具有硫化鋅和硫酸鋇的滑動軸承材料和滑動軸承復(fù)合材料的制作方法
【專利說明】具有硫化鋅和硫酸鋇的滑動軸承材料和滑動軸承復(fù)合材料
[0001] 本發(fā)明涉及基于塑料的滑動軸承材料以及包含相應(yīng)滑動軸承材料的滑動軸承復(fù) 合材料。
[0002] 在許多情況下致力于使滑動軸承無需維修。為了能夠?qū)崿F(xiàn)無需維修，滑動軸承必 須具有良好的干式運轉(zhuǎn)性能，即即使不使用液體潤滑劑也能運轉(zhuǎn)，為此，所使用的材料必須 可承受高摩擦。
[0003] 通過DE 195 24 968已知，使用包含填料的作為基礎(chǔ)材料的含氟聚合物可以改進 滑動軸承的干式運轉(zhuǎn)性能。通常通過例如以μπι/min測得的磨損速率表征干式運轉(zhuǎn)性能。
[0004] 例如包含PTFE (聚四氟乙烯)和作為填料的MoS2 (二硫化鉬）、PTFE和鉛或PTFE、CaF2 (二氟化鈣)和ZnS(硫化鋅）的滑動軸承材料在很長時間以來是已知和常用的。特別地，基于 PTFE并且具有填料MOS2或六方氮化硼(h-BN)的滑動軸承材料具有高的摩擦承受力。
[0005] MOS2是礦物產(chǎn)物，其具有高的加工要求以實現(xiàn)不變的品質(zhì)。鉛由于其毒性而不再 用作填料，并且CaF 2和ZnS單獨造成不足以用于所有相關(guān)應(yīng)用的磨損速率。六方BN目前是非 常昂貴的材料，因此出于經(jīng)濟原因使用六方BN作為填料是不利的。
[0006] 具有包含PTFE和硫化鋅的滑動層的軸承材料在一段時間以來是已知的并且目前 屬于標準材料。EP 1 390 629 Bl中描述了基于PTFE并且具有10-25體積％ZnS的材料，所述 材料中混合了碳纖維和PPSO2JE 10 2006 048 311 Al中描述了由塑料基質(zhì)和至多20% PTFE以及5-15 %硫酸鋇或硫化鋅的添加劑組成的組合物。
[0007] 還考慮了硫化鋅和硫酸鋇和任選其它填料的填料組合。EP 1 716 342 Bl提出例 如具有升高的孔體積和50體積％ PVDF或60體積％ PA、PESU或PPS的塑料基質(zhì)的材料，其中包 含高于5體積％的PTFE和至少5體積％，優(yōu)選8至12體積％的硫化鋅和/或硫酸鋇。然而所述 實施例要么只包含硫化鋅，要么只包含硫酸鋇。EP 1 526 296 A2描述了基于PEEK、PPS或PA 的材料，所述材料具有硬化組分和碳纖維但是不具有PTFE，ZnS和/或BaSO4的含量為5至15 重量％，其中具體只提到了具有ZnS的組合物。DE 36 01 569 Al公開了加入細粒ZnS和 BaSO4作為塑料復(fù)合滑動軸承中的聚合物的添加劑，其中可以包含以基質(zhì)材料計5至40體 積％的份數(shù)的硫化鋅、以硫化鋅粒子計至多5體積％的8 &504。所述實施例這樣選擇，要么只 使用硫化鋅，要么只使用硫酸鋇，或者使用具有0.5體積％的少量硫酸鋇的硫化鋅。
[0008] 然而，因此實現(xiàn)的磨損速率的改進仍不足以用于許多應(yīng)用領(lǐng)域，因此本發(fā)明的目 的是提供具有作為基礎(chǔ)材料的含氟聚合物和填料的滑動軸承材料，所述滑動軸承材料具有 比已知滑動軸承材料更低的磨損速率。
[0009] 在前文所述類型的滑動軸承材料的情況下，通過50至85體積％的作為基礎(chǔ)材料的 含氟聚合物與填料的組合實現(xiàn)所述目的，所述填料包含硫化鋅和硫酸鋇和任選的以總填料 含量計至多40體積％的其它填料，其中硫化鋅與硫酸鋇的體積比例在0.1和15.7之間，優(yōu)選 在0.1和10.0之間，更優(yōu)選在0.8和4.88之間，特別優(yōu)選在1.5和3.44之間。
[0010]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，相比于要么只具有硫化鋅要么只具有硫酸鋇或者具有含少量硫酸鋇的 硫化鋅的材料，使用根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以以出人意料的方式顯著改進磨損速率。相比于 基于含氟聚合物并且具有硫化鋅填料的已知滑動軸承材料，通過硫化鋅與硫酸鋇的體積比 例的整個要求保護的范圍，磨損速率降低至1.5分之一，在0.1至10的比例下，磨損系數(shù)甚至 降低至二分之一以下。在1.5至3.44的更窄的比例范圍內(nèi)，磨損速率進一步趨向至二分之 一，總共甚至趨向至五分之一。相對地，基于含氟聚合物和硫酸鋇填料的已知滑動軸承材 料，在0.1至10的比例下，磨損速率可以降低至1.6分之一以下，并且在最窄的范圍內(nèi)，降低 至三分之一以下。
