CN1261386A - 滑动轴承的制造 - Google Patents

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Abstract

描述了轴承材料的制造方法、轴承材料和在坚固背衬上带有轴承材料的轴承。该方法包括如下步骤:形成有一定固体含量的水质浆料,固体内含有30—80%(体积)的氟聚合物、5—30%(体积)的成网的原纤化纤维和5—40%(体积)的选自无机纤维、无机颗粒料、金属纤维、金属粉末、有机纤维、有机颗粒料、有机基质增强剂中至少一种的填料,成网材料和填料可耐氟聚合物熔点或固化温度以上的温度;向基材上沉积一层浆料,使水可从层面上排出,形成沉积层,其中成网的纤维形成含有氟聚合物和填料的网,将沉积层加热到高于氟聚合物熔点以上的温度,使氟聚合物固化。

Description

滑动轴承的制造
本发明涉及滑动轴承的制造方法、材料和由此种方法制得的轴承。
许多种滑动轴承都具有轴承工作面层，它含有高比例的氟聚合物例如聚四氟乙烯(PTFE)，这是由于此类聚合物具有优良的低摩擦性能。这样的轴承工作面层本身是不耐用的，于是它们被施用到通常由金属制成的支承基材上。然而，由于氟聚合物很难固定到基材上，所以在一种普通类型轴承中，包含有通常由烧结金属例如青铜制成的中间层。在此类轴承的制造过程中，PTFE与溶剂、填料混合，形成类似浆糊的糊状物，并在强制进入烧结金属的空隙内使轴承工作面层材料结合烧结金属之前，铺散于烧结金属的表面。因为有必要脱除溶剂，材料在烧结金属上只能形成较薄的表面层(约50微米或以下)，否则会出现溶剂引起的鼓泡。在烧结的结合层上制成的表面层厚度，也受这样的因素影响：糊状物辊压入烧结的空隙，并达到足够程度的渗入，以防止氟聚合物在使用中从背衬上脱层，可能需要较高的压力使在烧结结合层上产生薄层。由于表面层较薄，它通常不能进行机械加工以改进表面质量、或者实施以形成具有精确壁厚和内腔尺寸的轴承的定尺寸操作。
EP-A-0708892描述了由含有金属背衬的材料和含有聚四氟乙烯、2-10％(体积)的渗入烧结结合层空隙的原纤化芳族聚酰胺纤维的轴承材料衬所制成的轴承，该金属背衬上具有烧结层。此文献也描述了由造纸路线制造轴承材料片、通过加热加压将该片熔化和粘合到烧结结合层上。然而，背衬材料上烧结结合层上的层厚也是只有25微米。
WO97/06204描述了制造含有芳族聚酰胺浆料和作为主要成分的氟树脂的片状的轴承材料。此制造方法是根据造纸类工艺。然而，没有提到将这样形成的材料固定到金属背衬的任何方法。确实，通过形成许多层的片材的叠层，并在施加的压力作用下，将它们烧结在一起，可获得较厚的材料。然而，这只能产生单块的材料，由此，轴承可以通过例如切削加工而形成，但在要求薄轴承层或薄的壁厚的场合，则缺乏支承金属背衬的增强作用。
本发明的一个目的是提供氟聚合物基滑动轴承的制造方法，此方法能够使较厚的轴承材料层在形成的任何支承或结合金属层上。
