專利名稱：金屬塑料復(fù)合自潤滑材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供了 一種金屬塑料復(fù)合自潤滑材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，隨著航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)、機械工業(yè)、食品和制藥機械以及各種傳動件的 發(fā)展，對各類軸套、滑板、滑道及摩擦部件的要求越來越高。在機械運行中，經(jīng)常采用的 降低摩擦系數(shù)和延長設(shè)備使用壽命的方法有以下幾種
1、 在金屬瓦與軸的接觸面上涂一層潤滑油作潤滑劑的方法達(dá)到降低摩擦系數(shù)和延長 設(shè)備的使用壽命的目的。但設(shè)備在高溫高壓條件下，在有腐蝕性氣體和液體的條件下，在 醫(yī)藥、食品、紡織、印染等忌用潤滑油的設(shè)備上，金屬瓦的使用受到限制，存在磨損快和 使用時間短等不足之處。
2、 采用金屬材料作為底材并在金屬底材上嵌入固體潤滑劑膏體復(fù)合制成自潤滑性軸 瓦，雖然其具有結(jié)構(gòu)緊湊、結(jié)合牢固、耐高溫性、抗極壓性和延長摩擦副壽命的優(yōu)點，但 缺陷是制造復(fù)雜、摩擦系數(shù)不穩(wěn)定、抗腐蝕性差且裸露的金屬層容易劃傷對摩面。
3、 采用塑料和燒結(jié)銅粉自潤滑耐磨復(fù)合材料制成軸瓦，雖然其具有高機械強度、耐 熱性和自潤滑性等優(yōu)點，但金屬與塑料的結(jié)合性差，塑料的蠕變特性會導(dǎo)致金屬與塑料間 的結(jié)合容易剝離，影響了其實際的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種金屬與塑料結(jié)合牢固、 結(jié)構(gòu)緊湊、機械強度高、摩擦系數(shù)低且耐磨性能好的金屬塑料復(fù)合自潤滑材料。
本發(fā)明的第二個目的是提供了一種耐高溫、抗各種化學(xué)腐蝕性強、耐輻射、無污染且 能在苛刻條件下使用的具有自潤滑性的復(fù)合材料的制備方法。
本發(fā)明金屬塑料復(fù)合自潤滑材料釆用的技術(shù)方案是由金屬層、塑料結(jié)合層和塑料工 作層組成，塑料結(jié)合層通過分子的化學(xué)鍵將金屬層與塑料工作層結(jié)合在一起；塑料工作層 的一部分在金屬層的凹坑中鑲嵌；塑料工作層材料成份按質(zhì)量百分含量為聚醚醚酮 60~90%,聚四氟乙烯5~20%,石墨7%， MoS2l%，三氧化二鋁5-10%;塑料結(jié)合層材料 成份按質(zhì)量百分含量為聚醚醚酮70~卯％，聚苯硫醚5~20%，三氧化二鋁5~10%。
本發(fā)明金屬塑料復(fù)合自潤滑材料的制備方法采用的技術(shù)方案是采用如下歩驟
a)在金屬層上銑削設(shè)定直徑與深度的凹坑；b)去除金屬層表面油污和氧化物，并進(jìn)行表面磷化處理；
C)按質(zhì)量百分含量的配比，分別將塑料結(jié)合層、塑料工作層混合均勻并干燥；
d) 將步驟c)的塑料結(jié)合層混料向金屬層表面噴涂厚度在50 120um的結(jié)合層；
e) 將步驟d)中的結(jié)合件放入熱壓模具模腔內(nèi)作為嵌件，再將步驟c)中的塑料工作 層(1)混料平鋪在金屬層(3)上，平鋪的厚度為2~10mm，加壓至3 5MPa，以10~20QC/min 的速度升溫，待溫度升至300 36()0C后保持恒溫10~30分鐘，然后加壓至5 15MPa，并 升溫至350~380QC后保持恒溫10-60分鐘，最后在保壓條件下冷卻使模具溫度降到100GC 以下脫模；
f) 將脫模冷卻后的材料在200。C溫度下保溫1 2小時即可。
本發(fā)明在金屬與塑料的工作層間添加一層塑料結(jié)合層，進(jìn)一步提高了金屬與塑料的結(jié) 合強度，具有良好耐熱性和抗化學(xué)性腐蝕、對環(huán)境無污染、噪音低且節(jié)能，并在-60 25(A: 較寬的溫度范圍呈現(xiàn)低摩擦、耐磨損且不損傷對偶面。在MM-200型環(huán)塊摩擦磨損試驗機 測定時，轉(zhuǎn)速為200rpm，壓力為200N，大氣室溫下干摩擦，其承載壓力為160MPa，使 用溫度為-60 250。C，摩擦系數(shù)為0.08-0.32,磨損率為0.8~3.5X l(T6mm3/N.m。材料適用 范圍廣，與原金屬軸瓦相比可延長摩擦副使用壽命3倍或3倍以上。其原因是-
