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一種具有自潤滑特性的軸承材料及其制備方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510439271.1

申請日:

2015.07.24

公開號:

CN104989729A

公開日:

2015.10.21

當前法律狀態:

駁回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的駁回IPC(主分類):F16C 33/04申請公布日:20151021|||實質審查的生效IPC(主分類):F16C 33/04申請日:20150724|||公開
IPC分類號: F16C33/04; F16C33/16; F16C33/20; C08L27/18; C08K3/30; C08K3/04; C08K3/22; C09J163/00; C09J179/08; C09J11/04 主分類號: F16C33/04
申請人: 南京信息工程大學
發明人: 杭燁超; 黃珂; 吳紅艷; 戚茂偉; 張夢瑋; 韋紅余
地址: 210044江蘇省南京市寧六路219號
優先權:
專利代理機構: 南京匯盛專利商標事務所(普通合伙)32238 代理人: 張立榮; 裴詠萍
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510439271.1

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2019.01.04|||2015.11.18|||2015.10.21

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的駁回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種具有自潤滑特性的軸承材料及其制備方法。該軸承材料表面設有潤滑孔;潤滑孔內鑲嵌有固體自潤滑體;固體自潤滑體通過以下重量百分比的原料制備:鱗片石墨5%-8%、氧化石墨烯1%-3%、二硫化鉬5%-8%、固體氧化物15%-20%,其余為聚四氟乙烯粉末。本發明制備的軸承材料能有效實現無油潤滑,且不會對環境造成污染。

權利要求書

權利要求書
1.  一種具有自潤滑特性的軸承材料,其特征在于,所述軸承材料表面設有潤滑孔;所述潤滑孔內鑲嵌有固體自潤滑體;所述固體自潤滑體通過以下重量百分比的原料制備:鱗片石墨5%-8%、氧化石墨烯1%-3%、二硫化鉬5%-8%、固體氧化物15%-20%,其余為聚四氟乙烯粉末。

2.  根據權利要求1所述的軸承材料,其特征在于,所述固體自潤滑體通過環氧樹脂基復合粘結劑鑲嵌到所述軸承材料表面的潤滑孔中;所述環氧樹脂基復合粘結劑包括以下重量百分比的組分:聚酰亞胺40%-45%、納米氧化物8%-12%、石墨粉5%-8%,其余為環氧樹脂。

3.  根據權利要求2所述的軸承材料,其特征在于,所述固體氧化物采用固體氧化鋁或固體氧化鋯;所述納米氧化物采用納米氧化鋁或納米氧化鋯。

4.  根據權利要求2所述的軸承材料,其特征在于,所述聚四氟乙烯的粒度為60~80μm;所述鱗片石墨的粒度為70-80μm;所述納米氧化物的粒度為20-50nm。

5.  根據權利要求2所述的軸承材料,其特征在于,所述潤滑孔為半通孔。

6.  一種權利要求2至5任一所述軸承材料的制備方法,其特征在于,包括以下步驟:
(1)固體自潤滑體制備:取所述固體自潤滑體的原料粉末混合均勻,干燥后,放入圓柱形模具中進行模壓成型;對模壓成型件進行空氣燒結處理,從室溫開始加熱到250-300℃,保溫30-50 min,再加熱到380-420℃,保溫5-8 h,然后降溫到270-320℃,保溫3-5 h,最后隨爐冷卻制得所述固體自潤滑體;
(2)環氧樹脂基復合粘結劑制備:按重量百分比取環氧樹脂基復合粘結劑的各組分混合均勻,備用;
(3)固體自潤滑體鑲嵌:在軸承材料表面加工間隔排列的潤滑孔;所述潤滑孔直徑與所述固體自潤滑體的直徑相匹配;將所述軸承材料在100-120℃預熱,然后將所述步驟(2)中制備的環氧樹脂基復合粘結劑加入所述潤滑孔中,步驟(1)中制備的固體自潤滑體通過環氧樹脂基復合粘結劑鑲嵌于潤滑孔中,保溫3-5分鐘,然后進行快速空冷。

7.  根據權利要求6所述的制備方法,其特征在于,所述固體自潤滑體采用半嵌入式結構,嵌入深度為所述軸承材料厚度的一半,且固體自潤滑體嵌入后高出所述軸承材料1-2mm;所述固體自潤滑體嵌入完成后,進行切屑磨平。

