CN110206823B - 一种热喷涂树脂基复合材料水润滑轴承及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种热喷涂树脂基复合材料水润滑轴承及其制造方法，属于轴承制造技术领域。该水润滑轴承包括金属推力盘和树脂基复合材料推力瓦，树脂基复合材料推力瓦由树脂基复合材料涂层和不锈钢支撑瓦基构成，树脂基复合材料涂层为聚芳醚复合材料或聚四氟乙烯复合材料，基体为聚醚醚酮、聚醚酮或聚四氟乙烯热塑性树脂，粘接增强填料为聚酰胺或聚砜，亲水性填料为二氧化硅、氮化硼或氮化硅。采用亚音速火焰喷涂或超音速火焰喷涂工艺，将热塑性树脂、粘接增强填料和亲水性填料的共混粉末，向表面粗糙化处理的不锈钢支撑瓦基上逐层进行热喷涂，制备树脂基复合材料涂层推力瓦的水润滑轴承。使水润滑轴承在高的交变载荷下界面不脱粘，提高了使用可靠性。

Description

一种热喷涂树脂基复合材料水润滑轴承及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种热喷涂树脂基复合材料水润滑轴承及其制造方法，属于轴承制造技术领域。

背景技术

树脂基复合材料由于具有低摩擦系数、耐磨损、抗冲击等优点，被广泛应用在以自然水为润滑介质的机械传动系统的轴承部件。树脂基复合材料轴承通常由树脂基复合材料层和金属支撑基底构成，树脂基复合材料层作为自润滑轴承材料，具有高强度、刚性和导热性的金属支撑基底起到支撑作用。树脂基复合材料由于强度与刚性低，导热与散热性差，当树脂基复合材料层厚度较大时，在高温重载条件下容易发生大变形，并且在长时间水浸泡下会吸水溶胀产生变形，降低轴承的尺寸稳定性，因此树脂基复合材料轴承的树脂基复合材料自润滑层通常需要低的厚度，以保持轴承在高温重载和长时间水浸泡条件下的尺寸稳定性。

树脂基复合材料轴承通常采用涂敷或热压成型工艺在金属支撑基底上制备树脂基复合材料自润滑层，由于树脂基复合材料与金属材料表面能相差较大，造成树脂基复合材料对金属材料表面的润湿性差，导致树脂基复合材料层和金属支撑基底界面难以形成紧密粘接。为改善树脂基复合材料与金属支撑基底的界面粘接性能，需要在金属支撑基底上加工沟槽形成宏观机械互锁连接或采用粘接剂改性层进行化学键粘接。采用具有毫米级沟槽的金属支撑基底，为降低宏观凹凸起伏对树脂基复合材料自润滑层承载均匀性的影响，所需树脂基复合材料层通常较厚；而粘接剂对不同树脂基复合材料和金属界面粘接性能改善作用存在差异，并且对难粘性树脂基复合材料的粘接性能改善有限，仍然无法满足树脂基复合材料轴承制造和长期使用性能要求。

热喷涂聚合物是一种适用于高熔点难溶聚合物材料的干法涂层制备工艺，避免了传统聚合物涂层技术（如静电喷涂和流化床浸渍）存在的挥发性有机溶剂造成环境污染和受部件尺寸限制的缺点，高动能的粒子能够在不完全熔融的条件下铺展，实现高熔体粘度树脂基复合材料涂层沉积，其逐层扫描沉积过程可实现

到mm厚度的涂层制备，并且不受零件表面尺寸的限制。美国坎姆科国际公司的中国发明专利“聚合材料的热喷涂”（CN1256175A），所述通过超音速火焰喷涂(HVOF)法将聚醚醚酮复合物施加到金属基底上，金属基底是用金属粘合层被电弧喷射到其表面上而制备，然后将粉碎的聚醚醚酮复合料加热并通过高速氧化燃料技术将其喷射到基底和粘合层上，从而均匀地涂敷基底，优选的复合物包括聚醚醚酮与聚四氟乙烯和碳的混合物，这些材料增强了聚醚醚酮的低摩擦系数和突出的耐用性，并提出所诉发明方法容易实施的典型产品包括用作推力轴承的推力垫。尽管热喷涂聚合物通过加热熔融或软化和高速撞击在金属支撑基底上强制铺展润湿，但树脂基复合材料涂层与金属支撑基底界面仍为机械互锁粘接，在长期重载使用条件下承受交变载荷作用时，树脂基复合材料涂层与金属支撑基底界面容易产生脱粘而失效。同时，所述涂层复合物的聚四氟乙烯和碳填料均为疏水性材料，在水介质中的浸润性不好，不利于对磨界面润滑水膜的形成，水润滑性能较差，应用于水润滑轴承造成摩擦系数较高，树脂基复合材料涂层容易磨损失效。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种热喷涂树脂基复合材料水润滑轴承及其制造方法，针对树脂基复合材料水润滑轴承需要树脂基复合材料层与不锈钢支撑瓦基形成有效界面粘接，同时保证摩擦热的有效传导和抑制介质浸泡溶胀变形，使树脂基复合材料轴承具有优异的尺寸稳定性和长期使用性能。

