CN106015337B - 一种芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦及其生产方法 - Google Patents

一种芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦及其生产方法，所述轴瓦包括钢瓦基，与所述钢瓦基牢固结合的金属丝垫和位于所述金属丝垫上的芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料层，其特征在于，所述芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料层包括工作层和与所述工作层的材料配比不同的结合层，所述工作层通过所述结合层与所述金属丝垫连接。本发明具有不使用重金属铅，轴瓦寿命可测量，特殊条件保证绝缘、克服瓦面裂纹、提高产品设计精度，节约材料成本等优点。适用于油润滑、水润滑和油水混合润滑等工况。

Description

一种芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦及其生产 方法
技术领域
本发明涉及一种适用于水电机组、水泵、电机等机械设备的复合材料轴瓦及其生产方法，尤其是一种芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦及其生产方法。
背景技术
弹性金属塑料轴瓦的出现，给复合材料在水轮机组上的运用开辟了一条新的道路。我国从上世纪90年代开始使用弹性金属塑料瓦，主要是由于弹性金属塑料瓦具有优异的低摩擦、高耐磨和独特的弹性，大幅降低轴瓦故障率等特点。到目前为止，许多大容量的水轮发电机组(特别是新建的电厂)的推力轴承及径向导轴承都采用弹性金属塑料瓦。
弹性金属塑料瓦的基本结构为：在钢制瓦基上钎焊有塑料金属复合材料瓦面。尽管在本专利申请之前，行业内已经公开一系列高强度的复合材料轴瓦及生产方法，所生产的复合材料轴瓦具有较强的耐磨性和很好的润滑性，其使用周期约为15～20年(根据不同工况而定)，但由于没有具体的检测标准(方法)，在轴瓦使用到预期年限时，无法判定是否达到最终使用寿命，给使用者带来困扰和不便。
与本专利申请最接近的现有技术是中国专利申请号为200410100476.9，名称为“水润滑金属塑料轴瓦及生产方法”，专利申请文件中公开了一种弹性金属塑料瓦的制作方法。其特点是瓦面采用一种改性聚四氟乙烯，所述的改性聚四氟乙烯塑料层由芳纶纤维或碳纤维占2～8，聚苯脂或聚酰亚胺占5～30，铅粉5～25，聚四氟乙烯余量(重量百分比)烧结而成，该专利最大的特点在于添加了芳纶纤维2～8(重量百分比)大大增强了瓦面的耐磨性。但该类型产品也存在着不足，如：由于加入的芳纶纤维和聚苯酯使得材料强度和韧性有所降低，致使个别瓦面在客户使用过程中岀现裂纹，虽然不影响安全运行，但存在着影响使用寿命的质量缺陷。又如，在产品后续机械加工过程中，切削液体容易渗透到芳纶纤维中，由于纤维吸水受潮影响产品的绝缘性。该专利产品瓦面配方中含有一定量的金属铅，以及与巴氏合金瓦比制造成本偏高影响应用推广等不利因素。
发明内容
本发明是为了解决现有技术所存在的使用寿命无法测量、个别瓦面容易出现裂纹、绝缘性差等技术问题，而公开一种具有低成本、低摩擦、高耐磨的芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦及其生产方法。本发明采用的技术手段如下：
一种芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦，包括钢瓦基，与所述钢瓦基牢固结合的金属丝垫和位于所述金属丝垫上的芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料层，所述芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料层包括工作层和与所述工作层的材料配比不同的结合层，所述工作层通过所述结合层与所述金属丝垫连接。
所述工作层中各材料的重量百分比为：
芳纶纤维：0.5％-3％，聚苯酯：15％-20％，余量为聚四氟乙烯，芳纶纤维具有吸油和高耐磨性，添加芳纶纤维使得所述工作层的摩擦系数降低了0.01-0.03，磨损系数提高100倍以上。
所述结合层中各材料的重量百分比为：
