CN101845580A - 铜基碳化钛金属陶瓷自润滑耐磨材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于轴承制造上的铜基碳化钛金属陶瓷自润滑耐磨材料。按照本发明提供的技术方案，所述铜基碳化钛金属陶瓷自润滑耐磨材料包含有铜、碳化钛和氮化硼，每种成分的重量份数配比为：铜(Cu)，20～45份；碳化钛(TiC)，40～80份；氮化硼(BN)，0.1～15份。本发明的耐磨材料具有耐高温、承载能力大、自润滑及高耐磨等特点，可满足高温高速轴承的需要。

Description

铜基碳化钛金属陶瓷自润滑耐磨材料

技术领域

本发明属于材料合成技术领域，涉及一种可用于高温高速轴承制造上的耐磨材料，具体是一种铜基碳化钛金属陶瓷自润滑耐磨材料。

背景技术

在航空喷气发动机、冶金高速轧机、机床母机中使用的轴承，因工作在高速、高温条件下，要求刚性好、温升低，能够承受大的离心力。一般来说，应用于喷气发动机主轴的高圆周速度轴承dn值可达220万，而用于牙科钻机的高角速度轴承其dn值可达63万。这种高速下工作的轴承存在的最大问题就是离心力及温升。

普通的合金轴承主要是通过热处理(固溶→淬火→回火)工艺获得高的硬度来提高轴承材料的耐磨性和使用寿命。当轴承在高温或高速条件下工作时，高温度将造成合金中弥散析出的硬化相的回溶，引起轴承材料的硬度急剧下降，从而造成轴承的过早失效。如常用的高碳铬轴承钢最高实际使用温度仅为170℃，其改型的轴承钢号的最高使用温度也只有250℃。当工作温度超过170℃或250℃，轴承套圈和滚动体的硬度往往降低到58HRC以下，这对轴承的耐磨性和使用寿命都有严重影响。陶瓷轴承虽能承受高温和高速的工作条件，但是由于陶瓷材料的脆性，加工比较困难，而且陶瓷材料与金属轴的热膨胀系数的不匹配——陶瓷材料的热膨胀系数小，金属的热膨胀系数大，会在陶瓷轴承的内圈引起很大的张力，从而使得陶瓷轴承的应用受到很大的限制。

目前，金属或陶瓷基轴承自润滑材料是将固体润滑剂作为润滑组元加入到金属或陶瓷基体中形成的复合材料。其摩擦学特性取决于摩擦过程中基体所含固体润滑剂的析出和弥散分布。能承受高的烧结温度而不丧失润滑特性的固体润滑剂很少，而且其分布不均匀性和对基体连续性的破坏会显著降低复合材料的强韧性和耐磨性。另外，由于固体润滑剂的加入(通常固体润滑剂材料都具有不浸润的特性)，烧结后的轴承材料的强度很低，耐磨性不佳，且不适于高承载的工作条件。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种铜基碳化钛金属陶瓷自润滑耐磨材料，该耐磨材料具有耐高温、承载能力大、自润滑及高耐磨等特点，可满足高温高速轴承的需要。

按照本发明提供的技术方案，所述铜基碳化钛金属陶瓷自润滑耐磨材料包含有铜、碳化钛和氮化硼，每种成分的重量份数配比为：铜(Cu)，20～45份；碳化钛(TiC)，40～80份；氮化硼(BN)，0.1～15份。

作为本发明的进一步改进，所述耐磨材料还包含有铝，铝的重量份数为大于0小于等于10份。

金属陶瓷材料是由金属相和陶瓷相组成的一种复合材料，其既具有金属的韧性和高导热性能，又具有陶瓷的高硬度、耐腐蚀和耐热性能。本发明所述的金属陶瓷自润滑耐磨材料与现有技术相比，具有如下优点：

(1)、本发明选用铜作为金属相材料，由于铜具有很高的导热性能，可以有效降低高速运转轴承由于摩擦产生的温升，而且铜具有良好的塑性，可使铜基金属陶瓷具有良好的韧性。

(2)、本发明选用碳化钛(TiC)作为陶瓷相材料，高体积份数陶瓷强化相的存在使得本发明的耐磨材料在600℃以下具有足够的强度、硬度来维持轴承的高速运转；而且由于所选择的陶瓷相在金属基体中的溶解度很小，温度的上升不会引起金属陶瓷强度、硬度显著下降。

(3)、本发明的金属陶瓷自润滑耐磨材料中还添加了适量的氮化硼(BN)作为固体润滑剂，在高温摩擦时，氮化硼(BN)既能够有效地降低摩擦系数，减少摩擦热量的产生，又能够减少和防止滚动体和内外圈之间的粘着，从而有效地延长轴承的高温使用性能。