本发明采用的技术方案是：一种热喷涂树脂基复合材料水润滑轴承，所述水润滑轴承包括金属推力盘和树脂基复合材料推力瓦，树脂基复合材料推力瓦由树脂基复合材料涂层和不锈钢支撑瓦基构成，树脂基复合材料涂层为聚芳醚复合材料或聚四氟乙烯复合材料，基体为包含聚醚醚酮、聚醚酮或聚四氟乙烯的热塑性树脂，质量分数为80-95 wt.%；粘接增强填料为聚酰胺或聚砜，质量分数为5-15 wt.%；亲水性填料为纳米二氧化硅、纳米氮化硼或纳米氮化硅，质量分数为1-5 wt.%；热喷涂树脂基复合材料涂层厚度为100-500

，孔隙率小于1%。

所述的一种热喷涂树脂基复合材料水润滑轴承的制造方法，按照下述步骤进行：

第一步，通过切削加工、电火花加工，或者喷丸工艺对不锈钢支撑瓦基进行表面粗糙化处理，用丙酮和无水乙醇对粗糙化处理后不锈钢支撑瓦基表面进行超声清洗，去除表面油污；

第二步，将不锈钢支撑瓦基预热，采用亚音速火焰喷涂或超音速火焰喷涂工艺逐层进行热喷涂树脂基复合材料，喷涂过程中控制不锈钢支撑瓦基温度，喷涂至所需尺寸，制得树脂基复合材料涂层；

所述亚音速火焰喷涂工艺参数为：助燃气为O₂，压力为0.2-1.0 MPa；燃气为乙炔，压力为0.05-0.4 MPa；辅助气为压缩空气，压力为0.3-6.0 MPa；送粉速率为10-100 g/min，喷涂距离为100-300 mm，喷枪移动速率为100-400 mm/s，不锈钢支撑瓦基预热温度为100-300℃，喷涂次数为5-10遍；

所述超音速火焰喷涂工艺参数为：助燃气为O₂，压力为0.2-2.0 MPa，流量700-1000 l/min；燃剂为航空燃油，流量18-25 l/h；送粉速率为30-150 g/min，喷涂距离为200-400 mm，喷枪移动速率为300-1000 mm/s，不锈钢支撑瓦基预热温度为100-300℃，喷涂次数为5-20遍；

第三步，采用超声透射法对树脂基复合材料涂层和不锈钢支撑瓦基界面进行逐点无损检测，探测超声射线经树脂基复合材料涂层和不锈钢支撑瓦基的透射信号幅值，超声耦合剂为油，超声射线的透射信号幅值高于80%；判定树脂基复合材料涂层与不锈钢支撑瓦基的良好界面，机械加工去除不锈钢支撑瓦基端部多余树脂基复合材料，并加工至所需尺寸，制备树脂基复合材料涂层推力瓦的水润滑轴承。

本发明的有益效果是：这种热喷涂树脂基复合材料水润滑轴承将具有自润滑性能的树脂粉末、具有热熔粘接作用的树脂粉末和亲水性纳米填料进行共混，采用热喷涂方法在不锈钢支撑瓦基表面制备树脂基复合材料涂层，获得树脂基复合材料水润滑轴承。树脂基复合材料共混粉末经过高温火焰加热熔融或软化，在高速气流加速下撞击在预热粗糙不锈钢支撑瓦基表面产生强化铺展润湿，快速冷凝的树脂基复合材料粒子保持了有效铺展润湿状态，树脂基复合材料涂层与不锈钢支撑瓦基界面形成微观机械互锁粘接，并且具有热固粘接作用的树脂与不锈钢支撑瓦基形成增强的化学键粘接，具有自润滑性能的树脂和亲水性纳米填料可有效增强树脂基复合材料轴承的水润滑性能，保证了具有厚度

