CN103527633B - 一种自润滑复合导轴承及其生产方法与应用 - Google Patents

Abstract

一种自润滑复合导轴承及其生产方法与应用，该导轴承包括聚合物层；位于聚合物层外周围的金属层。聚合物层包括60～70重量份聚甲醛、聚酰胺或聚醚醚酮；10～20重量份聚苯酯；10～20重量份固体润滑剂，加工助剂。生产方法包括以下步骤：将聚甲醛、聚酰胺或聚醚醚酮；聚苯酯；润滑剂及助剂进行配料、混料、烘干、挤出、切粒后，烘干待用；金属层加工成符合所需尺寸和结构要求的金属件；金属件预热；将金属件装入模具之中，进行注塑或模压加工。聚合物为聚甲醛或聚酰胺时，导轴承应用于工作温度低于120℃的中轻载、中低速导轴承；聚合物为聚醚醚酮时，导轴承应用于工作温度不高于280℃的重载、中高速导轴承。

Description

一种自润滑复合导轴承及其生产方法与应用

技术领域

本发明属新材料制品及加工技术领域，尤其是涉及一种自润滑复合导轴承，本发明还涉及一种自润滑复合导轴承的生产方法及其应用。

背景技术

高分子耐磨自润滑材料因具有耐磨损、耐腐蚀、自润滑、对配合件损伤小等优点在机械、汽车等结构件上应用潜力巨大，但作为机械结构件也存在强度与刚性不足，导热与散热性差等问题，承载能力有限。与高分子材料相比，金属具有较高的强度、刚性及导热性。聚合物/金属复合材料有望充分发挥两者的优势，因此研制聚合物/金属耐磨自润滑导轴承具有重要的意义。

目前高分子导轴承在水泵、石化、环保等行业已经有了广泛应用，例如市场上的赛龙轴承材料、天龙材料、聚四氟乙烯改性材料等制造的导轴承在多级泵、特种泵上应用广泛，目前的做法是将金属环预先加热，然后将尺寸稍大的上述材料加工的环通过压力压入金属环中，实现内外层的过盈配合，从而确保高分子内层和金属外层的牢固结合，避免内层随着转轴旋转而发生转动。在上述情况下，如果因水泵启动或缺水时温度过高，高分子材料层热膨胀系数过大，就会发生因高分子材料层膨胀量大于金属层而导致其向内挤压，最终将转轴抱死。转轴尺寸较小时可能断轴，转轴大时会导致导轴承内层破坏。

聚合物/金属复合材料的制造方法有冷压烧结法、胶粘法、焊接法、挤压法等。冷压烧结法即指将聚合物层与金属层通过一定的压力压实后，加热到聚合物的熔融温度以上进行保压、冷却，获得制品，其工艺较为复杂，效率较低。胶粘法即将聚合物层与金属层采用粘接胶进行联接，如AB胶、502胶等，工艺简单方便，但粘接强度有限，且在热水或其它介质中浸泡时间较长时容易脱落。焊接法是采用热熔或超声波等方法将聚合物层与金属层进行焊合，能焊接的聚合物品种受限制，联接强度较低。挤压法是利用热胀冷缩原理，先将金属外壳进行加热，再加压将聚合物内层压入，在过低或过高温度下因两者胀缩不一致而产生松动。由于聚合物和金属具有不同的分子结构，其物理性质、热学性质也不相同，如两者的热膨冷缩特性相差很大，因此采用传统内嵌式复合材料结构，难以确保两者的牢固结合。

发明内容

为了克服现有技术的不足，一方面，本发明目的之一在于提供一种自润滑复合导轴承，具有防止转轴发生抱死的功能。

为了解决上述技术问题，本发明提供的自润滑复合导轴承，包括聚合物层；位于所述聚合物层外周围的金属层，所述聚合物层至少包括60～70重量份聚甲醛、或聚酰胺、或聚醚醚酮；10～20重量份的聚苯酯；10～20重量份固体润滑剂；加工助剂，所述固体润滑剂至少包括石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯中的一种，所述加工助剂至少包括1～2重量份硅油或白油、0.1～0.3重量份抗氧剂。本发明中抗氧剂可以是抗氧剂1010、抗氧剂264、抗氧剂B225等。

