軸承材料的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用于平面軸承的軸承材料，尤其涉及塑料軸承材料，用于形成平 面軸承的運行表面或者滑動表面。
【背景技術】
[0002] 在內燃機中平面軸承用作曲軸軸頸軸承，例如，通常以半柱形形式并且通常具有 層狀構造。層狀構造常常包括：由強背襯材料諸如鋼制成的背襯，具有的厚度在大約Imm 或更大的區域中；第一軸承材料的襯套，其粘附至背襯并且具有的厚度大致在大約0. 1至 0. 5_的范圍中；以及第二軸承材料的層，其粘附至第一軸承材料的表面的并且具有的厚 度為小于大約40 μ m。第二軸承材料的表面形成實際運行或者滑動表面，具有共同操作軸頸 表面。
[0003] 例如，當背襯安裝在主軸承殼體或者安裝在連接桿大端時，背襯提供強度以及提 供軸承殼變形的阻力。
[0004] 如果由于任何原因第二軸承材料的層磨穿時，第一軸承材料層可以提供合適的軸 承運行屬性，并且防止軸頸表面接觸強背襯材料。其還結合至背襯，并且支撐以及結合至第 二軸承材料。第一軸承材料通常可以是鋁基合金或者銅基合金。銅基合金諸如青銅，典型 地使用在更高負荷軸承上以提供用于第二軸承材料層的額外支撐。
[0005] 與軸頸共同操作的第二軸承材料層還可以被稱為覆蓋件或者覆蓋層。通常，覆蓋 層已經大致由較軟的金屬層形成，諸如電化學沉積錫鉛合金或者濺射鋁錫合金。使用較軟 的覆蓋件是為了提供一致性（軸承適應軸承表面和軸頸之間的小的未對準的能力）和嵌入 性（防止可以在潤滑油中傳播的碎片或者灰塵顆粒通過使這種碎片嵌入軸承表面的碎片 而劃傷或者破壞軸頸表面的能力）。
[0006] 最近，已經使用包括塑料聚合物材料的基體的軸承覆蓋層。例子描述在 W02004/113749和W02010/066396中。這種覆蓋材料通常基于聚酰胺酰亞胺（PAI)的基體， 包含各種填充材料，諸如硬質加固顆粒、固體潤滑劑材料的軟質顆粒、以及其他部件諸如金 屬顆粒。硬質加固顆粒可以包括陶瓷或者金屬氧化物顆粒。固體潤滑劑可以包括材料諸如 含氣聚合物，例如PTFE。金屬顆粒可以包括錯顆粒，諸如錯片。
[0007] 塑料聚合物軸承覆蓋件已經提供了高強度低摩擦軸承，具有期望地較長服務壽 命，但是產生的問題在于，這種聚合物軸承覆蓋件的嵌入性性能可能次于常規金屬軸承覆 蓋件，諸如電沉積覆蓋件。此外，隨著較長服務間隔存在對良好嵌入性的增加需求，正如對 內燃機的要求一樣。
[0008] 較軟塑料材料未提供用作軸承覆蓋材料的適當磨損阻力。它們已經使用在常規 金屬軸承材料的頂部以提供所謂的"磨合"層或者犧牲覆蓋件，旨在利于初始試運行以及提 供一致性，但是這些層隨著時間而磨損并且使常規金屬軸承襯套作為長期運行或者滑動表 面。這種聚合物磨合層具有相對較高的填充材料含量，大致包括自潤滑材料諸如石墨、二氧 化鉬等。這些本來就弱的材料的高填充含量有害于軸承層的強度和磨損阻力，軸承層磨損 相對急速以實現磨合層的功能。因為層旨在相對急速磨損，所以其大致相當薄，大約5 μπι 或者更少。
【發明內容】
[0009] 本發明的目的是提供塑料軸承材料以形成具有期望地較長服務壽命以及增強的 嵌入性的軸承覆蓋層。
