阅读说明：本技术 一种三层复合自润滑材料及其制备方法 (Three-layer composite self-lubricating material and preparation method thereof ) 是由 路凯丰 章然 张玉立 刘岳 黄后勇 张广华 于 2019-11-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种三层复合自润滑材料及其制备方法,属于自润滑材料领域。三层复合自润滑材料包括金属基体层、烧结于金属基体层一面的球状多孔铜粉层和嵌入并覆盖球状多孔铜粉层的自润滑减摩耐磨层,自润滑减摩耐磨层包括芳纶、酚醛树脂、铁红、二硫化钼、聚酰胺酰亚胺,其余为聚四氟乙烯。本发明在自润滑减摩耐磨层中加入了具有较低摩擦系数和优异耐磨性能的芳纶、聚酰胺酰亚胺、二硫化钼、酚醛树脂和铁红等添加物,使其不仅具有低的摩擦系数和优异的耐磨性能,同时使制成的自润滑三层复合材料在干摩擦、油润滑和脂润滑条件下都有较好的耐摩擦磨损性能,尤其是在油润滑与干摩擦交替的工况条件下,进一步扩大了自润滑三层复合材料的应用范围。(The invention discloses a three-layer composite self-lubricating material and a preparation method thereof, belonging to the field of self-lubricating materials. The three-layer composite self-lubricating material comprises a metal base body layer, a spherical porous copper powder layer sintered on one surface of the metal base body layer and a self-lubricating antifriction wear-resistant layer embedded into and covering the spherical porous copper powder layer, wherein the self-lubricating antifriction wear-resistant layer comprises aramid fibers, phenolic resin, iron oxide red, molybdenum disulfide, polyamide imide, and the balance of polytetrafluoroethylene. The invention adds the additives of aramid fiber, polyamide-imide, molybdenum disulfide, phenolic resin, iron oxide red and the like with lower friction coefficient and excellent wear resistance into the self-lubricating antifriction wear-resistant layer, so that the self-lubricating antifriction wear-resistant layer has low friction coefficient and excellent wear resistance, and simultaneously the prepared self-lubricating three-layer composite material has better friction and wear resistance under the conditions of dry friction, oil lubrication and grease lubrication, and particularly under the condition of alternate working conditions of oil lubrication and dry friction, the application range of the self-lubricating three-layer composite material is further expanded.)

一种三层复合自润滑材料及其制备方法

技术领域

本发明属于自润滑材料领域，具体涉及一种三层复合自润滑材料及其制备方法。

背景技术

无油润滑滑动元件中的三层复合材料是1958年前后由英国格拉西亚公司首先开始发展的。这种材料是由厚度约0.2-10mm厚的钢板上烧结上一层或多层多孔青铜粉，厚度约为0.04mm-0.25mm，作为中间层。然后在表面再粘接上一层浸透到中间层的聚合物衬层。多孔青铜中间层使聚合物的强度与导热性提高，二表面的聚合物衬层则具有摩擦-速度性能好，不易产生咬伤、爬行等优点。随着三层复合材料的发展，对三层复合材料的工况要求更严格。

通常使用三层复合自润滑材料制作的滑动元件多用于干摩擦工况，而对于预涂润滑脂或滴加润滑油的工况条件，效果往往很不理想。且滑动元件在使用过程中经常需要添加润滑脂或润滑油，给使用过程造成了不便。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种三层复合自润滑材料及其制备方法，本发明制备的三层复合自润滑材料在干摩擦、油润滑条件下都有很好的耐摩擦磨损性能，尤其是在干摩擦、油润滑交替的的工况条件下，具有优异的耐摩擦磨损特性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种三层复合自润滑材料，包括金属基体层、烧结于金属基体层一面的球状多孔铜粉层和嵌入并覆盖球状多孔铜粉层的自润滑减摩耐磨层，所述自润滑减摩耐磨层由以下组分按重量百分比组成：芳纶3-15％、酚醛树脂2-10％、铁红0-8％、二硫化钼1-10％、聚酰胺酰亚胺3-15％，其余为聚四氟乙烯；

