CN102391000B - 用于陶瓷滑动轴承的复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
用于陶瓷滑动轴承的复合材料的制备方法，它涉及一种复合材料的制备方法。解决目前陶瓷滑动轴承不具备耐腐蚀、耐磨损，摩擦系数小且耐热冲击特点的问题。方案一：所述复合材料按体积份数由5-45份的石墨和55-95份的碳化硅为组成；方案二：取石墨粉、活性炭粉和碳化硅粉在球磨罐中进行均匀混合；在钢模中压制成轴承的粉末压坯；将粉末压坯放在熔融的硅液体中浸润；将粉末压坯置于烧结炉中烧结；方案三与方案二的不同之处为取石墨粉、活性炭粉和硅粉在球磨罐中进行均匀混合。本发明用于制造滑动轴承。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制备方法。
背景技术
机械装置中高速运转的主轴多采用滚动轴承。但在高温无润滑的工况则采用陶瓷轴承。而高温重载荷工况无润滑或有腐蚀性介质的工况，多采用陶瓷材料或优质石墨材料制成的滑动轴承。上述轴承要求具备耐高温、耐腐蚀、耐磨损、自润滑、长寿命的特点。轴承材料多采用自润滑性能较好的碳化硅陶瓷或石墨材料。在实际工况中发现，碳化硅陶瓷滑动轴承耐磨耐腐蚀性能好但自润滑性能不足，高速运转时剧烈的温升导致陶瓷件炸裂而失效。石墨陶瓷滑动轴承虽然自润滑性能优异，耐腐蚀性能好，但耐磨损性能差，使用寿命难以保证，因而急需开发一种既耐腐蚀、耐磨损，有具有摩擦系数小，耐热冲击的材料，满足上述工况的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于陶瓷滑动轴承的复合材料的制备方法，以解决目前陶瓷滑动轴承不具备耐腐蚀、耐磨损，摩擦系数小且耐热冲击特点的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：方案一：所述复合材料按体积份数比由5-45份的石墨和55-95份的碳化硅组成。
方案二：所述方法包括以下步骤：步骤一、取基体粉末和碳化硅粉在球磨罐中进行均匀混合，其中基体粉末的体积份数为5-45份，基体粉末由石墨粉和活性炭粉任意比构成，碳化硅粉的体积份数为50-90份，球磨罐中的磨球使用无压烧结到碳化硅，混合前加入聚乙烯醇作为粘接剂，聚乙烯醇为质量浓度为10％的溶液，该溶液的质量为基体粉末和碳化硅粉质量之和的3％-4％，混合时间为12-24小时，取出干燥破碎成小颗粒过筛，筛的目数为100-200目；
步骤二、在钢模中压制成轴承的粉末压坯；
步骤三、将粉末压坯放在熔融的硅液体中浸润，侵润时间为3-4小时，侵润过程中在熔融的硅液表面施加5-10MPa的氩气气压，侵润过程结束后缓慢降压至常压，取出浸润后的粉末压坯；
步骤四、将粉末压坯置于烧结炉中烧结，烧结温度为2100-2200℃，时间2-5小时。
方案三：所述方法包括以下步骤：
步骤一、取基体粉末和硅粉在球磨罐中进行均匀混合，其中基体粉末的体积份数为5-45份，基体粉末由石墨粉和活性炭粉任意比构成，硅粉的体积份数为5-35份，球磨罐中的磨球使用无压烧结到碳化硅，混合前加入聚乙烯醇作为粘接剂，聚乙烯醇为质量浓度为10％的溶液，该溶液的质量为基体粉末和碳化硅粉质量之和的3％-4％，混合时间为12-24小时，取出干燥破碎成小颗粒过筛，筛的目数为100-200目；
步骤二、在钢模中压制成轴承的粉末压坯；
步骤三、将粉末压坯放在熔融的硅液体中浸润，侵润时间为3-4小时，侵润过程中在熔融的硅液表面施加5-10MPa的氩气气压，侵润过程结束后缓慢降压至常压，取出浸润后的粉末压坯；
步骤四、将粉末压坯置于烧结炉中烧结，烧结温度为2100-2200℃，时间2-5小时。