根据本发明的第一个方面，它提供轴承材料的制造方法，此方法包括如下步骤：形成有一定固体含量的水基浆料，该固体内含有30-80％(体积)的氟聚合物、5-30％(体积)的成网的原纤化纤维和5-40％(体积)的填料，该填料选自无机纤维、无机颗粒料、金属纤维、金属粉末、有机纤维、有机颗粒料、有机基质增强剂中的至少一种，成网材料和填料可耐氟聚合物熔点或固化温度以上的温度；向基材上沉积一层浆料，使水可从层面上排出，形成沉积层，其中成网的纤维形成含有氟聚合物和填料的网，将沉积层加热到高于氟聚合物熔点以上的温度，使氟聚合物固化。
根据本发明，此方法的重要的优点是能够形成较厚的轴承工作面层，因此能够进行机械加工。轴承材料在任何背衬或结合层上制成的厚度可以是50-400微米。本发明方法另外的优点是造纸类路线可使氟聚合物进行的机械加工少得多，因此导致其硬结较少，使材料在较低的渗入压力下更容易渗入多孔的机械结合层例如烧结青铜，可在烧结层上获得较厚的剩余层。在糊状物的形成和铺散中，常规的“糊状物”路线使聚合物进行的机械加工较多，使它更稠，而且更难以渗入烧结层内，这样就要求更高的压力，这部分成为烧结层上层厚薄的原因之一。
基底沉积层的制造方法可以使用造纸工业中较常规的设备，典型的例子是所熟知的福德林尼尔造纸机或者圆筒型机器。
水从沉积浆料中排出之后，基材上的沉积层就从原纤化纤维的网获得它的加工强度，网中及其周围含有氟聚合物和填料，沉积层具有类似纸的外观。后续加工所需的加工强度要求原纤化纤维的最低含量为5％(体积)。含量高于30％(体积)，低摩擦性能就开始劣化。
原纤化纤维的较佳含量可以是10-30％(体积)。
原纤化纤维(通常称为“浆料”)较佳含有芳族聚酰胺材料例如Kevlar或Twaron(商品名)，更佳是对芳族聚酰胺材料。
对原纤化纤维的主要要求是它们能够承受固化氟聚合物的加热步骤，因此，只要满足此条件，其他的纤维材料也是可以的。
在本发明的一个较佳实施方式中，氟聚合物可以含有聚四氟乙烯(PTFE)，它要求在其熔点、约330℃以上的温度下固化。
虽然PTFE是用于本发明的较佳的氟聚合物，也可以使用其他的氟聚合物来代替PTFE，或与PTFE一起使用。其他的氟聚合物例如聚全氟乙烯-丙烯、甲基全氟烷氧基聚合物、全氟烷氧基聚合物、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯-乙烯和聚偏二氟乙烯。
在本发明的方法和材料中包括填料，以增强和/或加强材料基材，也改进实际的轴承性能，例如耐磨性和摩擦系数。
合适的无机纤维可以包括例如玻璃或碳纤维。
合适的无机颗粒或粉末材料可以包括例如氟化钙、白土、二硫化钼、二硫化钨、石墨、二氧化硅、氧化铝、氧化铅和氧化铜。
合适的金属纤维和粉末可以包括例如青铜、黄铜、铅、锡、锌。
有机材料可以包括填料例如热固性或热塑性树脂，它可以用来进一步增强基材。这样的其他聚合物可以包括聚苯硫醚、聚亚苯基砜、聚酰亚胺、尼龙46、聚醚醚酮、聚甲醛、聚酯、聚氨酯、聚酰胺-酰亚胺、聚醚砜、聚对苯二甲酸乙二酯和聚醚酰亚胺。
浆料可以包括胶乳类材料以改进原始沉积材料的加工强度，然而，浆料中这样的加入物会在加热以固化氟聚合物的步骤中分解，但不损害所形成的固化轴承材料。
浆料也含有与浆料的形成有关、并有益于向造纸设备的排水基材上沉积和形成一层所需组合物的固体层的其他添加物。这样的添加物可以包括促凝剂和絮凝剂例如胶态二氧化硅、聚合物促凝剂和明矾。然而，这样的具有所要求作用的材料对本技术领域内的技术人员来说是已知的，不需进一步精心制造。
