CN1175605A - 与轻金属一起使用的滑动部件 - Google Patents

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Abstract

为防止漏油和降低对轴的磨蚀,一种代替常规铸铁密封圈用作自动变速器中的由轻铝合金制造的旋转轴的密封圈的滑动部件,它由PEEK树脂组合物组成,所述PEEK树脂组合物包括作为粘结剂的15—20wt%平均粒径为5μ或更低的无定型氧化铝粉、3—8wt%平均粒径为5μ或更低的石墨粉和6—9%平均粒径为30μ或更低的碳粉。

Description

与轻金属一起使用的滑动部件
本发明涉及一种由其中含粘结剂的聚醚醚酮组成并显示不损害轻金属合金的极好滑动特性的滑动部件。
密封件如密封圈用于汽车工业中防止自动变速器漏油。同时，为了降低汽车重量，已尝试使用轻金属，如铝合金(例如ADC-12Z(1.5-3.5wt％Cu、10.5-12.0wt％Si、0.30wt％或更少的Mg、1.0wt％或更少的Zn，1.3wt％或更少的Fe，0.5wt％或更少的Mn，0.5wt％或更少的Ni、0.30wt％或更少的Sn和余量的Al，用于压铸件)，根据日本工业标准)制造构成这些变速器的绝大部分部件。结果，在大多数情况下，通过密封圈滑动接触的部件由轻金属材料组成。若密封圈由钢组成，则与其接触的轻金属因摩擦要承受高程度的磨蚀。另一方面，若密封圈由软质金属组成，则密封圈的滑动表面要承受过度的磨蚀。虽然安装于用铝合金ADC-10或ADC-12制造的自动变速器的旋转轴上的密封圈是由符合JISFC 250的铸铁构成的，但在压力1Mpa(约10kgf/cm2)下经常遇到500-1000cc/min的漏油量。
因其优点如耐磨性和耐内聚性，已开始使用铸铁圈，尽管存在所述漏油的缺点。然而，随着油泵尺寸变得越来越小以试图使自动变速器变得更轻，不能再使用铸铁圈，因为它们造成大量漏油。
尽管已提出由合成树脂制造的密封圈作为一种解决办法，但带来的问题是铝合金部件在与密封圈滑动接触中承受的异常磨损。为消除此缺点已提出的密封圈包括：由聚四氟乙烯(PTFE)构成的密封圈，由填充有碳纤维和PTFE的聚醚醚酮(PEEK)构成的密封圈，包括PEEK，碳纤维，PTFE和绢云母的密封圈(参见日本专利特开平5-262976)。然而，越来越明显甚至这些密封圈也不适应于由轻金属如铝合金构成的部件，原因是这些部件承受的很大的磨损。
因此，本发明的一个目的在于提出一种新的滑动部件，用来代替通常使用的铸铁密封圈和合成树脂密封圈，其中该新密封部件不会造成漏油且不磨损与其接触的轻金属部件。
根据本发明，上述目的可通过提供一种包括聚醚醚酮树脂的滑动部件实现，所述聚醚醚酮树脂包括作为粘结剂的约15-20wt％平均粒径5μ或更低的无定形氧化铝粉、3～8wt％平均粒径约5μ或更低的石墨粉和6-9％平均粒径30μ或更低的碳粉。
优选在聚醚醚酮基础材料中含15wt％无定形氧化铝粉、3wt％石墨粉和6-9wt％多孔碳粉作为粘结剂。
因其非粘性，已考虑采用常规使用的加入填料的PTFE作为基础材料。然而，已发现由于PTFE作为基础材料随温度升高而软化，因此造成填料渗出且因形成凸起使铝合金构成的轴受到磨损。因此，选用PEEK作为树脂，原因在于它在高温下基础树脂显示很少软化。此外，选择细粉作为填料。选择细粉末的理由如下：硬填料因基础材料软化造成的滑动表面的波纹(不规则形状)而不能提供第一个滑动表面。同时，试图通过如下方式改进滑动表面的性能：将滑动表面覆盖并隐蔽于细粉末中使基础树脂不在表面出现，并将此作为可通过提供具有镀层的树脂材料而获得的表面层。
按如下方式获得细碎粉末：将平均粒径5μ或更低的无定形氧化铝作为第一种填料。原因是X-射线衍射证明这种粉末显示未完全转化为α氧化铝。据信α氧化铝在滑动表面上起到硬质的不破坏填料的作用，由此损害接触的铝合金，即由ADC制造的轴。选用由平均粒径也为5μ或更低的石墨组成的第二种填料作为补偿氧化铝不充分的润滑性能。选用碳粉作为第三种填料。