进一步方案，所述金属基体层的厚度为0.15-10mm，所述球状多孔铜粉层的厚度为0.04-0.5，所述自润滑减摩耐磨层的厚度为0.01-0.2mm。

进一步方案，所述球状多孔铜粉层中的铜粉为锡青铜，其化学成分按重量百分比为：5～11％的锡、0～4％的锌，其余为铜。

进一步方案，所述锡青铜的粒径为100-200目，优选为120-160目。

进一步方案，所述金属基体层的材质为优质碳素结构钢。

进一步方案，所述芳纶为粒径≤160um的粉状颗粒物。

进一步方案，所述聚酰胺酰亚胺为聚酰胺酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺分散液中的至少一种；聚酰胺酰亚胺树脂或聚酰胺酰亚胺分散液的固含量为30±2％。

本发明的第二个目的是提供上述所述的三层复合自润滑材料的制备方法，包括如下步骤：

A.金属基体层上烧结球状多孔铜粉层，制备双金属球粉板；

B.配置自润滑减摩耐磨层泥料：

(1)混粉：按百分比将芳纶，酚醛树脂，铁红，二硫化钼放入粉体搅拌机中在200-600r/min的转速下搅拌三次，每次5-200s，得到均匀混合的粉体混合物；

(2)混液：按百分比将聚四氟乙烯乳液和聚酰胺酰亚胺分散液或聚酰胺酰亚胺树脂加入液体搅拌器中在50-500r/min的转速下搅拌30-400s，得到均匀混合的液体混合物；

(3)混料：将步骤(1)中的粉体混合物置于步骤(2)的液体混合物中在液体搅拌器中以100-500r/min的转速下搅拌5-30min得到混合料；

(4)破乳，在步骤(3)的混合料中加入酒精并以100-400r/min的转速下搅拌破乳，制备得到泥料；

C.复合：将泥料通过轧机铺轧在双金属球粉板的球状多孔铜粉层上，厚度为0.01-0.2mm；

D.烘干：在180-220℃下烘干15-60分钟；

E.粗轧：将烘干后的板材再轧一次，厚度扎下量为0.02-0.1mm；

F.烧结：有氮气保护的烧结炉中烧结，烧结温度：360-390℃，烧结时间10-60min，氮气纯度99.9％以上；

G.精轧：将烧结完成的板材完成精轧，下轧尺寸0.02-0.04mm范围；

H.校平：轧制后的板材经校平机校平。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明三层复合自润滑材料中自润滑减摩耐磨层中因添加了芳纶、酚醛树脂、铁红、二硫化钼、聚酰胺酰亚胺而具有更好的减摩耐磨的特性，其中，芳纶相对于常用的玻纤材料的优势是具有较好的韧性，玻纤材料刚性相对较大，容易对工件造成损伤，破坏自润滑材料在工件表面形成的自润滑膜；酚醛树脂对金属和非金属之间的粘附性强，能有效提高自润滑层减摩耐磨层与铜粉层的结合强度，且酚醛树脂固化后具有多孔蓬松状的结构，能容纳减摩耐磨材料，在摩擦磨损的过程中，不断地释放减摩材料，进而提高材料的减摩耐磨性；铁红能够起到减摩效果，；二硫化钼具有低温时减摩，高温时增摩，烧失量小，在摩擦材料中易挥发的特性，二硫化钼的加入可提高PTFE的刚性、硬度和耐蠕变性；聚酰胺酰亚胺具有较高的拉伸强度，且具有较优异的耐磨性能和粘接性能；本发明制备的复合材料能适应齿轮泵用卷制轴套、油缸用卷制轴套等环境，适用于高、中负载、低转速等场合。

