复合轴承构件、复合轴承构件的制造方法、轴承装置和旋转电机 相关申请交叉参考
本申请基于2008年11月19日提交的在先日本专利申请No.2008-295184并要求其优先权；该申请的全部内容在此合并作为参考。
【技术领域】
本发明涉及一种用于旋转电机等的复合轴承构件、复合轴承构件的制造方法、具有该复合轴承构件的轴承装置以及具有该轴承装置的旋转电机。
背景技术
近年来，随着工业技术的发展，为了应对高速旋转轴和具有高表面压力等需要多种类型的轴承。通常白色金属(例如，类型I：锡锑铜合金：88-92重量百分比的Sn，5-7重量百分比的Sb，3-5重量百分比的Cu)用作轴承材料。然而，因为这样的软金属材料具有较低的熔点，在高温时强度明显减弱以及易燃等问题，因此其应用范围受到限制。
聚四氟乙烯(PTPE)树脂材料具有低摩擦系数和超强的耐热性，适合作为轴承材料。此外，聚醚酮醚(PEEK)树脂材料和聚酰亚胺(PI)树脂材料相对于聚四氟乙烯树脂材料都具有稍高的摩擦系数，但是在高温下机械性能就强很多。通过对上述的树脂材料添加各种陶瓷纤维或颗粒填料，能够生产一种兼备机械性能、摩擦特性和耐磨特征的滑动材料。
为了获得具有由上述树脂材料制成的轴承滑动表面和金属材料制成的轴承基座材料的轴承装置，有必要结合不同种类的上述树脂材料和金属材料使其具有足够结合强度。
然而，上述的树脂材料和金属材料结合后，如果采用应用到金属材料结合的结合方法，很难获得足够的结合强度。换句话说，在不同的金属构件通过熔融金属固化的方法结合的情况下，因为两种材料都是金属会产生扩散反应等，这样除了机械结合外还会发生物理结合或化学结合。相反，在结合树脂材料和金属材料的情况下，结合是简单的机械结合，这样就很难获得足够的结合强度。此外，在树脂材料和金属材料在高温高压的条件下结合的情况下，树脂材料会发生变质或由于长期地保持高温高压的状态会产生制造费用增加的问题。
此外，当树脂材料和金属材料结合时，可考虑通过粘合剂等结合，但是很难选择一种对树脂材料和金属材料都具有好的粘合性的粘合剂。另外，如果使用基于树脂的粘合剂，因为树脂和金属之间的结合界面必需存在，金属材料和树脂材料之间的结合强度基本上不能提高。
此外，当两种构件结合时，作为提高界面强度的方法，已知一种方法可借助于例如珩磨、化学刻蚀等增大表面面积来增加结合面积。但是，通过珩磨、化学刻蚀等增大的结合面积是有限的，并且防止界面剪切剥落的抗力也小，因此，不同种类的材料之间的结合强度不能充分地增加。
另一方面，考虑到传统轴承材料的多种问题，例如，在JP-B23194866(专利登记)中，就有用于结合树脂材料和金属材料的技术建议，一个多孔的中间层设在金属材料的表面上，树脂材料叠加在金属材料上的同时填充到多孔中间层中。根据该发明，该多孔中间层预先在真空状态下结合至轴承基座材料。
当用于水力发电机的轴承例如通过使用上述结合树脂材料和金属材料的传统方法生产时，在真空下结合的工艺是极其昂贵的，因为轴承基座材料的总重量从几百公斤至几吨不等，并且生产成本也会增加。另外，真空设备的功率也是受限制的，在真空下生产有时可能是困难的。
在这种情况下，在通过结合例如树脂材料和金属材料的不同种类材料而制成的轴承材料中，要考虑的问题是，在不牺牲轴承的性能或可靠性和不依赖设备生产量的情况下如何降低生产成本。
【发明内容】
因此，本发明的一个目的是提供一种复合轴承构件、复合轴承构件的制造方法、包括该复合轴承构件地轴承装置和包括该复合轴承构件的旋转电机，该复合轴承构件能通过简单的方法制造并不损失轴承构件的性能和可靠性，并在不同种类材料的结合部分具有超强的结合强度。
根据本发明的一个方面，提供一种复合轴承构件，包括：具有滑动层的轴承滑动材料，旋转部分在其表面滑动；用与构成轴承滑动材料不同的材料制作的轴承基座材料；和结合轴承滑动材料的另一表面和轴承基座材料的一个表面的结合层，其中，在滑动层和结合层之间构成轴承滑动材料的层是组份递变层，该组份递变层分散地包含金属材料并且其中金属材料的含量向着结合层增加。
此外，根据本发明的一个方面，提供一种制造复合轴承构件的方法，该制造方法包括以下步骤：树脂颗粒层形成步骤，通过将预定量的树脂制成的树脂颗粒填充进具有预定形状的模具中来形成树脂颗粒层；混合颗粒层形成步骤，其通过将第一金属材料制成的金属颗粒混合到树脂制成的树脂颗粒中，以金属颗粒的含量递增的方式，在树脂颗粒层上形成多个树脂颗粒和金属颗粒制成的混合颗粒层，其中所述第一金属材料具有低于树脂颗粒彼此熔结的熔结温度的熔点；挤压步骤，通过在叠加方向上挤压所叠加的树脂颗粒层和混合颗粒层以使各层成为一体，从而产生成形主体；树脂颗粒熔结步骤，通过加热成形主体至熔结温度来使树脂颗粒熔结；叠加步骤，通过以使得树脂颗粒一侧为下侧的方式放置成形主体、在成形主体上叠加由熔点低于熔结温度的第二金属材料制成的金属构件、并在该金属构件上叠加基座材料，从而构成叠加主体；以及，结合步骤，通过加热叠加主体至等于或高于第一和第二金属材料的熔点并低于熔结温度的温度来熔化金属颗粒和金属构件，从而结合成形主体的各层，以及成形主体和基座材料。
