CN104046024A - 一种轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料的制备方法 - Google Patents

一种轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料的制备方法，涉及材料技术领域，本发明所述的制备方法以耐高温聚酰亚胺为基材，在耐高温聚酰亚胺中添加润滑改性材料碳纤维和聚四氟乙烯，其中耐高温聚酰亚模塑粉胺要进行干燥处理，碳纤维要进行氧化改性处理，聚四氟乙烯要进行真空干燥处理；经过机械搅拌和球磨处理得到耐高温聚酰亚胺混合料，将耐高温聚酰亚胺混合料通过保持架模具在程控式热压机上热压得到高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料，最后对高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料进行时效处理；本发明所述的复合材料的长期使用温度不低于300℃、抗拉强度90MPa、260℃抗拉强度保持率不低于60%、质轻、低摩擦、耐磨损且可靠性高。

Description

一种轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料的制备方法
【技术领域】
本发明涉及材料技术领域，具体地说本发明涉及一种高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料的制备方法。
【背景技术】
公知的，以往高温高速主轴轴承保持架多为金属及其合金材料保持架，随着长期使用温度不小于300℃的聚酰亚胺及其复合材料的出现为其应用于高温高速主轴轴承保持架奠定了材料基础，发达国家已广泛地将耐高温聚酰亚胺复合材料用于制作高温高速主轴轴承保持架。由耐高温聚酰亚胺复合材料取代传统金属合金材料用于制作轴承保持架是高温高速主轴轴承的重要课题之一。
目前，我国尚无可耐受300℃并用于高温高速主轴轴承保持架的耐高温聚酰亚胺复合材料，由于发达国家的技术封锁，国内只能购进部分耐温级别稍低的聚酰亚胺复合材料板材或棒材；聚酰亚胺复合材料型材在加工轴承保持架时材料利用率不足20％，成品率更低，浪费严重；因此研制管状耐高温聚酰亚胺复合材料既可满足高温高速主轴轴承保持架的需求，又可提高材料利用率，但国内尚无能耐受300℃高温的高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料的报道。
【发明内容】
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料的制备方法，所述的复合材料以耐高温聚酰亚胺为基材，并在耐高温聚酰亚胺中添加有润滑改性材料，经机械搅拌和球磨处理得到耐高温聚酰亚胺混合料，将耐高温聚酰亚胺混合料通过保持架模具在程控式热压机上热压得到高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料，最后对高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料进行时效处理，所述的复合材料长期使用温度不低于300℃，抗拉强度不低于90MPa，260℃时抗拉强度保持率不低于60％，具有质轻、耐磨、自润滑等优点。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料的制备方法，所述的复合材料以耐高温聚酰亚胺为基材，并在耐高温聚酰亚胺中添加有润滑改性材料，润滑改性材料包含200目的磨碎级PAN基碳纤维和聚四氟乙烯，其中耐高温聚酰亚模塑粉胺要进行干燥处理，磨碎级PAN基碳纤维要进行氧化改性处理，聚四氟乙烯要进行真空干燥处理，经过机械搅拌和球磨处理得到耐高温聚酰亚胺混合料，将耐高温聚酰亚胺混合料通过保持架架模具在程控式热压机上热压得到高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合保持架材料，最后对高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料进行时效处理，保持架模具包含外套、芯子、冲头和底座，本发明的特征是：具体操作步骤如下：
