CN111635630A - 一种转向节用耐磨材料、其制备方法及耐磨衬套 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种转向节耐磨材料、其制备方法及耐磨衬套。本发明提供的转向节耐磨材料，以尼龙树脂(PA6、PA66)、聚邻苯二甲酰胺树脂(PPA)、聚苯硫醚树脂(PPS)或聚醚醚酮树脂(PEEK)作为树脂基体，加入纤维作为增强材料，并加入一定的耐磨改性剂，且辅以润滑剂和抗氧剂，以一定比例搭配，提高材料的强度及韧性，同时具有自润滑和抗咬合性能、耐磨损和一定的承载能力，产生优异的转向耐磨性能，满足转向节的应用需求。

Description

一种转向节用耐磨材料、其制备方法及耐磨衬套
技术领域
本发明涉及车辆底盘系统材料领域，特别涉及一种转向节耐磨材料、其制备方法及耐磨衬套。
背景技术
商用车底盘是商用车最重要的系统部件，对于车辆质量、驾驶舒适性等起着重要的作用。底盘中会涉及很多耐磨和润滑的系统，比如车桥、板簧、悬挂、转向等系统，这些系统中都会用到一些耐磨的轴承轴套，目前耐磨轴套材质主要为铜或粉末冶金。粉末冶金衬套成本低，但是耐磨性差，使用周期短，导致车辆经常会出现质量问题，引起客户抱怨，影响品牌形象。铜衬套耐磨性较粉末冶金衬套性能好，但是成本高，客户很难接受。
转向节是车轮转向的铰链，一般呈叉形。上下两叉有安装主销的两个同轴孔，转向节轴颈用来安装车轮，转向节上销孔的两耳通过主销与前轴两端的拳形部分相连，使前轮可以绕主销偏转一定角度而使汽车转向。为了减小磨损，转向节销孔内压入耐磨衬套，一般的粉末冶金衬套耐磨性比较差，需要润滑脂润滑，造成资源浪费。
另外，随着全球性的能源紧张，轻量化、节能减排、免维护是汽车行业发展的要解决的问题。商用车高分子耐磨零部件质轻、制造成型方便、耐腐蚀，因此在一些场合下可以替代金属轴承制品。然而，现有技术中虽然有涉及高分子耐磨材料的，但是针对转向节衬套的应用的鲜少，主要由于转向节衬套的工况对材料要求较高，对强度、韧性、耐磨性及稳定性都有明确要求，而且工况针对性较强，如耐磨性并非是普通平面耐磨性，而是车辆转向工况下的耐磨性，一般的材料很难满足转向节的性能要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种转向节耐磨材料、其制备方法及耐磨衬套。本发明提供的耐磨材料能够满足转向节的应用需求，表现出优异的强度、韧性及耐磨性能。
本发明提供了一种转向节耐磨材料，由包含以下质量份组分的原料制得：
Figure BDA0002552306840000021
所述树脂选自PA6、PA66、PPA、PPS和PEEK中的一种或几种；
所述耐磨改性剂选自聚四氟乙烯微粉、二硫化钼、石墨、芳纶粉、硅酮粉、超高分子量聚乙烯、硅灰石和滑石粉中的一种或几种。
优选的，所述树脂的数均分子量为15000～20000。
优选的，所述纤维材料选自玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维中的一种或几种。
优选的，所述润滑剂选自硅酮粉、TAF、EBS和SEED中的一种或几种。
优选的，所述抗氧剂包括抗氧剂168、抗氧剂1098和抗氧剂1010中的一种或几种。
优选的，所述树脂为干燥除水后的树脂。
本发明还提供了一种上述技术方案中所述的转向节耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将树脂、耐磨改性剂、润滑剂和抗氧剂混合，得到混合料；
b)将所述混合料与纤维材料混合熔融挤出造粒，得到转向节耐磨材料。
8、根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)包括：
a1)将树脂干燥，得到干燥树脂；
a2)将所述干燥树脂、耐磨改性剂、润滑剂和抗氧剂混合，得到混合料；
所述干燥的温度为100～120℃，时间为4～5h。
优选的，所述步骤b)中，所述熔融挤出的温度为265～360℃。
本发明还提供了一种转向节耐磨衬套，由上述技术方案中所述的转向节耐磨材料或上述技术方案中所述的制备方法制得的转向节耐磨材料经注塑加工制得。
