Подшипник, пластиковый материал подшипника и способ получения материала подшипника
Изобретение относится к подшипникам, пластиковым материалам подшипников и способам их получения. Подшипник содержит слой материала подложки, пористый слой, расположенный на слое подложки, и слой экструдированного материала подшипника, размещенный посредством пропитки в пористом слое и имеющий сплошную затвердевшую структуру, включающую сплошную политетрафторэтиленовую матрицу и раздельные частицы материала добавки, при этом слой материала подшипника имеет часть пористого слоя. Также заявлен пластиковый материал подшипника, который включает экструдированную неспеченную ленту или полосу, предназначенную для пропитки в пористом слое, расположенном на материале подложки, и включающий политетрафторэтиленовую матрицу и раздельные частицы материала добавки. Также заявлен способ получения пластикового материала подшипника, который заключается в том, что сначала получают экструдированную неспеченную ленту или полосу, содержащую политетрафторэтиленовую матрицу и раздельные частицы материала добавки, затем ленту размещают посредством пропитки в пористом слое, расположенном на материале подложки, и в конце спекают пропитанную неспеченную ленту при температуре выше температуры плавления политетрафторэтилена для образования сплошного твердого слоя материала подшипника. Технический результат: изготовление подшипника, не имеющего вздутий и обладающего улучшенной износостойкостью и повышенной устойчивостью к эрозии. 3 н. и 35 з.п. ф-лы, 1 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к подшипникам, пластиковым материалам подшипников и способам их получения.
Предшествующий уровень техники
Подшипники с пластиковым покрытием известны как однослойные, двухслойные и трехслойные композитные материалы. Однослойные подшипники являются подшипниками со сплошным пластиком. Материалы двухслойных подшипников включают подшипники с наружной металлической основой и непосредственно нанесенным или приклеенным пластиком. В состав трехслойного материала входят подшипники, включающие материал подложки, пористый слой, и слой покрытия на основе пластика, образованного в порах. Каждый из этих подшипников может быть полезен для применения в тех случаях, когда трудно или нежелательно обеспечивать наружную подачу смазки.
Что касается трехслойных материалов подшипников, большое количество различных типов материалов подшипников применяются вместе с материалом подложки, такие как сталь, имеющая пористый металлический слой. Пористый металлический слой может включать частицы бронзы или меди, спекшиеся со стальной основой. Пластиковый материал подшипника может включать базовый полимер и частицы наполнителя. Пластиковый материал подшипника может включать политетрафторэтилен (ПТФЭ) в качестве базового полимера.
Разработка сухого материала подшипника с облицовкой из ПТФЭ была начата компанией Glacier Metal Co. в 1948 г., а в 1950-е годы были получены патенты на материалы. Одним из разработанных материалов был DUTM. DU является материалом подшипника, успешно применяемым в промышленности, который сочетает в себе износоустойчивость в сухом состоянии ПТФЭ и механические свойства обычного материала подшипника.
Процесс пропитки пластикового материала подшипника в пористом металлическом слое на металлической основе включает нанесение пасты или сухого порошка на пористый металлический слой, с уплотнением пасты или сухого порошка в порах путем укатки. Паста или сухой порошок может быть приготовлен путем перемешивания водной дисперсии ПТФЭ с материалом наполнителя вместе с органическим материалом смазки (таким, как летучие органические составы «VOC») с коагуляцией дисперсии до образования так называемого «месива». После уплотнения пористого материала подшипника в пористом слое, можно нагреть материал подложки с использованием индуктивной печи для того, чтобы удалить остатки влаги и смазки из пластикового материала подшипника. Нагрев материала подложки может также привести к расплавлению или спеканию частиц ПТФЭ, находящихся в контакте с пористым слоем и/или материалом подложки. Удаление остатков влаги может привести к ограничению толщины слоя, который может быть образован над пористым слоем («покрытие») за счет вздутия, которое может иметь место при попытке нанесения слоев большей толщины. Кроме этого, испарение летучих органических составов из уплотненного пластикового материала подшипника может привести к ухудшению целостности и к образованию пор в слое покрытия. Слишком малая толщина слоя покрытия может привести к ограничению износостойкости.
Были разработаны альтернативы способа нанесения коагулированной полимерной дисперсии на пористый металлический слой, такие как создание ленты ПТФЭ для пропитки пористого металлического слоя. Несмотря на то, что ПТФЭ может классифицироваться, как термопластик, он не плавится подобно другим типовым термопластикам. При переходной температуре ПТФЭ переходит в резиноподобное состояние, которое может быть непригодным для процесса плавления.
