高效能运动副表面覆层的制造方法

专利名称：高效能运动副表面覆层的制造方法
技术领域：
本发明涉及运动副表面覆层的制造方法，特别是通过喷雾法所制得的合金粉末颗粒，加入微量合金金属材及润滑剂构成的覆层的制造方法。
背景技术：
现有产业界使用的运动副系统可区分为接触式与非接触式两大类，其中非接触者大多以磁力悬浮或空气压悬浮为主，其受到制造成本、系统控制及设备维护的昂贵及复杂性影响。所以，除了高精密、高价值的设备允许使用外，对一般性运动副元件而言，滚动式及滑动式的接触式运动副设计仍为主要应用方式。
滑动式的运动副设计，一般利用两滑动元件间添加润滑油、自润性含油衬垫或软质过渡材为主，其中以添加润滑油的方式较经济，但是，对无法进行润滑油添加的封闭性机构及需避免油渍污染的机构设计而言，就无法使用，软质过渡材系通过其自身易磨耗及可更换的特性，代替滑动副本体的磨损，但是，因软质材有较明显的磨耗问题，所以定位尺寸精度的变化较大，同时软质材大量磨耗所产生的细微颗粒，对系统而言仍是一项严重的污染，自润型含油衬垫或轴承，一般而言平均价格较低，因其具有润滑油自动渗出润滑直线运动及旋转运动的运动元件的功能，所以为产业界大量使用，在旋转轴与轴承组合的尺寸公差方面设计得当，则其旋转所造成的噪音较小，所以，在小型冷却风扇上的应用范围甚广，但是因润滑油油耗及油含浸率会受工作温度、基材结构密度及基材表面较高的摩擦系数值等影响，对较高运动速度的运动副而言，寿命不佳，例如自润型轴承平均寿命约20000小时，而远不及滚珠轴承的50000小时，为其应用上的一大限制。
滚动式的运动副设计，以传统滚子轴承为主，其拥有较佳的使用寿命，容许轴组合时有些许的倾角偏差及能承受较重的径向负荷，所以自始以来均是转动件理所当然的径向及部分轴向支承用元件，对直线运动副的设计而言，就必须利用数个滚子轴承装置在固定直线导轨上，以达到直线运动的目的，但是，因滚子与轨道接触及撞击所造成的噪音问题，平均价格高于自润型含油轴承甚多及受限于数个滚珠线性组装的对正、调校技术需求性高，亦为其一大限制。
现今市面上有由THE GLACIER METAL CO.，LTD.所开发，已获英国、日本、美国、加拿大、法国、意大利、德国、瑞士等国专利的(其中，日本专利号223605及438282)DU完全无给油轴承，其在钢衬上将青铜粉末烧结成为多孔质，而将特氟龙-铅的混合物填满含浸表面呈为特氟龙-铅薄被膜，轴承面经常有特氟龙-铅因而摩擦低，所以不需用润滑油，其特氟龙-铅含浸青铜烧结层约有0.3mm厚，由于这个组织的功用，初期运转磨损会约有0.01mm，其中的钢衬是为确保轴承的固定性，尺寸精密度，安定性及正确的扭矩紧度所必需的结构，应用此技术的制品有普通衬套，止推轴承，锷付衬套，滑板等。如图1即为此制程产品的剖面结构图。此技术在先加工完成的钢衬基材表面附上一层青铜基粉末再进行烧结，使其表面形成一层多孔性组织，再将特氟龙-铅的混合物填满含浸表面呈为特氟龙-铅薄披膜，其中青铜基的粉末颗粒就当作特氟龙-铅的充填材，此制程技术在多孔性表面烧结时，必须考量基材与青铜基粉末的高温结合性，否则易产生剥落、分离的情况，再则，青铜基粉末烧结温度一般需达760℃左右，因此也易使钢衬基材发生热变形现像，特氟龙-铅的混合物填充在多孔性表面后，需加温至360℃以上，才能使特氟龙-铅与青铜基充填材相互结合，而此高温制程易使特氟龙释放有害气体，另外，0.3mm的烧结层厚度及初期0.01mm的磨耗量，对精度需求达微米级的运动副而言，实不可行，同时制程原料中含有的铅成分也违反现有资讯产品中环保基材的规定，因此其使用价值大受影响。

