结炉采用隧道式氢氮混合气氛保护炉，氢气为30～35％，氮气为65～70％，要求露点不低于-60℃，烧结温度在890～910℃，时间为15～30分钟；
C、按重量百分比：聚酰亚胺(Pi)6-12％、芳纶纤维(Kevlar)6-12％，聚苯酯(Ekonol)3-6％、二硫化钼(MoS2)6-12％、锡青铜(CuSn10)6-12％，其余为聚四氟乙烯(PTFE)，的配方要求配置高性能环保无油润滑耐磨层的粉料：
D高速混料，将配比好的聚酰亚胺、芳纶纤维、聚苯酯、二硫化钼、锡青铜粉料一起加入混料机进行搅拌三次，每次2～4分钟，每次结束进行筛分将集聚的粉料捣碎，保证搅拌均匀，成混合的粉料；
E湿混，在将含固量为≥56％的聚四氟乙烯乳液、混合的粉料倒入搅拌机容器，加入5～10％的乙醇后进行搅拌，时间为3～6min制成细颗粒的糊状料；
D、铺轧，通过铺料机将细颗粒的糊状料均匀撒在烧结有无铅球形青铜粉的材料基板表面，通过辊轧机将细颗粒的糊状料均匀复合在无铅铜粉烧结层的空隙中及表面，塑料层厚度为0.015～0.035mm，制成坯板；
E、烘干，将坯板在温度220～250℃的环境下烘干，烘干时间为20-35分钟，使坯板表面充分干燥；
F、烧结，在有氮气体保护的烧结炉中对烘干后的坯板烧结，烧结先后经过预热、加温、保温三个流程；烧结加热温度380-390℃，总时间45-75min，其中烧结预热温度的时间为6～9min；炉膛采用氮气作为保护气体防止材料在烧结时发生氧化，其纯度为99.95％以上，露点不低于-60℃；
G、精轧，将烧结完成后的坯板轧制成品板材要求。
所述的无铅球形青铜粉牌号为CuSn8Zn3或CuSn10。
所述的钢卷带的宽度为130～250mm，长度800米左右。
所述的钢板宽度为130～300mm；厚度为0.35～2.75mm；板材长度300～1200mm。
所述基板上镀铜，镀铜层的厚度为3～8μm。
在上述配方中：
聚四氟乙烯，简称PTFE，其有优良的摩擦性能，摩擦因数是塑料中最小的一种，其缺点是，材料流动性差，粉碎料超细度原料不能用单体直接粘附在铜粉层中，必须要填充料、添加剂，因此单独使用聚四氟乙烯只是在模压的情况下才可以，如四氟棒就是单体PTFE组成的，可以做成零件使用在轻载的场合，但不适应作为零件批量生产。
聚苯脂，简称Ekonol，英文名：ArolnatiC Polyester，与其它工程塑料相比，最大特点是减摩性能好，耐温较高，并有很好的耐磨性，其缺点是粘附力不强，比例过高会影响结合力。
聚酰亚胺，简称PI，其本身有很好的耐摩性，而且有很强的粘附力，同时还可以增加塑料硬度，提高抗腐蚀、抗疲劳、耐磨损、耐冲击等性能，与PTFE结合使用会增加结合强度，达到耐摩效果。
芳纶纤维，商品名为kevlar(美国杜邦公司生产)，英文名：Aramid Fibre，是一种高性能的有机纤维，该材料的优点是具有传媒作用，可以把不同特性的材料通过纤维组织串连起来。其本身强度是大大优于尼龙，涤纶、碳纤维。芳纶纤维具有良好的抗冲击和疲劳性能、良好的介电性、化学稳定性、低膨胀、低导热、不燃、不熔等特点。芳纶纤维填充在PTFE中可大大增强轴承的力学性能、承载能力和摩擦磨损性能。
二硫化钼，简称MoS2，属于六方晶系的层状结构，极易从层与层之间滑移，该材料有转移功能，可以提高对磨轴的润滑性能，还能与液压油相配，提高润滑性能，它能较强地吸附在金属表面，即使在摩擦时也不易破坏，因此能承受较高的负荷。资料表明，2.5μm厚的MoS2薄膜，能承受2800MPa以上的压力，同时经受40m/s的摩擦速度。加入后明显改善摩擦磨损作用，并减少轴承的起始磨损。
