CN109482872B - 一种具有极低摩擦系数的无油平面滑动轴承及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有极低摩擦系数的无油平面滑动轴承，同时公开了其制备方法。一种具有极低摩擦系数的无油平面滑动轴承,包括承载基体和自润滑合金层，所述承载基体为钢材，采用锡粉、镍粉、铜粉、铁粉和石墨粉为原料制作自润滑合金层，所述自润滑合金层的厚度为0.5～3mm，所述自润滑合金层的空隙中填充有四氟乙烯。本发明的涂层由铁、镍、锡、铜和石墨粉复合烧结而成，使轴承的强度、抗压能力和耐腐蚀性能得到提升。本发明在烧结后进行真空机内充分吸取了四氟乙烯，并在随后的工艺中完成固化，使得孔隙内永久充满了四氟乙烯，具有自润滑性能，大大减小了摩擦损失，摩擦系数达到最佳的状态，最低可达到0.025以下。
Description
技术领域
本发明涉及轴承的结构设计技术领域，具体的说，是涉及一种具有极低摩擦系数的无油平面滑动轴承，同时公开了其制备方法。
背景技术
滑动轴承是在滑动摩擦下工作的轴承，它工作平稳、可靠、无噪声，应用场合一般在低速重载工况条件下，或者是维护保养及加注润滑油困难的运转部位，广泛应用于各种机械的滑动部位，例如高速冲裁机、大吨位注塑机、印刷机、纺织机、升降机、烟草机械、健身器、液压搬运车、汽车模具机械等等。
目前各类机械中的自润滑平面滑动轴承材料，主要使用的是锡青铜、铝青铜等材料作为基体，有些基体还通过钻孔后填充石墨等润滑材料提供自润滑性能。在这类轴承中，铜合金基材与运动工件直接接触，因此摩擦性能受基材的决定性影响。一方面，铜基材的摩擦系数较大，即使填充石墨后依然保持较高的摩擦系统，不利于工件的平面滑动。另一方面，运动工件高频率的往复运动会产生热量，而铜合金的热胀容易造成滑动不畅，甚至直接卡死。为了避免这种情况发生，往复运动频率低，每分钟最多只能运动数千次，还必须牺牲装配精度，将装配间隙放大，然而因此造成滑动精度较差，该机械生产的零件精度也无法保障。故而传统的平面滑动轴承成为了制约高端汽车模具、引线框架冲裁机等高端装备的关键零件，也进而制约了我国汽车工业、电子工业等产业的技术水平。
随着相关机械要求运动精度更高、使用寿命更长，运动频率更快，对平面滑动轴承提出了更高的要求，要求摩擦系数更加突出，适应各种不适于外加润滑油的场合，且能满足较高装配精度的要求。对于食品和药品机械等，自润滑轴承还不允许在滑动部分添加任何油份，因此对平面滑动轴承的要求更高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种极低摩擦系数的无油平面滑动轴承，同时公开了其制备方法。
为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有极低摩擦系数的无油平面滑动轴承，包括承载基体和自润滑合金层，所述承载基体为钢材，采用锡粉、镍粉、铜粉、铁粉和石墨粉为原料制作自润滑合金层，所述自润滑合金层的厚度为0.5～3mm，所述自润滑合金层的空隙中填充有聚四氟乙烯。
所述钢材为A3钢或45号钢材。
一种具有极低摩擦系数的无油平面滑动轴承的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，采用A3钢或45号钢材为承载基体，采用锡粉、镍粉、铜粉、铁粉和石墨粉为原料制作合金层，所有粉料的粒度均为50～200目，其中镍的配比为10～20wt％，锡的配比为10～20wt％，铜的配比为20～30wt％，石墨的配比为5～15wt％，余量为铁，按上述配比进行均匀混合；
步骤二，将步骤一混合好的粉料均匀摊铺并压实在所述的承载基体上形成坯料，压实后的粉体厚度为0.5～3mm，压实后将边部多余的混合粉刮除；
