改性聚酰亚胺耐磨层的三层复合自润滑滑动轴承及其制作方法

摘要

本发明公开了一种改性聚酰亚胺耐磨层的三层复合自润滑滑动轴承及其制作方法。它是在钢板的一个表面上烧结一层多孔球形青铜粉，其特征是在多孔球形青铜粉层上覆盖一层改性聚酰亚胺耐磨材料制成自润滑滑动轴承的板材，再按常规工艺将自润滑滑动轴承的板材制成轴套状的滑动轴承或轴瓦或止推垫片或滑板或摩擦盘片或球座结构件的制品。生产工艺：改性聚酰亚胺的糊状物制备、铜球粉烧结、准备、涂覆、改性聚酰亚胺烧结、精轧、裁料、成形。该发明具有刚度好、强度高、耐高温、耐摩擦、无铅的优良性能，特别适用于重载荷、变载、高PV值的滑动轴承。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种滑动轴承，尤其是一种在滑动层面带有改性聚酰亚胺耐磨层的三层 复合自润滑滑动轴承及其制作方法。

背景技术

20世纪70年代英国Glacier公司问世DU轴承，是有三层复合材料卷制而成的滑动轴 承，在摩擦层衬里层采用聚四氟乙烯(PTFE)和铅(Pb)烧结的混合物，其特点是低摩擦、 耐磨损、自润滑，DU轴承的出现替代了传统滑动轴承必须依赖加油润滑，是滑动轴承领域 一次颠覆性的革命，大大降低了材料成本，改小了体积，降低了劳动成本和环境污染。DU 产品一直延续至今还在用，但DU产品还是存在着很多不足之处，首先它含铅，其次摩擦性 能、环境适用性能(耐高温)受到PTFE本身物理性能的限止，在较高的温度和较高的负载 工况下难担重负。多年来业内对三层复合的滑动轴承创新的研究没有停止过，而研究的重点 是放在无铅和提高摩擦磨损性能、高承载能力及耐高温上。如已授权的ZL 2009 10153447公 开了一种“PEEK覆膜高性能滑动轴承及其制造方法”，具有高PV值，抗疲劳性能优良，耐 高温，耐磨性能优越的性能，技术方案是：它以钢板为基材，在基材的工作表面按现有技术 烧结一层球形青铜粉层，制成多孔铜粉复合板材，其特征是在球形青铜粉层面上复合一层改 性聚醚醚酮薄膜通过热压使接触面的熔融状态下互渗镶嵌结合制成改性聚醚醚酮复合板材， 再对改性聚醚醚酮复合板材根据滑动轴承的规格按常规工艺进行裁料、卷制加工成滑动轴 承。但该轴承还是存在很多不足：①制造工艺过于复杂，要获得高性能滑动轴承第一步是控 制好改性PEEK薄膜的生产工艺和质量，保证其性能达到设计要求；第二步是通过温度、压 力保证PEEK薄膜和多孔铜粉复合板材的结合强度。所以制作成本大、产量低、产品质量成 品率较低、产品的一致性、稳定性还不够好。②性能上还有提升的空间，特别是玻璃转化温 度只有143℃，不能适用在高温度300℃工况场合。

发明内容

本发明的主要目的是公开一种改性聚酰亚胺耐磨层的三层复合自润滑滑动轴承及其制 作方法。这一产品的成功问世是对传统DU产品新的重大改进和技术提升，不但去掉DU轴承 中有害物质——铅，同时也大幅度的提升了轴承的摩擦、磨损性能、承载能力和耐高温性能。 对比PEEK覆膜高性能滑动轴承在价格上体现了低成本、高产出，在产品的质量上体现了一 致性、稳定性，在性能上得到进一步改善，并且在应用领域上得到进一步的扩大。

本发明耐磨层的主体材料是聚酰亚胺(PI)是一种耐热性高的高分子材料，分子量在 10万以上，熔点为388℃，玻璃化转变温度为337℃，经填充改性后在-269℃～+400℃的大 范围温度变化内能仍保护较好的物理机械性能，具有优异的电绝缘性、耐磨性、抗高温辐射 性能。当聚酰亚胺(PI)树脂与石墨或聚四氟乙烯(PTFE)等材料填充后是一种高性能的自 润滑材料。

本发明的改性聚酰亚胺耐磨层的三层复合自润滑滑动轴承是通过如下技术方案来实现 的：它是在钢板的一个表面上烧结一层多孔球形青铜粉，其特征是在多孔球形青铜粉层上覆 盖一层改性聚酰亚胺耐磨材料制成自润滑滑动轴承的板材，再按常规工艺将自润滑滑动轴承 的板材制成轴套状的滑动轴承或轴瓦或止推垫片或滑板或摩擦盘片或球座结构件的制品。