纯铜粉：8％-20％，纯锡粉：2％-5％，余量为聚四氟乙烯，所述结合层的的密度比所述工作层的密度提高50％以上，强度、韧性大幅提高，在同等条件下进行耐疲劳试验，所述结合层的寿命比工作层的寿命提高3.5倍以上。
所述芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料层充分发挥所述工作层低摩擦、高耐磨特性和所述结合层强度高、韧性好的特性，大幅度提高与金属丝垫的结合强度，弥补了所述工作层韧性较差的缺点，克服瓦面易产生裂纹的质量问题，弹性模量均匀性也明显提高。
所述轴瓦，在机组例行检查时可抽瓦测量和观察轴瓦的使用寿命，当所述工作层磨损至可观察到所述结合层颜色时，便可判定所述轴瓦寿命终止。
所述结合层中各材料的重量百分比为：
纯铜粉：0％-8％，纯锡粉：0％-2％，余量为聚四氟乙烯。
所述结合层中各材料的重量百分比为：
碳纳米管：0％-30％，余量为聚四氟乙烯，添加碳纳米管，使得所述结合层的强度、韧性高于所述工作层，并可获得改进导热性能和减小所述芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料层的热膨胀系数的效果，提高径向轴承间隙设计、制造精度。
所述结合层中各材料的重量百分比为：
聚苯酯：10％-15％，余量为聚四氟乙烯。
适量减少纯铜粉和纯锡粉的比例，或完全用聚四氟乙烯，或添加10％-15％聚苯酯等改性配方，使得所述结合层的强度、韧性高于所述工作层，并具有明显的绝缘作用，可满足有绝缘要求工况的特殊需求。
本发明还公开了一种芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦的生产方法，具有如下步骤：
S1、用螺旋簧丝制成金属丝垫；
S2、将工作层中各材料按配比称重、混合，并覆盖在金属模腔内，用压机限位压平，得到工作层；
之后，将结合层中各材料按配比称重、混合，并覆盖在工作层之上，施加压强为20-25MPa的压力，得到芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料层；
S3、将所述金属丝垫覆盖在结合层上，施加压强为50-60MPa的压力，得到双层塑料复合材料瓦面坯料；
S4、将所述复合材料瓦面坯料在真空或气体保护下塑化烧结，得到双层塑料复合材料瓦面坯料；
S5、将双层塑料复合材料瓦面坯料浸入液态焊料容器内，使液态焊料填入所述金属丝垫的空隙中；
S6、将步骤S5中得到的双层塑料复合材料瓦面钎焊到钢瓦基上，得到芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦。
所述步骤S1中金属丝垫通过以下步骤制成：
将多个直径为0.4mm，螺距为2.8-3.3mm，长度为25-55mm的金属丝螺旋簧段均匀地铺撒在金属模腔内，用压机限位加压制成所述金属丝垫，并从金属模腔内取出待用，所述金属丝垫的孔隙率为45％-65％。
所述步骤S4中塑化烧结温度为375±5℃，并在375±5℃的条件下恒温30min，之后，随炉降温至50℃出炉，得到双层塑料复合材料瓦面坯料。
各材料的重量百分比均为理论值，且各材料均不可避免的含有微量杂质，其重量未计入。
本发明具有以下优点：
本发明的芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料层充分发挥所述工作层低摩擦、高耐磨特性和所述结合层强度高、韧性好的特性，大幅度提高与金属丝垫的结合强度，弥补了所述工作层韧性较差的缺点，克服瓦面易产生裂纹的质量问题，弹性模量均匀性也明显提高。与现有技术相比，本发明具有不使用重金属铅，轴瓦寿命可测量，特殊条件保证绝缘、克服瓦面裂纹、提高产品设计精度，节约材料成本等优点。适用于油润滑、水润滑和油水混合润滑等工况。
基于上述理由本发明可在水电机组、水泵、电机、齿轮箱等领域广泛推广。
具体实施方式
一种芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦，包括钢瓦基，与所述钢瓦基牢固结合的金属丝垫和位于所述金属丝垫上的芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料层，所述芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料层包括工作层和与所述工作层的材料配比不同的结合层，所述工作层通过所述结合层与所述金属丝垫连接。
