CN108838387A - 一种润滑相为BaFe12O9的新型20CrMnTi基自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种润滑相为BaFe12O9的新型20CrMnTi基自润滑复合材料及其制备方法，包括如下步骤，以质量比为Fe:Cr:Mn:Ti:Si＝97.35：1.22：0.96：0.13：0.34作为20CrMnTi基复合材料的主要成分，选取BaFe12O9(wt％)为固体润滑相，添加质量分数为20CrMnTi基复合材料总质量的(10.0‑20.0)wt.％；将上述配料置于振动混料机内混合干混，得到烧结配料；将烧结配料采用放电等离子技术进行原位合成，得到一种润滑相为BaFe12O9的新型20CrMnTi基自润滑复合材料。固体润滑相BaFe12O9在摩擦磨损的过程中表现出优异的减摩抗磨性能，使得20CrMnTi基自润滑复合材料取得小的摩擦系数和低的磨损率，大大提升了20CrMnTi金属间化合物的摩擦学性能，进一步推动了20CrMnTi材料在航空、航天与汽车等工业领域中的应用。此外，还发现这种新型20CrMnTi基自润滑复合材料制备方法简单快捷，制备过程中工艺参数容易控制，具有很好的应用发展前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种润滑相为BaFe12O9的新型20CrMnTi基自润滑材料及其制备方法。
背景技术
如今的工业技术特别是航空、航天技术的迅速发展以及一些极端工况条件如高温、高载、强辐射等环境下的运动部件对于润滑材料的耐高温、耐磨损等性能有了越来越高的要求。因此，发展固体润滑技术，研发新型的自润滑减摩耐磨材料，以有效地解决传统润滑材料在苛刻工况下的润滑失效问题是势在必行的。20CrMnTi具有高强度和良好的塑形与韧性，良好的稳定性，可靠性高，安全性好特点，已被广泛应用于航空、航天、汽车、冶金与建材等工业领域中，且表现出巨大的发展潜力和迫切需求。【20CrMnTi钢回火组织与性能研究[J].杜树昌兵器材料科学与工程.1994(06)】、冶金工业【20CrMnTi冶炼过程控铝保钛生产实践[J].李玉祥.2015(03)】、汽车工业【消除汽车主动齿轮用钢20CrMnTi中带状组织的研究[J].颜礼功,李增,周晓玲.2006(05)】。因此，如何进一步提高20CrMnTi金属间化合物在苛刻条件下的强度、硬度等机械学性能与摩擦学性能是满足现代工业发展需求的前提条件。为进一步扩大其在工业领域中的应用范围，以BaFe12O9为润滑相制备一种新型的20CrMnTi基自润滑材料，用于提高20CrMnTi金属间化合物在极端苛刻环境下的摩擦学性能，就显得十分必要而迫切了。
发明内容
本发明的目的在于提供一种润滑相为BaFe12O9的新型20CrMnTi基自润滑复合材料及其制备方法。该自润滑复合材料的制备是把20CrMnTi基体粉末与BaFe12O9固体润滑剂粉末，在放电等离子烧结设备的作用下进行原位合成，得到一种润滑相为BaFe12O9的新型20CrMnTi基自润滑复合材料。其制备工艺能够保证所制备的20CrMnTi基自润滑复合材料具有良好的摩擦学性能、优良的热学性能等、且制备过程环保无污染、制备工艺参数易控制等。
为制备出一种润滑相为BaFe12O9的新型20CrMnTi基自润滑复合材料，所采取的制备方案为：
一种新型20CrMnTi基自润滑复合材料，它由Fe粉、Cr粉、Mn粉、Ti粉、Si粉和BaFe12O9原始粉末制备而成。其中，Fe粉、Cr粉、Mn粉、Ti粉与Si粉为20CrMnTi基体材料的主要组成成分，质量比为97.35：1.22：0.96：0.13：0.34。原始粉末BaFe12O9为20CrMnTi基自润滑复合材料的固体润滑相，添加质量分数为20CrMnTi基体材料的10.0-20.0wt.％。
一种新型20CrMnTi基自润滑复合材料的制备方法及其主要工艺流程有以下步骤：
1)初始粉末配比：选取BaFe12O9粉末为20CrMnTi基材料的固体润滑相，质量分数为10.0-20.0wt.％。将其加入到质量比为97.35Fe：1.22Cr：0.96Mn：0.13Ti：0.34Si的20CrMnTi基体粉末中，得到20CrMnTi基自润滑复合材料的初始配制粉末；
2)混合配料：把上述初始配料置于振动混料机内进行振动混合，得到混合混合均匀的放电等离子烧结配料；
3)放电等离子材料原位合成：将初始混合配料利用放电等离子烧结的方法得到以BaFe12O9为固体润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料。
所述步骤2)中，振动混料使用的实验装置外罐为钢罐，内罐为聚四氟乙烯，振动频率为10～90Hz，振动力为5000-15000N，振动时间为30-70min。
所述步骤3中，利用放电等离子技术制备出的一种以BaFe12O9为固体润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料。制备出的复合材料具有组织结构致密，晶粒尺寸分布均匀且无晶体缺陷等优点。
所述步骤3)中，烧结温度为600-1200℃、升温速率为70-100℃/min、烧结压力为15-30MPa、真空度为0.01-0.02Pa、保温时间为20-40min。
本发明的可行性是：
1、制备所需原材料价格低廉，来源广泛。制备以BaFe12O9为固体润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料所需设备成本较低且易于操作，适合批量、规模化生产与应用。
2、制备方法新颖，制备过程简单、效率高：以BaFe12O9为固体润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料制备工艺简便、节能、环保、低污染、制备效率高。
