CN1301298C

CN1301298C - 自润滑轴承材料及其制备方法

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Publication number: CN1301298C
Application number: CNB2005100411495A
Authority: CN
Inventors: 黄培; 王晓东; 朱鹏
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2005-07-22
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2025-07-22
Also published as: CN1727408A

Abstract

本发明涉及一种自润滑轴承及其制备方法，尤其涉及一种热塑性聚酰亚胺基自润滑轴承材料及其制备方法。其步骤包括：称取占原料总重量50～95%热塑性聚酰亚胺，占原料总重量0%～20%的增强纤维和占原料总重量5%～30%的固体润滑剂混合后，采用挤出造粒的方法制备复合粒料，复合粒料通过注塑方法成型，制得自润滑轴承。本发明以热塑性聚酰亚胺(TPI)为基体自润滑轴承材料，具有超低摩擦系数、高PV值，而本发明的制造方法采用挤出造粒的方法制备复合粉料，提高混合的均匀性，采用注塑的方法成型，大大缩短了加工时间，更适合大批量生产。

Description

自润滑轴承材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种自润滑轴承及其制备方法，尤其涉及一种低摩擦系数高PV值热塑性聚酰亚胺基自润滑轴承材料及其制备方法。

背景技术

轴承是工业中使用极为普遍的一类零件。由于传统金属轴承的摩擦系数较大、容异物能力差等缺点，其在高速、重载、边界润滑或无油润滑、高温、高真空、腐蚀介质及粉尘等工况条件下，已难以满足要求。

与金属材料相比，树脂基复合材料具有重量轻、耐腐蚀、良好的自润滑性能及可设计等许多优点，其作为轴承材料使用可以推至上世纪30年代。由于轴承的受力方式与工作条件远比滑动导轨等类似零件恶劣，因此影响树脂基复合材料轴承推广使用的因素主要是长期使用温度、摩擦系数及PV值等。

为提高轴承的力学强度，通常可以采用多层材料复合方法，即采用力学性能优异的金属材料作为基体材料，在其表面涂覆摩擦系数较低的润滑层。其中最典型的是由英国格拉西亚公司创制的三层复合轴承，简称DU。

美国专利[公开号：US2002/0015839A1]提到一种内燃机用滑动轴承的制备方法，其采用铜合金作为基体材料，热固性聚酰胺、聚酰亚胺、环氧树脂作为减磨层，在其中填充二硫化钼、硫化钨及铅作为润滑剂。与其它DU轴承一样，其在工作时有铅的粉末和气体逸出，可能由于对环境产生污染而遭到排斥。

中国专利[公开号：CN1488865A]涉及到一种自润滑无铅DU轴承及其制法。其减磨层材料主要为PTFE、EKONOL、PPS及MoS₂，无铅后扩大了其使用范围。通常减磨层为聚合物基材料，其与金属基体材料在化学结构、热膨胀系数等性质上相差较大，易出现脱层现象，从而对设备产生损坏，增大生产成本。

随着高性能耐高温聚合物及其复合材料的出现，其作为轴承整体结构材料成为可能。中国专利[公开号：CN1183435A]提到一种采用全芳香聚酰胺填充二硫化钼和稀土化合物的自润滑材料。由于纯全芳香族聚酰胺的摩擦性能较差(摩擦系数0.38，磨损率2.79×10^-14m³/(N·m))，既使添加固体润滑剂MoS₂和稀土后，摩擦系数依然高达0.16～0.21，材料性能需要进一步提高。同时，由于各组份的热膨胀性能存在差异，其采用冷压、烧结工艺，可引起材料内部出现缺陷、空隙，从而降低了材料力学性能。