所述的改性聚酰亚胺耐磨材料的原料以重量百分比包括有：聚四氟乙烯10～30％、二 硫化钼5～12％、石墨5～12％和余量为聚酰亚胺。

上述改性聚酰亚胺耐磨层的三层复合滑动轴承的生产工艺，其特征包括有下列步骤：

(1)改性聚酰亚胺的糊状物制备：

A.配料：按重量比：聚四氟乙烯10～30％，颗径为3～6μm、二硫化钼5～12％，颗径为5～ 10μm、石墨5～12％，颗径为5～10μm和余量为固含量15～30％的聚酰亚胺溶液，余量值按溶 液中的固含量计算。

B.混合：将上述配料中的聚四氟乙烯、二硫化钼、石墨均匀混合成混合物；

C.糊状物的制备：在混合物中加入聚酰亚胺溶液一起搅拌均匀，制成改性聚酰亚胺的糊 状物；

(2)铜球粉烧结：在钢板上均匀铺上球形青铜粉后按现有技术一起烧结成多孔铜粉复合板；

(3)准备：在使用前将制备好的改性聚酰亚胺的糊状物再次搅拌10min；

(4)涂覆：在预热的多孔铜粉复合板面将制成的改性聚酰亚胺的糊状物采用刮、刷、喷 涂的工艺涂覆在多孔铜粉复合板的铜粉面上，糊状物的厚度一般0.08～0.15mm；当需要糊状 物的厚度达0.30～0.60mm时，采用将制成的改性聚酰亚胺糊状物经双螺杆挤出机挤出，连续 涂敷在多孔铜粉复合板上并刮平；

(5)改性聚酰亚胺烧结：涂覆后的多孔铜粉复合板再经370～385℃氮气保护下无氧烧 结，时间25～30min，制成改性聚酰亚胺复合板材；

(6)精轧：对干燥烧结后的改性聚酰亚胺复合板材在轧机上精轧，轧制到规定厚度尺 寸，制成自润滑滑动轴承的板材；

(7)裁料：按轴承的规格，对自润滑滑动轴承的板材下料；

(8)成形：冲压、卷制、整形、车削加工成型，制成带有改性聚酰亚胺耐磨层的三层 复合自润滑滑动轴承。

聚酰亚胺是目前工程塑料中耐热性最好的品种之一，有不同牌号、分子量、改性 填充物，1.8MPa下热变形温度360℃，有的品种可长期承受290℃高温短时间承受490℃ 的高温，另外力学性能、耐疲劳性能、难燃性、尺寸稳定性、电性能都好，成型收缩 率小。有优良的耐摩擦、磨耗性能，聚酰亚胺通过与PTFE二硫化钼、石墨的固体润滑剂 填充改性后，更提高了它的摩擦磨损性能，而钢板提供了轴承基体的机械强度，中间烧结的 球形青铜粉层则提供改性聚酰亚胺耐磨材料与钢板间结合的媒介，同时由于铜合金层具有较 高的热传导系数，因为可以很好转移轴承工作时产生的摩擦热量，该滑动轴承在于所述的多 孔球形青铜粉层和以聚酰亚胺为主的摩擦层的配料中均无铅。

按照上述结构和方法制造的改性聚酰亚胺耐磨层的三层复合自润滑滑动轴承具有刚度 好、强度高、耐高温、耐摩擦、无铅的优良性能，特别适用于重载荷、变载、高PV值的滑 动轴承，如高压柱塞油泵、大排量高压齿轮油泵、叶片油泵、液压马达、涡旋压缩机、汽轮 机、汽车发动机涨紧轮以及航天航空、军工等领域所用的自润滑滑动轴承，性能远优于传统 的DU产品，对比PEEK覆膜高性能滑动轴承在抗压强度等技术指标都有显著提高，特别是在 卷带自动化生产线与PEEK覆膜短条状板材生产相比其效率和制造成本有更明显的优势。

附图说明

图1、改性聚酰亚胺耐磨层的三层复合自润滑滑动轴承的板材剖面图；

图2、是制作改性聚酰亚胺耐磨层三层复合自润滑滑动轴承的流程图。

其中：1.钢板；2.多孔球形青铜粉层；3.改性聚酰亚胺耐磨层。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1是带有改性聚酰亚胺耐磨层的三层复合自润滑滑动轴承的板材剖面图。从图中可 以看出，它是在钢板1的一个表面上烧结一层多孔球形青铜粉层2，在多孔球形青铜粉层2 上覆盖一层改性聚酰亚胺耐磨材料层3，制成自润滑滑动轴承的板材，再按常规工艺将自润 滑滑动轴承的板材制成轴套状的滑动轴承或轴瓦或止推垫片或滑板或摩擦盘片或球座结构 件的制品。

所述的改性聚酰亚胺耐磨材料的原料以重量百分比包括有：聚四氟乙烯10～30％、二 硫化钼5～12％、石墨5～12％和余量为聚酰亚胺。

上述改性聚酰亚胺耐磨层的三层复合自润滑滑动轴承的生产工艺如图2所示的流程 图，它有下列步骤：

(1)改性聚酰亚胺的糊状物制备：

A.配料：按重量比：聚四氟乙烯10～30％，颗径为3～6μm、二硫化钼5～12％，颗径为 5～10μm、石墨5～12％，颗径为5～10μm和余量为固含量15％的聚酰亚胺溶液，余量值按溶 液中的固含量计算；该聚酰亚胺溶液在市场上可直接购得。