3、制备出的20CrMnTi基自润滑复合材料性能优良、用途广泛：利用放电等离子技术制备出的一种以BaFe12O9为固体润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料。其优点在于烧结反应稳定，周期短，制备出的自润滑复合材料组织结构致密，力学性能优异，减摩耐磨性能较好，且可被广泛作为航空、航天与汽车等工业领域中在极端环境下传动齿轮的优选材料。
4、利用放电等离子烧结技术制备一种以BaFe12O9为固体润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料，使复合材料的合成效率有了大幅度提升，进一步节约了能源，避免了因原始粉末BaFe12O9的加入导致的杂相产生，且降低了复合材料的合成成本。
综上所述，本发明利用放电等离子烧结技术制备出的一种以BaFe12O9为固体润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料及其合成方法，具有制备工艺简单，制备效率高且易于操作，在制备过程中反应稳定，节能环保等。并且制备的自润滑复合材料具有较高的相纯度、良好的致密性、优异的减摩耐磨性能。而且制备过程简单、快捷、效率高，适合于批量生产与应用。
附图说明
图1是一种以BaFe12O9为固体润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料制备工艺流程。
图2是以BaFe12O9为固体润滑剂粉末场发射扫描电镜形貌图。
图3是本发明实施例2中一种以BaFe12O9为润滑相的新型20CrMnTi基自润滑材料在摩擦磨损试验后得到的磨痕的电子探针图。
图4和图5分别为室温条件下，测试本发明实施例1、2、3所制得的一种以BaFe12O9为润滑相的新型20CrMnTi基自润滑材料的摩擦系数和磨损率。
具体实施方式
以下结合附图和实施例进一步对本发明进行说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：
如图1所示，一种以BaFe12O9为固体润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料制备工艺流程：
1)初始粉末配比：20CrMnTi基体材料主要由Fe粉、Cr粉、Mn粉、Ti粉与Si粉制备而成。Fe粉、Cr粉、Mn粉、Ti粉与Si粉质量比为97.35：1.22：0.96：0.13：0.34。以BaFe12O9粉末为20CrMnTi基自润滑复合材料的固体润滑相，添加质量比为20CrMnTi基体材料的10.0wt.％；
2)混合配料：将上述初始配料置于振动混料机内进行干混，振动混料机外罐为钢罐，内罐为聚四氟乙烯，振动频率为30Hz，振动力为8000N，振荡时间为30min，得到烧结配料；
3)利用放电等离子技术制备一种以BaFe12O9为固体润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料，其烧结工艺为：烧结温度为950℃、升温速率为70℃/min、烧结压力为25MPa、真空度为1×10-1Pa、保温时间为20min；
图2所示为BaFe12O9固体润滑相的粉末场发射扫描电镜形貌图；
图3是本发明实施例2中一种以BaFe12O9为润滑相的新型20CrMnTi基自润滑材料在摩擦磨损试验后得到的磨痕的电子探针图。
在载荷为15N，滑移速度为0.5m/s，滑动时间为80min，对磨副为Si3N4陶瓷球，在常温湿度为50％的测试条件下，获得的摩擦系数和磨损率如图4与图5所示。由图4与图5可知，实施例1所制备的一种以BaFe12O9为固体润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料磨痕表面较为光滑，使其摩擦阻力与材料损失得以显著减少，获得的平均摩擦系数较小(0.30)，磨损率较低(4.15×10-4mm3/(Nm))。
实施例2：
1)初始粉末配比：20CrMnTi基体材料主要由Fe粉、Cr粉、Mn粉、Ti粉与Si粉制备而成。Fe粉、Cr粉、Mn粉、Ti粉与Si粉质量比为97.35：1.22：0.96：0.13：0.34。以BaFe12O9粉末为20CrMnTi基自润滑复合材料的固体润滑相，添加质量比为20CrMnTi基体材料的15.0wt.％。
2)混合配料：将上述初始配料置于振动混料机内进行干混，振动混料机外罐为钢罐，内罐为聚四氟乙烯，振动频率为45Hz，振动力为11000N，振荡时间为50min，得到烧结配料；
3)利用放电等离子技术制备一种以BaFe12O9为固体润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料，其烧结工艺为：烧结温度为1000℃、升温速率为80℃/min、烧结压力为27MPa、真空度为1.5×10-1Pa、保温时间为30min。
在载荷为10N，滑移速度为0.3m/s，滑动时间为80min，对磨副为Si3N4陶瓷球，在常温湿度为50％的测试条件下，获得的摩擦系数和磨损率如图4与图5所示。由图4与图5可知，，实施例2所制备的一种以BaFe12O9为固体润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料获得的平均摩擦系数较小，约为0.28，磨损率较低，约为4.05×10-4mm3/(Nm)。
实施例3：
1)初始粉末配比：20CrMnTi基体材料主要由Fe粉、Cr粉、Mn粉、Ti粉与Si粉制备而成。Fe粉、Cr粉、Mn粉、Ti粉与Si粉质量比为97.35：1.22：0.96：0.13：0.34。以BaFe12O9粉末为20CrMnTi基自润滑复合材料的固体润滑相，添加质量比为20CrMnTi基体材料的20.0wt.％；
2)混合配料：将上述初始配料置于振动混料机内进行干混，振动混料机外罐为钢罐，内罐为聚四氟乙烯，振动频率为60Hz，振动力为14000N，振荡时间为70min，得到烧结配料；
