一种耐温金属基镶嵌固体自润滑轴承及其制备方法.pdf

本发明一种耐温金属基镶嵌固体自润滑轴承，以铝黄铜为轴承金属基体材料，在所述的基体材料的外周还镶嵌有固体润滑材料，所述的固体润滑材料由聚四氟乙烯、鳞片石墨粉和铜粉组成，在所述的固体润滑材料中，聚四氟乙烯的质量百分比为35%-90%，鳞片石墨粉的质量百分比为5%-40%，和铜粉的质量百分比为5%-60%。本发明还提供了上述一种耐温金属基镶嵌固体自润滑轴承的制备方法。本发明是的金属基镶嵌固体自润滑轴承，其轴承表面载荷达到90MPa以上；工作温度能够达到300℃；正常工作时摩擦系数为0.20以下；pv值达到5.0( MPa·m/s )以上，并能有效吸附在金属基上而实现自润滑。

1.  一种耐温金属基镶嵌固体自润滑轴承，以铝黄铜为轴承金属基体材料，其特征在于：在所述的基体材料的外周还镶嵌有固体润滑材料，所述的固体润滑材料由聚四氟乙烯、鳞片石墨粉和铜粉组成，在所述的固体润滑材料中，聚四氟乙烯的质量百分比为35%-90%，鳞片石墨粉的质量百分比为5%-40%，和铜粉的质量百分比为5%-60%。

2.  根据权利要求1所述的一种耐温金属基镶嵌固体自润滑轴承，其特征在于：所述的聚四氟乙烯的颗粒直径为20—60μm。

3.  根据权利要求1所述的一种耐温金属基镶嵌固体自润滑轴承，其特征在于：所述的鳞片石墨粉的颗粒度为400~600目。

4.  根据权利要求1所述的一种耐温金属基镶嵌固体自润滑轴承，其特征在于：所述的铜粉的颗粒度为在300~500目，颗粒形状为球形。

5.  根据权利要求1所述的一种耐温金属基镶嵌固体自润滑轴承，其特征在于：所述的铝黄铜选自ZCuZn25A16Fe3Mn3，在所述的铝黄铜中，Cu元素、Zn元素、A1元素、Fe元素和Mn元素的质量比为62~64：24~26：2~4：5~7：2~4。

6.  权利要求1所述的一种耐温金属基镶嵌固体自润滑轴承的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
一个粗加工的步骤，按所需的轴承规格，选用浇铸件或锻压件，粗机加工到轴承要求的粗加工尺寸范围；
一个钻孔的步骤，在粗加工的轴承基体上，按照需要镶嵌的固体润滑圆柱尺寸，钻通孔或盲孔，孔的面接之和占轴承内壁面积的15—25%；
一个热处理的步骤，根据使用要求，进行调质或淬火处理，使轴承基体达到要求的硬度；
一个镶嵌固体润滑圆柱的步骤，将固体润滑圆柱镶嵌入轴承内外壁之间的通孔或盲孔内，固体润滑圆柱的摩擦面积占轴承摩擦面积的15—25%；
一个精加工的步骤，磨削加工到轴承成品尺寸和表面粗糙度的要求。

7.  根据权利要求6所述的一种耐温金属基镶嵌固体自润滑轴承的制备方法，其特征在于所述的镶嵌固体润滑圆柱采用的材料通过如下的步骤制备：
一个固体润滑材料混合后预成型的步骤，在室温下，将聚四氟乙烯树脂粉料与鳞片石墨粉、铜粉烘干，然后按照重量比混合，混合均匀后加人模腔中，在压机上预压成密实的圆棒形状的制品，保压时间为1～10min；
一个烧结的步骤，从压模中取出压件，放入烧结炉中于360~380℃下进行加热烧结，在烧结的过程中，先加热升温，升温速度为25~35 ℃/ h，至300~350 ℃保温1~3h，再升温至360~380 ℃保温2~4h，使聚四氟乙烯由结晶态转变为非晶态，由分散的树脂颗粒通过扩散熔融而黏结成密集、连续的整体；
一个冷却的步骤，在冷却的过程中，以18~25 ℃/ h的冷却速度随炉冷却至室温，通过降温冷却使非晶态聚四氟乙烯又变成结晶型，从而形成以聚四氟乙烯为基的固体润滑材料。

