CN103834866A - 一种高强度高耐磨性的高温自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度高耐磨性的高温自润滑复合材料及其制备方法，属于高温自润滑复合材料技术领域。它是由以下原料制成：FeCrWMoV合金粉末、Al₂O₃+SiC陶瓷粉末、复合造孔剂、Cu₃P粉末、石墨粉、复合固体润滑剂，其制备过程是将FeCrWMoV合金粉末、Al₂O₃、SiC、TiH₂、CaCO₃、石墨、Cu₃P粉末按照比例混合均匀后，用粉末冶金法烧结出微孔预制体，然后利用真空浸渗技术将复合固体润滑剂浸渍到微孔预制体中，得到高温自润滑复合材料。该复合材料不仅能够实现高温自润滑，而且具有高强度、高耐磨性的特点。

Description

一种高强度高耐磨性的高温自润滑复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及高温自润滑复合材料技术领域，尤其是一种高强度高耐磨性的高温自润滑复合材料及其制备方法。

背景技术

随着航空航天科学技术的发展，在高温、高速、重载、高真空等极端工况条件下，对提高重要零部件的润滑性能、使用寿命及安全性能提出了更高的要求。在高温等极端服役条件下，普通材料已经不能满足刚度、强度及耐磨性等方面的要求，特别是润滑油、润滑脂在高温下因稀释甚至挥发而丧失润滑特性，已不能满足实际使用要求。研究开发高温、高强度、高耐磨自润滑复合材料，以满足航空、航天等需要自润滑领域的工作要求，已成为近年来摩擦学领域研究的热点。

传统上制备高温自润滑复合材料的是将固体润滑剂作为材料的组元直接加入到金属陶瓷的基体中进行混元烧结，经高温、高压真空烧结得到复合材料。然而在进行真空烧结过程中，润滑剂通常因高温氧化或烧损使得润滑剂失去润滑作用。而且，直接在基体中加入润滑剂会造成润滑剂分布不均匀，导致复合材料的强度和耐磨性能的降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度高耐磨性的高温自润滑复合材料及其制备方法。得到的材料不仅能够实现高温自润滑，而且具有高强度、高耐磨性的特点，克服了上述现有技术的不足。

本发明所采用的技术方案为：

一种高强度高耐磨性的高温自润滑复合材料，其特征是，包括微孔预制体和复合固体润滑剂；

所述微孔预制体是由以下重量百分比的原料制成：

FeCrWMoV合金粉末65.5%-78.5%、Al₂O₃+SiC陶瓷粉末12.5%-18%、复合造孔剂4%-7.5%、Cu₃P粉末4.5%-8%、石墨粉0.5%-1%；以上各组分的重量百分比之和为100%；

所述复合固体润滑剂为Cu、Ag、Y₂O₃、CaF₂、BaF₂中的一种或几种。

优选的，所述FeCrWMoV合金粉末包括以下组分：C 0.8wt%，Cr 4.0wt%，Mo 5.0wt%，W 6.1wt%，V 2.9wt%，Si 0.18wt%，Fe余量。

优选的，所述复合造孔剂为TiH₂、CaCO₃中的一种或两种。

优选的，所述微孔预制体和复合固体润滑剂的重量比为（90-87）：（10-13）。

本发明还提供了一种高温自润滑复合材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

首先采用真空热压烧结工艺制备出微孔预制体，然后通过真空压力浸渗技术将熔融的复合固体润滑剂通过网络互穿的孔径浸渗到基体中。

优选的，该制备方法包括以下步骤：

    (1) 按照上述的重量百分比称取原料，将称取的FeCrWMoV合金粉末、Al₂O₃+SiC陶瓷粉末、复合造孔剂、Cu₃P粉末和石墨粉置于混料器中混匀后装入石墨模具中，在500MPa的成型压力下，用液压式压力试验机进行模压成型，得到成型试样；

(2) 将成型试样放入真空热压烧结炉中进行真空烧结，烧结温度为1150-1210℃，保温时间为60min，室温冷却后进行开炉取样，得到微孔预制体；

(3) 将微孔预制体放入高温真空压力浸渗机的容器内，抽真空后将温度升高到600℃，然后将熔融状态的复合固体润滑剂注入到容器中，持续30min后，即得高温自润滑复合材料。

