一种POK三层复合自润滑材料及其制备工艺
技术领域
本发明涉及滑动轴承领域，具体是一种POK三层复合自润滑材料及其制备工艺。
背景技术
新型自润滑复合材料是随着近代科学技术发展而产生的一门新材料学科，由于它在特殊环境下具有优异的性能,因而发展迅速,应用广泛。自润滑材料一般分为金属基自润滑材料、非金属基自润滑材料和陶瓷自润滑材料。其制备方法通常为粉末冶金法和铸造法;此外,等离子喷涂、表面技术也被应用于自润滑复合材料的制备。
其中金属基自润滑复合材料是以具有较高强度的合金作为基体,以固体润滑剂作为分散相,通过一定工艺制备而成的具有一定强度的复合材料。目前已开发的金属基自润滑复合材料,如在铁基、镍基高温合金中添加适量的硫或硒及银基和铜基自润滑材料,都已得到一定程度的应用。
其中三层复合自润滑材料通常是包括以改性PTFE、改性PA66、改性POM等为高分子材料层的自润滑材料，仍普遍存在韧性差、耐磨性差等问题，这主要是由高分子材料基材所决定的性能，通过改性其性能的改善比较有限。
表面经铺设高分子材料的板材需进行烧结，一般采用网带烧结炉，并热轧成型。一般烧结后的材料高分子层与球粉板的温度基本相同，在轧制过程中可能存在金属基板温度与高分子层温度不匹配的现象，导致轧制成型后的产品性能受到较大影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种POK三层复合自润滑材料及其制备工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种POK三层复合自润滑材料，包括金属基板层、球形铜粉层及POK材料层;所述金属基板层上通过粉末冶金的方法烧结一层球形铜粉层，再在上面复合一层POK材料层;
所述金属基板层为铁基、铁铜烧结基、铜基中的一种或者其他适用于本发明且现有的材料;
所述球形铜粉层为球形锡青铜粉;
所述POK材料层为POK塑料。
进一步的，所述POK材料层为POK塑料为基体的改性材料，当POK材料为以POK塑料为基体的改性材料时，其中的改性添加剂可以是聚苯酯、玻璃纤维、碳纤维、芳纶等填充物，也可以是二硫化钼、石墨等无机固体自润滑材料，还可以是抗冲击改性剂、抗氧剂、润滑剂、增韧剂、成核剂以及热稳定剂等一系列改性助剂;
进一步的，所述当POK材料为以POK塑料为基体的改性材料时;
改性配方：POK：60-100%;
PTFE：0-20%，PTFE抗酸抗碱，抗各种溶剂，且耐高温，摩擦系数极低，主要改善材料的减摩性，降低摩擦因素，提高材料的使用温度，PTFE的加入可以使POK在自润滑材料的应用过程中发生本质区别，在耐磨的基础上减磨，并提高其正常工作的温度范围;
碳纤维：0-20%，碳纤维主要改善材料的耐磨性，降低产品的磨损量，碳纤维的加入可使POK自润滑材料使用在更多更恶劣的环境中;
抗氧剂：0-5%，抗氧剂主要降低材料的氧化分解机率，保证材料性能的稳定;
硅油：0-5%，硅油主要用于改善材料的减摩性，降低摩擦因素，黏温性能是液体润滑剂中最好的，适当的添加可使POK自润滑材料使用在更高载的领域中。
石墨：0-5%，固体润滑剂，作用同硅油。
MoS2：0-5%，固体润滑剂，作用同硅油。
增韧剂，0-3%，增加材料的韧性。
进一步的，所述添加剂可以是PTFE、碳纤维、抗氧剂、硅油、石墨、MoS2和增韧剂其中一种或多种的组合。
POK塑料为基体的改性材料的制备方法为：将原料在塑料混料机中混合，再将混好的料在双螺杆挤出机中共混造粒，制得用于三层复合材料的POK塑料为基体的改性材料。