В ряде процессов, когда лента ПТФЭ пропитывается в пористом слое, материал подложки и пористый слой могут нагреваться, при этом часть слоя покрытия может оставляться в неспеченной форме. Иными словами, ПТФЭ не может быть постоянно в затвердевшей форме, что может приводить к снижению износостойкости подшипников, выполненных с применением такого способа.
Способ получения спеченной ленты ПТФЭ заключается в прессовании и спекании цилиндрического блока полимера с использованием или без использования наполнителей, и срезании ленты с поверхности цилиндра. В качестве альтернативы, лента, полученная путем экструзии из расплава, включающая в себя, в основном, подобные части от объема сульфида полифенилена (СПФ) и ПТФЭ, может быть нанесена путем пропитки на нагретый пористый слой, расположенный на нагретом материале подложки, как указано в описании, приведенном в патенте США №5665825. Процесс экструзии расплава осуществляется при температуре, достаточно высокой для расплавления СПФ, но достаточно низкой для того, чтобы исключить спекание ПТФЭ. Этот процесс может приводить к образованию взаимопроникающих дисперсных структур СПФ и ПТФЭ. В качестве альтернативы известен способ применения конвейерной системы и системы уплотнения укаткой для получения ленточного листового материала на основе ПТФЭ. Эти формы ПТФЭ не могут применяться для пропитки укаткой при спекании пористого металла, поскольку в ряде случаев ПТФЭ может быть достаточно прочным даже при температуре выше температуры его переходного состояния, что при процессе укатки может привести к повреждению пористого металла.
В результате возникает необходимость в применении трехслойных материалов подшипников, имеющих большую толщину слоя покрытия, позволяющую увеличить срок службы подшипника за счет улучшения износостойкости и устойчивости к эрозии с сохранением низкого трения. Увеличение толщины слоя покрытия может также применяться для проведения буровых работ с использованием вкладышей с намоткой. Кроме того, существует необходимость в том, чтобы исключить применение летучих органических составов в пластиковых материалах подшипников, наносимых на пористый слой, поскольку неприменение летучих органических составов может улучшить целостность и пористость слоя покрытия.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к подшипнику, включающему материал подложки, пористый слой по вышеуказанному слою основы, и слой экструдированного материала подшипника, пропитанный в пористом слое, при котором слой материала подшипника имеет сплошную затвердевшую структуру, включающую сплошную политетрафторэтиленовую матрицу и раздельные частицы материала добавки, в котором слой материала подшипника имеет часть пористого слоя.
По другому аспекту по настоящему изобретению предусматривается пластиковый материал подшипника, включающий экструдированную неспеченную ленту или полосу, предназначенную для пропитки в пористом слое, расположенном на материале подложки, в котором экструдированная неспеченная лента включает политетрафторэтиленовую матрицу и раздельные частицы материала добавки.
По другому аспекту по настоящему изобретению предусматривается способ получения пластикового материала подшипника, предусматривающий экструдированную неспеченную ленту или полосу, включающую политетрафторэтиленовую матрицу и раздельные частицы материала добавки, пропитку экструдированной неспеченной ленты в пористом слое, расположенном на материале подложки, спекание пропитанной неспеченной ленты при температуре выше температуры плавления политетрафторэтилена для образования сплошного твердого слоя материала подшипника.
Преимущество подшипников и способа изготовления подшипников по настоящему изобретению заключается в том, что подшипники, в основном, не имеют вздутий, поскольку экструдированная неспеченная лента не может содержать жидкий смазочный материал в количестве, при котором может иметь место вздутие в условиях спекания и затвердевания ленты. Материалы, выполненные на основе обычной коагулированной дисперсии, могут вздуваться при попытке обработки поверхности с толщиной слоя более 35 микрон. Способ, применяемый по настоящему изобретению, позволяет также создавать подшипник с улучшенной износостойкостью. Способ позволяет также создавать слои покрытия с толщиной, которая позволяет проводить последующие буровые работы с использованием вкладышей с намоткой.
Подробное описание изобретения
В данном описании, если не дано иных указаний, все цифровые показатели, выражающие количественные значения ингредиентов, условий реакции и другие показатели, должны пониматься, как во всех случаях имеющих значение «приблизительно». Соответственно, если не указано иное, цифровые параметры, указанные в следующем описании, являются приблизительными величинами, которые могут изменяться в зависимости от свойств, необходимых по настоящему изобретению. В самом крайнем случае и не в качестве попытки ограничить применение теории эквивалентов в рамках формулы изобретения, каждый цифровой параметр должен толковаться, как минимум, с учетом числа указанных значащих чисел и с применением обычной техники округления.