沉积层一旦从排水基材上取下，它就具有约50％(体积)的孔隙率。原始的未致密未固化材料的沉积层厚度可以约为200微米-2毫米。200微米的较薄的厚度是实际的下限，低于此值，对易加工性来说，强度变得太低；而上限是由造纸基本工艺的脱水特性所控制。
为着制成轴承的目的，未压实时沉积层的较佳范围可以是200-800微米。
一旦形成沉积层，就将沉积层固定到背衬并固化氟聚合物的加热步骤来说，有几种路线可以采用。沉积层可以例如在加热固化聚合物的步骤之前或之后，附着到支承基材上。支承基材可以是本技术领域中任何已知的材料例如钢、不锈钢、青铜和铝。
有各种可采用的方法可将轴承材料层固定到坚固的支承背衬。主要有两种基本的固定方法，包括：(i)将轴承层由机械作用固定到金属背衬，其中轴承材料层渗入多孔表面，或与形成于背衬材料表面上的实际零件例如金属丝网或多孔的金属背衬啮合；或者(ii)将轴承材料层由粘合方式固定到坚固的背衬层；或者(iii)机械和粘合的组合的固定方式。在每一种方法中，在可用的工艺步骤或所采用的工艺步骤次序中，都有选择余地。
当轴承材料层由机械作用固定到多孔的烧结结合层时，原始沉积层可以渗入烧结表面，接着加热固化。背衬基材通常由金属制成，这使如果该层在加热步骤之前固定到基材上，基材有助于将热传递到层的所有部分。此路线也起到使多孔轴承材料层在渗入步骤期间基本完全压实的作用。
在渗入、随之压实之后，任何机械操作之前，在烧结结合层或背衬表而上的轴承材料层厚度较佳为50-400微米，更佳为100-250微米。
当轴承材料层由粘合方式固定到背衬时，(a)它首先可以由例如辊压致密，消除或降低孔隙率，接着固化，最后由粘合剂层粘合到背衬材料上；或者(b)多孔轴承材料层可以粘合到背衬层上，致密，接着固化；或者(c)多孔层可以致密，粘合到背衬层，最后固化；或者(d)轴承材料层可以粘合到背衬层，固化，接着压实；或者(e)轴承材料层可以固化，粘合到背衬层和压实；或者(f)轴承材料层可以固化，压实和粘合到背衬层。采用可替换的方式(b)、(c)和(d)时，使用的粘合剂必须能够承受固化温度，采用可替换的方式(b)、(d)和(e)时，使用的粘合剂层必须能够承受由辊压或任何其他合适的替代方法进行的致密步骤。替换的方式(b)、(d)和(e)具有这样的优点，轴承层内的孔隙率可以用来提高采用粘合剂进行粘合的强度。
合适的粘合剂可以包括环氧类、丙烯酸酯类、氰基丙烯酸酯类、聚氨酯、酚醛树脂、异戊二烯、丁苯橡胶、氟聚合物、聚酯和尼龙。施用粘合剂的方法可以包括辊涂、幕涂、喷涂或作为膜施用(例如热熔、压敏或接触型)。当使用粘合剂时，轴承材料可以在施用粘合剂之前要求预处理例如化学侵蚀、等离子体预处理、辐照、或采用化学偶联剂或粘合促进剂。
沉积该层可以分几个阶段进行，即一层在另一层的上面形成更厚的沉积层。
在造纸工艺中控制浆料，即具有两个或更多的沉积位置，其中另一种组成浆料沉积在前一种组成浆料上，从而可以在沉积层内形成可变的组成。另外，也可以制造不同组成的单层，压在一起并固化。
