CN110861367A - 一种复合自润滑板材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合自润滑板材及其制备方法，包括自下而上设置的金属基板层、铜粉层和位于铜粉层上的的聚四氟乙稀改性材料层；所述铜粉层烧结于基板上面，聚四氟乙稀改性材料层通过热轧复合在铜粉层表面；所述聚四氟乙稀改性材料层由以下重量组份的原料组成：碳纤维：4‑25％、石墨：2‑15％、聚本脂粉末：2‑15％、聚四氟乙稀：余量；本发明制备的材料不但具有耐疲劳、耐冲击、耐高温、承载能力强等优点，而且能实现自润滑性能，降低摩擦系数，高温状况下自润滑性能更为优异，适用于制作恶劣工况下重载机械的自润滑轴承。

Description

一种复合自润滑板材及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料加工领域，具体是一种复合自润滑板材及其制备方法。
背景技术
目前自润滑复合材料中的材料种类越来越多，成分也越来越来复杂，但是当前金属与塑料的复合主要是镶嵌型复合、翻中间层三层复合以及喷涂型复合，前两种类型主要运用物理镶嵌的方法来实现材料之间的复合，结合较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合自润滑板材及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种复合自润滑板材，包括自下而上设置的金属基板层、铜粉层和位于铜粉层上的的聚四氟乙稀改性材料层；所述铜粉层烧结于基板上面，聚四氟乙稀改性材料层通过热轧复合在铜粉层表面；
所述聚四氟乙稀改性材料层由以下重量组份的原料组成：
碳纤维：4-25％
石墨：2-15％
聚本脂粉末：2-15％
聚四氟乙稀：余量。
进一步的，所述金属基板层为铁基、铁铜烧结基、铜基、铝基、锌基中的一种。
进一步的，所述聚本脂粉末的粒度为30μm-40μm；聚四氟乙稀的粒度为20μm-40μm。
进一步的，所述石墨粒径为小于400目。
复合自润滑板材的生产工艺，具体包括以下步骤：
步骤1、金属处理：对金属基体表面进行清洁和粗糙处理，使得铜粉层与金属基体层结合更加牢固；
步骤1.1、清洁处理：先对金属基体表面进行机械磨平，再采用除油-水洗-中和-水洗-表调-磷化-水洗-烘千，工艺过程去除表面氧化物、油污、灰尘，经过磷化处理后的钢板能在其表面形成不溶性的一层磷酸盐保护胰，具有很好的防锈能力和附着力；
步骤1.2、粗化处理：
喷丸处理金属基体表面处理，喷丸处理选用铸钢丸；其硬度一般为40-50HRC，喷丸速度为60m/s，喷丸距离在200-400mm的范围之间，喷丸角度在60°-70°之间。
步骤2、金属基体预热：采用高频炉对金属基体进行均匀加热，加热温度在80-120℃之间，避免局部温度过高使表面产生黄色和蓝色薄膜，而影响铜粉层的结合强度，金属基体预热可以有效去除金属基体的表面水分和湿气。
步骤3、铜粉层的烧结：在金属基板层上均匀铺上球粉后按现有技术一起烧结成复合板；烧结成复合板在微正压、弱氧化性气氛下进行保温，保温的温度为900℃-930℃、保温时间4.0-5.0小时。
步骤4、聚四氟乙稀改性粉料的制备，将聚四氟乙稀树脂按照配比混合通过挤出机加热成造粒挤出后经过筛分。
步骤5、热压成型：
将步骤3得到的复合板放入热压烧结炉的模具中，再将步骤4处理过的塑料工作层混料均匀平铺在喷涂金属件上，平铺的厚度为4mm-7mm；将热压烧结炉的温度在5min-7min内升高到90℃-100℃对复合材料和模具进行预热，再将热压烧结炉的压力提高至3MPa-4MPa，进行预压处理，预压5min-10min后将压力卸载掉，然后再单轴加压至5MPa-7MPa，以20℃/min-30℃/min的速度升温，在此过程中需要放气2-3次，待温度升至300℃-350℃后保持恒温20-40min，然后加压至8-10MPa，并升温至385-395℃后保持恒温40-60min，最后在保压条件下冷却使模具温度将到110℃-120℃左右脱模。