另外，根据本发明的一个方面，提供一种复合轴承构件的制造方法，该制造方法包括以下步骤：树脂颗粒层形成步骤，通过将预定量的树脂制成的树脂颗粒填充进具有预定形状的模具中来形成树脂颗粒层；混合颗粒层形成步骤，通过将第一金属材料制成的金属颗粒混合到树脂制成的树脂颗粒中，以金属颗粒的含量递增的方式，在树脂颗粒层上形成多个由树脂颗粒和金属颗粒制成的混合颗粒层，其中所述第一金属材料具有低于树脂颗粒彼此熔结的熔结温度的熔点；挤压步骤，通过在叠加方向上挤压叠加的树脂颗粒层和混合颗粒层使各层成为一体，来产生成形主体；孔隙形成步骤，通过加热该成形主体至熔结温度以使树脂颗粒彼此熔结并熔化金属颗粒，使金属颗粒从成形主体中外溢，从而在成形主体中形成孔隙；叠加步骤，通过以使得树脂颗粒一侧为下侧的方式放置成形主体、在成形主体上叠加由熔点低于熔结温度的第二金属材料制成的金属构件、并在该金属构件上叠加基座材料，来构成叠加主体；结合步骤，渗透进入孔隙的金属构件，通过加热叠加主体至等于或高于第二金属材料的熔点并低于熔结温度的温度来熔化金属构件，从而使金属构件渗入孔隙中，并结合成形主体和基座材料。
另外，根据本发明的一个方面，提供一种轴承装置，其包括：止推轴承，其滑动地支撑旋转轴的轴方向上的推力载荷；和导向轴承，其滑动地支撑旋转方向上的轴振动，其中该止推轴承和导向轴承中的轴承构件的至少一个由上述的复合轴承构件构成。
此外，根据本发明的一个方面，提供一种具有上述轴承装置的旋转电机。
【附图说明】
本发明将参照附图进行说明，但是提供的这些附图仅仅用于说明目的，并不意味任何形式上对本发明的限制。
图1是显示本发明一个实施例中复合轴承构件剖面的示意图。
图2A是显示通过第一制造方法制造复合轴承构件的工艺的剖视图。
图2B是显示通过所述第一制造方法制造该复合轴承构件的工艺的剖视图。
图2C是显示通过所述第一制造方法制造该复合轴承构件的工艺的剖视图。
图2D是显示通过所述第一制造方法制造该复合轴承构件的工艺的剖视图。
图2E是显示通过所述第一制造方法制造该复合轴承构件的工艺的剖视图。
图3A是显示通过第二制造方法制造复合轴承构件的工艺的剖视图。
图3B是显示通过上述第二制造方法制造复合轴承构件工艺的剖视图。
图3C是显示通过所述第二制造方法制造该复合轴承构件的工艺的剖视图。
图3D是显示通过所述第二制造方法制造该复合轴承构件的工艺的剖视图。
图3E是显示通过所述第二制造方法制造该复合轴承构件的工艺的剖视图。
图3F是显示通过所述第二制造方法制造该复合轴承构件的工艺的剖视图。
图3G是显示通过所述第二制造方法制造该复合轴承构件的工艺的剖视图。
图4是显示具有本发明一个实施例的复合轴承装置的轴承装置的剖面示意图。
图5是显示由实际实施例1和实际实施例2生产的复合轴承构件的各层所含有的金属材料体积含量的示意图。
图6是显示由比较实施例1产生的复合轴承构件的各层所含的金属材料(Sn-0.5重量百分比Cu-3.0重量百分比Ag)的体积含量示意图。
图7是显示由比较实施例2产生的复合轴承构件的各层所含的金属材料(Sn-0.5重量百分比Cu-3.0重量百分比Ag)的体积含量示意图。
【具体实施方式】
下文中，本发明的一个实施例将参照附图进行说明。
图1是显示本发明一个实施例中复合轴承构件10的剖面示意图。
如图1所示，复合轴承构件10具有其表面接触旋转部分的轴承滑动材料20、用与含有轴承滑动材料20的材料不同的材料制作的轴承基座材料30、和结合轴承滑动材料20与轴承基座材料30的结合层40。此外，轴承滑动材料20具有令旋转部分在其表面上滑动的滑动层50。另外，轴承滑动材料20在滑动层50和结合层40之间具有的组份递变层60，该组份递变层60分散地包含金属材料，并且其中金属材料的含量向着结合层40增加。此处显示的实施例中，组份递变层60由三种金属材料包含层61、62、63组成，其中金属材料分别以不同的比率被包含，且被分散。
组成轴承滑动材料20的基体由熔结温度高于包含在组份递变层60中的金属材料70熔点的树脂材料组成。换句话说，组份递变层60中除金属材料外的部分和滑动层50由上述的树脂材料构成。这里，该熔结温度是指令树脂材料的表面熔化且各树脂材料彼此可熔结的温度。作为树脂材料，能够使用比如，聚四氟乙烯(PTFE)树脂(熔结温度为350-400℃)、聚醚酮醚(PEEK)树脂(熔结温度为300-400℃)、聚酰亚胺(PI)树脂(熔结温度为400-500℃)等。作为树脂材料，可使用通过向上述树脂材料添加填料而得到的基于树脂的复合材料，该填料例如为陶瓷纤维和陶瓷颗粒。聚四氟乙烯(PTFE)树脂具有较小的摩擦系数以及超强的耐热性。此外，聚醚酮醚(PEEK)树脂和聚酰亚胺(PI)树脂相比于聚四氟乙烯(PTFE)树脂具有稍大的摩擦系数，但是在高温下机械性能超强。另外，上述基于树脂的复合材料兼具摩擦和耐磨性能以及机械性能方面的优越性能。