1、 本發(fā)明金屬塑料復(fù)合自潤滑材料成份中采用的聚醚醚酮結(jié)構(gòu)規(guī)整，具有高耐熱性、 高強度、高模量、高韌性和加工性好等優(yōu)異的綜合性能，還具有絕緣性、耐水解和抗輻射 等特點。聚醚醚酮在光滑對偶面上和粗糙對偶面上的磨損率很低，可以在無潤滑、低速高 載下或在液體、固體粉塵污染等惡劣環(huán)境下使用。聚醚醚酮的剛性較大，尺寸穩(wěn)定性較好， 線膨脹系數(shù)較小，接近于金屬鋁材料。在-65t的低溫下仍能保持常溫下的沖擊性能。長 期使用溫度達(dá)到25(TC，短期使用溫度可達(dá)300°C，在40(TC下短時間幾乎不分解。但聚 醚醚酮的摩擦系數(shù)為0.42，遠(yuǎn)高于聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)，故在選擇聚醚醚酮作為用于減 摩耐磨金屬塑料復(fù)合材料中塑料的基體的前提下還需對聚醚醚酮進(jìn)行配方設(shè)計，以求獲得 高強度、高模量、高斷裂韌性和高尺寸穩(wěn)定性等力學(xué)性能和耐滑動磨損、抗接觸疲勞和抗 微動磨損等摩擦學(xué)性能。
2、 本發(fā)明金屬塑料復(fù)合自潤滑材料成份中采用的聚四氟乙烯具有良好的耐高低溫性 能、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐候性好、自潤滑性和耐磨性好，有極低的摩擦系數(shù)，靜摩擦系數(shù)可 達(dá)0.04，是已知的可實用的滑動材料中摩擦系數(shù)最小的。
3、 本發(fā)明金屬塑料復(fù)合自潤滑材料成份中采用的聚苯硫醚是一種綜合性能優(yōu)異的耐 高溫樹脂粘接劑，其突出優(yōu)點為耐高溫、耐腐蝕、耐輻射、不燃、無毒、機械性能和電性能十分優(yōu)異，制品的尺寸穩(wěn)定性好。在200'C以下幾乎不受化學(xué)藥品侵蝕，熱穩(wěn)定性高。 具有對金屬的高度附著性和融流性、邊緣效應(yīng)小、涂層針孔較少。故為進(jìn)一步提高金屬與 塑料的結(jié)合強度，需要在金屬與聚苯硫醚塑料之間增加粘接層。
4、本發(fā)明金屬塑料復(fù)合自潤滑材料成份中采用石墨、二硫化鉬和三氧化二鋁添加到 塑料工作層中，使得復(fù)合材料進(jìn)一步提升其摩擦學(xué)性能，具有更好的機械性能，耐壓縮抗 蠕變，熱傳導(dǎo)性好。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式

對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 圖1為本發(fā)明的金屬塑料復(fù)合自潤滑材料的組成結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中l(wèi).塑料工作層；2.塑料結(jié)合層；3.金屬層。
具體實施例方式
如圖1所示，金屬塑料復(fù)合自潤滑材料自上而下由塑料工作層1、塑料結(jié)合層2和銑 削有設(shè)定凹坑形貌鋼板的金屬層3組成。其中，塑料工作層1材料的各成份重量百分含量 為聚醚醚酮60 90%，聚四氟乙烯5~20%，石墨+MoS2 8%，其中石墨7%: MoS2l%， 三氧化二鋁5~10%。塑料結(jié)合2層的材料的各成份質(zhì)量百分含量為聚醚醚酮70~90%， 聚苯硫醚5 20%，三氧化二鋁5~10%。底材金屬層3的材料為45#鋼、鑄鐵或鋁等金屬， 金屬層3厚度為3 50tntn。塑料結(jié)合層2通過分子的化學(xué)鍵將金屬層3與塑料工作層1結(jié) 合在一起；塑料工作層1的一部分在金屬層3的凹坑中鑲嵌。
本發(fā)明所用聚醚醚酮的粒度為50um，密度為1.32g/cm3;所述聚四氟乙烯的粒度為 10um,密度為2.18g/cm3;聚苯硫醚的粒度為40um，密度為1.17g/cm3;所述石墨的粒度為 20~40um;所述二硫化鉬的粒度為40 80urn; 所述三氧化二鋁的粒度為20~50um。
金屬塑料復(fù)合自潤滑材料具體的制備方法如下在金屬層3上銑削設(shè)定形貌按照設(shè)
