專利名稱：滑動軸承的制造技術
本發明涉及滑動軸承的制造方法、材料和由此種方法制得的軸承。
許多種滑動軸承都具有軸承工作面層，它含有高比例的氟聚合物例如聚四氟乙烯(PTFE)，這是由于此類聚合物具有優良的低摩擦性能。這樣的軸承工作面層本身是不耐用的，于是它們被施用到通常由金屬制成的支承基材上。然而，由于氟聚合物很難固定到基材上，所以在一種普通類型軸承中，包含有通常由燒結金屬例如青銅制成的中間層。在此類軸承的制造過程中，PTFE與溶劑、填料混合，形成類似漿糊的糊狀物，并在強制進入燒結金屬的空隙內使軸承工作面層材料結合燒結金屬之前，鋪散于燒結金屬的表面。因為有必要脫除溶劑，材料在燒結金屬上只能形成較薄的表面層(約50微米或以下)，否則會出現溶劑引起的鼓泡。在燒結的結合層上制成的表面層厚度，也受這樣的因素影響糊狀物輥壓入燒結的空隙，并達到足夠程度的滲入，以防止氟聚合物在使用中從背襯上脫層，可能需要較高的壓力使在燒結結合層上產生薄層。由于表面層較薄，它通常不能進行機械加工以改進表面質量、或者實施以形成具有精確壁厚和內腔尺寸的軸承的定尺寸操作。
EP-A-0708892描述了由含有金屬背襯的材料和含有聚四氟乙烯、2-10％(體積)的滲入燒結結合層空隙的原纖化芳族聚酰胺纖維的軸承材料襯所制成的軸承，該金屬背襯上具有燒結層。此文獻也描述了由造紙路線制造軸承材料片、通過加熱加壓將該片熔化和粘合到燒結結合層上。然而，背襯材料上燒結結合層上的層厚也是只有25微米。
WO97/06204描述了制造含有芳族聚酰胺漿料和作為主要成分的氟樹脂的片狀的軸承材料。此制造方法是根據造紙類工藝。然而，沒有提到將這樣形成的材料固定到金屬背襯的任何方法。確實，通過形成許多層的片材的疊層，并在施加的壓力作用下，將它們燒結在一起，可獲得較厚的材料。然而，這只能產生單塊的材料，由此，軸承可以通過例如切削加工而形成，但在要求薄軸承層或薄的壁厚的場合，則缺乏支承金屬背襯的增強作用。
本發明的一個目的是提供氟聚合物基滑動軸承的制造方法，此方法能夠使較厚的軸承材料層在形成的任何支承或結合金屬層上。
根據本發明的第一個方面，它提供軸承材料的制造方法，此方法包括如下步驟形成有一定固體含量的水基漿料，該固體內含有30-80％(體積)的氟聚合物、5-30％(體積)的成網的原纖化纖維和5-40％(體積)的填料，該填料選自無機纖維、無機顆粒料、金屬纖維、金屬粉末、有機纖維、有機顆粒料、有機基質增強劑中的至少一種，成網材料和填料可耐氟聚合物熔點或固化溫度以上的溫度；向基材上沉積一層漿料，使水可從層面上排出，形成沉積層，其中成網的纖維形成含有氟聚合物和填料的網，將沉積層加熱到高于氟聚合物熔點以上的溫度，使氟聚合物固化。
根據本發明，此方法的重要的優點是能夠形成較厚的軸承工作面層，因此能夠進行機械加工。軸承材料在任何背襯或結合層上制成的厚度可以是50-400微米。本發明方法另外的優點是造紙類路線可使氟聚合物進行的機械加工少得多，因此導致其硬結較少，使材料在較低的滲入壓力下更容易滲入多孔的機械結合層例如燒結青銅，可在燒結層上獲得較厚的剩余層。在糊狀物的形成和鋪散中，常規的“糊狀物”路線使聚合物進行的機械加工較多，使它更稠，而且更難以滲入燒結層內，這樣就要求更高的壓力，這部分成為燒結層上層厚薄的原因之一。
基底沉積層的制造方法可以使用造紙工業中較常規的設備，典型的例子是所熟知的福德林尼爾造紙機或者圓筒型機器。