同时，包含在组份递变层60中的金属材料70用熔点低于树脂材料熔结温度的材料组成，如上所述。作为金属材料70，例如，可以使用Sn(熔点232℃)或其主要成分为Sn的合金。作为其主要成分是Sn的合金，可以引用比如，Sn-0.7重量百分比Cu的锡铜合金(熔点227℃)、Sn-0.5重量百分比Cu-0.3重量百分比Ag的锡铜银合金(熔点217℃)等，上述合金广泛作为焊接材料等。
这里，在组成组份递变层60的金属材料包含层61、62、63中，含有的金属材料70的含量从滑动层50侧的金属材料包含层61向结合层40侧的金属材料包含层63是按顺序增加的。换句话说，金属材料70的含量按照金属材料包含层63、金属材料包含层62和金属材料包含层61是按序由高到低的。这里，滑动层50侧的金属材料包含层61中的金属材料70的含量大于0体积百分比(Vol％)，而结合层40侧的金属材料包含层63中的金属材料70的含量小于100体积百分比(Vol％)。比如，举例来说在金属材料包含层61中的金属材料70的含量为10-30体积百分比，金属材料包含层62中的金属材料70的含量为40-60体积百分比，金属材料包含层63中的金属材料70的含量为70-90体积百分比。应当指出的是，组份递变层不局限于由三种金属材料包含层组成，由至少两个或更多个金属材料包含层组成的组份递变层就足够了。此外，每个金属包含层中的金属材料70的含量并不局限于上述实施例所述的范围，但是，按照从滑动层50侧的金属材料包含层61至结合层40侧的金属材料包含层63的顺序金属材料70的含量是增加的这样的方式就足够了。应该指出的是，优选为金属材料的含量被设置成在相邻金属材料包含层之间并不相差太大。
如上所述，组份递变层60具有滑动层50侧金属材料包含层61，该金属材料包含层61具有接近于滑动层50的组分并具有较少的金属材料70含量，且金属材料70的含量随着靠近结合层40而逐渐增加，并在结合层40侧具有金属材料包含层63，金属材料包含层63具有接近结合层40的组分并具有较高的金属材料70含量。具有如此的组份递变层60使得相邻层之间的线膨胀系数差异很小。从而，可减小相邻层之间产生的热应力。
优选的是，组份递变层60厚度大约为1-10毫米以避免相邻金属材料包含层之间金属材料70含量的巨变并减轻树脂材料和金属材料70之间的线膨胀系数差异产生的热应力。例如，当树脂材料的线膨胀系数大约为15×10-5/℃时，金属材料70的线膨胀系数大约为20×10-5/℃，滑动层50的厚度为1-10毫米，复合轴承构件10的尺寸为500mm×500mm，优选的是组份递变层60的厚度设置在2mm-5mm的范围内。
此外，正如以下将被描述的，组份递变层60由例如用于构成树脂材料或金属材料70的颗粒制成的材料组成。作为颗粒，通常使用颗粒直径为10um-100um的粒径。优选的是，考虑制造偏差各个金属材料包含层61、62、63的厚度设置为0.5mm-1mm范围内。另一方面，滑动层50的厚度基于磨损和使用寿命之间的关系因此设置在1-10mm的范围内。
另外，包含于金属材料包含层61、62、63中的金属材料以几乎均匀地被分散的状态被包含于各个金属材料包含层61、62、63中，如图1所示。另外，分散地被包含的金属材料以这样一种形态组成，即，例如颗粒形态或三维点阵形状分散形态。这里，包含在相应金属材料包含层61、62、63中的金属材料形态可以相同也可不同。例如，如果金属材料具有颗粒形态，在各个金属材料包含层61、62、63中的金属材料的平均粒径可以相同或不同。换句话说，它以这样的方式组成就足够了，即，金属材料70的含量按从在滑动层50侧的金属材料包含层61向结合层40侧的金属材料包含层63的顺序增加，并且各个金属材料包含层61、62、63中含有的金属材料的形态不受特别限制。
各个金属材料包含层61、62、63通过树脂材料的熔结、金属材料的焊接和树脂材料和金属材料的熔结而被结合。同时，滑动层50和金属材料包含层61通过树脂材料的熔结以及树脂材料和金属材料的熔结而被结合。
这里，滑动层50和各个金属材料包含层61、62、63中的空隙度等于或小于0.5体积百分比，滑动层50和各个金属材料包含层61、62、63处于致密状态。
轴承基座材料30是其强度能支撑作用在轴承滑动材料20上的高负荷的结构件，并由在使用条件下具有必要强度且与组成轴承滑动材料20的材料不同的材料组成，可以采用例如铁基材料、铜基材料和铝基材料来作为组成轴承基座材料30的材料。作为轴承基座材料30，优选使用是，铁基钢材产品例如结构碳钢(S45C)。
