專利名稱：聚四氟乙烯復合材料耐磨自潤滑滑動軸承的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種新型耐磨滑動軸承的制備方法，尤其涉及一種聚四氟乙烯復合材料耐磨自潤滑滑動軸承的制備方法，采用經過稀土表面改性處理的碳纖維填充聚四氟乙烯復合材料，由于其具有優異的摩擦學性能，使制得的軸承具有優異的摩擦磨損性能，在實際應用中具有更高的可靠性和經濟性。
背景技術：
復合材料滑動軸承是一種新型無油潤滑滑動軸承，在國內外一些工業部門應用十分廣泛。這種軸承材料是以鋼板為基材，在基材上燒結一層青銅粉作中間層，在其上軋制一層高分子塑料或高分子復合材料作為表面層，能夠自潤滑。它充分發揮了金屬的剛性和塑料的自潤滑性優異的特點，從而彌補了塑料尺寸不穩定和金屬干摩擦性差的缺點，使之具有耐疲勞、承載能力高、耐磨性好、壽命長等特點。
碳纖維增強聚四氟乙烯的生產技術較為成熟，原料來源廣泛，成本相對較低，是開發應用較早的熱塑性復合材料品種之一。碳纖維增強聚四氟乙烯復合材料具有加工過程無化學反應、成型周期短、可再生、可重復使用及力學性能好的優點，可以作為復合材料軸承的表面承載層。
但是，碳纖維中的碳分子平面是沿纖維軸平行取向，表面呈化學惰性，與聚四氟乙烯基體之間的親和性較差，難以形成化學鍵連接并且界面層存在不相溶組分，界面粘結強度低，復合時容易在界面上形成空隙和缺陷，增強體與基體樹脂難以形成有效粘結，影響復合材料綜合性能的發揮，尤其是影響短切碳纖維填充聚四氟乙烯復合材料的摩擦學性能。
目前，主要應用氧化法、沉積法等來改善碳纖維與聚合物基體的界面結合力，以提高碳纖維增強聚合物復合材料的綜合性能。這些方法在一定程度上改善了界面相的結合力，提高了復合材料的使用價值，但達不到理想的效果。從而導致碳纖維填充的聚四氟乙烯(PTFE)復合材料的摩擦系數較大，容易損傷摩擦偶件，摩擦學性能較差，使這種材料制成的軸承或襯套在許多實際工況下不能得到應用。隨著現代科學技術的進步，對軸承性能要求越來越高，要求其具有良好的摩擦磨損性能，以適應更高要求的實際工況。
公開號為CN1126286A的中國發明專利公開了一種復合材料軸承，它由內外兩層組成，內層由銅粉、聚四氟乙烯、石墨按一定百分比組成，外層由環氧樹脂、聚酰亞胺、無堿無捻玻璃纖維按一定百分比組成，是金屬套軸承的替代品，但不能應用于普通滑動軸承領域。
公開號為CN1445284A的中國發明專利公開了一種納米氧化鋅填充聚酰亞胺材料，具有優良的力學性能、耐熱性能和摩擦學性能，但是目前還沒有應用于復合材料軸承。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種聚四氟乙烯復合材料耐磨自潤滑滑動軸承的制備方法，制得的軸承具有優異的摩擦學性能，大大提高其在實際應用中的可靠性，可以適用于高要求的實際工況。
為制得具有優異摩擦磨損性能的滑動軸承，本發明的技術方案中，采用鋼板、青銅粉、聚四氟乙烯、碳纖維、稀土改性劑以及少量鉛粉等原料，采用軋制等方法制成滑動軸承。首先對碳纖維進行表面改性處理，然后在鋼板表面燒結一層青銅粉作為中間層，在中間層上軋制一層由鉛粉和經稀土改性劑處理的碳纖維填充的聚四氟乙烯復合材料，再經過氮氣保護條件下的燒結、機械加工修飾和卷制焊接，制成復合材料滑動軸承。經過上述工藝制得的碳纖維/聚四氟乙烯復合材料滑動軸承具有優良的力學性能和摩擦學性能。