(2)本发明使用的制造原料中均不含铅，符合国家无铅化的趋势，避免了铅对环境的污染及对人体健康的危害，同时也扩大了自润滑三层复合材料的应用领域，如食品、制药、水工、饮料、医用机械等要求材料低毒性的领域。聚四氟乙烯中加入了具有较低摩擦系数和优异耐磨性能的芳纶、聚酰胺酰亚胺、二硫化钼、酚醛树脂和铁红等添加物，使改性的聚四氟乙烯不仅具有低的摩擦系数和优异的耐磨性能，同时使制成的自润滑三层复合材料在干摩擦、油润滑和脂润滑条件下都有较好的耐摩擦磨损性能，尤其是在油润滑与干摩擦交替的工况条件下，进一步扩大了自润滑三层复合材料的应用范围。

附图说明

图1为本发明制备的三层复合自润滑材料的结构示意图；

图中：1-金属基体层，2-球状多孔铜粉层，3-自润滑减摩耐磨层。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种三层复合自润滑材料，包括金属基体层1、烧结于金属基体层1一面的球状多孔铜粉层2和嵌入并覆盖球状多孔铜粉层3的自润滑减摩耐磨层，所述自润滑减摩耐磨层3由以下组分按重量百分比组成：芳纶3-15％、酚醛树脂2-10％、铁红0-8％、二硫化钼1-10％、聚酰胺酰亚胺3-15％，其余为聚四氟乙烯。

实施例1

一种高速重载的自润滑垫片，使用本发明所述的三层复合自润滑材料，其结构是圆环片状。其中，自润滑减摩耐磨层中各组分按重量百分比组成为：8％的芳纶，3％的酚醛树脂，4％的二硫化钼，4％聚酰胺酰亚胺，3％的铁红，78％聚四氟乙烯。

聚酰胺酰亚胺选用含量30±2％的聚酰胺酰亚胺分散液，聚四氟乙烯选用固含量为60±2％的聚四氟乙烯乳液。

多孔铜粉层2的铜粉为锡青铜，选用化学成分重量百分比为：8％的锡、3％的锌，其余为铜，铜粉粒径为140-160目。

金属基体层1为优质碳素结构钢板，优质碳素结构钢板表面经过镀铜处理。

所述三层复合自润滑材料的制造方法，包括以下步骤：

A.1.0mm厚度的金属基体层上烧结0.3mm厚度的球状多孔铜粉层，制备双金属球粉板；

B.配置自润滑减摩耐磨层泥料：

(1)混粉：按配比将芳纶，酚醛树脂，二硫化钼，铁红，加入粉体搅拌器中在200r/min的转速下搅拌三次，每次5s，得到均匀混合的粉体混合物；

(2)混液：将聚四氟乙烯乳液和聚酰胺酰亚胺分散液加入液体搅拌器中，在50r/min的转速下搅拌30s，得到均匀混合的液体混合物；

(3)混料：将步骤(1)中的粉体混合物置于步骤(2)的液体混合物中在液体搅拌器中以100r/min的转速下搅拌5min得到混合料；

(4)破乳，在步骤(3)的混合料中加入酒精，搅拌破乳，制备得到泥料；

C.复合：将泥料通过轧机铺轧在双金属球粉板的球状多孔铜粉层上，厚度为0.06mm；

D.烘干：在220℃下烘干15分钟；

E.粗轧：将烘干后的板材再轧一次，厚度扎下量为0.02mm；

F.烧结：有氮气保护的烧结炉中烧结，烧结温度：385℃，烧结时间40min，氮气纯度99.9％以上；

G.精轧：将烧结完成的板材完成精轧，下轧尺寸0.03mm范围；

H.校平：轧制后的板材经校平机校平。

I落料：按照垫片大小落料。

实施例2

一种高速重载的自润滑垫片，使用本发明所述的三层复合自润滑材料，其结构是圆环片状。其中，自润滑减摩耐磨层中各组分按重量百分比组成为：7％的芳纶，5％的酚醛树脂，3％的二硫化钼，3％聚酰胺酰亚胺，82％聚四氟乙烯。