由于氧化铝和石墨都为都为细碎粉末，因此它们显示很小的保油性。若这些粉末被用于自动变速器的密封圈，据信它们各自不能提供滑动表面的润滑性。因此，为解决此问题以使铝合金，油膜的损失(最少)，选用平均粒径30μ或更低的并具有微孔的碳粉作为其中一种填料。
将这三种填料按表1中所示的掺混比混合，并通过双螺杆挤出机形成颗粒。使用的填料为无定形氧化铝粉末(平均粒径：0.7μ，Japanlight Metals制造)、石墨粉(平均粒径：1.0μ，SEC K.K.制造)和碳粉(平均粒径：30μ，Nippon Carbon Co.Ltd制造)。用作基础材料的树脂为Victrex Peek(PEEK)，由ICI K.K.制造。如表1所示，用如下掺混比(按石墨的量计)制备测试材料(A-I)：氧化铝：15-25％，碳粉：6-12％，余量：PEEK树脂
                               表1
                                            (wt.-％)
  氧化铝     碳粉     石墨     PEEK
    A     25     6     3     66
    B     25     9     3     63
    C     25     12     3     60
    D     20     6     3     71
    E     20     9     3     68
    F     20     12     3     65
    G     15     6     3     76
    H     15     6     3     73
    I     15     12     3     70
图1为表示具有特定圈缝隙的密封圈(两级型)的部分透视图；
图2为用于使本发明组合物变窄的Matsubara型磨蚀机的主要部件示意图；
图3为表示为测定本发明组合物进行的磨蚀相关试验的结果的图。
图4为表示本发明组合物中的组合物G中无定形氧化铝与结晶氧化铝之间的差别影响ADC-12部件磨蚀程度的图。
图5为表示本发明组合物中的组合物G中无定形氧化铝与结晶氧化铝之间的差别影响ADC-12部件摩擦系数的程度的图。
图6为表示用于试验使用本发明材料的密封圈性能和现有密封圈性能的试验机的主要部件截面图；
图7为表示通过对比用本发明材料的密封圈性能和现有密封圈性能获得的结果图；
图8为表示通过对比用本发明材料的密封圈性能和现有密封圈性能获得的结果图。
下面详细描述本发明的一个实施方案。
将表1中所示的试验材料A-I用双螺杆挤出机捏合。捏合条件是：加热器温度400℃，螺杆转速50rpm和粉末加料机转速65rpm。将约3mm的挤出捏合物料放在自动切粒机中形成长度约3-4m/m的颗粒。同时，在试验中制备用于使合适组成范围变窄的试验片，其中在模塑压力130Mpa，喷嘴温度400℃，模具温度170℃和挤压比60％下，对颗粒料进行相对于ADC-12的磨蚀相关性试验。制备具有圈形状的试验片，使其可在后面进行用作实际机器中的旋转轴密封圈的评估。其中一个圈如图1中标号10(11)所示。该圈具有特定圈缝隙(两级型)，其外径为59mm，内径为54.4mm，厚度为2.4mm。通过用PEEK作为基础材料，对于常规铸铁圈不能容易进行的机加工可通过模塑实现，由此获得两级圈缝隙。通过提供具有复杂结构的圈缝隙，可在宽温度范围内确保最低矿物油泄漏。
为使表1所示的理想组成比例变窄，进行下面描述的磨蚀试验。图2为表示磨蚀试验机1的主要部件。该试验机具有一支架2，其上以可自由拆卸方式支撑一个由铝合金(ADC-12Z)制备的盘3(其直径为80mm，厚度为10mm)。将用于试验片的支架4与旋转轴5相连，该支架能够相对于盘支架2自由旋转。将用作试验片的上述密封圈固定在试验片支架4上并使其与盘3滑动接触。对支架2施加轴向压力P，使盘3与密封圈10之间产生加压接触。至少将盘3和密封圈10浸入ATF润滑油6中。磨蚀试验条件如表2中所示。
                表2
    使用的试验机     MATSUBARA磨蚀试验机
    摩擦方式     ATF润滑滑动未调节油温
