CN109899396B - 轴承材料、轴承元件以及方法 - Google Patents

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Abstract

一种轴承元件(100)，诸如用于发动机的轴承壳，具有形成抵靠钢轴颈等的轴承表面的覆盖物(106)。所述覆盖物(106)由包括聚酰胺‑酰亚胺(PAI)聚合物材料的聚合物基质，以及散布在所述聚合物基质内的三聚氰胺氰脲酸盐颗粒的轴承材料形成。还提供了包括轴承材料的轴承元件，三聚氰胺氰脲酸盐作为固态润滑剂在PAI聚合物轴承材料中的应用，以及形成轴承材料和轴承元件的方法。

Description

轴承材料、轴承元件以及方法
技术领域
本发明涉及一种轴承材料、轴承元件、三聚氰胺氰脲酸盐在聚酰胺-酰亚胺(PAI)轴承材料中作为固态润滑剂的使用、形成轴承材料的方法以及形成轴承元件的方法。具体地，本发明涉及在形成滑动轴承的运转表面或滑动表面的覆盖物中使用的改进的塑料轴承材料。体现本发明的轴承材料和元件尤其适合用于汽车环境中，包括用于支撑可旋转或可滑动的发动机部件，以及用作诸如止推垫圈和凸缘轴承组件的其他可旋转或可滑动部件，或作为所述其他可旋转或可滑动部件的一部分。
背景技术
在内燃机中，主轴承组件通常分别包括一对保持能够绕轴线旋转的曲柄轴的半轴承。每个半轴承为大致半圆柱状的轴承壳，并且通常至少一个为设置有在每个轴向端部向外(沿径向)延伸的半环形止推垫圈的凸缘半轴承。
轴承壳的轴承表面通常具有分层的结构，其中包括结实的背衬材料的基底涂覆有一个或更多具有优选的摩擦学特性的层，从而提供在使用中面对诸如曲柄轴轴颈的协作的移动部件的轴承表面。在已知的轴承壳中，基底包括涂覆有衬套层的背衬，并且基底转而涂覆有由轴承材料形成的覆盖物。覆盖物通常为6至25μm厚，并且可以由基于塑料聚合物的复合层或金属合金层(例如基于锡的合金覆盖物)形成。
覆盖物的作用为提供相对软、适应的层，所述层能够容纳较硬的钢曲柄轴轴颈与轴承壳之间的任何小的偏斜，以及接纳并使可能在供油中循环并进入轴承的尘埃颗粒嵌入，以便防止轴颈的破坏或刻痕。覆盖物的这些作用分别被称为适应性和可嵌入性。
通常已知的是轴承材料或覆盖物的磨损能够导致施加有覆盖物材料的衬套层的暴露。这能够导致由于突然发作(seizure)而引起的滑动部件的故障。
基于聚合物的轴承材料在近些年已经流行用作覆盖物，并且对滑动部件的研究已经引起大范围的聚合物轴承材料的合成物。
由于起停发动机(stop start engine)的到来以及朝向发动机小型化的趋势，期望发动机轴承(尤其是连杆和主轴承)在逐渐苛刻的环境下运转。起停周期(在所述起停周期中油膜被用尽)的增加数量意味着轴承覆盖物的摩擦特性以及覆盖物使用寿命为轴承性能的关键。
发明内容
如现在应参考的所附的独立权利要求所限定的，本发明提供了轴承材料、轴承元件、三聚氰胺氰脲酸盐在聚酰胺-酰亚胺(PAI)轴承材料中作为固态润滑剂的使用、形成轴承材料的方法以及形成轴承元件的方法。在从属权利要求中提出了本发明的优选或有益的特征。
根据本发明的第一方面，提供有包括聚酰胺-酰亚胺(PAI)聚合物材料和三聚氰胺氰脲酸盐的轴承材料。
所述轴承材料可以包括聚酰胺-酰亚胺(PAI)聚合物材料的聚合物基质，以及散布在所述聚合物基质内的三聚氰胺氰脲酸盐颗粒。
在本发明中，发明人已经选择聚酰胺-酰亚胺(PAI)聚合物材料用作聚合物基质，因为已经发现PAI能够提供强健和有效的轴承材料。