①耐高温聚酰亚胺模塑粉干燥处理
将耐高温聚酰亚胺模塑粉放入干燥箱中干燥，干燥后冷却至室温并密封保存备用；
②碳纤维氧化改性处理
将碳纤维置于温度控制在400℃的马弗炉中，保温时间控制在10min，后随炉冷却至室温密封保存备用；
③聚四氟乙烯真空干燥处理
将聚四氟乙烯置于真空干燥箱内进行真空干燥，真空干燥后取出密封保存备用；
④机械搅拌加工耐高温聚酰亚胺混合料
耐高温聚酰亚胺混合料按重量百分比构成如下：
取①②③中：耐高温聚酰亚胺83～87％，碳纤维10～12％，聚四氟乙烯3～5％；
先将83～87％耐高温聚酰亚胺和10～12％碳纤维一同放入机械混料机内搅拌3～5次，每次搅拌的时间控制在20～30秒，每次混料时机械混料机的转速控制在10000～12000r/min；后加入3～5％聚四氟乙烯，再搅拌3～5次后得到耐高温聚酰亚胺混合料，每次搅拌的时间控制在10～20秒，每次混料时机械混料机的转速控制在10000～12000r/min；
⑤球磨分散处理
将④中所述的耐高温聚酰亚胺混合料放入三维混料机中，三维混料机中加入30粒直径为3mm的陶瓷球，球磨6小时后过60目筛进行筛分，去掉筛上陶瓷球后将筛下耐高温聚酰亚胺混合料重新放入三维混料机中混料4h后得到分散处理后的耐高温聚酰亚胺混合料，最后使用二十倍显微镜观察分散处理后的耐高温聚酰亚胺混合料，若观察无明显色差即为合格并密封备用；
⑥保持架模具的尺寸构成
保持架模具应根据成品保持架的内径、外径以及高度尺寸而定，即保持架模具中外套的内径尺寸是在成品轴承保持架外径尺寸的基础上至少增大3mm以上，保持架模具中芯子的外径尺寸是在成品轴承保持架内径尺寸的基础上至少缩小3mm以上，保持架模具中外套和芯子的高度尺寸是在成品轴承保持架高度尺寸的基础上至少增大3倍以上，保持架模具中冲头的外径尺寸与外套的内径尺寸相匹配，保持架模具中冲头的内径尺寸与芯子的外径尺寸相匹配，保持架模具中底座的内径尺寸与芯子的外径尺寸相匹配，保持架模具中底座的外径尺寸与外套的内径尺寸相匹配；
⑦热压
将⑤中得到耐高温聚酰亚胺混合料填充在⑥中的保持架模具内，将装有耐高温聚酰亚胺混合料的保持架模具置于程控式热压机之上，程控式热压机压制5分钟排除保持架模具内的空气，5分钟后对保持架模具实施加热，60分钟后加热到393℃，当温度达到393℃时程控式热压机的压力加大到1000～1500kg/cm2并保温120分钟，保温120分钟期间程控式热压机自动保压；保温120分钟后继续保压20分钟，期间通入压缩冷空气降温至260℃；最后，压力在10分钟内降至零，期间温度控制在260℃；取出模具待温度低于200℃时脱模即得高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料；
⑧时效处理
将⑦中得到的高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料置于程控式烧结炉中，按如下时效工艺处理高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料：
所述的轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料的制备方法，在①耐高温聚酰亚胺模塑粉干燥处理步骤中，干燥的温度箱的温度控制在220℃-240℃，干燥时间为3小时。
所述的轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料的制备方法，在③聚四氟乙烯真空干燥处理步骤中，真空干燥箱的真空度控制在-0.08MPa，真空干燥箱的温度控制在75℃-85℃，真空干燥时间为2小时。
所述的轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料的制备方法，在⑦热压步骤中，所述程控式热压机的压力控制在400kg/cm2。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优越性：
1、本发明所述的轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料包含耐高温聚酰亚胺、碳纤维和聚四氟乙烯，该保持架材料既保留了耐高温聚酰亚胺耐高温、抗拉强度高及高温强度保持率高的优点，同时又改善了聚酰亚胺的摩擦学性能。