Несмотря на то, что цифровые диапазоны и параметры, указывающие широкий объем изобретения, имеют приблизительное значение, цифровые значения, приведенные в конкретных примерах, даются как максимально возможные величины. Тем не менее, любое цифровое значение по своей природе содержит ошибки, которые возникают в результате стандартного отклонения, обнаруженного при соответствующих измерениях, проведенных в ходе испытания. Кроме того, все диапазоны, рассмотренные в настоящем патенте, должны пониматься как включающие в себя какие-либо или все подуровни, отнесенные к данной категории, и любое число в диапазоне между крайними значениями. Например, указанный диапазон «от 1 до 10», должен рассматриваться как включающий любой или все подуровни в диапазоне (включительно) от минимального значения 1 до максимального значения 10; иными словами, все подуровни, начинающиеся с минимального значения 1 или большего значения, например 6,1, и заканчивающиеся максимальным значением 10 или менее, например от 5,5 до 10, а также все уровни, начинающиеся и заканчивающиеся в пределах конечных значений, например 2-9, 3-8, 3-9, 4-7, и, наконец, до каждого числа 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 с продолжением в пределах ряда. Кроме того, любая ссылка, рассматриваемая, как «включенная в настоящий патент», должна пониматься, как полностью в него включенная.
Помимо того, также отмечается, что в соответствии с настоящим описанием форма единственного числа включает понятие множественного числа, если явно и однозначно не ограничивается понятие одним значением.
По первому аспекту настоящего изобретения создан подшипник, включающий материал подложки, пористый слой слоя подложки и слой экструдированного материала подшипника, пропитанный в пористом слое, при этом слой материала подшипника имеет сплошную затвердевшую структуру, содержащую сплошную политетрафторэтиленовую матрицу и раздельные частицы материала добавки, и слой материала подшипника имеет часть, расположенную над пористым слоем, именуемым слоем покрытия. Согласно варианту реализации поверхность слоя материала подшипника, в основном, не имеет вздутий. По другому варианту частицы добавки могут распределяться равномерно на микроскопическом и макроскопическом уровне в пределах полимера ПТФЭ.
В состав материала подложки может входить любой материал, способный удерживать пористый слой и выдерживать процессы пропитки и спекания слоя материала подшипника. Согласно варианту выполнения материал подложки может включать металлическую ленту. По другому варианту материал подложки может включать низкоуглеродистую стальную ленту. Еще по одному варианту материал подложки может включать металлическую ленту с никелевым или медным покрытием для повышения сцепления пористого слоя.
В состав пористого материала может входить любой материал, способный зафиксировать слой материала подшипника в материале подложки. По одному варианту пористый слой подшипника может включать частицы бронзы, спеченные в материале металлической основы. По другому варианту пористый слой может включать медные частицы, спеченные в материале металлической основы.
Материал добавки может включать любой материал, который может быть включен в неспеченную экструдированную ленту таким образом, чтобы ленту можно было заделать путем пропитки в пористом слое, расположенном на материале подложки, таким образом, чтобы он выдерживал технологические температуры, применяемые для упрочнения слоя материала подшипника. Ленты, которые подлежат заделке путем пропитки в пористом слое, расположенном на материале подложки, могут включать материалы, которые могут пропитываться без уплотнения или закрытия пор в пористом слое, или материалы, которые могут иметь надлежащее сцепление с пористым слоем. Любое количество материала добавки может быть включено в слой материала подшипника при условии, что имеется достаточное количество ПТФЭ для создания сплошного твердого слоя.
По воплощению материал добавки может включать неорганический твердый наполнитель, включая, как минимум, такой как фтористое ионное соединение, фторид кальция, фторид магния, фторид олова, окислы металла, включая, например, окись железа, окись алюминия, двуокись титана, окись цинка и гидроокиси металла, такие как гидроокись алюминия. По другому варианту материал добавки включает неорганический твердый наполнитель, состоящий из фторида кальция. Размер частиц неорганического твердого наполнителя может определяться по размеру, способному улучшить устойчивость к кавитационной эрозии и повысить износостойкость с сохранением необходимых свойств по обеспечению низкого трения. В варианте подшипника, в котором в качестве материала наполнителя применяется фторид кальция, фторид кальция имеет средний размер диаметра частиц не более 10 микрон. По другому варианту фторид кальция имеет средний размер диаметра частиц не более 2 микрон. Еще по одному варианту размер частиц неорганического наполнителя в слое материала подшипника находится в диапазоне от 10 до 30% от объема.
Еще по одному варианту материал наполнителя может включать частицы сульфида полифенилена. По варианту количество сульфида полифенилена в слое материала подшипника составляет от 30 до 70% от объема. По другому варианту количество сульфида полифенилена составляет 50% от объема. Еще по одному воплощению сульфид полифенилена имеет средний размер диаметра частиц не более 60 микрон. Еще по одному варианту сульфид полифенилена имеет средний размер диаметра частиц не более 20 микрон.