在当前内燃机的侵蚀性条件下，起停操作要求通常的发动机经受明显增加的起停操作数量。发动机每次再起动，全部的流体动力学润滑剂可能没有在适当的位置，并且所以诸如曲柄轴轴承的轴承需要能够幸免于非流体动力学润滑的起动操作的增加的数量。PAI基的轴承材料通过合适的填充物材料而具有在这样的条件下相比于其他聚合物材料优秀的性能。
聚酰胺-酰亚胺(PAI)聚合物材料在本发明的轴承材料中的使用因此可以有益地提供具有良好性能(包括适应性和可嵌入性)的轴承材料。
也可以已知为三聚氰胺氰脲酸盐酸加合物(adduct)、三聚氰胺氰脲酸盐酸复合物或者MCA的三聚氰胺氰脲酸盐通常用作阻燃剂。然而，在本发明中，发明人已经发现三聚氰胺氰脲酸盐在PAI基的轴承材料中可以用作有效的固态润滑剂。
本发明的发明人已经选择三聚氰胺氰脲酸盐用作固态润滑剂，这除了是由于其高热稳定性和低腐蚀性外，还由于其氢键网络和低摩擦系数。这些特性可以使三聚氰胺氰脲酸盐特别有益地在PAI基轴承材料中用作固态润滑剂，PAI基轴承材料尤其是在用于起停发动机期间可能经受高温。
由于三聚氰胺氰脲酸盐氢键网络在使用期间的连续破坏和再形成，三聚氰胺氰脲酸盐颗粒的存在可以有益地增加轴承材料的承载能力。这可以有益地增加轴承材料的抗疲劳性和磨损性能。另外，相比于现有技术中已知的轴承材料，三聚氰胺氰脲酸盐的高热稳定性和低磨损性可以有益地增加涂覆有本发明的轴承材料的轴承元件的使用寿命。
三聚氰胺氰脲酸盐颗粒中的分子薄层的氢键网络的存在可以允许相邻的层在施加横向力时的剪断。在轴承的运转期间经受横向力的轴承材料中，三聚氰胺氰脲酸盐因此可以有益地用作有效的固态润滑剂。
在通过降低硫化的轴承材料的摩擦系数而由轴承材料形成的覆盖物中，三聚氰胺氰脲酸盐可以用作固态润滑剂。三聚氰胺氰脲酸盐固态润滑剂在轴承材料中的结合因此可以改进运转性能、转矩转动测试(torque-to-turn test)以及轴承使用寿命。通过改进发动机中的轴承的摩擦系数，三聚氰胺氰脲酸盐固态润滑剂的使用还可以辅助改进发动机效率以及减少排放。
轴承材料可以包括固态润滑剂，所述固态润滑剂包括三聚氰胺氰脲酸盐或由三聚氰胺氰脲酸盐组成。
在优选的实施例中，轴承材料包括只作为固态润滑剂材料的三聚氰胺氰脲酸盐，使得轴承材料不包含诸如石墨、MoS2或者PTFE的其他固态润滑剂。
包括作为固态润滑剂的三聚氰胺氰脲酸盐的PAI基的轴承材料可以有益地实现期望的物理特性。优选地，相比于已知的PAI轴承材料，这样的轴承材料可以展示类似或更好的物理特性。例如，本发明的轴承材料可以展示增加的负荷承载能力。由于三聚氰胺氰脲酸盐的氢键网络，轴承材料还可以展示改进的抗疲劳性，并且由于三聚氰胺氰脲酸盐的热稳定性和低腐蚀性，还可以展示增加的使用寿命。
三聚氰胺氰脲酸盐有益地展示了良好的抗剪断特性，这可以归结于三聚氰胺氰脲酸盐中的氢键的剪断与再形成。这可以使本发明的轴承材料能够提供高负荷承载能力，同时依然改进轴承材料的摩擦特性。
轴承材料可以包括散布在PAI聚合物材料的整个基质的三聚氰胺氰脲酸盐的固态颗粒。
优选地，三聚氰胺氰脲酸盐颗粒的尺寸选择为小于由轴承材料形成的覆盖层的预期厚度。通常轴承元件上的覆盖层在厚度上可以小于25μm或小于12μm。可以选择小于预期覆盖物厚度的颗粒尺寸，使得三聚氰胺氰脲酸盐颗粒不从覆盖物表面突出。
颗粒尺寸可以通过动态光散射来测量。
三聚氰胺氰脲酸盐颗粒也可以被选择为足够大，从而在PAI聚合物材料中形成均匀的散布。在某尺寸以下，例如在大约0.2μm以下，三聚氰胺氰脲酸盐颗粒可以在制造期间在PAI聚合物材料中趋于结块，因此形成具有不一致的摩擦特性的轴承材料。
