專利名稱：軸承的制作方法
軸承本發(fā)明涉及滑動(dòng)軸承(plain bearing)，特別是(但并非僅僅)涉及具有結(jié)實(shí)的背襯層、施加在所述背襯層之上的第一軸承材料層以及施加在所述第一軸承材料層之上的第二軸承材料層的滑動(dòng)軸承。在內(nèi)燃機(jī)中用作曲軸軸頸軸承的滑動(dòng)軸承(例如)通常為半圓柱形，并且通常具有層狀結(jié)構(gòu)。該層狀結(jié)構(gòu)通常包含厚度約為(例如)Imm以上的結(jié)實(shí)的背襯材料(例如鋼)；粘附于背襯的第一軸承材料的襯墊(lining)，其厚度通常約在0. Imm至0.5mm范圍內(nèi)；并且通常還含有粘附于第一軸承材料表面的第二軸承材料層，其厚度小于約25 μ m。該第二軸承材料的表面與配合的心軸軸頸(shaft journal)表面形成實(shí)際的運(yùn)轉(zhuǎn)或滑動(dòng)表面。當(dāng)軸承(例如)安裝在主軸承座內(nèi)或安裝在連桿大頭內(nèi)時(shí)，背襯提供強(qiáng)度并防止軸瓦發(fā)生變形。如果第二軸承材料層因任何原因被磨損殆盡，那么第一軸承材料層則提供合適的軸承運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，第一軸承材料層提供抗咬合性以及與心軸軸頸表面的相容性，并且防止軸頸表面與結(jié)實(shí)的背襯材料接觸。如上所述，雖然第一軸承材料提供抗咬合性和相容性，但其通常比第二層的材料硬。因此，在調(diào)整軸承表面與心軸軸頸之間小的失配(順應(yīng)性 (conformability))、以及包埋在潤滑油供應(yīng)中循環(huán)的污物顆粒以防止碎屑劃傷或損壞軸頸表面(污物包埋性)這些方面，第一軸承材料的性能較差。第一軸承材料通?？梢赃x自鋁基合金材料或銅基合金材料。鋁基合金通常包括其中含有軟金屬第二相的鋁合金基質(zhì)。通常，軟金屬相可以選自鉛、錫和鉍中的一種或多種。 然而，由于鉛污染環(huán)境，因此如今鉛并不是優(yōu)選的元素?？紤]到環(huán)境因素，很可能最終也不會使用像銅-鉛合金和含鉛青銅這樣的銅基合金，而是使用(例如)無鉛的銅合金來代替。與心軸軸頸配合的第二軸承材料層也稱為覆蓋層，并且其通常由相對很軟的金屬層制成。其實(shí)例是，(例如)通過電化學(xué)沉積法沉積的鉛-錫合金。然而，這種合金除了對環(huán)境不利外，在現(xiàn)代高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用中還易于磨損。為了用不含鉛的、更耐磨的替代品來取代這種覆蓋合金，已經(jīng)對(例如)具有相對高的錫含量并且通過(例如)陰極濺射工藝沉積的軟鋁合金進(jìn)行了大量研究。這種工藝的缺點(diǎn)是，這種軸承層的造價(jià)昂貴，并且由于該工藝需要使用真空濺射設(shè)備，因此基本上為小批量工藝。最近，已經(jīng)對由塑料聚合物材料基質(zhì)構(gòu)成的軸承覆蓋層進(jìn)行了研究。一些研究者已經(jīng)在常規(guī)的金屬軸承合金襯墊之上提供了塑料聚合物軸承層，作為所謂的“磨合”層(bedding-in layer)，該層旨在隨著時(shí)間的推移而磨耗，從而留下所述常規(guī)的金屬軸承襯墊作為長期的運(yùn)轉(zhuǎn)或滑動(dòng)表面。這種聚合物磨合層具有相對高含量的填料材料，該填料材料通常包括自潤滑材料，例如石墨、二硫化鉬等。高填充量的弱質(zhì)材料也會使該軸承層的強(qiáng)度和耐磨性劣化，該軸承層相對較快地磨耗以實(shí)現(xiàn)磨合層的功能。由于該層的目的在于相對較快地磨耗，因此其通常很薄，約為5 μ m以下。與本申請具有共同所有權(quán)人的專利文獻(xiàn)WO 2004/113749公開了一種塑料聚合物基軸承層，當(dāng)該軸承層沉積在具有金屬軸承材料層的軸承上時(shí)，其具有優(yōu)選為10 μ m至 30 μ m的常規(guī)覆蓋層的厚度，其覆蓋的目的在于延長軸承的壽命。此外，當(dāng)該文獻(xiàn)所描述的材料以優(yōu)選為40 μ m至70 μ m的厚度直接沉積在結(jié)實(shí)的背襯層之上時(shí)，該材料還可以構(gòu)成唯一的軸承層。