專利名稱：滑動軸承材料及其應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種滑動軸承材料，它含有一種基質材料和一種至少有一種含氟熱塑性塑料和填充物質的滑動材料。本發明還涉及這樣的滑動軸承材料的應用。
有塑料基貼面的軸承材料稱為單層的、雙層的或三層的復合材料全塑料軸承；有金屬外襯和直接涂覆或粘附的塑料的軸承；有內部金屬絲網的其他軸承；以及有襯里金屬、燒結的多孔金屬層和在孔上和孔中形成的覆蓋層的三層軸承。所有這些軸承通常用于不可能或不希望使用潤滑劑的場合。由于這一原因，操作中它們必需自己提供這些潤滑材料。
多層材料與全塑料材料不同例如在負荷下冷流動的傾向可忽略；熱傳導性好得多，與此相關的是有顯著高的可能的PV值。但是，在某些情況下，如從價格角度看，全塑料材料也可能是有利的。
在三層材料中，又可進一步區分基于含氟熱塑性塑料如PTFE、PFA、FEP等的貼面的三層材料以及基于其他塑料如PEEK的貼面的三層材料。后兩類在其操作方式上不同在PTFE基材料的情況下，青銅中間層是貼面的“有效”承載組件，并起如填充物質那樣的作用，而其他塑料材料僅作為錨定的手段。如果對金屬襯有足夠的親合性，它們可生成真正的兩層材料，但也可借助粘合劑涂覆。在有效貼面上，熱固性塑料或熱塑性塑料材料起青銅的支承作用。此外，由粘附到金屬上的填充的含氟熱塑性塑料薄膜形成的軸承材料或具有加入到塑料中的金屬網的其他軸承材料也是已知的，它們同樣可粘附到金屬襯上。
就普遍應用性和生產難易來說，最有利的材料是基于含氟熱塑性塑料如PTFE的三層材料，它也有最高的效能和耐溫性。在生產過程中，用塑料分散液來生產均勻的PTFE/填充物質漿糊，然后通過燒結PTFE、隨后將它輥壓到襯材料上的步驟來制備最后的復合材料。
對于這樣的材料，最常用的填充物質為鉛和二硫化鉬，它些材料實際上有同等的性能水平。這些填充物質也在潤滑劑存在下使用。
在許多情況下，希望能使用不需維護、節省空間的有PTFE貼面的滑動軸承來解決結構問題。但是，在PV值為2兆帕·米/秒下，負荷上限在平均負荷和速度范圍(0.5-100兆帕和0.02-2米/秒)內，負荷上限可限制這些滑動軸承的應用。
由DE 4106001 A1已知，有良好性能的滑動軸承材料也可用PbO作為填充物質來制備，但有不斷增加的斑點如鉛粘附到使用的材料上，它有可能損害健康。此外，對于最適合于不應用潤滑劑的材料不適用于例如作為減震器活塞桿的導槽襯套，因為在這些條件下，它們沒有必要的磨損和耐氣蝕性，要不就是它們的摩擦系數太高，不能令人滿意。
僅由PTFE和二硫化鉬組成的貼面的軸承材料早就知道，且屬于目前一些最常用的無潤滑劑的軸承材料。已知氮化硼是一種固體潤滑劑，它也反復指定為PTFE的潛在填充物質，潤滑性的性能僅在800℃以上才變得有效。
例如，二硫化鉬和氮化硼已在DE-PS 11 32710中作為固體潤滑劑的例子提到。但是，未提到二硫化鉬和氮化硼同時在PTFF中使用。
本發明的目的是，提供一種填充物質組合物，它擴大了上述含熱塑性塑料的塑料軸承材料的優點，而又不使用鉛或含鉛化合物。
這一問題這樣被解決使滑動軸承材料含有5-48％(體積)氮化硼和2-45％(體積)至少一種有層狀結構的金屬化合物作為填充物質，含氟熱塑性塑料的比例占50-85％(體積)。體積百分數按滑動材料計，不包括基質材料。
已表明，通過使用氮化硼，其中優選氮化硼呈六方變形形態，以及至少一種有層狀結構的金屬化合物的填充物質組合物，塑料軸承材料的性質可顯著改進，其性質超過僅含有這些填充材料中一種的軸承材料。特別是，這些性質包括承載性、耐磨損性和耐氣蝕性。
金屬化合物的層狀結構應理解為晶體晶格的各向異性，以致某些晶格面彼此的替代在施加外力時通過原子組成部分的弱相互作用變得更容易。可能的金屬化合物例如是二硫化鉬和/或硫化鎢和/或硫化鈦和/或碘化鈦。
含氟熱塑性塑料優選為PTFE或PTFE外加選自ETFE、PCTFE、ECTFF、PVDE或FEP中的一種或多種含氟熱塑性塑料。
當基材為青銅骨架、而滑動材料嵌入骨架中時，或者當基材是熱塑性塑料、而滑動材料以細分散形式混合在其中時，有利的性能是特別明顯的；按滑動軸承材料的總量計，塑料基材的比例占60-95％(體積)、優選70-90％(體積)。
