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滑動構件.pdf

摘要
申請專利號:

CN201480020890.0

申請日:

2014.02.14

公開號:

CN105164437A

公開日:

2015.12.16

當前法律狀態:

實審

有效性:

審中

法律詳情: 實質審查的生效IPC(主分類):F16C 33/20申請日:20140214|||公開
IPC分類號: F16C33/20; F16C9/02; F16C17/02 主分類號: F16C33/20
申請人: 大豐工業株式會社
發明人: 神谷周; 千年俊之; 富川貴志; 壁谷泰典; 吉見太一
地址: 日本愛知縣
優先權: 2013-027955 2013.02.15 JP
專利代理機構: 北京三友知識產權代理有限公司11127 代理人: 王小東
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201480020890.0

授權公告號:

|||

法律狀態公告日:

2016.01.13|||2015.12.16

法律狀態類型:

實質審查的生效|||公開

摘要

軸承(13)包括:襯層(17),該襯層(17)由具有預定形狀的合金形成并具有倒角部分(25);以及覆蓋層(19),該覆蓋層(19)由樹脂形成在襯層(17)的內周面上并且覆蓋倒角部分(25)的至少一部分,該內周面在配合軸上滑動。

權利要求書

權利要求書
1.  一種滑動構件,該滑動構件包括:
襯層,該襯層具有相對于配合軸滑動的滑動表面和設置在所述滑動表面的軸向端部的倒角部分;以及
覆蓋層,該覆蓋層由樹脂形成并覆蓋所述倒角部分的至少一部分。

2.  根據權利要求1所述的滑動構件,其中所述覆蓋層具有從斜坡起始位置朝向所述軸向端部傾斜的冠狀形狀,該斜坡起始位置是距離軸向端面的距離小于W/2的位置,W是所述襯層在軸向方向上的寬度。

3.  根據權利要求2所述的滑動構件,其中在所述覆蓋層中,所述斜坡起始位置和所述滑動表面的軸向端部位置之間的高度差不大于6μm。

4.  根據權利要求1至3中任一項所述的滑動構件,其中所述覆蓋層包括:
結合劑樹脂;以及
固體潤滑劑和硬材料中的至少一種。

5.  根據權利要求4所述的滑動構件,其中所述結合劑樹脂包括聚酰胺酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、聚縮醛樹脂、聚醚醚酮樹脂和聚苯硫醚樹脂中的至少一種。

