CN1884865A - 一种具有高孔隙度的多层复合自润滑材料及其制备方法 - Google Patents

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本发明公开了一种具有高孔隙度的多层复合自润滑材料，它以低碳钢板为基材，表面进行电镀铜处理，然后在其背衬层表面上烧结具有一定孔隙率铜合金粉，再在表面铺覆烧结聚合物材料，通过轧制调整厚度后制成，其中铜合金粉中锡的重量含量为1～15％，优选值为8～12％；锌的重量含量为0～6％；铅的重量含量为0～6％，优选值为3～5％。它具有机械性能好，能够保持背衬金属材料的承载能力和机械强度，自润滑性和耐磨性优异，生产效率高，制造成本低等优点，可以广泛用于涡轮式压缩机中的滑动部件。

Description

一种具有高孔隙度的多层复合自润滑材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及到一种自润滑材料及其制备方法，尤其是一种具有高孔隙度的多层复合自润滑材料及其制备方法。
背景技术
压缩机工作时需要可靠稳定的润滑。当压缩机缺少润滑剂或润滑不合理时，压缩机内部就会产生严重异响，严重时还会造成压缩机部件的磨损失效。为保证压缩机运动部件的稳定性，需要对自润滑轴承表面进行切削或研磨加工，以防由于轴承磨损产生过大的间隙而导致压缩机产生过大的噪声。由于轴承主要是在边界润滑条件和缺油或少供油的条件下长时间运行，因而研制具有良好自润滑性能和长寿命稳定性的滑动轴承显得非常重要。
美国达纳公司提出的中国发明专利(公开号CN1292852A，专利名称为“滑动轴承”)利用球形的铜合金粉，通过一定温度下烧结在覆铜钢板上，表面上烧结以聚四氟乙烯(PTFE)为主要树脂的高分子材料，通过卷制工艺制造轴承。此发明的缺点是由于孔隙率较小，在高载条件下表面聚合物改性层磨损后，虽然可以保持一段时间的稳定磨损期，但随着轴承的长时间运动，摩擦界面上露出的金属逐渐增多，导致轴承寿命急剧下降，并且易咬合对偶摩擦副。
日本Taiho Kogyo Co.Ltd申请的美国专利(申请号为USP5217814，名称为“Sintered Sliding Material”)利用粒径为30～200μm的铜或铜合金粉烧结在钢板表面上，保证烧结的合金层孔隙率为5～70％，表面层烧结二硫化钼和铅粉等填充的聚四氟乙烯树脂，从而制备出滑动材料，可以显著提高材料的耐磨性。
日本Daido Metal公司申请的美国专利(申请号为USP5447774，名称为“Composite Sliding Member with High Porosity Sintering Layer”)将低表观密度的合金铜粉烧结在金属板材上，保证烧结后合金层的孔隙率达到50～80％，然后表面上覆盖以聚四氟乙烯为主要树脂的高分子改性层，通过烧结再轧制的工艺保证聚四氟乙烯树脂嵌入合金粉中，通过卷制制备自润滑轴承，可以有效地提高轴承的耐磨性。
但上述这些发明的不足之处在于较高的孔隙率会导致金属合金粉与金属板的粘结性能下降，从而导致合金层的承载能力下降。同时，由于部分孔隙是闭孔，没有完全暴露在合金层的表面，导致表面聚合物无法渗入。另外，由于主要的润滑剂是以PTFE乳液为主体的糊状物，使得糊状物中的水分进入孔隙间，虽然水分在干燥后会蒸发，但具有粘弹性的聚合物材料并不易完全嵌入孔隙中，从而无法获得优异的自润滑性和耐磨性能，并且材料的机械性能呈下降趋势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提出一种有优异自润滑性和耐磨性的具有高孔隙度的多层复合自润滑材料，以及该材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明一种具有高孔隙度的多层复合自润滑材料以低碳钢板为基材，表面进行电镀铜处理，然后在其背衬层表面上烧结具有一定孔隙率铜合金粉，再在表面铺覆烧结聚合物材料，通过轧制调整厚度后制成，所述铜合金粉中锡的重量含量为1～15％，优选值为8～12％；锌的重量含量为0～6％；铅的重量含量为0～6％，优选值为3～5％。
