CN106399764A - 粉末冶金铝‑硅‑蛇纹石减摩复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种粉末冶金铝‑硅‑蛇纹石减摩复合材料及其制备方法，复合材料的原料为蛇纹石0.1~5%，Si 1~18%，余量为Al的混合粉末。该方法采用球磨法及表面修饰法预先制备蛇纹石复合粉末，再将复合粉末与铝硅合金粉末按照一定比例混合，最后经过致密化、烧结、热变形加工及热处理获得铝‑硅‑蛇纹石减摩复合材料。本发明制得的复合材料在保持原有力学性能的条件下，具有较好的减摩性能。

Description

粉末冶金铝-硅-蛇纹石减摩复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种烧结铝基复合材料，具体地说是一种粉末冶金铝-硅-蛇纹石减摩复合材料及其制备方法。
背景技术
中国工程院咨询研究项目“摩擦学科学及工程应用现状与发展战略研究”的调研结果显示，我国每年因磨损造成的损失约占GDP的3%~5%。为了降低磨损，金属自修复技术受到了摩擦学界的广泛关注。其优越特性表现为可在设备运行过程中和机构不解体的情况下对机械零件的磨损区域进行自动补偿，恢复零件尺寸和力学性能等。作为润滑添加剂的金属减摩自修复材料—蛇纹石的应用已显示对节能降耗的显著贡献，但用于制备金属基减摩复合材料则难见报道。因此，设计在合金中添加廉价蛇纹石来改良其减摩性能，具有较大的创新意义。
2015年8月31日申请的专利(201510547785.9)，使用Cu、Zn、Si、Sn、Mg、Ni、B等为原料，制备铝基减摩复合材料，虽然摩擦性能有所改善，但其原料成本偏高。
2010年2月23日申请的专利(201010112475.1)，研制了一种锌铝基减摩合金材料，添加了大量铅，虽然有效改善了摩擦学性能，但会污染地下水，对环保不利。
2011年第31卷第5期《摩擦学学报》发表的《天然蛇纹石粉体润滑油添加剂的自修复性能及自修复层形成机理研究》，研究了基础油和含油酸表面改性天然蛇纹石基础油润滑下钢-钢摩擦副的摩擦系数和磨损率。滑动摩擦约2h后，表面改性蛇纹石油样润滑下的摩擦系数从此前的约0.11减小至约0.09并保持到试验结束；与此同时，含蛇纹石油样润滑下摩擦副的磨损率较低，这是由于磨损表面形成了自修复层所致。
可见，作为金属抗磨自修复材料的蛇纹石已广泛运用于润滑油中，但用于制备复合材料则少见报道。国内外许多高校都在耐磨、减摩金属合金的研发及改进方面做了大量研究，但许多研究成果由于制造成本过高，还停留在实验室阶段，难以工业化推广。本发明的目的是在不添加更多合金元素的前提下，使用廉价矿物质成分，低成本地提升传统金属材料的减摩性能。从而探索制备一种粉末冶金铝-硅-蛇纹石减摩复合材料，以提升材料的摩擦学性能。
发明内容
本发明的目的之一在于针对铝合金在工程应用中其摩擦学性能不足的问题，通过引入具有自修复功能的矿物材料—蛇纹石，提供一种铝-硅-蛇纹石减摩复合材料，保证其基本力学性能的同时提升其摩擦学性能。
本发明的目的之二在于提供该复合材料的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种铝-硅-蛇纹石减摩复合材料，其特征在于该复合材料的组成及质量百分含量为：
蛇纹石 0.1~5%，
Si 1~18%，
Al 余量。
上述的蛇纹石粉为一种硅酸盐矿物，其主要成分为：SiO2≥40%, MgO≥40%, Fe203≥5%，颗粒粒径≤10微米。
一种制备上述的铝-硅-蛇纹石减摩复合材料的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：
（1） 将铝粉、硅粉和蛇纹石粉末分别球磨，满足平均粒径介于0.1～1微米之间；
（2）将蛇纹石粉末进行表面修饰；
（3）将步骤a和步骤b所得铝、硅、蛇纹石粉末混合均匀，并在惰性气氛保护下二次球磨，使得复合粉末发生冷焊，得到铝/硅/蛇纹石的复合粉末；
（4）对步骤c所得复合粉末进行致密化和烧结处理，得到复合锭坯；
（5） 对步骤d所得复合锭坯进行热变形加工和热处理，得到铝-硅-蛇纹石减摩复合材料。
上述的步骤b的具体过程为：对蛇纹石进行加热预处理，加热温度为100~400℃；采用甲苯做溶剂，加入过程控制剂（控制剂选自脂肪醇、有机硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、极性马来酸酐中的一至多种），回流，氮氛环境（磁搅拌）；然后用甲苯/乙醇洗，烘干。
上述的步骤d所述的致密化过程为冷压或冷等静压。
上述的步骤d所述的烧结过程为气氛烧结、真空热压烧结、放电离子束烧结或热等静压烧结，烧结温度为500℃～600℃。
上述的步骤d所述的热变形加工为：热挤压、热锻或热轧。
本发明效果：本发明制得的复合材料在保持原有力学性能的条件下，具有较好的减摩性能。
附图说明
图1是本发明材料的扫描电镜及其元素面扫描分析图。
图2是本发明材料的X射线衍射分析图。
图3是传统材料（A）与本发明实施不同蛇纹石含量的减摩复合材料（B,C,D）烧结后压缩强度的对比。其中A为传统材料，化学成分为：硅12%, 铝余量。复合材料B的化学成分为：蛇纹石1%，Si 11.88%,铝余量。复合材料C的化学成分为：蛇纹石3%，Si 11.64%,铝余量。复合材料D的化学成分为：蛇纹石5%，Si 11.40%,铝余量。
图4是传统材料（A）与本发明实施本发明实施不同蛇纹石含量的复合材料（B,C,D）的摩擦系数的对比。其中A为传统材料，化学成分为：硅12%, 铝余量。复合材料B的化学成分为：蛇纹石1%，Si 11.88%,铝余量。复合材料C的化学成分为：蛇纹石3%，Si 11.64%,铝余量。复合材料D的化学成分为：蛇纹石5%，Si 11.40%,铝余量。
具体实施方式
实施例一：
根据上述设计的化学成分范围及技术方案，利用粉末冶金法制备3炉本发明材料和1炉对比材料。制备方法为将铝粉、硅粉和蛇纹石粉末分别球磨，满足平均粒径介于0.1～1微米之间；对蛇纹石进行加热预处理，加热温度为300℃；采用甲苯做溶剂，加入脂肪醇，回流，氮氛环境（磁搅拌）；然后用乙醇洗，烘干；将铝、硅、蛇纹石粉末混合均匀，并在惰性气氛保护下二次球磨，使得复合粉末发生冷焊，得到铝/硅/蛇纹石的复合粉末；将复合粉末进行冷压和560℃烧结处理，得到复合材料。
借助SU-1500扫描电子显微镜和能谱仪，分析试样表面及其元素分布。参见图1，蛇纹石均匀分布于铝的晶界，氧、硅元素分布于铝元素的边界，镁元素均匀分布于整个表面。
借助18KW D/MAX2500VX射线衍射分析仪，分析试样的相组成。参见图2，所有的衍射峰都是Al，Si或蛇纹石，没有观察到其他的化合物。结果表明烧结过程中没有发生化学反应。
借助CMT5105万能试验机，得到四种材料（A,B,C,D）的压缩强度。可见本发明材料的压缩强度有所提高。参见图3。
借助MM-W1摩擦磨损试验机，得到四种材料（A,B,C,D）与淬回火后的20CrMnTi钢材料的摩擦系数。可见本发明材料拥有较好的减摩效果。

