CN1217438A - 金属基润滑耐磨功能梯度材料 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种金属基润滑耐磨功能梯度材料。它不同于现有的整体或复合润滑耐磨材料,它是金属M与金属硫化物M[S]及金属氧化物M[O]联合组成的复合材料,M[S]及M[O]的浓度从表面到内部逐步降低,而金属M的浓度从表面到内部逐步增加,是一种具有润滑,耐磨等特殊功能,且保持金属的强韧性优点的梯度材料。

Description

金属基润滑耐磨功能梯度材料
通常按照结构，材料分为两大类即整体材料和复合材料，具有润滑耐磨性能的材料也是如此。整体材料是金属，塑料或陶瓷等组成的统一均质材料，如滑动轴承可以由均质铜合金，塑料制成；而复合材料则种类较多，一般来说有(1)基材外覆盖其他金属或高分子化合物等，如钢材外覆盖一层铜或铝，汽油机，柴油机的轴瓦就是如此，有的在外层铜或铝上镀一层巴氏合金，(2)以石墨纤维加环氧树脂的低摩擦复合材料(USpatent.4,072.084),(3)采用沉积，溅射，电镀，离子镀以至离子注入形成元素及化合物的减摩层(摩擦学报1994年3期P205,4期P314)，以及应用真空或高温环境的镀银轴承等。
以上三种复合材料其共同特点：不同材料的混合或复合，即不同材料浓度的分布是均匀的或突变的，而不是依照使用性能采取逐渐变化的分布。
硫化物与氧化物在金属中常使金属的性能变坏，如在钢中，硫化物和氧化物都是杂质元素，其含量严格限制在很小范围。造成性能变坏的原因是硫化物与氧化物在钢中形状不规则，且呈零散不规则分布。
本发明的目的在于提供一种新型的复合材料，是一种梯度结构的复合材料，具有高的润滑及低的磨损性能
本发明的目的是通过以下措施来达到的：
此梯度材料是由各种金属或粉末冶金材料(用M表示)作为基础材料，如铁，铜，镍，钼及其合金或金属及其合金的镀，渗，涂，沉积层。金属M与金属硫化物(用M[S]表示)，金属氧化物(用M[O]表示)组成的复合材料。M[S]及M[O]化合物浓度Ds及Do从表面到内部逐步降低，在表面M[S]及M[O]的浓度最高。
从表面到内部的厚度设为X
则氧化物浓度梯度为dDo/dx
硫化物浓度梯度为dDs/dx
而金属的浓度梯度为-dDM/dx DM为金属M的浓度
在本材料中类型Ⅰ．基础材料M的浓度DM，在表面最低且自表面到内部逐步增加，氧化物M[O]的浓度Do及硫化物M[S]的浓度Ds在表面最高，自表面到内部逐步降低分布。
氧化物的浓度梯度大于硫化物的浓度梯度即dDo/dx＞dDs/dx氧化物与硫化物、金属不同比例的配合，可以得到不同的润滑耐磨性能与机械性能。氧化物与硫化物浓度的比例为0％＜Do/Do+Ds＜30％
                    或0％＜Ds/Do+Ds＜30％类型Ⅱ．上述类型Ⅰ．硫化物与氧化物分布金属M中，在硫化物浓度Ds与氧化物浓度Do的最高而金属浓度的最低处，有一层纯化合物层，此层中只有硫化物与氧化物
在此层中dDs/dx＜dDo/dx，且DM=0
在本类型Ⅱ．中，硫化物与氧化物的浓度比例
              0％＜Do/Do+Ds＜35％
            或0％＜Ds/Do+Ds＜30％氧化物与硫化物不同比例的配合，可以得到不同的润滑耐磨性能与机械性能。
本发明的基础材料M是(1)各种金属或粉末冶金材料，如铁，铜，镍，钼及其合金；(2)上述(1)中的材料经电镀，离子镀，化学镀及电沉积，气相沉积，气、液、固相渗各种金属及碳、氮、硼、硅、硒等非金属，或两种及三种以上元素的共渗，共镀，共沉积层。
