CN108061097A - 一种无铅滑动轴瓦及生产工艺 - Google Patents

一种无铅滑动轴瓦及生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无铅滑动轴瓦，包括：基体金属层以及位于该基体金属层上的复合材料层，所述复合材料层包括重量百分比的碳纤维：0.05～10％，聚四氟乙烯：0.05～15％，石墨：0.05～10％，二硫化钼：0.05～10％，碳化硅：0.05～5％，以及余量的高分子基体聚酰亚胺或者聚醚醚酮。上述复合材料层通过机械毛化基体金属层、预热基体金属层、喷涂复合材料层、热强化的步骤形成，具有与基体金属层的结合强度高，抗冲击、抗剪切性能强，不易脱落，厚度增加，使用寿命长的优点。

Description

一种无铅滑动轴瓦及生产工艺
技术领域
本发明涉及一种具有复合材料层的无铅滑动轴瓦，以及该轴瓦的生产工艺。
背景技术
目前，工程机械底盘部件及关节部位使用的滑动轴瓦主要有如下几种产品：
1)常规的青铜铸造：材质为重量百分比的铅：1～15％，锡：2～15％，锌：0～15％，其余为Cu。
2)采用双金属材质，由于生产工艺不同又分为离心铸造双金属工艺及粉末烧结板材烧结工艺，该铜合金材质为重量百分比的铅：1～15％，锡：2～15％，锌：0～15％，其余为Cu。
3)采用三层复合材质：表层为聚四氟乙烯，其余与双金属的粉末烧结板材工艺基本一致，其铜合金材质为重量百分比的铅：1～15％，锡：2～15％，锌：0～15％，其余为Cu。
上述滑动轴瓦的铜合金中均含有重金属铅，对于生产制造过程中的人员及产品在使用过程中环境都有重大的健康风险，因此需要一种无铅的滑动轴瓦来减少该类风险，其中日本有公司通过添加铋元素来替代铅，但是铋也是一种有害重金属元素，尽管目前法规没有明确限制，但是随着要求的提高，会逐步强化对该类元素的使用限制。另外国内也有采用含镍基铜合金粉末来替代铅，由于工艺问题及使用性能与目前常规含铅产品有一定的差距。
于是，本领域的技术人员希望通过对表层复合材料涂层的进行优化，从而改善无铅滑动轴瓦的减摩效果。例如公开号为CN103216530的发明专利“一种轴瓦”即公开了一种具有良好的耐磨性和抗疲劳强度的涂层成分以及涂覆方法。然而，现有技术中对滑动轴瓦的研究大多适用于轻载高速的领域，这些产品对于重载低速的工程机械领域是不适用的。主要原因是其承载能力、耐磨能力均不理想。例如，CN103216530中公开的产品，采用丙烯酸树脂及环氧树脂作为化学粘接剂，以化学粘接的方式来使涂层附着在基体材料上，其涂层厚度非常薄，使用寿命有限。如果单纯地增加涂层厚度，其脆性会增加，抗冲击、抗剪切性能降低，容易脱落。因此，有必要对重载低速领域的无铅滑动轴瓦进行进一步研究。
发明内容
本发明的目的是对重载低速领域的无铅滑动轴瓦进行改良，解决其抗冲击、抗剪切性能差，容易脱落的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种无铅滑动轴瓦，包括：基体金属层以及位于该基体金属层上的复合材料层，所述复合材料层包括重量百分比的碳纤维：0.05～10％，聚四氟乙烯：0.05～15％，石墨：0.05～10％，二硫化钼：0.05～10％，碳化硅：0.05～5％，以及余量的高分子基体聚酰亚胺或者聚醚醚酮。
进一步的，所述复合材料层的厚度为0.005～0.4mm。
进一步的，所述基体金属层包括金属基板与铜层。
进一步的，所述金属基板包括重量百分比的碳：0.05～0.8％，硅：0.05～0.8％，锰：0.05～1.0％，铬：0～1.0％，钼：0～1.5％，镍：0～1.0％，以及余量的铁。
进一步的，所述铜层包括重量百分比的锡：0.05～12％，锌：0.05～12％，铝：0.05～8％，锰：0.05～3％，铁：0.05～3％，以及余量的铜。
本发明还提出一种如上所述的无铅滑动轴瓦的生产工艺，包括以下步骤：S1，制备基体金属层，机械毛化基体金属层内表面；S2，预热基体金属层；S3，喷涂复合材料层；S4，热强化。