[0010] 本發明提供了塑料軸承材料、軸承以及用于制成塑料軸承材料和軸承的方法，正 如附隨的獨立權利要求限定的，現在參考隨附的獨立權利要求。從屬權利要求陳述了本發 明的優選或者有利特征。
[0011] 在優選實施例中，本發明可以因而提供塑料軸承材料，其包括共聚物，諸如嵌段共 聚物。共聚物可以包括兩個或多個不同聚合物或者聚合物單體，優選以嵌段的形式共價結 合于一起以形成嵌段共聚物。塑料軸承材料可以用以形成用于平面軸承的覆蓋件，可選地 作為基體材料，合并有其他材料（諸如金屬顆粒、固體潤滑劑和/或其他材料）以修改覆蓋 件的屬性。
[0012] 軸承材料可以適合于使用在滑動發動機部件中，例如用于滑動軸承組件，諸如軸 承襯套殼、軸套、曲軸的軸承表面、連接桿的軸承表面、推力墊圈、軸承嵌段的軸承表面、軸 承蓋的軸承表面，以及活塞組件部件，諸如活塞圈、活塞裙；以及氣缸壁和氣缸襯套。
[0013] 共聚物可以包括第一和第二聚合物，并且可包括多于兩種聚合物。第一聚合物可 以例如包括聚酰胺酰亞胺（PAI)或者聚苯并咪唑（PBI)或者其他公知塑料聚合物軸承材 料，諸如環氧基樹脂，酚醛樹脂或者聚醚醚酮（PEEK)。第二聚合物可以例如包括聚二甲基硅 氧烷（PDMS)、乙烯基甲醚（MVE)或者聚異丁烯。
[0014] 原則上，發明人現在的理解是，期望由聚合物的嵌段或者聚合物單體形成共聚物， 分別提供塑料軸承材料期望的屬性。諸如在上文陳述的例子中，例如第一聚合物，可以充分 硬質并且耐磨損以起軸承材料的功能，但是不能提供期望水平的嵌入性。諸如在上文陳述 的例子中，第二聚合物可以比第一聚合物更軟，或者硬度更低或者剛度更低，因而提供期望 的嵌入性。
[0015] 優選地，在塑料軸承材料中第一和第二聚合物可以對準以分別形成具有第一和第 二聚合物的物理屬性的空間局部域。因而材料可以包括硬質材料的物理局部區域，從而提 供磨損阻力，以及包括較軟或更大彈性材料的區域，從而提供嵌入性。而且，因為第一和第 二聚合物共價結合于一起以形成共聚物，所以塑料軸承材料可以有利地提供高疲勞強度以 及負荷承載能力。
[0016] 在優選實施例中，根據期望的軸承材料屬性選擇形成共聚物的聚合物的比例。例 如，共聚物可以包括至少50wt%的第一聚合物，和/或共聚物可以包括的第二聚合物大于 5wt %或者IOwt %或者15wt %，和/或第二聚合物小于50wt %或者40wt %或者30wt %。第 一和第二聚合物的這些比例可以應用于上文作為例子列出的材料中，諸如PAI以及PDMS。
[0017] 在本發明的進一步方案中可以選擇形成共聚物的第一、第二以及任何其他聚合物 的分子量以提供期望的屬性。
[0018] 在共聚物中，諸如嵌段共聚物（或者共網絡聚合物）、兩個或多個聚合物的嵌段、 或者聚合物單體可以共價結合以形成共聚物高分子。例如兩個聚合物A以及B的嵌段可以 以預定序列結合（諸如"-ABABAB-"）以形成共聚物分子。還可以使用更復雜序列或者涉及 三個或更多聚合物（諸如"-ABCABC-"序列）。聚合物嵌段的尺寸可以按照它們的相對分子 質量或者相對分子量量化。