锡青铜粉(CuSn10)，是一种金属元素，在金属元素中，除铅外，锡青铜是最好的减摩耐磨材料，它可以制成单独的滑动轴承，在油润滑条件下作为机床零件使用，有很好的减磨性和耐磨性。该材料由于金属特性可以提高材料的抗压强度，提高耐磨性能，弥补无铅所带来的密度、强度损失。
1、高性能环保无油润滑材料的耐磨层配方及比例为新融合材料，特别是聚酰亚胺及锡青铜粉的加入，提高了产品抗疲劳强度，提高了耐磨层与中间烧结铜粉的结合力。
2、糊状料中的液体含量减少，从以前的20％下降到10％，一般的材料配比中，因液体含量较高，在坯料烘干时由于液体挥发，塑料内部的空隙率较高，为使塑料更加致密，采用的方式是增大产品的轧下量及多次轧制，而本发明中糊状料的液体含量降低，烘干后的塑料内部致密性好，不必经过反复轧制，在实际生产中已减少烘干后的中轧工序，并且产品的轧下量由以前的0.1mm下降至0.055mm，其好处是可以提高板材的平整度，提高生产工效，减少工序报废。
根据上述配方所制成的高性能环保无油润滑材料，其最主要的是高分子材料和金属粉末的配合比例合适，它具有各原料的个体及相互融合后的互补特性，较好地发挥了原料的集约优势，在摩擦、磨损性能，抗腐蚀、抗疲劳、耐冲击性能，抗压强度、承载能力、热稳定性等物理性能方面优于含铅无油轴承中的表面耐磨层，达到高性能环保无油润滑的效果。
高性能环保无油润滑复合板材的制作技术，其材料结构以优质低碳钢为基体，通过表面镀铜后烧结球形铜粉，采用特殊工艺使其在烧结后形成多孔状基板，便于复合的耐磨层能够渗透到空隙满足塑料与基板的结合要求。其结构为高性能环保无油润滑耐磨层，与无铅锡青铜粉烧结层和钢背层三层复合而成的板材，用此板料可加工成圆柱形轴套、带法兰形轴套、垫片等多种型式的滑动轴承，材料成分符合ROHS指令的要求。本发明克服了无油润滑轴承因高分子材料取代铅后，导致承载压力下降，产品抗疲劳性能下降等问题。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的描述。
高性能环保无油润滑材料的配方按重量计为：
| 聚酰亚胺 | 芳纶纤维 | 聚苯酯 | 二硫化钼 | 锡青铜 | 聚四氟乙烯 | |
| 实施例1 | 12 | 6 | 6 | 6 | 6 | 74 |
| 实施例2 | 10 | 10 | 5 | 10 | 10 | 55 |
| 实施例3 | 8 | 8 | 4 | 8 | 8 | 64 |
| 实施例4 | 6 | 12 | 3 | 12 | 12 | 55 |
| 实施例5 | 7 | 11 | 5 | 7 | 7 | 63 |
应用上表中高性能环保无油润滑材料的配方生产高性能环保无油润滑复合板材的制作工艺流程均如下：
A、选用牌号为SPCC或ST12的钢卷带或钢板作为材料基板，在基板上镀铜；
B、在镀铜的基板上烧结无铅球形青铜粉厚度为0.20～0.35mm，无铅球形青铜粉的球径为70～120μm，壁厚以成品板材厚度+0.055mm为准，烧结炉采用隧道式氢氮混合气氛保护炉，氢气为30～35％，氮气为65～70％，要求露点不低于-60℃，烧结温度在890～910℃，时间为15～30分钟；
