專利名稱：多層的滑動軸承材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多層的滑動軸承材料，它的滑動面涂覆有固體潤滑劑的保護(hù)層。
滑動軸承通常用來作為如船用發(fā)動機(jī)或汽車發(fā)動機(jī)曲軸的軸承?；瑒虞S承是由鋼基體和與它結(jié)合的銅質(zhì)軸承合金或鋁質(zhì)軸承合金構(gòu)成的。保護(hù)層通常是涂覆在滑動軸承的表面，以改進(jìn)與提高滑動的適應(yīng)和貼合性與耐磨性。
JP-A-2000-27868報(bào)導(dǎo)了如有自潤滑的聚四氟乙烯覆蓋于表面的船用發(fā)動機(jī)的滑動軸承。而JP-A-58-108299則報(bào)導(dǎo)了汽車發(fā)動機(jī)的滑動軸承，它的滑動面涂覆有保護(hù)層，保護(hù)層包括如石墨或二硫化鉬的固體潤滑劑和如酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂的粘合劑。
酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂屬熱固性樹脂，它們的硬度高，因而都缺乏足夠的適應(yīng)和貼合性。幾乎沒有一種潤滑劑可供發(fā)動機(jī)起動時使用。尤其是在樹脂與曲軸間發(fā)生滑動磨損時所產(chǎn)生的磨損碎屑將損害保護(hù)層，有時將使保護(hù)層在它的使用的早期階段便失去效用。
為了防止上述的滑動磨損，人們提出了在保護(hù)層使用如含聚四氟乙烯的軟的熱塑性樹脂。然而它缺乏足夠的耐磨性。另外，當(dāng)曲軸因折曲而導(dǎo)致與軸承的一端局部接觸時，約有10μm厚的熱塑性樹脂的接觸部分將減薄，以致保護(hù)層在它的使用期限的早期階段便失去效用。由此產(chǎn)生的軸承合金和曲軸間的金屬與金屬接觸有導(dǎo)致滑動卡塞(seizure)的可能性。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種多層的滑動軸承材料，它能防止保護(hù)層因磨損碎屑而導(dǎo)致的過早磨損，并能防止與配對部分的局部接觸而產(chǎn)生的滑動卡塞。
本發(fā)明提供的多層滑動軸承材料包含有一保護(hù)層涂覆于軸承合金層的表面，其特點(diǎn)是保護(hù)層包括有固體潤滑劑和粘合劑，粘合劑包含有熱塑性與熱固性的樹脂，二者在極性溶劑中都是可溶的。
熱塑性樹脂與熱固性樹脂溶解于溶劑中時，它們是如同分子一樣的微小單元彼此完全混合的。由此形成的粘合劑具有熱塑性樹脂與熱固性樹脂的中間特性。相應(yīng)地保護(hù)層即使和配對部分有局部接觸也難以變形，因而具有相當(dāng)大的強(qiáng)度。因此可防止保護(hù)層使用的過早磨損和滑動合金層與配對部分間的金屬-金屬接觸。另外，由于粘合劑具有適宜的硬度，能保持所要求的滑動適應(yīng)和貼合性。即使粘合劑在與配對部分的滑動時耗盡，保護(hù)層表面也不會在它的使用早期階段有深度的損壞而失去效用。
保護(hù)層的一種優(yōu)選形式是熱固性樹脂的體積百分?jǐn)?shù)是100％時，熱塑性樹脂的體積百分?jǐn)?shù)是1％至100％。當(dāng)熱塑性樹脂的體積百分?jǐn)?shù)小于1％時，粘合劑有類似于熱固性樹脂的特性。相應(yīng)地粘合劑的適應(yīng)和貼合性差，可出現(xiàn)磨屑導(dǎo)致的過早的滑動磨損。而當(dāng)熱塑性樹脂體積百分?jǐn)?shù)超過100％時，粘合劑有類似于熱塑性樹脂的特性。因?yàn)檫@時保護(hù)層的硬度降低，將有耐磨性的下降，并出現(xiàn)與配對部分的局部接觸而產(chǎn)生的金屬-金屬接觸。
另一種優(yōu)選形式是保護(hù)層含有不高于80％體積百分?jǐn)?shù)的固體潤滑劑。固體潤滑劑減小了保護(hù)層的摩擦系數(shù)。如固體潤滑劑高于80％體積，熱塑性樹脂與熱固性樹脂的百分?jǐn)?shù)減少，這時固體潤滑劑不能保留下來，保護(hù)層的強(qiáng)度和相應(yīng)的保護(hù)層的耐磨性都將減低。