发明内容
一种高效能运动副表面覆层的制造方法，包括以下步骤(a)直接利用喷雾法所制得的青铜基合金粉末颗粒，经初步筛选；(b)将不同粒径范围的粉末，再加入若干微量合金金属材，以若干比例方式搭配，根据工艺需求加入酌量的润滑剂；(c)进行充分的混粉作业；(d)将充分完成混粉程序的基材粉末，填注于压床机台的中空模穴之内，再利用上、下冲头与中模加压合模原理，以挤压方式促使粉末受压成形；(e)根据有相当的关连性的成型压力与冲头接触面积及预期的生胚密度值，进行生胚检验；(f)将成型后的生胚送入烧结炉中进行还原气氛下烧结处理；(g)经过烧结处理后，直接进行后续的表面改质及覆层处理，再进行尺寸精整程序；(h)进行表面热脱脂处理，依油脂种类，选择相匹配的水性或酸类溶剂进行前置清洗或超音波除油处理，以除去工件表面油脂；(i)在室温中进行搅拌、排风及过滤，以动力搅拌器均匀搅拌；(j)表面活化处理、表面改质处理及各别的水洗清洁及活性化处理；
(k)未经处理的镀层硬度将覆层处理后的工件置放于高温烘烤环境下，使覆层表面达到更进一步的密着性处理；(l)最后将经密着性处理后的零件，根据工艺精度需求，可再经超音波清洗，以再一次清除电化学反应后期未能完全覆着于基材表面的微细颗粒。


图1在先公开案DU完全无给油承的剖面结构图。
图2本发明的制造流程图。
图3本发明粉末烧结表面组织结构放大图。
图4本发明覆层表面经密着性处理后的表面状况图。
图5本发明回转运动副的实体制品图。
图6本发明实验用风扇转动部组装后的实体图。
具体实施例方式
本发明的制造流程示意图，如图2所示，系直接利用喷雾法所制得的青铜基合金粉末颗粒，经初步筛选10后，将不同粒径范围(0.5～30μm)的粉末，再加入若干微量合金金属材，以若干比例方式搭配，依制程需求性可在加入酌量的润滑剂20(例如石墨、硬脂酸类等)等，进行充分的混粉作业30。
混粉程序是为了增进原料化学及物理性质的均匀性，利用粒子移动的原理，将多种不同粒径的粉粒体予以均匀混合，因此，混合速度、混合机构等的设计，将会影响基材原料混粉程序的均匀化程度，所以在混合粉末时，必须依照粉末特性，例如粒径大小分布差异、比重差异等因素，采取能避免产生偏析现象的混合作业，依照上述特性，本发明使用的直立式螺旋叶型混合机，再搭配适当的转速(60～120rpm)，即为能够达成混粉均匀性的方法之一。
将充分完成混粉程序的基材粉末，填注于压床机台的中空模穴之内，再利用上、下冲头与中模加压合模原理，以挤压方式促使粉末受压成形40，其中成形压力与冲头接触面积及预期的生胚密度值有相当的关连性，依本发明生胚检验50结果分析所得，最终的生胚密度需维持在7.9～8.0g/cm3以上为佳，若生胚密度值未达前述标准，虽然最终制品仍能满足相当设计要求，但会增加后续制程的处理手续及影响品质稳定性，所以，最佳化成形密度的要求，对大量生产时的产品品质稳定性及制成成本的降低，有其必要性。
成形制程中所使用的润滑剂主要用于帮助生胚从模具内脱出，减少脱膜压力，其润滑方式一般可采用以下两种，其一为将干燥的润滑剂先与金属粉末充分混合，直接填充于模穴中，加压成形，另一种为采用模壁润滑的方式进行，即是在金属粉末填充入模穴之前，将溶解于易挥发性有机溶剂体内的液体润滑剂涂覆或喷覆到模壁及冲头表面，待有机溶剂挥发干燥后，形成一层润滑表面达成润滑效果，依本发明实验数据所得，若使用电解铜合金粉或粉末粒度大小匹配得当的粉体，再搭配适当的成形压力，其可在未添加润滑剂的情况下，使生胚成形后的密度达7.97g/cm3，如此亦能满足前述生胚成形制程较佳的密度需求。