步骤三，将步骤二所得压实好的坯料送入具有气氛保护的隧道式烧结炉中进行烧结，烧结温度为850－1000℃，坯料在隧道炉内缓慢移动，从入口到出口的总烧结时间为3～5小时；隧道式烧结炉内充有惰性保护气体和还原性气体，气氛为氨气分解成的氮气和氢气；出炉后在气氛保护下冷却至100℃以内取出；经烧结后，摊铺层完成合金化，形成了具有一定孔隙度的自润滑合金层，并与承载基体紧密结合在一起；
步骤四，将步骤三所得烧结好的材料放入真空吸油机中，使吸油机内的聚四氟乙烯乳液填充进所述的自润滑合金层孔隙中；
步骤五，将吸有聚四氟乙烯乳液的材料进一步进行低温固化烧结，使聚四氟乙烯完全固化于自润滑合金层的孔隙中，所述烧结温度为280℃～350℃，烧结时间为2～5小时，所述烧结在氮气保护下进行，烧结结束后冷却至100℃以下后取出；
还包括步骤六，将步骤五所得吸油后的材料进一步进行机械加工，按照最终产品的尺寸进行外形的机加工修正。
本发明的有益效果在于：
1.本发明的涂层由铁、镍、锡、铜和石墨粉复合烧结而成，其中铜、镍、锡粉形成的铜镍锡合金会产生固溶强化或者调幅分解，使轴承的强度、抗压能力和耐腐蚀性能得到提升，调幅分解之所以能强化合金是因为形成了均匀且致密的调幅组织。
2.本发明在烧结后进行真空机内充分吸取了聚四氟乙烯，并在随后的工艺中完成固化，使得孔隙内永久充满了聚四氟乙烯，具有自润滑性能，大大减小了摩擦损失，摩擦系数达到最佳的状态，最低可达到0.025以下。
3.本发明提供的新型平面轴承制备方法简单，无需额外提供专门的设备进行制备，滚筒搅拌机、双辊轧机、成型设备体积小，无需占太大空间，工艺流程短，所需操作人员少。
附图说明
图1为本发明一种具有极低摩擦系数的平面滑动轴承的结构简图。
图2为图1的实物图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
实施例：参见图1、2。
本发明公开了一种具有极低摩擦系数的无油平面滑动轴承，包括承载基体和自润滑合金层，所述承载基体为钢材，采用锡粉、镍粉、铜粉、铁粉和石墨粉为原料制作自润滑合金层，且形成了各元素分布均匀并具有一定孔隙度的合金，与承载基体牢固结合在一起，自润滑合金层为轴承的摩擦工作部分，所述自润滑合金层的厚度为0.5～3mm，所述自润滑合金层的空隙中填充有聚四氟乙烯。
优选的，所述钢材为A3钢或45号钢材，用钢材做承载基体，其强度比一般摩擦铜合金高、且易获取，承载基体提供轴承的主体结构和尺寸，根据实际的机械结构确定。
同时，本发明公开了一种具有极低摩擦系数的无油平面滑动轴承的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，采用A3钢或45号钢材为承载基体，采用锡粉、镍粉、铜粉、铁粉和石墨粉为原料制作合金层，所有粉料的粒度均为50～200目，其中镍的配比为10～20wt％，锡的配比为10～20wt％，铜的配比为20～30wt％，石墨的配比为5～15wt％，余量为铁，按上述比例进行均匀混合；
步骤二，将步骤一混合好的粉料均匀摊铺并压实在所述的承载基体上形成坯料，压实后的粉体厚度为0.5～3mm，压实后将边部多余的混合粉刮除；
步骤三，将步骤二所得压实好的坯料送入具有气氛保护的隧道式烧结炉中进行烧结，烧结温度为850－1000℃，坯料在隧道炉内缓慢移动，从入口到出口的总烧结时间为3～5小时；隧道式烧结炉内充有惰性保护气体和还原性气体，气氛为氨气分解成的氮气和氢气；出炉后在气氛保护下冷却至100℃以内取出；经烧结后，摊铺层完成合金化，形成了具有一定孔隙度的自润滑合金层，并与承载基体紧密结合在一起；