8.  根据权利要求7所述的一种耐温金属基镶嵌固体自润滑轴承的制备方法，其特征在于：在一个固体润滑材料混合后预成型的步骤中，成型压力取决于聚四氟乙烯中填充的鳞片石墨粉和铜粉的含量比例，其中：鳞片石墨粉和铜粉的含量比例为10%～20 %的成型压力为40MPa；含量比例为20 %～40 %的成型压力为60MPa；含量比例大于40 %的成型压力为80MPa。

一种耐温金属基镶嵌固体自润滑轴承及其制备方法
技术领域
本发明属于材料学领域，尤其涉及一种轴承，具体来说是一种耐温金属基镶嵌固体自润滑轴承及其制备方法。
背景技术
金属基镶嵌固体自润滑轴承由于无需在使用过程中加入润滑剂，而是依靠金属基上镶嵌的固体润滑材料转移到摩擦副之间，形成润滑膜，实现自润滑。因而可以适应工作环境苛刻、灰尘大、注润滑油和冷却困难的工作环境，其工作寿命比普通滑动轴承长,因此产品已广泛应用在冶金连铸机、轧刚设备、矿山机械、船舶、汽轮机、水轮机、注塑机及设备生产流水线中。目前，我国研制使用的金属基镶嵌固体自润滑轴承，其基体材料主要使用铜及铜合金，其主要特点是摩擦系数比较低，但其承载能力不大；其镶嵌的固体润滑材料主要使石墨和二硫化钼，其粘结剂大多为环氧树脂，由此粘结而成的固体润滑材料无法承受高温下工作。即目前使用的金属基镶嵌固体自润滑轴承基本在承载的载荷大多在50MPa，工作温度一般在200℃以下工作。因此，不适应在冶金等行业的高温和高载荷恶劣环境下工作。
而冶金等行业所需的金属基镶嵌固体自润滑轴承基本要求是：金属基镶嵌自润滑固体轴承使用的表面载荷达到90MPa；轴承使用的工作温度能够达到300℃。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种耐温金属基镶嵌固体自润滑轴承及其制备方法，所述的这种耐温金属基镶嵌固体自润滑轴承及其制备方法解决现有技术中的金属基镶嵌固体自润滑轴承不适应在高温和高载荷恶劣环境下工作的技术问题。
本发明一种耐温金属基镶嵌固体自润滑轴承，以铝黄铜为轴承金属基体材料，在所述的基体材料的外周还镶嵌有固体润滑材料，所述的固体润滑材料由聚四氟乙烯、鳞片石墨粉和铜粉组成，在所述的固体润滑材料中，聚四氟乙烯的质量百分比为35%-90%，鳞片石墨粉的质量百分比为5%-40%，和铜粉的质量百分比为5%-60%。
进一步的，所述的聚四氟乙烯的颗粒直径为20—60μm。
进一步的，所述的鳞片石墨粉的颗粒度为400~600目。
进一步的，所述的铜粉的颗粒度为在300~500目，颗粒形状为球形。
进一步的，所述的铝黄铜选自ZCuZn₂₅A1₆Fe₃Mn₃，在所述的铝黄铜中，Cu元素、Zn元素、A1元素、Fe元素和Mn元素的质量比为62~64:24~26：2~4:5~7:2~4。
本发明还提供了上述一种耐温金属基镶嵌固体自润滑轴承的制备方法，包括如下步骤：
1)      一个粗加工的步骤，按所需的轴承规格，选用浇铸件或锻压件，粗机加工到轴承要求的粗加工尺寸范围；
2)      一个钻孔的步骤，在粗加工的轴承基体上，按照需要镶嵌的固体润滑圆柱尺寸，钻通孔或盲孔，孔的面接之和占轴承内壁面积的15—25%；
3)      一个热处理的步骤，根据使用要求，进行调质或淬火处理，使轴承基体达到要求的硬度；
4)      一个镶嵌固体润滑圆柱的步骤，将固体润滑圆柱镶嵌入轴承内外壁之间的通孔或盲孔内，固体润滑圆柱的摩擦面积占轴承摩擦面积的15—25%；
5)      一个精加工的步骤，磨削加工到轴承成品尺寸和表面粗糙度的要求。
进一步的，所述的镶嵌固体润滑圆柱采用的材料通过如下的步骤制备：
1）一个固体润滑材料混合后预成型的步骤，在室温下，将聚四氟乙烯树脂粉料与鳞片石墨粉、铜粉烘干，然后按照重量比混合，混合均匀后加人模腔中，在压机上预压成密实的圆棒形状的制品，保压时间为1～10min；
2）一个烧结的步骤，从压模中取出压件，放入烧结炉中于360~380℃下进行加热烧结，在烧结的过程中，先加热升温，升温速度为25~35 ℃/ h，至300~350 ℃保温1~3h，再升温至360~380 ℃保温2~4h，使聚四氟乙烯由结晶态转变为非晶态，由分散的树脂颗粒通过扩散熔融而黏结成密集、连续的整体；
3）一个冷却的步骤，在冷却的过程中，以18~25 ℃/ h的冷却速度随炉冷却至室温，通过降温冷却使非晶态聚四氟乙烯又变成结晶型，从而形成以聚四氟乙烯为基的固体润滑材料。
进一步的，在一个固体润滑材料混合后预成型的步骤中，成型压力取决于聚四氟乙烯中填充的鳞片石墨粉和铜粉的含量比例，其中：鳞片石墨粉和铜粉的含量比例为10%～20 %的成型压力为40MPa；含量比例为20 %～40 %的成型压力为60MPa；含量比例大于40 %的成型压力为80MPa。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明是一种铜基、镶嵌以聚四氟乙烯(PTFE)为基，添加一定颗粒度和含量的鳞片石墨（C）粉和纯铜（Cu）粉固体润滑材料的金属基镶嵌固体自润滑轴承，其轴承表面载荷达到90MPa以上；工作温度能够达到300℃；正常工作时摩擦系数为0.20以下；pv值达到5.0( MPa·m/s )以上，并能有效吸附在金属基上而实现自润滑。
具体实施方式
实施例1、镶嵌轴承的固体润滑材料
   以聚四氟乙烯（PTFE）为基，添加（5—40）%石墨粉+（5—60）%纯铜粉的固体复合润滑材料，如表1所示。
表1  聚四氟乙烯（PTFE）为基的固体润滑材料摩擦系数μ和pv值与温度关系