再一種優(yōu)選形式是保護(hù)層含有不超過5％體積百分?jǐn)?shù)的硬粒子。硬粒子可提高保護(hù)層的耐磨性。當(dāng)硬粒子體積百分?jǐn)?shù)超過5％，保護(hù)層的沖擊性增大，致使其配對部分損壞，或由于其配對部分的損壞而使保護(hù)層失去效用。
本發(fā)明將僅根據(jù)附圖與實(shí)例作出敘述，其中

圖1是本發(fā)明一個實(shí)施方案中的滑動軸承的剖面圖；圖2是滑動軸承的透視圖；和圖3是船用發(fā)動機(jī)曲柄的部分剖面圖。
另外表3列出了具有本實(shí)施方案的保護(hù)層10的滑動軸承和具有傳統(tǒng)保護(hù)層的滑動軸承的摩擦，磨損與卡塞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
本發(fā)明的一個實(shí)施方案將根據(jù)附圖進(jìn)行描述。該實(shí)施方案是將本發(fā)明應(yīng)用在船用發(fā)動機(jī)曲柄銷的滑動軸承上。
首先參看圖3，它顯示供船用發(fā)動機(jī)曲軸上使用的曲柄銷軸承1。曲柄銷軸承1包括軸承盒2和套在軸承盒上的滑動軸承3。軸承盒2包括曲柄桿4，裝在曲柄桿上的上盒5和裝在上盒下部的下盒6。滑動軸承3包括彼此上下對放的兩個半圓柱形滑動軸承7。一個半圓柱形軸承7如圖2所示，每個軸承7此處以后稱為“半軸承”。圖1表明每個半軸承7包括鋼板制的金屬基體8，含有鋁軸承合金的并附著于金屬基體上的合金層9，和在合金層表面(軸承面)涂覆著的保護(hù)層10。保護(hù)層10是使用適當(dāng)?shù)耐扛卜椒?，例如噴霧、輥涂或涂刷等方法進(jìn)行涂覆的。
保護(hù)層10包括固體潤滑劑和由熱塑性樹脂與熱固性樹脂組成的粘合劑。保護(hù)層10的厚度范圍在5至40μm，優(yōu)選在10至30μm。保護(hù)層10的固體潤滑劑包括聚四氟乙烯(PTFE)，二硫化鉬(MOS2)，二硫化鎢(WS2)，或石墨(GR)。溶于極性溶劑如二甲基乙酰胺(DMAC)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)的聚醚砜(PES)用作為熱塑性樹脂。溶在極性溶劑中的聚酰胺酰亞胺(PAI)或環(huán)氧(EP)樹脂用作為熱固性樹脂。
現(xiàn)敘述半軸承7的制作方法。首先，在構(gòu)成基體金屬8的鋼板上放置結(jié)合至鋼板的鋁合金(板)，在鋁合金上面再放置鋁軸承合金板，然后通過輥壓方法將它們壓成合金層9，由此便制得附著于鋼板上的雙金屬的合金層。用該雙金屬獲得有預(yù)先確定尺寸的小片。將該片弄彎成未涂覆的中間產(chǎn)品。隨后將該中間產(chǎn)品作預(yù)定的機(jī)加工處理，再進(jìn)一步對該中間產(chǎn)品作包括去脂和酸浸漬或酰洗的預(yù)處理。
另方面，將固體潤滑劑如PTFE，MOS2，WS2或Gr加入于極性溶劑如DMAC或NMP中。必要時，再將如TiO2等的硬粒子，如PES的熱塑性樹脂和如PAI或EP的熱固性樹脂加入于極性溶劑中。將這些物質(zhì)彼此混合并攪拌而制成分散的液體。熱塑性樹脂與熱固性樹脂在溶劑中可如同分子一樣的微小單元彼此完全混合。在這種情況下，保護(hù)層優(yōu)選的固體潤滑劑體積百分?jǐn)?shù)不超過80％。進(jìn)一步的優(yōu)選是當(dāng)熱固性樹脂體積百分?jǐn)?shù)為100％時，熱塑性樹脂的體積百分?jǐn)?shù)范圍在1％至100％。另外，如加有硬粒子，保護(hù)層中硬粒子含量宜優(yōu)選在不超過5％體積。
在120℃加熱已預(yù)處理了的中間產(chǎn)品。使用噴霧方法將上述分散的液體噴在中間產(chǎn)品合金層9的表面上。隨后將中間產(chǎn)品加熱至180℃，令分散的液體干涸和中間產(chǎn)品固化。由于固化，溶劑蒸發(fā)而制得半軸承7。所得的半軸承7含有緊附于合金層9表面的保護(hù)層10。保護(hù)層10包含有含熱塑性樹脂與熱固性樹脂的粘合劑、固體潤滑劑和硬粒子。保護(hù)層10的厚度為20μm。