6.  根據權利要求4或5所述的滑動構件,其中所述固體潤滑劑包括MoS2、PTFE、石墨、WS2、h-BN和SB2O3中的至少一種。

7.  根據權利要求4至6中任一項所述的滑動構件,其中所述硬材料包括SiC、Al2O3、TiN、AIN、CrO2、Si3N4、ZrO2和P中的至少一種。

說明書

說明書滑動構件
技術領域
本發明涉及一種滑動構件。
背景技術
滑動軸承用作用于汽車發動機和其他工業機器發動機的主軸承等。滑動軸承具有金屬襯背和襯層(軸承合金層),并且被加工成具有圓柱或半軸承的形狀。兩個半軸承被結合在一起并用作圓柱軸承。這種類型的滑動軸承引起了對配合軸的失準、同軸度等的關心,并且存在主軸和滑動軸承之間發生局部接觸的情況。因而,已經提出了一種解決由于局部接觸引起的問題的軸承(例如,參見專利文獻1)。
圖6示出了沿著在專利文獻1中描述的半軸承505的軸線截取的剖視圖。半軸承505具有金屬襯背507、軸承合金509和覆蓋層511。冠狀部(平緩斜坡)513設置在軸承合金層509相對于軸向方向的兩個端部中。覆蓋層511形成在軸承合金509上的包括冠狀部513的區域中。
文獻列表
專利文獻
專利文獻1:JP3388501B
發明內容
技術問題
在專利文獻1中,覆蓋層511的表面是平的(水平的)。因而,存在這樣的情況,即:如果配合軸引起邊緣載荷,則過多載荷被施加至相對于軸向方向的端部,從而導致覆蓋層511分離。
為了解決該問題,本發明提供了一種抑制覆蓋層分離的滑動構件。
解決方案
本發明提供了一種滑動構件,該滑動構件包括:襯層,該襯層具有相對于配合軸 滑動的滑動表面和設置在所述滑動表面的軸向端部中的倒角部分;以及覆蓋層,該覆蓋層由樹脂形成并覆蓋所述倒角部分的至少一部分。
所述覆蓋層可以具有從斜坡起始位置朝向所述軸向端部傾斜的冠狀形狀,該斜坡起始位置是距離軸向端面的距離小于W/2的位置,W是所述襯層在軸向方向上的寬度。
在所述覆蓋層中,所述斜坡起始位置和所述滑動表面的軸向端部位置之間的高度差可以等于或小于6μm。
所述覆蓋層可以包括固體潤滑劑和硬材料中的至少一種以及結合劑樹脂。
所述結合劑樹脂可以包括聚酰胺酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、聚縮醛樹脂、聚醚醚酮樹脂和聚苯硫醚樹脂中的至少一種。
所述固體潤滑劑可以包括MoS2、PTFE、石墨、WS2、h-BN和SB2O3中的至少一種。
所述硬材料可以包括SiC、Al2O3、TiN、AIN、CrO2、Si3N4、ZrO2和P中的至少一種。
發明效果
根據本發明的滑動構件能夠抑制覆蓋層的分離。
附圖說明
圖1是根據一個實施方式的半軸承13的立體圖。
圖2是在箭頭A-A的方向上截取的半軸承13的剖視圖。
圖3是半軸承13的局部放大剖視圖。
圖4是半軸承13的局部放大剖視圖的另一個實施例。
圖5是根據相關技術的滑動構件的局部放大剖視圖。
圖6是根據傳統技術的半軸承的剖視圖。
附圖標記列表
11主軸承
13半軸承
15金屬襯背
17襯層
19覆蓋層
23軸向端部
24軸向端面
25倒角部分
27界面
28滑動表面
29鼓起部分
31頂點
33油保持部分
419覆蓋層
具體實施方式
1.結構
圖1示出了根據實施方式的主軸承(滑動軸承)11的結構。主軸承11是滑動構件的實施例,并且可以用作例如內燃發動機的曲軸和連桿或曲軸和發動機缸體之間的軸承。主軸承11由兩個半軸承13構成。將兩個半軸承13結合在一起提供了圓柱軸承。應該注意,圖1僅僅示出了單個半軸承13。
半軸承13具有金屬襯背15、襯(軸承合金)層17和覆蓋層19。金屬襯背15是用于增強襯層17的機械強度的層。金屬襯背15例如由鋼形成。襯層17沿著軸承的滑動表面(與軸接觸的表面)設置。襯層17是用于提供軸承特性(即,例如諸如摩擦特性(滑動特性)、抗咬合性、耐磨性、順應性、嵌入性(抵抗異物的健壯性)、抗腐蝕性等)的層。襯層17由軸承合金形成。為了防止附著至軸,避免所謂的“共合金(共材料)”,即,避免軸承合金和軸由類似的組成的金屬(材料)制成,并且使用與用于軸的那些材料不同的材料用于軸承合金。在該實施例中,軸承將用于由鋼形成的軸,因此可以使用鋁合金或銅合金作為軸承合金。
覆蓋層19是用于提高襯層17的特性(例如,摩擦系數、順應性、抗腐蝕性、嵌入性(抵抗異物的健壯性)等)的層。覆蓋層19含有結合劑樹脂和分散在結合劑樹脂中的固體潤滑劑和硬材料中的至少一種。應該指出,優選的是,覆蓋層19由固體 潤滑劑(30體積%到70體積%)、硬材料(0到5%)和結合劑樹脂(余量)構成。
可以使用例如熱固性樹脂作為結合劑樹脂。具體地說,結合劑樹脂包括聚酰胺酰亞胺(PAI)樹脂、聚酰亞胺(PI)樹脂、聚酰胺樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、聚縮醛樹脂、聚醚醚酮樹脂和聚苯硫醚樹脂中的至少一種。