本發明的復合材料滑動軸承制備方法具體為首先，對碳纖維進行預處理，在450～600℃馬福爐中燒蝕0.5～1小時，使其表面有機物殘留量的重量百分比在1％以下。然后采用稀土改性劑處理，將碳纖維在室溫下浸入改性劑中，浸泡2～4小時，過濾后，烘干。所采用的稀土改性劑的組分重量百分比為稀土化合物2～10％；乙醇75～95％；乙二胺四乙酸(EDTA)1～10％；氯化銨1～5％；硝酸0.5～1％；尿素0.5～2％。
本發明的稀土改性劑中的稀土化合物可以為氯化鑭、氯化鈰、氧化鑭或氧化鈰。
然后在鋼板上鋪一層青銅粉，厚度為0.25～0.30毫米，在800℃條件下把銅粉和鋼板基材燒結在一起，使鋼板表面燒結一層青銅粉作為中間層，時間為2小時；在燒結的青銅粉中間層上軋制一層由聚四氟乙烯、經稀土改性劑處理的碳纖維以及少量鉛粉組成的聚合物層，厚度為0.01～0.03毫米，壓力為30MPa，然后在氮氣保護條件下，在380℃條件下進行燒結，再經機械加工修飾，最后經過卷制、焊接成復合材料軸承。
其中，本發明所述的聚合物層原料組成重量百分比為聚四氟乙烯70～95％，稀土改性劑處理過的碳纖維4～25％，鉛粉1～5％。
本發明適用于各種短切的碳纖維增強聚四氟乙烯復合材料滑動軸承，其中碳纖維包括各種型號的PAN基和瀝青基碳纖維，如T-300等。聚四氟乙烯包括以懸浮法聚合并經細粉碎而成的各種牌號的聚四氟乙烯樹脂，如SM021等。
本發明具有顯著的效果。采用了稀土改性碳纖維填充聚四氟乙烯復合材料制造的軸承，具有更加優異的摩擦學性能和力學性能，并且稀土改性劑處理工藝方法簡單，成本低，對環境無污染，工藝性好。本發明的復合材料軸承耐磨性好，摩擦學性能得到顯著提高，可用于機械、食品、航空航天等部門各種無油潤滑的場合。
具體實施例方式
以下通過具體的實施例對本發明的技術方案作進一步描述，但不構成對本發明的限定。
實施例1復合材料滑動軸承聚合物層的組分重量百分比為聚四氟乙烯70％，稀土改性劑處理過的碳纖維25％，鉛粉5％。
稀土改性劑各組分重量百分比如下氯化鑭2％，乙醇93％，乙二胺四乙酸(EDTA)2％，氯化銨1％，硝酸0.5％，尿素1.5％。
復合材料軸承制造過程如下首先，對碳纖維進行預處理，在450℃馬福爐中燒蝕1小時，使其表面有機物殘留量的重量百分比在1％以下。然后采用稀土改性劑處理，將碳纖維在室溫下浸入稀土改性劑中，浸泡3小時，過濾后，烘干。接著在鋼板上鋪一層青銅粉，厚度為0.25毫米，在800℃條件下把青銅粉和鋼板基材燒結在一起，使鋼板表面燒結一層青銅粉作為中間層，時間為2小時；在燒結的青銅粉中間層上軋制一層由聚四氟乙烯、經稀土改性劑處理的碳纖維以及少量鉛粉組成的聚合物層，厚度為0.01毫米，壓力為30MPa，然后在氮氣保護條件下，在380℃條件下進行燒結，再經機械加工修飾，最后經過卷制、焊接成復合材料軸承。
對制備得到的滑動軸承進行摩擦學試驗，在加載3000N，滑動速度為3.00m/s條件下測得摩擦系數為0.0028。
實施例2復合材料滑動軸承聚合物層的組分重量百分比為聚四氟乙烯80％，稀土改性劑處理過的碳纖維15％，鉛粉5％。
稀土改性劑各組分重量百分比氯化鈰7％；乙醇76％；乙二胺四乙酸(EDTA)9％；氯化銨5％；硝酸1％；尿素2％。
復合材料軸承制造過程如下首先，對碳纖維進行預處理，在500℃馬福爐中燒蝕0.8小時，使其表面有機物殘留量的重量百分比在1％以下。然后采用稀土改性劑處理，將碳纖維在室溫下浸入改性劑中，浸泡4小時，過濾后，烘干。接著在鋼板上鋪一層青銅粉，厚度為0.3毫米，在800℃條件下把青銅粉和鋼板基材燒結在一起，使鋼板表面燒結一層青銅粉作為中間層，時間為2小時；在燒結的青銅粉中間層上軋制一層由聚四氟乙烯、經稀土改性劑處理的碳纖維以及少量鉛粉組成的聚合物層，厚度為0.03毫米，壓力為30MPa，然后在氮氣保護條件下，在380℃條件下進行燒結，再經機械加工修飾，最后經過卷制、焊接成復合材料軸承。