塑料基材優選含PPS、PA、PVDF、PSU、PES、PEI、PEEK、PAI或PI。
在PTFE/燒結的青銅基滑動軸承材料中，性能得到如此大的改進，以致在無潤滑劑的條件下，PV值可在平均負荷和速度范圍內達到至多5兆帕·米/秒。同時，這些材料有高的耐氣蝕性和可與先有技術油潤滑可比的摩擦系數。既使使用有不同塑料基材如PPS、PA、PVDF、PSU、PES、PEI、PEEK、PAI或PI的含氟熱塑性塑料的材料，本發明的填充物質組合物與有單一組分填充的變通方案相比，可在耐磨損性方面有顯著的改進。
氮化硼的比例優選為6.25-32％(體積)，而金屬化合物的比例優選為5-30％(體積)。這些填充物質的粒度優選為40微米以下、特別是20微米以下。
本發明以外的比例不能得到超過PTFE和氮化硼或PTFE和MoS2組合的任何明顯的改進。但是，有可能由上述組合物開始，用其他組分替代至多40％(體積)氮化硼/金屬硫化物填充物質組合物，但優選不大于20％(體積)，其他組分例如為熱固性材料或高溫熱塑性材料，如聚酰亞胺或聚酰胺亞酰胺；其他的固體潤滑劑如石墨、顏料如焦炭；和纖維材料如石墨短纖維或聚芳基酰胺纖維，或者硬質物質如碳化硼或氮化硅。
本發明的滑動材料可與熱塑性塑料的基質材料一起用作全塑料滑動元件。但是，滑動軸承材料也可用作多層材料的貼面，它有可能直接涂覆到金屬襯上作為貼面。含有燒結的青銅基質的貼面的多層材料這樣來制作，以致用這樣的方法將0.05-0.5毫米的青銅層燒結到襯金屬上，如鋼或銅或鋁合金上，它含有20-45％孔體積，而青銅組合物本身含有5-15％錫和任選至多15％鉛。然后用這樣一種方法，經輥壓將滑動材料混合物涂覆到多孔基質上，以致孔完全被填滿，視應用而定，得到0-50微米厚的貼面層。然后將該材料在爐中進行熱處理，在熱處理過程中得到的PTFE在380℃下燒結3分鐘，包括輥壓步驟，得到最終的復合材料和所需的最后尺寸。
下面借助附圖和表更詳細地說明示例性實施方案。在附圖中
圖1說明磨損率與填充物質中氮化硼含量的關系，和圖2-4為表中匯集的試驗結果的圖示。
如下面實施例1所述，滑動材料混合物可用PTFE分散液來制備用這樣一種方法將填充物質加到PTFE分散液中，以致當隨后凝結時，得到均勻的分散液。然后得到漿糊狀組合物，它有隨后涂覆過程所需的各種性質。
實施例1將12升水、25克硫酸月桂酯鈉、3公斤氮化硼、15.9公斤硫化鉬和34公斤35％PTFE分散液劇烈攪拌20分鐘。然后加入100克20％硝酸鋁溶液。完全凝結后，將1升甲苯攪拌到混合物中，然后除去排出的流體。
在表1-4中所引的其他實施例都可用這一方法由PTFE/青銅基質貼面的三層體系來生產。所以，下面僅提及塑料混合物的組合物。
對于用所述的方法生產的材料，在摩擦系數和耐磨損性方面，本發明的組合物明顯優于基于PTFE/MoS2或PTFE/pb的標準材料。
為了考察各種性質如耐磨損性和摩擦系數，PTFE、氮化硼和二硫化鉬的組成在寬的范圍內變化，生產上述三層材料的樣品，它有1.25毫米鋼層、0.23毫米青銅層和0.02毫米塑料貼面層。在圓周速度為0.52米/秒和負荷為17.5兆帕下，用0.78厘米2樣和針/輥式摩擦計測量這些樣品的磨損率，并與標準材料比較。所用的標準材料為有80％(體積)PTFE和20％(體積)MoS2塑料層的上述類型的復合材料。
圖1說明磨損率與填充物質中的氮化硼含量的關系，總的填充物質量保持在30％(體積)不變。可清楚地看出，在本發明的試驗范圍內，有一明顯的最低磨損點，它說明本發明的組合物例如比僅含有二硫化鉬的組合物大約好4倍。
為了弄清本發明可得到的改進，另外測試了列入表1的材料組合物以及用針/輥式試驗得到的摩擦系數和磨損率。圖2用圖示比較了結果，它表明，在每種情況下填充物質組合物都優于兩組分中僅一種的情況。
從表2和圖3所列的和實施例組合物7-11得到的結果可以看出，本發明的材料也可與其他組分組合，而不損失它的有利性質。還可以看出，通過這樣的添加可得到進一步的改進。
此外，測試了硫化鎢的效率。由針/輥式試驗組得到的相應結果列入表3。顯然，為了達到本發明的效果，在結構上類似二硫化鉬的其他材料也可能是適用的。