[0011]硫化鋅和硫酸鋇以平均粒度優(yōu)選為5μπι或更小，特別是Ιμπι或更小的粉末形式存 在。
[0012] 因此一方面實現(xiàn)磨損速率的進一步降低，另一方面改進制造滑動軸承材料時的可 分散性，這簡化了制造過程并且因此成本低廉。
[0013] 特別優(yōu)選地，硫化鋅成分和硫酸鋇成分以鋅鋇白形式存在。
[0014] 鋅鋇白是通過硫化鋅和硫酸鋇的共同沉淀產(chǎn)生的混合物，所述混合物可以以10比 90至60比40的組成（即硫化鋅與硫酸鋇的0.11至1.5的體積比例)獲得。
[0015]優(yōu)選地，其它填料以總填料含量的2至20體積％的份數(shù)存在。
[0016] 其它填料根據(jù)應(yīng)用技術(shù)進行選擇并且具有例如熱固性塑料或高溫?zé)崴苄运芰稀?br>[0017] 通過熱固性塑料或高溫?zé)崴苄运芰峡梢詫崿F(xiàn)磨損速率的進一步降低，而不會損壞 反向運動元件的表面。其特別升高塑料層本身的承載能力并且能夠?qū)崿F(xiàn)更長的操作時間而 不會暴露燒結(jié)結(jié)構(gòu)。在此被證明特別適合作為高溫?zé)崴苄运芰系氖蔷埘啺贰⒕埘０孵?胺、PEEK(聚醚醚酮）、PPS0 2(聚苯砜）、PPS(聚苯硫醚）、全芳族或部分芳族的聚酰胺或聚酯 或其混合物。
[0018] 通過使其它填料具有固體潤滑劑可以進一步影響性能。被證明特別有效作為固體 潤滑劑的是石墨、具有層結(jié)構(gòu)的金屬硫化物或六方氮化硼。固體潤滑劑可以改進特別是操 作狀態(tài)下的磨損速率和承受力，燒結(jié)結(jié)構(gòu)暴露于所述固體潤滑劑并且因此成為滑動偶件。
[0019] 此外當其它填料具有顏料(特別是焦炭或氧化鐵)時，特別在介質(zhì)潤滑的情況下可 以降低磨損速率。顏料影響潤濕性并且因此影響潤滑膜的構(gòu)造。
[0020] 當其它填料具有纖維(例如石墨短纖維或芳綸纖維)時，特別改進相對于剪切力的 機械承受力。
[0021] 還被證明有利的是，其它填料具有硬質(zhì)材料例如碳化硼或氮化硅。當反向運動元 件的表面粗糙時，通過所述硬質(zhì)材料的打磨或拋光作用特別地進一步改進根據(jù)本發(fā)明的滑 動軸承材料的磨損速率。
[0022] 即使當不存在介質(zhì)潤滑時，通過氧化鐵（III)出人意料地造成磨損速率特別明顯 的降低。有利的是，以滑動軸承材料的總組成計，其它填料具有0.5至8.5體積％的氧化鐵 (III)，優(yōu)選1至5體積％的氧化鐵(III)，特別優(yōu)選1至3體積％的氧化鐵(III)。優(yōu)選地，氧化 鐵(I II)的平均粒度為5mi或更小。因此，造成特別均勻的層性能和表面性能。
[0023]上述所有填料可以40體積％，優(yōu)選至多20體積％的所述最高量范圍進行組合。 [0024]含氟聚合物優(yōu)選為PTFE(聚四氟乙烯），或PTFE與PFA(全氟烷氧基烷烴）、MFA(四氟 乙烯-全氟甲基乙烯基醚）、FEP(全氟-乙烯-丙烯）、ETFE(乙烯-四氟乙烯）、PCTFE(聚氯三氟 乙烯)或PVDF(聚偏二氟乙烯）的混合物。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，通過具有機械穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)的滑動軸承復(fù)合材料實現(xiàn)所 述目的，向所述機械穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)中嵌入上述滑動軸承材料。
[0026]機械穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)用于提高滑動軸承材料的承載能力，所述滑動軸承材料雖然具有 所述出色的摩擦性能但是僅具有低承受力。
[0027]根據(jù)復(fù)合材料的一個有利的實施方案，所述結(jié)構(gòu)由塑料基質(zhì)形成，以整個復(fù)合材 料的體積計，所述塑料基質(zhì)的體積份數(shù)在60和95 %之間，優(yōu)選在65和80 %之間。
[0028] 在根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合材料的一個優(yōu)選的實施方案中，塑料基質(zhì)包含熱固性塑料或 熱塑性塑料，例如PPS(聚苯硫醚）、PPA(聚鄰苯二甲酰胺）、PVDF(聚偏二氟乙烯）、PSU(聚 砜）、PESU(聚醚砜）、PEI (聚醚酰亞胺）、PEEK(聚醚醚酮）、PAI(聚酰胺酰亞胺）或PK聚酰亞 胺)或其混合物。