上述一种具有高孔隙度的多层复合自润滑材料，所述的青铜粉烧结后合金层的表观密度为2.0～4.0g/cm3，优选值为2.8～3.4g/cm3。
上述一种具有高孔隙度的多层复合自润滑材料，所述聚合物材料以聚四氟乙烯(PTFE)为主要树脂，其组成及重量含量分别为：(1)、聚四氟乙烯，重量含量为20～99％；(2)、其它有机氟树脂，采用可熔性聚四氟乙烯(PFA)、聚全氟乙丙烯(FEP)中的一种或两种，重量含量为0.1～20％；(3)、纤维，采用玻璃纤维、碳纤维、芳香族聚酰胺纤维(如Kevlar纤维、Technora纤维或Twaron纤维)或钛酸钾晶须中的一种，重量含量为0.1～15％；(4)、固体润滑剂，采用二硫化钼或石墨，重量含量为0.1～30％；(5)、具有协同润滑作用的无机物粉体采用金属氟化物、金属硫酸盐和金属磷酸盐等填料，重量含量为0.1～15％。
上述一种具有高孔隙度的多层复合自润滑材料，所述纤维的直径≤8μm，平均纤维长度为50μm以下，长径比为2∶1至5∶1。
本发明一种具有高孔隙度的多层复合自润滑材料的制备方法，它包括下列步骤：1、用机械混合器将有机氟树脂、纤维、固体润滑剂和无机物粉体充分混合搅拌，然后放入烘箱，将混合物于120～200℃的条件下进行干燥处理，将混合物的水分脱去；2、将脱去水后的混合物放入锥形或双锥形混合器中进行混合，并加入一定量的润滑油，以保证混合的效果；3、将混合均匀的材料铺覆于已经烧结好铜粉的低碳钢板或铜板表面上，通过轧制，将混合物轧入合金层内，然后将其置于连续式烧结炉中，在氮气保护条件下进行烧结，温度控制在360～420℃范围内，时间为5～30分钟，出炉后再经轧制，制得本发明具有高孔隙度的多层复合自润滑材料。
上述一种具有高孔隙度的多层复合自润滑材料的制备方法，所述的铜粉在750～920℃温度条件下烧结5～30分钟，以保证与镀铜钢板有良好的结合强度；烧结后合金层的表观密度控制在2.0～4.0g/cm3，其优选值为2.8～3.4g/cm3。
利用本发明所制备的复合材料，通过切断、冲槽、卷圆、整形、倒角、抛光、电镀等系列工艺，可制成滑动轴承或止推垫片。它采用低碳钢板或铜板作为背衬层，表面电镀铜或铜合金，可以保证与合金铜粉具备良好的粘着力。它具有机械性能好，能够保持背衬金属材料的承载能力和机械强度，自润滑性和耐磨性优异，生产效率高，制造成本低等优点。具体物理机械性能如下表：
  测试项目   性能指标
  使用温度   -200～260℃
  最大承载能力   ＞130MPa
  最大PV值   60MPa·m/s(油润滑)
  材料的摩擦磨损性能(MM-200型环块式摩擦磨损试验机：负荷200N，速度为0.419m/s，干摩擦，大气环境)   摩擦系数：≤0.15磨损宽度：＜3.2mm
  表面切削0.15m后轴承的摩擦磨损性能(轴承旋转试验机：负荷2MPa，线速度3.85m/s，油润滑，时间60min)   摩擦系数：≤0.15线性磨损量：≤0.01mm