中国专利[公开号：CN1422902A]涉及到一种工业输送辊道无油润滑轴承用聚酰亚胺复合材料的制备方法。其按1∶1比例选用了二苯甲酮四羧酸二酐、均苯四羧酸二酐和二胺基二苯甲烷、二胺基二苯基醚作为单体，工艺包括：1.开环加成聚酰胺酸；2.加入固体润滑剂和碳纤维，混合均匀；3.环化脱水、干燥、研成粉末状聚酰亚胺复合粉；其专利提供了一种聚酰亚胺复合粉的新型生产工艺，但并未对其制品的力学性能、摩擦磨损性能进行考察，其作为耐磨轴承部件仍需要进行实际运行评价。

中国专利[公开号：CN1168781C]提到一种自润滑聚酰亚胺基纳米复合材料的制备方法。其填料包括：纳米氮化硅、纳米二氧化硅和碳纳米管。在其加工过程中需要加入二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、间甲酚中的一种或几种作为有机溶剂，吡啶、醋酐或叔胺作为沉淀剂，因引入了大量溶剂，增加了工艺流程，不易大规模连续化生产。

李学闵等人[李学闵，苏衍良等.聚酰亚胺基纳米复合材料轴承的研制[J].工程塑料应用，2003，31(9)：39～43]提到一种采用中科院长春应用化学研究所开发的均苯型聚酰亚胺复合材料轴承的研制。其通过填充不同含量的纳米Al₂O₃、石墨、碳纤维(CF)和二硫化钼(MoS₂)调节材料摩擦磨损性能，获得最佳填充比，从而提供一种高性能的树脂基轴承产品。结果表明：其产品的摩擦系数为：0.21～0.35，体积磨损率为2.2×10^-14m³/(N·m)～3.6×10^-14m³/(N·m)，PV值为0.95Ma·m/s～1.50Ma·m/s。可见，针对轴承的使用要求，其摩擦磨损性能仍需要有进一步提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服上述自润滑轴承综合性能差、寿命短的缺点而提出一种热塑性聚酰亚胺作基体材料的超低摩擦系数高PV值且耐磨的自润滑轴承材料。同时本发明的另一个目的是为了克服模压工艺无法一次成型的问题而提出一种工艺简单的通过挤出造粒得到复合材料粒料，后一次注塑成型产品的热塑性聚酰亚胺自润滑轴承材料制备方法。

本发明的技术方案为：一种自润滑轴承，其特征在于该轴承的材料组成及重量百分含量如下：

热塑性聚酰亚胺 50～95％

增强纤维 0％～20％

固体润滑剂 5％～30％。

其中所述的热塑性聚酰亚胺树脂的基本性能为：弯曲强度150～190MPa，拉伸强度70～110MPa，玻璃化温度为≥250℃，冲击强度20～150kJ/m²；优选常州广成新型塑料有限公司生产的GCPI^TM粉料，其不仅具有优异的耐热性能、力学、介电、耐腐及抗辐射等性能，还表现出卓越的热加工特性，可采用热模压、挤出和注射方法成型。其中所述的增强纤维为碳纤维和玻璃纤维二者中的一种或两者任意混合物；其中所述的固体润滑剂是矿物粉、聚四氟乙烯和二硫化钼三者中的一种或几种的任意混合物，所述的矿物粉为云母粉、滑石粉、石英粉或碳酸钙。

本发明还提供了一种制备上述的自润滑轴承的方法，其步骤包括：称取占原料总重量50～95％热塑性聚酰亚胺，占原料总重量0％～20％的增强纤维和占原料总重量5％～30％的固体润滑剂混合后，采用挤出造粒的方法制备复合粒料，复合粒料通过注塑方法成型，制得自润滑轴承。其中所述的热塑性聚酰亚胺树脂的基本性能为：弯曲强度150～190MPa，拉伸强度70～110MPa，玻璃化温度为≥250℃，冲击强度20～150kJ/m²；优选常州广成新型塑料有限公司生产的GCPI^TM粉料，其不仅具有优异的耐热性能、力学、介电、耐腐及抗辐射等性能，还表现出卓越的热加工特性，可采用热模压、挤出和注射方法成型。其中所述的增强纤维为碳纤维和玻璃纤维二者中的一种或两者任意混合物；其中所述的固体润滑剂是矿物粉、聚四氟乙烯和二硫化钼三者中的一种或几种的任意混合物，所述的矿物粉为云母粉、滑石粉、石英粉或碳酸钙。其中注塑工艺条件如下：注塑温度320～380℃，注塑压力70～200MPa，模具温度60～150℃。