优选地，三聚氰胺氰脲酸盐颗粒具有大约0.2μm与大约0.5μm之间的平均颗粒尺寸，优选地大约0.5μm与大约3μm之间，特别优选地大约1μm与大约2μm之间的平均颗粒尺寸。
三聚氰胺氰脲酸盐颗粒可以具有至少大约0.2μm、或0.5μm、或1μm、或2μm，和/或小于或等于大约2.5μm、或3μm、或5μm、或10μm的平均颗粒尺寸。
优选地，轴承材料包括大约2wt％与大约30wt％之间的三聚氰胺氰脲酸盐，优选地大约5wt％与大约25wt％之间，特别优选地大约8wt％与大约20wt％之间的三聚氰胺氰脲酸盐。在某些优选实施例中，轴承材料包括大约8wt％与大约12wt％之间的三聚氰胺氰脲酸盐。在该范围内，三聚氰胺氰脲酸盐的结合优选地可以改进轴承材料的摩擦特性。特别有益地，三聚氰胺氰脲酸盐的该总量可以制造具有可接受的耐磨特性的轴承材料。
优选地，轴承材料可以包括至少2wt％、或3wt％、或5wt％、或8wt％，和/或小于或等于10wt％、或12wt％、或15wt％、或20wt％、或25wt％、或30wt％的三聚氰胺氰脲酸盐。
轴承材料可以另外包括一个或多个另外的填充物材料，所述填充物材料可以合并到轴承材料中以改变其特性。为了增加的耐磨性，轴承材料例如可以包括硬的填充物颗粒。轴承材料可以包括诸如金属薄片，优选地铝薄片的添加物，其可以增加适应性，增加抗疲劳性以及增加轴承材料的导热性，由此允许整个聚合物基质的热分布。
轴承材料可以另外包括诸如分散剂的添加物和黏合剂以及均匀剂(leveller)，所述添加物允许轴承材料的颗粒含量均匀散布在整个聚合物基质，所述黏合剂可以改进轴承材料与轴承元件的粘合。
根据本发明的第二方面，提供有包括根据本发明的第一方面的轴承材料的轴承元件。
轴承可以包括覆盖物，所述覆盖物可以被叫做由根据本发明的第一方面的轴承材料形成的覆盖层或者轴承表面层。
优选地，覆盖物的总厚度在3μm与25μm之间。更优选地，覆盖物的总厚度在8μm与10μm之间。
优选地，覆盖物由轴承材料的单个层组成。即，覆盖物优选地在整个覆盖物具有一致的成分。覆盖物可以通过施加相同的轴承材料的若干涂层而形成，使得形成的覆盖物完全由本发明的轴承材料形成。优选地，覆盖物不包括由不同的轴承材料形成的第二层。
关于本发明的第一方面，轴承材料的特征可以描述如上。
体现本发明的轴承元件尤其可以适于在流体润滑的应用中使用。对于轴承元件特别有益的应用为作为燃烧机中的滑动轴承，例如曲柄轴和/或凸轮轴支撑轴承、大端轴承以及小端轴承。体现本发明的轴承元件尤其适于在车辆发动机中使用，包括装备有起停发动机技术的车辆发动机，在所述起停发动机技术中发动机在发动机使用寿命期间经受基本上比传统发动机更多数量的起动，并且曲柄轴在润滑剂的均匀的流体动力学薄膜在轴承/运转表面上建立之前被逐渐地加速。
体现本发明的轴承元件也可以被用于在发动机部件上形成任意数量的滑动表面，所述发动机部件包括衬套、活塞裙、活塞环、衬垫、凸轮轴以及连杆。它们可以被用作止推垫圈、凸缘以及半衬垫中的任一种，或作为推垫圈、凸缘以及半衬垫中的任一种的一部分。可以想到其他合适的应用并且这些应用对本领域技术人员而言将是容易领会的。
根据本发明的第三方面，提供三聚氰胺氰脲酸盐作为聚酰胺-酰亚胺(PAI)聚合物轴承材料中的固态润滑剂的应用。
根据本发明的第四方面，提供有形成轴承材料的方法，包括将聚酰胺-酰亚胺(PAI)聚合物材料与三聚氰胺氰脲酸盐的颗粒混合以形成散布的步骤。
三聚氰胺氰脲酸盐优选以如下的总量被添加至聚合物材料，所述总量形成大约2wt％与大约30wt％之间，优选地大约5wt％与大约25wt％之间，特别优选地大约8wt％与大约12wt％之间的散布。
