CN1141498C - 轴承材料及制造轴承材料的方法 - Google Patents

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Abstract

介绍了轴承材料及其装置方法。轴承材料含有聚四氟乙烯基质，基质中分散有如下体积%的物质：2到10的可熔融加工的氟聚合物；10到30的无机颗粒填料；以及最高为5的陶瓷颗粒材料。

Description

轴承材料及制造轴承材料的方法
                     技术领域
本发明涉及塑料轴承材料，涉及涂于强基底材料以形成轴承的材料，还涉及其制造方法。
                     背景技术
已知有许多不同类型的塑料轴承材料，材料中包含塑料基质和各种填料以及涂于强基底材料、如具有由烧结在钢中的青铜颗粒构成的多孔接合夹层的钢。有一种含有聚四氟乙烯(PTFE)的这样的材料，其中有铅颗粒，把材料浸渍于上述多孔青铜夹层中，在青铜夹层的上表面上留下一般小于25微米的一薄层。材料的制备是通过把PTFE的水分散体和填充材料与有机润滑剂如甲苯一起混合；使该分散体凝固形成所谓的“软块”并把水倒出；在软块上加压以把软块浸渍于多孔层中；加热除去残余的水和润滑剂；最后在高于PTFE的熔点的温度下加热，使PTFE颗粒烧结在一起。因为需要除去残余的水，尝试较厚的层时会产生起泡，限制了在多孔夹层上形成的层的厚度。但是，即使表面层被限定为一般公认的25微米左右时，对烧结轴承材料的显微镜检查表明轴承材料中为多孔性的。
一般地，这种多孔性在这种类型材料所应用的大多数工程应用中通常没有关系，因为施加的载荷通常为静态的，即在一个方向上施加，而且载荷在材料性能能承受的范围内。
最近在载荷为动态的工程应用中使用了这种塑料轴承，动态即载荷的施加方向不断变化，在通常为圆柱形的轴瓦的轴向长度上施加的载荷是不均匀的，因为在轴瓦的端部有边缘载荷。用于包括汽车的许多不同应用的水力齿轮泵中就用到了一种这样的应用。随着各种类型车辆复杂性的增大，这种齿轮泵可在一种汽车中用于许多不同的应用，也可包括如发动机油泵、动力转向泵、用于调整座位位置的泵以及更多的泵。这种泵的构造通常包括两个互相啮合的齿轮，每个齿轮都是由每个轴端部的短轴支撑，短轴本身由上述类型的轴瓦支撑，轴瓦在形成流体泵壳体的外壳内。用于这些应用的塑料轴承材料已经失效。失效的形式表现为由于，例如在啮合的齿轮齿之间抽出的油会产生很高的载荷，载荷会把齿轮互相推开，导致支撑的短轴弯曲偏向，短轴在支撑的轴瓦中，导致在轴瓦端部有侧边载荷。此偏向诱导载荷的结果是导致一些轴承材料本身在最大载荷点的端面斜面上发生蠕变，在邻近斜面边缘处会产生裂缝，由于轴瓦端部之间的油压差，之后裂缝会蔓延到轴瓦孔中。在压力下油流过如此形成的裂缝，产生对轴承衬里的腐蚀。最初的聚合物材料在斜面端部边缘蠕变的原因确定为衬里材料本身缺乏足够的强度，部分因为塑料衬里材料的多孔性。
在GB-B-2 196876中介绍了在齿轮泵这一特定应用中的改良轴承材料。所述的材料含有四氟乙烯树脂和四氟乙烯-六氟丙烯共聚物和/或四氟乙烯-全氟烷基乙烯醚共聚物，具有铅锡金属合金填料，把材料浸渍于如上所述的钢上的多孔青铜烧结夹层中。虽然在齿轮泵应用中与其它已知材料相比这一材料具有显著的改良，但其缺点为它含有铅，在生态上是不理想的，尤其是在使用将废弃的含铅轴承的发动机和部件时。
                      发明内容
本发明的目的是提供与已有材料相比具有改良的流动性和抗空隙腐蚀性及耐磨耐疲劳性能、同时保持低摩擦性的轴承材料，同时避免使用铅。
另一个目的是提供这种轴承材料，其制造成本与已有材料相当或更低。