本发明提供了一种转向节耐磨材料，由包含以下质量份组分的原料制得：树脂50～80份；纤维材料10～50份；耐磨改性剂5～20份；润滑剂0.1～0.8份；抗氧剂0.1～0.5份；所述树脂选自PA6、PA66、PPA、PPS和PEEK中的一种或几种；所述耐磨改性剂选自聚四氟乙烯微粉、二硫化钼、石墨、芳纶粉、硅酮粉、超高分子量聚乙烯、硅灰石和滑石粉中的一种或几种。本发明提供的转向节耐磨材料以尼龙树脂(PA6、PA66)、聚邻苯二甲酰胺树脂(PPA)、聚苯硫醚树脂(PPS)或聚醚醚酮树脂(PEEK)作为树脂基体，加入纤维作为增强材料，并加入一定的耐磨改性剂，且辅以润滑剂和抗氧剂，以一定比例搭配，提高材料的强度及韧性，同时具有自润滑和抗咬合性能、耐磨损和一定的承载能力，产生优异的转向耐磨性能，满足转向节的应用需求。
实验结果表明，本发明提供的转向节耐磨材料的拉伸强度在160MPa以上，弯曲强度在220MPa以上，简支梁缺口冲击达到8.0KJ.m-2以上，摩擦系数在0.3209以下，磨损量在1.5mm以下。耐磨材料制成的转向节衬套在转向节工况下的磨损量在0.22mm以下。
具体实施方式
本发明提供了一种转向节耐磨材料，由包含以下质量份组分的原料制得：
Figure BDA0002552306840000031
所述树脂选自PA6、PA66、PPA、PPS和PEEK中的一种或几种；
所述耐磨改性剂选自聚四氟乙烯微粉、二硫化钼、石墨、芳纶粉、硅酮粉、超高分子量聚乙烯、硅灰石和滑石粉中的一种或几种。
本发明提供的转向节耐磨材料以尼龙树脂(PA6、PA66)、聚邻苯二甲酰胺树脂(PPA)、聚苯硫醚树脂(PPS)或聚醚醚酮树脂(PEEK)作为树脂基体，加入纤维作为增强材料，并加入一定的耐磨改性剂，且辅以润滑剂和抗氧剂，以一定比例搭配，提高材料的强度及韧性，同时具有自润滑和抗咬合性能、耐磨损和一定的承载能力，产生优异的转向耐磨性能，满足转向节的应用需求。
本发明中，所述树脂选自PA6、PA66、PPA(即聚邻苯二甲酰胺)、PPS(即聚苯硫醚)和PEEK(即聚醚醚酮树脂)中的一种或几种。本发明采用上述树脂与其它组分配合，能够满足转向节衬套工况需求，在高载荷工况下，产生高耐磨和高稳定性，且强度高，能够较好的用于转向节系统。
本发明中，所述树脂优选为数均分子量为15000～20000的树脂；在上述范围内既能够满足转向节耐磨性需求又具有高稳定性，使材料较好的用于转向节系统，若分子量过低，则耐磨性不佳，若分子量过高，则材料稳定性不够。
本发明中，所述树脂优选为干燥除水后的树脂。所述干燥的温度优选为100～120℃，干燥的时间优选为4～5h；通过上述干燥去除树脂中的水分，以免导致材料性能降低。
本发明中，所述树脂的用量为50～80质量份；在本发明的一些实施例中，其用量为50份、60份或65份。
本发明中，所述纤维材料优选为玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维中的一种或几种。本发明中，优选控制纤维的规格为：长度为6～8mm，直径为10～12μm；采用上述规格下的纤维能够更好的与其它组分配合，使材料产生优异的强度、耐磨性及稳定性。
本发明中，所述纤维材料的用量为10～50份；在本发明的一些实施例中，其用量为20份或30份。
本发明中，所述耐磨改性剂优选为聚四氟乙烯(PTFE)微粉、二硫化钼、石墨、芳纶粉、硅酮粉、超高分子量聚乙烯、硅灰石和滑石粉中的一种或几种；更优选为聚四氟乙烯微粉和/或芳纶粉。采用上述特定的耐磨改性剂，不仅单独改善耐磨性，而且与润滑剂、纤维材料及树脂基体之间形成良好的结合性，产生优异的自润滑性、抗咬合性、耐磨性和稳定性，使转向节衬套在使用工况下稳定正常运行且表现出优异的耐磨损性能。
本发明中，所述耐磨改性剂的粒度优选为30～50μm。
本发明中，所述耐磨改性剂的用量为5～20份；在本发明的一些实施例中，其用量为15份或20份。
本发明中，所述润滑剂优选为硅酮粉、TAF(即乙撑双脂肪酸酰胺共聚物)、EBS(即N,N＇-亚乙基双硬脂酰胺)和SEED(即二(2,2,6,6-四甲基-3-哌啶胺基)-间苯二甲酰胺)中的一种或几种。相比于其它常规润滑剂(如硬脂酸锌、硅油等)，本发明采用上述润滑剂能够更好的改性耐磨剂配合，在上述树脂基体及纤维材料的体系中较好的发挥作用，改善材料的自润滑性，帮助提高材料的转向节工况下的耐磨性。
本发明中，所述润滑剂的用量为0～0.8份；在本发明的一些实施例中，其用量为0份、0.5份或0.8份。
本发明中，所述抗氧剂优选为包括抗氧剂168、抗氧剂1098和抗氧剂1010中的一种或几种。引入上述抗氧剂保护加工过程中高分子链不被氧化，从而保证材料充分发挥机械力学性能。