进一步的，步骤S1中，机械毛化至基体金属层内表面的粗糙度为Ra3.2～Ra200。
进一步的，步骤S2中，预热温度为150～400摄氏度。
进一步的，步骤S3中，复合材料的出口喷涂速度为10～300m/s。
进一步的，步骤S4中，将将工件加热至200～400摄氏度，室温冷却。
由于上述技术方案的采用，本发明具有以下优点：
1、不含铅，对环境及人体都无害；
2、复合材料层与基体金属材料的结合强度高，提高了其抗冲击以及抗剪
切性能，因而增加了涂层厚度，提高了使用寿命；
3、复合材料强度高，避免使用过程中产生的磨屑；
4、即使复合材料层表面磨损形成磨屑，由于其比较软且含有固体润滑
剂，磨屑会嵌入到对磨件的表面凹凸处，使对磨件表面光滑，降低磨损；
5、润滑效果好，在有油润滑下的摩擦因数低于0.1；
6、可以在短时间内承受局部无油工况，特别是在重载冲击载荷下无法形
成有效润滑油膜的工况下，对磨件处于边界润滑或者局部干摩擦时，复合
材料层中的固体润滑剂及其基体在对磨件表面形成转移膜，有效地降低磨损；
7、采用高强度合金铜作为中间过渡层，提高了与金属基板的结合强度，
也提高了复合材料层与铜合金的结合强度，提高了复合材料层的结合附着
力，提高了复合材料层的可靠性及寿命；
8、由于铜层的存在，即使复合材料层局部遭到破坏，该铜层也具有局部
减摩效果。
本发明适用于履带式机械底盘部件，各类机械活动关节部位，内燃机的轴瓦等需要润滑的领域。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图中所示：1、金属基板，2、铜层，3、复合材料层。
具体实施方式
为了便于理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合实施例进行阐述。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。对于这些实施例的多种修改对本领域的普通技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中得以实现。
发明人经过研究发现，现有技术中的各种减摩材料(聚四氟乙烯，石墨，二硫化钼等)，特别是聚四氟乙烯，虽然具有极低的摩擦系数，但是由于表面张力极低，影响了其与基材的结合强度，因此需要使用化学粘接剂来粘接到基体金属材料上，导致减摩材料的厚度非常薄。
本发明提出一种新的复合材料层3，材质包括重量百分比的碳纤维：0.05～10％，聚四氟乙烯：0.05～15％，石墨：0.05～10％，二硫化钼：0.05～10％，碳化硅：0.05～5％，其余为高分子基体聚酰亚胺(PI)或者聚醚醚酮(PEEK)。该复合材料层3具有以下优点：
1、相对于聚四氟乙烯，聚酰亚胺以及聚醚醚酮表面张力高，与基体金属材料的结合强度高，因此复合材料层3的耐磨性能得到本质性地改善；
2、通过聚酰亚胺或者聚醚醚酮与聚四氟乙烯的混炼，使其分子长链局部发生交联，提高高分子基体与聚四氟乙烯的结合强度，保证减摩性能；
3、通过加入碳短纤维及部分无机材料，与聚酰亚胺或者聚醚醚酮物理交联，来达到强化复合层强度的目的。
上述复合材料层的生产工艺包括如下步骤：
S1，制备基体金属层，机械毛化基体金属层内表面。
该基体金属层优选为复合金属基材，包括金属基板1以及位于该金属基板1上的铜层2。
其中金属基板1采用常规的低碳或者中高碳材料，主要是重载情况下不破坏复合材料层及铜层的条件下支承负载。金属基板1为铁基合金，其中按重量百分比加入碳：0.05～0.8％，硅：0.05～0.8％，锰：0.05～1.0％，铬：0～1.0％，钼：0～1.5％，镍：0～1.0％。
铜层2采用高强度铜合金来提高其承载能力，并提高金属基板1与复合材料层3的结合力，提高了复合材料层3的可靠性及寿命，更适合重载低速的边界润滑工作状态。铜层2的材质包括重量百分比的锡：0.05～12％，锌：0.05～12％，铝：0.05～8％，锰：0.05～3％，铁：0.05～3％，其余为：铜。该高强度铜合金的抗拉强度大于350MPa，而含铅铜合金材料的抗拉强度仅为160MPa，该高强度铜合金的负载能力比传统的含铅铜合金高50％以上。铜层2与金属基板1的结合方式为铸造或者粉末烧结工艺，结合强度大于140MPa，铜层2的厚度为0.05～0.7mm。
