专利名称：滑动轴承的制作方法
技术领域：
本发明涉及滑动轴承，尤其涉及要求在(高)负荷和低粘度液体润滑剂存在下进行操作的轴承。
在承载重负荷的轴承使用低粘度润滑剂条件的情形下，正如可以在例如车辆悬挂式零件如制动器中见到的那样，和/或液体剧烈流动例如齿轮泵工作条件的情形下，尤其要求提供表面带有衬里材料的轴承，该衬里材料应既具有疲劳强度又具有耐这种液体腐蚀的性能。
传统方式是，这种轴承开发成带有一层或多层金属合金的衬里材料，所述金属合金因它们在操作环境中的物理性能而被选择，但是现在正在发展这样一种趋势，由于成本和环境因素两方面原因而避免将轴承金属用作轴承衬里，而是将聚合物基材料用作轴承衬里。
滑动轴承中，已知在钢或类似的金属背衬片上形成一个含有烧结青铜的多孔金属基体和低摩擦聚合物基材料的衬里层，所述低摩擦聚合物基材料中加有填料，下面称为有填料的聚合物，该低摩擦聚合物基材料渗入烧结基体中的空隙内，形成一层较薄的覆盖层即聚合物层。已知的是将低摩擦聚合物基材料作为“软体”与有机润滑剂一起渗入，被压入青铜基体的空隙内，然后进行加热去除挥发性成分，再通过烧结作用使之固化。将聚合物基材料作为所谓的“干纸”渗入也是人们知道的。
这种有背衬的被渗透的烧结青铜轴承可用在油润滑的轴承内，也可用在存在少量润滑液体的干轴承内。
聚四氟乙烯，下面称为“PTFE”，具有优良的摩擦性能，常常用作或用于滑动轴承的衬里材料，作为其主聚合物或基础聚合物，可以以它为基础形成任何可混合物；然而PTFE是柔物脆弱的，单独使用时其磨损率很高，所以不合格，对于实际用途而言，针对快速磨损和低载荷轴承强度，要求加入所谓的耐磨填料和/或增强衬里的其他材料。
然而，在干或边缘润滑的轴承中，而且较小程度上在油润滑轴承中，磨损表现为摩擦侵蚀，它直接导致加有填料的PTFE的去除，此去除速率决定于被轴承所承载机件的表面粗糙度，而且由此决定于油润滑轴承内机件与轴承之间的动态摩擦和断裂摩擦，此时润滑油对有填料的PTFE产生的空蚀作用引起了磨损。
然而，在疲劳强度和耐磨蚀性能都很重要的场合下，发现对这两种性能中的任一种有改善的已被开发的聚合物组合物都表现出对另一种性能的劣化。即被开发的能提高强度的聚合物组合物(PTFE基的或其他)却伴随着摩擦性能降低即摩擦系数的增大和耐磨蚀性能的降低，反之亦然。
编号为GB-A-2166142的专利说明书描述了PTFE基聚合物衬里的轴承，它通过加入离子氟化物填料具体是例如氟化钙的粉末表现出耐磨蚀性能的提高。
编号为GB-A-2279998(WO95/02772)的专利说明书，其内容在这里参考结合，描述了一种加有填料的PTFE渗入烧结青铜类型的滑动轴承，是特别打算作为油润滑轴承的。该说明书概括了关于可提供强度和耐磨性的增强措施和填料这些本技术领域内所预知的情况，即说明了在将注意力集中于原纤化的芳族聚酰胺长丝(下面也称为芳族聚酰胺“纤维”)的合适性和加入颗粒状离子氟化物填料来获得具有改善的耐空蚀磨损性能的衬里材料这些问题之前，使用本身不会结合到PTFE上的“光滑”细丝材料例如玻璃和芳族聚酰胺纤维，应当认为是不合适的。在实践中发现，虽然能提供有用产品的芳族聚酰胺纤维的数量变化范围很大，除了上述的性能之间抵触外，而且将数量范围上限的这种聚酰胺纤维用作渗入的软体会引起一些限制，即软体会变得强韧难以处理，结果它在不厚的覆盖层内也难以散开。