作为进一步改进的技术方案，本发明提供的自润滑复合导轴承，所述金属层面向所述聚合物层的表面具有至少一正螺纹槽、至少一反螺纹槽和至少一位于所述正螺纹槽与反螺纹槽之间的退刀槽；或具有至少一单向螺纹槽和至少二退刀槽；或所述两种结构方式的组合。

作为优选的技术方案，本发明提供的自润滑复合导轴承，所述正螺纹槽、反螺纹槽、单向螺纹槽或退刀槽的深度为1～1.5mm，所述聚合物层的厚度为3～5mm，所述聚合物通过注塑或模压工艺嵌入所述金属层的正螺纹槽、反螺纹槽、单向螺纹槽或/和退刀槽内。

作为进一步改进的技术方案，本发明提供的自润滑复合导轴承，所述聚合物层与金属层之间为间隙配合连接。所述间隙可通过注塑加工或模压方法方式制得，注塑加工或模压时热的聚合物紧贴金属层，遇冷后收缩，在金属层与聚合物层之间形成间隙，间隙大小与聚合物层的热膨胀性能有关，热膨胀系数大的取上限，热膨胀系数小的取下限。金属层与聚合物层之间形成间隙以补偿聚合物与金属两者的热膨胀差值，从而避免设备运转过程因升温发生转轴抱死的现象。

作为优选的技术方案，本发明提供的自润滑复合导轴承，所述聚合物层与金属层之间具有0.10～0.35mm的间隙。

作为进一步改进的技术方案，本发明提供的自润滑复合导轴承，所述聚合物含有聚甲醛时，所述加工助剂还包括0.1～0.3重量份吸醛剂。

另一方面，本发明目的之一在于提供一种自润滑复合导轴承生产方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的自润滑复合导轴承生产方法，所述自润滑复合导轴承，包括聚合物层；位于所述聚合物层外周围的金属层，所述聚合物层至少包括60～70重量份聚甲醛、或聚酰胺、或聚醚醚酮；10～20重量份的聚苯酯；10～20重量份固体润滑剂；加工助剂，所述固体润滑剂至少包括石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯中的一种，所述加工助剂至少包括1～2重量份硅油或白油、0.1～0.3重量份抗氧剂，所述自润滑复合导轴承生产方法至少包括以下步骤：

a）将所述60～70重量份聚甲醛、或聚酰胺、或聚醚醚酮；10～20重量份的聚苯酯；10～20重量份固体润滑剂；加工助剂进行配料；

b）混料，混合均匀后在不超过120℃的温度下烘干；

c）挤出、切粒后，烘干待用；挤出温度取聚合物基体的熔融温度以上20～40℃，同时考虑其分解温度，容易分解的聚合物取下限值；

d）金属层加工，金属层面向所述聚合物层的表面加工成具有至少一正螺纹槽、至少一反螺纹槽和至少一位于所述正螺纹槽与反螺纹槽之间的退刀槽；或具有至少一单向螺纹槽和至少二退刀槽；或所述两种结构方式的组合，加工成符合所需尺寸和结构要求的金属件；

e）金属件预热

f）将金属件装入模具之中，进行注塑加工或模压加工，注塑温度取聚合物基体的熔融温度以上30～50℃；

g）制品脱模后在50～60℃温度下、后处理2～3h，

所述d金属层加工步骤可以前移或与步骤a～c同时进行。

作为进一步改进的技术方案，本发明提供的自润滑复合导轴承生产方法，所述聚合物层含有聚甲醛时，所述加工助剂还包括0.1～0.3重量份吸醛剂。

本发明的目的还在于提供一种自润滑复合导轴承的应用。

为了解决上述技术问题，本发明提供的自润滑复合导轴承，所述聚合物层的聚合物为聚甲醛或聚酰胺时，所述导轴承应用于中轻载、中低速导轴承；适用于工作温度低于120℃的环境。