2、本发明所述的轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料提高了加工成品保持架时的材料利用率，且具有耐高温、抗拉强度高、高温强度保持率高、质轻、低摩擦、耐磨损等特性，具备了替代金属用于高温高速轴承保持架领域的性能。
3、本发明所述的轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料的长期使用温度不低于300℃、抗拉强度90MPa、260℃抗拉强度保持率不低于60％、耐磨自润滑，具有高可靠性。
4、本发明所述的轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料能有效提高主轴轴承转速及其高速运转的稳定性，在润滑油供应不足，甚至断油极端情况下，本发明的轴承保持架能产生短期熔化润滑层，有效延长极端情况下主轴轴承的运转时间，避免轴承立即卡死，进而提高主机的安全系数。
【具体实施方式】
通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例；
本发明所述的轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料的制备方法，以耐高温聚酰亚胺为基材，耐高温聚酰亚胺在市场上购得；
在耐高温聚酰亚胺中添加润滑改性材料碳纤维和聚四氟乙烯，其中耐高温聚酰亚模塑粉胺要进行干燥处理，碳纤维要进行氧化改性处理，聚四氟乙烯要进行真空干燥处理；经过机械搅拌和球磨处理得到耐高温聚酰亚胺混合料，将耐高温聚酰亚胺混合料通过保持架模具在程控式热压机上热压得到高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料，最后对高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料进行时效处理；所述的保持架模具包含外套、芯子、冲头和底座，具体操作步骤如下：
①耐高温聚酰亚胺模塑粉干燥处理
将耐高温聚酰亚胺模塑粉放入干燥箱中干燥，干燥箱的温度控制在230℃，干燥3h后冷却至室温并密封保存备用；
②碳纤维氧化改性处理
将碳纤维置于温度控制在400℃的马弗炉中，保温时间控制在10min，后随炉冷却至室温密封保存备用；
③聚四氟乙烯真空干燥处理
将聚四氟乙烯置于真空干燥箱内进行真空干燥，真空干燥箱的真空度控制在-0.08MPa，真空干燥箱的温度控制在80℃，真空干燥2小时后取出密封保存备用；
上述①、②和③三步骤过程实际上是一个材料的预处理过程；
④机械搅拌加工耐高温聚酰亚胺混合料
耐高温聚酰亚胺混合料按重量百分比构成如下：
取①②③中：耐高温聚酰亚胺83～87％，碳纤维10～12％，聚四氟乙烯3～5％；
本发明优选的耐高温聚酰亚胺混合料按重量百分比配比如下：
若耐高温聚酰亚胺取83％，则碳纤维取12％，聚四氟乙烯取5％；
若耐高温聚酰亚胺取85％，则碳纤维取11％，聚四氟乙烯取4％；
若耐高温聚酰亚胺取87％，则碳纤维取10％，聚四氟乙烯取3％；
先将83～87％耐高温聚酰亚胺和10～12％碳纤维一同放入机械混料机内搅拌3～5次，每次搅拌的时间控制在20～30秒，每次混料时机械混料机的转速控制在10000～12000r/min；后加入3～5％聚四氟乙烯，再搅拌3～5次后得到耐高温聚酰亚胺混合料，每次搅拌的时间控制在10～20秒，每次混料时机械混料机的转速控制在10000～12000r/min；
⑤球磨分散处理
将④中所述的耐高温聚酰亚胺混合料放入三维混料机中，三维混料机中加入30粒直径为3mm的陶瓷球，球磨6小时后过60目筛进行筛分，去掉筛上陶瓷球后将筛下耐高温聚酰亚胺混合料重新放入三维混料机中混料4h后得到分散处理后的耐高温聚酰亚胺混合料；最后使用二十倍显微镜观察分散处理后的耐高温聚酰亚胺混合料，若观察无明显色差即为合格并密封备用；
耐高温聚酰亚胺呈浅黄色粉末，碳纤维呈黑色粉末，聚四氟乙烯呈白色粉末，经搅拌和分散处理后得到的耐高温聚酰亚胺混合料呈灰褐色，使用二十倍显微镜观察耐高温聚酰亚胺混合料时若颜色均为灰褐色即称为无明显色差，这种色差是肉眼不能观察到的；
⑥保持架模具的尺寸构成
设定某一成品轴承保持架具有外径D＝56.2mm、内径d＝49.6mm、高度H＝13.6mm；