本发明具有以下有益效果：1、制成的含石墨碳化硅烧结轴承的基体由石墨和碳化硅互穿网络构成的，不含游离硅，因而耐腐蚀性能优异。石墨与游离硅的反应所形成的碳化硅形成网络形骨架，起到支撑的作用。过量的石墨处于网络的空隙中，起到润滑和减磨的作用。制成的含石墨碳化硅滑动轴承具有良好的润滑性能、耐腐蚀性能、耐磨性能和抗热震的能力。经试验证明所得到的制品其摩擦系数降低，摩擦热明显减少，耐磨性能提高，可用于制作无润滑工况使用的滑动轴承；
2、本发明的制造方法中的侵润过程将未反应的游离硅继续与石墨反应以确保硅与石墨生成碳化硅的过程全部完成。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的复合材料按体积份数比由5-45份的石墨和55-95份的碳化硅组成。
具体实施方式二：本实施方式的复合材料按体积份数比由30份的石墨和70份的碳化硅组成。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式的复合材料按体积份数比由5份的石墨和95份的碳化硅组成。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式的方法包括以下步骤：所述方法包括以下步骤：步骤一、取基体粉末和碳化硅粉在球磨罐中进行均匀混合，其中基体粉末的体积份数为5-45份，基体粉末由石墨粉和活性炭粉任意比构成，碳化硅粉的体积份数为50-90份，球磨罐中的磨球使用无压烧结到碳化硅，混合前加入聚乙烯醇作为粘接剂，聚乙烯醇为质量浓度为10％的溶液，该溶液的质量为基体粉末和碳化硅粉质量之和的3％-4％，混合时间为12-24小时，取出干燥破碎成小颗粒过筛，筛的目数为100-200目；
步骤二、在钢模中压制成轴承的粉末压坯；
步骤三、将粉末压坯放在熔融的硅液体中浸润，侵润时间为3-4小时，侵润过程中在熔融的硅液表面施加5-10MPa的氩气气压，侵润过程结束后缓慢降压至常压，取出浸润后的粉末压坯；
步骤四、将粉末压坯置于烧结炉中烧结，烧结温度为2100-2200℃，时间2-5小时。
具体实施方式五：本实施方式的所述步骤四中的烧结炉为气压烧结炉，粉末压坯在烧结炉中烧结时，气压烧结炉内的压力为2-10Mpa，此步骤烧结粉末压坯效果更好。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式的方法包括以下步骤：步骤一、取基体粉末和硅粉在球磨罐中进行均匀混合，其中基体粉末的体积份数为5-45份，基体粉末由石墨粉和活性炭粉任意比构成，硅粉的体积份数为5-35份，球磨罐中的磨球使用无压烧结到碳化硅，混合前加入聚乙烯醇作为粘接剂，聚乙烯醇为质量浓度为10％的溶液，该溶液的质量为基体粉末和碳化硅粉质量之和的3％-4％，混合时间为12-24小时，取出干燥破碎成小颗粒过筛，筛的目数为100-200目；
步骤二、在钢模中压制成轴承的粉末压坯；
步骤三、将粉末压坯放在熔融的硅液体中浸润，侵润时间为3-4小时，侵润过程中在熔融的硅液表面施加5-10MPa的氩气气压，侵润过程结束后缓慢降压至常压，取出浸润后的粉末压坯；
步骤四、将粉末压坯置于烧结炉中烧结，烧结温度为2100-2200℃，时间2-5小时。
具体实施方式七：本实施方式的步骤四中的烧结炉为气压烧结炉，粉末压坯在烧结炉中烧结时，气压烧结炉内的压力为2-10Mpa，此步骤烧结粉末压坯效果更好。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。
具体实施例如下：
实施例1
取石墨粉和活性炭粉300克置于球磨罐中，其中石墨的目数为80目，加入9克质量浓度为10％的聚乙烯醇溶液作为粘接剂进行混合，磨球使用无压烧结到碳化硅。混合24小时后，取出干燥破碎成小颗粒过100目筛；在钢模中压制成外径50mm，内径40mm，高度60mm轴套和外径70mm，内径50mm，高度60mm轴承的粉末压坯；将粉末压坯至于熔融的硅液体中，侵润3-4小时；