当材料制成许多沉积层时，可以制成浆料组成在每一层内都有变化的层。例如用来形成轴承的滑移面的层，可以比用来形成其邻近基材的较里面的层加入更多的氟聚合物，基材可以加入能更有效地粘合到基材材料上的其他聚合物。换一句话说，轴承材料的组成在整个厚度上是变化的，由一种能更容易粘合到基材上的组成，变化到提供优异轴承性能的组成。
每层沉积层的厚度可以根据其在最终轴承内的预定作用而变化。因此，可以使用不能独自进行加工的较薄的层，例如作为本身是轴承滑移材料层和坚固背衬层之间的结合层。
坚固背衬可以具有一层另一种聚合物，它与氟聚合物相容，沉积在背衬上促进背衬和沉积层之间的粘合。
填料可以是中空的，并含有液体或其他润滑剂，随着轴承磨损，它逐渐释放出来。
根据本发明的第二方面，当由本发明第一方面的方法制造时，它提供轴承材料。
根据本发明的第三方面，它提供轴承，该轴承含有结合到坚固背衬材料上的本发明第二方面所涉及的材料。
为了更加全面地理解本发明，只通过说明的方式，参考附图来说明实施例，附图显示了已知的渗入筛网型轴承材料和本发明轴承材料的磨损与时间的关系的比较。
实施例1
本实施例是滑动轴承的制造方法。此方法包括形成固体含量为2％重量/体积(500升水中10千克固体)的水基浆料。固体内含有：73％(体积)的PTFE(以PTFE分散于水中(55％重量的PTFE)的形式混入)、10％(体积)的原纤化对芳族聚酰胺纤维(纤维平均长0.74毫米，直径为12-15微米)、4％(体积)的石墨粉末、13％(体积)的玻璃纤维(平均150微米长、直径为12微米)。在说明方法的一个变化的方法中，浆料中免除了石墨，PTFE含量降低至67％(体积)，玻璃纤维的含量保持在13％(体积)，对芳族聚酰胺纤维含量增加至20％(体积)。
对芳族聚酰胺纤维进行原纤化，使得它们能够成网。含有玻璃纤维，作为增强纤维。应当注意的是，使用的纤维耐PTFE熔点(约为330℃)以上的高温。
此方法也包括向金属丝网沉积一层浆料，使浆料中的水从层面上排出，形成沉积层，其中对芳族聚酰胺纤维形成含有PTFE、石墨和玻璃纤维的网。由对芳族聚酰胺纤维形成的网带有彼此粘附的无规取向的纤维，用来形成支承网，以使沉积层能被加工。当丝网移动时，浆料由喷涂方式沉积到金属丝网。水通过丝网排出，留下自支承的沉积层，能够从丝网带上取下，干燥并卷绕。
约500微米厚的沉积层，从金属丝网上取下，置于金属基材上。基材是厚0.3毫米的铝板。基材预成形上带有凸出约0.4毫米的低的金属凸起。该低的凸起由穿透基材冲出的孔的边缘形成。金属基材和沉积层在压辊之间经过，迫使该低的凸起进入沉积层，这样使沉积层附着到基材上。所说明的方法也包含加热的步骤，其中沉积层被加热至PTFE的熔点以上，以固化PTFE。在这个沉积层附着到基材上之后而实施的步骤中，实现加热的方式是：在烘箱中于380℃下加热10分钟。
完成的轴承材料具有一个轴承工作面层，它是由沉积层在固化后形成，厚度为250微米。
实施例2
浆料的形成方式与实施例1相似，除了厚0.49毫米的干燥沉积材料层内最终的固体内含有：65％(体积)的PTFE、20％(体积)的Kevlar(商品名)、15％(体积)的氟化钙(+稳定剂和添加剂例如促凝剂等)。在沉积时和固化前未压实材料的拉伸强度是0.7兆帕。将两种材料经过辊子，使未压实材料渗入钢制背衬层上厚0.25毫米的多孔青铜烧结层。除了渗入青铜烧结层，材料在此辊压步骤中还进行压实。接着被渗入的轴承材料在380℃下加热10分钟，使PTFE固化。最终的材料在烧结结合层上具有厚0.165毫米的轴承材料层。