量级和高粘接性能的热喷涂树脂基复合材料水润滑轴承制备。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步说明本发明的细节。

实施例1：

通过喷丸工艺对不锈钢支撑瓦基进行表面粗糙化处理，用丙酮对粗糙化处理后不锈钢支撑瓦基表面进行超声清洗，去除表面油污；

将不锈钢支撑瓦基预热，采用亚音速火焰喷涂工艺逐层进行热喷涂树脂基复合材料，喷涂过程中严格控制不锈钢支撑瓦基温度，喷涂至所需尺寸，制得树脂基复合材料涂层；

树脂基复合材料涂层基体为聚醚醚酮树脂，质量分数为90 wt.%；粘接增强填料为聚酰胺，质量分数为7 wt.%；亲水性填料为纳米二氧化硅，质量分数为3 wt.%；热喷涂聚醚醚酮复合材料涂层厚度为300

，孔隙率为0.7%。

亚音速火焰喷涂工艺参数为：助燃气为O₂，压力为0.7 MPa；燃气为乙炔，压力为0.2 MPa；辅助气为压缩空气，压力为0.4 MPa；送粉速率为70 g/min，喷涂距离为200 mm，喷枪移动速率为300 mm/s，不锈钢支撑瓦基预热温度为200℃，喷涂次数为8遍。

采用超声透射法对热喷涂聚醚醚酮复合材料涂层和不锈钢支撑瓦基界面进行逐点无损检测，探测超声射线经热喷涂聚醚醚酮复合材料涂层和不锈钢支撑瓦基的透射信号幅值，超声耦合剂为油，超声射线的透射信号幅值高于90%，表明热喷涂聚醚醚酮复合材料涂层和不锈钢支撑瓦基界面无脱粘，机械加工去除不锈钢支撑瓦基端部多余聚醚醚酮复合材料，并加工至所需尺寸，得到聚醚醚酮复合材料涂层推力瓦的水润滑轴承。

实施例2：

通过切削加工对不锈钢支撑瓦基进行表面粗糙化处理，用无水乙醇对粗糙化处理后不锈钢支撑瓦基表面进行超声清洗，去除表面油污；

将不锈钢支撑瓦基预热，采用超音速火焰喷涂工艺逐层进行热喷涂树脂基复合材料，喷涂过程中严格控制不锈钢支撑瓦基温度，喷涂至所需尺寸，制得树脂基复合材料涂层；

树脂基复合材料涂层基体为聚四氟乙烯树脂，质量分数为80 wt.%；粘接增强填料为聚酰胺，质量分数为10 wt.%；亲水性填料分别为纳米氮化硼，质量分数为10 wt.%；热喷涂聚四氟乙烯复合材料涂层厚度为200

，孔隙率为0.5%。

超音速火焰喷涂工艺参数为：助燃气为O₂，压力为2.0 MPa，流量800 l/min；燃剂为航空燃油，流量20 l/h；送粉速率为100 g/min，喷涂距离为300 mm，喷枪移动速率为500mm/s，不锈钢支撑瓦基预热温度为150℃，喷涂次数为10遍。

采用超声透射法对热喷涂聚四氟乙烯复合材料涂层和不锈钢支撑瓦基界面进行逐点无损检测，探测超声射线经热喷涂聚四氟乙烯复合材料涂层和不锈钢支撑瓦基的透射信号幅值，超声耦合剂为油，超声射线的透射信号幅值高于80%，表明热喷涂聚四氟乙烯复合材料涂层和不锈钢支撑瓦基界面无脱粘，机械加工去除不锈钢支撑瓦基端部多余聚四氟乙烯复合材料，并加工至所需尺寸，得到聚四氟乙烯复合材料涂层推力瓦的水润滑轴承。

实施例 3：

通过电火花加工对不锈钢支撑瓦基进行表面粗糙化处理，用无水乙醇对粗糙化处理后不锈钢支撑瓦基表面进行超声清洗，去除表面油污；

将不锈钢支撑瓦基预热，采用亚音速火焰喷涂工艺逐层进行热喷涂树脂基复合材料，喷涂过程中严格控制不锈钢支撑瓦基温度，喷涂至所需尺寸，制得树脂基复合材料涂层；

树脂基复合材料涂层基体为聚醚酮树脂，质量分数为85 wt.%；粘接增强填料为聚酰胺，质量分数为10 wt.%；亲水性填料为纳米氮化硅，质量分数为5 wt.%；热喷涂聚醚酮复合材料涂层厚度为400