优选的，所述的微孔预制体的孔隙度为20%-25%。

本发明的有益效果：

(1)本发明所述的复合材料与摩擦偶件对磨时，在环境温度、摩擦应力和摩擦热的作用下，浸渗在贯通孔隙中的固体润滑剂产生体积膨胀，被扩散析出到摩擦表面，形成连续的润滑膜，从而实现高温自润滑的作用。这种润滑方式改善了以往自润滑复合材料分布不均匀的问题，同时避免了固体润滑剂组元对复合材料机械性能的不利影响。

(2)本发明所述的复合材料在300℃-700℃温度范围内，具有较低的摩擦系数，且具有高的强度和良好的自润滑功能，在高温、高速、重载、高真空、高强度等极端条件的工况要求下，具有较高的研究价值，对降低生产成本，提高使用寿命，具有广阔的工程应用前景。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例，实施例不应视作对本发明保护范围的限定。 

下面结合实例对本发明做进一步说明：

实施例1：

原料：包括微孔预制体和复合固体润滑剂；微孔预制体和复合固体润滑剂的重量比为88：12；

微孔预制体是由以下重量百分比的原料制成，见下表1：

FeCrWMoV合金粉末的组成如下表2所示：

复合固体润滑剂的组成如下表3所示：

制备方法：

（1）按照表1-3所示的重量百分比称量微孔预制体和复合固体润滑剂的原料，将微孔预制体原料置于球磨机中混合2h后，装入石墨模具中，在500MPa的成型压力下，用液压式压力试验机进行模压成型，得到成型试样；

（2）将成型试样放入真空热压烧结炉中进行真空烧结，烧结温度为1150-1210℃，保温时间为60min，室温冷却后进行开炉取样，得到孔隙度为20%-25%的微孔预制体；

（3）将微孔预制体放入高温真空压力浸渗机的容器内，抽真空后将温度升高到600℃，然后将熔融状态的复合固体润滑剂注入到容器中，持续30min后，得到高温自润滑复合材料。

    将制备的高温自润滑复合材料用液压式压力试验机进行力学性能测试，压溃强度σ=926MPa；用摩擦磨损试验机测量材料的摩擦学性能，在试验温度为600℃时，其平均摩擦系数为0.38，磨损率为9.6×10^-6mm³/Nm。

实施例2：

原料：包括微孔预制体和复合固体润滑剂；微孔预制体和复合固体润滑剂的重量比为87：13；

微孔预制体是由以下重量百分比的原料制成，见下表4：

FeCrWMoV合金粉末的组成如下表5所示：

复合固体润滑剂的组成如下表6所示：

制备方法：

（1）按照表4-6所示的重量百分比称量微孔预制体和复合固体润滑剂的原料，将微孔预制体原料置于球磨机中混合2h后，装入石墨模具中，在500MPa的成型压力下，用液压式压力试验机进行模压成型，得到成型试样；

（2）将成型试样放入真空热压烧结炉中进行真空烧结，烧结温度为1150-1210℃，保温时间为60min，室温冷却后进行开炉取样，得到孔隙度为20%-25%的微孔预制体；

（3）将微孔预制体放入高温真空压力浸渗机的容器内，抽真空后将温度升高到600℃，然后将熔融状态的复合固体润滑剂注入到容器中，持续30min后，得到高温自润滑复合材料。

将制备的高温自润滑复合材料用液压式压力试验机进行力学性能测试，压溃强度σ=852MPa；用摩擦磨损试验机测量材料的摩擦学性能，在试验温度为600℃时，其平均摩擦系数为0.35，磨损率为8.7×10^-6mm³/Nm。

实施例3：

原料：包括微孔预制体和复合固体润滑剂；微孔预制体和复合固体润滑剂的重量比为90：10；

微孔预制体是由以下重量百分比的原料制成，见下表7：

FeCrWMoV合金粉末的组成如下表8所示：

复合固体润滑剂的组成如下表9所示：

制备方法：

（1）按照表7-9所示的重量百分比称量微孔预制体和复合固体润滑剂的原料，将微孔预制体原料置于球磨机中混合2h后，装入石墨模具中，在500MPa的成型压力下，用液压式压力试验机进行模压成型，得到成型试样；

（2）将成型试样放入真空热压烧结炉中进行真空烧结，烧结温度为1150-1210℃，保温时间为60min，室温冷却后进行开炉取样，得到孔隙度为20%-25%的微孔预制体；