所述塑料聚合物基覆蓋材料包含聚酰亞胺/酰胺基質(zhì)或改性環(huán)氧樹脂基質(zhì)；以及選自以下物質(zhì)的填料15體積％至30體積％的金屬粉末、1體積％至15體積％的氟聚合物、0. 5體積％至20體積％的陶瓷粉和2體積％至15體積％的二氧化硅?；谶@種配方的塑料聚合物覆蓋層表現(xiàn)出高的耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，然而，相對較高的填料含量往往會使覆蓋層相對較硬，從而使其在吸收和消除潤滑油中循環(huán)的碎屑顆粒所產(chǎn)生的不利影響這方面的能力較差，因此污物包埋性可能會低于預(yù)期，這會導(dǎo)致軸承表面和/或軸頸表面被劃傷。本發(fā)明旨在提供一種塑料聚合物基覆蓋材料，該塑料聚合物基覆蓋材料減輕了已知的聚合物基軸承材料的一些缺點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種塑料聚合物基軸承材料，其含有聚酰亞胺/ 酰胺塑料聚合物材料基質(zhì)，并且在所述基質(zhì)中遍布有金屬粉末，為5體積％至小于15體積％ ；氟聚合物，為1體積％至15體積％ ；除附帶的雜質(zhì)之外余量為聚酰亞胺/酰胺樹脂。在WO 2004/113749中，聚酰亞胺/酰胺樹脂基質(zhì)還含有乙烯基樹脂添加劑，從而提高所得軸承層的順應(yīng)性。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)已不需要這種乙烯基添加劑，這是因?yàn)?，與早期材料相比，目前的塑料聚合物軸承材料中填料材料的量已大大降低，所以該塑料聚合物軸承材料具有足夠的順應(yīng)性。此外，早期材料中的乙烯基添加劑往往會削弱聚酰亞胺/酰胺基質(zhì)的強(qiáng)度。因此，目前的新型塑料聚合物基軸承材料的重要優(yōu)點(diǎn)在于，與我們早期的聚合物軸承材料相比，目前的材料含有顯著更高比例的本身強(qiáng)度更高的材料。我們現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，聚酰亞胺/酰胺樹脂基質(zhì)自身是一種強(qiáng)度很高的材料，并且當(dāng)軸承處于發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境中時(shí)，該基質(zhì)可以經(jīng)受作用于其上的化學(xué)侵蝕、機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力， 向該基質(zhì)中加入添加劑的目的在于改善聚酰亞胺/酰胺基質(zhì)材料的表面滑動(dòng)性能。在本發(fā)明的塑料聚合物軸承材料的優(yōu)選實(shí)施方案中，金屬粉末的含量可以在11 體積％至14體積％的范圍內(nèi)，并且典型地為12. 5體積％。金屬粉末可以選自鋁、鋁合金、銅、銅合金、銀、鎢、不銹鋼等。然而出乎意料的是， 雖然我們早期的材料顯示鋁和鎢的金屬粉末混合物得到了最佳性能，但我們現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，純的鋁粉末自己就能得到最佳結(jié)果。粒度為約Ιμπι至5μπι，優(yōu)選為2μπι至3μπι的片狀片晶(flake platelet)形式的鋁粉末是最合適形式的金屬粉末添加劑。粉末的片狀性質(zhì)通常導(dǎo)致這樣的結(jié)果由于這些片的平面通常取向?yàn)榕c軸承表面平行，因此金屬粉末的最大面積暴露于配合的心軸軸頸。這種取向是由以下更詳細(xì)描述的沉積軸承材料的制備方法而導(dǎo)致的。鋁粉末片晶片狀形態(tài)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，由于每個(gè)單獨(dú)顆粒的表面積相對較大， 使得顆粒更牢固地粘附于基質(zhì)，由此防止在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，鋁顆粒從基質(zhì)脫離。