8.  根據權利要求6所述的制備方法,其特征在于,所述步驟(1)中的圓柱形模具的直徑為7mm。

9.  根據權利要求6所述的制備方法,其特征在于,所述步驟(1)中原料粉末混合均勻后在80-100℃下干燥1-3h。

說明書

說明書一種具有自潤滑特性的軸承材料及其制備方法
技術領域
    本發明涉及一種具有自潤滑特性的軸承材料。
背景技術
隨著各種加工產業機械不斷向高性能化發展,動力傳動傳導條件變得越來越苛刻,往往要求動力傳動傳導零部件滿足特殊的條件,如軸承的表面磨擦及抗接觸疲勞性能,輥軸在對金屬進行軋制時表面的磨擦磨損問題等,影響著軸承材料的使用。普通液體潤滑軸承因其摩擦特性所限,已不能適應特殊工況的要求。金屬基固體自潤滑作為固體潤滑技術的發展,突破了油膜潤滑極限,能適應多種特殊工況的要求,應用場合越來越多。如低速、高載荷、往復及擺動難以形成潤滑油膜的場合,長期處于污染狀況、而潤滑油膜容易老化、室外作業環境惡劣加油潤滑失效的場合,高溫、低溫狀態下潤滑效果難以發揮的場合。
金屬基鑲嵌型結構是在金屬基體上預先設計、加工好一定面積比例的孔洞或溝槽,在其中嵌入固體潤滑材料,經過特殊粘結及時效處理,將二者結合成為一個整體,兼有基體組元的機械性能和固體潤滑劑的摩擦學特性,綜合性能優異,適宜在各種特殊情況下工作,尤其可以避免復雜的油路的設計和減少維護的更換帶來的損耗,與鍍膜相比,前者的自潤滑性好、摩擦小、使用壽命長,可靠度高,在特殊的工作條件下具有良好的載荷適應性,適用于多種運動形式。
專利一種薄壁鑲嵌自潤滑軸承及制造方法(公開號CN101532537A),其在250℃以下時采用聚四氟乙烯、鉛粉和二硫化鉬作為固體潤滑劑,在250℃-400℃時采用鱗片石墨和二硫化鉬作為固體潤滑劑,通過過盈配合方式壓入盲孔中。但其采用鉛粉,會造成對環境的污染。
發明內容
本發明的目的是為了解決現有技術中存在的缺陷,提供一種能有效實現無油潤滑,且不會對環境造成污染的軸承材料及其制備方法。
為了實現上述目的,本發明提供了一種具有自潤滑特性的軸承材料,該軸承材料表面設有潤滑孔;潤滑孔內鑲嵌有固體自潤滑體;固體自潤滑體通過以下重量百分比的原料制備:鱗片石墨5%-8%、氧化石墨烯1%-3%、二硫化鉬5%-8%、固體氧化物15%-20%,其余為聚四氟乙烯粉末。
上述固體自潤滑體通過環氧樹脂基復合粘結劑鑲嵌到軸承材料表面的潤滑孔中;環氧樹脂基復合粘結劑包括以下重量百分比的組分:聚酰亞胺40%-45%、納米氧化物8%-12%、石墨粉5%-8%,其余為環氧樹脂。
其中,固體氧化物采用固體氧化鋁或固體氧化鋯;納米氧化物采用納米氧化鋁或納米氧化鋯,其平均粒徑在20-50nm。
聚四氟乙烯的粒度為60~80μm;鱗片石墨的粒度為70-80μm。
潤滑孔為軸承材料厚度的一半,制作成半通孔結構。
本發明還提供了上述軸承材料的制備方法,包括以下步驟:
(1)固體自潤滑體制備:取所述固體自潤滑體的原料粉末混合均勻,干燥后,放入圓柱形模具中進行模壓成型;對模壓成型件進行空氣燒結處理,從室溫開始加熱到250-300℃,保溫30-50 min,再加熱到380-420℃,保溫5-8 h,然后降溫到270-320℃,保溫3-5 h,最后隨爐冷卻制得所述固體自潤滑體;
(2)環氧樹脂基復合粘結劑制備:按重量百分比取環氧樹脂基復合粘結劑的各組分混合均勻,備用;
(3)固體自潤滑體鑲嵌:在軸承材料表面加工間隔排列的潤滑孔;所述潤滑孔直徑與所述固體自潤滑體的直徑相匹配;將所述軸承材料在100-120℃預熱,然后將所述步驟(2)中制備的環氧樹脂基復合粘結劑加入所述潤滑孔中,步驟(1)中制備的固體自潤滑體通過環氧樹脂基復合粘結劑鑲嵌于潤滑孔中,保溫3-5分鐘,然后進行快速空冷。
其中,固體自潤滑體采用半嵌入式結構,嵌入深度為所述軸承材料厚度的一半,且固體自潤滑體嵌入后高出所述軸承材料1-2mm;當固體自潤滑體嵌入完成后,進行切屑磨平。
具體步驟如下:
(1)固體自潤滑體的制備。