定的凹坑排布，通過銑削車床在金屬上銑削設(shè)定直徑與深度的凹坑。對金屬層3表面進(jìn)行 噴涂前的前處理，去除其表面的油污和氧化物，并進(jìn)行表面的磷化處理，提升金屬層3與 塑料結(jié)合層2的結(jié)合性能。將塑料工作層1的材料的各成分按如下質(zhì)量百分含量混合并干 燥聚醚醚酮60~90%，聚四氟乙烯5~20%,石墨7%: MoS2l%，三氧化二鋁5~10%;塑 料結(jié)合層2的材料的各成份按如下質(zhì)量百分含量混合并干燥聚苯硫醚70~90%，聚醚醚 酮5~20%，三氧化二鋁5~10%。將塑料結(jié)合層2混料通過靜電噴涂機，向銑削的金屬層3 表面噴涂厚度在50~120um的結(jié)合層。將得到的金屬結(jié)合件放入熱壓模具模腔內(nèi)作為嵌件, 然后將制得的塑料工作層1混料平鋪在銑削的金屬層3的鋼背上，平鋪厚度為2 10mm，加壓至3 5MPa,然后以10~20DC/min的速度升溫，待溫度升至300~350GC,保持恒溫10~30 分鐘，然后加壓至5 15MPa，并升溫至350 3800C，再保持恒溫10~60分鐘，然后在保壓 條件下冷卻，采用自然冷卻或用冰急速冷卻的方法是模具溫度降到10(A:以下脫模。最后 將脫模冷卻后的材料在200QC溫度下保溫1~2小時即可。
以下通過3個實施例再具體說明本發(fā)明 實施例l
按如下步驟制備
(1) 按照預(yù)先設(shè)定的凹坑排布，通過銑削車床在金屬層3上銑削設(shè)定直徑與深度的
凹坑；
(2) 對金屬表面進(jìn)行噴涂前的前處理，去除其表面的油污、氧化物，并進(jìn)行表面的 磷化處理，提升金屬與塑料層的結(jié)合性能；
(3) 塑料工作層1取原料聚醚醚酮70份，聚四氟乙烯12份，石墨7份，二硫化鉬l 份，三氧化二鋁10份，混合并干燥。塑料結(jié)合層2取原料聚醚醚酮72份，聚苯硫醚18 份，三氧化二鋁10份，混合并干燥；
(4) 將上述(3)中的塑料結(jié)合層2混料，通過靜電噴涂機，向銑削的金屬層3表面 噴涂厚度在50um的結(jié)合層；
(5) 將上述(4)中的金屬結(jié)合件放入熱壓模具模腔內(nèi)作為嵌件，然后將上述(3) 中的塑料工作層1混料平鋪在銑削的金屬層3的鋼背上，平鋪厚度為2mm，加壓至3MPa， 然后以10^C/min的速度升溫，待溫度升至30()GC，恒溫30分鐘，然后加壓至8MPa，并溫 升至350GC，恒溫IO分鐘，然后在保壓條件下冷卻，采用自然冷卻方法使模具溫度降到 100QC以下脫模；
(6) 將步驟(5)脫模冷卻后的材料在200^溫度下保溫1小時即可制得。 經(jīng)上述工藝制備的復(fù)合材料使用溫度為-60 25(^C，主要摩擦磨損性能為摩擦系數(shù)為
0.10~0.18，磨損率為1.2~2.6XlO-6mmVN.m。 實施例2
按如下步驟制備
步驟(1) ~ (4)按照與實施例1相同的工藝方法；所不同的是塑料工作層1取聚 醚醚酮75份，聚四氟乙烯7份，石墨7份，二硫化鉬1份，三氧化二鋁10份；塑料結(jié)合
層2取聚醚醚酮72份，聚苯硫醚18份，三氧化二鋁10份；
(5)將上述(4)中的金屬結(jié)合件放入熱壓模具模腔內(nèi)作為嵌件，然后將上述(3)中的塑料工作層1混料平鋪在銑削的金屬層3的鋼背上，厚度為6mm，加壓至5MPa，然 后以15Gc/min的速度升溫，待溫度升至340GC,恒溫20分鐘，然后加壓至12MPa，并溫 升至370DC,恒溫30分鐘，然后在保壓條件下冷卻，釆用冰急速冷卻的方法使模具溫度 降到100QC以下脫模；
(6)將步驟(5)脫模冷卻后的材料在200GC溫度下保溫1.5小時即可制得。 經(jīng)上述工藝制備的復(fù)合材料使用摩擦系數(shù)為0.17~0.26,磨損率為1.4~2.7X 10-6mm3/N.m。 實施例3
按如下步驟制備
步驟(1) ~ (4)按照與實施例1相同的工藝方法，所不同的是塑料工作層1取聚 醚醚酮80份，聚四氟乙烯4份，石墨7份，二硫化鉬1份，三氧化二鋁8份；塑料結(jié)合
層2取聚醚醚酮80份，聚苯硫醚10份，三氧化二鋁10份；