三聚氰胺氰脲酸盐颗粒可以具有至少大约0.2μm、或0.5μm、或1μm、或2μm，和/或小于或等于大约2.5μm、或3μm、或5μm、或10μm的平均颗粒尺寸。
所述方法可以包括如下另外的第一步骤：例如经由从合适的单体已知的聚合反应形成聚酰胺-酰亚胺(PAI)聚合物材料。
根据本发明的第五方面，提供有形成轴承元件的方法，包括在轴承元件基底上沉积根据本发明的第一方面的轴承材料的步骤。
形成轴承元件的方法因此提供了在轴承元件基底上形成轴承表面层、或者覆盖层的方法。
轴承材料可以通过现有技术中已知的方法，例如通过喷洒，而沉积在基底上。
所述方法可以包括如下另外的步骤：一旦轴承材料已经沉积在轴承元件基底上，对轴承材料进行硫化(curing)。
关于第一方面描述的本发明的特征同样适用于本发明的第二、第三、第四以及第五方面的对应的特征。
附图说明
现将通过示例，参照附图来描述本发明的具体实施例，其中：
图1示出了作为体现本发明的轴承元件的示例性实施例的半圆柱状半轴承壳的示意性立体图；
图2示出了穿过由两个图1的半轴承壳形成的轴承壳的示意性截面图；以及
图3示出了穿过图1和图2的轴承壳的一部分的放大截面图。
具体实施方式
图1示意性地图示了半圆柱状的轴承壳100，其通常也被称作半轴承或半壳，用于内燃机中的主要轴承组件，以保持曲柄轴的圆柱状轴颈。图3示出了穿过轴承壳100的一部分的截面。
轴承壳100具有包含基底的层结构，所述基底包括钢背衬102以及包括铝-锡合金层的衬套层104。轴承材料的覆盖物106通过在基底的衬套层上喷洒涂层而形成在衬套层104的顶部。
当组装在主轴承外壳中时，背衬102针对轴承壳100的变形提供强度和抵抗。
图2图示了穿过由两个图1的半轴承壳100形成的圆柱状轴承壳200的端点截面图。圆柱状轴承壳200由两个半轴承壳100形成，所述两个半轴承壳100的端部已经连接在一起从而形成具有空心中央的圆柱状轴承壳，适于保持曲柄轴的协作的轴颈(未示出)。
当两个半圆柱状的轴承壳100连接以形成圆柱状轴承壳200时，覆盖物106形成轴承壳的最内的表面。覆盖物106因此构造为在轴承组件中提供面对协作的移动部件的运转表面(或者滑动表面)。在使用中，在组装的轴承内，通过润滑油的插入膜(优选在正常运转期间提供流体动力学润滑)，轴承壳100的覆盖物106与带轴颈的轴相互协作。覆盖物106尤其适于适应轴承表面与轴颈之间的小错位(适应性)，并且能够接纳和嵌入在润滑油供给中循环的尘埃颗粒，以便防止碎片对轴颈表面的刻痕或破坏(尘埃嵌入性)。如果发生插入油膜的失效，则覆盖物106还在轴承100与轴颈之间提供合适的摩擦特性。
覆盖物106由包括聚酰胺-酰亚胺(PAI)聚合物材料的基质的轴承材料形成，在其全部中分配有10wt％的三聚氰胺氰脲酸盐颗粒(未示出)(在硫化后，相对于形成的覆盖物的含量提出wt％比例)。所述三聚氰胺氰脲酸盐颗粒具有大约2.1微米(μm)的平均颗粒尺寸。
三聚氰胺氰脲酸盐颗粒在覆盖物中用作固态润滑剂，并且降低了PAI覆盖物106的摩擦系数。三聚氰胺氰脲酸盐颗粒固态润滑剂在PAI覆盖物中的结合因此可以改进磨合状况、转矩转动测试以及轴承使用寿命。通过改进发动机中的轴承的摩擦系数，三聚氰胺氰脲酸盐颗粒固态润滑剂的使用还可以辅助改进发动机效率以及减少排放。
由于其良好的热稳定性和低腐蚀性，三聚氰胺氰脲酸盐可以有益地延长覆盖物106的使用寿命。三聚氰胺氰脲酸盐的氢键网络还可以导致改进的负荷承载能力以及抗疲劳特性。
合适的三聚氰胺氰脲酸盐颗粒的一个示例具有0.24g/ml的体积密度，2.1μm的平均颗粒尺寸，0.5μm的D10，1.3μm的D50以及4.7μm的D90。