保持架模具包含外套、芯子、冲头和底座；
保持架模具根据成品保持架的内径和外径以及高度尺寸而定，即保持架模具中外套的内径尺寸是在成品轴承保持架外径尺寸的基础上至少增大3mm以上，所述聚酰亚胺复合保持架材料所用模具外套的最小外径＝56.2+3＝59.2mm；保持架模具中芯子的外径尺寸是在成品轴承保持架内径尺寸的基础上至少缩小3mm以上，所述聚酰亚胺复合保持架材料所用芯子的最大外径＝49.6-3＝46.6mm；保持架模具中外套和芯子的高度尺寸是在成品保持架材料高度尺寸的基础上至少增大3倍以上，所述聚酰亚胺复合保持架材料所用模具的最小高度＝13.6×3＝40.8mm；保持架模具中冲头的外径尺寸与外套的内径尺寸相匹配，保持架模具中冲头的内径尺寸与芯子的外径尺寸相匹配，保持架模具中底座的内径尺寸与芯子的外径尺寸相匹配，保持架模具中底座的外径尺寸与外套的内径尺寸相匹配；
⑦热压
将⑤中得到耐高温聚酰亚胺混合料填充在⑥中的保持架模具内，将装有耐高温聚酰亚胺混合料的保持架模具置于程控式热压机之上，程控式热压机的压力控制在400kg/cm2，程控式热压机压制5分钟排除保持架模具内的空气，5分钟后对保持架模具实施加热，60分钟后加热到393℃，当温度达到393℃时程控式热压机的压力加大到1200kg/cm2并保温120分钟，保温120分钟期间程控式热压机要自动保压；保温120分钟后继续保压20分钟，期间通入压缩冷空气降温至260℃；最后，压力在10分钟内降至零，期间温度控制在260℃。取出模具待温度低于200℃时脱模即得轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料；
⑧时效处理
将⑦中得到的高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料置于程控式烧结炉中，按如下时效工艺处理轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料：
轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料是在高温高压下压制烧结而成，内部残存较大应力，采取时效处理既可减少内部残存应力，提高复合材料的抗拉强度以及更宽温度范围内的尺寸稳定性；
下表是高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料的部分性能：
通过上表可以分析出：本发明的高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺材料密度小，质轻有利于减轻保持架重量，有利于提高轴承的转速及高速运转时的稳定性。高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺材料热变形温度高于360℃，表示该材料能承受较高的温度；高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺材料260℃时的环状拉伸强度保持率为61.8％，且摩擦系数小、磨损体积小表示高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺材料具有高温强度高、自润滑和耐磨的特性，由上表中材料制作的轴承保持架顺利通过了转速为32000rpm、径向载荷为2000N、轴向载荷为4500N、供油量仅为0.09L/min的苛刻工况，显示出优异的高温高速适应性和抗贫油能力。
本发明未详述部分为现有技术。
为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims (4)

1.一种轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料的制备方法，该材料以耐高温聚酰亚胺为基材，并在耐高温聚酰亚胺中添加有润滑改性材料，润滑改性材料包含200目的磨碎级PAN基碳纤维和聚四氟乙烯，其中耐高温聚酰亚模塑粉胺要进行干燥处理，磨碎级PAN基碳纤维要进行氧化改性处理，聚四氟乙烯要进行真空干燥处理，经过机械搅拌和球磨处理得到耐高温聚酰亚胺混合料，将耐高温聚酰亚胺混合料通过保持架架模具在程控式热压机上热压得到高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合保持架材料，最后对高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料进行时效处理，保持架模具包含外套、芯子、冲头和底座，其特征是：具体操作步骤如下：