上述实施例是在小规模实验设备上进行的，在生产线上制造的相似材料，由380℃下感应加热金属背衬约1分钟的方式进行固化。
实施例3
浆料的形成方式与实施例1相似，除了最终的固体内含有：61.8％(体积)的PTFE、20％(体积)的Kevlar(商品名)、13％(体积)的玻璃纤维、3.2％(体积)的胶态二氧化硅(作为促凝剂等)和2％(体积)的碳黑(作为颜料)和作为稳定剂的其他添加剂。在沉积时和固化前未压实材料的拉伸强度是0.9兆帕。将两种材料经过辊子，使未压实材料渗入钢制背衬层上厚0.25毫米的青铜烧结层。除了渗入青铜烧结层，材料在此辊压步骤中还进行压实。接着被渗入的轴承材料在380℃下加热10分钟，使PTFE固化，或者，当固化工艺是在工厂的生产线上进行时，材料在380℃下经受约1分钟的感应固化。
最终的材料在烧结结合层上具有厚0.165毫米的轴承材料层。
此材料的磨损和摩擦性能可比得上其他的轴承产品，见表1。
                             表1
                制成的轴承材料的磨损和摩擦性能
   磨损(微米)    摩擦系数
本发明的轴承材料     17     0.12
含有填充玻璃的PTFE的糊状物路线聚合物轴承     16     0.15
含有填充玻璃和石墨的PTFE的筛网基商品轴承1     23     0.12
含有填充玻璃和石墨的PTFE的筛网基商品轴承1     42     0.11
采用摆动衬套测试方法，于PV＝0.18、130000循环的条件下，在圆筒形衬套上测试磨损。摩擦系数采用销在盘上摩擦计测量。
附图显示了与可购买到的筛网基轴承产品对照的渗入青铜烧结层的新型轴承材料的测试结果。此测试是采用环上块磨损测试设备在平样品上进行。
实施例4
组成与实施例3相同(61.8％PTFE等)。材料的厚度和强度也与实施例3相同。
将两种材料经过辊子，使未压实材料渗入厚0.39毫米的青铜筛网。除了渗入青铜筛网，材料在此辊压步骤中还进行压实。被渗入的筛网的最终厚度是0.39毫米。固化在380℃下进行10分钟。
实施例5
浆料的形成方式与实施例1相似，除了最终的固体内含有：61.8％(体积)的PTFE、20％(体积)的Kevlar(商品名)、13％(体积)的玻璃纤维、3.2％(体积)的胶态二氧化硅(作为促凝剂等)和2％(体积)的碳黑(作为颜料)和作为稳定剂的其他添加剂。材料厚度在致密前为0.53毫米，沉积形式样品的强度是0.9兆帕。将酚醛类粘合剂由辊涂施加到轴承材料的表面上。将涂敷过的材料进行预加热，以活化粘合剂，然后与0.3毫米厚的不锈钢背衬片一起经过压延机辊隙，形成叠层。接着叠层两次经过加热的辊子，以压实轴承材料。压实之后，叠层加热到160℃以固化粘合剂，然后加热到380℃，以固化PTFE。接着叠层材料形成供测试用的圆筒形衬套。固化后压实的轴承材料厚0.23毫米。酚醛树脂粘合剂尤其有利，在于它能够在PTFE固化步骤之后、在基材和轴承材料之间保持优良的粘合力。