根据本发明的第一方面，提供了塑料基轴承材料，材料含有聚四氟乙烯基质，基质中分散有如下体积％的物质：2到10的可熔融加工的氟聚合物；10到30的无机颗粒填料；以及不超过5，优选0.5到5的陶瓷颗粒材料，并且平衡材料为聚四氟乙烯。
可熔融加工的氟聚合物可仅为水分散体中的可熔融加工氟聚合物，也可从以下的一种或多种物质中选取：一氟烷氧基化物(MFA)；氟化乙烯丙烯(FEP)；全氟烷基乙烯基醚(PFA)。但是，MFA为优选的。
优选地，可熔融加工的氟聚合物的含量在4到8体积％的范围内。
可熔融加工的氟聚合物增强了塑料材料基质的韧性，提高了抗空隙腐蚀性。
无机颗粒填料可包括选自于以下物质的至少一种材料：氟化钙；氟化镁；氟化锶；金属氧化物包括如氧化铁、氧化铝、二氧化钛；以及金属氢氧化物如氢氧化铝。可使用已知在现有技术中适用于塑料轴承材料的填料的任何材料。但是，氟化钙为优选的材料。
优选地，无机填料的粒度在0.1到10微米的范围内。更优选地，粒度在0.5到5微米的范围内。
优选地，无机填料的含量在15到25体积％的范围内。
陶瓷颗粒填料包括选自于以下物质的至少一种材料：氧化铝；二氧化硅；氧化锆和金刚石。但是，氧化铝为优选的材料。
陶瓷颗粒填料优选地为小于100纳米的颗粒，更优选地为小于50纳米的颗粒(即小于0.1微米，更优选地小于0.05微米)。
优选地陶瓷材料的含量在0.5到3.5体积％的范围内。
尽管材料本身可能既为无机填料又为陶瓷填料(如氧化铝可既为无机填料又为陶瓷填料)，上面已经看到两种组分的粒度不同。据信无机填料有助于承受载荷并提高轴承的耐磨性，而陶瓷填料可提高材料的强度并改善聚合物基质的耐空隙腐蚀性。
根据本发明的第二方面，提供了制造轴承材料的方法，方法包括以下步骤：把聚四氟乙烯的水分散体与2到10体积％的可熔融加工的氟聚合物的水分散体、10到30体积％的颗粒无机填料和不超过5体积％的颗粒陶瓷材料混合；使PTFE和可熔融加工氟聚合物共凝固；脱除多余的水；至少部分干燥湿共凝固材料；以得到至少部分干燥的粉末材料，把该至少部分干燥的粉末材料颗粒涂在衬底上，形成轴承材料层；压实该层；干燥该压实层以除去残余液体；在高于该PTFE组分的熔点的温度下烧结该干燥、压实的层。
在共凝固步骤中，无机和陶瓷填料颗粒被PTFE和可熔融加工氟聚合物包覆。陶瓷颗粒填料组分的小粒度的另一个优点是它本身可用作凝结剂。因此，可避免加入单独的凝结剂材料如硝酸铝，因而使材料的制造更简单更经济。
倒出多余的水后，必须至少部分地干燥湿凝固材料，以除去大量的剩余水。但是，会有一些水留在得到的凝固材料中，在铺展到衬底上和压实时可作为组分粉末颗粒的润滑剂。优选地，可加入少量的另外的润滑剂，以确保合适的延展性和压实性。润滑剂可为例如烃液体。
或者，也可大体上完全干燥凝固材料，在铺展和压实步骤中加入单独的润滑剂液体如烃，以润滑干燥的粉末颗粒。
本发明的上述方法中，给定的轴承材料组分的含量范围应解释为烧结后在最终轴承材料中的含量范围。
本发明的优选的实施方案中，上面涂有粉末和润滑剂混合物的衬底可为金属条，上有一多孔层，涂层浸渍在多孔层中。多孔层可为烧结在金属基底如钢中的青铜颗粒，这一点在技术上是已知的。这样可形成条状轴承材料，由此材料通过已知方法可制造例如圆柱形或半圆柱形的轴承。
通过例如压实辊轧机可把部分干燥的粉末或粉末和润滑剂混合物压实或浸渍于多孔层中。
可对如此形成的金属基底轴承材料进行最终定型的轧制操作，以制造具有确定壁厚的材料。