成形后的生胚将其送入烧结炉中进行还原气氛下烧结处理60，烧结基本上是热力学及扩散学的延伸，促使粉末借温度的提升、炉内气氛的有效控制，产生部分固态或液态的扩散现像，使得粉粒间能结合在一起。一般而言，烧结制程重要的制程变数包括了时间、温度曲线、炉内气氛的选择、气体的流量、高温中停留的时间和炉体结构的设计等，所以要确保一项成功的烧结，上述各项因素的控制缺一不可。
烧结制程执行的三步骤依序为1.预热区在此区中，主要是希望通过热能来达到脱脂去蜡的效果，同时在脱蜡过程中粉体不会因脱蜡而变形。
2.烧结区此区主要目的为成形体经前段预热区的脱蜡处理过程后，再通过更高温度的热能效果，促使生胚本体达到密致化的目的。
3.冷却区经高温热能处理后的成形烧结件，通过逐渐冷却时的冷却速率的控制，以决定成形体的金属组织和性质特性。
任何烧结均需要先经过脱蜡去脂过程，所以适当的预热脱脂是达到良好烧结结果的先决条件，预热区温度的设定，一般需依照润滑剂种类而定，例如一般常使用的硬脂酸锌可在130℃熔化，在260℃汽化，在427℃左右才能被完全除去，本发明在预热区的温度设定根据润滑剂特性，以450℃为操作标准，同时在进行整体烧结过程中，若加热速率太快或温度过高，则在前段预热区部分的润滑剂将会因化合物成分的分解，导致工件表面积碳的现像，同时也容易造成成形件的变形甚至破裂，因此，烧结速率的控制相当重要，本发明经由若干次实验结果分析，在成形件烧结前进速率控制在45～55mm/min的情况下，将能获得良好的烧结件。
烧结区的设计，基本上是依要烧结材料性质而建立，不同的材料成分要采用不同的烧结温度、烧结气氛和气体流量，本发明在烧结制程中，利用输送带式连续炉，经反复实验分析获得，将预热区到正式烧结区的过渡温度设定在710℃～730℃，正式烧结区温度设定在800±10℃左右，烧结时间控制在130～150分钟。在烧结炉气氛控制方面，本发明采用裂解氨炉气进行操作，因为此炉气系将氨气加热分解所得，有很强的还原性，但无渗碳性，适合铜基零件的烧结需求。
冷却区的设计，一般包含徐冷区与急冷区两部分，徐冷区主要目的是要防止高温烧结区到急冷区的急剧温度变化所造成的炉体变形，急冷区的设计则是要使烧结品在要求的时间下达到可搬运或处理的温度，本发明通过实验得悉，烧结件在前述烧结速率下，在冷却区约停留30分钟即可。
经过烧结处理的成形件，一般而言，均有少许的变形，因此，若工件精度要求不高的情况下，可将此烧结件直接进行后续的表面改质及覆层处理，反之，对工件尺寸精度要求较高，则需进行尺寸精整程序70，待零件尺寸进行精度调校的后，再进行后续的覆层处理。
尺寸精整70后的烧结件需再进行表面热脱脂处理90，依油脂种类，选择相匹配的水性或酸类溶剂进行前置清洗或超音波除油(去脂)处理80，以除去工件表面油脂，否则会影响覆层表面品质。如图3所示即为烧结件表面组织图。
经烧结、尺寸精整等箝制制程处理的制品，利用其表面粉末颗粒的疏密特性，当作后段制程的充填材本体，进行表面覆层处理。
在常规的化学镍镀液中加入由若干聚四氟乙烯为主的微米及纳米级微粒所制成的浆料，使微粒能均匀散布在镀液中，此微粒平均粒径为90～500nm，并以占复合镀液总质量的3％～10％比例，以动力搅拌器均匀搅拌100，搅拌速度以镀液中全部粒子能均匀悬浮为标准，以获得金属镍与纳米微粒组成的均匀镀液。
在无需外加电压的情形下，把溶液中的金属离子通过自动催化的化学反应方式与共同存在于镀液中的还原剂，在固体表面上，通过化学反应将金属离子还原成固态金属，并夹杂15％～30％左右的聚四氟乙烯超微粒，逐层沉积于固体表面上，这种反应程序是反应发生时，电子传递并不经由外部导线，而是通过溶液中的物质在固体表面上发生反应的同时，直接进行传递。因此制程温度一般维持在90℃即可。