步骤四，将步骤三所得烧结好的材料放入真空吸油机中，使吸油机内的聚四氟乙烯乳液填充进所述的自润滑合金层孔隙中；
步骤五，将吸有聚四氟乙烯乳液的材料进一步进行低温固化烧结，使聚四氟乙烯完全固化于自润滑合金层的孔隙中，所述烧结温度为280℃～350℃，烧结时间为2～5小时，所述烧结在氮气保护下进行，烧结结束后冷却至100℃以下后取出；
还包括步骤六，将步骤五所得吸油后的材料进一步进行机械加工，按照最终产品的尺寸进行外形的机加工修正。
本发明的无油平面滑动轴承具有摩擦系数极低，热膨胀系数接近于零，承载力大大高于铜合金，对温度变化具有自润滑适应性、与运动工件的装配精度可大幅提高等优点，满足高精密平面滑动机械的使用需要。
其性能优良的原理在于：
1.由于承载基体为钢材，因此其强度较高，比以往铜合金更能承受载荷，且基材十分廉价。
2.由于采用了铜铁锡镍及石墨的多元合金作为摩擦层，其硬度显著高于传统铜合金摩擦材料(一般为铝青铜)，摩擦寿命显著提高。
3.石墨含量最高可达15％的自润滑合金层可确保轴承具有极低的摩擦系数。
4.自润滑合金由于含有孔隙，因此在温度升高或降低时，其宏观体积不发生变化，材料的热膨胀系数接近于零，使轴承与工件的装配可以忽略热膨胀的影响，装配精度可大幅提高，装配精度可达5μm，远远优于以往的最高20μm。
5.自润滑合金由于孔隙中含有聚四氟乙烯，而聚四氟乙烯是目前自然界中已知摩擦系数最低的物质，因此极大地降低了摩擦系数，大幅降低摩擦带来的温升，确保所述轴承可长时间保持极好的摩擦状态。
实施例一：
本实施例中，以制备食品加工机械中的无油平面滑动轴承为例，该机构要求滑动精度高、承载力大。
步骤一，本实施例选择事先加工好的A3钢作为承载基体1，采用100目的锡粉、80目的镍粉、100目的铜粉、80目的铁粉和80目的石墨粉为原料，其中镍的配比为12wt％，锡的配比为10wt％，铜的配比为25wt％，石墨的配比为12wt％，剩余为铁，按上述比例进行均匀混合；
步骤二，将步骤一混合好的粉料均匀摊铺在所述的承载基体上1形成坯料，然后推入调好间隙宽度的两辊轧机上进行辊轧压实，压实后的粉体层厚度为1.0mm，随后将边部多余的混合粉刮除；
步骤三，将步骤二所得压实好坯料送入具有气氛保护的隧道式烧结炉中进行烧结，烧结温度为950℃，坯料从隧道炉的入口到出口的总烧结时间为200分钟左右。隧道式烧结炉内充有惰性保护气体和还原性气体，气氛为氨气分解成的氮气和氢气。出炉后在气氛保护下冷却至100℃以内取出。经烧结后，摊铺层完成合金化，形成了具有一定孔隙度的自润滑合金层2，并与承载基体1紧密结合在一起。
步骤四，将步骤三所得烧结好的材料放入真空吸油机中，将聚四氟乙烯乳液吸入自润滑合金层2的孔隙中；
步骤五，将吸有聚四氟乙烯乳液的材料进一步进行低温固化烧结，使聚四氟乙烯完全固化于自润滑合金层的孔隙中，所述烧结温度为300℃，烧结时间为3.5小时，所述烧结在氮气保护下进行，烧结结束后冷却至100℃以下后取出；
还包括步骤六，将步骤五所得吸油后的材料进一步进行机械加工，按照最终产品的尺寸进行外形的机加工修正。
实施例一所制备的平面滑动轴承，其摩擦系数低至0.025，表面硬度达HB50以上，检测其热膨胀系数几乎为零，满足该食品机械的需要。
实施例二：
本实施例制备的无油平面滑动轴承，用于某药品包装机械中，该机构要求滑动精度高、可承受高速往复滑动，使用寿命长，必须无油参与运动。
步骤一，本实施例选择事先加工好的45号钢作为承载基体1，采用100目的锡粉、100目的镍粉、120目的铜粉、120目的铁粉和80目的石墨粉为原料，其中镍的配比为10wt％，锡的配比为10wt％，铜的配比为30wt％，石墨的配比为15wt％，剩余为铁，按上述比例进行均匀混合；