结合层40结合轴承滑动材料20和轴承基座材料30，并由熔点低于树脂材料熔结温度的材料组成，与包含在上述金属材料包含层61、62、63中的金属材料类似。至于形成结合层40的材料，结合层40能用与包含在上述金属材料包含层61、62、63中的金属材料相同的材料中的任何一种材料构成。换句话说，作为构成结合层40的材料，可使用锡或主要成分是锡的合金。作为主要成分是Sn的合金，例如，Sn-0.7重量百分比Cu的锡铜合金、Sn-0.5重量百分比Cu-3.0重量百分比Ag的锡铜银合金等被作为焊接材料广泛使用。应该指出的是，当使用与上述金属材料包含层61、62、63中含有的金属材料不同的材料作为形成结合层40的材料时，优先选择导致各种材料之间线膨胀系数差异小的材料。
接下来描述制造复合轴承构件10的方法。
此处，将描述两种制造复合轴承构件10的方法(第一和第二制造方法)。
(第一制造方法)
图2A-图2E是显示通过第一制造方法制造复合轴承构件10的剖面图。
首先，准备好用上述树脂材料制作的树脂颗粒来构成轴承滑动材料20的基体。考虑树脂颗粒100包含陶瓷纤维或颗粒填充材料的情况中粒化颗粒的平均粒径，树脂颗粒100的平均粒径为0.1-1mm。此外，准备好要被包含于组份递变层60中的用上述金属材料70制成的金属颗粒110。这里，用于形成各个金属材料包含层61、62、63的金属颗粒110的平均粒径可以相同或不同。应该指出的是，这里的平均粒径是指粒径中间值。平均粒径通过比如激光衍射粒径分布测量方法等测得。
随后，为了形成金属材料包含层61、62、63，产生三种混合颗粒(第一混合颗粒120、第二混合颗粒121和第三混合颗粒122)，在这三种混合颗粒中的树脂颗粒100和金属颗粒110以预定比率均匀地混合。这里，这三种混合颗粒以这样的方式产生，即，在第一混合颗粒120中的金属颗粒110的体积含量最低，在第三混合颗粒122中的金属颗粒110的体积含量最高。
首先，如图2A所示，要成为轴承滑动材料20的滑动层50的预定量的树脂颗粒100填充进设置在平坦表面上的预定形状的模具130内。
随后，如图2B所示，要成为金属材料包含层61的预定量的第一混合颗粒120填充在已经装填的树脂颗粒100上。
随后，如图2C所示，要成为金属材料包含层62的预定量的第二混合颗粒121填充在已经装填的第一混合颗粒120上。
随后，如图2D所示，要成为金属材料包含层63的预定量的第三混合颗粒122填充在已经装填的第二混合颗粒121上。
随后，如图2D所示，以叠加的方式填充进模具130中的上述颗粒比如通过压机140等在叠加方向上被压紧并成为一体。
随后，通过挤压被形成为一体的成形主体以使得第三混合颗粒122一侧是上侧的方式放置，并以树脂颗粒100彼此熔结的熔结温度加热一段预定的时间，这样树脂颗粒完成熔结。应该指出的是，在这种情况下，因为金属颗粒110的熔点低于树脂颗粒100的熔结温度，金属颗粒110熔化，但是成形主体以使得第三混合颗粒122一侧是上侧的方式放置，并且成形主体的周围被模具130覆盖，这样熔化的金属颗粒110就很少外溢。另外，由树脂颗粒100、第一混合颗粒120、第二混合颗粒121和第三混合颗粒122制造的各个层通过树脂材料的熔结、金属材料的焊接、以及树脂材料和金属材料的熔结被结合。应当指出的是，以熔结温度加热预定时间后，成形主体被冷却至室温。
这里，根据上述的工艺，滑动层50通过仅由树脂颗粒100形成的层形成。另外，金属材料包含层61通过由第一混合颗粒120形成的层形成，金属包含层62通过由第二混合颗粒121形成的层形成，金属包含层63通过由第三混合颗粒122形成的层形成。
随后如图2E所示，由要形成上述结合层40的金属材料制成的箔形金属构件150设置在金属材料包含层63的上表面上。另外，轴承基座材料30以叠加的方式设置在金属构件150上，这样组成多层主体。
随后，该多层主体以等于或高于金属颗粒110和金属构件150的熔点以及低于树脂颗粒100彼此熔结的熔结温度的温度加热预定的时间。从而，金属材料包含层61、金属材料包含层62、金属材料包含层63的各个层之间的上述结合很牢固，并且成形主体和轴承基座材料30通过金属构件150结合。
当成形主体和轴承基座材料30进行结合时，为了使由金属构件150形成的结合层40的厚度达到预定的厚度，优选地在成形主体和轴承基座材料30之间的边缘设置用铁基材料制作且厚度与上述预定厚度相同的间隔件或其类似物。然后，在成形主体和轴承基座材料30结合后，具有此间隔件的部分通过切割等方式去除。
经过上述的工艺后，获得的复合轴承构件10包括具有组份递变层60的轴承滑动材料20，在所述的组份递变层60中金属材料的含量向着结合层40增加。
(第二制造方法)
图3A-3G是显示通过第二制造方法制造复合轴承构件10的方法的剖视图。