在MPV-20型摩擦磨損試驗機上采用一定速度下逐級加載的方法(第一次加載1700N，以后每隔10min加一級載荷，每級1300N)考察制得的PTFE復合材料軸承在30#機械油滴油潤滑條件下的摩擦學性能，滑動速度為1.00m/s，最終載荷為12000N時磨損量為5.3mg。
實施例3復合材料滑動軸承聚合物層的組分重量百分比為聚四氟乙烯95％，稀土改性劑處理過的碳纖維4％，鉛粉1％。
稀土改性劑各組分重量百分比氧化鑭10％；乙醇82％；乙二胺四乙酸(EDTA)5％；氯化銨2％；硝酸0.5％；尿素0.5％。
復合材料軸承制造過程如下首先，對碳纖維進行預處理，在600℃馬福爐中燒蝕0.5小時，使其表面有機物殘留量的重量百分比在1％以下。然后采用稀土改性劑處理，將碳纖維在室溫下浸入改性劑中，浸泡3小時，過濾后，烘干。接著在鋼板上鋪一層青銅粉，厚度為0.25毫米，在800℃條件下把青銅粉和鋼板基材燒結在一起，使鋼板表面燒結一層青銅粉作為中間層，時間為2小時；在燒結的青銅粉中間層上軋制一層由聚四氟乙烯、經稀土改性劑處理的碳纖維以及少量鉛粉組成的聚合物層，厚度為0.02毫米，壓力為30MPa，然后在氮氣保護條件下，在380℃條件下進行燒結，再經機械加工修飾，最后經過卷制、焊接成復合材料軸承。
在MPV-20型摩擦磨損試驗機上采用一定速度下逐級加載的方法(第一次加載1700N，以后每隔10min加一級載荷，每級1300N)測得在滑動速度為3.84m/s時，軸承極限pv值為38.7MPam/s。
權利要求
1.一種聚四氟乙烯復合材料耐磨自潤滑滑動軸承的制備方法，其特征在于首先對碳纖維進行預處理，在450～600℃馬福爐中燒蝕0.5～1小時，使其表面有機物殘留量的重量百分比在1％以下，然后將碳纖維在室溫下浸入稀土改性劑中，所述稀土改性劑的組分重量百分比為稀土化合物2～10％，乙醇75～95％，乙二胺四乙酸1～10％，氯化銨1～5％，硝酸0.5～1％，尿素0.5～2％，浸泡2～4小時后，過濾、烘干；在鋼板上鋪一層厚度為0.25～0.30毫米的青銅粉，在800℃條件下把銅粉和鋼板基材燒結在一起，使鋼板表面燒結一層青銅粉作為中間層，時間為2小時；在燒結的青銅粉中間層上軋制一層厚度為0.01～0.03毫米的聚合物層，壓力為30MPa，所述聚合物層原料組成重量百分比為聚四氟乙烯70～95％，稀土改性劑處理過的碳纖維4～25％，鉛粉1～5％；然后在氮氣保護、380℃條件下進行燒結，再經機械加工修飾，最后經過卷制、焊接成復合材料自潤滑滑動軸承。
2.根據權利要求1的聚四氟乙烯復合材料耐磨自潤滑滑動軸承的制備方法，其特征在于所述稀土化合物為氯化鑭、氯化鈰、氧化鑭或氧化鈰。
全文摘要
本發明涉及一種聚四氟乙烯復合材料耐磨自潤滑滑動軸承的制備方法，首先對碳纖維進行表面稀土改性預處理，然后在鋼板表面燒結一層青銅粉作為中間層，在中間層上軋制一層包含經稀土改性劑處理的碳纖維的聚合物層，再經過氮氣保護條件下的燒結、機械加工修飾和卷制焊接，制成復合材料滑動軸承。其中所述稀土改性劑的組分為稀土化合物、乙醇、乙二胺四乙酸、氯化銨、硝酸、尿素，所述聚合物層原料組成為聚四氟乙烯、稀土改性劑處理過的碳纖維及鉛粉。本發明制得的碳纖維/聚四氟乙烯復合材料滑動軸承具有優良的力學性能和摩擦學性能，可用于機械、食品、航空航天等部門各種無油潤滑的場合。
文檔編號F16C33/14GK1712749SQ20051002795
公開日2005年12月28日 申請日期2005年7月21日 優先權日2005年7月21日
發明者程先華, 包丹丹, 上官倩芡, 梁木子 申請人:上海交通大學