添加固體潤滑劑是為了提高摩擦特性。固體潤滑劑包括例如MoS2、WS2、聚四氟乙烯(PTFE)、石墨、h-BN和SB2O3中的至少一種。例如,MoS2提供了良好的潤滑性。PTFE由于分子間粘合力較低而具有降低摩擦系數的作用。此外,石墨改善了潤濕性并提高了初始順應性。初始順應性是指在滑動開始之后在與配合材料滑動接觸時允許滑動表面被磨損并變得光滑的特性,由此提高可滑動性。當可滑動性由于初始順應性的改善而提高時,降低了滑動層的總的磨損量。
添加硬材料是為了提高抗磨損性。硬材料例如包括SiC、Al2O3、TiN、AlN、CrO2、Si3N4、ZrO2和Fe3P中的至少一種。
圖2是示出了沿著箭頭A-A的方向截取的半軸承13的剖視圖的示意圖。也就是說,圖2示出了與軸向方向平行(并垂直于滑動方向)的半軸承13的剖視圖。盡管在圖2中沒有示出可滑動的配合軸,但是假定配合軸位于圖2的上部中。也就是說,位于圖2中的上側的表面是滑動表面。在主軸承11中,覆蓋層19、襯層17和金屬襯背15從最接近配合軸的位置以該順序層壓在一起。
在半軸承13中,倒角部分25形成在位于滑動表面28的相對端處的端部中,以便例如移除毛刺或防止毛刺形成。各倒角部分相對于滑動表面28的角度θ1在例如30°到60°的范圍內。
圖3是圖2中的B部的放大圖。覆蓋層19在軸向方向(圖2中的左右方向)上延伸,并且覆蓋滑動表面28和倒角部分25的至少一部分。也就是說,覆蓋層19形成在其中配合軸的載荷不利用襯層17施加至界面27的位置。如這里使用的,“配合軸的載荷不……施加……的位置”是指其中覆蓋層19覆蓋倒角部分25的至少一部分的位置。
此外,覆蓋層19具有冠狀形狀。冠狀形狀是指平緩的傾斜形狀。斜坡的角度θ2在例如0°到10°的范圍內。覆蓋層19從斜坡起始位置P朝向軸向端部23傾斜。對于斜坡起始位置P,從軸向端面24到斜坡起始位置P的距離w1滿足w1<W/2,其中W代表兩個軸向端面24之間的距離(即,軸承的寬度)。
這里,優選的是,滑動表面28的軸向端部的位置D和斜坡起始位置P之間的膜厚度差(覆蓋層19的高度差)S1等于或小于6μm。斜坡起始位置P和配合軸之間的摩擦阻力能夠通過將膜厚度差限制到該范圍進行抑制。
圖4示出了軸向端部的另一個形狀。在該實施例中,覆蓋層19具有鼓起部分29。鼓起部分29是高度(膜厚度)大于其他部分的部分。鼓起部分29相對于斜坡起始位置P位于外側(比斜坡起始位置P更接近端部)。對于斜坡起始位置P,從軸向端面24到斜坡起始位置P的距離w1滿足w1<W/2,其中W代表兩個軸向端面24之間的距離。優選的是,鼓起部分29的頂點31與覆蓋19的任何其他部分之間的高度差S2等于或小于6μm。應該注意,覆蓋層19的其他部分的高度是指覆蓋層19的除了鼓起部分29的那些部分的代表值,并且可以是例如平均值。另選地,覆蓋層19的軸向中央部分的高度可以用作該代表值。
而且,在該實施例中,可以說覆蓋層19的冠狀部開始于鼓起部分29的頂點31。因而,優選的是,軸向端部的位置D和鼓起部分29的頂點31之間的膜厚度差S3等于或小于6μm。
對于圖4中所示的結構,如果使用高親油樹脂作為覆蓋層19的材料,則當發動機停止時,潤滑油更容易被保持在主軸承11的內周面和配合軸之間的油保持部分33中。而且,在啟動期間,潤滑油也能夠被更容易地引入到配合軸和主軸承11之間的空間內。這致使油膜厚度增加,因而減輕了啟動期間配合軸和主軸承11之間的接觸。
圖5示出了根據相關技術的滑動構件的結構。圖5是位于與圖2中的B部對應的位置的放大圖。在該實施例中,覆蓋層419形成在襯層17上。覆蓋層419沒有形成在倒角部分25上,而是僅僅形成在滑動表面28上。也就是說,覆蓋層419相對于滑動表面28的端部位置18(滑動表面28和倒角部分25之間的邊界)形成在內側。也就是說,可以說在該實施例中,覆蓋層419的端部形成在其中配合軸的載荷可能施加的位置。
相比而言,根據當前實施方式,覆蓋層19形成為延伸至倒角部分25。因而,當與圖5所示的結構相比時,覆蓋層19和基材(襯層17)之間的緊密接觸面積增加,因而增加了緊密接觸量。在覆蓋層的端部中,存在潤滑油可能從與基材的界面進入端部的可能,結果導致覆蓋層分離。然而,根據當前實施方式,由于與覆蓋層19的界面沒有暴露在滑動表面28附近,因此與圖5中所示的結構相比,能夠降低潤滑油進 入的可能。此外,由于覆蓋層19和襯層17之間的界面形成在其中配合軸的載荷不可能施加至該界面的位置,因此能夠減少由配合軸載荷引起的膜分離,此外,由于倒角部分25相對于配合軸滑動的可能性較小,因此覆蓋層19的覆蓋倒角部分25的部分對滑動特性僅僅具有較小的影響。也就是說,可以在不需要為覆蓋層19花費太多成本的情況下就可以形成覆蓋層19。
2.制造方法
制造根據一個實施方式的軸承的方法包括如下步驟:
(a)制備含有固體潤滑劑和結合劑樹脂的覆蓋前體;
(b)形成軸承基材;
(c)將覆蓋前體施加到軸承基材上;
(d)將覆蓋前體干燥;以及
(e)烘焙覆蓋前體。