本发明复合材料可以保证良好的尺寸稳定性，长时间运转时具有较低的噪声。材料经表面研磨或切削加工0.15mm以上，仍能保持优异的耐磨性，因而可以广泛用于涡轮式压缩机中的滑动部件。本发明所采用的纤维具有良好的耐磨性，不易产生对偶表面的磨损。所采用的固体润滑剂具有良好的润滑性，并与聚四氟乙烯有良好的协同润滑效应。本发明所添加的粉体填料与聚四氟乙烯有良好的协同效应，可以有效地促进PTFE在对偶摩擦副表面的粘着，有效地降低摩擦温度。
具体实施方式：
实施例1：
在电镀铜的低碳钢(厚度为2.1mm)表面烧结铜合金粉，铜合金粉中锡含量为12wt％，锌含量为3wt％，铅含量为3wt％，将以上所述的铜合金粉均匀铺敷在镀铜低碳钢板上，保证铺粉厚度为0.35mm，在氨分解气体保护条件下于900℃烧结10min，出炉后保证铜粉与镀铜钢板有良好的结合强度。
按下述表面润滑材料(聚合物材料)实施配方表第1列中的配比将各组分在机械搅拌器内进行混合，保证混合物的均匀性。然后放入烘箱，将混合物于200℃的条件下进行干燥处理，将混合物的水分脱去。将脱去水后的混合物放入锥形或双锥形混合器中进行混合，并且加入1/5体积比的45号机械油。随后将混合均匀的材料铺覆于已经烧结好的铜粉的金属板表面上，通过轧制，将混合物轧入合金层内，轧制后的厚度控制在2.50mm然后将其置于连续式烧结炉中，在氮气保护条件下于420℃进行烧结，时间为20分钟，出炉后再经轧制，可以制备出符合厚度公差的多层复合材料。
实施例2：
在电镀铜的低碳钢(厚度为2.1mm)表面烧结铜合金粉，铜合金粉中锡含量为8wt％，锌含量为5wt％，将以上所述的铜合金粉均匀铺敷在镀铜低碳钢板上，保证铺粉厚度为0.35mm，在NH3分解气氛保护条件下于910℃烧结15min，出炉后保证铜粉与镀铜钢板有良好的结合强度。
下述表面润滑材料(聚合物材料)实施配方表第2列的配比将各组分在机械搅拌器内进行混合，具体过程与实施示例1相同。
实施例3：
在电镀铜的低碳钢(厚度为2.1mm)表面烧结铜合金粉，铜合金粉中锡含量为10wt％，铅含量为5wt％，将以上所述的铜合金粉均匀铺敷在镀铜低碳钢板上，保证铺粉厚度为0.35mm，在NH3分解气氛保护条件下于860℃烧结20min，出炉后保证铜粉与镀铜钢板有良好的结合强度。
下述表面润滑材料(聚合物材料)实施配方表第3列的配比将各组分在机械搅拌器内进行混合，具体过程与实施示例1相同。
实施例4：
在电镀铜的低碳钢(厚度为2.1mm)表面烧结铜合金粉，铜合金粉中锡含量为6wt％，锌含量为6wt％，铅含量为3wt％，将以上所述的铜合金粉均匀铺敷在镀铜低碳钢板上，保证铺粉厚度为0.35mm，在NH3分解气氛保护条件下于870℃烧结15min，出炉后保证铜粉与镀铜钢板有良好的结合强度。
下述表面润滑材料(聚合物材料)实施配方表第4列的配比将各组分在机械搅拌器内进行混合，具体过程与实施示例1相同。
实施例5：
在电镀铜的低碳钢(厚度为2.1mm)表面烧结铜合金粉，铜合金粉的成分含量与实施方法与实施示例1相同。
下述表面润滑材料(聚合物材料)实施配方表第5列的配比将各组分在机械搅拌器内进行混合，具体过程与实施示例1相同。
实施例6：
在电镀铜的低碳钢(厚度为2.1mm)表面烧结铜合金粉，铜合金粉的成分含量与实施方法与实施示例2相同。
下述表面润滑材料(聚合物材料)实施配方表第6列的配比将各组分在机械搅拌器内进行混合，具体过程与实施示例1相同。
实施例7：
在电镀铜的低碳钢(厚度为2.1mm)表面烧结铜合金粉，铜合金粉的成分含量与实施方法与实施示例3相同。
下述表面润滑材料(聚合物材料)实施配方表第7列的配比将各组分在机械搅拌器内进行混合，具体过程与实施示例1相同。
             表面润滑材料(聚合物材料)实施配方表