Еще по одному варианту слой материала подшипника может также состоять из материала органического наполнителя такого, как, по меньшей мере, сополимеры тетрафторэтилена-перфторалкилвинилэфира, сополимер тетрафторэтилена-гексафторпропилена, эфирный полимер пропилена тетрафторэтилена, сополимеры тетрафторэтилена-этилена, полимеры полихлортрифторэтилена, сополимеры полихлортрифторэтилена-этилена, полимеры гексафторизобутилена, сополимеры гексафторизобутилена-фторидавинилидена или полимер гексафтор пропилена. Органический материал наполнителя, обрабатываемый в растворе такой, как указано в перечне, приведенном выше, может быть добавлен для изменения кристаллической структуры ПТФЭ в экструдированной неспеченной ленте и/или в слое материала подшипника.
Часть слоя материала подшипника над пористым слоем (т.е. слой покрытия) может определяться с помощью различных факторов. Например, нижний предел толщины слоя покрытия может определяться по целевому использованию материала подшипника или по минимальной толщине, которая может подвергаться механической обработке без существенного снижения показателей подшипника или износостойкости. По одному варианту толщина слоя покрытия составляет, как минимум, 25 микрон. По другому варианту толщина слоя покрытия составляет, как минимум, 50 микрон. Верхний предел толщины покрытия может определяться по верхнему пределу толщины ленты, которая устанавливается путем пропитки в пористый слой, расположенный на материале подложки. Верхний предел толщины покрытия может также определяться по верхнему пределу толщины ленты, которая может быть высушена до удаления любых жидких смазочных материалов. Еще по одному варианту толщина покрытия составляет менее 300 микрон. Еще по одному варианту толщина покрытия составляет менее 150 микрон.
По другому аспекту по настоящему изобретению предусматривается пластиковый материал подшипника, в состав которого входит экструдированная лента или полоса, размещенная путем пропитки в пористом слое, расположенном на материале подложки, в котором экструдированная неспеченная лента включает политетрафторэтиленовую матрицу и раздельные частицы материала добавки. По варианту выполнения частицы материала добавки распределены равномерно на микроскопическом и макроскопическом уровне в пределах политетрафторэтиленовой матрицы. Пластиковый материал подшипника имеет толщину, создающую подшипник, имеющий часть слоя материала подшипника над поверхностью пористого слоя. По варианту пластиковый материал подшипника имеет толщину приблизительно 600 микрон.
Экструдированная неспеченная лента может быть получена по способам, описание которых приводится в патенте США №5697390 (включенном здесь для ссылки), где частицы ПТФЭ и частицы добавки перемешиваются с помощью пневматического пульверизатора с последующей экструзией для формовки ленты.
Материал добавки может включать любой материал, пригодный для включения в экструдированную неспеченную ленту таким образом, чтобы ленту можно было заделать путем пропитки в пористый слой, расположенный на материале подложки. Любое количество материала добавки может быть включено в пластиковый материал подшипника при условии, что количество ПТФЭ является достаточным для того, чтобы образовать сплошную связанную матрицу из ПТФЭ.
По варианту материал добавки может включать неорганический твердый наполнитель, по меньшей мере, такой, как фтористое ионное соединение, включая фторид кальция, фторид магния, фторид олова; окислы металла, включая, например, окись железа, окись алюминия, двуокись титана, окись цинка и гидроокиси металла, такие как гидроокись алюминия. По другому варианту материал добавки включает неорганический твердый наполнитель, состоящий из фторида кальция. Размер частиц неорганического твердого наполнителя может определяться по размеру, способному улучшить устойчивость к кавитационной эрозии и повысить износостойкость с сохранением необходимых свойств по обеспечению низкого трения. По варианту, в котором экструдированная неспеченная лента состоит из фторида кальция, фторид кальция имеет средний размер диаметра частиц не более 10 микрон. По другому варианту фторид кальция имеет средний размер диаметра частиц не более 2 микрон. Еще по одному варианту размер частиц неорганического наполнителя в экструдированной неспеченной ленте находится в диапазоне от 10 до 30% от объема.
Еще по одному варианту материал добавки может состоять из полимерного материала, включающего сульфид полифенилена. По варианту количество сульфида полифенилена в экструдированной неспеченной ленте составляет от 30 до 70% от объема. По другому варианту количество сульфида полифенилена составляет 50% от объема. Еще по одному варианту сульфид полифенилена имеет средний размер диаметра частиц не более 60 микрон. Еще по одному варианту сульфид полифенилена имеет средний размер диаметра частиц не более 20 микрон.