①耐高温聚酰亚胺模塑粉干燥处理
将耐高温聚酰亚胺模塑粉放入干燥箱中干燥，干燥后冷却至室温并密封保存备用；
②碳纤维氧化改性处理
将碳纤维置于温度控制在400℃的马弗炉中，保温时间控制在10min，后随炉冷却至室温密封保存备用；
③聚四氟乙烯真空干燥处理
将聚四氟乙烯置于真空干燥箱内进行真空干燥，真空干燥后取出密封保存备用；
④机械搅拌加工耐高温聚酰亚胺混合料
耐高温聚酰亚胺混合料按重量百分比构成如下：
取①②③中：耐高温聚酰亚胺83～87％，碳纤维10～12％，聚四氟乙烯3～5％；
先将83～87％耐高温聚酰亚胺和10～12％碳纤维一同放入机械混料机内搅拌3～5次，每次搅拌的时间控制在20～30秒，每次混料时机械混料机的转速控制在10000～12000r/min；后加入3～5％聚四氟乙烯，再搅拌3～5次后得到耐高温聚酰亚胺混合料，每次搅拌的时间控制在10～20秒，每次混料时机械混料机的转速控制在10000～12000r/min；
⑤球磨分散处理
将④中所述的耐高温聚酰亚胺混合料放入三维混料机中，三维混料机中加入30粒直径为3mm的陶瓷球，球磨6小时后过60目筛进行筛分，去掉筛上陶瓷球后将筛下耐高温聚酰亚胺混合料重新放入三维混料机中混料4h后得到分散处理后的耐高温聚酰亚胺混合料，最后使用二十倍显微镜观察分散处理后的耐高温聚酰亚胺混合料，若观察无明显色差即为合格并密封备用；
⑥保持架模具的尺寸构成
保持架模具应根据成品保持架的内径、外径以及高度尺寸而定，即保持架模具中外套的内径尺寸是在成品轴承保持架外径尺寸的基础上至少增大3mm以上，保持架模具中芯子的外径尺寸是在成品轴承保持架内径尺寸的基础上至少缩小3mm以上，保持架模具中外套和芯子的高度尺寸是在成品轴承保持架高度尺寸的基础上至少增大3倍以上，保持架模具中冲头的外径尺寸与外套的内径尺寸相匹配，保持架模具中冲头的内径尺寸与芯子的外径尺寸相匹配，保持架模具中底座的内径尺寸与芯子的外径尺寸相匹配，保持架模具中底座的外径尺寸与外套的内径尺寸相匹配；
⑦热压
将⑤中得到耐高温聚酰亚胺混合料填充在⑥中的保持架模具内，将装有耐高温聚酰亚胺混合料的保持架模具置于程控式热压机之上，程控式热压机压制5分钟排除保持架模具内的空气，5分钟后对保持架模具实施加热，60分钟后加热到393℃，当温度达到393℃时程控式热压机的压力加大到1000～1500kg/cm2并保温120分钟，保温120分钟期间程控式热压机自动保压；保温120分钟后继续保压20分钟，期间通入压缩冷空气降温至260℃；最后，压力在10分钟内降至零，期间温度控制在260℃；取出模具待温度低于200℃时脱模即得高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料；
⑧时效处理
将⑦中得到的高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料置于程控式烧结炉中，按如下时效工艺处理高温高速轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料：
2.根据权利要求1所述的轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料的制备方法，其特征是：在①耐高温聚酰亚胺模塑粉干燥处理步骤中，干燥的温度箱的温度控制在220℃-240℃，干燥时间为3小时。
3.根据权利要求1所述的轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料的制备方法，其特征是：在③聚四氟乙烯真空干燥处理步骤中，真空干燥箱的真空度控制在-0.08MPa，真空干燥箱的温度控制在75℃-85℃，真空干燥时间为2小时。
4.根据权利要求1所述的轴承保持架用管状聚酰亚胺复合材料的制备方法，其特征是：所述的程控式热压机的压力控制在400kg/cm2。
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