水從沉積漿料中排出之后，基材上的沉積層就從原纖化纖維的網獲得它的加工強度，網中及其周圍含有氟聚合物和填料，沉積層具有類似紙的外觀。后續加工所需的加工強度要求原纖化纖維的最低含量為5％(體積)。含量高于30％(體積)，低摩擦性能就開始劣化。
原纖化纖維的較佳含量可以是10-30％(體積)。
原纖化纖維(通常稱為“漿料”)較佳含有芳族聚酰胺材料例如Kevlar或Twaron(商品名)，更佳是對芳族聚酰胺材料。
對原纖化纖維的主要要求是它們能夠承受固化氟聚合物的加熱步驟，因此，只要滿足此條件，其他的纖維材料也是可以的。
在本發明的一個較佳實施方式中，氟聚合物可以含有聚四氟乙烯(PTFE)，它要求在其熔點、約330℃以上的溫度下固化。
雖然PTFE是用于本發明的較佳的氟聚合物，也可以使用其他的氟聚合物來代替PTFE，或與PTFE一起使用。其他的氟聚合物例如聚全氟乙烯-丙烯、甲基全氟烷氧基聚合物、全氟烷氧基聚合物、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯-乙烯和聚偏二氟乙烯。
在本發明的方法和材料中包括填料，以增強和/或加強材料基材，也改進實際的軸承性能，例如耐磨性和摩擦系數。
合適的無機纖維可以包括例如玻璃或碳纖維。
合適的無機顆粒或粉末材料可以包括例如氟化鈣、白土、二硫化鉬、二硫化鎢、石墨、二氧化硅、氧化鋁、氧化鉛和氧化銅。
合適的金屬纖維和粉末可以包括例如青銅、黃銅、鉛、錫、鋅。
有機材料可以包括填料例如熱固性或熱塑性樹脂，它可以用來進一步增強基材。這樣的其他聚合物可以包括聚苯硫醚、聚亞苯基砜、聚酰亞胺、尼龍46、聚醚醚酮、聚甲醛、聚酯、聚氨酯、聚酰胺-酰亞胺、聚醚砜、聚對苯二甲酸乙二酯和聚醚酰亞胺。
漿料可以包括膠乳類材料以改進原始沉積材料的加工強度，然而，漿料中這樣的加入物會在加熱以固化氟聚合物的步驟中分解，但不損害所形成的固化軸承材料。
漿料也含有與漿料的形成有關、并有益于向造紙設備的排水基材上沉積和形成一層所需組合物的固體層的其他添加物。這樣的添加物可以包括促凝劑和絮凝劑例如膠態二氧化硅、聚合物促凝劑和明礬。然而，這樣的具有所要求作用的材料對本技術領域內的技術人員來說是已知的，不需進一步精心制造。
沉積層一旦從排水基材上取下，它就具有約50％(體積)的孔隙率。原始的未致密未固化材料的沉積層厚度可以約為200微米-2毫米。200微米的較薄的厚度是實際的下限，低于此值，對易加工性來說，強度變得太低；而上限是由造紙基本工藝的脫水特性所控制。
為著制成軸承的目的，未壓實時沉積層的較佳范圍可以是200-800微米。
一旦形成沉積層，就將沉積層固定到背襯并固化氟聚合物的加熱步驟來說，有幾種路線可以采用。沉積層可以例如在加熱固化聚合物的步驟之前或之后，附著到支承基材上。支承基材可以是本技術領域中任何已知的材料例如鋼、不銹鋼、青銅和鋁。
有各種可采用的方法可將軸承材料層固定到堅固的支承背襯。主要有兩種基本的固定方法，包括(i)將軸承層由機械作用固定到金屬背襯，其中軸承材料層滲入多孔表面，或與形成于背襯材料表面上的實際零件例如金屬絲網或多孔的金屬背襯嚙合；或者(ii)將軸承材料層由粘合方式固定到堅固的背襯層；或者(iii)機械和粘合的組合的固定方式。在每一種方法中，在可用的工藝步驟或所采用的工藝步驟次序中，都有選擇余地。
當軸承材料層由機械作用固定到多孔的燒結結合層時，原始沉積層可以滲入燒結表面，接著加熱固化。背襯基材通常由金屬制成，這使如果該層在加熱步驟之前固定到基材上，基材有助于將熱傳遞到層的所有部分。此路線也起到使多孔軸承材料層在滲入步驟期間基本完全壓實的作用。