步骤二，将步骤一混合好的粉料均匀摊铺在所述的承载基体上1形成坯料，然后推入调好间隙宽度的两辊轧机上进行辊轧压实，压实后的粉体层厚度为1.5mm，随后将边部多余的混合粉刮除；
步骤三，将步骤二所得压实好坯料送入具有气氛保护的隧道式烧结炉中进行烧结，烧结温度为980℃，坯料从隧道炉的入口到出口的总烧结时间为200分钟左右。隧道式烧结炉内充有惰性保护气体和还原性气体，气氛为氨气分解成的氮气和氢气。出炉后在气氛保护下冷却至100℃以内取出。经烧结后，摊铺层完成合金化，形成了具有一定孔隙度的自润滑合金层2，并与承载基体1紧密结合在一起。
步骤四，将步骤三所得烧结好的材料放入真空吸油机中，将聚四氟乙烯乳液吸入自润滑合金层2的孔隙中。
步骤五，将吸有聚四氟乙烯乳液的材料进一步进行低温固化烧结，使聚四氟乙烯完全固化于自润滑合金层的孔隙中，所述烧结温度为310℃，烧结时间为3小时，所述烧结在氮气保护下进行，烧结结束后冷却至100℃以下后取出
步骤六，按照最终产品的尺寸进行外形的机加工修正，得到最终产品。
实施例二所制备的平面滑动轴承，其摩擦系数低至0.020，表面硬度达HB60以上，检测其热膨胀系数几乎为零，每分钟可往复滑动2万次以上。在长时间高速持压摩擦下，可对温升和热膨胀实现自适应，始终保持极低的摩擦系数。满足高速冲裁机的使用需要。
实施例三：
本实施例制备的平面滑动轴承，用于较低载荷的极高速冲压机，该机构要求滑动精度高、可承受极高速往复滑动。
步骤一，本实施例选择事先加工好的45号钢作为承载基体1，采用200目的锡粉、200目的镍粉、200目的铜粉、200目的铁粉和200目的石墨粉为原料，其中镍的配比为20wt％，锡的配比为20wt％，铜的配比为30wt％，石墨的配比为15wt％，剩余为铁，按上述比例进行均匀混合；
步骤二，将步骤一混合好的粉料均匀摊铺在所述的承载基体上1形成坯料，然后推入调好间隙宽度的两辊轧机上进行辊轧压实，压实后的粉体层厚度为3mm，随后将边部多余的混合粉刮除；
步骤三，将步骤二所得压实好坯料送入具有气氛保护的隧道式烧结炉中进行烧结，烧结温度为850℃，坯料从隧道炉的入口到出口的总烧结时间为180分钟。隧道式烧结炉内充有惰性保护气体和还原性气体，气氛为氨气分解成的氮气和氢气。出炉后在气氛保护下冷却至100℃以内取出。经烧结后，摊铺层完成合金化，形成了具有一定孔隙度的自润滑合金层2，并与承载基体1紧密结合在一起。
步骤四，将步骤三所得烧结好的材料放入真空吸油机中，将聚四氟乙烯乳液吸入自润滑合金层2的孔隙中。
步骤五，将吸有聚四氟乙烯乳液的材料进一步进行低温固化烧结，使聚四氟乙烯完全固化于自润滑合金层的孔隙中，所述烧结温度为350℃，烧结时间为2小时，所述烧结在氮气保护下进行，烧结结束后冷却至90℃取出；
步骤六，按照最终产品的尺寸进行外形的机加工修正，得到最终产品。
实施例三所制备的平面滑动轴承，其摩擦系数低至0.020，表面硬度达HB58以上，检测其热膨胀系数几乎为零。在极高频率的反复运动中，具备对摩擦系数和温升的自适应性，摩擦系数始终保证极低的水平，每分钟可往复滑动2万次以上，满足较低载荷情况下极高速冲裁机的使用需要。
实施例四：
本实施例制备的平面滑动轴承，用于较高载荷的大型注射成型锁模和脱模机构，该机构要求滑动精度高、可承受较高载荷下的往复滑动。
步骤一，本实施例选择事先加工好的A3号钢作为承载基体1，采用50目的锡粉、50目的镍粉、50目的铜粉、50目的铁粉和50目的石墨粉为原料，其中镍的配比为10wt％，锡的配比为10wt％，铜的配比为20wt％，石墨的配比5wt％，剩余为铁，按上述比例进行均匀混合；