本发明中，所述抗氧剂的用量为0.1～0.5份；在本发明的一些实施例中，其用量为0.4份。
本发明提供的转向节耐磨材料是针对转向节衬套的使用工况进行配方设计，通过大量配方设计和性能测试得到上述转向节耐磨材料，其满足强度、韧性及耐磨性要求，在满足强度的基础上突出加强了耐磨性能和稳定性，保证在长期使用的过程中摩擦磨损很低。
本发明还提供了一种上述技术方案中所述的转向节耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将树脂、耐磨改性剂、润滑剂和抗氧剂混合，得到混合料；
b)将所述混合料与纤维材料混合熔融挤出造粒，得到转向节耐磨材料。
其中，所述树脂、耐磨改性剂、润滑剂、抗氧剂和纤维材料的种类及用量等均与上述技术方案中所述一致，在此不再一一赘述。
本发明中，所述步骤a)优选具体包括：
a1)将树脂干燥，得到干燥树脂；
a2)将所述干燥树脂、耐磨改性剂、润滑剂和抗氧剂混合，得到混合料；
所述步骤a1)中，所述干燥的温度优选为100～120℃；干燥的时间优选为4～5h。
所述步骤a2)中，所述混合的方式为搅拌。所述搅拌的转速优选为300～400r/min，时间优选为5min。经混合均匀后，得到混合料。
本发明中，所述步骤b)中，所述熔融挤出的温度优选为265～360℃。经熔融挤出造粒，得到转向节耐磨材料。
本发明还提供了一种转向节耐磨衬套，由上述技术方案中所述的转向节耐磨材料或上述技术方案中所述的制备方法制得的转向节耐磨材料经注塑加工制得。注塑加工是在一定温度下，通过螺杆搅拌完全熔融的塑料材料，射入模腔中，经冷却固化后，得到成型品。本发明对所述注塑加工没有特殊限制，按照本领域技术人员熟知的常规加工操作制成转向节衬套制品即可；其中，熔融的温度优选为260～320℃。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。以下实施例中，树脂的分子量为15000～20000。纤维的长度为6～8mm，直径为10～12μm。耐磨改性剂的粒度为30～50μm。
实施例1
1、原料
Figure BDA0002552306840000061
2、制备
S1、将树脂在100℃下干燥4h；
S2、将干燥后树脂、PTFE微粉、润滑剂TAF和抗氧剂用高速搅拌机混合，转速为300r/min，搅拌5min，得到混合料；
S3、将混合料从主喂料喂入双螺杆挤出机中，并将玻璃纤维通过侧喂料喂入挤出机，在280℃下熔融挤出造粒，得到耐磨材料。
实施例2
1、原料
Figure BDA0002552306840000062
Figure BDA0002552306840000071
2、制备
S1、将树脂在120℃下干燥4h；
S2、将干燥后树脂、PTFE微粉和抗氧剂用高速搅拌机混合，转速为350r/min，搅拌5min，得到混合料；
S3、将混合料从主喂料喂入双螺杆挤出机中，并将碳纤维通过侧喂料喂入挤出机，在320℃下熔融挤出造粒，得到耐磨材料。
实施例3
1、原料
Figure BDA0002552306840000072
2、制备
S1、将树脂在120℃下干燥4h；
S2、将干燥后树脂、PTFE微粉、石墨和抗氧剂用高速搅拌机混合，转速为400r/min，搅拌5min，得到混合料；
S3、将混合料从主喂料喂入双螺杆挤出机中，并将碳纤维通过侧喂料喂入挤出机，在360℃下熔融挤出造粒，得到耐磨材料。
实施例4
1、原料
Figure BDA0002552306840000073
Figure BDA0002552306840000081
2、制备
S1、将树脂在120℃下干燥4h；
S2、将干燥后树脂、PTFE微粉、润滑剂TAF及硅酮粉、抗氧剂用高速搅拌机混合，转速为300r/min，搅拌5min，得到混合料；
S3、将混合料从主喂料喂入双螺杆挤出机中，并将玻璃纤维通过侧喂料喂入挤出机，在320℃下熔融挤出造粒，得到耐磨材料。
实施例5
1、耐磨材料性能测试
对实施例1～4所得耐磨材料进行各项性能测试，结果参见表1。
表1实施例1～4的性能测试结果
性能 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
拉伸强度，MPa 160 195 168 180
弯曲强度，MPa 220 253 225 230
简支梁缺口冲击，KJ.m<sup>-2</sup> 12 15 8.0 8.8