在滲入、隨之壓實之后，任何機械操作之前，在燒結結合層或背襯表而上的軸承材料層厚度較佳為50-400微米，更佳為100-250微米。
當軸承材料層由粘合方式固定到背襯時，(a)它首先可以由例如輥壓致密，消除或降低孔隙率，接著固化，最后由粘合劑層粘合到背襯材料上；或者(b)多孔軸承材料層可以粘合到背襯層上，致密，接著固化；或者(c)多孔層可以致密，粘合到背襯層，最后固化；或者(d)軸承材料層可以粘合到背襯層，固化，接著壓實；或者(e)軸承材料層可以固化，粘合到背襯層和壓實；或者(f)軸承材料層可以固化，壓實和粘合到背襯層。采用可替換的方式(b)、(c)和(d)時，使用的粘合劑必須能夠承受固化溫度，采用可替換的方式(b)、(d)和(e)時，使用的粘合劑層必須能夠承受由輥壓或任何其他合適的替代方法進行的致密步驟。替換的方式(b)、(d)和(e)具有這樣的優點，軸承層內的孔隙率可以用來提高采用粘合劑進行粘合的強度。
合適的粘合劑可以包括環氧類、丙烯酸酯類、氰基丙烯酸酯類、聚氨酯、酚醛樹脂、異戊二烯、丁苯橡膠、氟聚合物、聚酯和尼龍。施用粘合劑的方法可以包括輥涂、幕涂、噴涂或作為膜施用(例如熱熔、壓敏或接觸型)。當使用粘合劑時，軸承材料可以在施用粘合劑之前要求預處理例如化學侵蝕、等離子體預處理、輻照、或采用化學偶聯劑或粘合促進劑。
沉積該層可以分幾個階段進行，即一層在另一層的上面形成更厚的沉積層。
在造紙工藝中控制漿料，即具有兩個或更多的沉積位置，其中另一種組成漿料沉積在前一種組成漿料上，從而可以在沉積層內形成可變的組成。另外，也可以制造不同組成的單層，壓在一起并固化。
當材料制成許多沉積層時，可以制成漿料組成在每一層內都有變化的層。例如用來形成軸承的滑移面的層，可以比用來形成其鄰近基材的較里面的層加入更多的氟聚合物，基材可以加入能更有效地粘合到基材材料上的其他聚合物。換一句話說，軸承材料的組成在整個厚度上是變化的，由一種能更容易粘合到基材上的組成，變化到提供優異軸承性能的組成。
每層沉積層的厚度可以根據其在最終軸承內的預定作用而變化。因此，可以使用不能獨自進行加工的較薄的層，例如作為本身是軸承滑移材料層和堅固背襯層之間的結合層。
堅固背襯可以具有一層另一種聚合物，它與氟聚合物相容，沉積在背襯上促進背襯和沉積層之間的粘合。
填料可以是中空的，并含有液體或其他潤滑劑，隨著軸承磨損，它逐漸釋放出來。
根據本發明的第二方面，當由本發明第一方面的方法制造時，它提供軸承材料。
根據本發明的第三方面，它提供軸承，該軸承含有結合到堅固背襯材料上的本發明第二方面所涉及的材料。
為了更加全面地理解本發明，只通過說明的方式，參考附圖
來說明實施例，附圖顯示了已知的滲入篩網型軸承材料和本發明軸承材料的磨損與時間的關系的比較。
實施例1本實施例是滑動軸承的制造方法。此方法包括形成固體含量為2％重量/體積(500升水中10千克固體)的水基漿料。固體內含有73％(體積)的PTFE(以PTFE分散于水中(55％重量的PTFE)的形式混入)、10％(體積)的原纖化對芳族聚酰胺纖維(纖維平均長0.74毫米，直徑為12-15微米)、4％(體積)的石墨粉末、13％(體積)的玻璃纖維(平均150微米長、直徑為12微米)。在說明方法的一個變化的方法中，漿料中免除了石墨，PTFE含量降低至67％(體積)，玻璃纖維的含量保持在13％(體積)，對芳族聚酰胺纖維含量增加至20％(體積)。
對芳族聚酰胺纖維進行原纖化，使得它們能夠成網。含有玻璃纖維，作為增強纖維。應當注意的是，使用的纖維耐PTFE熔點(約為330℃)以上的高溫。