3)利用放电等离子技术制备一种以BaFe12O9为固体润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料，其烧结工艺为：：烧结温度为1200℃、升温速率为100℃/min、烧结压力为30MPa、真空度为2×10-1Pa、保温时间为40min；
在载荷为20N，滑移速度为0.7m/s，滑动时间为80min，对磨副为Si3N4陶瓷球，在常温湿度为50％的测试条件下，获得的摩擦系数和磨损率如图4与图5所示。由图4与图5可知，实施例2所制备的一种以BaFe12O9为固体润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料获得的平均摩擦系数较小，约为0.26，磨损率较低，约为4.08×10-4mm3/(Nm)。20CrMnTi基自润滑材料表明出良好的摩擦学性能，能够很好发展性与运用性，适合批量生产与应用。
本发明所列举的各原料都能实现本发明，以及各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明，本发明的工艺参数(如频率、温度、时间、真空度等)的上下限取值以及区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
Claims (5)
1.一种新型20CrMnTi基自润滑复合材料，它由Fe粉、Cr粉、Mn粉、Ti粉、Si粉和BaFe12O9原始粉末制备而成。其中，Fe粉、Cr粉、Mn粉、Ti粉与Si粉为20CrMnTi基体材料的主要组成成分，质量比为97.35：1.22：0.96：0.13：0.34。原始粉末BaFe12O9为20CrMnTi基自润滑复合材料的固体润滑相，添加质量分数为20CrMnTi基体材料的10.0-20.0wt.％。
2.一种新型20CrMnTi基自润滑复合材料的制备方法及其主要工艺流程有以下步骤：
1)初始粉末配比：选取BaFe12O9粉末为20CrMnTi基材料的固体润滑相，质量分数为10.0-20.0wt.％。将其加入到质量比为97.35Fe：1.22Cr：0.96Mn：0.13Ti：0.34Si的20CrMnTi基体粉末中，得到20CrMnTi基自润滑复合材料的初始配制粉末；
2)混合配料：把上述初始配料置于振动混料机内进行振动混合，得到混合混合均匀的放电等离子烧结配料；
3)放电等离子材料原位合成：将初始混合配料利用放电等离子烧结的方法得到以BaFe12O9为固体润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料。
3.如权利要求2所述的以BaFe12O9为润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料的制备方法，其混合条件在于步骤2)所述。振动混料使用的实验装置外罐为钢罐，内罐为聚四氟乙烯，振动频率为10～90Hz，振动力为5000-15000N，振动时间为30-70min。
4.如权利要求2所述的以BaFe12O9为润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料的制备方法，其制备过程在于所述步骤3)。利用放电等离子技术制备出的一种以BaFe12O9为固体润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料。制备出的复合材料具有组织结构致密，晶粒尺寸分布均匀且无晶体缺陷等优点。
5.如权利要求2所述的以BaFe12O9为润滑相的新型20CrMnTi基自润滑复合材料的制备方法，其烧结工艺在于步骤3)所述。烧结温度为600-1200℃、升温速率为70-100℃/min、烧结压力为15-30MPa、真空度为0.01-0.02Pa、保温时间为20-40min。
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| CN201810693117.0A CN108838387A (zh) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | 一种润滑相为BaFe12O9的新型20CrMnTi基自润滑复合材料及其制备方法 |
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|---|---|---|---|---|
| WO2001041162A1 (fr) * | 1999-11-30 | 2001-06-07 | Uchiyama Manufacturing Corp. | Composition de caoutchouc magnetique pour codeur |
| CN1956109A (zh) * | 2005-10-25 | 2007-05-02 | 四川大学 | 粘结型钐铁氮、钕铁氮、铁氧体永磁粉复合永磁材料及其制备方法 |
| CN101003701A (zh) * | 2006-12-31 | 2007-07-25 | 大连理工大学 | 填料颗粒梯度分散的功能性涂层的改性方法及应用 |
| CN202337751U (zh) * | 2011-12-15 | 2012-07-18 | 哈尔滨师范大学 | 一种多波段兼容隐身填料 |
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-
2018
- 2018-06-29 CN CN201810693117.0A patent/CN108838387A/zh active Pending
Patent Citations (6)
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 上海电站辅机厂: "《常用金属材料性能手册》", 30 November 1987, 上海电站辅机厂 * |
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