聚酰胺酰亚胺选用含量30±2％的聚酰胺酰亚胺分散液，聚四氟乙烯选用固含量为60±2％的聚四氟乙烯乳液。

多孔铜粉层2的铜粉为锡青铜，选用化学成分重量百分比为：8％的锡、3％的锌，其余为铜，铜粉粒径为120-140目。

金属基体层1为优质碳素结构钢板，优质碳素结构钢板表面经过镀铜处理。

所述三层复合自润滑材料的制造方法，包括以下步骤：

A.2.5mm厚度的金属基体层上烧结0.3mm厚度的球状多孔铜粉层，制备双金属球粉板；

B.配置自润滑减摩耐磨层泥料：

(1)混粉：按配比将芳纶，酚醛树脂，二硫化钼加入粉体搅拌器中在600r/min的转速下搅拌三次，每次200s，得到均匀混合的粉体混合物；

(2)混液：将聚四氟乙烯乳液和聚酰胺酰亚胺分散液加入液体搅拌器中，在500r/min的转速下搅拌400s，得到均匀混合的液体混合物；

(3)混料：将步骤(1)中的粉体混合物置于步骤(2)的液体混合物中在液体搅拌器中以500r/min的转速下搅拌30min得到混合料；

(4)破乳，在步骤(3)的混合料中加入酒精，搅拌破乳，制备得到泥料；

C.复合：将泥料通过轧机铺轧在双金属球粉板的球状多孔铜粉层上，厚度为0.03mm；

D.烘干：在220℃下烘干15分钟；

E.粗轧：将烘干后的板材再轧一次，厚度扎下量为0.04mm；

F.烧结：有氮气保护的烧结炉中烧结，烧结温度：365℃，烧结时间60min，氮气纯度99.9％以上；

G.精轧：将烧结完成的板材完成精轧，下轧尺寸0.03mm范围；

H.校平：轧制后的板材经校平机校平。

I落料：按照垫片大小落料。

实施例3

本实施例中自润滑减摩耐磨层中各组分按重量百分比组成为：3％的芳纶，10％的酚醛树脂，6％的二硫化钼，15％聚酰胺酰亚胺，1％的铁红，65％聚四氟乙烯；

聚酰胺酰亚胺选用含量30±2％的聚酰胺酰亚胺分散液，聚四氟乙烯选用固含量为60±2％的聚四氟乙烯乳液。

多孔铜粉层2的铜粉为锡青铜，选用化学成分重量百分比为：8％的锡、3％的锌，其余为铜，铜粉粒径为120-140目。

金属基体层1为优质碳素结构钢板，优质碳素结构钢板表面经过镀铜处理。

所述三层复合自润滑材料的制造方法，包括以下步骤：

A.0.2mm厚度的金属基体层上烧结0.04mm厚度的球状多孔铜粉层，制备双金属球粉板；

B.配置自润滑减摩耐磨层泥料：

(1)混粉：按配比将芳纶，酚醛树脂，二硫化钼加入粉体搅拌器中在600r/min的转速下搅拌三次，每次200s，得到均匀混合的粉体混合物；

(2)混液：将聚四氟乙烯乳液和聚酰胺酰亚胺分散液加入液体搅拌器中，在500r/min的转速下搅拌400s，得到均匀混合的液体混合物；

(3)混料：将步骤(1)中的粉体混合物置于步骤(2)的液体混合物中在液体搅拌器中以500r/min的转速下搅拌30min得到混合料；

(4)破乳，在步骤(3)的混合料中加入酒精，搅拌破乳，制备得到泥料；

C.复合：将泥料通过轧机铺轧在双金属球粉板的球状多孔铜粉层上，厚度为0.1mm；

D.烘干：在220℃下烘干15分钟；

E.粗轧：将烘干后的板材再轧一次，厚度扎下量为0.08mm；

F.烧结：有氮气保护的烧结炉中烧结，烧结温度：365℃，烧结时间60min，氮气纯度99.9％以上；

G.精轧：将烧结完成的板材完成精轧，下轧尺寸0.03mm范围；

H.校平：轧制后的板材经校平机校平。

I落料：按照垫片大小落料。

实施例4

本实施例中自润滑减摩耐磨层中各组分按重量百分比组成为：15％的芳纶，2％的酚醛树脂，8％的二硫化钼，7％聚酰胺酰亚胺，7％的铁红，61％聚四氟乙烯；聚酰胺酰亚胺选用含量30±2％的聚酰胺酰亚胺分散液，聚四氟乙烯选用固含量为60±2％的聚四氟乙烯乳液。