Еще по одному варианту экструдированная неспеченная лента может также состоять из материала органического наполнителя, такого как, по меньшей мере, сополимеры тетрафторэтилена-перфторалкилвинилэфира, сополимер тетрафторэтилена-гексафторпропилена, эфирный полимер пропилена тетрафторэтилена, сополимеры тетрафторэтилена-этилена, полимеры полихлортрифторэтилена, сополимеры полихлортрифторэтилена-этилена, полимеры гексафторизобутилена, сополимеры гексафторизобутилена-фторидавинилидена или полимер гексафтор пропилена.
По другому аспекту настоящее изобретение представляет способ, включающий получение материала подшипника экструдированной неспеченной ленты или полосы, включающей политетрафторэтиленовую матрицу и раздельные частицы материала добавки, пропитку вышеуказанной ленты в пористом слое, расположенном на материале подложки, спекание пропитанной неспеченной ленты при температуре выше температуры плавления политетрафторэтилена для образования сплошного твердого слоя материала подшипника.
Экструдированная неспеченная лента может быть получена способами, описание которых приводится в патенте США №5697390 (включенном здесь для ссылки), где частицы ПТФЭ и частицы добавки перемешиваются с помощью пневматического пульверизатора с последующей экструзией для формовки ленты. До экструзии смеси для образования экструдированной неспеченной ленты могут применяться другие способы, известные специалисту в любой области для перемешивания частиц ПТФЭ и частиц добавки. Размер частиц ПТФЭ, применяемого для получения экструдированной неспеченной ленты может быть любым при условии, что частицы ПТФЭ могут формовать сплошную твердую полимерную матрицу при использовании в слое материала подшипника. По варианту размер частиц ПТФЭ составляет от 500 до 600 микрон. По другому варианту материал добавки распределяется равномерно на микроскопическом и макроскопическом уровне в пределах политетрафторэтиленовой матрицы.
В состав материала добавки может входить любой материал, пригодный на включение в экструдированную неспеченную ленту, такую как лента, заделываемая путем пропитки в пористый слой, расположенный на материале подложки. Любое количество материала добавки может быть включено в экструдированную неспеченную ленту при условии, что количество ПТФЭ является достаточным для того, чтобы образовать сплошную твердую матрицу из ПТФЭ.
По варианту материал добавки может включать неорганический твердый наполнитель, по меньшей мере, такой как фтористое ионное соединение, включая фторид кальция, фторид магния, фторид олова, окислы металла, включая, например, окись железа, окись алюминия, двуокись титана, окись цинка и гидроокиси металла, такие как гидроокись алюминия. По другому варианту материал добавки включает неорганический твердый наполнитель, состоящий из фторида кальция. Размер частиц неорганического твердого наполнителя может определяться по размеру, способному улучшить устойчивость к кавитационной эрозии и повысить износостойкость с сохранением необходимых свойств по обеспечению низкого трения. По варианту, в котором экструдированная неспеченная лента состоит из фторида кальция, фторид кальция имеет средний размер диаметра частиц не более 10 микрон. По другому варианту фторид кальция имеет средний размер диаметра частиц не более 2 микрон. Еще по одному варианту размер частиц неорганического наполнителя в экструдированной неспеченной ленте находится в диапазоне от 10 до 30% от объема.
Еще по одному варианту материал добавки может состоять из сульфида полифенилена. По варианту количество сульфида полифенилена в экструдированной неспеченной ленте составляет от 30 до 70% от объема. По другому варианту количество сульфида полифенилена составляет 50% от объема. Еще по одному варианту сульфид полифенилена имеет средний размер диаметра частиц не более 60 микрон. Еще по одному варианту сульфид полифенилена имеет средний размер диаметра частиц не более 20 микрон.
Еще по одному варианту экструдированная неспеченная лента может также состоять из материала органического наполнителя, такого как, по меньшей мере, сополимеры тетрафторэтилена-перфторалкилвинилэфира, сополимер тетрафторэтилена-гексафторпропилена, эфирный полимер пропилена тетрафторэтилена, сополимеры тетрафторэтилена-этилена, полимеры полихлортрифторэтилена, сополимеры полихлортрифторэтилена-этилена, полимеры гексафторизобутилена, сополимеры гексафторизобутилена-фторидавинилидена или полимер гексафтор пропилена.
В соответствии с описанием, приведенным в патенте США №5697390, при перемешивании и/или экструзии перемешанных частиц при плунжерной экструзии для формовки экструдированной неспеченной ленты могут применяться жидкие смазочные материалы. Смазочный материал может использоваться для обеспечения приемлемой экструзии неспеченной ленты. Любой жидкий смазочный материал, известный специалисту, может использоваться при условии, что смазочный материал может быть удален из экструдированной неспеченной ленты таким образом, чтобы ее можно было установить путем пропитки в пористый слой.
