专利名称：聚四氟乙烯复合材料耐磨自润滑滑动轴承的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种新型耐磨滑动轴承的制备方法，尤其涉及一种聚四氟乙烯复合材料耐磨自润滑滑动轴承的制备方法，采用经过稀土表面改性处理的碳纤维填充聚四氟乙烯复合材料，由于其具有优异的摩擦学性能，使制得的轴承具有优异的摩擦磨损性能，在实际应用中具有更高的可靠性和经济性。
背景技术：
复合材料滑动轴承是一种新型无油润滑滑动轴承，在国内外一些工业部门应用十分广泛。这种轴承材料是以钢板为基材，在基材上烧结一层青铜粉作中间层，在其上轧制一层高分子塑料或高分子复合材料作为表面层，能够自润滑。它充分发挥了金属的刚性和塑料的自润滑性优异的特点，从而弥补了塑料尺寸不稳定和金属干摩擦性差的缺点，使之具有耐疲劳、承载能力高、耐磨性好、寿命长等特点。
碳纤维增强聚四氟乙烯的生产技术较为成熟，原料来源广泛，成本相对较低，是开发应用较早的热塑性复合材料品种之一。碳纤维增强聚四氟乙烯复合材料具有加工过程无化学反应、成型周期短、可再生、可重复使用及力学性能好的优点，可以作为复合材料轴承的表面承载层。
但是，碳纤维中的碳分子平面是沿纤维轴平行取向，表面呈化学惰性，与聚四氟乙烯基体之间的亲和性较差，难以形成化学键连接并且界面层存在不相溶组分，界面粘结强度低，复合时容易在界面上形成空隙和缺陷，增强体与基体树脂难以形成有效粘结，影响复合材料综合性能的发挥，尤其是影响短切碳纤维填充聚四氟乙烯复合材料的摩擦学性能。
目前，主要应用氧化法、沉积法等来改善碳纤维与聚合物基体的界面结合力，以提高碳纤维增强聚合物复合材料的综合性能。这些方法在一定程度上改善了界面相的结合力，提高了复合材料的使用价值，但达不到理想的效果。从而导致碳纤维填充的聚四氟乙烯(PTFE)复合材料的摩擦系数较大，容易损伤摩擦偶件，摩擦学性能较差，使这种材料制成的轴承或衬套在许多实际工况下不能得到应用。随着现代科学技术的进步，对轴承性能要求越来越高，要求其具有良好的摩擦磨损性能，以适应更高要求的实际工况。
公开号为CN1126286A的中国发明专利公开了一种复合材料轴承，它由内外两层组成，内层由铜粉、聚四氟乙烯、石墨按一定百分比组成，外层由环氧树脂、聚酰亚胺、无碱无捻玻璃纤维按一定百分比组成，是金属套轴承的替代品，但不能应用于普通滑动轴承领域。
公开号为CN1445284A的中国发明专利公开了一种纳米氧化锌填充聚酰亚胺材料，具有优良的力学性能、耐热性能和摩擦学性能，但是目前还没有应用于复合材料轴承。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种聚四氟乙烯复合材料耐磨自润滑滑动轴承的制备方法，制得的轴承具有优异的摩擦学性能，大大提高其在实际应用中的可靠性，可以适用于高要求的实际工况。
为制得具有优异摩擦磨损性能的滑动轴承，本发明的技术方案中，采用钢板、青铜粉、聚四氟乙烯、碳纤维、稀土改性剂以及少量铅粉等原料，采用轧制等方法制成滑动轴承。首先对碳纤维进行表面改性处理，然后在钢板表面烧结一层青铜粉作为中间层，在中间层上轧制一层由铅粉和经稀土改性剂处理的碳纤维填充的聚四氟乙烯复合材料，再经过氮气保护条件下的烧结、机械加工修饰和卷制焊接，制成复合材料滑动轴承。经过上述工艺制得的碳纤维/聚四氟乙烯复合材料滑动轴承具有优良的力学性能和摩擦学性能。
本发明的复合材料滑动轴承制备方法具体为首先，对碳纤维进行预处理，在450～600℃马福炉中烧蚀0.5～1小时，使其表面有机物残留量的重量百分比在1％以下。然后采用稀土改性剂处理，将碳纤维在室温下浸入改性剂中，浸泡2～4小时，过滤后，烘干。所采用的稀土改性剂的组分重量百分比为稀土化合物2～10％；乙醇75～95％；乙二胺四乙酸(EDTA)1～10％；氯化铵1～5％；硝酸0.5～1％；尿素0.5～2％。