在不希望被任何特定的理論所束縛的情況下，據(jù)信，本發(fā)明軸承材料的良好耐磨性可能是由于在鋁薄片的表面上形成了氧化鋁薄膜。據(jù)信，氧化鋁提供非常細(xì)的研磨劑，該研磨劑往往會磨光配合的心軸軸頸表面上的機(jī)加工粗糙部位，使得心軸軸頸表面自身對聚合物基軸承材料產(chǎn)生更少的磨耗作用，從而降低其磨損率。在本發(fā)明的塑料聚合物基材料的優(yōu)選實(shí)施方案中，所述氟聚合物的含量可以優(yōu)選在2體積％至8體積％的范圍內(nèi)。所述氟聚合物添加劑可以優(yōu)選由聚四氟乙烯(PTFE)組成，因?yàn)镻TFE在降低軸承材料的摩擦系數(shù)和提高自潤滑性方面，是最有效的氟聚合物。然而，如有需要，可以使用 (例如)在軸承領(lǐng)域內(nèi)公知的其它氟聚合物，例如氟化乙烯-丙烯(FEP)。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種制備塑料聚合物基軸承材料的方法，該方法包括以下步驟在溶劑中制備聚酰亞胺/酰胺塑料樹脂材料與金屬粉末添加劑和氟聚合物的混合物，其中金屬粉末添加劑為5體積％至小于15體積％的金屬粉末，氟聚合物為1體積％至15體積％，余量包含聚酰亞胺/酰胺樹脂；將該混合物涂敷于基底上；進(jìn)行處理以除去所述溶劑；以及，進(jìn)行處理以固化(consolidate)所述聚酰亞胺/酰胺基質(zhì)。需要指出的是，在上述組合物中，所述聚酰亞胺/酰胺樹脂、金屬粉末和氟聚合物的含量為除去溶劑之后，留在最終材料中的含量。理想的是，所述溶劑型混合物具有合適的粘度，使得將該溶劑型混合物涂敷于基底上的涂敷工藝能夠?qū)е滤鏊芰暇酆衔镙S承材料的最終厚度為所需的厚度，而不需要將其機(jī)加工至所需最終壁厚。然而，如有需要，可以對所述塑料聚合物材料進(jìn)行機(jī)加工。當(dāng)金屬軸承材料層直接位于所述塑料聚合物層之下時(shí)，該聚合物層的合適的最終厚度可以在4μπι至40μπι之間。優(yōu)選厚度可以為4μπι至15μπι。而更優(yōu)選厚度可以為 4 μ m M 10 μ m?；卓梢园ò?例如)結(jié)實(shí)的背襯材料(例如鋼或青銅)的復(fù)合材料，所述結(jié)實(shí)的背襯材料還具有(例如)與其粘附的金屬軸承材料層(例如鋁基或銅基軸承合金)。 此外，所述基底可以為任何所需的形式，例如基本完成的半圓柱形的半軸承或者扁平帶材 (flat strip)，該扁平帶材例如可以在涂敷步驟之后被制成軸承?？晒┻x擇的另一種方式是，基底可以只包括結(jié)實(shí)的背襯材料層，而塑料聚合物軸承材料沉積在該結(jié)實(shí)的背襯材料層上。在這種只使用結(jié)實(shí)的背襯層而沒有中間金屬軸承材料層的情況下，與將塑料聚合物軸承材料沉積在金屬軸承材料層上的情況相比，前者可以沉積更厚的本發(fā)明塑料聚合物軸承材料層。當(dāng)塑料聚合物層直接沉積在結(jié)實(shí)的背襯層上時(shí)，其厚度可以被規(guī)定為40 μ m至 ΙΟΟμπι，優(yōu)選為40μπι至70μπι。然而，當(dāng)結(jié)實(shí)的背襯層為青銅材料(其本身就可以是合適的軸承材料)時(shí)，該塑料聚合物層可以比這些值更薄。所述塑料聚合物混合物還可以包含硅烷材料添加劑。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，硅烷材料可以提高聚酰亞胺/酰胺基質(zhì)的穩(wěn)定性，還發(fā)現(xiàn)硅烷材料可以提高聚酰亞胺/酰胺樹脂材料對基底的粘附性。合適的硅烷材料可以為Y-氨丙基三乙氧基硅烷，并且其可以按3體積％至 6體積％的量加入所述混合物。合適的可供選擇的硅烷材料可以包括雙-(Y-三甲氧基硅丙基)胺。合適的溶劑可以包括η-甲基-2-吡咯烷酮二甲苯，并且可以按多種比例使用，從而使得用于涂敷到基底上的混合物達(dá)到特定希望的粘度。將塑料聚合物軸承材料沉積到基底上的合適的方法可以為噴涂法。也可以通過在基底上噴涂多個(gè)獨(dú)立的層來控制層厚。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種其上具有本發(fā)明第一方面所述塑料聚合物軸承材料層的滑動(dòng)軸承。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了利用本發(fā)明第二方面所述方法制備的滑動(dòng)軸承。為了更全面地理解本發(fā)明，下面將僅以示例的方式結(jié)合以下附圖來說明實(shí)施例，