Claims (7)

1.一种铝-硅-蛇纹石减摩复合材料，其特征在于该复合材料的组成及质量百分含量为：
蛇纹石 0.1~5%，
Si 1~18%，
Al 余量。
2.根据权利要求1所述的铝-硅-蛇纹石减摩复合材料，其特征在于所述的蛇纹石粉为一种硅酸盐矿物，其主要成分为：SiO2≥40%, MgO≥40%, Fe203≥5%，颗粒粒径≤10微米。
3.一种制备根据权利要求1所述的铝-硅-蛇纹石减摩复合材料的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：
将铝粉、硅粉和蛇纹石粉末分别球磨，满足平均粒径介于0.1～1微米之间；
将蛇纹石粉末进行表面修饰；
将步骤a和步骤b所得铝、硅、蛇纹石粉末混合均匀，并在惰性气氛保护下二次球磨，使得复合粉末发生冷焊，得到铝/硅/蛇纹石的复合粉末；
对步骤c所得复合粉末进行致密化和烧结处理，得到复合锭坯；
对步骤d所得复合锭坯进行热变形加工和热处理，得到铝-硅-蛇纹石减摩复合材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的步骤b的具体过程为：对蛇纹石进行加热预处理，加热温度为100~400℃；采用甲苯做溶剂，加入过程控制剂（控制剂选自脂肪醇、有机硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、极性马来酸酐中的一至多种），回流，氮氛环境（磁搅拌）；然后用甲苯/乙醇洗，烘干。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤d所述的致密化过程为冷压或冷等静压。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤d所述的烧结过程为气氛烧结、真空热压烧结、放电离子束烧结或热等静压烧结，烧结温度为500℃～600℃。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤d所述的热变形加工为：热挤压、热锻或热轧。
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