此制程技术能获得一种集硬度、耐磨、低摩差系数为一体的复合镀层，其平均摩差系数为Ni-P镀层的1/2(约0.04～0.05)，但在覆层处理之前，基材表面的各项清洁手续，如表面活化处理200、400、表面改质处理300、500及各别的水洗110、210、310、410、510等清洁及活性化处理均需确实做好，不然会严重影响覆层品质。
此化学镀液的主要组成有1.金属离子(metal ions)为镀层金属的来源。
2.还原剂(reducing agent)将金属离子还原成金属。
3.催化剂(catalyst)使基材表面具有催化性。
4.配位剂(complexing agent)防止氢氧化物沉淀、调节析出速率、防止镀浴分解，使镀浴安定。
5.安定剂(stabilizer)吸着微粒杂质防止镀浴自然分解，以延长镀浴寿命。
6.缓冲剂(buffer)控制pH值在操作范围内。
7.润湿剂(wetting agent)使表面作用良好。
8.分散剂(Dispersion)使超微粒耐磨材，均匀披覆。
还原剂通常可用次磷酸钠，PH是控制镀层P的含量，一般PH较高，P含量较少，镀层性质因而有所改变，低P含量比高P含量的镀层耐蚀性较差，P含量大于8％则镀层不含磁性，未经处理的镀层硬度280～380VHN，将覆层处理后的工件置放于300℃～350℃的高温烘烤700环境下维持10～15分钟的时间，使覆层表面达到更进一步的密着性处理800，此后处理的烘焙(post-baking)对镀层的结晶结构将有显著影响。
最后将经密着性处理800后的零件，依制程精度需求，可再经超音波清洗900约2～5分钟，以再一次清除电化学反应600后期未能完全覆着于基材表面的微细颗粒，以维持零件运转初期因不牢固的微细颗粒剥落，所造成的尺寸变化，镀层厚度一般可控制在6～12μm范围，因此，对制程产品1000可具相当高的尺寸精度控制。如图4为覆层表面经密着性处理后表面状况。
经由此发明所制作的高效能滑动对经实验测试结果得到其不仅能满足低摩擦系数、耐磨耗、硬度高、尺寸精密、制造成本较低及提高系统动力能量的效能，同时，覆层面初期的磨耗量仅约为0.1～0.2μm。
本发明所制造的产品其理论上的基本物理、化学性质如下1.工作温度约为-30℃～200℃。
2.具惰性层保护，可抗一般的化学及氧化腐蚀作用。
3.低摩擦系数，在冷却风扇测试实验负载下运转30天后检测，几乎无磨耗发生，在极少量的润滑油环境下，连续运转250天后的磨耗量＜1μm。
4.表面机械抗张强度可达200Kgf/cm2。
5.热传导系数值约0.5左右，热膨涨系数可经由成分控制使其分布在5～10/℃左右。
6.表面改质层厚薄较均匀且不易剥离，较能维持长期运转下的产品精密度。
7.因密致化结果表面无微孔。
同时，本发明亦利用此技术应用于DC风扇的转动轴承制做如图5及图6所示，经线上实际测试结果，其MTBF值超过50000小时，其测试结果如附件一的报告所示。如此表示其寿命值足以媲美现有应用广泛的滚子轴承，同理，将其应用于直线运动副的效果亦是如此。
经由此技术制成的产品可直接一次将铜-锡基零件表面的微小粉末颗粒当作聚四氟乙烯高分子材料的充填材，使其具有低摩擦系数、耐磨耗、硬度高、尺寸精密、制造成本较低及提高系统动力能量的效能，因此能有效应用于直线运动及回转运动的滑动副系统上，同时在制程精度的提升上，又远较现有制程技术为佳。