由實施例組合物1和3制成直徑22毫米襯套，并在旋轉試驗操作中測試其承載限。在0.075米/秒速度下達到運轉距離13.5公里時最高可能的負荷稱為極限負荷。失效標準為溫度突然上升；在隨后的研究中，已證實與平均磨損深度為90微米的意義一樣。當進行其它評價時，樣品3的結果對應于4.5兆帕·米/秒的PV值。在圖4中，結果與先有技術的結果進行了比較。
表4說明當用于減震器時，本發明的材料的性能與先有技術的相等。耐氣蝕性和摩擦系數有可比的水平。該表是基于有極端氣蝕應力水平的減震器測試計劃而得的。在這里使用壽命的失效標準是滑動面完全地和部分地脫落。用有上述尺寸的襯套、在負荷為1000牛和滑動速度為20米/秒下對減震器活塞桿操作來測定摩擦系數。提供油滴潤滑。
優選實施本發明的另一可能的方法包括，將本發明有PTFE的滑動材料混合物加到另外的聚合物熱塑性基質中，如PPS、PA、PVDF、PES、PSU、PEEK、PI、PA或PEI中，然后用任何希望的方法加工該組合物，制成滑動元件，例如將它涂覆到有青銅中間層或沒有青銅中間層的金屬襯上，或制成全塑料另件。熱塑性塑料的含量可在60-95％(體積)之間、優選70-90％(體積)之間變化。
將干共混物形式的本發明的含氟熱塑性塑料/氮化硼/二硫化鉬混合物分散在鋼/青銅基質上，熔融并滾壓在其上。但是，也可用熔體調制的方法生產混合物。在這里對PES化合物的摩擦性的影響作為例子，但是許多其他的熱塑性塑料也可用作基質。
為了弄清本發明的效果，圖5說明PES化合物與PTFE、PTFE/MoS2、PTFE/BN和PTFE/BN/MoS2的摩擦系數和磨損值。準確的組成和測量值列入表5。實施例14得到最好的數值。
表1
表2
表3
表4
表權利要求
1.一種滑動軸承材料，它含有一種基質材料和一種由至少一種含氟熱塑性材料和填充物質構成的滑動材料，其特征在于，滑動材料含有5-48％(體積)氮化硼和2-45％(體積)至少一種有層狀結構的金屬化合物作為填充物質，含氟熱塑性塑料的比例占50-85％(體積)。
2.根據權利要求1的滑動軸承材料，其特征在于，它含的氟熱塑性塑料為PTFE或PTFE加上一種或多種選自ETFE、PCTFE、ECTFE、PVDF或FEP的含氟熱塑性塑料。
3.根據權利要求1或2的滑動軸承材料，其特征在于，金屬化合物為MoS2、硫化鎢、硫化鈦或碘化鈦。
4.根據權利要求1-3中任一項的滑動軸承材料，其特征在于，氮化硼以六方變形型態存在。
5.根據權利要求3或4中一項的滑動軸承材料，其特征在于，氮化硼的比例占6.25-32％(體積)，而金屬化合物的比例占5-30％(體積)。
6.根據權利要求1-5中任一項的滑動軸承材料，其特征在于，填充物質的粒度小于40微米。
7.根據權利要求6的滑動軸承材料，其特征在于，填充物質的粒度小于20微米。
8.根據權利要求1-7中任一項的滑動軸承材料，其特征在于，可用其他添加劑代替至多40％(體積)氮化硼/金屬化合物填充物質組合物。
9.根據權利要求8的滑動軸承材料，其特征在于，添加劑為選自硬質物質如Si3N4或碳化硼、顏料如焦炭、纖維材料如石墨短纖維或聚芳基酰胺纖維、固體潤滑劑如石墨或高溫熱塑性塑料如PAI或PI中的一種或多種。
10.根據權利要求1-9中任一項的滑動軸承材料，其特征在于，基質材料是多孔的青銅骨架，滑動材料加到其中。
11.根據權利要求1-9中任一項的滑動軸承材料，其特征在于，基質材料為熱塑性塑料，滑動材料以細分散形式加到其中，按滑動軸承材料的總量計，基質材料的比例占60-95％(體積)。
12.根據權利要求11的滑動軸承材料，其特征在于，基質材料由PPS、PA、PVDF、PSU、PES、PEI、PEEK、PAI或PI組成。
13.權利要求1-12中任一項的滑動軸承材料作為全塑料滑動元件的應用。
14.權利要求1-12中任一項的滑動軸承材料作為涂覆到金屬襯上的貼面的應用。
全文摘要
一種滑動軸承材料,它含有一種基質材料和至少一種含氟熱塑性材料和填充物質,其特征在于,滑動材料含有5—48%(體積)氮化硼和2—45%(體積)至少一種有層狀結構的金屬化合物作為填充物質,含氟熱塑性塑料的比例占50—85%(體積)。
文檔編號C08K3/16GK1190455SQ96195359
公開日1998年8月12日 申請日期1996年6月25日 優先權日1995年7月8日
發明者A·艾德姆 申請人:格萊庫金屬構件兩合公司