一种聚醚醚酮改性聚四氟乙烯复合材料、轴承保持架及其制备方法

摘要

本发明公开了一种聚醚醚酮改性聚四氟乙烯复合材料、轴承保持架及其制备方法，该复合材料由以下质量百分比的组分组成：聚醚醚酮18％～25％、二硫化钨5％～8％，其余为聚四氟乙烯。本发明的复合材料，由聚四氟乙烯、聚醚醚酮与二硫化钨组成，聚醚醚酮具有良好的耐温、耐水解、抗压、耐腐蚀性能，同时其摩擦系数低、耐磨耗；二硫化钨具有较高的抗压强度及抗氧化性能、很低的摩擦系数；聚醚醚酮和二硫化钨作为填充剂对聚四氟乙烯进行改性，所得复合材料既保留了聚四氟乙烯的润滑性能，同时提高了聚四氟乙烯的尺寸稳定性、抗压性及耐磨性，热变形温度也较纯聚四氟乙烯材料显著提高，满足了长寿命轴承对保持架材料的要求。

说明书

技术领域

本发明属于非金属材料保持架技术领域，具体涉及一种聚醚醚酮改性聚四氟乙烯复合 材料，同时还涉及一种采用上述复合材料的轴承保持架及其制备方法。

背景技术

轴承是机械设备中的一种重要传动部件，主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过 程中的摩擦系数并保证其回转精度。按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和 滑动轴承两大类，其中滚动轴承一般由外圈、内圈、滚动体和保持架四部分组成。保持架 (又称轴承保持器)，是指部分包裹全部或部分的滚动体并随之运动的轴承零件，用以隔 离滚动体，通常还引导滚动体并将其保持在轴承内。保持架能使滚动体均匀分布，防止滚 动体脱落，引导滚动体旋转并起润滑作用。

滚动轴承在工作时，由于滑动摩擦造成轴承发热和磨损，特别在高温运转条件下，惯 性离心力的作用加剧了摩擦、磨损与发热，严重时会造成保持架烧伤或断裂，致使轴承不 能正常工作。因此，保持架的材料除要求具有一定的强度外，还必须导热性好、摩擦因数 小、耐磨性好、冲击韧性强、密度较小且线胀系数与滚动体相接近。

保持架按材质可分为金属材料保持架和非金属材料保持架。金属材料保持架如黄铜、 钢、轻合金等，通常允许较高的速度，适用于在纯滚动之外还附加其它运动的场合，尤其 适用高加速度情况。但是金属材料保持架在使用过程中需要采取适当的措施如施加润滑油 等，以保证保持架引导表面和轴承内部有足够的润滑；同时金属材料保持架多采用金属板 冲压成型，由于其材质相接近，容易造成亲和现象，影响保持架的质量和使用性能；且冲 压保持架需经受较复杂的冲压变形，还要求材料具有良好的加工性能。非金属材料保持架 主要有实体尼龙保持架、增强聚醚醚酮保持架等，非金属材料的强度与弹性有良好的结合， 并且解决了金属保持架相同金属之间亲和性的问题，但是非金属材料本身所存在的热变 形、老化和脆裂等缺点，使其在承载性、耐磨性、耐水解性和阻燃性等方面存在一定的问 题，应用受到限制。

聚四氟乙烯(PTFE)是优良的轴承用固体自润滑保持架材料，其在摩擦过程中，易于 在对偶面上形成转移膜，变为PTFE材料间的摩擦，从而具有极低的摩擦因数；同时聚四 氟乙烯还具有优异的耐高低温、耐化学腐蚀性能等特点，是一种优异的非金属材料。但是， 纯的聚四氟乙烯材料硬度低、不耐磨、易冷流、线胀系数大、抗压缩性能差，且其热变形 温度低，用作轴承保持架材料时不适于承载大且转速高的工况，因此，改性聚四氟乙烯复 合材料成为人们研究的重点。