此方法也包括向金屬絲網沉積一層漿料，使漿料中的水從層面上排出，形成沉積層，其中對芳族聚酰胺纖維形成含有PTFE、石墨和玻璃纖維的網。由對芳族聚酰胺纖維形成的網帶有彼此粘附的無規取向的纖維，用來形成支承網，以使沉積層能被加工。當絲網移動時，漿料由噴涂方式沉積到金屬絲網。水通過絲網排出，留下自支承的沉積層，能夠從絲網帶上取下，干燥并卷繞。
約500微米厚的沉積層，從金屬絲網上取下，置于金屬基材上。基材是厚0.3毫米的鋁板。基材預成形上帶有凸出約0.4毫米的低的金屬凸起。該低的凸起由穿透基材沖出的孔的邊緣形成。金屬基材和沉積層在壓輥之間經過，迫使該低的凸起進入沉積層，這樣使沉積層附著到基材上。所說明的方法也包含加熱的步驟，其中沉積層被加熱至PTFE的熔點以上，以固化PTFE。在這個沉積層附著到基材上之后而實施的步驟中，實現加熱的方式是在烘箱中于380℃下加熱10分鐘。
完成的軸承材料具有一個軸承工作面層，它是由沉積層在固化后形成，厚度為250微米。
實施例2漿料的形成方式與實施例1相似，除了厚0.49毫米的干燥沉積材料層內最終的固體內含有65％(體積)的PTFE、20％(體積)的Kevlar(商品名)、15％(體積)的氟化鈣(+穩定劑和添加劑例如促凝劑等)。在沉積時和固化前未壓實材料的拉伸強度是0.7兆帕。將兩種材料經過輥子，使未壓實材料滲入鋼制背襯層上厚0.25毫米的多孔青銅燒結層。除了滲入青銅燒結層，材料在此輥壓步驟中還進行壓實。接著被滲入的軸承材料在380℃下加熱10分鐘，使PTFE固化。最終的材料在燒結結合層上具有厚0.165毫米的軸承材料層。
上述實施例是在小規模實驗設備上進行的，在生產線上制造的相似材料，由380℃下感應加熱金屬背襯約1分鐘的方式進行固化。
實施例3漿料的形成方式與實施例1相似，除了最終的固體內含有61.8％(體積)的PTFE、20％(體積)的Kevlar(商品名)、13％(體積)的玻璃纖維、3.2％(體積)的膠態二氧化硅(作為促凝劑等)和2％(體積)的碳黑(作為顏料)和作為穩定劑的其他添加劑。在沉積時和固化前未壓實材料的拉伸強度是0.9兆帕。將兩種材料經過輥子，使未壓實材料滲入鋼制背襯層上厚0.25毫米的青銅燒結層。除了滲入青銅燒結層，材料在此輥壓步驟中還進行壓實。接著被滲入的軸承材料在380℃下加熱10分鐘，使PTFE固化，或者，當固化工藝是在工廠的生產線上進行時，材料在380℃下經受約1分鐘的感應固化。
最終的材料在燒結結合層上具有厚0.165毫米的軸承材料層。
此材料的磨損和摩擦性能可比得上其他的軸承產品，見表1。
表1制成的軸承材料的磨損和摩擦性能
采用擺動襯套測試方法，于PV＝0.18、130000循環的條件下，在圓筒形襯套上測試磨損。摩擦系數采用銷在盤上摩擦計測量。
附圖顯示了與可購買到的篩網基軸承產品對照的滲入青銅燒結層的新型軸承材料的測試結果。此測試是采用環上塊磨損測試設備在平樣品上進行。
實施例4組成與實施例3相同(61.8％PTFE等)。材料的厚度和強度也與實施例3相同。
將兩種材料經過輥子，使未壓實材料滲入厚0.39毫米的青銅篩網。除了滲入青銅篩網，材料在此輥壓步驟中還進行壓實。被滲入的篩網的最終厚度是0.39毫米。固化在380℃下進行10分鐘。