(5) 將上述(4)中的金屬結(jié)合件放入熱壓模具模腔內(nèi)作為嵌件，然后將上述(3) 中的塑料工作層1混料平鋪在銑削的金屬層3的鋼背上，平鋪厚度為10mm，加壓至5MPa， 然后以20Gc/min的速度升溫，待溫度升至360QC，恒溫30分鐘，然后加壓至15MPa，并 溫升至38()GC，恒溫20分鐘，然后在保壓條件下冷卻，采用自然冷卻方法使模具溫度降 到lOO^C以下脫模；
(6) 將步驟(5)脫模冷卻后的材料在20()GC溫度下保溫2小時即可制得。 經(jīng)上述工藝制備的復(fù)合材料使用摩擦系數(shù)為0.23~0.32，磨損率為1.8~3.3X
10-6mm3/N.m。
權(quán)利要求
1. 一種金屬塑料復(fù)合自潤滑材料，由金屬層(3)、塑料結(jié)合層(2)和塑料工作層(1)組成，其特征是塑料結(jié)合層(2)通過分子的化學(xué)鍵將金屬層(3)與塑料工作層(1)結(jié)合在一起；塑料工作層(1)的一部分在金屬層(3)的凹坑中鑲嵌；塑料工作層(1)材料成份按質(zhì)量百分含量為聚醚醚酮60～90％，聚四氟乙烯5～20％，石墨7％，MoS21％，三氧化二鋁5～10％；塑料結(jié)合層(2)材料成份按質(zhì)量百分含量為聚醚醚酮70～90％，聚苯硫醚5～20％，三氧化二鋁5～10％。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的金屬塑料復(fù)合自潤滑材料，其特征是所述聚醚醚酮的粒度為50um，密度為1.32g/cm3;所述聚四氟乙烯的粒度為10um，密度為2.18g/cm3;所述聚 苯硫醚的粒度為40um，密度為1.17g/cm3;所述石墨的粒度為20~40um;所述二硫化鉬的 粒度為40~80um;所述三氧化二鋁的粒度為20~50um。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬塑料復(fù)合自潤滑材料，其特征是金屬層(3)為45# 鋼、鑄鐵或鋁。
4. 一種實現(xiàn)權(quán)利要求l-3任一所述的金屬塑料復(fù)合自潤滑材料的制備方法，其特征是 采用如下步驟a) 在金屬層(3)上銑削設(shè)定直徑與深度的凹坑；b) 去除金屬層(3)表面油污和氧化物，并進(jìn)行表面磷化處理；c) 按質(zhì)量百分含量的配比，分別將塑料結(jié)合層(2)、塑料工作層(1)混合均勻并干燥；d) 將步驟c)的塑料結(jié)合層(2)混料向金屬層(3)表面噴涂厚度在50~120um的結(jié) 合層；e) 將步驟d)中的結(jié)合件放入熱壓模具模腔內(nèi)作為嵌件，再將步驟c)中的塑料工作 層(1)混料平鋪在金屬層(3)上，平鋪的厚度為2~10mm，加壓至3~5MPa，以10~20QC/min 的速度升溫，待溫度升至300~360GC后保持恒溫10~30分鐘，然后加壓至5 15MPa,并 升溫至350 380QC后保持恒溫10~60分鐘，最后在保壓條件下冷卻使模具溫度降到100QC 以下脫模；f) 將脫模冷卻后的材料在200QC溫度下保溫1~2小時即可。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬塑料復(fù)合自潤滑材料及其制備方法，由金屬層、塑料結(jié)合層和塑料工作層組成，塑料結(jié)合層通過分子的化學(xué)鍵將金屬層與塑料工作層結(jié)合在一起；塑料工作層的一部分在金屬層的凹坑中鑲嵌；塑料工作層材料成份按質(zhì)量百分含量為聚醚醚酮60～90％，聚四氟乙烯5～20％，石墨7％，MoS₂ 1％，三氧化二鋁5～10％；塑料結(jié)合層材料成份按質(zhì)量百分含量為聚醚醚酮70～90％，聚苯硫醚5～20％，三氧化二鋁5～10％。本發(fā)明在金屬與塑料的工作層間添加一層塑料結(jié)合層，進(jìn)一步提高金屬與塑料的結(jié)合強度，具有良好的耐熱性和抗化學(xué)性腐蝕、對環(huán)境無污染、噪音低且節(jié)能；使用溫度為-60～250℃，摩擦系數(shù)為0.08～0.32，磨損率為0.8～3.5×10^-6mm³/N.m。
文檔編號B32B15/08GK101544080SQ2009100294
公開日2009年9月30日 申請日期2009年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日
發(fā)明者龐朝利, 陳保磊, 駱志高 申請人:江蘇大學(xué)