本发明的轴承材料的特有的优点是由于在加工的早期、在压实成大体上固态之前，脱除了来自于起始水分散体中的大部分的水，它大体上没有孔隙。因此，在压缩后，只需除去较少量的水和/或多得多的挥发性润滑剂，不会产生孔隙，重要的是在没有发泡下，可在多孔接合层上形成高达约100微米的十分厚的表面层。本发明的方法的直接结果是，可制造出能经受机械精确定型的塑料轴承衬里。尝试超过40微米的表面层时，传统的压制材料会发泡。
至少部分干燥后的粉末中含有含上述轴承材料组分的颗粒，大体上均匀分布。
供选择的另一实施方案中，可把混合物挤出形成整体的带或条，可如上干燥并烧结，而不是把粉末涂在衬底上。
本发明的方法中，材料的所有组分优选地在共凝固前同时混合在一起。已发现同时混合所有成分可制造更均匀的粉末颗粒。
本发明中，小粒度的陶瓷填料本身可有效地用作凝结剂。但是，如果需要用作加工助剂，不排除加入单独的凝结剂。
                    附图说明
为更完全地理解本发明，将仅根据附图说明介绍实施例，其中：
图1为本发明的轴承材料的制造工艺的步骤的图解图；
图2为本发明的材料与其它已知材料相比疲劳特性的条形图；
图3为与图2相同的材料的耐磨性的条形图；
图4为用以得到图2和3中所示结果的“Vulcan”试验装置的视图。
                    具体实施方式
现在谈到的是图示本发明轴承材料制造生产步骤的图1，材料的最终烧结组成为：PTFE；5体积％MFA；19体积％氟化钙；2体积％氧化铝。
在搅拌混合器10中，在水分散体中把未稳定的PTFE的水分散体与适量的MFA的水分散体、氟化钙粉末和胶体氧化铝水分散体混合(步骤A)。混合器中的湍动使PTFE和其它组分颗粒相接触，PTFE颗粒互相粘在一起，粒度增大，并且使无机和陶瓷填料颗粒与之共凝固。把过量的水从共凝固材料中倒出，把湿固体转移到烘箱14中的托盘12中(步骤B)。这样产生了含有颗粒20的干粉末，颗粒20中包含全部混合组分(步骤C)。然后在混合器24中把干燥粉末与烃润滑剂混合(步骤D)。这样产生了含有颗粒20的粉末，颗粒20中含有被吸收到粉末颗粒表面上和颗粒空隙中的润滑剂28(步骤E)。然后把粉末/润滑剂混合物30转移到涂布模具32中，以在衬底36上沉积预定厚度的一层34。衬底36含有钢基底38，基底上有已知的烧结青铜颗粒多孔层40(步骤F)。然后使衬底36和层34通过辊轧机44，辊轧机使层34压实并浸渍到层40的孔隙中，以在青铜表面上留下一薄层48(步骤G)。然后把浸渍条50通过烘箱(未示出)温和地加热，以除去润滑剂28(步骤H)。然后使干条50通过烧结炉56，烧结炉中的条件与约380℃下烧结10分钟相当，如通过感应加热炉(步骤I)。然后把如此得到的烧结条通过第二个辊轧机60，以对条50进行定型操作，得到精确的总壁厚(步骤J)。
把如此得到的条状材料50制到轴瓦中，并在图4中所示的已知“Vulcan”(商品名)试验装置70上测试。试验装置70含有在待测轴承74中运转的试验轴72，通过三角皮带78由电动机76驱动。通过载荷汽缸80施加载荷到轴承74上，通过泵(未示出)经由控制阀84向汽缸施加实际的液压载荷。通过应变仪88测定轴承上的载荷。
试验条件为：表面摩擦速度为4.95米/秒的轴速度；载荷条件如图2和3所示。通过与已知标准比较确定疲劳度。
试验中所用的材料为：
(1)78 PTFE；20 CaF2；2 Kevlar(商品名)
(2)71 PTFE；7 FEP；18 CaF2；4 Kevlar(商品名)
(3)如上所述的本发明的材料；以及
(4)按照GB-B-2196 876所介绍、含有PTFE、FEP，P6 Sn合金粉末的、可从市场买到的材料NDC FR150(商品名)。