现有技术中，《聚四氟乙烯/聚醚醚酮复合保持架材料性能试验分析》(王枫，《轴承》， 2013)公开了一种聚四氟乙烯/聚醚醚酮复合保持架材料，其是将粒径为75μm的聚醚醚酮 (PEEK)经干燥处理后，与PTFE一起加入高速组织捣碎机高速搅拌成混合料；将不同配 比的PTFE/PEEK混合料冷压成型后烧结制备出PTFE/PEEK复合材料。结果表明，添加的 聚醚醚酮质量分数为15％时，聚四氟乙烯/聚醚醚酮二元复合保持架材料综合性能最佳，与 纯聚四氟乙烯相比，抗压强度提高了近3倍，热变形温度提高42℃，耐磨性能也显著提高。 但是，上述改性的聚四氟乙烯复合材料仍存在机械强度低、耐磨性及承载性差等缺点，不 能满足长使用寿命轴承对保持架材料的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚醚醚酮改性聚四氟乙烯复合材料，解决现有改性聚四氟乙 烯复合材料存在机械强度低、耐磨性及承载性差等缺点，不能满足长使用寿命轴承对保持 架材料要求的问题。

本发明的第二个目的是提供一种采用上述复合材料的轴承保持架。

本发明的第三个目的是提供一种上述轴承保持架的制备方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种聚醚醚酮改性聚四氟乙烯复合材料，由以下质量百分比的组分组成：聚醚醚酮 18％～25％、二硫化钨5％～8％，其余为聚四氟乙烯。

上述聚醚醚酮改性聚四氟乙烯复合材料的制备方法，包括将聚四氟乙烯粉、聚醚醚酮 粉和二硫化钨粉混合制成混合料，将混合料压制成型后烧结，即得。该制备方法中，可根 据具体的成型产品确定压制成型的压力、成型形状及烧结温度等技术参数；可以先形成中 间坯料，也可以直接形成成型产品。

一种轴承保持架，由以下质量百分比的组分组成：聚醚醚酮18％～25％、二硫化钨5％～ 8％，其余为聚四氟乙烯。

一种上述的轴承保持架的制备方法，包括将聚四氟乙烯粉、聚醚醚酮粉和二硫化钨粉 混合制成混合料，将混合料填充至保持架模具中，压制成型后脱模，烧结，即得。

所述混合料的制备方法包括：取聚四氟乙烯粉在转速10000～12000r/min条件下搅拌2 次，每次10～15s；后加入聚醚醚酮粉和二硫化钨粉，在转速12000～15000r/min条件下搅 拌3～5次，每次15～20s；后进行过筛，即得所述混合料。上述混料工艺设计合理，使填 充剂聚醚醚酮与二硫化钨在聚四氟乙烯中分散均匀，提高轴承保持架后续加工的均一性与 稳定性。

所述过筛指的是过60目筛。上述制备方法中，所述聚四氟乙烯粉的粒径≤100μm；所 述聚醚醚酮的粒径≤50μm；所述二硫化钨粉的粒径为≤150μm。

上述制备方法中，所述聚醚醚酮粉和二硫化钨粉使用前分别进行真空干燥。干燥处理 时原料平铺在干燥设备中，平铺厚度不超过25mm。聚醚醚酮粉和二硫化钨粉易吸水，真 空干燥的作用是去除水分和空气。

所述真空干燥的真空度为0.03～0.08MPa，干燥温度为145～155℃，干燥时间为3～ 4h。

真空干燥后对聚醚醚酮粉和二硫化钨粉分别进行300目和100目过筛，分别取筛下物 密封保存备用。

上述制备方法中，所述压制成型的压力为35～50MPa，保压时间为5～10min。

所述保持架模具包括模套、模芯、底座和冲头，所述模芯为长度沿轴线方向延伸的圆 柱体，所述底座为横截面为圆环形的套体且吻合套设在所述模芯一端的外部；所述模套为 横截面为圆环形的套体且吻合套设在所述底座的外部，所述冲头为内表面与所述模芯的外 表面吻合插接配合、外表面与所述模套的内表面吻合插接配合的管状体，冲头与模芯、模 套、底座之间形成用于使轴承保持架成型的模腔。

优选的，如保持架的内径为d、外径为D、高度为H，则保持架模具中，所述模套的 内径＝D+(4～8)mm，所述模芯的外径＝d-(2.5～3)mm，所述模套的高度＝模芯的高度 ≥3.5×(H+2)mm。所述冲头的外径与所述模套的内径相匹配，所述冲头的内径与所述 模芯的外径相匹配，所述底座的内径与所述模芯的外径相匹配，所述底座的外径与所述模 套的内径相匹配。