首先，准备好用上述树脂材料制作的树脂颗粒100以构成轴承滑动材料20的基体。考虑树脂颗粒100包含陶瓷纤维或颗粒填充材料的情况中粒化颗粒的平均粒径，优选地树脂颗粒100的平均粒径为0.1-1mm。此外，准备好用第一金属材料制成的金属颗粒111，第一金属材料具有低于树脂颗粒100彼此熔结在一起的熔结温度的熔点。这里，作为金属颗粒111，使用In(熔点156℃)或主要成分为In的合金。作为主要成分是In的合金，例如使用铟铋合金(In-34重量百分比Bi，熔点72℃)等。应当指出，正如以下将被描述的，金属颗粒111用于形成用来被渗透要被包含在组份递变层60中的第二金属材料的孔隙。
这里，金属颗粒111的平均粒径可以相同或不同。应当指出，这里的平均粒径是指粒径中间值。该平均粒径例如通过激光衍射粒径分布测量方法等测得。
随后，产生三种混合颗粒(第一混合颗粒125、第二混合颗粒126和第三混合颗粒127)，在这三种混合颗粒中，树脂颗粒100和金属颗粒111以预定比率均匀地混合。这里，这三种混合颗粒以这样的方式产生，即，在第一混合颗粒125中的金属颗粒111的体积含量最低，在第三混合颗粒127中的金属颗粒111的体积含量最高。
首先，如图3A所示，要成为轴承滑动材料20的滑动层50的预定量的树脂颗粒100填充进入放置在平坦表面上的预定形状的模具130中。
随后，如图3B所示，要形成金属材料包含层61的预定量的第一混合颗粒125填充在已经填充的树脂颗粒100上。
随后，如图3C所示，要形成金属材料包含层62的预定量的第二混合颗粒126填充在已经装填的第一混合颗粒125上。
随后，如图3D所示，要形成金属材料包含层63的预定量的第三混合颗粒127填充在已经装填的第二混合颗粒126上。
随后，如图3D所示，以叠加的方式填充进模具130中的上述颗粒比如通过压机140等在叠加方向上被压紧并成为一体。
随后，如图3E所示，通过挤压成为一体的成形主体从模具130中取出并以使得第三混合颗粒127一侧为下侧的方式放置，并以树脂颗粒100彼此熔结的熔结温度加热一段预定的时间，这样树脂颗粒实现熔结。在这种情况下，因为金属颗粒111的熔点低于树脂颗粒100的熔结温度，金属颗粒111熔化并溢向成形主体外部。应当指出，在以熔结温度加热预定时间后，模型主体被冷却至室温。
如图3F所示，在以熔结温度被加热预定时间的上述成形主体中，最后金属颗粒111熔化并外溢，孔隙160形成于金属颗粒已被分散的一部分中。此外，由树脂颗粒100、第一混合颗粒125、第二混合颗粒126和第三混合颗粒127制成的各个层通过树脂材料的熔结相结合。另外，上述工艺形成仅由树脂颗粒100制成的层组成的滑动层50。
随后，如图3G所示，模型主体以使得由第三混合颗粒127制成的层为上侧的方式放置，并且在第三混合颗粒127制成的层的上表面上设置板状金属构件151，该板状金属构件151要成为结合层40并且要成为被渗透到上述孔隙160中且包含在组份递变层60中的第二金属材料。另外，在金属材料151上以叠加的方式设置轴承基座材料30，这样组成多层主体。这里，由第二金属材料制成的金属构件151由与包含在前述组份递变层60中的金属材料70相同的材料构成。应当指出，金属构件151的尺寸，具体而言是厚度要考虑到渗透到孔隙160中的量和要形成结合层40的量来设置。
随后，模具130再次被连接到此多层主体的周围且该多层主体被加热到等于或高于金属构件151熔点以及低于树脂颗粒100彼此熔结的熔结温度的温度达到预定时间。从而，金属构件151熔化，其部分灌注到孔隙160中，同时除少量溢出外剩余部分成为结合成形主体和轴承基座材料30的结合层40。通过金属材料151灌注入孔隙160，形成金属材料包含层61、金属材料包含层62和金属材料包含层63。
当成形主体和轴承基座材料30进行结合时，为了使由金属构件151形成的结合层40的厚度达到预定厚度，优选地在成形主体和轴承基座材料30之间的边缘设置用铁基材料等制作且厚度与所述预定厚度相同的间隔件或其类似物。然后，在成形主体和轴承基座材料30结合后，具有此间隔件的部分通过切割等方式去除。
经过上述的工艺后，获得的复合轴承构件10包括具有组份递变层60的轴承滑动材料20，在所述的组份递变层60中金属材料的含量向着结合层40增加。
接下来描述本发明的一个实施例中具有复合轴承构件10的轴承装置200。
图4是显示本发明实施例中具有复合轴承构件10的轴承装置200的剖面示意图。这里，用用于水轮发电机的止推轴承来举例说明，以下将对通常被广泛应用于旋转电机等的止推轴承进行说明。
如图4所示，止推环211连接于旋转轴210，止推环211的下表面上具有转盘213。被形成为扇形的多个定盘214径向地围绕旋转轴210布置并滑动地支撑转盘213。定盘214具有复合轴承构件10的组成部分。
此外，定盘214由支撑盘216通过例如多个弹簧的弹性构件215支撑。另外，在止推环211的侧表面上连接着导向轴承217。该导向轴承217具有复合轴承构件10的组成部分。贮油箱218在导向轴承217的外部，并在贮油箱218内充满润滑油219。