C、按上表的配方要求配置高性能环保无油润滑耐磨层的粉料：
D高速混料，将配比好的聚酰亚胺、芳纶纤维、聚苯酯、二硫化钼、锡青铜粉料一起加入混料机进行搅拌三次，每次2～4分钟，每次结束进行筛分将集聚的粉料捣碎，保证搅拌均匀，成混合的粉料；
E湿混，在将含固量为≥56％的聚四氟乙烯乳液、混合的粉料倒入搅拌机容器，加入5～10％的乙醇后进行搅拌，时间为3～6min制成细颗粒的糊状料；
D、铺轧，通过铺料机将细颗粒的糊状料均匀撒在烧结有无铅球形青铜粉的材料基板表面，通过辊轧机将细颗粒的糊状料均匀复合在无铅铜粉烧结层的空隙中及表面，塑料层厚度为0.015～0.035mm，制成坯板；
E、烘干，将坯板在温度220～250℃的环境下烘干，烘干时间为20-35分钟，使坯板表面充分干燥；
F、烧结，在有氮气体保护的烧结炉中对烘干后的坯板烧结，烧结先后经过预热、加温、保温三个流程；烧结加热温度380-390℃，总时间45-75min，其中烧结预热温度的时间为6～9min；炉膛采用氮气作为保护气体防止材料在烧结时发生氧化，其纯度为99.95％以上，露点不低于-60℃；
G、精轧，将烧结完成后的坯板轧制成品板材要求。
所述的无铅球形青铜粉牌号为CuSn8Zn3或CuSn10。
所述的钢卷带的宽度为130～250mm带材长度800米左右。
所述的钢板宽度为130～300mm；厚度为0.35～2.75mm；板材长度300～1200mm。
所述基板上镀铜，镀铜层的厚度为3～8μm。
按照上述方法制成的高性能环保无油润滑板材所制成的滑动轴承，本公司命名为SF-1WP4，与我公司另一款有铅的无油润滑材料制成的滑动轴承SF-1X进行了多种性能的对比试验，试验结果如下：
A、试验形式：按GB/T27553.1-2011塑料-青铜-钢背三层复合自润滑板材技术条件 第1部分：带改性聚四氟乙烯(PTFE)减摩层的板材中4.3条款端面试验中的干摩擦润滑条件
| 产品型号 | 摩擦因数 | 磨损量 |
| SF-1WP4(实施例3) | 0.10 | 0.005 |
| SF-1X | 0.13 | 0.01 |
| SF-1W | 0.15 | 0.015 |
| 国家标准要求 | ≤0.2 | ≤0.03 |
B、试验形式：按GB/T 27553.1-2011塑料-青铜-钢背三层复合自润滑板材技术条件 第1部分：带改性聚四氟乙烯(PTFE)减摩层的板材中4.3条款端面试验中的油润滑润滑条件
| 产品型号 | 摩擦因数 | 磨损量 |
| SF-1WP4(实施例3) | 0.028 | 0.002 |
| SF-1X | 0.032 | 0.002 |
| SF-1W | 0.041 | 0.002 |
| 国家标准要求 | ≤0.08 | ≤0.02 |
C、试验形式：按GB/T 27553.1-2011塑料-青铜-钢背三层复合自润滑板材技术条件 第1部分：带改性聚四氟乙烯(PTFE)减摩层的板材中4.4.1条款表面塑料层与中间烧结层结合强度测试
| 产品型号 | GB/T27553.1要求指标 | 结合强度 |
| SF-1WP4(实施例3) | ＞2N/mm2 | 4.8N/mm |
| SF-1X | ＞2N/mm2 | 3.2N/mm2 |
| SF-1W | ＞2N/mm | 3.5N/mm2 |