本发明提供的自润滑复合导轴承，所述聚合物层的聚合物为聚醚醚酮时，所述导轴承应用于重载、中高速导轴承；适用工作温度不高于280℃的环境。

本发明带来的有益效果：本发明提出的技术方案，得到的导轴承具有金属耐磨材料的高强度、高刚性和高导热性与承载能力，同时具有高分子耐磨材料的耐磨自润滑性能。通过在金属层面向所述聚合物层的表面上设置螺纹槽和退刀槽，采用注塑或模压加工工艺，使聚合物层与金属层之间不仅具有可靠的界面结合，还具有可补偿聚合物层与金属层两者不同热膨胀系数产生伸缩差异的间隙，可防止与导轴承配合的转轴因过热膨胀而抱死。其生产过程和加工工艺相对简单、机械化程度高，产品质量稳定，生产成本较低。本发明提供的复合导轴承摩擦学性能优异，能替代目前广泛使用的压入式高分子耐磨材料导轴承或整体式金属导轴承，且可实现无油润滑，因此，具有环境友好、应用价值突出的特点。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为实施例导轴承的横断面结构示意图；

图2为实施例导轴承的金属层结构之一的示意图；

图3为实施例导轴承的金属层结构之二的示意图。

具体实施方式

按以下步骤生产自润滑复合导轴承：

a）将聚甲醛、或聚酰胺、或聚醚醚酮60～70重量份；聚苯酯10～20重量份；石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯中的至少一种固体润滑剂10～20重量份；以及1～2重量份硅油或白油等助剂、0.1～0.3重量份抗氧剂，若选用的聚合物为聚甲醛时，还添加0.1～0.3重量份吸醛剂，进行配料；

b）采用混料机混料均匀，混合均匀后在不超过120℃的温度下烘干；

c）经双螺杆进行挤出、切粒后，烘干待用；挤出温度取聚合物基体的熔融温度以上20～40℃，同时考虑其分解温度，容易分解的聚合物（如聚甲醛）取下限值；

d）金属层1加工，加工成符合所需尺寸和结构要求的金属件；金属层1面向所述聚合物层的表面加工成如图2所示具有多条正螺纹槽5、多条反螺纹槽7和一条于所述正螺纹槽与反螺纹槽之间的退刀槽2；或加工成如图3所示金属层1具有多条单向螺纹槽6和至少二条退刀槽2；或所述两种结构方式的组合；

e）金属件在100～150℃温度下预热0.5～1小时；预热温度高低依据聚合物基体的种类不同而不同，对于高结晶聚合物或高熔融温度聚合物，金属件预热温度相对较高，否则温度取较低值，其目的是补偿因两者的热胀冷缩性能不同而产生的收缩差异；

f）将金属件装入模具之中，进行注塑加工或模压加工，注塑温度取聚合物基体的熔融温度以上30～50℃；注塑温度同时考虑聚合物的分解温度，容易分解者取下限；

g）制品脱模后在50～60℃温度下、进行后处理2～3h。

上述方法制得的导轴承的结构如图1所示，外部为金属层1，内部为聚合物层4，聚合物层4的一部分3嵌入金属层1的螺纹槽5、6、7或/和退刀槽2内，所述聚合物为聚甲醛或聚酰胺时，制得的导轴承应用于中轻载、中低速导轴承；适用于工作温度低于120℃的环境；所述聚合物为聚醚醚酮时，所述导轴承应用于重载、中高速导轴承；适用工作温度不高于280℃的环境。

实施例组一：聚合物层使用聚甲醛60～70重量份。金属件采用Q235钢。制得产品的聚合物层按GB/T9341-2008塑料弯曲性能的测定进行弯曲强度、按GB/T1041-2008塑料压缩性能的测定进行压缩强度、按GB/T1041-2008塑料压缩性能的测定进行模量E、线性热膨胀系数按GB/T1036-2008塑料-30℃～30℃线膨胀系数的测定计算平均值、按GB/T1634.2-2004塑料负荷变形温度的测定进行工作温度测试、在200N、200rpm、2h条件下进行摩擦系数和磨损量测试、预留间隙的测试是将导轴承横断面切开后磨平，在测微仪上测试金属与聚合物层间的间隙、结合的牢固性测试是将导轴承在-40℃～70℃之间，按10℃一个温度点，将导轴承样品保温2小时进行后处理后，在10MPa和2mm/min速度下进行压缩实验，测试聚合物层是否脱离表征其结合牢固性、防抱死性能在实验温度-40℃～100℃，转速2000rpm条件下进行，在给定实验条件下，不会发生松脱、抱死现象的认定为“好”；一定会发生松脱、抱死的认定为“差”；可能会发生松脱、抱死的，但一般情况下不会的，认定为“一般”。对比实施例1为实施例1的基础上，变更金属层1面向所述聚合物层的表面未开槽的金属件。