有益效果：

本发明是以热塑性聚酰亚胺(TPI)为基体的自润滑轴承材料，具有超低摩擦系数、高PV值。本发明的制造方法采用挤出造粒的方法制备复合粉料，提高混合的均匀性，采用注塑的方法成型，大大缩短了加工时间，更适合大批量生产。其产品与文献数据比较结果如下：

性能指标	本专利实测值	文献值
性能指标	本专利实测值	文献值	摩擦系数	0.05～0.17	0.16～0.38
体积磨损率/m³/(N·m)	6.0×10^-14～3.2×10^-15	2.45×10^-15～1.78×10^-15	摩擦系数	0.05～0.17	0.16～0.38
体积磨损率/m³/(N·m)	6.0×10^-14～3.2×10^-15	2.45×10^-15～1.78×10^-15	PV值/Pa·m/s	1.0～3.2	0.95～1.5

具体实施方式：

实施例1

一种低摩擦系数高PV值热塑性聚酰亚胺基自润滑轴承，包括以下工艺步骤：在7kg热塑性聚酰亚胺粉(常州广成新型塑料有限公司生产的GCPI^TM粉料)中加入1.5kg滑石粉，1.5kg碳纤维，机械混合后经挤出机造粒，复合粒料通过注塑成型的方法制得试样及自润滑轴承。注塑工艺条件如下：注塑温度360℃，注塑压力120MPa，模具温度100℃。其力学性能如下：拉伸强度109MPa，弯曲强度163MPa，摩擦系数0.05-0.06，体积磨损率4.62×10^-15m³/(N·m)，极限PV值3.2MPa·m/s。

实施例2

一种低摩擦系数高PV值热塑性聚酰亚胺基自润滑轴承，包括以下工艺步骤：在7.5kg热塑性聚酰亚胺粉(常州广成新型塑料有限公司生产的GCPI^TM粉料)中加入1.0kg滑石粉，1.5kg玻璃纤维，机械混合后经挤出机造粒，复合粒料通过注塑成型的方法制得试样及自润滑轴承。注塑工艺条件如下：注塑温度350℃，注塑压力140MPa，模具温度120℃。其力学性能如下：拉伸强度110MPa，弯曲强度160MPa，摩擦系数0.09-0.16，体积磨损率1.75×10^-14m³/(N·m)，极限PV值2.0MPa·m/s。

实施例3

一种低摩擦系数高PV值热塑性聚酰亚胺基自润滑轴承，包括以下工艺步骤：在9.5kg热塑性聚酰亚胺粉(基本性能为：弯曲强度150～190MPa，拉伸强度70～110MPa，玻璃化温度为≥250℃，冲击强度20～150kJ/m²)中加入0.2kg云母粉、0.3kg滑石粉，机械混合后经挤出机造粒得到粒料，复合粒料通过注塑成型的方法制得试样及自润滑轴承。注塑工艺条件如下：注塑温度320℃，注塑压力70MPa，模具温度60℃。其力学性能如下：拉伸强度88MPa，弯曲强度158MPa，摩擦系数0.09-0.12，体积磨损率3.84×10^-14m³/(N·m)，极限PV值1.0MPa·m/s。

实施例4

一种低摩擦系数高PV值热塑性聚酰亚胺基自润滑轴承，包括以下工艺步骤：在6.2kg热塑性聚酰亚胺粉中加入1.5kg滑石粉，0.3kg聚四氟乙烯，2.0kg碳纤维，机械混合后经挤出机造粒，复合粒料通过注塑成型的方法制得试样及自润滑轴承。注塑工艺条件如下：注塑温度370℃，注塑压力160MPa，模具温度150℃。其力学性能如下：拉伸强度110MPa，弯曲强度150MPa，摩擦系数0.09-0.10，体积磨损率1.20×10^-14m³/(N·m)，极限PV值2.3MPa·m/s。