6其中

圖1示出了具有本發(fā)明的塑料聚合物基覆蓋材料作為運(yùn)轉(zhuǎn)滑動(dòng)表面的滑動(dòng)軸承的一部分沿厚度方向的截面示意圖。圖1顯示出滑動(dòng)軸承的一部分的截面，其包括結(jié)實(shí)的背襯1 (例如鋼)、包含銅基合金或鋁基合金的軸承襯墊層2、以及本發(fā)明的塑料聚合物基覆蓋層3。制作兩個(gè)本發(fā)明軸承的實(shí)施例，它們具有以下塑料聚合物基覆蓋涂層實(shí)施例1青銅基底上的聚合物涂層
1.背襯低碳鋼
厚度 Imm至5 mm
2.襯墊Cu余量
Sn 8% Ni 1%
厚度300 μπι
3.覆蓋涂層Al 12.5% PTFE 5.7% 硅烷4.8% 其它總量<0.1%
聚酰亞胺/酰胺77% 厚度12 μπι實(shí)施例2鋁基底上的聚合物涂層
1.背襯低碳鋼
厚度Imm至5 mm
2.襯墊Al余量 Sn 6.5% Cu 1%Ni 1% Si 2.5%
具有Mn和V添加劑厚度300 μπι 3.覆蓋涂層 Al 12.5% PTFE 5.7% 硅烷4.8% 其它總量<0.1% 聚酰亞胺/酰胺77% 厚度9 μιη切割雙金屬圈并利用沖壓工具制成半圓形坯件，從而將測試軸承制備成標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)線的鋼/襯墊材料坯件。之后，沿所述半圓形坯件的所有邊緣對其進(jìn)行機(jī)加工，從而獲得具有或不具有倒角的平滑加工表面。之后利用標(biāo)準(zhǔn)方法將這些工件鏜削至所需壁厚。為了制備涂敷用鏜削表面，將這些工件除油，之后采用標(biāo)準(zhǔn)噴砂法，利用AI2O3細(xì)砂粒(360)對其進(jìn)行噴砂。利用氣噴凈法除去所有殘留的砂粒。之后遮蓋這些工件以進(jìn)行噴涂。之后利用標(biāo)準(zhǔn)手動(dòng)氣動(dòng)噴槍進(jìn)行噴涂。在每層之間進(jìn)行閃蒸過程以除去溶劑，從而形成多層的涂層。 在達(dá)到最終的涂層厚度之后，在190°C下，使所述涂層最終固化30分鐘。工件一旦冷卻，則在測試之前不需要對其進(jìn)一步加工。在本說明書的整個(gè)說明書和權(quán)利要求書中，詞語“包括”和“包含”以及該詞語的變型(例如“含有”和“具有”)是指“包括但不限于”，并非旨在(并且不會)排除其他部分、 添加劑、組分、整數(shù)或步驟。在本說明書的整個(gè)說明書和權(quán)利要求中，除非上下文另外指明，否則單數(shù)形式涵蓋復(fù)數(shù)形式。特別是，在使用不定冠詞時(shí)，除非上下文另外指明，否則應(yīng)當(dāng)認(rèn)為本說明書涵蓋復(fù)數(shù)和單數(shù)。與本發(fā)明的特定方面、實(shí)施方案或?qū)嵤├煌枋龅男再|(zhì)、整數(shù)、特征、化合物、化學(xué)部分或基團(tuán)應(yīng)當(dāng)被理解為適用于本文所述的任何其他方面、實(shí)施方案或?qū)嵤├?，除非與之不相容。
權(quán)利要求
1.一種塑料聚合物基軸承材料，其包含聚酰亞胺/酰胺塑料聚合物材料基質(zhì)，并且在所述基質(zhì)中遍布有金屬粉末，為5體積％至小于15體積氟聚合物，為1體積％至15體積％ ；除附帶的雜質(zhì)之外余量為聚酰亞胺/酰胺樹脂。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塑料聚合物基軸承材料，其中，所述金屬粉末的含量在11體積％至14體積％的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的塑料聚合物基軸承材料，其中，所述金屬粉末的含量約為 12. 5體積％。