金属基板层一般为0.5-25mm，球粉层一般为0.1-1mm，POK材料层为0.05-2mm。
一种POK三层复合自润滑材料的制备工艺，具体包括以下步骤：
S1、在金属基板上铺上0.1-1mm厚度的球形青铜粉，放入网带烧结炉中烧结成球粉板，烧结温度：800-950℃，时间0.5-1.5h，氢氮混合气氛保护(氢气含量20-40%)，流量10-30m3/h。
S2、在步骤S1烧结获得的球粉板上，铺设一层改性POK的塑料粒子，并平铺错位放入网带烧结炉;
网带烧结炉上层加热温度200-350℃，下层加热温度150-350℃，烧结时间10-20min，氮气氛保护(氮气流量0-50m3/h)。
S3、步骤S2获得的板材出炉口时塑料呈软化状态，取出后立即送入轧机轧制，获取毛坯板，将毛坯板平铺错位再次放入网带烧结炉二次烧结，上层加热温度200-350℃，下层加热温度150-350℃，烧结时间10-20min，、氮气氛保护(氮气流量0-50m3/h)，
S4、步骤S3获得的板材出炉口时塑料呈软化状态，取出后再次立即送入轧机轧制，获得半成品;轧机轧制的目的是使塑料嵌入球形青铜粉间隙，由此增加结合力，二次轧制的目的是保证其有足够的结合力以及板材的平整度。
进一步的，所述网带烧结炉采用上下独立加热方式，不仅需要满足产品在加热段高分子层对温度的要求，同时也需要满足出炉后、轧制前高分子层及球粉板不同的温度要求，使经轧制后产品性能保持稳定;同时工件出炉后设有2个温度检测点，分别检测钢板及高分子层温度，实现温度在线实时检测及报警。
进一步的，所述步骤S2-S4中的两道轧制可以是光板也可以带有油穴，一般是热轧。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提出的POK三层复合自润滑材料，具有优异的耐磨性、自润滑性能，在自润滑材料、滑动轴承领域属于新兴材料;与聚甲醛(POM)材料相比该材料具有比重低、耐冲击韧性更高、绿色环保等特点，POK的耐磨性是POM的14倍;通常PA66有很高的拉伸强度，但冲击强度和伸长率很低，POK在足够的拉伸强度下还具有优异的冲击强度和伸长率，因此，POK材料是一种优良的自润滑轴承面料;
2、网带烧结炉采用上下加热单独控温，且加气氛保护，可以有效的保证塑料熔融的均匀性，防止塑料在高温状态下熔融过程与空气接触造成氧化，降低了因氧化分解造成的材料性能下降。同时可以保证在轧制前金属基板温度与高分子层温度匹配，大幅度的保证了产品质量;
3、POK三层复合自润滑材料，对比塑料轴承，三层结构的复合材料承载力更强;对比市面上的现有的三层复合材料，POK在性能方面，具有优异的耐磨性，同时通过改性，可以获得更加减磨及耐磨材料;
本发明采用POK作为自润滑层，与传统三层复合自润滑材料常采用的改性PA46、PA66、POM等相比，其耐磨、耐冲击性、韧性及自润滑性能优异，具有较高的热变形温度，可长期在高温环境下使用，同时具有绿色环保、生产成本低等优势。
附图说明
图1为一种POK三层复合自润滑材料的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
请参阅图1，一种POK三层复合自润滑材料，包括金属基板层1、球形铜粉层2及POK材料层3;所述金属基板层上通过粉末冶金的方法烧结一层球形铜粉层，再在上面复合一层POK材料层3;
金属基板层为1.85mm，球粉层一般为0.30mm，POK材料层为0.35mm;
所述金属基板层1为低碳钢板，牌号为SPCC;
所述球形铜粉层2为球形锡青铜粉，牌号为QFSn8Zn3;
所述POK材料层3为POK塑料;