在制備覆蓋前體的步驟(a)中,對于將固體潤滑劑與結合劑樹脂混合的方法沒有具體限制,并且可以使用已知的方法。例如,將固體潤滑劑和結合劑樹脂加載到混合機內并在0.1到2m/s的剪切速率的條件下進行混合,因而調節覆蓋前體。
為了制備覆蓋前體,結合劑樹脂可以是不相容的,但是從實踐應用的角度來看,優選的是該結合劑樹脂是至少部分相容的。相容性可以通過在施加高剪切的同時執行機械混合而獲得。
在步驟(b)中,將金屬襯背和軸承合金層例如壓力焊接以形成軸承基材。此外,將該軸承基材加工成預定形狀,例如,圓柱形狀或半圓柱形狀。
在步驟(c)中,當將覆蓋前體(涂覆材料)施加到軸承基材上時,優選的是使用稀釋劑從而允許固體潤滑劑和結合劑樹脂能夠均勻地分散。盡管對稀釋劑沒有任何具體限制,但是可以使用例如N-甲基吡咯烷酮(NMP)。此外,相對于固體含量,稀釋劑的混合比可以為例如30%到70%。
當將覆蓋前體施加到軸承合金層上并形成覆蓋前體層時,使用已知方法,例如涂層移印、絲網印刷、空氣噴涂、無氣噴涂、靜電涂覆、滾涂、擠壓法、輥方法等等。此外,對于所有的膜形成方法來說,如果膜厚度不足,則可以多次重復執行再次涂覆,而不是增加稀釋劑中的覆蓋層的濃度。
用覆蓋層19涂覆襯層17的方法的實施例包括噴涂和使用輥進行的涂覆。在使用 噴涂的情況下,可以通過多次施加前體溶液的薄層來抑制滑動表面28軸向端部35的鼓起。也就是說,配合軸和樹脂覆蓋層19的鼓起部分29之間的局部接觸和所導致的咬合能夠得到抑制。軸向端部和除了這些端部之外的部分可以通過調節噴涂的噴射角度單獨進行涂覆,因而能夠形成冠狀形狀。在這種情況下,也能夠如上所述通過多次施加前體溶液的薄層來抑制軸向端部由于表面張力而引起的鼓起。
作為另一個實施例,在采用使用輥進行涂覆的情況下,使用形狀與期望的覆蓋形狀一致的輥。應該注意,為了涂覆倒角部分25,可以使用軸向方向上的寬度與滑動表面28的內周面在軸向方向上的長度基本相等的輥,并且照此樣子使用從該輥的相對端擠壓出來的涂覆溶液。這是因為對于倒角部分25的涂層的形狀和厚度來說會提供相當大的公差。
在步驟(d)中,通過將覆蓋前體干燥而將稀釋劑去除。只要稀釋劑能夠被干燥,則諸如干燥時間、干燥溫度等條件不受具體限制,但是優選在大氣中以50到150℃將覆蓋前體干燥5分鐘到30小時。更優選地,干燥時間為5到30分鐘。
步驟(e)中的烘焙能夠提供其中形成了覆蓋層的軸承。具體地說,例如,在步驟(d)之后將軸承基材的溫度以每分鐘5到15℃的溫升速率逐漸增加至烘焙溫度,然后在大氣中以150到300℃將軸承基材烘焙0.2到1.5小時。
3.實施例
生產了在覆蓋層19和斜坡起始位置P的膜厚度差d(高度差)方面變化的樣品(實施例1至8和比較例1至5),并且測量這些樣品的起始轉矩和咬合表面壓力。應該注意,起始轉矩是表示形成在配合軸23和主軸承11之間的油膜厚度的指數。油膜厚度難以直接測量,為此測量作為表示油膜厚度的指數的起始轉矩。起始轉矩越小表示油膜越厚。咬合表面壓力是表示抗咬合性的指數。咬合表面壓力越高表示抗咬合性越好。較高的咬合表面壓力表示發生覆蓋層分離的可能性較小。
3-1.樣本的生產
首先,以如下方式生產樣品。將用作襯層17的鋁合金壓力焊接至由鋼制成的金屬襯背15。將該材料加工成半圓柱形狀。利用溶劑(N-甲基-2-吡咯烷酮)稀釋覆蓋層19的材料,以調節涂覆溶液。通過空氣噴涂施加該涂覆溶液以形成涂層。然后,在以100℃干燥20分鐘之后,以200℃進行60分鐘的烘焙。
實施例1至7和比較例1至4所共有的特性如下:
軸承寬度K:15mm
覆蓋層的中心處的膜厚度:6μm
覆蓋層的成分:58體積%的結合劑樹脂
40體積%的固體潤滑劑(石墨)
1體積%的硬材料(SiC)
在表1中示出了每個樣本的覆蓋層19和斜坡起始位置P的膜厚度差h。
3-2.起始轉矩的測量
使用由Shinko工程有限公司制造的旋轉載荷測試機來進行起始轉矩的測量。該測試機由附裝至殼體和載荷施加殼體(該載荷施加殼體通過球軸承連接至軸)的兩組測試軸承部分以及通過測矩器連接至驅動馬達的配合軸構成。油通過軸承的油孔從殼體饋送到測試部分。使用與測量接觸角度所用的發動機油相同的油作為該潤滑油。所饋送的油溫設定在30℃。操作模式被設置為啟動-停止,并且在20秒的單個循環中,加速(1.7m/s)至700rpm的軸轉速,隨后執行10秒恒速操作,并且執行10秒以上的加速和停止。連續施加2000N的載荷(1.2MPa)。循環數量被設置為180個循環,并且測試時間被設置為1小時。在測量起始轉矩時,測量啟動過程中發生的轉矩峰值;然而,由于轉矩在測試的早期階段顯著變化,使用最終的20個循環作為目標,并且針對這20個循環利用測量值的平均值進行比較和評價。
3-3.咬合表面壓力的測量
在如下條件下進行咬合測試,并且將在咬合發生時的表面壓力測量為咬合表面壓力:
轉數:8000rpm
潤滑油:0W-20
饋油溫度:140℃
載荷:以3kN的增量每隔3分鐘增加載荷
3-4.評價結果
表1示示出了評價結果
表1