实施例2、镶嵌轴承的金属基体材料
根据试制的轴承承载能力大于90MPa的要求，选择铝黄铜ZCuZn25A16Fe3Mn3作为轴承金属基体材料，其化学成分如表2、3所示。
   表2 试验的镶嵌轴承金属基体材料

表3   镶嵌轴承基体材料（铝黄铜）的成分（化学成分质量分数%）
 
极限动载荷：100 MPa  ；基本硬度：HB210~270  摩擦系数μ：<0.16  最高使用温度：300℃；最高滑动速度：干摩擦约：0.4m/s  油润滑约：5m/s
实施例3、金属基镶嵌固体自润滑轴承的制备
A、粗加工：按所需的轴承规格，选用浇铸件或锻压件，粗机加工到轴承要求的粗加工尺寸范围；
B、钻孔：在粗加工的轴承基体上，按照需要镶嵌的固体润滑圆柱尺寸，钻通孔或盲孔，孔的面接之和占轴承内壁面积的15—25%（具体视润滑要求和轴承工作载荷而定）。
① 轴承内径≤Φ160mm，在轴承的内外壁之间钻通孔。
② 轴承内径 >Φ160mm，在轴承的内外壁之间钻盲孔。
C、热处理：根据使用要求，进行调质或淬火处理，使轴承基体达到要求的硬度等。
D、镶嵌固体润滑圆柱：将固体润滑圆柱镶嵌入轴承内外壁之间的通孔或盲孔内，固体润滑圆柱的摩擦面积占轴承摩擦面积的15—25%。
E、精加工：磨削加工到轴承成品尺寸和表面粗糙度的要求。
实施例4、金属基镶嵌固体自润滑轴承的材料试验
1）试验的镶嵌轴承金属基体材料的热膨胀系数如表4所示：
表4  基体材料的热膨胀系数（从室温至300℃的平均热膨胀系数）
 