本发明中梯度材料的形状是线状、管状、球状、棒状、板状或是已加工成的机械零件，如轴、曲轴、活塞环、阀门、泵体、气缸体、齿轮、蜗轮蜗杆、链条、钻头、滚刀、铣刀、轧辊、轴承零件、连接轴零件等。
本发明包括由于制造方法不成熟，M[S]或M[O]梯度不规则但其使用性能仍较好的材料。
梯度材料制造方法是在密闭设备或低压设备中放置基材M，通入硫及氧，在一定温度下化合而成，M[S]及M[O]从表面到内部浓度逐步降低的梯度材料，或在基材M上施加高压，或通入金属卤化物以加速M[S]及M[O]的形成；也可以用喷涂、沉积、以至粉末烧结的方法形成润滑耐磨功能梯度材料。根据所形成的氧化物、硫化物，可将以上所述方法共同操作或交替操作以得到所需性能的润滑耐磨功能梯度材料。
                   实施例一
基础材料是钼及其合金，或其他金属如钢、铁、铜、镍、钛、铝等合金的钼及其合金镀层、渗层、沉积层、喷涂层。
类型Ⅰ．基材钼或钼层上，钼元素〔图1中(1)〕的浓度DM表面最低，从表面到内部逐步增加；而MoS2〔图1中(2)〕及MoO3〔图1中(3)〕的浓度Ds及Do自表面到内部逐步降低。
从表面到内部的厚度设为X,MoS2的浓度为Ds,MoO3的浓度为Do
MoO3的浓度梯度大于MoS2的浓度梯度即dDo/dx＞dDs/dx
MoO3,MoS2的比例为0％＜Do/Do+Ds＜20％
类型Ⅱ．在类型Ⅰ．中的MoS2〔图2中(2)〕及MoO3〔图2中(3)〕浓度最高而钼元素〔图2中(1)〕浓度DM最低处，存在一层纯硫化钼及氧化钼层〔图2中(4)〕，而铝元素不存在。硫化钼及氧化钼不同比例配合可以得到不同性能。
在此类型中dDs/dx＜dDo/dx；0.1％＜Do/Do+Ds＜20％
此梯度材料中，当MoS2浓度越高，其摩擦系数越小；当Mo元素含量越高其韧性越好。
                   实施例二
基础材料是钨及其合金，或其他金属如钢、铁、铜、镍、钛、铝等合金的钨及其合金的镀层、渗层、沉积层、喷涂层。
类型Ⅰ．基材钨或钨层上，钨元素的浓度DM表面最低，从表面到内部逐步增加；而WS2及WO3的浓度Ds及Do自表面到内部逐步降低。
从表面到内部的厚度设为X,WS2的浓度为Ds,WO3的浓度为Do
WO3的浓度梯度大于WS2的浓度梯度即dDo/dx＞dDs/dx
WO3,WS2的比例为0％＜Do/Do+Ds＜30％
类型Ⅱ．在类型Ⅰ．中的WS2及WO3浓度最高表面，可以存在一层纯硫化钨及氧化钨层而钨元素不存在。
在此类型中dDs/dx＜dDo/dx Dw=0；
在类型Ⅰ．及类型Ⅱ．中硫化钨及氧化钨不同比例配合可以得到不同性能。
0％＜Do/Do+Ds＜20％
                   实施例三
基础材料是钢铁，如碳钢、合金钢、球墨铸铁、蠕墨铸铁、合金铸铁、铁基粉末合金等。
钢的硫化物M[S]有硫化亚铁FeS，硫化铁FeS2；在材料中FeS的浓度大于FeS2的浓度；氧化物M[O]有Fe3O4、Fe2O3、FeO。
类型Ⅰ．氧化物M[O]的浓度Do及硫化物M[S]的浓度Ds在表面最大，自表面到内部逐步降低呈梯度分布于钢铁中。
从表面到内部的厚度设为X，
M[O]的浓度梯度大于M[S]的浓度梯度即dDo/dx＞dDs/dx
M[O],M[S]的比例为0％＜Do/Do+Ds＜30％
而铁元素的浓度DM在表面最低，从表面到内部逐步增加。
类型Ⅱ．在类型Ⅰ．中的硫化物M[S]及氧化物M[O]的浓度最高而铁元素浓度最低表面，存在一纯硫化物及氧化物层且铁元素不存在。
在此类型中dDs/dx＜dDo/dx