如上所述，本发明实施例中的复合轴承构件10可以应用于轴承装置等。应当指出，复合轴承构件10所应用的装置不局限于具有上述组成部分的装置，复合轴承构件10能应用于这样的装置，即，其包括具有供旋转部分在其上滑动的滑动表面的轴承构件，例如轮船柴油机、产生电力的汽轮机、燃气轮机、普通的工业液/气加压装置和工厂设备。
如上所述，根据本发明实施例中的复合轴承构件10，由于使轴承滑动材料20中除了滑动层50外的层都成为组份递变层60，在组份递变层60中分散地包含金属材料并且金属材料的含量向着结合层40增加，所以可以消除由于轴承滑动材料20和结合层40中线膨胀系数的差异而产生的热应力。从而，能得到具有出众的结合强度和高可靠性的轴承材料。
此外，由于构成轴承滑动材料20的基体由具有熔结温度高于包含在组份递变层60中金属材料熔点的树脂材料构成，即使在加热温度大于或等于金属材料的熔点并低于树脂材料的熔结温度时，轴承滑动材料20也不会熔化或变质。所以，就有可能通过结合层40以高结合强度正确结合轴承滑动材料20和轴承基座材料30。
此外，在具有本发明实施例中复合轴承构件10的轴承装置20中，也能够获得上述复合轴承构件10的相似功能和效果，这样就能获得高可靠性的轴承装置。
另外，根据本发明实施例中复合轴承构件10的制造方法，不需要真空装置，复合轴承构件10能通过简单方法制造且不损失轴承构件的性能和可靠性。因此，能够降低复合轴承构件的制造费用。
接下来，将利用实际实施例和比较实施例说明本发明中的复合轴承构件10具有超强结合强度。
(实际实施例1)
在实际实施例1中，复合轴承构件10通过与图2A-2E中所示的第一制造方法相似的方法制造。
下文中，将通过参考图2A-2E对实际实施例1中所用的复合轴承构件10制造方法进行描述。
首先，准备好PTFE树脂制成的平均粒径为5um的树脂颗粒100。应当指出，所述的平均粒径是指粒径中间值。该平均粒径通过激光衍射粒径分布测量方法测得。下文中，平均粒径的意思和测量方法与上文所指均相同。
此外，准备好用锡铜银合金(Sn-0.5重量百分比Cu-3.0重量百分比Ag)制成的金属颗粒110以被包含在组份递变层60中。这里，用于形成金属颗粒包含层61的金属颗粒110的平均粒径为25um，用于形成金属颗粒包含层62的金属颗粒110的平均粒径为50um，用于形成金属颗粒包含层63的金属颗粒110的平均粒径为75um。
随后，为了形成金属材料包含层61、62、63，产生三种混合颗粒(第一混合颗粒120、第二混合颗粒121和第三混合颗粒122)，其中树脂颗粒100和金属颗粒110以预定比率均匀混合。这里，金属材料包含层61用第一混合颗粒120形成，金属材料包含层62用第二混合颗粒121形成，金属材料包含层63用第三混合颗粒122形成。这里，金属颗粒110和树脂颗粒100的体积比(金属颗粒110的体积：树脂颗粒100的体积)在第一混合颗粒120中为25∶75，在第二混合颗粒121中为50∶50，在第三混合颗粒122中为75∶25。
首先，如图2A所示，要成为轴承滑动材料20的滑动层50的预定量的树脂颗粒100填充进设置在平坦表面上的300mm×300mm方形模具130中。
随后，如图2B所示，要成为金属材料包含层61的预定量的第一混合颗粒120填充在已经装填的树脂颗粒100上。
随后，如图2C所示，要成为金属材料包含层62的预定量的第二混合颗粒121填充在已经装填的第一混合颗粒120上。
随后，如图2D所示，要成为金属金属材料包含层63的预定量的第三混合颗粒122填充在已经装填的第二混合颗粒121上。
随后，如图2D所示，上述以叠加方式填充入模具130中的颗粒通过压机140在叠加方向上以50M的压力被挤压并成为一体。这样，产生成形主体，其中用树脂颗粒100制成的层的厚度为2mm并且各个混合颗粒层的厚度分别为1mm。
随后，通过挤压成为一体的成形主体以使得第三混合颗粒122一侧为上侧的方式放置，并以树脂颗粒100彼此熔结的熔结温度375℃加热一小时，这样树脂颗粒实现熔结。应当指出，在这种情况下，因为金属颗粒110的熔点低于树脂颗粒100的熔结温度，金属颗粒110熔化，但是成形主体以使得混合颗粒122一侧为上侧的方式放置，并模具130覆盖模型主体周围，这样熔化的金属颗粒110很少外溢。在以熔结温度加热预定时间后，成形主体被冷却至室温。
这里，通过上述的工艺，滑动层50通过仅由树脂颗粒100形成的层构成。此外，金属材料包含层61通过由第一混合颗粒120制成的层形成，金属材料包含层62通过由第二混合颗粒121制成的层形成，金属材料包含层63通过由第三混合颗粒122制成的层形成。
随后，如图2E所示，要成为结合层40的箔形金属构件150被设置在金属材料包含层63的上表面上，该箔形金属构件150厚度为0.2mm，宽度为300mm长度为300mm并由锡铜银合金(Sn-0.5重量百分比Cu-0.3重量百分比Ag)构成。这里，金属构件150用与金属颗粒110相同的材料构成。另外，具有50mm厚度、300mm宽度和300mm长度且用结构碳钢(S45C)制成的轴承基座材料30以叠加方式安放在金属构件150上，这样形成多层主体。