高度差為1至6μm和斜坡起始位置w/W小于1/2的樣品(實施例1至8)都表現出了起始轉矩小于2.0Nm和咬合表面壓力為80MPa或更大的有利特性。相比之下,斜坡起始位置w/W是1/2或更大的樣品(比較例1和2)都表現出了2.0Nm或更大的起始轉矩,并且咬合表面壓力低于80MPa。此外,高度差為7μm或更大的樣品(比較例3至5)都表現出了2.1Nm或更大的起始轉矩,并且咬合表面壓力低于70MPa。
權利要求書(按照條約第19條的修改)
1.一種滑動構件,該滑動構件包括:
襯層,該襯層具有相對于配合軸滑動的滑動表面和設置在所述滑動表面的軸向端部的倒角部分;以及
覆蓋層,該覆蓋層由樹脂形成并覆蓋所述倒角部分的至少一部分和所述滑動表面。
2.根據權利要求1所述的滑動構件,其中所述覆蓋層具有從斜坡起始位置朝向所述軸向端部傾斜的冠狀形狀,該斜坡起始位置是距離軸向端面的距離小于W/2的位置,W是所述襯層在軸向方向上的寬度。
3.根據權利要求2所述的滑動構件,其中在所述覆蓋層中,所述斜坡起始位置和所述滑動表面的軸向端部位置之間的高度差不大于6μm。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的滑動構件,其中所述覆蓋層包括:
結合劑樹脂;以及
固體潤滑劑和硬材料中的至少一種。
5.根據權利要求4所述的滑動構件,其中所述結合劑樹脂包括聚酰胺酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、聚縮醛樹脂、聚醚醚酮樹脂和聚苯硫醚樹脂中的至少一種。
6.根據權利要求4或5所述的滑動構件,其中所述固體潤滑劑包括MoS2、PTFE、石墨、WS2、h-BN和SB2O3中的至少一種。
7.根據權利要求4至6中任一項所述的滑動構件,其中所述硬材料包括SiC、Al2O3、TiN、AIN、CrO2、Si3N4、ZrO2和P中的至少一種。

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滑動 構件
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