试验情况及结果如下表。

实施例组二：聚合物层使用聚醚醚酮60～70重量份。金属件采用45钢。制得产品的聚合物层按GB/T9341-2008塑料弯曲性能的测定进行弯曲强度、按GB/T1041-2008塑料压缩性能的测定进行压缩强度、按GB/T1041-2008塑料压缩性能的测定进行模量E、线性热膨胀系数按GB/T1036-2008塑料-30℃～30℃线膨胀系数的测定计算平均值、按GB/T1634.2-2004塑料负荷变形温度的测定进行工作温度测试、在200N、200rpm、2h条件下进行摩擦系数和磨损量测试、预留间隙的测试是将导轴承横断面切开后磨平，在测微仪上测试金属与聚合物层间的间隙、结合的牢固性测试是将导轴承在-40℃～70℃之间，按10℃一个温度点，将导轴承样品保温2小时进行后处理后，在10MPa和2mm/min速度下进行压缩实验，测试聚合物层是否脱离表征其结合牢固性、防抱死性能在实验温度-40℃～100℃，转速2000rpm条件下进行，在给定实验条件下，不会发生松脱、抱死现象的认定为“好”；一定会发生松脱、抱死的认定为“差”；可能会发生松脱、抱死的，但一般情况下不会的，认定为“一般”。对比实施例2为在实施例4的基础上，变更金属层1面向所述聚合物层的表面未开槽的金属件。

试验情况及结果如下表。

实施例组三：聚合物层使用聚酰胺60～70重量份。金属件采用45钢。制得产品的聚合物层按GB/T9341-2008塑料弯曲性能的测定进行弯曲强度、按GB/T1041-2008塑料压缩性能的测定进行压缩强度、按GB/T1041-2008塑料压缩性能的测定进行模量E、线性热膨胀系数按GB/T1036-2008塑料-30℃～30℃线膨胀系数的测定计算平均值、按GB/T1634.2-2004塑料负荷变形温度的测定进行工作温度测试、在200N、200rpm、2h条件下进行摩擦系数和磨损量测试、预留间隙的测试是将导轴承横断面切开后磨平，在测微仪上测试金属与聚合物层间的间隙、结合的牢固性测试是将导轴承在-40℃～70℃之间，按10℃一个温度点，将导轴承样品保温2小时进行后处理后，在10MPa和2mm/min速度下进行压缩实验，测试聚合物层是否脱离表征其结合牢固性、防抱死性能在实验温度-40℃～100℃，转速2000rpm条件下进行，在给定实验条件下，不会发生松脱、抱死现象的认定为“好”；一定会发生松脱、抱死的认定为“差”；可能会发生松脱、抱死的，但一般情况下不会的，认定为“一般”。对比实施例3为在实施例7的基础上，变更金属层1面向所述聚合物层的表面未开槽的金属件。

试验情况及结果如下表。

本发明所提供自润滑复合导轴承具有优异的性能，与高分子材料导轴承相比，它具有高强度、高刚性和高导热与散热性，承载能力大；与金属材料导轴承相比，它具有优良的耐磨自润滑性能，不用加油润滑，对配合件磨损小，抗咬合，运动时噪音小；与金属内涂层高分子型导轴承相比，本发明的复合导轴承两层之间界面结合更加牢固可靠的，且厚度不受限制。与压入式金属/聚合物导轴承相比，本发明的导轴承具有优良的防抱死性，金属层与聚合物层间结合可靠性优于压入式金属/聚合物导轴承，过度冷却时不会发生脱离现象。本发明在聚合物层中加入具有金属特性的聚苯酯，可改善其导热性和刚性，并与固体润滑剂协同改善其摩擦学性能。