實施例5漿料的形成方式與實施例1相似，除了最終的固體內含有61.8％(體積)的PTFE、20％(體積)的Kevlar(商品名)、13％(體積)的玻璃纖維、3.2％(體積)的膠態二氧化硅(作為促凝劑等)和2％(體積)的碳黑(作為顏料)和作為穩定劑的其他添加劑。材料厚度在致密前為0.53毫米，沉積形式樣品的強度是0.9兆帕。將酚醛類粘合劑由輥涂施加到軸承材料的表面上。將涂敷過的材料進行預加熱，以活化粘合劑，然后與0.3毫米厚的不銹鋼背襯片一起經過壓延機輥隙，形成疊層。接著疊層兩次經過加熱的輥子，以壓實軸承材料。壓實之后，疊層加熱到160℃以固化粘合劑，然后加熱到380℃，以固化PTFE。接著疊層材料形成供測試用的圓筒形襯套。固化后壓實的軸承材料厚0.23毫米。酚醛樹脂粘合劑尤其有利，在于它能夠在PTFE固化步驟之后、在基材和軸承材料之間保持優良的粘合力。
權利要求
1.軸承材料的制造方法，其包括如下步驟形成有一定固體含量的水質漿料，所述固體內含有30-80％(體積)的氟聚合物、5-30％(體積)的成網的原纖化纖維和5-40％(體積)的填料，該填料選自無機纖維、無機顆粒料、金屬纖維、金屬粉末、有機纖維、有機顆粒料、有機基材增強劑中的至少一種，成網材料和填料可耐氟聚合物熔點或固化溫度以上的溫度；向基材上沉積一層漿料，使水可從層面上排出，形成沉積層，其中成網的纖維形成含有氟聚合物和填料的網，將沉積層加熱到高于氟聚合物熔點以上的溫度，使氟聚合物固化。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述原纖化纖維的含量為10-30％(體積)。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中所述原纖化纖維含有芳族聚酰胺材料。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述纖維是對芳族聚酰胺材料。
5.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述氟聚合物含有聚四氟乙烯。
6.如上述權利要求1-4中任一項所述的方法，其中所述氟聚合物選自聚全氟乙烯-丙烯、甲基全氟烷氧基聚合物、全氟烷氧基聚合物、聚四氟乙烯、聚三氟氧乙烯、聚四氟乙烯-乙烯和聚偏二氟乙烯中的至少一種。
7.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述無機纖維填料包括玻璃或碳纖維。
8.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述的無機顆粒料或粉末材料選自氟化鈣、白土、二硫化鉬、二硫化鎢、石墨、二氧化硅、氧化鉛、氧化銅和氧化鋁。
9.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述的金屬纖維或金屬粉末選自青銅、黃銅、鉛、錫和鋅。
10.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述有機材料填料選自熱固性或熱塑性樹脂，包括聚苯硫醚、聚亞苯基砜、聚酰亞胺、尼龍46、聚醚醚酮、聚甲醛、聚酯、聚氨酯、聚酰胺-酰亞胺、聚醚砜、聚對苯二甲酸乙二酯和聚醚酰亞胺。
11.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述漿料也含有膠乳類材料。
12.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述漿料含有促凝劑和絮凝劑。