          0.1％＜Do/Do+Ds＜35％ DFe=0
在类型Ⅱ．中，当化合物层中FeS浓度越高，其摩擦系数越低；
当dDs/dx＜dDo/dx DFe=0且化合物层的表面只有Fe3O4时，梯度材料有较好的耐蚀性；在材料磨损后期，氧化物浓度较高时，材料磨损较小。
在合金钢中由于含有合金元素，制造过程中与硫、氧反应，可以出现合金元素的硫化物及氧化物。
                    实施例四
基础材料是铜及其合金，或其他金属如钢、铁、镍、钛、钼、铝等合金的铜及其合金镀层、渗层、沉积层、喷涂层与铜基粉末冶金等。
铜的硫化物M[S]有CuS、Cu2S；在材料中CuS的浓度大于Cu2S的浓度；氧化物M[O]有CuO、Cu2O。
类型Ⅰ．氧化物M[O]的浓度Do及硫化物M[S]的浓度Ds在表面浓度最高，自表面到内部逐步降低呈梯度分布于铜及其合金中。
从表面到内部的厚度设为X，
M[O]的浓度梯度大于M[S]的浓度梯度即dDo/dx＞dDs/dx
M[O],M[S]的比例为0％＜Do/Do+Ds＜30％
而铜元素的浓度DM在表面最低，从表面到内部逐步增加。
类型Ⅱ．在类型Ⅰ．中的硫化物M[S]及氧化物M[O]的浓度最高而铜元素浓度最低处，存在一纯硫化物及氧化物层且铜元素不存在。
在此类型中dDs/dx＜dDo/dx DM=0；
          0％＜Do/Do+Ds＜35％
                   实施例五
基础材料是钴及其合金，或其他金属如钢、铁、铜、镍、钛、钼、铝等合金的钴及其合金镀层、渗层、沉积层、喷涂层与钴基硬质合金等。
钴的硫化物Co[S]；氧化物Co[O]。
类型Ⅰ．氧化物Co[O]的浓度Do及硫化物Co[S]的浓度Ds在表面最大，自表面到内部逐步降低呈梯度分布于钴及其合金中。
从表面到内部的厚度设为X，
Co[O]的浓度梯度大于Co[S]的浓度梯度即dDo/dx＞dDs/dx
Co[O],Co[S]的比例为0％＜Do/Do+Ds＜10％
而钴元素的浓度DM在表面最低，从表面到内部逐步增加。
类型Ⅱ．在类型Ⅰ．中的硫化物Co[S]及氧化物Co[O]的浓度最高而钴元素浓度最低处，存在一纯硫化物及氧化物层且钴元素不存在。
在此类型中dDs/dx＜dDo/dx DM=0
          0％＜Do/Do+Ds＜15％
                   实施例六
基础材料是镍及其合金，或其他金属如钢、铁、铜、钴、钛、钼、铝等合金的镍及其合金镀层、渗层、沉积层、喷涂层等。
镍的硫化物Ni[S]，氧化物Ni[O]。
类型Ⅰ．氧化物Ni[O]的浓度Do及硫化物Ni[S]的浓度Ds在表面最大，自表面到内部逐步降低呈梯度分布于镍及其合金中。
从表面到内部的厚度设为X,
Ni[O]的浓度梯度大于Ni[S]的浓度梯度即dDo/dx＞dDs/dx
Ni[O],Ni[S]的比例为0％＜Do/Do+Ds＜15％
而镍元素的浓度DM在表面最低，从表面到内部逐步增加。
类型Ⅱ．在类型Ⅰ．中的硫化物Ni[S]及氧化物Ni[O]的浓度最高而镍元素浓度最低处，存在一纯硫化物及氧化物层且镍元素不存在。
在此类型中dDs/dx＜dDo/dx DM=0
          0％＜Do/Do+Ds＜20％
                   实施例七
基础材料是钛及其合金，或其他金属如钢、铁、铜、钴、镍、钼、铝等合金的钛及其合金镀层、渗层、沉积层、喷涂层等。
钛的硫化物Ti[S]，氧化物Ti[O]。
类型Ⅰ．氧化物Ti[O]的浓度Do及硫化物Ti[S]的浓度Ds在表面最大，自表面到内部逐步降低呈梯度分布于钛及其合金中。