有本實(shí)施方案保護(hù)層10和傳統(tǒng)保護(hù)層的滑動軸承在摩擦系數(shù)測量，摩擦與磨損實(shí)驗(yàn)和卡塞實(shí)驗(yàn)方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。表3中粘合劑一列中括號內(nèi)的數(shù)字是熱固性樹脂的體積百分?jǐn)?shù)為100％時熱塑性樹脂的體積百分?jǐn)?shù)比率。使用推動試驗(yàn)機(jī)所作的摩擦與磨損實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件見表1。磨損量是推動試驗(yàn)機(jī)起動工作2小時后的測定值。表3所示的摩擦系數(shù)是實(shí)驗(yàn)完結(jié)后的測定值。使用同樣的推動試驗(yàn)機(jī)作的卡塞實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件如表2所示。每次試驗(yàn)機(jī)工作使軸承表面受壓持續(xù)半小時可使軸承表面壓力增加3MPa。軸承基體溫度達(dá)到200℃時或電流通過驅(qū)動軸的電動機(jī)測得有電流異常值時軸承所承受的額定負(fù)載為產(chǎn)生卡塞所需的額定負(fù)載。
表1摩擦與磨損實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)片尺寸φ22×φ27.2mm表面壓力 5MPa轉(zhuǎn)速 4rpm圓周速率 0.005m/sec潤滑作用 無潤滑劑時間 2hrs溫度 常溫轉(zhuǎn)軸材料 S55C粗糙度1.0Rmaxμm180至220Hv10kg
表2卡塞實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)片尺寸φ22×φ27.2mm表面壓力 每次累加3MPa轉(zhuǎn)速 1500rpm圓周速率 2m/sec潤滑作用 SAE#30時間 每次表面受壓0.5hr溫度 60℃轉(zhuǎn)軸材料 S55C粗糙度1.0Rmaxμm500至700Hv10kg表3
括號內(nèi)的數(shù)字是熱固性樹脂的體積百分?jǐn)?shù)為100％時，熱塑性樹脂的體積百分?jǐn)?shù)比率。
從表3看到本實(shí)施方案產(chǎn)品的摩擦系數(shù)，耐磨性和防卡塞特性皆優(yōu)越于對比產(chǎn)品。對比產(chǎn)品2，4，5，7中每種都有40％體積百分?jǐn)?shù)的樹脂作為粘合劑，該值同于本實(shí)施方案產(chǎn)品9，10中每種的樹脂體積百分?jǐn)?shù)值。然而，對比產(chǎn)品2，4和7中每種僅含40％體積百分?jǐn)?shù)的熱固性樹脂和對比產(chǎn)品5僅含40％的熱塑性樹脂。另方面，本實(shí)施方案產(chǎn)品9，10中每種含有20％體積百分?jǐn)?shù)熱固性樹脂和20％體積百分?jǐn)?shù)的熱塑性樹脂，總量是40％體積百分?jǐn)?shù)的樹脂。
對比產(chǎn)品2，4，5和7的磨損量范圍為16至18μm，而本實(shí)施方案產(chǎn)品9和10的磨損量范圍為10至14μm。另外，對比產(chǎn)品2，4，5和7的卡塞負(fù)載值為9至15MPa，而本實(shí)施方案產(chǎn)品9和10的卡塞負(fù)載值為18至21MPa。因此，本實(shí)施方案產(chǎn)品優(yōu)越于對比產(chǎn)品。
再進(jìn)一步，如對比產(chǎn)品1和本實(shí)施方案產(chǎn)品8彼此作比較，兩種產(chǎn)品都是含有80％體積百分?jǐn)?shù)的樹脂。不過，對比產(chǎn)品1僅含80％體積的熱固性樹脂，而本實(shí)施方案產(chǎn)品8則是含60％體積的熱固性樹脂和20％體積的熱塑性樹脂。盡管本實(shí)施方案產(chǎn)品8和對比產(chǎn)品1有同樣的耐磨性，但在防滑動卡塞特性方面卻是前者優(yōu)越于后者。
兩類產(chǎn)品以所含有的樹脂作為粘合劑。對比產(chǎn)品3有90％體積百分?jǐn)?shù)的固體潤滑劑。相應(yīng)地，對比產(chǎn)品3含有的粘合劑體積百分?jǐn)?shù)只有10％。因此粘合劑對固體潤滑劑的粘合性是不良的，對比產(chǎn)品3將沒有足夠的強(qiáng)度，它的磨損量超過了20μm。而另一方面，本實(shí)施方案產(chǎn)品8至11每種所含的固體潤滑劑體積百分?jǐn)?shù)都不超過80％。由于固體潤滑劑的粘合是借助于粘合劑而形成的，因此這些產(chǎn)品的磨損量小。