所述压制成型的具体操作为：在保持架模具的模套与底座结合处设置垫片，加压排气 去除保持架模具内的空气后，加压至10～18MPa(初压压力)并保压至少0.5min；去除垫 片后，加压至45～50MPa(终压压力)并保压5～10min。压制成型过程的工艺参数选配得 当，所得轴承保持架具有较好的尺寸稳定性及承载性。优选的，加压至10～18MPa(初压 压力)并保压0.5～1min。

在保持架模具的模套与底座结合处设置垫片，是指在保持架模具的模套与底座结合外 缘处左右两边各设置一个垫片(左右垫片高度一致且小于底座高度，形状无特殊要求)， 对保持架材料进行初压加压并保压后，使底座露出模套外，保证去除垫片后对保持架材料 进行的二次加压是从底座和冲头两边同时受力。若不加垫片，则再加压过程中保持架材料 只能从冲头上端单边受力，将导致材料间的压力梯度差加大，拉伸性能、硬度及密度等相 关特性不稳定，波动偏差值较大。

上述制备方法中，烧结后还进行了精加工，即得轴承保持架。

制备的轴承保持架的外径尺寸不同，初压压力及终压压力也可不同，本领域技术人员 可根据需要进行调整。优选的，轴承保持架的外径(D)与初压压力、终压压力的选择如 下表1所示。

表1压制成型工艺参数

保持架的外径 D≥100mm 50mm≤D＜100mm D＜50mm 初压压力/MPa 10～12 12～15 15～18 终压压力/MPa 35～40 40～45 45～50

所述烧结的具体操作为：以2～3℃/min的速率升温至322～332℃并保温120～150min， 再以2～3℃/min的速率升温至370～380℃并保温90～150min；后以1～2℃/min的速率降 温至325～335℃并保温90～120min，再以1～2℃/min的速率降温至245～255℃并保温 60～80min，然后以1～2℃/min的速率降温至120～150℃后，冷却至室温。烧结过程中的 温度控制点、升温速度、降温速度及保温时间参数选配得当，使得所得轴承保持架具有极 佳的综合性能。由于聚醚醚酮与聚四氟乙烯材料都是结晶型高分子聚合物，降温冷却过程 实质上是聚四氟乙烯和聚醚醚酮由无定型相向结晶转变的过程；冷却速度的快慢决定着材 料的结晶度，冷却速度太快会导致制品结晶度小且内部冷却不均匀，制品收缩变形，甚至 产生应力开裂现象。

制备的轴承保持架的外径尺寸不同，各温度控制点的保温时间也可不同，本领域技术 人员可根据需要进行调整。优选的，轴承保持架的外径(D)与各温度控制点的保温时间 的选择如下表2所示。

表2烧结过程的工艺参数

本发明的聚醚醚酮改性聚四氟乙烯复合材料，由聚四氟乙烯、聚醚醚酮与二硫化钨组 成，其中聚醚醚酮具有良好的耐温、耐水解、抗压及耐腐蚀性能，同时其摩擦系数低、耐 磨耗；二硫化钨具有较高的抗压强度及抗氧化性能，同时具有很低的摩擦系数；聚醚醚酮 和二硫化钨作为填充剂对聚四氟乙烯进行改性，所得复合材料既保留了聚四氟乙烯的润滑 性能，同时提高了聚四氟乙烯的尺寸稳定性、抗压性及耐磨性，热变形温度也较纯聚四氟 乙烯材料显著提高，满足了长寿命轴承对保持架材料的要求。

采用本发明的聚醚醚酮改性聚四氟乙烯复合材料的轴承保持架，具有质轻、尺寸稳定、 拉伸强度高、摩擦系数小、耐磨性及承载性优、自润滑的特点，用在轴承上可显著提高轴 承的可靠性和稳定性；使用寿命长，满足长寿命轴承对保持架的要求，可广泛用于长寿命 轴承领域。