进一步的，所述粗化处理后金属基体表面的活性很大，很容易氧化，所以必须在短时间内进行复合，一般不能超过2小时，更不能用手和其它污物碰触喷丸表面，否则会降低铜粉层与金属基体表面的结合强度。
进一步的，所述步骤4具体包括：
步骤4.1、混合物的制备：按照聚四氟乙稀改性材料层的重量组份，分别称取碳纤维、石墨、聚本脂粉末、聚四氟乙稀；将所有原料投入双锥形搅拌桶以30-80转/分钟的速度搅拌10-50分钟；
步骤4.2、聚四氟乙稀改性材料造粒的挤出：将步骤4.1中的得到的混合物在135-150℃温度下干燥1-2小时后，采用双螺杆挤出机制作成颗粒，挤出机套筒温度设定在250-350℃范围内，模具温度控制在200-300℃范围内，机头模压为10-13MPa，双螺杆长径比为25-40，混合物在挤出机中停留时间为2-3分钟；
步骤4.3，聚四氟乙稀改性材料粉碎筛分：具体，采用破碎机将原料混合物按比例混合后破碎搅拌3-4小时，所述的混料机转速为80转/min；然后过400目的筛网。
值得注意的，在步骤4.1之前应对所有原料进行干燥处理，具体的将原料在130-150℃温度下干燥2-4小时。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：所制备的材料不但具有耐疲劳、耐冲击、耐高温、承载能力强等优点，而且能实现自润滑性能，降低摩擦系数，高温状况下自润滑性能更为优异，适用于制作恶劣工况下重载机械的自润滑轴承。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
一种复合自润滑板材，包括自下而上设置的金属基板层、铜粉层和位于铜粉层上的的聚四氟乙稀改性材料层；
所述金属基板层为铁基、铁铜烧结基、铜基、铝基、锌基中的一种，铜粉层烧结于基板上面，聚四氟乙稀改性材料层通过热轧复合在铜粉层表面；
所述聚四氟乙稀改性材料层由以下重量组份的原料组成：
碳纤维：4-25％
石墨：2-15％
聚本脂粉末：2-15％
聚四氟乙稀：余量。
聚本脂粉末的粒度为30μm-40μm；聚四氟乙稀的粒度为20μm-40μm；所述石墨粒径为小于400目；
复合自润滑板材的生产工艺，具体包括以下步骤：
步骤1、金属处理：对金属基体表面进行清洁和粗糙处理，使得铜粉层与金属基体层结合更加牢固；
步骤1.1、清洁处理：
先对金属基体表面进行机械磨平，再采用除油-水洗-中和-水洗-表调-磷化-水洗-烘千，工艺过程去除表面氧化物、油污、灰尘，经过磷化处理后的钢板能在其表面形成不溶性的一层磷酸盐保护胰，具有很好的防锈能力和附着力。
清洁处理目的是去除金属基体表面的污垢，如油渍、氧化皮、油漆以及其它污染物，清洁处理的关键是去除渗入基体之中的油脂。
步骤1.2、粗化处理：
喷丸处理金属基体表面处理，喷丸处理选用铸钢丸；其硬度一般为40-50HRC，喷丸速度为60m/s，喷丸距离在200-400mm的范围之间，喷丸角度在60°-70°之间；
粗化处理的目的是增加涂层和金属基体之间的接触面，使净化处理过的表面更加活化，提高涂层的结合强度。同时，基体表面粗化还可改变涂层中残余应力的分布；喷丸处理不仅可以清除金属基体表面污物，还可以使金属基体表面产生一定的粗糙度，使基体表面产生残余应力，提高基体表面疲劳强度。喷丸还能使基体表面活化，从而提高喷涂层的结合强度。