    摩擦距离          44km
    摩擦速度          6.1 m/s
    接触表面压力   1Mpa(压力荷载：40kg)
图3说明磨蚀试验结果。已发现组合物G、H具有与铸铁相同，相对于ADC-12的优良磨蚀关系而言。更具体地，理想的组合物是：氧化铝粉末：15％；石墨：3％，碳粉：6-9％，余量PEEK73-76％。此外，为了判断无定形氧化铝的效果，在表2所示的条件下用粒径不超过1μ的结晶氧化铝对组合物G进行磨蚀相关性试验。试验结果如表4所示。发现加入的结晶氧化铝增加了对AD-12的磨蚀并且动摩擦系数也上升了30％，如表5所示。因此证明具有本发明组合物的圈形试验片当用作实际密封圈时其密封性、自磨蚀和对ADC-12制备的旋转轴的磨蚀上很有效并且可与由铸铁制备的常规圈比拟。
在表3所示的条件下用图6所示的试验机试验旋转密封圈。
图6所示的试验机具有一固定在旋转支架7上并包括J1SS35C的圆柱8。将包括铝合金(ADC-12Z)的轴9末端插入圆柱8的中空部分。将根据本发明制备的密封圈10、11安装于在轴9外周边上形成的环凹槽内，轴9的外周边具有向密封圈10、11供油和从密封圈10、11放出油的液压通路17、18。设置于轴9中的排液孔12用于加油，该油是已从密封圈11漏入刻度量筒16中的。还提供一个三通阀13和卸料管14、15。箱19输入已漏入刻度量筒16中的任何油。
密封圈10、11的外周边表面与圆柱体8的内圆周表面紧密接触，同时密封圈10、11的侧面与轴9的圈凹槽的侧面滑动接触。由液压通路17、18供给的油作用于密封圈10、11的内圆周表面和其一个侧面上。将各密封圈10、11的另一侧面向相应的圈凹槽挤压。试验的密封圈10、11是根据本发明的那些密封圈和根据现有技术的那些密封圈。
                  表3
    圆柱体旋转速度     6000rpm
    液压     1Mpa
    ATF温度     120-130℃
    试验时间     连续试验100小时
图7为表示当试验了密封圈侧面磨蚀性100小时后，由广泛用于自动变速器的ADC-12制备的轴9中机加工而成的圈凹槽与密封圈10、11之间的磨蚀相关性图。已发现具有本发明组合物的密封圈在ADC-12轴中的凹槽磨蚀可与广泛使用的铸铁圈比拟，同时与用碳纤维增强的常规PEEK树脂圈相比对ADC-12轴的凹槽破坏更小。对于至关重要的油密封性，已发现本发明的密封圈使漏油量降低至现有技术不能达到的低程度(为常规量的1/30)。而不使ADC-12轴的凹槽磨损，如图8所示。已发现本发明非常具有实用性并非常有助于降低重量和未来汽车要求的对燃料消耗的改进。此外，该填料组合物还适用于基础树脂为PEN(聚醚腈)(其分子结构与PEEK树脂相似)。
因此，通过呈现良好柔韧性的树脂圈代替铸铁圈作为旋转轴的密封圈，可防止漏油、降低对由ADC制造的轴的磨蚀，同时可以通过在汽车自动变速器中使用铝合金实现降低重量。
由于可在不超出本发明精神和范围的条件下，进行本发明的显而易见的各种不同实施方案，因此应理解本发明不受其具体的实施方案限制，除非所附的权利要求进行了限定。

Claims (6)

1.一种与轻金属合金接触的包括聚醚醚酮滑动部件，所述聚醚醚酮树脂包括作为粘结剂的15-20wt％的无定形氧化铝粉、3～8wt％的石墨粉和6-9％的碳粉。
2.根据权利要求1的滑动部件，其中无定形氧化铝粉的平均粒径为5μ或更低的，石墨粉的平均粒径为5μ或更低的，碳粉的平均粒径为30μ或更低的。
3.根据权利要求2的滑动部件，其中碳粉是多孔的。
4.根据权利要求3的滑动部件，其中轻金属合金为铝基合金材料。
5.一种与铝基合金材料接触的基本上由聚醚醚酮树脂组成滑动部件，所述聚醚醚酮树脂包括作为粘结剂的15wt％平均粒径5μ或更低的无定形氧化铝粉、3wt％平均粒径约5μ或更低的石墨粉和6-9％平均粒径30μ或更低的碳粉。
6.根据权利要求5的滑动配件，其中滑动部件为具有两级缝隙的圈。
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