本发明的轴承保持架的制备方法，包括将聚四氟乙烯粉、聚醚醚酮粉和二硫化钨粉混 合制成混合料，将混合料填充至保持架模具中，压制成型后脱模，烧结即得；该制备方法 工艺简单，批次稳定性及生产效率高；所用设备结构简单易得，操作方便，适合大规模工 业化生产。

本发明的轴承保持架的制备方法中，压制成型采用压机，结构简单，实用价廉；烧结 采用程控式烧结炉，操作工序简单易学，控温效果较好，使同炉批的坯料性能稳定可靠， 且生产效率及产品性能质量也大幅提高，制作出得保持架成本低、质量优。

附图说明

图1为实施例1所用的轴承保持架模具的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为实施例1中在保持架模具的模套与底座结合处设置垫片的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例的聚醚醚酮改性聚四氟乙烯复合材料，由以下质量百分比的组分组成：聚醚 醚酮20％、二硫化钨8％，其余为聚四氟乙烯。

本实施例的轴承保持架，由以下质量百分比的组分组成：聚醚醚酮20％、二硫化钨8％， 其余为聚四氟乙烯。即本实施例的轴承保持架采用上述的聚醚醚酮改性聚四氟乙烯复合材 料。

本实施例的轴承保持架的制备方法，包括下列步骤：

1)将聚醚醚酮粉和二硫化钨粉分别置于真空干燥箱中进行真空干燥，干燥处理时原 料平铺在真空干燥箱中，平铺厚度不超过25mm；真空干燥的真空度为0.08MPa，干燥温 度为150℃，真空干燥3h后取出冷却，并对聚醚醚酮粉和二硫化钨粉分别进行300目和 100目过筛，取筛下物密封保存备用；

2)取配方量的聚四氟乙烯粉放入高速搅拌机内，以10000r/min的转速搅拌2次，每 次15s；然后再加入配方量的步骤1)所得的聚醚醚酮粉和二硫化钨粉，以12000r/min的 转速搅拌3次，每次20s，对搅拌后的粉料进行60目过筛，对筛下物进行目视观察，无明 显色差的即为合格的混合料，密封保存备用；

3)将步骤2)所得混合料均匀填充入保持架模具的模腔内，然后压上冲头进行合模；

4)将合模后的保持架模具放在压力机中，并在模具的模套与底座的结合处先放置垫 片，采用压力机给模具加压，先进行3次排气以去除所述模具中的空气，然后加压至16MPa 并保压0.5min；去除垫片后再给模具加压至50MPa并保压10min，脱模即得保持架预成型 坯料；

5)将步骤4)所得保持架预成型坯料放入程控式烧结炉中，以2℃/min的速率升温至 327℃后保温120min，再以2℃/min的速率升温至375℃后保温90min；后以1℃/min的速 率降温至330℃后保温90min，再以1℃/min的速率降温至255℃并保温60min，然后以1℃ /min的速率降温至150℃后，自然冷却至室温后取出，即得。

上述制备方法中，所用的轴承保持架模具如图1、2所示，包括模套1、模芯2、底座 4和冲头3，所述模芯2为长度沿轴线方向延伸的圆柱体，所述底座4为横截面为圆环形 的套体且吻合套设在所述模芯2一端的外部；所述模套1为横截面为圆环形的套体且吻合 套设在所述底座4的外部，所述冲头3为内表面与所述模芯2的外表面吻合插接配合、外 表面与所述模套1的内表面吻合插接配合的管状体，冲头3与模芯2、模套1、底座4之 间形成用于使轴承保持架成型的模腔5。

在保持架模具的模套与底座结合处设置垫片，如图3所示，是指在保持架模具的模套 1与底座4结合处左右两边各设置一个垫片6(左右垫片高度一致且小于底座高度)，对保 持架材料进行初压加压并保压后，使底座4露出模套1外，保证去除垫片6后对保持架材 料进行的二次加压是从底座4和冲头3两边同时受力。

上述制备方法所得的轴承保持架成品的内径d＝28.1mm、外径D＝36.8mm、高度 H＝7.7mm，则保持架模具中，所述模套的内径＝D+4mm＝40.8mm，所述模芯的外径 ＝d-2.5mm＝25.6mm，所述模套的高度＝模芯的高度≥3.5×(H+2.5)mm(即35.7mm)；所 述冲头的外径与所述模套的内径相匹配，所述冲头的内径与所述模芯的外径相匹配，所述 底座的内径与所述模芯的外径相匹配，所述底座的外径与所述模套的内径相匹配。