① 粉料的制備。以粒度范圍在60~80μm的聚四氟乙稀(PTFE)粉末為基體,加入70-80μm的鱗片石墨(5-8%),氧化石墨烯(1-3%),二硫化鉬(5-8%)和固體氧化物(15-20%),其余為基體。粉末混合體在以1500-2000 r/min進行機械攪拌,混合均勻。
② 模壓成型。將混合均勻后粉末在80-100℃下干燥1-3 h。然后將干燥后的粉末放入直徑為6-8mm(優選7mm)的圓柱型模具中進行模壓成型,壓力在25-35 Mpa,保壓時間為10s。
③ 燒結成型。對模壓成型件進行空氣中燒結處理,從室溫開始加熱到250-300 ℃,保溫30-50 min,加熱到380-420 ℃左右,保溫5-8 h,降溫到270-320 ℃時,保溫3-5 h,然后隨爐冷卻。
(2)固體自潤滑體與半嵌入基體結構之間的粘合。
將環氧樹脂基復合粘結劑按照以下配比進行混合:40-45%的聚酰亞胺,8-12%的20-50nm大小的納米氧化物及5-8%的石墨粉,其余為環氧樹脂,而后將環氧樹脂基復合粘結劑以500-800 r/min的速度進行機械攪拌,混合均勻。其中石墨粉用于增加膠粘劑的耐磨性和導熱性,使得摩擦過程中摩擦易于熱傳導到金屬基材上,減小固體潤滑劑的熱膨脹;納米氧化物用于提高粘結劑的強度和硬度。
在軸承材料表面加工間隔排列的潤滑孔(半通孔結構),在100-120℃預熱,將之前配好的環氧樹脂復合粘結劑加入到預熱軸承材料的潤滑孔中,燒制好的固體自潤滑體通過復合膠黏劑鑲嵌到潤滑孔中,保溫3-5分鐘,而后進行快速空冷,嵌入的固體自潤滑體高出軸承材料基體表面1-2mm;鑲嵌完成后,進行切削磨平。
本發明相比現有技術具有以下優點:
(1)本發明固體自潤滑體通過加入一定含量的氧化石墨烯不僅有助于降低摩擦系數,而且該氧化石墨烯具有較高的缺陷濃度,易于在成型過程中與其他材料之間成鍵,減少了成型后固體自潤滑體的孔隙率;且在膠黏劑設計過程中加入納米氧化物,能夠使固體自潤滑體與基體之間能夠保持較高的承載強度和粘結力。
(2)本發明固體自潤滑體采用半嵌入式的結構鑲嵌于軸承材料表面,不僅適合于軸承在接觸摩擦時無油摩擦狀況,也可以解決金屬軋制過程中輥軸表面的高磨耗問題,可實現既無油潤滑,又可以保持基體的強度。固體自潤滑體在運行過程中能形成轉移膜,起到保護對磨軸的作用,無咬軸現象,提高了摩擦件的耐磨性能。且半嵌入式結構可使一些苛刻條件下的接觸件之間的設計簡化,成本大幅度降低本,實用性很強。
(3)本發明適用于無法加油或很難加油的場所,可在使用時不保養或少保養。
附圖說明
圖1為本發明固體自潤滑體采用的氧化石墨烯的拉曼光譜;
圖2為本發明軸承材料的結構示意圖;
圖3為圖2中軸承材料的縱截面圖;
圖4為本發明效果實施例一的磨損照片;
圖5為本發明軸承材料與基體材料在不同摩擦時間下的磨損量對比圖。
圖中,1-軸承材料,2-潤滑孔,3-固體自潤滑體。
具體實施方式
    下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明
實施例一
本發明具有自潤滑特性的軸承材料制備:
(1)納米氧化鋁增強的聚四氟乙稀基固體自潤滑體的制備。
① 粉料的制備。以粒度范圍在60~80μm的聚四氟乙稀(PTFE)粉末為基體,加入70-80μm的鱗片石墨7%,氧化石墨烯1%,二硫化鉬6%和固體氧化鋁20%,其余為基體。粉末混合體在以2000 r/min進行機械攪拌,混合均勻。如圖1所示,氧化石墨烯具有較高的缺陷濃度,易于在成型過程中與其他材料之間成鍵,減少了成型后固體自潤滑體的孔隙率。
② 模壓成型。將混合均勻后粉末在80-100℃下干燥2 h。然后將干燥后的粉末放入直徑為7mm的圓柱型模具中進行模壓成型,壓力在30 MPa,保壓時間為10s。
③ 燒結成型。對模壓成型件進行空氣中燒結處理,從室溫開始加熱到280℃,保溫40 min,加熱到380℃左右,保溫6 h,降溫到300℃時,保溫4 h,然后隨爐冷卻。
(2)固體自潤滑體與半嵌入基體結構之間的粘合。