[0019] 在優選實施例中，第二聚合物的嵌段尺寸可以大于500或者1000道爾頓（等同于 g. mol ^，和/或小于3000或者4000道爾頓。該分子量尤其可以施加至上文提到的第二聚 合物例子，諸如PDMS。第一聚合物的嵌段尺寸（分子量）可以與用于第二聚合物的范圍相 同，但是優選更大，諸如多于2或者3或者4倍，和/或小于5或者10倍。這尤其可以施加 至上文提到的第一聚合物例子，諸如PAI。
[0020] 因而，例如，第一聚合物的嵌段的分子量與第二聚合物的嵌段的分子量的比可以 大于1 :1，優選大于2:1，特別優選大于3:1。期望的比可以為大約4:1。（所有這些比可以 在+/-10 %或者+/-5 %內變化）
[0021] 實驗已經發現，控制聚合物的嵌段的分子量可以有利地改變塑料軸承材料中的物 理局部域的尺寸，從而在共聚物材料中呈現第一和第二聚合物以及其他聚合物的屬性。例 如增加第二較軟聚合物的嵌段的分子量可以增加嵌入碎片的塑料軸承材料的較軟區域或 域的尺寸。
[0022] 增加第一硬質聚合物的比或者重量百分比可以增加塑料軸承材料的硬質區域或 域的比例或者量并且增加其磨損阻力。增加第二聚合物的重量百分比可以增加較軟區域或 域的比例或者量。
[0023] 在本發明的實施例中，共聚物中相應聚合物的每個嵌段的分子量可以不都相等。 在該情況下，參考上文聚合物嵌段（即第一聚合物、第二聚合物、第三聚合物等）的相應類 型的分子量應該采用以參見塑料軸承材料中聚合物的每個類型的平均相對分子重。
[0024] 實施本發明的塑料軸承材料可以有利地以與現有塑料軸承材料或者覆蓋件相同 的方式和相同的應用來使用。因而例如塑料軸承材料可以應用至金屬基板，諸如由鋼背襯 材料支撐的鋁基合金夾層或者銅基合金夾層，或者它們可以直接應用至鋼背襯，或者應用 至任何其他合適的基板。它們可以使用常規技術（諸如噴射和/或固化）應用。
【附圖說明】
[0025] 現在將參考附圖舉例說明本發明的具體實施例，在附圖中；
[0026] 圖1是平面軸承的截面；
[0027] 圖2示出了嵌段共聚物結構；以及
[0028] 圖3示出了實施本發明的塑料軸承材料中硬質以及軟質域的敲擊模式原子力顯 微鏡（AFM)圖像。
【具體實施方式】
[0029] 圖1示出了柱形滑動軸承的通過半殼的截面，柱形滑動軸承包括：鋼的強背襯1 ; 結合至背襯的銅基合金或者鋁基合金的軸承襯套層2 ;以及實施本發明的結合至襯套層的 塑料聚合物覆蓋層3。在本發明的其他實施例中覆蓋層可以直接結合至背襯，省略襯套層， 這取決于使用的材料的兼容性以及軸承的預期用途。
[0030] 可以使用常規塑料軸承覆蓋件，例如，包含鋁片以及PTFE顆粒的聚酰胺酰亞胺 (PAI)樹脂基體，以及提供良好的疲勞以及磨損性能。為了生產具有增強嵌入性的覆蓋件， 本發明的實施例可以用改進型樹脂替換常規覆蓋件的樹脂基體，改進型樹脂包括具有較軟 聚合物（諸如聚二甲基硅氧烷（PDMS))的PAI的嵌段共聚物。PDMS是軟的，用于良好的嵌 入，同時在適當超出內燃機應用中的溫度下還具有穩定性。
[0031] 嵌段共聚合物（或者共網聚合物）是這樣的聚合物，其中聚合物鏈可以由兩個或 多個不同聚合物的交替段組成。在PAI以及PDMS的情形下，縮合反應可以用于形成共聚 物。圖2示意地圖示了該共聚物的重復單元。每個重復單元包括PAI的段或嵌段（A)以及 PDMS的段或者嵌段（B)。能夠通過改變A和B