本发明中，所述聚合物基体的熔融温度，为聚合物层中，使用聚甲醛、或聚酰胺、或聚醚醚酮时，对应的聚甲醛、或聚酰胺、或聚醚醚酮的熔融温度。

在其它实施例中，金属层面向所述聚合物层的表面可以变更为具有其它形式的固定和防止聚合物层滑动和脱落的槽，具有相同或相近的技术效果。

显然，本发明不限于以上优选实施方式，还可在本发明权利要求和说明书限定的精神内，进行多种形式的变换和改进，能解决同样的技术问题，并取得预期的技术效果，故不重述。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接或联想到的所有方案，只要在权利要求限定的精神之内，也属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种自润滑复合导轴承，包括聚合物层；位于所述聚合物层外周围的金属层，其特征在于：所述聚合物层至少包括60～70重量份聚甲醛、或聚酰胺、或聚醚醚酮；10～20重量份的聚苯酯；10～20重量份固体润滑剂；加工助剂，所述固体润滑剂至少包括石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯中的一种，所述加工助剂至少包括1～2重量份硅油或白油、0.1～0.3重量份抗氧剂；所述金属层面向所述聚合物层的表面具有至少一正螺纹槽、至少一反螺纹槽和至少一位于所述正螺纹槽与反螺纹槽之间的退刀槽，或具有至少一单向螺纹槽和至少二退刀槽。

2.根据权利要求1所述的自润滑复合导轴承，其特征在于：所述正螺纹槽、反螺纹槽、单向螺纹槽或退刀槽的深度为1～1.5mm，所述聚合物层的厚度为3～5mm，所述聚合物层通过注塑或模压工艺嵌入所述金属层的正螺纹槽、反螺纹槽、单向螺纹槽或/和退刀槽内。

3.根据权利要求1或2所述的自润滑复合导轴承，其特征在于：所述聚合物层与金属层之间为间隙配合连接。

4.根据权利要求3所述的自润滑复合导轴承，其特征在于：所述聚合物层与金属层之间具有0.10～0.35mm的间隙。

5.根据权利要求1所述的自润滑复合导轴承，其特征在于：所述聚合物层含有聚甲醛时，所述加工助剂还包括0.1～0.3重量份吸醛剂。

6.根据权利要求1所述的自润滑复合导轴承，其特征在于：所述聚合物层的聚合物为聚甲醛或聚酰胺时，所述导轴承应用于中轻载、中低速导轴承；适用于工作温度低于120℃的环境。

7.根据权利要求1所述的自润滑复合导轴承，其特征在于：所述聚合物层的聚合物为聚醚醚酮时，所述导轴承应用于重载、中高速导轴承；适用工作温度不高于280℃的环境。

8.一种自润滑复合导轴承生产方法，其特征在于：所述自润滑复合导轴承，包括聚合物层；位于所述聚合物层外周围的金属层，所述聚合物层至少包括60～70重量份聚甲醛、或聚酰胺、或聚醚醚酮；10～20重量份的聚苯酯；10～20重量份固体润滑剂；加工助剂，所述固体润滑剂至少包括石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯中的一种，所述加工助剂至少包括1～2重量份硅油或白油、0.1～0.3重量份抗氧剂，所述自润滑复合导轴承生产方法至少包括以下步骤：

a）将所述60～70重量份聚甲醛、或聚酰胺、或聚醚醚酮；10～20重量份的聚苯酯；10～20重量份固体润滑剂；加工助剂进行配料；

b）混料，混合均匀后在不超过120℃的温度下烘干；

c）挤出、切粒后，烘干待用；挤出温度取聚合物层的聚合物基体的熔融温度以上20～40℃，同时考虑其分解温度，容易分解的聚合物取下限值；

d）金属层加工，金属层面向所述聚合物层的表面加工成具有至少一正螺纹槽、至少一反螺纹槽和至少一位于所述正螺纹槽与反螺纹槽之间的退刀槽，或具有至少一单向螺纹槽和至少二退刀槽；加工成符合所需尺寸和结构要求的金属件；

e）金属件预热

f）将金属件装入模具之中，进行注塑加工或模压加工，注塑温度取聚合物基体的熔融温度以上30～50℃；

g）制品脱模后在50～60℃温度下、后处理2～3h，

所述d金属层加工步骤可以前移或与步骤a～c同时进行。

9.根据权利要求8所述的自润滑复合导轴承生产方法，其特征在于：所述聚合物层含有聚甲醛时，所述加工助剂还包括0.1～0.3重量份吸醛剂。