值得注意的是，粗化处理后金属基体表面的活性很大，很容易氧化，所以必须在短时间内进行复合，一般不能超过2小时，更不能用手和其它污物碰触喷丸表面，否则会降低铜粉层与金属基体表面的结合强度。
步骤2、金属基体预热：
采用高频炉对金属基体进行均匀加热，加热温度在80-120℃之间，避免局部温度过高使表面产生黄色和蓝色薄膜，而影响铜粉层的结合强度。
步骤3、铜粉层的烧结：在金属基板层上均匀铺上球粉后按现有技术一起烧结成复合板；烧结成复合板在微正压、弱氧化性气氛下进行保温，保温的温度为900℃-930℃、保温时间4.0-5.0小时；
步骤4、聚四氟乙稀改性粉料的制备，将聚四氟乙稀树脂按照配比混合通过挤出机加热成造粒挤出后经过筛分；
步骤4.1、混合物的制备：按照聚四氟乙稀改性材料层的重量组份的分别称取碳纤维、石墨、聚本脂粉末、聚四氟乙稀；将所有原料投入双锥形搅拌桶以30-80转/分钟的速度搅拌10-50分钟；
步骤4.2、聚四氟乙稀改性材料造粒的挤出：将步骤4.1中的得到的混合物在135-150℃温度下干燥1-2小时后，采用双螺杆挤出机制作成颗粒，挤出机套筒温度设定在250-350℃范围内，模具温度控制在200-300℃范围内，机头模压为10-13MPa，双螺杆长径比为25-40，混合物在挤出机中停留时间为2-3分钟；
步骤4.3，聚四氟乙稀改性材料粉碎筛分：具体，采用破碎机将原料混合物按比例混合后破碎搅拌3-4小时，所述的混料机转速为80转/min；然后过400目的筛网
值得注意的，在步骤4.1之前应对所有原料进行干燥处理，具体的将原料在130-150℃温度下干燥2-4小时；
步骤5、热压成型：
将步骤3得到的复合板放入热压烧结炉的模具中，再将步骤4处理过的塑料工作层混料均匀平铺在喷涂金属件上，平铺的厚度为4mm-7mm；将热压烧结炉的温度在5min-7min内升高到90℃-100℃对复合材料和模具进行预热，再将热压烧结炉的压力提高至3MPa-4MPa，进行预压处理，预压5min-10min后将压力卸载掉，然后再单轴加压至5MPa-7MPa，以20℃/min-30℃/min的速度升温，在此过程中需要放气2-3次，待温度升至300℃-350℃后保持恒温20-40min，然后加压至8-10MPa，并升温至385-395℃后保持恒温40-60min，最后在保压条件下冷却使模具温度将到110℃-120℃左右脱模；
本实施例的摩擦性能测试：
干摩擦试验
实验设备：MPV-20摩擦磨损试验机
试件尺寸：φ40×φ40×20
测试条件：干摩擦；
对磨轴：45#钢，硬度HRC42～47；
测试环境温度：23℃；
速度V：0.5m/s；
载荷P：从初始1MPa起步，然后每10min加载0.8MPa；
极限温升：150℃；
试验时间：100min；
测试结构如下表1所示：
表1复合自润滑板材干摩擦试验数据表
Figure BDA0002257193860000071
本发明的复合自润滑板材在经过一段时间的磨损后摩擦系数和磨损率趋于稳定，性能优异，符合使用指标。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种复合自润滑板材，其特征在于，包括自下而上设置的金属基板层、铜粉层和位于铜粉层上的的聚四氟乙稀改性材料层；所述铜粉层烧结于基板上面，聚四氟乙稀改性材料层通过热轧复合在铜粉层表面；
所述聚四氟乙稀改性材料层由以下重量组份的原料组成：
碳纤维：4-25％
石墨：2-15％
聚本脂粉末：2-15％
聚四氟乙稀：余量。
2.根据权利要求1所述的一种复合自润滑板材，其特征在于，所述金属基板层为铁基、铁铜烧结基、铜基、铝基、锌基中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种复合自润滑板材，其特征在于，所述聚本脂粉末的粒度为30μm-40μm；聚四氟乙稀的粒度为20μm-40μm。