此外，在本實(shí)施方案產(chǎn)品8至11中，當(dāng)熱固性樹脂(PAI或EP)的體積百分?jǐn)?shù)100％時，熱塑性樹脂(PES)的體積百分?jǐn)?shù)有2.6％至100％。由此得的本實(shí)施方案產(chǎn)品8至11的每個產(chǎn)品都有良好的耐磨性和防卡塞的特性。因而當(dāng)熱固性樹脂的體積百分?jǐn)?shù)為100％而熱塑性樹脂的體積百分?jǐn)?shù)有1％至100％時，可得到在耐磨性與防卡塞特性方面符合要求的產(chǎn)品。
比較對比產(chǎn)品2和6表明加入硬粒子可提高耐磨性和防卡塞特性。進(jìn)一步，比較對比產(chǎn)品6和本實(shí)施方案產(chǎn)品11則表明當(dāng)加入硬粒子和在粘合劑中同時含有熱固性與熱塑性的兩種樹脂時，產(chǎn)品的耐磨性與防卡塞特性還將進(jìn)一步提高。
固體潤滑劑不限于PTFE，MoS2，WS2或Gr。熱塑性樹脂不限于PES。熱固性樹脂不限于PAI或EP。粘合劑可包括聚酯樹脂或乙烯基樹脂。在前面所述的實(shí)施方案中盡管使用了TiO2作為硬粒子，但它也可被Al2O3，BN或SiO2取代。在前述的實(shí)施方案中是將本發(fā)明應(yīng)用于船用發(fā)動機(jī)，但本發(fā)明也可應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)或其他的發(fā)動機(jī)。
前面的敘述與附圖僅是對本發(fā)明要點(diǎn)的說明，它不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。本發(fā)明的各種變更和變種對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是容易明了的。從所附的權(quán)利要求書可充分地看到本發(fā)明范圍內(nèi)的各種變更和變化。
權(quán)利要求
1.一種包含有包覆軸承合金層表面的保護(hù)層(10)的多層滑動軸承材料，其特點(diǎn)是保護(hù)層(10)包括有固體潤滑劑和粘合劑，粘合劑包含可溶于極性溶劑的熱塑性樹脂與熱固性樹脂。
2.權(quán)利要求1的多層滑動軸承材料，其特點(diǎn)是熱固性樹脂的體積百分?jǐn)?shù)為100％時，熱塑性樹脂的體積百分?jǐn)?shù)從1％至100％。
3.權(quán)利要求1的多層滑動軸承材料，其特點(diǎn)是保護(hù)層中固體潤滑劑的體積百分?jǐn)?shù)不高于80％。
4.權(quán)利要求2的多層滑動軸承材料，其特點(diǎn)是保護(hù)層中固體潤滑劑的體積百分?jǐn)?shù)不高于80％。
5.權(quán)利要求1的多層滑動軸承材料，其特點(diǎn)是保護(hù)層中含有的硬粒子的體積百分?jǐn)?shù)不多于5％。
6.權(quán)利要求2的多層滑動軸承材料，其特點(diǎn)是保護(hù)層中含有的硬粒子體積百分?jǐn)?shù)不多于5％。
7.權(quán)利要求3的多層滑動軸承材料，其特點(diǎn)是保護(hù)層中含有的硬粒子體積百分?jǐn)?shù)不多于5％。
8.權(quán)利要求4的多層滑動軸承材料，其特點(diǎn)是保護(hù)層中含有硬粒子體積百分?jǐn)?shù)不多于5％。
全文摘要
一種多層的滑動軸承材料,它包含有覆蓋軸承合金層表面的保護(hù)層(10)。保護(hù)層(10)包括有固體潤滑劑和粘合劑,粘合劑含可溶于極性溶劑的熱塑性樹脂與熱固性樹脂。當(dāng)熱塑性樹脂與熱固性樹脂溶解于溶劑中時,它們是如同分子一樣的微小單元而彼此完全混合的。由此而得的粘合劑具有熱塑性樹脂與熱固性樹脂的中間特性。
文檔編號F16C33/10GK1327131SQ01119379
公開日2001年12月19日 申請日期2001年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月1日
發(fā)明者力示京子, 田中拓也, 平松伸隆, 柴山隆之 申請人:大同軸瓦工業(yè)株式會社