实施例2

本实施例的聚醚醚酮改性聚四氟乙烯复合材料，由以下质量百分比的组分组成：聚醚 醚酮18％、二硫化钨5％，其余为聚四氟乙烯。

本实施例的轴承保持架，由以下质量百分比的组分组成：聚醚醚酮18％、二硫化钨5％， 其余为聚四氟乙烯。即本实施例的轴承保持架采用上述的聚醚醚酮改性聚四氟乙烯复合材 料。

本实施例的轴承保持架的制备方法，包括下列步骤：

1)将聚醚醚酮粉和二硫化钨粉分别置于真空干燥箱中进行真空干燥，干燥处理时原 料平铺在真空干燥箱中，平铺厚度不超过25mm；真空干燥的真空度为0.03MPa，干燥温 度为145℃，真空干燥3h后取出冷却，并对聚醚醚酮粉和二硫化钨粉分别进行300目和 100目过筛，取筛下物密封保存备用；

2)取配方量的聚四氟乙烯粉放入高速搅拌机内，以11000r/min的转速搅拌2次，每 次13s；然后再加入配方量的步骤1)所得的聚醚醚酮粉和二硫化钨粉，以10000r/min的 转速搅拌5次，每次15s，对搅拌后的粉料进行60目过筛，对筛下物进行目视观察，无明 显色差的即为合格的混合料，密封保存备用；

3)将步骤2)所得混合料均匀填充入保持架模具的模腔内，然后压上冲头进行合模；

4)将合模后的保持架模具放在压力机中，并在模具的模套与底座的结合处先放置垫 片，采用压力机给模具加压，先进行3次排气以去除所述模具中的空气，然后加压至15MPa 并保压0.5min；去除垫片后再给模具加压至45MPa并保压10min，脱模即得保持架预成型 坯料；

5)将步骤4)所得保持架预成型坯料放入程控式烧结炉中，以3℃/min的速率升温至 322℃后保温120min，再以3℃/min的速率升温至370℃后保温120min；后以1℃/min的 速率降温至335℃后保温90min，再以1℃/min的速率降温至255℃并保温60min，然后以 1℃/min的速率降温至150℃后，自然冷却至室温后取出，即得。

本实施例所用的轴承保持架模具的结构及设置垫片的方式同实施例1。

本实施例所得制备的轴承保持架成品的内径d＝81.8mm、外径D＝86.3mm、高度 H＝8.5mm，则保持架模具中，所述模套的内径＝D+5.5mm＝91.8mm，所述芯轴的外径 ＝d-2.5mm＝79.3mm，所述模套的高度＝芯轴的高度≥3.5×(H+2.5)mm(即38.5mm)；所 述冲头的外径与所述模套的内径相匹配，所述冲头的内径与所述芯轴的外径相匹配，所述 底座的内径与所述芯轴的外径相匹配，所述底座的外径与所述模套的内径相匹配。

实施例3

本实施例的聚醚醚酮改性聚四氟乙烯复合材料，由以下质量百分比的组分组成：聚醚 醚酮20％、二硫化钨5％，其余为聚四氟乙烯。

本实施例的轴承保持架，由以下质量百分比的组分组成：聚醚醚酮20％、二硫化钨5％， 其余为聚四氟乙烯。即本实施例的轴承保持架采用上述的聚醚醚酮改性聚四氟乙烯复合材 料。

本实施例的轴承保持架的制备方法，包括下列步骤：

1)将聚醚醚酮粉和二硫化钨粉分别置于真空干燥箱中进行真空干燥，干燥处理时原 料平铺在真空干燥箱中，平铺厚度不超过25mm；真空干燥的真空度为0.08MPa，干燥温 度为155℃，真空干燥4h后取出冷却，并对聚醚醚酮粉和二硫化钨粉分别进行300目和 100目过筛，取筛下物密封保存备用；