Процесс экструзии осуществляется при условиях и температуре, при которых не расплавляется полимерный материал в смеси частиц. По одному варианту смесь частиц ПТФЭ и частиц материала добавки подлежит плунжерной экструзии в условиях, при которых не расплавляется полимерный материал в смеси частиц. В результате получившаяся лента является мягкой и гибкой и является пригодной для ее заделки пропиткой в пористый слой без нагрева и чрезмерного давления. По одному варианту раздельные частицы материала добавки в экструдированной неспеченной ленте могут равномерно распределяться по всей ленте с сохранением сплошной матрицы ПТФЭ.
Перед заделкой пропиткой экструдированной неспеченной ленты, лента может быть высушена, особенно в том случае, если в смесь частиц ПТФЭ и материала добавки входит жидкий смазочный материал. Условия и температура, при которых может осуществляться сушка экструдированной неспеченной ленты, не должны приводить к спеканию или расплавлению какого-либо полимерного материала в ленте, такого как политетрафторэтилен или частицы сульфида полифенилена. Этап сушки предназначен для удаления жидкого смазочного материала в достаточной степени, чтобы исключить вздутие в ходе дальнейшей обработки. По одному варианту экструдированная неспеченная лента, в основном, не содержит жидкого смазочного материала. Экструдированная неспеченная лента может подвергаться сушке по методу, описание которого приводится в патенте США №5697390.
Экструдированная неспеченная лента может заделываться путем пропитки в пористый слой, например, с помощью вальцов. Этап пропитки осуществляется при условиях и температуре, при которых лента не спекается, и не происходит расплавление никакого материала, входящего в состав ленты.
Пористый слой, в который заделывается лента путем пропитки, может представлять собой бронзовые частицы, спекшиеся в металлической основе, такой как сталь например, как это известно специалистам в данной области. Таким образом, ленточный материал подшипника может формоваться, в результате чего, например, с применением известных способов могут быть получены цилиндрические или полуцилиндрические подшипники.
После пропитки экструдированной неспеченной ленты в пористый слой для формовки слоя материала подшипника, слой материала подшипника спекается до получения трехслойного композитного материала, содержащего сплошной связный слой материала подшипника. По одному воплощению весь ПТФЭ в материале подшипника спекается.
В соответствии с настоящим изобретением спекание или затвердевание ленты или слоя материала подшипника заключается в нагреве ПТФЭ до его температуры плавления или более высокой температуры. При нагреве ПТФЭ до температуры выше температуры его плавления, величина которой может составлять от 350 до 425°С, ПТФЭ затвердевает или загустевает. До нагрева выше температуры плавления, ПТФЭ является относительно мягким и может запрессовываться в структуры, такие как пористый слой с минимальным приложением усилия и без нагрева.
По одному варианту в соответствии со способом получения можно выполнять трехслойный материал или композитный материал, в котором слой материала подшипника, в основном, не имеет вздутий. По другому варианту способа можно выполнять трехслойный материал, в котором часть слоя материала подшипника находится над поверхностью пористого слоя. Толщина участка слоя материала подшипника над поверхностью пористого слоя (т.е. слоя покрытия) может составлять, по меньшей мере, 25 микрон. По другому варианту слой покрытия может составлять, по меньшей мере, 50 микрон. Еще по одному варианту толщина покрытия составляет менее 300 микрон. Еще по одному варианту толщина покрытия составляет менее 150 микрон. Для точного выполнения трехслойного материала с равномерной толщиной слоя покрытия формованный трехслойный материал может подвергаться укатке до получения окончательного размера. Каждый этап по способу настоящего изобретения может выполняться как часть непрерывного процесса.
Преимущество подшипников и способа изготовления подшипников по настоящему изобретению заключается в том, что подшипники, в основном, не имеют вздутий, поскольку экструдированная неспеченная лента не может содержать жидкий смазочный материал в количестве, при котором может иметь место вздутие в условиях спекания и затвердевания ленты. При применении различных известных способов после пропитки производится удаление жидких смазочных материалов, таких как вода и/или летучие органические составы, что может приводить к увеличению пористости и образованию вздутий. Кроме того, материалы на основе обычной коагулированной дисперсии могут вздуваться при попытке обработки поверхности с толщиной слоя более 35 микрон. Способ, применяемый по настоящему изобретению, позволяет также создавать подшипник, применяемый при бурении с точными размерами, обеспечиваемыми с помощью механической обработки.
Результаты испытаний материалов, подготовленных по способу изготовления, описание которого приводится в настоящем патенте, показывают, что можно получать слой покрытия с большей толщиной для последующего проведения буровых работ с использованием вкладышей с намоткой. Кроме того, применение материалов и технологии позволит улучшить показатели износостойкости в сухом состоянии и повысить устойчивость к эрозии с поддержанием трения на приемлемом уровне.