4.根据权利要求1所述的一种复合自润滑板材的生产工艺，其特征在于，所述石墨粒径为小于400目。
5.复合自润滑板材的生产工艺，具体包括以下步骤：
步骤1、金属处理：对金属基体表面进行清洁和粗糙处理，使得铜粉层与金属基体层结合更加牢固；
步骤1.1、清洁处理：先对金属基体表面进行机械磨平，再采用除油-水洗-中和-水洗-表调-磷化-水洗-烘千，工艺过程去除表面氧化物、油污、灰尘，经过磷化处理后的钢板能在其表面形成不溶性的一层磷酸盐保护胰，具有很好的防锈能力和附着力；
步骤1.2、粗化处理：
喷丸处理金属基体表面处理，喷丸处理选用铸钢丸；其硬度一般为40-50HRC，喷丸速度为60m/s，喷丸距离在200-400mm的范围之间，喷丸角度在60°-70°之间。
步骤2、金属基体预热：采用高频炉对金属基体进行均匀加热，加热温度在80-120℃之间，避免局部温度过高使表面产生黄色和蓝色薄膜，而影响铜粉层的结合强度，金属基体预热可以有效去除金属基体的表面水分和湿气；
步骤3、铜粉层的烧结：在金属基板层上均匀铺上球粉后按现有技术一起烧结成复合板；烧结成复合板在微正压、弱氧化性气氛下进行保温，保温的温度为900℃-930℃、保温时间4.0-5.0小时；
步骤4、聚四氟乙稀改性粉料的制备，将聚四氟乙稀树脂按照配比混合通过挤出机加热成造粒挤出后经过筛分；
步骤5、热压成型：
将步骤3得到的复合板放入热压烧结炉的模具中，再将步骤4处理过的塑料工作层混料均匀平铺在喷涂金属件上，平铺的厚度为4mm-7mm；将热压烧结炉的温度在5min-7min内升高到90℃-100℃对复合材料和模具进行预热，再将热压烧结炉的压力提高至3MPa-4MPa，进行预压处理，预压5min-10min后将压力卸载掉，然后再单轴加压至5MPa-7MPa，以20℃/min-30℃/min的速度升温，在此过程中需要放气2-3次，待温度升至300℃-350℃后保持恒温20-40min，然后加压至8-10MPa，并升温至385-395℃后保持恒温40-60min，最后在保压条件下冷却使模具温度将到110℃-120℃左右脱模。
6.根据权利要求5所述的一种复合自润滑板材的生产工艺，其特征在于，所述粗化处理后金属基体表面的活性很大，很容易氧化，所以必须在短时间内进行复合，一般不能超过2小时，更不能用手和其它污物碰触喷丸表面，否则会降低铜粉层与金属基体表面的结合强度。
7.根据权利要求5所述的一种复合自润滑板材的生产工艺，其特征在于，所述步骤4具体包括：
步骤4.1、混合物的制备：按照聚四氟乙稀改性材料层的重量组份，分别称取碳纤维、石墨、聚本脂粉末、聚四氟乙稀；将所有原料投入双锥形搅拌桶以30-80转/分钟的速度搅拌10-50分钟；
步骤4.2、聚四氟乙稀改性材料造粒的挤出：将步骤4.1中的得到的混合物在135-150℃温度下干燥1-2小时后，采用双螺杆挤出机制作成颗粒，挤出机套筒温度设定在250-350℃范围内，模具温度控制在200-300℃范围内，机头模压为10-13MPa，双螺杆长径比为25-40，混合物在挤出机中停留时间为2-3分钟；
步骤4.3，聚四氟乙稀改性材料粉碎筛分：具体，采用破碎机将原料混合物按比例混合后破碎搅拌3-4小时，所述的混料机转速为80转/min；然后过400目的筛网。
8.根据权利要求5所述的一种复合自润滑板材的生产工艺，其特征在于，在步骤4.1之前应对所有原料进行干燥处理，具体的将原料在130-150℃温度下干燥2-4小时。
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