所述工作层中各材料的重量百分比为：
芳纶纤维：0.5％-3％，聚苯酯：15％-20％，余量为聚四氟乙烯。
所述结合层中各材料的重量百分比为：
纯铜粉：8％-20％，纯锡粉：2％-5％，余量为聚四氟乙烯。
所述结合层中各材料的重量百分比为：
纯铜粉：0％-8％，纯锡粉：0％-2％，余量为聚四氟乙烯。
所述结合层中各材料的重量百分比为：
碳纳米管：0％-30％，余量为聚四氟乙烯。
所述结合层中各材料的重量百分比为：
聚苯酯：10％-15％，余量为聚四氟乙烯。
一种芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦的生产方法，具有如下步骤：
S1、用螺旋簧丝制成金属丝垫；
S2、将工作层中各材料按配比称重、混合，并覆盖在金属模腔内，用压机限位压平，得到工作层；
之后，将结合层中各材料按配比称重、混合，并覆盖在工作层之上，施加压强为20-25MPa的压力，得到芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料层；
S3、将所述金属丝垫覆盖在结合层上，施加压强为50-60MPa的压力，得到双层塑料复合材料瓦面坯料；
S4、将所述复合材料瓦面坯料在真空或气体保护下塑化烧结，得到双层塑料复合材料瓦面坯料；
S5、将双层塑料复合材料瓦面坯料浸入液态焊料容器内，使液态焊料填入所述金属丝垫的空隙中；
S6、将步骤S5中得到的双层塑料复合材料瓦面钎焊到钢瓦基上，得到芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦。
所述步骤S1中金属丝垫通过以下步骤制成：
将多个直径为0.4mm，螺距为2.8-3.3mm，长度为25-55mm的金属丝螺旋簧段均匀地铺撒在金属模腔内，用压机限位加压制成所述金属丝垫，并从金属模腔内取出待用，所述金属丝垫的孔隙率为45％-65％。
所述步骤S4中塑化烧结温度为375±5℃，并在375±5℃的条件下恒温30min，之后，随炉降温至50℃出炉，得到双层塑料复合材料瓦面坯料。
实施例1
一种芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦的生产方法，具有如下步骤：
S1、将多个直径为0.4mm，螺距为2.8-3.3mm，长度为25-55mm的金属丝螺旋簧段均匀地铺撒在金属模腔内，用压机限位加压制成所述金属丝垫，并从金属模腔内取出待用，所述金属丝垫的孔隙率为45％-65％；
S2、将工作层中各材料按配比称重、混合，并覆盖在金属模腔内，用压机限位压平，得到工作层；
之后，将结合层中各材料按配比称重、混合，并覆盖在工作层之上，施加压强为20MPa或22.5MPa或25MPa的压力，得到芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料层；
S3、将所述金属丝垫覆盖在结合层上，施加压强为50MPa或55MPa或60MPa的压力，得到双层塑料复合材料瓦面坯料；
S4、将所述复合材料瓦面坯料在真空或气体保护下塑化烧结，得到双层塑料复合材料瓦面坯料；
S5、将双层塑料复合材料瓦面坯料浸入液态焊料容器内，使液态焊料填入所述金属丝垫的空隙中；
S6、将步骤S5中得到的双层塑料复合材料瓦面钎焊到钢瓦基上，得到芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦。
所述步骤S4中塑化烧结温度为375±5℃，并在375±5℃的条件下恒温30min，之后，随炉降温至50℃出炉，得到双层塑料复合材料瓦面坯料。
所述工作层中各材料按以下重量百分比配比：
芳纶纤维：0.5％或2.25％或3％，聚苯酯：15％或17.5％或20％，余量为聚四氟乙烯。
所述结合层中各材料按以下重量百分比配比：
纯铜粉：20％，纯锡粉：5％，余量为聚四氟乙烯。
或，
所述结合层中各材料按以下重量百分比配比：
纯铜粉：14％，纯锡粉：3.5％，余量为聚四氟乙烯。
或，
所述结合层中各材料按以下重量百分比配比：
纯铜粉：8％，纯锡粉：2％，余量为聚四氟乙烯。
本实施例中的金属丝垫由现有技术6mm厚，减薄到3mm厚，降低50％材料成本。由于所述结合层材料比所述工作层材料价格降低25％以上，芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料层材料比现有技术单层材料瓦面成本降低12.5％以上。