步骤二，将步骤一混合好的粉料均匀摊铺在所述的承载基体上1形成坯料，然后推入调好间隙宽度的两辊轧机上进行辊轧压实，压实后的粉体层厚度为0.5mm，随后将边部多余的混合粉刮除；
步骤三，将步骤二所得压实好坯料送入具有气氛保护的隧道式烧结炉中进行烧结，烧结温度为1000℃，坯料从隧道炉的入口到出口的总烧结时间为300分钟。隧道式烧结炉内充有惰性保护气体和还原性气体，气氛为氨气分解成的氮气和氢气。出炉后在气氛保护下冷却至100℃以内取出。经烧结后，摊铺层完成合金化，形成了具有一定孔隙度的自润滑合金层2，并与承载基体1紧密结合在一起。
步骤四，将步骤三所得烧结好的材料放入真空吸油机中，将聚四氟乙烯乳液吸入自润滑合金层2的孔隙中。
步骤五，将吸有聚四氟乙烯乳液的材料进一步进行低温固化烧结，使聚四氟乙烯完全固化于自润滑合金层的孔隙中，所述烧结温度为280℃，烧结时间为5小时，所述烧结在氮气保护下进行，烧结结束后冷却至80℃取出；
步骤六，按照最终产品的尺寸进行外形的机加工修正，得到最终产品。
实施例四所制备的平面滑动轴承，其摩擦系数低至0.030，表面硬度达HB65以上，可承载较大载荷。满足较高载荷情况下平面滑动装配需要。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (4)
1.一种具有极低摩擦系数的无油平面滑动轴承，包括承载基体和自润滑合金层，其特征在于：所述承载基体为钢材，采用锡粉、镍粉、铜粉、铁粉和石墨粉为原料制作自润滑合金层，所述自润滑合金层的厚度为0.5～3mm，所述自润滑合金层的空隙中填充有聚四氟乙烯；
其中，镍的配比为10～20wt％，锡的配比为10～20wt％，铜的配比为20～30wt％，石墨的配比为5～15wt％，余量为铁；
其中，所述极低摩擦系数是指摩擦系数达到0.025以下。
2.根据权利要求1所述的一种具有极低摩擦系数的无油平面滑动轴承，其特征在于：所述钢材为A3钢或45号钢材。
3.一种具有极低摩擦系数的无油平面滑动轴承的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，采用A3钢或45号钢材为承载基体，采用锡粉、镍粉、铜粉、铁粉和石墨粉为原料制作合金层，所有粉料的粒度均为50～200目，其中镍的配比为10～20wt％，锡的配比为10～20wt％，铜的配比为20～30wt％，石墨的配比为5～15wt％，余量为铁，按上述配比进行均匀混合；
步骤二，将步骤一混合好的粉料均匀摊铺并压实在所述的承载基体上形成坯料，压实后的粉体厚度为0.5～3mm，压实后将边部多余的混合粉刮除；
步骤三，将步骤二所得压实好的坯料送入具有气氛保护的隧道式烧结炉中进行烧结，烧结温度为850-1000℃，坯料在隧道炉内缓慢移动，从入口到出口的总烧结时间为3～5小时；隧道式烧结炉内充有惰性保护气体和还原性气体，气氛为氨气分解成的氮气和氢气；出炉后在气氛保护下冷却至100℃以内取出；经烧结后，摊铺层完成合金化，形成了具有一定孔隙度的自润滑合金层，并与承载基体紧密结合在一起；
步骤四，将步骤三所得烧结好的材料放入真空吸油机中，使吸油机内的聚四氟乙烯乳液填充进所述的自润滑合金层孔隙中；
步骤五，将吸有聚四氟乙烯乳液的材料进一步进行低温固化烧结，使聚四氟乙烯完全固化于自润滑合金层的孔隙中，所述烧结温度为280℃～350℃，烧结时间为2～5小时，所述烧结在氮气保护下进行，烧结结束后冷却至100℃以下后取出。
4.根据权利要求3所述的一种具有极低摩擦系数的无油平面滑动轴承的制备方法，其特征在于：
还包括步骤六，将步骤五所得吸油后的材料进一步进行机械加工，按照最终产品的尺寸进行外形的机加工修正。
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