随后，该多层主体以等于或高于金属颗粒110熔点以及低于树脂颗粒100彼此熔结的熔结温度的温度250℃加热三分钟的时间。从而，金属材料包含层61、金属材料包含层62和金属材料包含层63的各层之间的上述结合非常牢固，并且成形主体和轴承基座材料30通过金属构件150相结合。结合层40的厚度为0.2mm。
当成形主体和轴承基座材料30进行结合时，为了去除轴承基座材料30的表面上的氧化膜，加热前在轴承基座材料30的表面上使用焊剂。另外，为了使由金属构件150形成的结合层的厚度为0.2mm，在成形主体和轴承基座材料30之间的边缘处设置用铝基材料(6061Al合金)制成的0.2mm厚的间隔件。然后，在成形主体和轴承基座材料30结合后，具有此间隔件的部分通过切割等方式去除。
本文中，图5是显示包含在通过上述工艺生产的复合轴承构件10的各个层中金属材料体积含量示意图。
如图5所示，经过上述加工后，获得的复合轴承构件10包括具有组份递变层60的轴承滑动材料20，在组份递变层60中金属材料Sn-0.5重量百分比Cu-0.3重量百分比Ag(锡铜银合金)的含量向着结合层40增加。
下一步，为了评估得到的复合轴承构件10结合界面的抗剪强度，通过在平行于结合界面的方向上对该复合轴承构件10施加0.1毫米/秒的拉伸速度完成剪切试验。
剪切试验的结果显示抗剪强度是20MPa。该抗剪强度充分地满足轴承材料所需的抗剪强度(10MPa)
(实际实施例2)
在实际实施例2中，使用的是通过与图3A-3G所示的第二制造方法相似的制造方法产生的复合轴承构件10。
下文中，将参考图3A-3G对实际实施例2中所用的复合轴承构件10的制造方法进行说明。
首先，准备好具有平均粒径为5um的PTFE树脂制造的树脂颗粒100。另外，准备好用熔点低于树脂颗粒100被熔结的熔结点的第一金属材料制成的金属颗粒111。金属颗粒111用于形成要被包含在组份递变层60中的供第二金属材料渗入的孔隙。
这里，用于形成金属材料包含层61的金属颗粒111的平均粒径为25um，用于形成金属材料包含层62的金属颗粒111的平均粒径为50um，用于形成金属材料包含层63的金属颗粒111的平均粒径为75um。
随后，为了形成金属包含层61、62、63，产生三种混合颗粒(第一混合颗粒125、第二混合颗粒126和第三混合颗粒127)，在这三种混合颗粒中的树脂颗粒100和金属颗粒111以预定比率均匀地混合。这里，金属材料包含层61用第一混合颗粒125形成，金属材料包含层62用第二混合颗粒126形成，金属材料包含层63用第三混合颗粒127形成。这里，金属颗粒111和树脂颗粒100的体积比(金属颗粒111的体积：树脂颗粒100的体积)在第一混合颗粒125中为25∶75，在混合颗粒126中为50∶50，在第三混合颗粒127中为75∶25。
首先，如图3A所示，要成为轴承滑动材料20的滑动层50的预定量的树脂颗粒100填充进设置在平坦表面上的300mm×300mm方形模具130中。
随后，如图3B所示，要形成金属材料包含层61的预定量的第一混合颗粒125填充在已经装填的树脂颗粒100上。
随后，如图3C所示，要形成金属材料包含层62的预定量的第二混合颗粒126填充在已经装填的第一混合颗粒125上。
随后，如图3D所示，要形成金属材料包含层63的预定量的第三混合颗粒127填充在已经装填的第二混合颗粒126上。
随后，如图3D所示，以叠加的方式填充进模具130中的上述颗粒比如通过压机140在叠加方向上以50MPa的压力被压紧并成为一体。因此，产生的成形主体中树脂颗粒100制成的层的厚度为2mm，各个混合颗粒层的厚度分别为1mm。
随后，如图3E所示，通过挤压成为一体的成形主体从模具130中取出并以使得第三混合颗粒127一侧为下侧的方式放置，并以树脂颗粒100彼此熔结的熔结温度375℃加热一个小时，这样树脂颗粒实现熔结。在这种情况下，因为金属颗粒111的熔点低于树脂颗粒100的熔结温度，金属颗粒111熔化并溢出成形主体之外。应当指出，在以熔结温度加热预定时间后，成形主体冷却至室温。
如图3F所示，在以上述熔结温度375℃加热一个小时的成形主体中，由于金属颗粒111熔化并外溢，在金属颗粒111已被分散的部分中形成孔隙160。此外，上述工艺形成仅由树脂颗粒100制成的层组成的滑动层50。
随后，如图3G所示，成形主体以使得由第三混合颗粒127制成的层为上侧的方式放置，在第三混合颗粒127制成的层的上表面上设置由锡铜合金(Sn-0.7重量百分比Cu)制成的板状金属构件151，板状金属构件151要作为结合层40并要成为渗透到上述孔隙160中且被包含在组份递变层60中的第二金属材料。金属构件151的厚度是1.8mm、宽度为300mm、长度为300mm。另外，用厚50mm、宽300mm、长300mm的结构碳钢(C45C)制成的轴承基座材料30以叠加方式放置在金属构件151的上面，这样形成多层主体。