实施例5、金属基镶嵌轴承固体润滑材料
固体润滑材料的配方比例：60%PTFE+ 35%石墨粉+5%纯铜粉的固体润滑材料主要性能参数，如表5所示。
表5  固体润滑材料配方一的主要性能参数

实施例6、金属基镶嵌轴承固体润滑材料的
固体润滑材料的配方比例：40%PTFE+ ~5%石墨粉+ ~55%纯铜粉的固体润滑材料主要性能参数，如表6所示。
表6  固体润滑材料配方二的主要性能参数

从镶嵌轴承的聚四氟乙烯(PTFE)为基的固体润滑材料和铝黄铜ZCuZn25A16Fe3Mn3为轴承基体的热膨胀系数数据表中可以看出，聚四氟乙烯(PTFE)和其复合固体润滑材料的平均热膨胀系数明显高于金属基体材。因此，在镶嵌轴承工作过程中，随着轴承的旋转和摩擦温度的升高，聚四氟乙烯(PTFE)为基的固体润滑材料会发生较大的热膨胀，而突出于镶嵌轴承的金属基体表面，从而在镶嵌轴承与对偶转动轴之间可以形成固体润滑膜，有效隔离二对偶金属表面的直接摩擦而起到润滑、降摩和减磨的作用。
实施例7、金属基镶嵌固体自润滑轴承的使用试验
1）金属基镶嵌固体自润滑轴承的试验轧机的基本参数，如表7所示
表7  Φ130mm二辊实验轧机参数

2）金属基镶嵌固体自润滑轴承试验的工艺参数，如表8所示
                      表8     试验轧制的工作参数

3）轧制试验条件
    为了比较不同固体润滑镶嵌轴承的润滑效果，试验采用在Φ130mm二辊实验轧机上用相同的压靠轧制压力、相同的转速条件下进行轧制试验。通过测量不同固体镶嵌轴承轧机的轧机主电流变化和固体润滑材料的磨损等实验参数，进一步评价不同固体润滑材料镶嵌轴承的实际使用效果。
    轧制试验条件：轧机轧制压靠力：约65 KN
                  轧机的轧制时的轧辊转速：33 rpm（辊颈处线速度：0.12 m/s）
                  镶嵌轴承的摩擦状态：干摩擦
4）金属基镶嵌固体自润滑轴承试验的工艺参数，如表9-10所示
       表9  铝黄铜ZCuZn25A16Fe3Mn3作为金属基体材料试验轧制结果

 表10 铝黄铜ZCuZn25A16Fe3Mn3作为金属基体试验轧制的镶嵌轴承实测温度（连续工作9min）

4）金属基镶嵌固体自润滑轴承试验结果说明
1、  轧机试验：在轧制压力和轧机转速等一定的条件下，轴承金属基体材料为铝黄铜，镶嵌的润滑材料为纯PTFE和PTFE+石墨粉+纯铜粉的固体润滑材料，试验结果是添加了石墨与纯铜粉的聚四氟乙烯（PTFE）固体润滑材料其主电机电流有所增加，9min的轧制试验后，其轴承表面温度比原来纯聚四氟乙烯（PTFE）固体润滑材料稍微大些，这也与其摩擦系数相对应，其中纯铜粉量的影响稍微大些，但总的影响不大。
2、轧机试验：在轧制压力和轧机转速等一定的条件下，金属基体材料为铝黄铜，固体润滑材料中，石墨粉与纯铜粉的添加量比较看，石墨粉润滑作用比纯铜粉稍微强一些。
3、  轧机试验：在轧制压力和轧机转速等一定的条件下，观察镶嵌在轴承中的固体润滑材料的磨损情况。试验9min轧制后，纯聚四氟乙烯（PTFE）固体润滑材料明显减少，（PTFE+ ~35%石墨粉+ ~5%纯铜粉）固体润滑材料为其次，（PTFE+ ~5%石墨粉+ ~55%纯铜粉）固体润滑材料磨损量最小。因此，纯聚四氟乙烯（PTFE）中添加石墨粉或纯铜粉均能有效提高其耐磨性，而且，但合适的纯铜粉添加量对提高聚四氟乙烯（PTFE）为基的固体润滑材料抗磨损性能起到比较好的效果。
    以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。