ПРИМЕРЫ
Пример 1
Смесь гранулированного порошка, состоящая приблизительно из 80% ПТФЭ от объема и приблизительно 20% CaF2 от объема, была подана в плунжерный экструдер. Размер частиц ПТФЭ составлял от 500 до 600 микрон. Фторид кальция имел средний размер диаметра частиц приблизительно 2 микрона. В смесь гранулированного порошка был также добавлен жидкий смазочный материал. Смесь гранулированного порошка была перемешана с использованием техники перемешивания.
Смесь гранулированного порошка была подана из плунжерного экструдера в пресс-форму для получения ленты или полосы экструдированной неспеченной ленты. Лента имела толщину приблизительно 300 микрон. В процессе экструзии, а также контроля лента подверглась сушке.
Лента была заделана путем пропитки в пористый металлический слой, расположенный на материале стальной основы, при температуре ниже температуры плавления ПТФЭ до образования слоя материала подшипника. Экструдированная неспеченная лента подверглась пропитке путем пропускания ленты и материала подложки через вальцы, что приводило к пропитке слоя материала подшипника в пористый слой. На этапе пропитки часть слоя материала подшипника остается над поверхностью пористого слоя бронзы.
Затем пропитанная экструдированная неспеченная лента подвергалась длительному спеканию в печи при температуре выше 400°С с выдержкой при этой температуре приблизительно в течение 30 секунд. Время выдержки выбрано из необходимости обеспечить спекание пропитанной экструдированной ленты до получения сплошного твердого слоя материала подшипника. Затем композитная лента пропускалась через вторые вальцы для проведения вальцовки полосы с целью получить точную высокую толщину. Окончательно полученный композитный материал имел толщину покрытия приблизительно 65 микрон.
Пример 2
Экструдированная неспеченная лента, состоящая приблизительно из 50% ПТФЭ от объема и 50% СПФ от объема, была приготовлена, как указано в описании, выше со следующими исключениями. Перемешивание ПТФЭ и СПФ проводилось с использованием пневматического пульверизатора, а температура в печи составляла приблизительно 365°С. Толщина окончательно полученного композитного материала составляла приблизительно 65 микрон.
Полосы композитного материала, полученные по данному Примеру, были формованы во вкладыши подшипника и подверглись испытанию на износостойкость в сухом состоянии с использованием оборудования, подобного тому, которое показано на фиг.2, и применялось для испытания, описание которого приводится в тексте «Материалы для подшипников скольжения: обозрение 174», Int. Metallurgical Rev., том 18 (1973). Проводились также испытания материалов промышленных подшипников DUTM (ПТФЭ и массы Pb) и DP4TM (ленты, экструдированной из расплава ПТФЭ и СПФ), см. патент США №5911514 и заключение по результатам испытаний в Таблице 1.
Условия проведения испытания на скольжение в сухом состоянии были следующими: Нагрузка: 115 фунтов на кв.дюйм; Скорость вращения вала: 175 футов/мин; 20.000 фунт.кв.дюйм-футов в мин; 0,7 МПа-м/с.
| Таблица 1 | |||
| Заключение по испытаниям на износостойкость в сухом состоянии | |||
| Проба | Состав материала слоя подшипника | Толщина покрытия | Износостойкость в сухом состоянии при высокой скорости вращения |
| Пример 2 | ПТФЭ, СПФ | 65 микрон | > 3200 часов |
| DUTM | ПТФЭ, Pb | 25 микрон | 670 часов |
| DP4TM | ПТФЭ, CaF2, арамидное волокно | 35 микрон | < 300 часов |
Таким образом, по результатам можно увидеть, что материал и способ по настоящему изобретению дает значительное улучшение износостойкости в сухом состоянии по сравнению с материалами, известными на предыдущем уровне техники.
В заключение были отмечены ряд преимуществ в результате применения концепций изобретения. Вышеуказанное описание вариантов изобретения было дано для иллюстрации и описания. Это описание не является исчерпывающим и не ограничивает изобретение конкретным представлением. В соответствии с вышеуказанными теоретическими соображениями могут быть внесены изменения или представлены варианты. Были выбраны варианты с описанием для лучшей иллюстрации принципов изобретения и его практического применения для того, чтобы можно было оптимально применять изобретение в различных вариантах с различными изменениями применительно к конкретным рассматриваемым целям применения. Объем изобретения определяется в прилагаемой формуле изобретения.
1. Подшипник, содержащий слой материала подложки, пористый слой, расположенный на слое подложки, и слой экструдированного материала подшипника, размещенный посредством пропитки в пористом слое и имеющий сплошную затвердевшую структуру, включающую сплошную политетрафторэтиленовую матрицу и раздельные частицы материала добавки, при этом слой материала подшипника имеет часть пористого слоя.