采用专用设备对铜层2内表面进行毛化，形成细微不规则织构，至铜层2内表面的粗糙度为Ra3.2～Ra200，提高复合材料与金属之间的机械结合强度及湿润面积。
S2，预热基体金属层。
通过外部热源加热金属层，预热温度为150～400摄氏度。
S3，喷涂复合材料层。
采用专用喷涂设备，使复合材料的出口喷涂速度为10～300m/s，保证其与金属层的机械结合及化学结合强度。
该复合材料层3即采用上述聚酰亚胺或者聚醚醚酮为基体的复合材料。由于该复合材料与基体金属层的结合强度高，喷涂厚度可以达到400μm，实际使用中优选0.005～0.4mm，远远大于现有技术中的50μm，因此具有更高的抗冲击以及抗剪切性能，尤其适合重载低速的工程机械领域的应用，提高了使用寿命。
S4，热强化。
将工件加热至200～400摄氏度，室温冷却，得到金属基板1、铜层2与复合材料层三层复合的轴瓦成品。此时复合材料层3与铜层2的结合强度达到90Mpa以上，能够耐冲击及重载。
【摩擦性能对比例】
采用了本复合材料层3的滑动轴瓦与现有含铅铜合金的摩擦系数的对比如下：
摩擦系数 油润滑 无油润滑
本复合材料层 0.04～0.12 0.10～0.3
对比含铅铜合金 0.08～0.20 0.25～0.7(短时间内发生粘着)
【耐磨性能对比例】
采用了本复合材料层3的滑动轴瓦的寿命与现有技术对比如下表：
试验条件如下：端面摩擦磨损试验机采用滴油润滑，PV值：40MPa m/S。
对磨件：淬火45#钢，硬度HRC50以上，表面粗糙度Ra0.8以下。
通过以上对比实验可知，采用本实施例的滑动轴瓦，一方面具有较低的摩擦系数，减摩性能优良；另一方面具有较好的耐磨性能，尤其适合重载低速的工程机械领域的应用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种无铅滑动轴瓦，包括：基体金属层以及位于该基体金属层上的复合材料层，其特征在于，所述复合材料层包括重量百分比的碳纤维：0.05～10％，聚四氟乙烯：0.05～15％，石墨：0.05～10％，二硫化钼：0.05～10％，碳化硅：0.05～5％，以及余量的高分子基体聚酰亚胺或者聚醚醚酮。
2.如权利要求1所述的无铅滑动轴瓦，其特征在于：所述复合材料层的厚度为0.005～0.4mm。
3.如权利要求1所述的无铅滑动轴瓦，其特征在于：所述基体金属层包括金属基板与铜层。
4.如权利要求3所述的无铅滑动轴瓦，其特征在于：所述金属基板包括重量百分比的碳：0.05～0.8％，硅：0.05～0.8％，锰：0.05～1.0％，铬：0～1.0％，钼：0～1.5％，镍：0～1.0％，以及余量的铁。
5.如权利要求3所述的无铅滑动轴瓦，其特征在于：所述铜层包括重量百分比的锡：0.05～12％，锌：0.05～12％，铝：0.05～8％，锰：0.05～3％，铁：0.05～3％，以及余量的铜。
6.一种权利要求1中所述的无铅滑动轴瓦的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：S1，制备基体金属层，机械毛化基体金属层内表面；S2，预热基体金属层；S3，喷涂复合材料层；S4，热强化。
7.如权利要求6所述的无铅滑动轴瓦的生产工艺，其特征在于：步骤S1中，机械毛化至基体金属层内表面的粗糙度为Ra3.2～Ra200。
8.如权利要求6所述的无铅滑动轴瓦的生产工艺，其特征在于：步骤S2中，预热温度为150～400摄氏度。
9.如权利要求6所述的无铅滑动轴瓦的生产工艺，其特征在于：步骤S3中，复合材料的出口喷涂速度为10～300m/s。
10.如权利要求6所述的无铅滑动轴瓦的生产工艺，其特征在于：步骤S4中，将工件加热至200～400摄氏度，室温冷却。
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