D、试验形式：按JB/T 7041-93《液压齿轮泵实验方法》，实验设备：30KW油泵冲击实验台、N46液压油、实验油温80℃、转速3000r/min、压力0-25MPa、冲击频率25-30次/分，实验用泵CBK1012-A15F1
| 产品型号 | 完成冲击 | 耐磨层表面情况 |
| SF-1WP4(实施例3) | 1000222次 | 完好 |
| SF-1X | 1000000次 | 有裂纹 |
| SF-1W | 900000次 | 有裂纹 |
通过上述的对比实验表明，其摩擦因数、磨损量、结合强度、冲击实验都明显优于普通的SF-1X、SF-1W材料的性能。
Claims (6)
1.高性能环保无油润滑材料的配方，其特征是按重量百分比计为：聚酰亚胺6-12％、芳纶纤维6-12％，聚苯酯3-6％、二硫化钼6-12％、锡青铜6-12％，其余为聚四氟乙烯。
2.应用高性能环保无油润滑材料的配方生产高性能环保无油润滑复合板材的制作工艺，其特征流程如下：
A、选用牌号为SPCC或ST12的钢卷带或钢板作为材料基板，在基板上镀铜；
B、在镀铜的基板上烧结无铅球形青铜粉厚度为0.20～0.35mm，无铅球形青铜粉的球径为70～120μm，烧结炉采用隧道式氢氮混合气氛保护炉，氢气为30～35％，氮气为65～70％，要求露点不低于-60℃，烧结温度在890～910℃，时间为15～30分钟；
C、按重量百分比：聚酰亚胺6-12％、芳纶纤维6-12％，聚苯酯3-6％、二硫化钼6-12％、锡青铜6-12％，其余为聚四氟乙烯，的配方要求配置高性能环保无油润滑耐磨层的粉料：
D高速混料，将配比好的聚酰亚胺、芳纶纤维、聚苯酯、二硫化钼、锡青铜粉料一起加入混料机进行搅拌三次，每次2～4分钟，每次结束进行筛分将集聚的粉料捣碎，保证搅拌均匀，成混合的粉料；
E湿混，在将含固量为≥56％的聚四氟乙烯乳液、混合的粉料倒入搅拌机容器，加入5～10％的乙醇后进行搅拌，时间为3～6min制成细颗粒的糊状料；
D、铺轧，通过铺料机将细颗粒的糊状料均匀撒在烧结有无铅球形青铜粉的材料基板表面，通过辊轧机将细颗粒的糊状料均匀复合在无铅铜粉烧结层的空隙中及表面，塑料层厚度为0.015～0.035mm，制成坯板；
E、烘干，将坯板在温度220～250℃的环境下烘干，烘干时间为20-35分钟，使坯板表面充分干燥；
F、烧结，在有氮气体保护的烧结炉中对烘干后的坯板烧结，烧结先后经过预热、加温、保温三个流程；烧结加热温度380-390℃，总时间45-75min，其中烧结预热温度的时间为6～9min；炉膛采用氮气作为保护气体防止材料在烧结时发生氧化，其纯度为99.95％以上，露点不低于-60℃；
G、精轧，将烧结完成后的坯板轧制成品板材要求。
3.根据权利要求2所述的高性能环保无油润滑复合板材的制作工艺，其特征是所述的无铅球形青铜粉牌号为CuSn8Zn3或CuSn10。
4.根据权利要求2所述的高性能环保无油润滑复合板材的制作工艺，其特征是所述的钢卷带的宽度为130～250mm，长度800米左右。
5.根据权利要求2所述的高性能环保无油润滑复合板材的制作工艺，其特征是所述的钢板宽度为130～300mm；厚度为0.35～2.75mm；板材长度300～1200mm。
6.根据权利要求2所述的高性能环保无油润滑复合板材的制作工艺，其特征是所述基板上镀铜，镀铜层的厚度为3～8μm。
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