几种组成的复合材料的摩擦磨损性能如下：

复合材料的摩擦磨损性能

组成(Wt％)	注塑工艺条件			摩擦磨损性能
	注塑工艺条件			摩擦磨损性能			注塑温度(℃)	注塑压力(MPa)	模具温度(℃)	摩擦系数	磨损率(m³/(N·m))	PV 值(Pa·m/s)
	TPI78％+滑石粉20％+云母粉10％+PTFE2％	360	160	120	0.10-0.12	3.1×10^-14	注塑温度(℃)	注塑压力(MPa)	模具温度(℃)	摩擦系数	磨损率(m³/(N·m))	PV 值(Pa·m/s)	1.3
TPI88％+滑石粉10％+PTFE2％	TPI78％+滑石粉20％+云母粉10％+PTFE2％	360	160	120	0.10-0.12	3.1×10^-14	340	140	100	0.09-0.14	5.2×10^-14	1.0	1.3
TPI88％+滑石粉10％+PTFE2％	TPI50％+滑石粉20％+PTFE10％+CF20％	380	200	150	0.10-0.13	1.6×10^-14	340	140	100	0.09-0.14	5.2×10^-14	1.0	1.2
TPI83％+滑石粉15％+PTFE2％	TPI50％+滑石粉20％+PTFE10％+CF20％	380	200	150	0.10-0.13	1.6×10^-14	340	140	100	0.07-0.08	3.2×10^-15	1.5	1.2
TPI83％+滑石粉15％+PTFE2％	TPI70％+滑石粉	340	150	120	0.08-0.09	4.3×10^-14	340	140	100	0.07-0.08	3.2×10^-15	1.5	2.0

30％
30％							TPI60％+滑石粉15％+云母粉10％+GF15％	370	180	150	0.10-.0.17	6.0×10^-14	2.2
TPI65％+滑石粉20％+MoS₂5％+CF10％	360	160	120	0.08-0.11	5.6×10^-14	2.6	TPI60％+滑石粉15％+云母粉10％+GF15％	370	180	150	0.10-.0.17	6.0×10^-14	2.2

Claims

1、一种自润滑轴承，其特征在于该轴承的材料组成及重量百分含量如下：

热塑性聚酰亚胺 50～95％

增强纤维 0％～20％

固体润滑剂 5％～30％

其中所述的热塑性聚酰亚胺树脂的基本性能为：弯曲强度150～190MPa，拉伸强度70～110MPa，玻璃化温度为≥250℃，冲击强度20～150kJ/m²。

2、根据权利要求1所述的自润滑轴承，其特征在于所述的增强纤维为碳纤维和玻璃纤维二者中的一种或两者任意混合物。

3、根据权利要求1所述的自润滑轴承，其特征在于所述的固体润滑剂是矿物粉、聚四氟乙烯和二硫化钼三者中的一种或几种的任意混合物。

4、根据权利要求3所述的自润滑轴承，其特征在于所述的矿物粉为云母粉、滑石粉、石英粉或碳酸钙。

5、一种制备权利要求1所述的自润滑轴承的方法，其步骤包括：称取占原料总重量50～95％热塑性聚酰亚胺，占原料总重量0％～20％的增强纤维和占原料总重量5％～30％的固体润滑剂混合后，采用挤出造粒的方法制备复合粒料，复合粒料通过注塑方法成型，制得自润滑轴承。

6、根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于注塑工艺条件如下：注塑温度320～380℃，注塑压力70～200MPa，模具温度60～150℃。

7、根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述的增强纤维为碳纤维和玻璃纤维二者中的一种或两者任意混合物。

8、根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述的固体润滑剂是矿物粉、聚四氟乙烯和二硫化钼三者中的一种或几种的任意混合物。

9、根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于所述的矿物粉为云母粉、滑石粉、石英粉或碳酸钙。