实施例2
一种芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦的生产方法，其与实施例1所公开的生产方法的区别特征在于，
所述结合层中各材料按以下重量百分比配比：
纯铜粉：8％，纯锡粉：2％，余量为聚四氟乙烯。
或，
所述结合层中各材料按以下重量百分比配比：
纯铜粉：4％，纯锡粉：1％，余量为聚四氟乙烯。
或，
所述结合层中各材料按以下重量百分比配比：
纯铜粉：0％，纯锡粉：0％，余量为聚四氟乙烯。
实施例3
一种芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦的生产方法，其与实施例1所公开的生产方法的区别特征在于，
所述结合层中各材料按以下重量百分比配比：
碳纳米管：10％，余量为聚四氟乙烯。
或，
所述结合层中各材料按以下重量百分比配比：
碳纳米管：30％，余量为聚四氟乙烯。
实施例4
一种芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦的生产方法，其与实施例1所公开的生产方法的区别特征在于，
所述结合层中各材料按以下重量百分比配比：
聚苯酯：15％，余量为聚四氟乙烯。
或，
所述结合层中各材料按以下重量百分比配比：
聚苯酯：12.5％，余量为聚四氟乙烯。
或，
所述结合层中各材料按以下重量百分比配比：
聚苯酯：10％，余量为聚四氟乙烯。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦，包括钢瓦基，与所述钢瓦基牢固结合的金属丝垫和位于所述金属丝垫上的芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料层，其特征在于，所述芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料层包括工作层和与所述工作层的材料配比不同的结合层，所述工作层通过所述结合层与所述金属丝垫连接；
所述工作层中各材料的重量百分比为：
芳纶纤维：0.5％-3％，聚苯酯：15％-20％，余量为聚四氟乙烯；
所述结合层中各材料的重量百分比为：
纯铜粉：8％-20％，纯锡粉：2％-5％，余量为聚四氟乙烯；或所述结合层中各材料的重量百分比为：
纯铜粉：0％-8％，纯锡粉：0％-2％，余量为聚四氟乙烯；或所述结合层中各材料的重量百分比为：
碳纳米管：0％-30％，余量为聚四氟乙烯；或所述结合层中各材料的重量百分比为：
聚苯酯：10％-15％，余量为聚四氟乙烯。
2.一种如权利要求1所述的芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦的生产方法，其特征在于具有如下步骤：
S1、用螺旋簧丝制成金属丝垫；
S2、将工作层中各材料按配比称重、混合，并覆盖在金属模腔内，用压机限位压平，得到工作层；
之后，将结合层中各材料按配比称重、混合，并覆盖在工作层之上，施加压强为20-25MPa的压力，得到芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料层；
S3、将所述金属丝垫覆盖在结合层上，施加压强为50-60MPa的压力，得到双层塑料复合材料瓦面坯料；
S4、将所述复合材料瓦面坯料在真空或气体保护下塑化烧结，得到双层塑料复合材料瓦面坯料；
S5、将双层塑料复合材料瓦面坯料浸入液态焊料容器内，使液态焊料填入所述金属丝垫的空隙中；
S6、将步骤S5中得到的双层塑料复合材料瓦面钎焊到钢瓦基上，得到芳纶改性聚四氟乙烯双层塑料复合材料轴瓦。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中金属丝垫通过以下步骤制成：
将多个直径为0.4mm，螺距为2.8-3.3mm，长度为25-55mm的金属丝螺旋簧段均匀地铺撒在金属模腔内，用压机限位加压制成所述金属丝垫，并从金属模腔内取出待用，所述金属丝垫的孔隙率为45％-65％。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中塑化烧结温度为375±5℃，并在375±5℃的条件下恒温30min，之后，随炉降温至50℃出炉，得到双层塑料复合材料瓦面坯料。
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