2. Подшипник по п.1, в котором слой материала подшипника, в основном, не имеет вздутий.
3. Подшипник по п.1, в котором частицы добавки распределены равномерно на микроскопическом и макроскопическом уровне в пределах политетрафторэтиленовой матрицы.
4. Подшипник по п.1, в котором материалом подложки является металлическая полоса.
5. Подшипник по п.4, в котором пористый слой содержит частицы бронзы, спеченные в металлической основе.
6. Подшипник по п.1, в котором материал добавки содержит неорганический твердый наполнитель.
7. Подшипник по п.6, в котором слой материала подшипника состоит из 10-30% от объема неорганического материала наполнителя.
8. Подшипник по п.6, в котором неорганический материал наполнителя содержит фторид кальция.
9. Подшипник по п.1, в котором слой материала подшипника содержит органический материал наполнителя.
10. Подшипник по п.1, в котором материал добавки содержит сульфид полифенилена.
11. Подшипник по п.10, в котором слой материала подшипника состоит из 30-70% от объема сульфида полифенилена.
12. Подшипник по п.1, в котором часть слоя материала подшипника, находящаяся над поверхностью пористого слоя, превышает 25 мкм.
13. Подшипник по п.1, в котором часть слоя материала подшипника, находящаяся над поверхностью пористого слоя, составляет менее 300 мкм.
14. Пластиковый материал подшипника, включающий экструдированную неспеченную ленту или полосу, предназначенную для пропитки в пористом слое, расположенном на материале подложки, и включающий политетрафторэтиленовую матрицу и раздельные частицы материала добавки.
15. Пластиковый материал подшипника по п.14, в котором частицы материала добавки распределены равномерно на микроскопическом и макроскопическом уровне в пределах политетрафторэтиленовой матрицы.
16. Пластиковый материал подшипника по п.14, в котором материал добавки содержит неорганический твердый наполнитель.
17. Пластиковый материал подшипника по п.15, имеющий 10-30% от объема неорганического твердого наполнителя.
18. Пластиковый материал подшипника по п.17, в котором неорганический твердый наполнитель содержит фторид кальция.
19. Пластиковый материал подшипника по п.14, включающий органический материал наполнителя.
20. Пластиковый материал подшипника по п.14, в котором материал добавки содержит сульфид полифенилена.
21. Пластиковый материал подшипника по п.20, имеющий 30-70% от объема сульфида полифенилена.
22. Способ получения пластикового материала подшипника, включающий следующие стадии:
получение экструдированной неспеченной ленты или полосы, содержащей политетрафторэтиленовую матрицу и раздельные частицы материала добавки,
размещение посредством пропитки экструдированной неспеченной ленты в пористом слое, расположенном на материале подложки,
спекание пропитанной неспеченной ленты при температуре выше температуры плавления политетрафторэтилена для образования сплошного твердого слоя материала подшипника.
23. Способ по п.22, при котором частицы материала добавки распределяются равномерно на микроскопическом и макроскопическом уровне в пределах политетрафторэтиленовой матрицы.
24. Способ по п.22, при котором в качестве материала подложки применяется металлическая полоса.
25. Способ по п.23, при котором пористый слой содержит частицы бронзы, спеченные в металле основы.
26. Способ по п.22, при котором материал добавки содержит неорганический твердый наполнитель.
27. Способ по п.26, при котором экструдированная неспеченная лента содержит 10-30% объема неорганического материала наполнителя.
28. Способ по п.22, при котором экструдированная неспеченная лента содержит полимерный материал.
29. Способ по п.22, при котором экструдированная неспеченная лента содержит сульфид полифенилена.
30. Способ по п.29, при котором экструдированная неспеченная лента содержит от 30 до 70% объема сульфид полифенилена.
31. Способ по п.22, при котором экструдированная неспеченная лента формируется плунжерной экструзией.
32. Способ по п.22, при котором экструдированная неспеченная лента пропитывается при температуре ниже температуры плавления политетрафторэтилена.
33. Способ по п.22, дополнительно включающий стадию сушки неспеченной ленты при температуре, достаточной для удаления жидкого смазочного материала из неспеченной ленты до заделки путем пропитки неспеченной ленты в пористый слой.
34. Способ по п.22, при котором указанные стадии представляют собой непрерывный процесс.
35. Способ по п.22, при котором часть слоя материала подшипника расположена над поверхностью пористого слоя.
36. Способ по п.22, при котором поверхность слоя материала подшипника, в основном, не имеет вздутий.
37. Способ по п.36, при котором часть слоя материала подшипника, расположенная над поверхностью пористого слоя, составляет более 25 мкм.
38. Способ по п.36, при котором часть слоя материала подшипника, расположенная над поверхностью пористого слоя, составляет менее 300 мкм.