Claims (6)

1、一种具有高孔隙度的多层复合自润滑材料，其特征在于，它以低碳钢板为基材，表面进行电镀铜处理，然后在其背衬层表面上烧结具有一定孔隙率铜合金粉，再在表面铺覆烧结聚合物材料，通过轧制调整厚度后制成，所述铜合金粉中锡的重量含量为1～15％，优选值为8～12％；锌的重量含量为0～6％；铅的重量含量为0～6％，优选值为3～5％。
2、如权利要求1述的一种具有高孔隙度的多层复合自润滑材料，其特征在于，所述的青铜粉烧结后合金层的表观密度为2.0～4.0g/cm3，优选值为2.8～3.4g/cm3。
3、如权利要求1或2所述的一种具有高孔隙度的多层复合自润滑材料，其特征在于，所述聚合物材料以聚四氟乙烯为主要树脂，其组成及重量含量分别为：(1)、聚四氟乙烯，重量含量为20～99％；(2)、其它有机氟树脂，采用可熔性聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯中的一种或两种，重量含量为0.1～20％；(3)、纤维，采用玻璃纤维、碳纤维、芳香族聚酰胺纤维或钛酸钾晶须中的一种，重量含量为0.1～15％；(4)、固体润滑剂，采用二硫化钼或石墨，重量含量为0.1～30％；(5)、具有协同润滑作用的无机物粉体采用金属氟化物、金属硫酸盐和金属磷酸盐等填料，重量含量为0.1～15％。
4、如权利要求3所述的一种具有高孔隙度的多层复合自润滑材料，其特征在于，所述纤维的直径≤8μm，平均纤维长度为50μm以下，长径比为2∶1至5∶1。
5、一种具有高孔隙度的多层复合自润滑材料的制备方法，其特征在于，它包括下列步骤：1、用机械混合器将有机氟树脂、纤维、固体润滑剂和无机物粉体充分混合搅拌，然后放入烘箱，将混合物于120～200℃的条件下进行干燥处理，将混合物的水分脱去；2、将脱去水后的混合物放入锥形或双锥形混合器中进行混合，并加入一定量的润滑油，以保证混合的效果；3、将混合均匀的材料铺覆于已经烧结好铜粉的低碳钢板或铜板表面上，通过轧制，将混合物轧入合金层内，然后将其置于连续式烧结炉中，在氮气保护条件下进行烧结，温度控制在360～420℃范围内，时间为5～30分钟，出炉后再经轧制，制得具有高孔隙度的多层复合自润滑材料。
6、如权利要求5所述的一种具有高孔隙度的多层复合自润滑材料的制备方法，其特征在于，所述的铜粉在750～920℃温度条件下烧结5～30min，以保证与镀铜钢板有良好的结合强度；烧结后合金层的表观密度2.0～4.0g/cm3，其最佳值控制在2.8～3.4g/cm3。
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C56 Change in the name or address of the patentee

Owner name: ZHEJIANG COB BEARING CO., LTD.

Free format text: FORMER NAME: JIAXING COB BEARING INC.

CP03 Change of name, title or address

Address after: 314300 Jiaxing Economic Development Zone, Zhejiang Province

Patentee after: Zhejiang COB Bearing Co., Ltd.

Address before: 314001 Jiaxing Economic Development Zone, Zhejiang Province

Patentee before: Jiaxing COB Bearing Inc.

C56 Change in the name or address of the patentee

Owner name: ZHEJIANG ZHONGDA PRECISION PARTS CO., LTD.

Free format text: FORMER NAME: ZHEJIANG COB BEARING CO., LTD.

CP03 Change of name, title or address

Address after: 314000 Jiaxing Economic Development Zone, Zhejiang Province

Patentee after: COB PRECISION PARTS INC.

Address before: 314300 Jiaxing Economic Development Zone, Zhejiang Province

Patentee before: Zhejiang COB Bearing Co., Ltd.