具体原料重量份按下表                                单位：公斤

  原料名称  实施例1  实施例2  实施例3  实施例4  实施例5   聚四氟乙烯  10  20  15  18  30   二硫化钼  12  5  8  10  11   石墨  6  5  5  12  6   聚酰亚胺溶液中的固含量  72  70  72  60  53

后续工艺除原料的配比按上表外，其余均按以下方法生产：

B.混合：将上述配料中的聚四氟乙烯、二硫化钼、石墨均匀混合成混合物；

C.糊状物的制备：在混合物中加入聚酰亚胺溶液一起搅拌均匀，制成改性聚酰亚胺的糊 状物；

(2)铜球粉烧结：在钢板上均匀铺上球形青铜粉后按现有技术一起烧结成多孔铜粉复合板；

(3)准备：在使用前将制备好的改性聚酰亚胺的糊状物再次搅拌10min；

(4)涂覆：在预热的多孔铜粉复合板面将制成的改性聚酰亚胺的糊状物采用刮、刷、喷 涂的工艺涂覆在多孔铜粉复合板的铜粉面上，糊状物的厚度一般0.08～0.15mm；当需要糊状 物的厚度达0.30～0.60mm时，采用将制成的改性聚酰亚胺糊状物经双螺杆挤出机挤出，连续 涂敷在多孔铜粉复合板上并刮平；

(5)改性聚酰亚胺烧结：涂覆后的多孔铜粉复合板再经370～385℃氮气保护下无氧烧 结，时间25～30min，制成改性聚酰亚胺复合板材；

(6)精轧：对干燥烧结后的改性聚酰亚胺复合板材在轧机上精轧，轧制到规定厚度尺 寸，制成自润滑滑动轴承的板材；

(7)裁料：按轴承的规格，对自润滑滑动轴承的板材下料；

(8)成形：冲压、卷制、整形、车削加工成型，制成带有改性聚酰亚胺耐磨层的三层 复合自润滑滑动轴承。

为了进一步了解轴承的工作表面用改性聚酰亚胺和现有的改性聚醚醚酮、四氟乙烯的 摩擦、磨损性能，以下分别制作三种不同的滑动轴承，即分别为实施例1、比较例1、比较 例2进行二种不同型式的摩擦、磨损性能试验。

(一)干摩擦试验

实验设备：MPV-20摩擦磨损试验机

试件尺寸：Φ39×Φ35×20

测试条件：干摩擦；

对磨轴：45#钢，硬度HRC42～47；

测试环境温度：23℃；

速度V：0.5m/s；

载荷P：从初始1MPa起步，然后每10min加载0.8MPa；

极限温升：150℃；

试验时间：100min；

实施例1的试件(用改性PI)

最终PV值：4.07  最终温度：130℃  最终磨损量：0.014mm  平均摩擦系数：0.105

比较例1(用PEEK)

最终PV值：3.05  最终温度：152℃  最终磨损量：0.050mm

平均摩擦系数：0.202  试验时间：70min(因温度已超过极限值，试验终止)

小结：干摩擦试验，实施例1与比较例1的对比中可以看出，在同等的测试条件下，实 施例1成功通过了100min试验；而比较例1，当试验70min时，因温升达到152℃，超过了 温度150℃的极限值，试验终止。从最终试验结果来看，无论是最终PV值，还是最终温度， 最终磨损量，平均摩擦系数，实施例1性能远优于比较例1。

(二)油润滑试验

实验设备：MPV-20摩擦磨损试验机

试件尺寸：Φ39×Φ35×20

测试条件：浸油润滑：32#机油；

对磨轴：45#钢，硬度HRC42～47；

测试环境温度：23℃；

速度V：5m/s；

载荷P：23MPa；

试验时间：8h；

试验结果见下表。

  三种滑动轴承比较   摩擦系数   温升(℃)   时间(h)   磨损量(mm)   实施例1(用改性PI)   0.0137   130.6   8   0.015   比较例1(用PEEK)   0.0247   185.6   8   0.024   比较例2(用PTFE)   无   180.0   0.2   摩擦面被咬合脱落

小结：上述对三种滑动轴承浸油润滑的摩擦磨损性能比较，可以得出：本发明改性聚酰 亚胺耐磨层的三层复合滑动轴承制作的(实施例1)与PEEK覆膜高性能滑动轴承制作的(比 较例1)比较，在以上试验工况下，试验结果：磨损量、温升实施例1明显优于比较例1。 对于用以聚四氟乙烯为主传统DU产品制作的(比较例2)，当试验时间只过12min，在加载 阶段载荷只到15MPa，温升就达180℃，摩擦面被咬合脱落而试验失败，从测试结果无法与 实施例1和比较例1比对。

以上干摩擦与浸油润滑二项摩擦磨损性能试验表明：本发明提供的改性聚酰亚胺耐磨层 的三层复合自润滑轴承与PEEK覆膜高性能滑动轴承及PTFE三层复合自润滑轴承摩擦磨损性 能对比展示出前所未有的优越性。