4)、由于氮化硼润滑剂具有不浸润的特性，为了提高金属陶瓷自润滑材料的烧结性能，添加少量组份的铝。少量组份的铝的加入可以有效改善金属陶瓷自润滑材料的烧结性能，并显著提高其机械性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

下述实施例均采用在真空或空气中燃烧合成加动态加压致密化技术来制备耐磨材料。对于工作温度高，载荷大的轴承用耐磨材料，可采用在真空环境燃烧合成加动态致密化工艺，真空环境大大减少了气体被裹覆在金属陶瓷内的机会，显著提高了金属陶瓷的致密度，合成耐磨材料的强度、硬度更高，适合用于制作高温高速高承载轴承。对于载荷较低，但转速要求高的轴承用耐磨材料，可在空气中进行燃烧合成。由于空气的存在，合成的金属陶瓷中通常会含有5～15vol％微小孔隙，这些微小孔隙可以用于储存润滑油，以强化轴承高速运行的润滑效果。

实施例1：

按重量份数称取铜粉30份，钛粉和碳粉共60份(钛粉和碳粉的摩尔比应为1∶1)，氮化硼(BN)10份；分别将称取的粉末在高温真空条件下进行干燥和脱气，再球磨混合均匀；然后采用模压(压强在10～200Mpa之间)压制成φ12厘米的毛坯；将压制好的毛坯放入模具中，抽真空并点燃压坯；在压坯完全燃烧后且仍处于半熔化状态时，利用压机通过模具向毛坯施压，由于没有空气，从而可获得高致密的金属陶瓷自润滑耐磨材料。当然，必要时，还可以添加一些石墨等其它物质。

对获得的耐磨材料进行检测，该耐磨材料的三点弯曲抗弯强度达1100MPa，压溃强度为1600MPa，摩擦系数为0.19，导热率为96W/mK，对比摩擦试验(压力为15N，相对摩擦速度为200m/s)表明，本发明的自润滑耐磨材料耐耗率只有轴承钢GCr15的28％。

实施例2：

按重量份数称取铜粉20份，钛粉和碳粉共72份(钛粉和碳粉的摩尔比应为1∶1)，氮化硼(BN)5份，铝3份；分别将称取的粉末在高温真空条件下进行干燥和脱气，再球磨混合均匀；然后采用模压(压强在10～200Mpa之间)压制成φ12厘米的毛坯；将压制好的毛坯放入模具中，抽真空并点燃压坯；在压坯完全燃烧后且仍处于半熔化状态时，利用压机通过模具向毛坯施压，由于没有空气，从而可获得高致密的金属陶瓷自润滑耐磨材料。

对获得的耐磨材料进行检测，对获得的耐磨材料进行检测，该耐磨材料的三点抗弯强度达700MPa，压溃强度为1200MPa，摩擦系数为0.21，导热率为50W/mK，对比摩擦试验(压力为15N，相对摩擦速度为200m/s)表明，本发明的自润滑耐磨材料耐耗率只有轴承钢GCr15的22％。

实施例3：

按重量份数称取铜粉40份，钛粉和碳粉共55份(钛粉和碳粉的摩尔比应为1∶1)，氮化硼(BN)3份，铝2份；分别将称取的粉末在高温真空条件下进行干燥和脱气，再球磨混合均匀；然后采用模压(压强在10～200Mpa之间)压制成φ12厘米的毛坯；将压制好的毛坯放入模具中，抽真空并点燃压坯；在压坯完全燃烧后且仍处于半熔化状态时，利用压机通过模具向毛坯施压，由于没有空气，从而可获得高致密的金属陶瓷自润滑耐磨材料。

对获得的耐磨材料进行检测，对获得的耐磨材料进行检测，该耐磨材料的三点抗弯强度达1200MPa，压溃强度为1800MPa，摩擦系数为0.27，导热率为120W/mK，对比摩擦试验(压力为15N，相对摩擦速度为200m/s)表明，本发明的自润滑耐磨材料耐耗率只有轴承钢GCr15的30％。

Claims (2)

1.铜基碳化钛金属陶瓷自润滑耐磨材料，其特征在于：该耐磨材料包含有铜、碳化钛和氮化硼，每种成分的重量份数配比为：铜(Cu)，20～45份；碳化钛(TiC)，40～80份；氮化硼(BN)，0.1～15份。

2.如权利要求1所述的铜基碳化钛金属陶瓷自润滑耐磨材料，其特征在于：所述耐磨材料还包含有铝，铝的重量份数为大于0小于等于10份。