Claims (31)

1.轴承材料的制造方法，其包括如下步骤：形成有一定固体含量的水质浆料，所述固体内含有30-80％(体积)的氟聚合物、5-30％(体积)的成网的原纤化纤维和5-40％(体积)的填料，该填料选自：无机纤维、无机颗粒料、金属纤维、金属粉末、有机纤维、有机颗粒料、有机基材增强剂中的至少一种，成网材料和填料可耐氟聚合物熔点或固化温度以上的温度；向基材上沉积一层浆料，使水可从层面上排出，形成沉积层，其中成网的纤维形成含有氟聚合物和填料的网，将沉积层加热到高于氟聚合物熔点以上的温度，使氟聚合物固化。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述原纤化纤维的含量为10-30％(体积)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述原纤化纤维含有芳族聚酰胺材料。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述纤维是对芳族聚酰胺材料。
5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述氟聚合物含有聚四氟乙烯。
6.如上述权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述氟聚合物选自：聚全氟乙烯-丙烯、甲基全氟烷氧基聚合物、全氟烷氧基聚合物、聚四氟乙烯、聚三氟氧乙烯、聚四氟乙烯-乙烯和聚偏二氟乙烯中的至少一种。
7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述无机纤维填料包括玻璃或碳纤维。
8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述的无机颗粒料或粉末材料选自：氟化钙、白土、二硫化钼、二硫化钨、石墨、二氧化硅、氧化铅、氧化铜和氧化铝。
9.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述的金属纤维或金属粉末选自：青铜、黄铜、铅、锡和锌。
10.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述有机材料填料选自：热固性或热塑性树脂，包括：聚苯硫醚、聚亚苯基砜、聚酰亚胺、尼龙46、聚醚醚酮、聚甲醛、聚酯、聚氨酯、聚酰胺-酰亚胺、聚醚砜、聚对苯二甲酸乙二酯和聚醚酰亚胺。
11.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述浆料也含有胶乳类材料。
12.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述浆料含有促凝剂和絮凝剂。
13.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述沉积层的厚度约为200微米-2毫米。
14.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述沉积层在固化步骤之前，渗入多孔的结合层、或多孔的金属背衬或筛网。
15.如权利要求14所述的方法，其中渗入、随之压实后的多孔结合层上的轴承材料层的厚度为50-400微米。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述多孔结合层上的轴承材料层的厚度，在任何机械操作之前，为100-250微米。
17.如上述权利要求14-16中任一项所述的方法，其中所述多孔结合层以钢制背衬上的烧结青铜粉末层的形式提供。
18.如上述权利要求1-13中任一项所述的方法，其中所述沉积层在固化步骤之前由压力进行压实，固化，然后由粘合剂方式固定到坚固的背衬层。
19.如上述权利要求1-13中任一项所述的方法，其中所述沉积层在固化前由粘合剂方式固定到背衬层，接着由压力进行压实，然后固化。
20.如上述权利要求1-13中任一项所述的方法，其中所述轴承材料层由压力进行压实，在固化前由粘合剂方式固定到背衬，然后固化。
21.如上述权利要求1-13中任一项所述的方法，其中所述轴承材料层附着到背衬层上，固化，然后进行压实。
22.如上述权利要求1-13中任一项所述的方法，其中所述轴承材料层固化，附着到背衬层上，进行压实。
23.如上述权利要求1-13中任一项所述的方法，其中所述轴承材料层固化，压实，附着到背衬层上。
24.如上述权利要求18-23中任一项所述的方法，其中所述粘合剂是酚醛粘合剂。
25.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述沉积层分许多阶段形成，方式是在先前浆料的上面沉积另外的浆料。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述另外浆料的组成和先前浆料的组成不同。
27.如权利要求25或26所述的方法，其中所述每层沉积的厚度是不同的。
28.如上述权利要求18-27中任一项所述的方法，其中所述坚固的背衬带有一层与氟聚合物相容的另一种聚合物，该聚合物在背衬上沉积以促进背衬和沉积层之间的粘合。
29.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述填料含有液体或其他的润滑剂，它随着轴承材料磨损而逐渐释放出来。
30.轴承材料，其由上述权利要求1-13中任一项所述的方法制造。
31.轴承，其由上述权利要求14-29中任一项所述的方法制造。
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ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: GLACIER GARLOCK BEARINGS INC

Free format text: FORMER OWNER: T + N TECHNOLOGY LIMITED

Effective date: 20030620

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20030620

Address after: North Carolina

Patentee after: Glacier Garlock Bearings, Inc.

Address before: ohio

Patentee before: T & N Technology Limited

C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20030402