本发明的稀土改性剂中的稀土化合物可以为氯化镧、氯化铈、氧化镧或氧化铈。
然后在钢板上铺一层青铜粉，厚度为0.25～0.30毫米，在800℃条件下把铜粉和钢板基材烧结在一起，使钢板表面烧结一层青铜粉作为中间层，时间为2小时；在烧结的青铜粉中间层上轧制一层由聚四氟乙烯、经稀土改性剂处理的碳纤维以及少量铅粉组成的聚合物层，厚度为0.01～0.03毫米，压力为30MPa，然后在氮气保护条件下，在380℃条件下进行烧结，再经机械加工修饰，最后经过卷制、焊接成复合材料轴承。
其中，本发明所述的聚合物层原料组成重量百分比为聚四氟乙烯70～95％，稀土改性剂处理过的碳纤维4～25％，铅粉1～5％。
本发明适用于各种短切的碳纤维增强聚四氟乙烯复合材料滑动轴承，其中碳纤维包括各种型号的PAN基和沥青基碳纤维，如T-300等。聚四氟乙烯包括以悬浮法聚合并经细粉碎而成的各种牌号的聚四氟乙烯树脂，如SM021等。
本发明具有显著的效果。采用了稀土改性碳纤维填充聚四氟乙烯复合材料制造的轴承，具有更加优异的摩擦学性能和力学性能，并且稀土改性剂处理工艺方法简单，成本低，对环境无污染，工艺性好。本发明的复合材料轴承耐磨性好，摩擦学性能得到显著提高，可用于机械、食品、航空航天等部门各种无油润滑的场合。
具体实施例方式
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述，但不构成对本发明的限定。
实施例1复合材料滑动轴承聚合物层的组分重量百分比为聚四氟乙烯70％，稀土改性剂处理过的碳纤维25％，铅粉5％。
稀土改性剂各组分重量百分比如下氯化镧2％，乙醇93％，乙二胺四乙酸(EDTA)2％，氯化铵1％，硝酸0.5％，尿素1.5％。
复合材料轴承制造过程如下首先，对碳纤维进行预处理，在450℃马福炉中烧蚀1小时，使其表面有机物残留量的重量百分比在1％以下。然后采用稀土改性剂处理，将碳纤维在室温下浸入稀土改性剂中，浸泡3小时，过滤后，烘干。接着在钢板上铺一层青铜粉，厚度为0.25毫米，在800℃条件下把青铜粉和钢板基材烧结在一起，使钢板表面烧结一层青铜粉作为中间层，时间为2小时；在烧结的青铜粉中间层上轧制一层由聚四氟乙烯、经稀土改性剂处理的碳纤维以及少量铅粉组成的聚合物层，厚度为0.01毫米，压力为30MPa，然后在氮气保护条件下，在380℃条件下进行烧结，再经机械加工修饰，最后经过卷制、焊接成复合材料轴承。
对制备得到的滑动轴承进行摩擦学试验，在加载3000N，滑动速度为3.00m/s条件下测得摩擦系数为0.0028。
实施例2复合材料滑动轴承聚合物层的组分重量百分比为聚四氟乙烯80％，稀土改性剂处理过的碳纤维15％，铅粉5％。
稀土改性剂各组分重量百分比氯化铈7％；乙醇76％；乙二胺四乙酸(EDTA)9％；氯化铵5％；硝酸1％；尿素2％。
复合材料轴承制造过程如下首先，对碳纤维进行预处理，在500℃马福炉中烧蚀0.8小时，使其表面有机物残留量的重量百分比在1％以下。然后采用稀土改性剂处理，将碳纤维在室温下浸入改性剂中，浸泡4小时，过滤后，烘干。接着在钢板上铺一层青铜粉，厚度为0.3毫米，在800℃条件下把青铜粉和钢板基材烧结在一起，使钢板表面烧结一层青铜粉作为中间层，时间为2小时；在烧结的青铜粉中间层上轧制一层由聚四氟乙烯、经稀土改性剂处理的碳纤维以及少量铅粉组成的聚合物层，厚度为0.03毫米，压力为30MPa，然后在氮气保护条件下，在380℃条件下进行烧结，再经机械加工修饰，最后经过卷制、焊接成复合材料轴承。