[0029] 復(fù)合材料的另一個有利的實施方案提出，所述結(jié)構(gòu)由金屬織物或金屬板網(wǎng)形成。
[0030] 特別優(yōu)選地，所述結(jié)構(gòu)由浸漬了滑動軸承材料的燒結(jié)基質(zhì)形成。
[0031] 浸漬以已知的方式如下進行:在壓力下用滑動軸承材料的水懸浮液涂布通常開孔 的燒結(jié)基質(zhì)，使糊劑填充基質(zhì)的孔并且根據(jù)用量形成封閉的覆蓋層。然后使所產(chǎn)生的材料 在350至400 °C下經(jīng)受熱處理，滑動軸承材料在熱處理中被燒結(jié)。
[0032]特別優(yōu)選地，燒結(jié)基質(zhì)具有15至50%的孔體積，其中孔被滑動軸承材料完全填充。 [0033]還優(yōu)選的是，燒結(jié)基質(zhì)被滑動軸承材料的覆蓋層覆蓋，所述覆蓋層具有至多150μ m，優(yōu)選5至40μηι的厚度。
[0034]燒結(jié)基質(zhì)優(yōu)選為金屬基質(zhì)并且特別優(yōu)選由具有5至15重量％鋅的青銅組成。
[0035]在基于PTFE燒結(jié)青銅的復(fù)合材料的情況下以如下程度改進導(dǎo)電性：當將5μπιΛπι的 最大磨損速率設(shè)定為極限值時，在不含潤滑劑的條件下在平均負載和速度范圍內(nèi)可以實現(xiàn) 至多4MPa m/s的ρν值。ρν值通常被理解為在尚未超過設(shè)定的磨損速率(在此為5ym/km)之前 可允許的負載和速度的乘積的最大值。同時所述材料在干式運轉(zhuǎn)時具有有利的摩擦系數(shù)。
[0036] 根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還通過具有金屬背襯的滑動軸承層狀復(fù)合材料實現(xiàn)所 述目的，在所述金屬背襯上設(shè)置上述類型的復(fù)合材料。
[0037] 所謂的載體金屬賦予層狀復(fù)合材料升高的強度。
[0038] 為了增強軸承，在所述金屬背襯上既可以設(shè)置金屬織物或金屬板網(wǎng)也可以設(shè)置塑 料基質(zhì)或燒結(jié)青銅。
[0039] 本發(fā)明原則上也可以以實心塑料滑動元件或不同的雙層和多層復(fù)合材料(例如具 有作為基材的實心軸承金屬層)的實施方式實現(xiàn)。
[0040] 借助優(yōu)選實施例參考附圖詳細描述本發(fā)明。附圖顯示：
[0041]圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的滑動軸承層狀復(fù)合材料的第一個實施例的原理圖，
[0042]圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的滑動軸承層狀復(fù)合材料的第二個實施例的原理圖，
[0043]圖3顯示了磨損速率和硫化鋅與硫酸鋇的比例的相關(guān)性的圖，和
[0044] 圖4顯示了磨損速率和作為其它填料的氧化鐵(III)的含量的相關(guān)性的圖。
[0045] 圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的滑動軸承層狀復(fù)合材料1(^的第一個實施例，所述滑動軸 承層狀復(fù)合材料IO1包括金屬背襯12i，設(shè)置在金屬背襯12:上的多孔燒結(jié)層14(例如由青銅 組成)形式的機械穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，和與多孔層14粘附結(jié)合的滑動軸承材料16。燒結(jié)基質(zhì)被滑動 軸承材料的封閉的覆蓋層30覆蓋。換言之，由燒結(jié)基質(zhì)14限定的層高度小于由滑動軸承材 料16限定的層的高度。覆蓋層30的厚度d為至多150μπι，優(yōu)選在5至40μπι的范圍內(nèi)。覆蓋層在 一定的磨合時間之后磨損，使得然后位于其下方的帶有支撐燒結(jié)結(jié)構(gòu)14的滑動層與反向運 動元件投入使用?；瑒虞S承層狀復(fù)合材料16具有體積份數(shù)為50至85%的含氟聚合物以及作 為填料的硫化鋅18和硫酸鋇20?；瑒虞S承層狀復(fù)合材料16還具有其它填料28。
[0046]圖2中顯示了滑動軸承層狀復(fù)合材料IO2的第二個實施例，所述滑動軸承層狀復(fù)合 材料IO2包括金屬背襯122和與金屬背襯122直接粘附結(jié)合的滑動層，其中所述滑動層由滑動 軸承材料16形成。滑動軸承材料16在其