从图2中可以看出，不管施加的载荷怎样，发明材料(3)的疲劳结果很稳定，而且在一定程度上优于材料(4)，特别是在80到120MPa的中等载荷，疲劳度不增也不减。
但是，看图3所示的磨损结果时，很明显中等载荷下发明材料的磨损速率显著好于材料(4)，仅有大约三分之一的磨损速率。由于磨损决定了何时该更换轴承或拆除部件，耐磨性是很重要的。所以，磨损速率越低，轴承的寿命越长，使用这些轴承的部件会很耐用。
因此，从结果可以看出，本发明的材料和方法提供了比本领域已知材料的性能有显著改进的轴承。

Claims (23)

1.制造轴承材料的方法，方法包括以下步骤：把聚四氟乙烯的水分散体与2到10体积％的可熔融加工的氟聚合物的水分散体、10到30体积％的颗粒无机填料和不超过5体积％的颗粒陶瓷材料混合(10)；使PTEE和可熔融加工氟聚合物共凝固；除去多余的水；至少部分干燥(14)湿共凝固材料，以得到至少部分干燥的粉末材料(20)；把该至少部分干燥的粉末材料颗粒(20)涂(32)在衬底(36)上，形成轴承材料层(34)；压实(44)该层；干燥该压实层以除去残余液体；在高于该PTFE组分的熔点的温度下烧结(56)该干燥、压实过的层。
2.权利要求1的方法，其中上面涂有至少部分干燥的粉末材料(30)的衬底(36)为金属条(38)，具有其中浸渍了涂层(30)的多孔层(40)。
3.权利要求2的方法，其中多孔层(40)含有烧结到金属基底(38)中的青铜颗粒。
4.权利要求1的方法，其PTFE的水分散体以未稳定的PTFE的形式存在。
5.权利要求1的方法，其中同时把材料的所有组分混合在一起。
6.权利要求1的方法，其中以挤出混合物形成整体带或条、然后干燥并烧结带条的步骤代替把至少部分干燥的粉末材料涂到衬底上的步骤。
7.权利要求1的方法，其中在至少部分干燥的粉末材料(20)中另外加入单独的液体润滑剂物料(28)。
8.权利要求1的方法，其中把湿凝固材料大体上完全干燥，以形成粉末(20)。
9.权利要求8的方法，其中在涂到衬底上之前，把粉末(20)与润滑剂液体(28)混合。
10.权利要求9的方法，其中润滑剂液体(28)为烃。
11.权利要求1的方法，其中PTFE的凝固是由小粒度的陶瓷颗粒材料引起的。
12.权利要求1的方法，其中把单独的凝结剂材料加入混合物。
13.塑料基轴承材料(34)，该材料含有聚四氟乙烯基质，基质中分散有如下体积％的物质：2到10的可熔融加工的氟聚合物；10到30的无机颗粒填料；以及0.5到5的陶瓷颗粒材料，并且平衡材料为聚四氟乙烯。
14.权利要求13的轴承材料，其中可熔融加工的氟聚合物选自于以下的一种或多种物质：一氟烷氧基化物；氟化乙烯丙烯；全氟烷基乙烯基醚。
15.权利要求13的轴承材料，其中可熔融加工的氟聚合物的含量在5到8体积％的范围内。
16.权利要求13的轴承材料，其中无机颗粒填料包括选自于以下物质的至少一种材料：氟化钙；氟化镁；氟化锶；金属氧化物；以及金属氢氧化物。
17.权利要求13的轴承材料，其中无机填料的含量在15到25体积％的范围内。
18.权利要求13的轴承材料，其中陶瓷颗粒填料包括选自于以下物质的至少一种材料：氧化铝；二氧化硅；氧化锆和金刚石。
19.权利要求13的轴承材料，其中陶瓷材料的含量在0.5到3.5体积％的范围内。
20.权利要求13的轴承材料，其中无机填料的粒度在0.1到10微米的范围内。
21.权利要求20的轴承材料，其中粒度在0.5到5微米的范围内。
22.权利要求13的轴承材料，其中陶瓷填料的粒度为小于100纳米。
23.权利要求22的轴承材料，其中所述粒度为小于50纳米。
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