本发明的一个目标是提供一种滑动轴承及其制造方法，它具有渗入烧结金属基体的加有填料的增强PTFE基聚合物衬里层，并且具有比迄今已知轴承更高的耐疲劳强度和更好的耐液体磨蚀性能。
根据本发明的第一方面，滑动轴承包括金属背衬、结合到背衬上的多孔烧结金属层、渗入多孔金属层孔隙内并覆盖烧结金属层的衬里层。所述衬里层主要是PTFE，它含有10-30％(体积)的颗粒状耐磨填料、2-10％(体积)的原纤化芳族聚酰胺纤维和2-10％(体积)的可熔融加工的含氟聚合物。
可熔融加工的含氟聚合物优选为四氟乙烯-六氟丙烯基团(称为FEP)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚(称为PFA)和单氟烷氧基(称为MFA)的共聚物。可熔融加工的含氟聚合物更优选为所述FEP的共聚物。
可熔融加工的含氟聚合物在衬里层内的优选含量为5-8％(体积)，更优选为7％(体积)。此外，原纤化芳族聚酰胺纤维在衬里层内的优选含量为可熔融加工含氟聚合物的至少50％(体积)。
填料可以是本行业内已知可在聚合物轴承材料中提供抗磨性能的任何颗粒状填料。它便利地主要或全部是离子氟化物，例如CaF2、MgF2或SrF2。无机填料在衬里层内的优选含量为15-20％(体积)。
原纤化芳族聚酰胺纤维的平均长度优选为0.2-1.0毫米，在衬里层内的含量为3-5％(体积)。
关于原纤化芳族聚酰胺纤维和一般制造方法，本发明是按照上述的NoGB-A-2279998专利说明书，即用于本发明的芳族聚酰胺纤维平均长度可以为0.2-1.0毫米，它们在原纤化之前的直径可以为0.012-0.015毫米，原纤化程度(测量为加拿大游离度)可以为200(杜邦方法TM0894-84，参照纸浆和造纸工业技术协会-T-227M-58)。
在制造方面，根据本发明的第二方面，制造滑动轴承的方法包括形成金属背衬薄片；通过烧结将多孔金属层结合在其上面；在挥发性润滑剂内形成纤维增强的加有填料的PTFE基轴承材料的软体；将软体铺在多孔金属层上，压入之，使其一部分渗入多孔金属层内并留下-衬里层覆盖着多孔金属层；将整个结合物加热至第一高温，去除挥发性液体成分；然后加热至第二高温，实现PTFE成分的烧结并将轴承聚合物结合起来。
制备软体是将下列组分混合起来(1)耐磨填料颗粒的水浆料，含有10-30％(体积)固体；(2)原纤化芳族聚酰胺纤维的水分散液，含有2-10％(体积)固体；(3)可熔融加工的含氟聚合物的水溶液，含有2-10％固体；(4)其余为PTFE的水分散液；向混合物内加入润滑剂，使混合物凝结，形成沉淀物，得到含所述润滑剂的所述可铺展的软体形式。
在超过100℃的所述第一温度下加热所述整个结合物，去除所述挥发性成分，然后在340-420℃之间的第二温度下加热至少7秒钟。
加入润滑剂之前，优选将上述配料(1)-(4)先混合起来。在本说明书中，与通常本行业内的情形相同，“润滑剂”一词用来指可吸附到PTFE表面上帮助它在其他配料的混合物内分布均匀的材料。用甲苯作这样的润滑剂是常用且方便的。
通过机械方法例如离心或压缩，可在室温下将混合物脱水成软体即糊，即去除其大多数过量液体。
为了将过程时间缩至最短，第二温度的范围优选为400-420℃，加热时间范围为30-50秒。优选为44-46秒。
发现用上述范围内任意特定配方制成的轴承衬里，其疲劳强度随高温下烧结时间的延长而增高。