在MPV-20型摩擦磨损试验机上采用一定速度下逐级加载的方法(第一次加载1700N，以后每隔10min加一级载荷，每级1300N)考察制得的PTFE复合材料轴承在30#机械油滴油润滑条件下的摩擦学性能，滑动速度为1.00m/s，最终载荷为12000N时磨损量为5.3mg。
实施例3复合材料滑动轴承聚合物层的组分重量百分比为聚四氟乙烯95％，稀土改性剂处理过的碳纤维4％，铅粉1％。
稀土改性剂各组分重量百分比氧化镧10％；乙醇82％；乙二胺四乙酸(EDTA)5％；氯化铵2％；硝酸0.5％；尿素0.5％。
复合材料轴承制造过程如下首先，对碳纤维进行预处理，在600℃马福炉中烧蚀0.5小时，使其表面有机物残留量的重量百分比在1％以下。然后采用稀土改性剂处理，将碳纤维在室温下浸入改性剂中，浸泡3小时，过滤后，烘干。接着在钢板上铺一层青铜粉，厚度为0.25毫米，在800℃条件下把青铜粉和钢板基材烧结在一起，使钢板表面烧结一层青铜粉作为中间层，时间为2小时；在烧结的青铜粉中间层上轧制一层由聚四氟乙烯、经稀土改性剂处理的碳纤维以及少量铅粉组成的聚合物层，厚度为0.02毫米，压力为30MPa，然后在氮气保护条件下，在380℃条件下进行烧结，再经机械加工修饰，最后经过卷制、焊接成复合材料轴承。
在MPV-20型摩擦磨损试验机上采用一定速度下逐级加载的方法(第一次加载1700N，以后每隔10min加一级载荷，每级1300N)测得在滑动速度为3.84m/s时，轴承极限pv值为38.7MPam/s。
权利要求
1.一种聚四氟乙烯复合材料耐磨自润滑滑动轴承的制备方法，其特征在于首先对碳纤维进行预处理，在450～600℃马福炉中烧蚀0.5～1小时，使其表面有机物残留量的重量百分比在1％以下，然后将碳纤维在室温下浸入稀土改性剂中，所述稀土改性剂的组分重量百分比为稀土化合物2～10％，乙醇75～95％，乙二胺四乙酸1～10％，氯化铵1～5％，硝酸0.5～1％，尿素0.5～2％，浸泡2～4小时后，过滤、烘干；在钢板上铺一层厚度为0.25～0.30毫米的青铜粉，在800℃条件下把铜粉和钢板基材烧结在一起，使钢板表面烧结一层青铜粉作为中间层，时间为2小时；在烧结的青铜粉中间层上轧制一层厚度为0.01～0.03毫米的聚合物层，压力为30MPa，所述聚合物层原料组成重量百分比为聚四氟乙烯70～95％，稀土改性剂处理过的碳纤维4～25％，铅粉1～5％；然后在氮气保护、380℃条件下进行烧结，再经机械加工修饰，最后经过卷制、焊接成复合材料自润滑滑动轴承。
2.根据权利要求1的聚四氟乙烯复合材料耐磨自润滑滑动轴承的制备方法，其特征在于所述稀土化合物为氯化镧、氯化铈、氧化镧或氧化铈。
全文摘要
本发明涉及一种聚四氟乙烯复合材料耐磨自润滑滑动轴承的制备方法，首先对碳纤维进行表面稀土改性预处理，然后在钢板表面烧结一层青铜粉作为中间层，在中间层上轧制一层包含经稀土改性剂处理的碳纤维的聚合物层，再经过氮气保护条件下的烧结、机械加工修饰和卷制焊接，制成复合材料滑动轴承。其中所述稀土改性剂的组分为稀土化合物、乙醇、乙二胺四乙酸、氯化铵、硝酸、尿素，所述聚合物层原料组成为聚四氟乙烯、稀土改性剂处理过的碳纤维及铅粉。本发明制得的碳纤维/聚四氟乙烯复合材料滑动轴承具有优良的力学性能和摩擦学性能，可用于机械、食品、航空航天等部门各种无油润滑的场合。
文档编号F16C33/14GK1712749SQ20051002795
公开日2005年12月28日 申请日期2005年7月21日 优先权日2005年7月21日
发明者程先华, 包丹丹, 上官倩芡, 梁木子 申请人:上海交通大学