随后，模具130再次被连接到多层主体周围，且该多层主体以等于或高于金属构件151熔点以及低于树脂颗粒100彼此熔结的熔结温度250℃加热三分钟。从而，金属构件151熔化，并且其部分渗入孔隙160中同时其剩余部分除了少量溢出外，均成为结合成形主体和轴承基座材料30的结合层40。通过金属材料151渗入孔隙160中，金属包含层61、金属包含层62和金属包含层63形成。
当成形主体和轴承基座材料30进行结合时，为了去除轴承基座材料30表面的氧化膜，加热前在轴承基座材料30的表面上使用焊剂。另外，为了使由金属构件151形成的结合层的厚度为0.2mm，用铝基材料(6061Al合金)制成的0.2mm厚的间隔件放置在成形主体和轴承基座材料30之间的边缘处。然后，在成形主体和轴承基座材料30结合后，具有此间隔件的部分通过切割等方式去除。
如图5所示，经过上述工艺后，获得的复合轴承构件10包括具有组份递变层60的轴承滑动材料20，在组份递变层60中金属材料(Sn-0.7重量百分比Cu)(锡铜合金)的含量向着结合层40增加。
接下来，对于获得的复合轴承构件10，用与实际实施例1中相同的剪切试验方法进行剪切试验。
剪切试验的结果显示抗抗剪强度是20MPa。该抗剪强度充分地满足轴承材料所需的抗剪强度(10MPa)。
(比较实施例1)
在比较实施例1中，使用的复合轴承构件与实际实施例1中的复合轴承构件10的组成相比，既不具有金属材料包含层61也不具有金属材料包含层62。换句话说，比较实施例1中所用的复合轴承构件的轴承滑动材料是由滑动层50和金属材料包含层63组成，不具备组份递变层。除了上述区别外其余组成与实际实施例1中所用的复合轴承构件10均相同。此外，比较实施例1所用的复合轴承构件的生产工艺与实际实施例1中所用的复合轴承构件10的生产工艺相比，排除形成金属材料包含层61和金属材料包含层62的加工工艺。换句话说，除了上文所述的工艺被排除，比较实施例1中所用的复合轴承构件通过与实际实施例1中所用的复合轴承构件10制造工艺相同的制造工艺生产(包括材料因素等)。
此处，图6是显示由比较实施例1产生的复合轴承构件的各层所含的金属材料锡铜银合金(Sn-0.5重量百分比Cu-3.0重量百分比Ag)体积含量示意图。
如图6所示，比较实施例1中所产生的复合轴承构件由具有滑动层50和金属材料包含层63的轴承滑动材料20、轴承基座材料30以及结合轴承滑动材料20和轴承基座材料30的结合层40组成。
然而，在所产生的复合轴承构件中，在滑动层50和金属材料包含层63之间的边缘部分存在剥落现象，不能得到可靠的复合轴承构件。可以认为，在成形主体以树脂颗粒100彼此熔结的熔结温度375℃加热一个小时以及树脂颗粒完成熔结后，冷却至室温时，由于其间组分急剧变化，滑动层50和金属材料包含层63之间的线膨胀系数差异变大，结果在滑动层50和金属材料包含层63之间的边缘部分会发生剥落现象。
(比较实施例2)
在比较实施例2中，使用的复合轴承构件与实际实施例2中的复合轴承构件10的组成相比，既不具有金属材料包含层61、金属材料包含层62也不具有金属材料包含层63。换句话说，比较实施例2中所用的复合轴承构件的轴承滑动材料仅由滑动层50组成，不具有组份递变层。除了上文所述，结构均与实际实施例1中的复合轴承构件10相同。另外，比较实施例2中所用复合轴承构件的制造过程与实际实施例1中所用的复合轴承构件10的制造过程相比，排除形成金属材料包含层61、金属材料包含层62和金属材料包含层63的加工工艺。换句话说，比较实施例2中所用的复合轴承构件通过实际实施例1中所用的复合轴承构件10制造过程相同的制造过程生产(包括材料因素等)，只是上文所述的工艺被排除。
此处，图7是显示由比较实施例2产生的复合轴承构件的各层所含的金属材料(即Sn-0.5重量百分比Cu-3.0重量百分比Ag的锡铜银合金)体积含量示意图。
如图7所示，比较实施例2中所产生的复合轴承构件由具有滑动层50的轴承滑动材料20、轴承基座材料30以及结合轴承滑动材料20和轴承基座材料30的结合层40组成。
然而，在所产生的复合轴承构件中，在滑动层50和结合层40之间的结合表面的整个表面剥落，不能获得完好的复合轴承构件。可以认为，在成形主体以树脂颗粒100彼此熔结的熔结温度375℃加热一个小时以及树脂颗粒完成熔结后，冷却至室温时，由于其间组分急剧变化，滑动层50和结合层40之间的线膨胀系数差异变大，结果在滑动层50和结合层40之间的结合表面的整个表面会发生剥落现象。
在上文中，本发明根据实际实施例作了描述，但是本发明并不局限于上述的实施例，可以进行不脱离本发明基本发明构思的精神或保护范围的改进。