改性配方：POK：77.2%;
PTFE：15%;
碳纤维：5%;
抗氧剂0.5%;
硅油1.0%;
石墨0.8%，增韧剂0.5%
POK塑料为基体的改性材料的制备方法为：将原料在塑料混料机中混合，再将混好的料在双螺杆挤出机中共混造粒，制得用于三层复合材料的POK塑料为基体的改性材料
其中POK塑料是全部主链都由碳素组成的工程塑料，是高结晶性、结实的结晶结构，表现出耐冲击性、耐磨损性、耐化学性、耐燃料性、气体阻隔性能;具有以下特点，刚性与韧性的平衡：具有很高的韧性以及足够的抗张强度与弯曲模量，性能均衡;冲击强度：相比Nylon，PBT的冲击强度高230%。以及抗水解性。在湿润条件下保持较高的抗张强度和冲击强度，而且伸长率高;热变形温度：HDT是200℃，可在高温环境下长期使用;抗化学性：优越的抗化学性仅次于PPS。耐水和水汽的稳定性;阻隔性：碳氢化合物。通过无铅汽油的@93℃*15天的渗透性测试，优于铁氟龙，气体阻隔与EVOH相当;摩擦性能：耐磨性为POM的14倍，具有低噪音;生产效率：高结晶度的聚酮有助于缩短成型周期。
一种POK三层复合自润滑材料的制备工艺，具体为：在烧有球形锡青铜粉的金属基板上，铺设一层POK或改性POK的塑料粒子，放入网带烧结炉加热融化至半熔融状态，出炉后直接进入轧机，轧制后削去边缘余料，再次放入网带烧结炉二次烧结、轧制、修边，获得成品;
轧机轧制使塑料嵌入球形青铜粉间隙，由此增加结合力;两道轧制可以是光板也可以带有油穴，一般是热轧。
一种POK三层复合自润滑材料的制备工艺，具体包括以下步骤：
S1、在金属基板(低碳钢板)上铺上0.32mm厚度的球形青铜粉(成品轧制后，球粉板会被轧下0.02mm)，放入网带烧结炉中烧结成球粉板，烧结温度：920℃，时间1.0h，氢氮混合气氛保护(35%氢气)，流量25m3/h。
S2、在步骤S1烧结获得的球粉板上，铺设一层改性POK的塑料粒子，并平铺错位放入网带烧结炉;
网带烧结炉采用上下独立加热方式，不仅需要满足产品在加热段高分子层对温度的要求，同时也需要满足出炉后、轧制前高分子层及球粉板不同的温度要求，使经轧制后产品性能保持稳定;
同时工件出炉后设有2个温度检测点，分别检测钢板及高分子层温度，实现温度在线实时检测及报警。
网带烧结炉上层加热温度250℃，下层加热温度300℃，烧结时间20min，氮气气氛保护(氮气流量20m3/h)。
S3、步骤S2获得的板材出炉口时塑料呈软化状态，取出后立即送入轧机轧制，获取毛坯板，将毛坯板平铺错位再次放入网带烧结炉二次烧结，上层加热温度250℃，下层加热温度300℃，烧结时间20min，、氮气气氛保护(氮气流量20m3/h)，
S4、步骤S3获得的板材出炉口时塑料呈软化状态，取出后再次立即送入轧机轧制，获得半成品;轧机轧制的目的是使塑料嵌入球形青铜粉间隙，由此增加结合力，二次轧制的目的是保证其有足够的结合力和板材平整度，两道轧制带有油穴，。
用该方法制备的POK三层复合自润滑材料，以最大不超过30N/(mm2·s)的应力增量对试样连续加载，直到应力达到140MPa，保持10S，卸载。从试验机上取出试样，静置30min，测量变形量为0.02mm。
将试样进行端面摩擦磨损试验，在3.5MPa压力下，速度为0.4m/s，试验3h后，POK材料摩擦系数0.032，磨损量为0.004mm。
由以上试验结果可知，一种POK三层复合自润滑材料的制备工艺具有可行性，且该材料润滑性、耐磨性能优异。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。