从表面到内部的厚度设为X，
Ti[O]的浓度梯度大于Ti[S]的浓度梯度即dDo/dx＞dDs/dx
Ti[O],Ti[S]的比例为0％＜Do/Do+Ds＜30％
而钛元素的浓度DM在表面最低，从表面到内部逐步增加。
类型Ⅱ．在类型Ⅰ．中的硫化物Ti[S]及氧化物Ti[O]的浓度最高而钛元素浓度最低处，存在一纯硫化物及氧化物层且钛元素不存在。
在此类型中dDs/dx＜dDo/dx DM=0
          0％＜Do/Do+Ds＜35％
                    实施例八
基础材料是铍或铝及其合金，或其他金属如钢、铁、镍、钛、钼等合金的铍或铝及其合金镀层、渗层、沉积层、喷涂层等。
铍或铝的硫化物M[S]，氧化物M[O]。
类型Ⅰ．氧化物M[O]的浓度Do及硫化物M[S]的浓度Ds在表面最大，自表面到内部逐步降低呈梯度分布于铍或铝及其合金中。
从表面到内部的厚度设为X,
M[O]的浓度梯度大于M[S]的浓度梯度即dDo/dx＞dDs/dx
M[O],M[S]的比例为0％＜Ds/Do+Ds＜30％
而铍或铝元素的浓度DM在表面最低，从表面到内部逐步增加。
类型Ⅱ．在类型Ⅰ．中的硫化物M[S]及氧化物M[O]的浓度最高而铍或铝元素浓度最低处，存在一纯硫化物及氧化物层且铍或铝元素不存在。
在此类型中dDs/dx＜dDo/dx DM=0
          0％＜Ds/Do+Ds＜30％
                    实施例九
基础材料是钽或铌及其合金，或其他金属如钢、铁、镍、钛、钼、铝等合金的钽或铌及其合金镀层、渗层、沉积层、喷涂层等。
钽或铌的硫化物M[S]，氧化物M[O]。
类型Ⅰ．氧化物M[O]的浓度Do及硫化物M[S]的浓度Ds在表面最大，自表面到内部逐步降低呈梯度分布于钽或铌及其合金中。
从表面到内部的厚度设为X,
M[O]的浓度梯度大于M[S]的浓度梯度即dDo/dx＞dDs/dx
M[O],M[S]的比例为0％＜Do/Do+Ds＜25％
而钽或铌元素的浓度DM在表面最低，从表面到内部逐步增加。
类型Ⅱ．在类型Ⅰ．中的硫化物M[S]及氧化物M[O]的浓度最高而钽或铌元素浓度最低处，存在一纯硫化物及氧化物层且钽或铌元素不存在。
在此类型中dDs/dx＜dDo/dx DM=0
          0％＜Do/Do+Ds＜30％

Claims (5)

1．一种复合材料，其特征是由各种金属或粉末冶金材料作为基础材料(用M表示)，如铁，铜，镍，钼及其合金或金属及其合金的镀，渗，涂，沉积层。金属M与金属硫化物(用M[S]表示)，金属氧化物(用M[O]表示)组成的复合材料。M[S]及M[O]的浓度从表面到内部逐步降低，而金属M的浓度从表面到内部逐步增加，是梯度结构的复合材料。
2．根据权利要求1．所述的复合材料，其特征是此复合材料有两种类型：类型Ⅰ．在基础材料中，M[S]及M[O]的浓度从表面到内部逐步降低，在表面M[S]及M[O]的浓度最高，而M的浓度最低。类型Ⅱ．在基础材料中，M[S]及M[O]的浓度在金属M中自表面到内部逐步降低，在M[S]及M[O]的浓度最高而M的浓度最低处，存在一无金属M，只有M[S]及M[O]的纯化合物表面。
3．根据权利要求1．2．所述的梯度材料制造的机械零件或机器。
4．根据权利要求1．2．所述的梯度材料制成的板，棒，管材，或各种型材。
5．根据权利要求1．2．所述的梯度材料制造的各种设备。
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