可以认为，获得的强度是烧结温度和时间共同作用的结果，即疲劳强度能够在短时间和较高温度下获得。这当然要视聚合物尤其是PTFE发生可察觉的降解而定，后者在400℃以上的温度会发生明显的降解。对于满足这些材料所要求的一般疲劳强度的烧结时间而言，实际上没有发现这种降解在高于400℃度甚至高达450℃时发生什么问题。
在本申请人所采用的一般制造操作中，根据上面GB-A-2279998所述，起始处于室温的片状轴承在3米/分钟的行进速度下，经过长度为1.5米的连续炉子，加热至大约400℃，假设衬里材料在行至约一半距离处达到炉子温度，衬里在400℃的炉子温度经受大约15秒。
已经发现，从工业上的成本效率考虑，根据本发明，使聚合物基的轴承衬里在所述第二高温，时间大约为上述时间的3倍即约45秒下进行烧结，使衬里的疲劳强度显著提高，这是可行的，虽然根据施加到制造工艺上的时间限制和轴承成品所要求性能，烧结温度和时间这两方面会有相当大的变化。这种长时间烧结可以在这种连续炉子内通过降低行进速度和/或增长炉子长度来实施，也可以按间隙操作的形式进行，如果此时使用较长时间方便的话。
衬里材料用的软体中或者还可以加入使轴承成品具有一定外观的颜料。颜料可以是通常提供的能达到上述目的的任何材料；但应对衬里没有化学上有害的作用，对轴承性能也没有物理上有害的作用；并且在选择的烧结时间和温度以获得所要求的疲劳强度条件下，该颜料能够承受选用的较高PTFE烧结温度。
从GB-A-2196876可知，加入一定百分比的FEP(和/或PFA)和铅锡合金，可以增强PTFE基衬里聚合物的耐空蚀性能，所述FEP(和/或PFA)和铅锡合金的加入呈现所报道的磨损强度和耐磨蚀性能的增高。此时形成了颗粒形式的共聚物，它对铅锡合金细小颗粒起载体的作用，能促使该较重组分在整个较轻的聚合物组分中分布均匀，是承载合金的共聚物颗粒被压入多孔金属基材内然后加热而制成轴承的。
FEP(和/或PFA)的存在被证明可提高衬里材料的疲劳强度，但它预想的优点却因它具有比PTFE较高的摩擦系数和对低粘度润滑剂较差的湿润性打了折扣。其中使用铅锡合金，可使较差的湿润性和摩擦性能问题减轻。
在不含金属的衬里层中，不仅存在没有软轴承金属情况下的FEP(或其他可热加工的含氟聚合物)摩擦性能较差的问题，也存在由于是使用湿的衬里用软体而不是上述专利出版物中所述的特定颗粒形式而导致的困难。具体的是发现，所形成的软体特别粘糊，难于在现有工厂内以工业规模进行处理。确切原因仍不清楚，但据认为可归因于在购来的含氟聚合物中使用了表面活性剂的缘故。
然而，发现本发明所规定的衬里不需使用金属成分时，就具有合格的摩擦性能、优异的疲劳强度和耐磨蚀性能。此外，通过含有相对于可热加工含氟聚合物合适百分比的原纤化芳族聚酰胺纤维(约为可热加工含氟聚合物的体积的一半)，含有这种混合物且含有有机润滑剂的水性软体，其粘性就不很大，容易用常规设备和工序进行处理。
在附图中
图1是一个三维柱状图，显示本发明材料和两种其他对比材料的相对耐空蚀性能。
图2是一个三维柱状图，显示与图1相同的材料的相对疲劳强度与负荷之间的关系。
图3是与图2相似的柱状图，显示磨损与负荷之间的关系。
图4是与图1相似的柱状图，但它是相对的耐流动磨蚀性能而不是相对耐空蚀性能的图。
下面是一个实施例，可以说明本发明。
组分(1)含有800克固态PTFE的1升PTFE水性分散液；(2)1升水的浆料，含有292克氟化钙；(3)1.45升含有2％固体的原纤化芳族聚酰胺纤维(Kevlar RTM)的水溶液；(4)100毫升含有77克固体的FEP水性分散液。