多孔铜粉层2的铜粉为锡青铜，选用化学成分重量百分比为：8％的锡、3％的锌，其余为铜，铜粉粒径为120-140目。

金属基体层1为优质碳素结构钢板，优质碳素结构钢板表面经过镀铜处理。

所述三层复合自润滑材料的制造方法，包括以下步骤：

A.10mm厚度的金属基体层上烧结0.5mm厚度的球状多孔铜粉层，制备双金属球粉板；

B.配置自润滑减摩耐磨层泥料：

(1)混粉：按配比将芳纶，酚醛树脂，二硫化钼加入粉体搅拌器中在600r/min的转速下搅拌三次，每次200s，得到均匀混合的粉体混合物；

(2)混液：将聚四氟乙烯乳液和聚酰胺酰亚胺分散液加入液体搅拌器中，在500r/min的转速下搅拌400s，得到均匀混合的液体混合物；

(3)混料：将步骤(1)中的粉体混合物置于步骤(2)的液体混合物中在液体搅拌器中以500r/min的转速下搅拌30min得到混合料；

(4)破乳，在步骤(3)的混合料中加入酒精，搅拌破乳，制备得到泥料；

C.复合：将泥料通过轧机铺轧在双金属球粉板的球状多孔铜粉层上，厚度为0.2mm；

D.烘干：在220℃下烘干15分钟；

E.粗轧：将烘干后的板材再轧一次，厚度扎下量为0.1mm；

F.烧结：有氮气保护的烧结炉中烧结，烧结温度：365℃，烧结时间60min，氮气纯度99.9％以上；

G.精轧：将烧结完成的板材完成精轧，下轧尺寸0.04mm范围；

H.校平：轧制后的板材经校平机校平。

I落料：按照垫片大小落料。

实施例1制备得到的材料命名为D与现有市场上购买的三层复合板材A、B、C进行对比，摩擦磨损实验依据GB7948-87塑料轴承极限PV实验方法，摩擦磨损实验仪器为：BL-40PV实验机，实验结果如下：

当实验条件是油润滑时，试验速度为2.5m/s，逐级加载，结果如表1所示：

表1 实验条件为油润滑时测试结果

型号	极限PV值	最终温度(℃)	破坏状况	平均摩擦系数
					A	40	180℃	严重露铜	0.028
B	50	180℃	严重露铜	0.023
					C	70	180℃	严重露铜	0.018
D	100	180℃	轻微露铜	0.010

当实验条件是干摩擦和油润滑交替时，试验速度为0.6m/s，逐级加载，结果如表2所示：

表2 实验条件为干摩擦和油润滑交替时测试结果

型号	极限PV值	最终温度(℃)	破坏状况	平均摩擦系数
					A	21.6	180℃	严重露铜	0.22
B	16.8	180℃	严重露铜	0.020
					C	19.2	180℃	轻微露铜	0.019
D	26.4	180℃	轻微漏铜	0.013

当实验条件是干摩擦时，试验速度为0.6m/s，逐级加载，结果如表3所示：

表2 实验条件为干摩擦时测试结果

型号	极限PV值	最终温度(℃)	破坏状况	平均摩擦系数
					A	3.4	180℃	严重露铜	0.22
B	3.7	180℃	严重露铜	0.020
					C	4.2	180℃	轻微露铜	0.019
D	7.8	180℃	轻微漏铜	0.013

由上表可知，在相同的试验条件下，本部分的自润滑三层复合材料在干摩擦、油润滑、干摩擦和油润滑交替的工况条件下均有优异的摩擦磨损性能。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。