將環氧樹脂基復合粘結劑按照以下配比進行混合:42%的聚酰亞胺,8%的20-50nm大小的納米氧化鋁及5%的石墨,其余為環氧樹脂。而后將環氧樹脂基復合粘結劑以600 r/min的速度進行機械攪拌,且混合均勻。
    如圖2所示,在軸承材料1表面加工間隔排列的潤滑孔2(半通孔結構,如圖3所示,孔的深度為軸承材料厚度的一半),在105℃預熱,將之前配好的環氧樹脂基復合粘結劑加入到預熱軸承材料的潤滑孔2中,燒制好的固體自潤滑體通過膠黏劑鑲嵌到潤滑孔2中,保溫4分鐘,而后進行快速空冷。鑲嵌完成后,進行切削磨平。
實施二
本發明具有自潤滑特性的軸承材料制備:
(1)納米氧化鋯增強的聚四氟乙稀基固體自潤滑體的制備。
① 粉料的制備。以粒度范圍在60~80μm的聚四氟乙稀(PTFE)粉末為基體,加入70-80μm的鱗片石墨6%,氧化石墨烯2 %,二硫化鉬6%和固體氧化鋯20%,其余為基體。粉末混合體在以2000 r/min進行機械攪拌,混合均勻。
② 模壓成型。將混合均勻后粉末在100℃下干燥2 h。然后將干燥后的粉末放入直徑為7mm的圓柱型模具中進行模壓成型,壓力在35 Mpa,保壓時間為10 s。
③ 燒結成型。對模壓成型件進行空氣中燒結處理,從室溫開始加熱到300℃,保溫40 min,加熱到400℃左右,保溫7 h,降溫到300℃時,保溫5 h,然后隨爐冷卻。
(2)自制固體自潤滑體與半嵌入基體結構之間的粘合。
將環氧樹脂基復合粘結劑按照以下配比進行混合:45%的聚酰亞胺,10%的20-50 nm大小的納米氧化鋯及6%的石墨,其余為環氧樹脂。而后將環氧樹脂基復合粘結劑以800 r/min的速度進行機械攪拌,且混合均勻。
    在14Cr軸承材料1表面加工間隔排列的潤滑孔2(半通孔結構),在100-120℃預熱,將之前配好的環氧樹脂基復合粘結劑加入到預熱軸承材料的潤滑孔中,燒制好的固體自潤滑體3通過膠黏劑鑲嵌到潤滑孔2中,保溫3-5分鐘,而后進行快速空冷。鑲嵌完成后,進行切削磨平。
效果實施例一
摩擦磨損性能測試:采用自制的重載MG-2000摩擦磨損試驗機,載荷:100N和150N;轉速為500r/min,在室溫條件下進行銷-盤干摩擦測試。試驗機由電阻爐包圍靜止的銷(上試樣)和轉動的盤(下試樣),銷由SS304材料,銷和盤在實驗前后用丙酮清洗。試驗中用應變測量儀傳感器連續測量摩擦力矩。摩擦系數由測量的摩擦力矩和施加的正載荷計算。盤(軸承材料)的外環采用實施例1和實例2進行固體自潤滑體鑲嵌均可得到較好的摩擦效果,優選實施例1的方法進行固體自潤滑體的鑲嵌,內環不進行固體自潤滑體鑲嵌,進行摩擦對比。該摩擦過程是因為銷子能夠在經歷了固體潤滑介質的作用起到了減摩耐磨效果,而內環由于銷子沒有經過鑲嵌有固體自潤滑體的表面,所以其摩擦效果與基體材料相似,見圖4中的磨痕形貌。如圖4所示,銷-盤摩擦磨損試驗分別對具有固體自潤滑體鑲嵌結構處(A處)的軸承材料和無固體自潤滑體鑲嵌結構處(B處)的軸承材料在相同摩擦磨損條件下進行圓周運動。
試驗分別對基體和具有鑲嵌結構的軸承材料進行了銷盤摩擦磨損,圖4中的A位置為相同載荷下磨損30分鐘之后的磨痕形貌,摩擦過程中非常平穩,無任何噪聲,摩擦系數平均在0.03左右,磨損量在30分鐘之后約為0.017g左右,見圖5所示,而圖4中的B為無固體自潤滑體鑲嵌結構的基體表面經過10分鐘100N載荷作用下的摩擦表面,由此可以看出,其表面存在嚴重的粘著磨損,磨損噪聲強烈且配副之間相當不穩定,平均摩擦系數上升至0.7左右,在10分鐘之后的磨損量約為0.53g左右,見圖5所示。研究發現,摩擦過程中鑲嵌自潤滑劑起到了明顯的減摩耐磨效果。

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一種 具有 潤滑 特性 軸承 材料 及其 制備 方法
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