2)取配方量的聚四氟乙烯粉放入高速搅拌机内，以12000r/min的转速搅拌2次，每 次10s；然后再加入配方量的步骤1)所得的聚醚醚酮粉和二硫化钨粉，以10000r/min的 转速搅拌4次，每次17s，对搅拌后的粉料进行60目过筛，对筛下物进行目视观察，无明 显色差的即为合格的混合料，密封保存备用；

3)将步骤2)所得混合料均匀填充入保持架模具的模腔内，然后压上冲头进行合模；

4)将合模后的保持架模具放在压力机中，并在模具的模套与底座的结合处先放置垫 片，采用压力机给模具加压，先进行3次排气以去除所述模具中的空气，然后加压至12MPa 并保压0.5min；去除垫片后再给模具加压至35MPa并保压10min，脱模即得保持架预成型 坯料；

5)将步骤4)所得保持架预成型坯料放入程控式烧结炉中，以2℃/min的速率升温至 332℃后保温150min，再以2℃/min的速率升温至380℃后保温150min；后以1℃/min的 速率降温至335℃后保温120min，再以2℃/min的速率降温至255℃并保温60min，然后以 2℃/min的速率降温至150℃后，自然冷却至室温后取出，即得。

本实施例所用的轴承保持架模具的结构及设置垫片的方式同实施例1。

本实施例所得制备的轴承保持架成品的内径d＝136.3mm、外径D＝145.6mm、高度 H＝15.5mm，则保持架模具中，所述模套的内径＝D+8mm＝153.6mm，所述芯轴的外径 ＝d-3mm＝133.3mm，所述模套的高度＝芯轴的高度≥3.5×(H+2.5)mm(即63mm)；所述 冲头的外径与所述模套的内径相匹配，所述冲头的内径与所述芯轴的外径相匹配，所述底 座的内径与所述芯轴的外径相匹配，所述底座的外径与所述模套的内径相匹配。

上述实施例中，所用的聚四氟乙烯、聚醚醚酮和二硫化钨均为市售商品。

实验例

本实验例对实施例1-3所得轴承保持架的性能进行测试。结果如表3所示。

其中对比例1为传统改性聚四氟乙烯复合材料即玻璃纤维改性聚四氟乙烯复合材料。 对比例2为背景技术中所述的聚四氟乙烯/聚醚醚酮二元改性复合保持架材料。

表3实施例1-3所得轴承保持架的性能测试结果

从表3可以看出，实施例1-3所得轴承保持架与传统改性玻璃纤维改性PTFE复合材 料相比，拉伸强度和摩擦系数相当，其密度、磨损量及磨痕宽度都显著降低，且抗压强度 及邵氏硬度显著提高。从表3还可以看出，实施例1-3所得轴承保持架材料与背景技术中 所述的聚四氟乙烯/聚醚醚酮二元改性复合保持架材料相比，其密度相当，摩擦系数、磨损 量及磨痕宽度都明显降低，故其耐磨性得到显著提高；拉伸强度、抗压强度及邵氏硬度都 显著提高。

二硫化钨性能优异，化学稳定性高、耐热性优良、摩擦系数低、抗压强度大，抗极压 性能和抗氧化性能高，可用于高温、高压、高转速、高负荷工况条件下；对金属表面有极 好的吸附能力，将其喷涂于金属表面，可用于提高模具的寿命和工件表面的光洁度；由于 二硫化钨剪切强度小，与物体附着力强，在对摩面可形成一层物理保护膜，既承载摩擦过 程中的载荷，又阻隔了摩擦副之间的直接接触，起到抗磨减摩作用。本发明的聚醚醚酮改 性聚四氟乙烯三元复合材料中增加了二硫化钨，与聚四氟乙烯/聚醚醚酮二元复合保持架材 料相比，其摩擦系数及磨损量都明显降低。

实验结果表明，采用本发明的聚醚醚酮、二硫化钨改性聚四氟乙烯复合材料的轴承保 持架具有机械强度高、密度小、使用温度范围宽、耐磨性好、自润滑性能及承载能力强的 特点，与现有技术相比，在机械强度、耐磨性及承载性等方面都有显著的进步性；用在轴 承上可显著提高轴承的可靠性和稳定性；使用寿命长，满足长寿命轴承对保持架的要求， 可广泛用于长寿命轴承领域。