（3）将微孔预制体放入高温真空压力浸渗机的容器内，抽真空后将温度升高到600℃，然后将熔融状态的复合固体润滑剂注入到容器中，持续30min后，得到高温自润滑复合材料。

将制备的高温自润滑复合材料用液压式压力试验机进行力学性能测试，压溃强度σ=841MPa；用摩擦磨损试验机测量材料的摩擦学性能，在试验温度为600℃时，其平均摩擦系数为0.28，磨损率为7.6×10^-6mm³/Nm。

实施例4：

原料：包括微孔预制体和复合固体润滑剂；微孔预制体和复合固体润滑剂的重量比为89：11；

微孔预制体是由以下重量百分比的原料制成，见下表10：

FeCrWMoV合金粉末的组成如下表11所示：

复合固体润滑剂的组成如下表12所示：

制备方法：

 （1）按照表10-12所示的重量百分比称量微孔预制体和复合固体润滑剂的原料，将微孔预制体原料置于球磨机中混合2h后，装入石墨模具中，在500MPa的成型压力下，用液压式压力试验机进行模压成型，得到成型试样；

（2）将成型试样放入真空热压烧结炉中进行真空烧结，烧结温度为1150-1210℃，保温时间为60min，室温冷却后进行开炉取样，得到孔隙度为20%-25%的微孔预制体；

（3）将微孔预制体放入高温真空压力浸渗机的容器内，抽真空后将温度升高到600℃，然后将熔融状态的复合固体润滑剂注入到容器中，持续30min后，得到高温自润滑复合材料。

将制备的高温自润滑复合材料用液压式压力试验机进行力学性能测试，压溃强度σ=953MPa；用摩擦磨损试验机测量材料的摩擦学性能，在试验温度为600℃时，其平均摩擦系数为0.27，磨损率为6.5×10^-6mm³/Nm。

Claims (7)

1.一种高强度高耐磨性的高温自润滑复合材料，其特征是，包括微孔预制体和复合固体润滑剂；

所述微孔预制体是由以下重量百分比的原料制成：

FeCrWMoV合金粉末65.5%-78.5%、Al₂O₃+SiC陶瓷粉末12.5%-18%、复合造孔剂4%-7.5%、Cu₃P粉末4.5%-8%、石墨粉0.5%-1%；以上各组分的重量百分比之和为100%；

所述复合固体润滑剂为Cu、Ag、Y₂O₃、CaF₂、BaF₂中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的高温自润滑复合材料，其特征是，所述FeCrWMoV合金粉末包括以下组分：C 0.8wt%，Cr 4.0wt%，Mo 5.0wt%，W 6.1wt%，V 2.9wt%，Si 0.18wt%，Fe余量。

3.根据权利要求1所述的高温自润滑复合材料，其特征是，所述复合造孔剂为TiH₂、CaCO₃中的一种或两种。

4.根据权利要求1所述的高温自润滑复合材料，其特征是，所述微孔预制体和复合固体润滑剂的重量比为（90-87）：（10-13）。

5.一种权利要求1-4所述的高温自润滑复合材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

首先采用真空热压烧结工艺制备出微孔预制体，然后通过真空压力浸渗技术将熔融的复合固体润滑剂通过网络互穿的孔径浸渗到基体中。

6.根据权利要求5所述的高温自润滑复合材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

 (1) 按照权利要求1-4所述的重量百分比称取原料，将称取的FeCrWMoV合金粉末、Al₂O₃+SiC陶瓷粉末、复合造孔剂、Cu₃P粉末和石墨粉置于混料器中混匀后装入石墨模具中，在500MPa的成型压力下，用液压式压力试验机进行模压成型，得到成型试样；

(2) 将成型试样放入真空热压烧结炉中进行真空烧结，烧结温度为1150-1210℃，保温时间为60min，室温冷却后进行开炉取样，得到微孔预制体；

(3) 将微孔预制体放入高温真空压力浸渗机的容器内，抽真空后将温度升高到600℃，然后将熔融状态的复合固体润滑剂注入到容器中，持续30min后，即得高温自润滑复合材料。

7.根据权利要求6所述的高温自润滑复合材料的制备方法，其特征是，所述的微孔预制体的孔隙度为20%-25%。