将上述组分在一实验室混合器内与耐热稳定性高达400℃的颜料混合，并与400毫升甲苯用作有机润滑剂，在25℃下混合20分钟以进行调理。
然后加入50毫升浓度为500克/升的硝酸铝溶液，使混合物凝结。
倒掉上层清液，将余下浆料在离心机内以约2800转/分钟的速度旋转5分钟，使它脱水成为可铺展的软体。将软体铺展涂覆在一条有钢背衬片的烧结多孔青铜基材上，并将软体辊压渗入基材内。接着，将其在辐射燃气加热器下面进行空气干燥，从软体中去除挥发性物质，然后，再在400℃(第二温度)加热约2分钟。
然后用水将此轴承片骤冷，冷却后，接着辊压，至预定的厚度。
这样制成的衬里轴承材料用作泵送低粘度液压油的齿轮泵内的轴承时，表现出比上述GB-2279998中所述的材料更好的疲劳强度和更好的耐磨蚀性能，这里重申一下，虽然上述实施例具体用的是FEP，其他可熔融加工的含氟聚合物也可以同样地使用，并产生类似的结果。
制成了上述实施例的轴承，并进行测试，与其他材料作对比。其他材料是“DU”，含有20％(体积)铅的PTFE基材料；“DP4”，约含有20％(体积)氟化钙和2.4％(体积)原纤化芳族聚酰胺纤维的PTFE基材料。本发明的材料编号为“DP5”，其组成是PTFE/18％(体积)氟化钙/4％(体积)原纤化芳族聚酰胺纤维/7％(体积)FEP。
测定了相对的耐空蚀性能。其测试条件是将与20千赫兹压电转换器相连的振动放大喇叭筒的顶部放置在邻近于要测试材料的表面，喇叭的振幅是15微米，测试时间是30分钟。喇叭振动时，位于喇叭筒顶部与材料表面之间间隙内的测试油中就产生蒸汽泡，气泡在材料样品的表面上爆破，形成空蚀的损害作用。图1说明本发明材料的相对耐空蚀性能大于4，与此对照的是“DU”标准材料为1，“DP4”材料约为2.5。
疲劳度和耐磨损性能的测量在称为“Vulcan”(商品名)的测试装置上进行。该仪器包括一个在要测试的材料轴承内运转的测试轴，该轴被电动机驱动，给出4.81米/秒的轴速度。对测试轴承用液压方法施加50兆帕的负荷，负荷用一应变仪测量。计算出的“PV”因子为240.5牛顿/毫米2·米/秒，油的温度为94℃。与已知标准对照来评价疲劳度。由最高负荷点处磨损划痕的深度测量磨损。图2说明在80和120兆帕负荷下本发明材料的疲劳度比两种对比测试材料中的任一种都低得多，而在140兆帕的负荷下仍然较低。图3表明，在中等负荷120兆帕下本发明材料的磨损比两种对比材料都低得多。
图4是一个三维柱状图，表明了本发明材料优异的耐流动磨蚀性能。在60℃温度、13.8兆帕压力、以5升/分钟的流量将油泵送流经轴与三种材料轴承之间0.110毫米的间隙，分别进行测试。轴的光洁度为0.15Ra±0.05。可从图4看到，“DU”材料的相对耐流动磨蚀性能为1，本发明的材料约为2，为“DU”的2倍，比“DP4”至少好50％。
权利要求
1．一种滑动轴承，它包括金属背衬、结合到背衬上的多孔烧结金属层和渗入多孔金属层孔隙内并覆盖烧结金属层的衬里层；所述衬里层含有PTFE.PTFE中含有10-30％(体积)的颗粒状耐磨填料、2-10％(体积)的原纤化芳族聚酰胺纤维和2-10％(体积)的可熔融加工的含氟聚合物。
2．如权利要求1所述的滑动轴承，其中所述的颗粒状填料主要或全部是离子氟化物。
3．如权利要求2所述的滑动轴承，其中所述的填料是氟化钙。
4．如权利要求1-3中任一项所述的滑动轴承，其中所述的无机填料在衬里层内的含量为15-20％(体积)。