13.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述沉積層的厚度約為200微米-2毫米。
14.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述沉積層在固化步驟之前，滲入多孔的結合層、或多孔的金屬背襯或篩網。
15.如權利要求14所述的方法，其中滲入、隨之壓實后的多孔結合層上的軸承材料層的厚度為50-400微米。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述多孔結合層上的軸承材料層的厚度，在任何機械操作之前，為100-250微米。
17.如上述權利要求14-16中任一項所述的方法，其中所述多孔結合層以鋼制背襯上的燒結青銅粉末層的形式提供。
18.如上述權利要求1-13中任一項所述的方法，其中所述沉積層在固化步驟之前由壓力進行壓實，固化，然后由粘合劑方式固定到堅固的背襯層。
19.如上述權利要求1-13中任一項所述的方法，其中所述沉積層在固化前由粘合劑方式固定到背襯層，接著由壓力進行壓實，然后固化。
20.如上述權利要求1-13中任一項所述的方法，其中所述軸承材料層由壓力進行壓實，在固化前由粘合劑方式固定到背襯，然后固化。
21.如上述權利要求1-13中任一項所述的方法，其中所述軸承材料層附著到背襯層上，固化，然后進行壓實。
22.如上述權利要求1-13中任一項所述的方法，其中所述軸承材料層固化，附著到背襯層上，進行壓實。
23.如上述權利要求1-13中任一項所述的方法，其中所述軸承材料層固化，壓實，附著到背襯層上。
24.如上述權利要求18-23中任一項所述的方法，其中所述粘合劑是酚醛粘合劑。
25.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述沉積層分許多階段形成，方式是在先前漿料的上面沉積另外的漿料。
26.如權利要求25所述的方法，其中所述另外漿料的組成和先前漿料的組成不同。
27.如權利要求25或26所述的方法，其中所述每層沉積的厚度是不同的。
28.如上述權利要求18-27中任一項所述的方法，其中所述堅固的背襯帶有一層與氟聚合物相容的另一種聚合物，該聚合物在背襯上沉積以促進背襯和沉積層之間的粘合。
29.如上述權利要求中任一項所述的方法，其中所述填料含有液體或其他的潤滑劑，它隨著軸承材料磨損而逐漸釋放出來。
30.軸承材料，其由上述權利要求1-13中任一項所述的方法制造。
31.軸承，其由上述權利要求14-29中任一項所述的方法制造。
全文摘要
描述了軸承材料的制造方法、軸承材料和在堅固背襯上帶有軸承材料的軸承。該方法包括如下步驟:形成有一定固體含量的水質漿料,固體內含有30—80%(體積)的氟聚合物、5—30%(體積)的成網的原纖化纖維和5—40%(體積)的選自無機纖維、無機顆粒料、金屬纖維、金屬粉末、有機纖維、有機顆粒料、有機基質增強劑中至少一種的填料,成網材料和填料可耐氟聚合物熔點或固化溫度以上的溫度;向基材上沉積一層漿料,使水可從層面上排出,形成沉積層,其中成網的纖維形成含有氟聚合物和填料的網,將沉積層加熱到高于氟聚合物熔點以上的溫度,使氟聚合物固化。
文檔編號C08J5/04GK1261386SQ9880638
公開日2000年7月26日 申請日期1998年6月15日 優先權日1997年6月21日
發明者J·A·麥克唐納德, D·G·霍爾, J·E·惠特利, A·拉科沃斯基 申請人:達納有限公司