同时，若将前置的粉末冶金制程的基材，改以金属切削方式处理时，由本发明只要能适当控制制程基材表面的粗糙度值(Ra值约在0.6～0.8之间)，通过基材表面适度的断面高低轮廓变化，作为后段制程的填充材，仍能具备上述的制程所得产品的物理、化学性质，但是其制造成本将高于前述粉末冶金制程，因此，在追求高品质、低成本的制程技术要求下，本发明所提的制程技术将是能满足产业需求的解决方案之一。
基于上述原因，本发明乃拥有可媲美滚子轴承的寿命、低摩擦系数(一般传统衬套的摩擦系数约为0.15～0.30之间)、耐磨耗、自润型含油元件的低噪音、降低润滑油脂所造成的污染及降低滚子轴承的制造成本、提升无给油轴承制程技术，使运动副具有低摩擦系数、耐磨耗、硬度高、尺寸精密、制造成本较低及提高系统动力能量的效能。
权利要求
1.一种高效能运动副表面覆层的制造方法，包括以下步骤(a)直接利用喷雾法所制得的青铜基合金粉末颗粒，经初步筛选；(b)将不同粒径范围的粉末，再加入若干微量合金金属材，以若干比例方式搭配，根据工艺需求加入酌量的润滑剂；(c)进行充分的混粉作业；(d)将充分完成混粉程序的基材粉末，填注于压床机台的中空模穴之内，再利用上、下冲头与中模加压合模原理，以挤压方式促使粉末受压成形；(e)根据有相当的关连性的成型压力与冲头接触面积及预期的生胚密度值，进行生胚检验；(f)将成型后的生胚送入烧结炉中进行还原气氛下烧结处理；(g)经过烧结处理后，直接进行后续的表面改质及覆层处理，再进行尺寸精整程序；(h)进行表面热脱脂处理，依油脂种类，选择相匹配的水性或酸类溶剂进行前置清洗或超音波除油处理，以除去工件表面油脂；(i)在室温中进行搅拌、排风及过滤，以动力搅拌器均匀搅拌；(j)表面活化处理、表面改质处理及各别的水洗清洁及活性化处理；(k)未经处理的镀层硬度将覆层处理后的工件置放于高温烘烤环境下，使覆层表面达到更进一步的密着性处理；(l)最后将经密着性处理后的零件，根据工艺精度需求，可再经超音波清洗，以再一次清除电化学反应后期未能完全覆着于基材表面的微细颗粒。
2.如权利要求1所述的高效能运动副表面覆层的制造方法，其特征在于，混粉作业使用直立式螺旋叶型混合机配合60～120rpm的转速，以达混粉均匀性。
3.如权利要求1所述的高效能运动副表面覆层的制造方法，其特征在于，生胚检验最终的生胚密度以维持在7.9～8.0g/cm3以上。
4.如权利要求1所述的高效能运动副表面覆层的制造方法，其特征在于，未经处理的镀层硬度为280～380VHN，并将覆层处理后的工件置于300℃～350℃的高温烘烤下维持10～15分钟。
5.如权利要求1所述的高效能运动副表面覆层的制造方法，其特征在于，表面密着处理后的零件，可经超音波清洗2～5分钟。
全文摘要
一种高效能运动副表面覆层的制造方法，将次微米及纳米级的聚四氟乙烯高分子粉末颗粒，经由适当比例及调配技术，使其均匀散布于镍磷基的化学镀液中，通过电化学反应使其均匀披覆在依纳米级至微米级不同粒径比例成形的铜－锡基粉末冶金烧结零件的表面，通过两者超微粒化颗粒的高活化性作用，完成聚四氟乙烯与铜－锡基零件表面的微小粉末颗粒直接在低温下完成复合反应。经由此技术制成的产品可直接一次将铜－锡基零件表面的微小粉末颗粒当作聚四氟乙烯高分子材料的充填材，使其具有低摩擦系数、耐磨耗、硬度高、尺寸精密、制造成本较低及提高系统动力能量的效能。
文档编号B22F3/12GK1820877SQ20051000770
公开日2006年8月23日 申请日期2005年2月16日 优先权日2005年2月16日
发明者龙清勇 申请人:龙清勇