，孔隙率为0.8%。

亚音速火焰喷涂工艺参数为：助燃气为O₂，压力为1.0 MPa；燃气为乙炔，压力为0.3 MPa；辅助气为压缩空气，压力为0.3 MPa；送粉速率为80 g/min，喷涂距离为200 mm，喷枪移动速率为200 mm/s，不锈钢支撑瓦基预热温度为300℃，喷涂次数为10遍。

采用超声透射法对热喷涂聚醚酮复合材料涂层和不锈钢支撑瓦基界面进行逐点无损检测，探测超声射线经热喷涂聚醚酮复合材料涂层和不锈钢支撑瓦基的透射信号幅值，超声耦合剂为油，超声射线的透射信号幅值高于85%，表明热喷涂聚醚酮复合材料涂层和不锈钢支撑瓦基界面无脱粘，机械加工去除不锈钢支撑瓦基端部多余聚醚酮复合材料，并加工至所需尺寸，得到聚醚酮复合材料涂层推力瓦的水润滑轴承。

Claims (2)

1.一种热喷涂树脂基复合材料水润滑轴承，所述水润滑轴承包括金属推力盘和树脂基复合材料推力瓦，树脂基复合材料推力瓦由树脂基复合材料涂层和不锈钢支撑瓦基构成，树脂基复合材料涂层为聚芳醚复合材料或聚四氟乙烯复合材料，基体为包含聚醚醚酮或聚四氟乙烯的热塑性树脂，质量分数为80-95 wt.%；亲水性填料为纳米二氧化硅或纳米氮化硅，质量分数为1-10 wt.%；热喷涂树脂基复合材料涂层厚度为100-500 μm，其特征在于，基体还包含聚醚酮的热塑性树脂；粘接增强填料为聚酰胺或聚砜，质量分数为5-15 wt.%；亲水性填料还包含纳米氮化硼；热喷涂树脂基复合材料涂层孔隙率小于1%。

2.根据权利要求1所述的一种热喷涂树脂基复合材料水润滑轴承的制造方法，其特征在于，按照下述步骤进行：

第一步，通过切削加工、电火花加工，或者喷丸工艺对不锈钢支撑瓦基进行表面粗糙化处理，用丙酮和无水乙醇对粗糙化处理后不锈钢支撑瓦基表面进行超声清洗，去除表面油污；

第二步，将不锈钢支撑瓦基预热，采用亚音速火焰喷涂或超音速火焰喷涂工艺逐层进行热喷涂树脂基复合材料，喷涂过程中控制不锈钢支撑瓦基温度，喷涂至所需尺寸，制得树脂基复合材料涂层；

所述亚音速火焰喷涂工艺参数为：助燃气为O₂，压力为0.2-1.0 MPa；燃气为乙炔，压力为0.05-0.4 MPa；辅助气为压缩空气，压力为0.3-6.0 MPa；送粉速率为10-100 g/min，喷涂距离为100-300 mm，喷枪移动速率为100-400 mm/s，不锈钢支撑瓦基预热温度为100-300℃，喷涂次数为5-10遍；

所述超音速火焰喷涂工艺参数为：助燃气为O₂，压力为0.2-2.0 MPa，流量700-1000 l/min；燃剂为航空燃油，流量18-25 l/h；送粉速率为30-150 g/min，喷涂距离为200-400 mm，喷枪移动速率为300-1000 mm/s，不锈钢支撑瓦基预热温度为100-300℃，喷涂次数为5-20遍；

第三步，采用超声透射法对树脂基复合材料涂层和不锈钢支撑瓦基界面进行逐点无损检测，探测超声射线经树脂基复合材料涂层和不锈钢支撑瓦基的透射信号幅值，超声耦合剂为油，超声射线的透射信号幅值高于80%；判定树脂基复合材料涂层与不锈钢支撑瓦基的良好界面，机械加工去除不锈钢支撑瓦基端部多余树脂基复合材料，并加工至所需尺寸，制备树脂基复合材料涂层推力瓦的水润滑轴承。