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的塑料聚合物基軸承材料，其中，所述金屬粉末選自包括以下物質(zhì)的組鋁、鋁合金、銅、銅合金、銀、鎢、不銹鋼。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的塑料聚合物基軸承材料，其中，所述金屬粉末為鋁。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的塑料聚合物基軸承材料，其中，所述鋁粉末具有粒度約為 1 μ m至5 μ m的片狀片晶形式的顆粒。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的塑料聚合物基軸承材料，其中，所述粒度為2μ m至3 μ m。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的塑料聚合物基軸承材料，其中，所述氟聚合物的含量在2體積％至8體積％的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的塑料聚合物基軸承材料，其中，所述氟聚合物選自包括PTFE和FEP的組。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的塑料聚合物基軸承材料，其中，所述材料還包含3體積％至6體積％范圍內(nèi)的硅烷。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的塑料聚合物基軸承材料，其中，所述硅烷材料選自包括 Y“氨丙基三乙氧基硅烷和雙_( Y -三甲氧基硅丙基)胺的組。
12.—種制備塑料聚合物基軸承材料的方法，該方法包括以下步驟在溶劑中制備聚酰亞胺/酰胺塑料樹脂材料與金屬粉末添加劑和氟聚合物的混合物， 其中所述金屬粉末添加劑為5體積％至小于15體積％的金屬粉末，所述氟聚合物為1體積％至15體積％，余量包含所述聚酰亞胺/酰胺樹脂；將所述混合物涂敷于基底上；進(jìn)行處理以除去所述溶劑；以及，進(jìn)行處理以固化所述聚酰亞胺/酰胺基質(zhì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，該方法還包括以下步驟控制所述溶劑型混合物的粘度，以在固化之后獲得具有所需最終厚度的塑料聚合物軸承材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其中，所述溶劑為η-甲基_2_吡咯烷酮二甲苯。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，將所述混合物涂敷于基底上的方法為噴涂法。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，在所述基底上噴涂多個(gè)獨(dú)立的層。
17.—種滑動(dòng)軸承，其上具有根據(jù)權(quán)利要求1至11中任意一項(xiàng)所述的塑料聚合物基軸承材料的層。
18.一種實(shí)質(zhì)上如參照所附說明書和附圖所述的塑料聚合物基軸承材料。
19.一種實(shí)質(zhì)上如參照所附說明書和附圖所述的制備塑料聚合物基軸承材料的方法。
20. 一種實(shí)質(zhì)上如參照所附說明書和附圖所述的其上具有塑料聚合物基軸承材料層的滑動(dòng)軸承。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種塑料聚合物基軸承材料及其制備方法，所述材料包含聚酰亞胺/酰胺塑料聚合物材料基質(zhì)，并且在所述基質(zhì)中遍布有金屬粉末，為5體積％至小于15體積％；氟聚合物，為1體積％至15體積％；除附帶的雜質(zhì)之外余量為聚酰亞胺/酰胺樹脂。
文檔編號F16C33/20GK102272470SQ200980154002
公開日2011年12月7日 申請日期2009年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月8日
發(fā)明者喬納森·福德, 卡羅琳·邁斯通 申請人:馬勒發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)英國有限公司, 馬勒國際公司