覆盖物106还包括大约26wt％的薄铝片的另外的填充物材料(未示出)、小于0.5wt％的均匀剂以及分配在PAI聚合物材料的整个基质的硅烷黏合剂。
体现本发明的轴承材料和覆盖物通常可以使用在现有技术中描述的用于形成在聚合物矩阵(polymer matrices)中包括填充物的覆盖物的技术制造。这样的技术是本领域技术人员熟知的，但为了完整性在下文提出了示例性的解释。
覆盖物106通过沉积包括溶解在溶剂中的聚合物PAI材料的轴承材料而形成，在所述溶剂中悬浮有三聚氰胺氰脲酸盐颗粒(以及任何其他期望的覆盖物填充物或颗粒)。在沉积之前，三聚氰胺氰脲酸盐颗粒(以及任何其他悬浮的固态微粒)优选被添加至PAI并且通过沉积混合物的搅动而保持悬浮。
三聚氰胺氰脲酸盐颗粒的尺寸可以有益地增强颗粒在轴承材料内的散布，在聚合物材料的沉积之前，因为颗粒足够大从而避免结块，并且为了在沉积的覆盖物内的颗粒的均匀散布而足够小。
覆盖物106可以通过从喷枪的轴承材料的喷洒涂覆而沉积到基底上。替代地，覆盖物可以通过丝网印刷(即，通过掩模)、通过移印处理(即，间接平板印刷处理，例如，其中移印胶头将塑料聚合物复合材料的图案层转移到滑动轴承基底上)，或者通过转印辊动处理。
虽然覆盖物106可以在单个的沉积步骤中沉积，但针对更大厚度，覆盖物可以通过设置在连续的沉积之间的闪蒸(flash-off)阶段来从子层移去溶剂而由子层的相继沉积而建立。
对沉积的覆盖物进行硫化引起PAI塑料聚合物中的分子的分子交联。硫化还从覆盖物移去了基本上全部的溶剂，包括来自闪蒸子层的任何残留的溶剂。
通过从连续的子层形成的较厚的层，硫化的覆盖物106可以具有3至14μm的厚度。例如，通过相同轴承材料的两个或三个子层的沉积，可以建立8μm至12μm的厚度的覆盖物106。
虽然关于半轴承壳和圆柱状轴承壳在本文中进行了描述并且在附图中进行了图示，但本发明可以同样应用于其他滑动发动机部件，包括半环形、环形或圆形的止推垫圈，和衬套，以及包括这样的滑动发动机部件的发动机。

Claims (8)

1.一种轴承材料，其包括聚酰胺-酰亚胺聚合物材料的聚合物基质，以及散布在所述聚合物基质内的三聚氰胺氰脲酸盐颗粒，三聚氰胺氰脲酸盐颗粒含量在8wt%到12wt%之间,
另外包括金属薄片。
2.根据权利要求1所述的轴承材料，其中所述三聚氰胺氰脲酸盐颗粒具有0.2µm与5µm之间的平均颗粒尺寸。
3.根据权利要求1所述的轴承材料，另外包括分散剂、黏合剂和/或均匀剂。
4.根据权利要求1所述的轴承材料，所述金属薄片是铝薄片。
5.根据权利要求4所述的轴承材料，包括26wt%的铝薄片、小于0.5wt%的均匀剂，以及分配在聚酰胺-酰亚胺聚合物材料的整个基质的硅烷黏合剂。
6.一种轴承元件，其包括如权利要求1-5任一项所限定的轴承材料。
7.一种形成如权利要求1-5任一项所述轴承材料的方法，其包括将聚酰胺-酰亚胺聚合物材料与三聚氰胺氰脲酸盐的颗粒混合以形成散布的步骤；
将所述轴承材料沉积到轴承元件基底上；
通过设置在连续的沉积之间的闪蒸阶段来从子层移去溶剂而由子层的相继沉积而建立更大厚度覆盖物；
对沉积的覆盖物进行硫化，引起聚酰胺-酰亚胺聚合物材料中的分子的分子交联，硫化还从覆盖物移去了基本上全部的溶剂，包括来自闪蒸子层的任何残留的溶剂。
8.一种形成轴承元件的方法，其包括将根据权利要求1至5中任一项所述的轴承材料沉积到轴承元件基底上的步骤。
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