摩擦系数 0.3043 0.2550 0.2268 0.3209
磨损量，mg 1.0 0.8 0.6 1.5
表1中，磨损实验的测试参照GB/T3960。磨损量的计算方式为：磨损前质量减去磨损后质量。
由以上测试结果可以看出，本发明提供的耐磨材料具有优异的强度和耐摩擦性能。
2、衬套制品性能测试
将将实施例1～4的耐摩材料注塑加工成衬套制品，通过台架测试(衬套径向载荷30KN，偏转角度±15°)，并与铜衬套对比，结果参见表2。
表2实施例1～4的耐磨材料制成转向节衬套后的耐磨性
Figure BDA0002552306840000082
Figure BDA0002552306840000091
由以上测试结果可以看出，相比于现有技术中常用的铜衬套，本发明提供的耐磨材料制成的衬套，在转向节工况中，耐磨性明显提升。
对比例1
按照实施例1的原料配方及制备方法进行，不同的是，将原料中的耐磨改性剂替换为碳酸钙。
按照实施例5的测试方法对所得耐磨材料进行性能测试，并与实施例1对比，结果参见表3。
表3对比例1的耐磨材料性能测试结果
性能 实施例1 对比例1
拉伸强度，MPa 160 140
弯曲强度，MPa 220 180
简支梁缺口冲击，KJ.m<sup>-2</sup> 12 6
摩擦系数 0.3043 0.3223
磨损量，mg 1.0 3.6
按照实施例5中测试方法对所得耐磨材料制成的衬套进行性能测试，并与实施例1对比，结果参见表4。
表4对比例1的耐磨材料制成转向节衬套后的耐磨性
性能 测试前，mm 测试后，mm 磨损量，mm
实施例1 20.89 20.53 0.36
对比例1 20.87 20.36 0.51
由表3和表4测试结果可以看出，将耐磨改性剂替换为其它常规填料后，会降低耐磨材料的强度及耐磨性能，并降低衬套在转向工况下的耐磨性，采用本发明特定的耐磨改性剂与其它组分配合，才能提高材料的性能。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种转向节耐磨材料，其特征在于，由包含以下质量份组分的原料制得：
Figure FDA0002552306830000011
所述树脂选自PA6、PA66、PPA、PPS和PEEK中的一种或几种；
所述耐磨改性剂选自聚四氟乙烯微粉、二硫化钼、石墨、芳纶粉、硅酮粉、超高分子量聚乙烯、硅灰石和滑石粉中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的耐磨材料，其特征在于，所述树脂的数均分子量为15000～20000。
3.根据权利要求1所述的耐磨材料，其特征在于，所述纤维材料选自玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的耐磨材料，其特征在于，所述润滑剂选自硅酮粉、TAF、EBS和SEED中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的耐磨材料，其特征在于，所述抗氧剂包括抗氧剂168、抗氧剂1098和抗氧剂1010中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的耐磨材料，其特征在于，所述树脂为干燥除水后的树脂。
7.一种权利要求1～6中任一项所述的转向节耐磨材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)将树脂、耐磨改性剂、润滑剂和抗氧剂混合，得到混合料；
b)将所述混合料与纤维材料混合熔融挤出造粒，得到转向节耐磨材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)包括：
a1)将树脂干燥，得到干燥树脂；
a2)将所述干燥树脂、耐磨改性剂、润滑剂和抗氧剂混合，得到混合料；
所述干燥的温度为100～120℃，时间为4～5h。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中，所述熔融挤出的温度为265～360℃。
10.一种转向节耐磨衬套，其特征在于，由权利要求1～6中任一项所述的转向节耐磨材料或权利要求7～9中任一项所述的制备方法制得的转向节耐磨材料经注塑加工制得。
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