5．如权利要求1-4中任一项所述的滑动轴承，其中所述原纤化芳族聚酰胺纤维的平均长度为0.2-1.0毫米，在衬里层内的含量为3-5％(体积)。
6．如权利要求1-5中任一项所述的滑动轴承，其中所述的可熔融加工的含氟聚合物是至少一种选自四氟乙烯-六氟丙烯、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚和单氟烷氧基的共聚物。
7．如权利要求6所述的滑动轴承，其中所述的可熔融加工的含氟聚合物是四氟乙烯-六氟丙烯的共聚物。
8．如权利要求7或8所述的滑动轴承，其中所述的可熔融加工的含氟聚合物在衬里层内的含量为5-8％(体积)。
9．如权利要求8所述的滑动轴承，其中所述的可熔融加工的含氟聚合物在衬里层内的含量为7％(体积)。
10．如权利要求1-9中任一项所述的滑动轴承，其中所述原纤化芳族聚酰胺纤维在衬里层内的含量至少为可熔融加工的含氟聚合物的50％(体积)。
11．一种滑动轴承，它基本如说明性实施例所述。
12．滑动轴承的制造方法，它包括形成薄片状的金属背衬条；通过烧结将多孔金属层结合在其上面；在挥发性润滑剂内形成纤维增强并加有填料的PTFE基轴承材料的软体；将软体铺展在多孔金属层上，压入之，使其一部分渗入多孔金属层内，并留下一衬里层覆盖着多孔金属层；将整个结合物加热至第一高温，去除挥发性液体成分；然后加热至第二高温，实现PTFE成分的烧结并将轴承聚合物结合起来；其特征在于将下列组分混合起来制备软体(1)耐磨填料颗粒的水性浆料，含有10-30％(体积)固体；(2)原纤化芳族聚酰胺纤维的含水分散液，含有2-10％(体积)固体；(3)可熔融加工的含氟聚合物的水溶液，含有2-10％(体积)固体；(4)其余为PTFE的水分散液；向混合物内加入润滑剂，使混合物凝结，形成所述聚合物的沉淀物和滤液材料，将沉淀物脱水，形成含所述润滑剂的所述可铺展的软体形式；在超过100℃的所述第一温度下加热所述整个结合物，去除所述挥发性成分，然后在340-420℃之间的第二温度下加热至少7秒。
13．如权利要求12所述的方法，其中所述的第二温度为400-420℃。
14．如权利要求12或13所述的方法，其中所述的加热时间是30-50秒。
15．如权利要求14所述的方法，其中所述的加热时间为44-46秒。
16．如权利要求12-15中任一项所述的方法，它还包括在加入所述润滑剂之前，将水溶液一起在混合器内混合。
17．如权利要求12-16中任一项所述的方法，其中所述的原纤化芳族聚酰胺纤维的用量至少为可熔融加工的含氟聚合物的50％(体积)。
18．一种滑动轴承的制造方法，它基本如说明性实施例所述。
全文摘要
本发明的滑动轴承包括金属背衬、结合到背衬上的多孔烧结金属层、渗入多孔金属层孔隙内并覆盖烧结金属层的衬里层,所述衬里层含有PTFE,还含有10—30%(体积)的颗粒状耐磨填料、2—10%(体积)的原纤化芳族聚酰胺纤维和2—10%(体积)的可熔融加工的含氟聚合物。可熔融加工的含氟聚合物是四氟乙烯－六氟丙烯基团、四氟乙烯－全氟烷基乙烯基醚和单氟烷氧基的共聚物。这种轴承表现出优异的耐空腔磨蚀性能,而且可通过提高通常在配料混合物施加到背衬材料上之后进行的烧结操作的温度和/或持续时间,制成疲劳强度显著改善的轴承。
文档编号C08L27/18GK1292852SQ9980366
公开日2001年4月25日 申请日期1999年3月3日 优先权日1998年3月7日
发明者K·M·麦克米金, J·约翰斯通 申请人:达纳公司