所得到的碳化硅体的密度为2.67g/cm3，硬度为HV1034。将上述材料制成滑动轴承和轴承套安装到台架上试车，经30分钟的运行后轴承表面的温升从开始的17℃经过19分钟升到78℃，而后保持在78℃不再上升。而采用无压烧结的碳化硅陶瓷制作的轴承和轴承套运行30分钟后轴承的温度升到478℃，导致金属轴出现暗红的氧化色。将上述材料制成的轴承和轴套置于氢氟酸液体中在25℃搅动状态下浸泡168小时，质量损失4.4％，表面硬度降到HV878。
实施例2
石墨粉和活性炭粉300克，9克质量浓度为10％的聚乙烯醇溶液作为粘接剂置于球磨罐中进行混合，其中石墨的目数为80目；磨球使用无压烧结到碳化硅；混合24小时后，取出干燥破碎成小颗粒过200目筛；在钢模中压制成外径50mm，内径40mm，高度60mm轴套和外径70mm，内径50mm，高度60mm轴承的粉末压坯；将粉末压坯至于熔融的硅液体中，侵润3-4小时，侵润过程中在熔融的硅液表面施加5MPa的气压，侵润过程结束后缓慢降压至常压，取出工件。
所得到坯体的密度为2.76g/cm3.硬度为HV1154。将上述坯体磨削后制成滑动轴承和轴承套安装到台架上试车，经30分钟的运行后轴承表面的温升从开始的17℃经过14分钟升到62℃，而后保持在62℃不再上升。而采用无压烧结的碳化硅陶瓷制作的轴承和轴承套运行30分钟后轴承的温度升到478℃，导致金属轴出现暗红的氧化色。将上述材料制成的轴承和轴套置于氢氟酸液体中在25℃搅动状态下浸泡168小时，质量损失4.7％，表面硬度降到HV972。
实施例3
取80目石墨粉和活性炭粉300克，平均粒径14微米的碳化硅粉700克混合均匀，混合在球磨罐中进行，磨球使用无压烧结到碳化硅。混合前加入30克质量浓度为10％的聚乙烯醇溶液作为粘接剂，混合12小时后，取出干燥破碎成小颗粒过200目筛，在钢模中压制成外径50mm，内径40mm，高度60mm轴套和外径70mm，内径50mm，高度60mm轴承的粉末压坯；将浸润后的粉末压坯至于熔融的硅液体中，侵润3-4小时。侵润过程中在熔融的硅液表面施加5MPa的气压，侵润过程结束后缓慢降压至常压，取出工件，置于烧结炉中烧结，烧结温度2100℃，时间2-5小时。
所得到的烧结体的密度为2.56g/cm3.硬度为HV1174。将上述材料制成滑动轴承和轴承套安装到台架上试车，经30分钟的运行后轴承表面的温升从开始的17℃经过11分钟升到62℃，而后保持在62℃不再上升。而采用无压烧结的碳化硅陶瓷制作的轴承和轴承套运行30分钟后轴承的温度升到478℃，导致金属轴出现暗红的氧化色。将上述材料制成的轴承和轴套置于氢氟酸液体中在25℃搅动状态下浸泡168小时，质量损失0.007％，表面硬度为到HV1172。
实施例4
取200目石墨粉300克，平均粒径7微米的碳化硅粉700克，置于球磨罐中，加入碳化硅磨球占球磨罐体积的三分之一，同时加入35克质量浓度为10％的的聚乙烯醇作为粘接剂，混合大约24小时，干燥破碎后过200目筛，所得到的粉料在钢模中压制成外径50mm，内径40mm，高度60mm轴套和外径70mm，内径50mm，高度60mm轴承的粉末压坯，压力为150-200Mpa，置于装有熔融硅液的反应罐中侵润。罐中施加10MPa纯度为99.99％的氩气气压。侵润的时间为5小时。缓慢降压至常压后取出工件，置于气压烧结炉中烧结，烧结温度1755℃，时间3小时，气压为2MPa。
所得到的烧结体的密度为2.67g/cm3.硬度为HV1210。将上述材料制成滑动轴承和轴承套安装到台架上试车，经30分钟的运行后轴承表面的温升从开始的17℃经13分钟升至71℃后稳定在71℃不再上升。而采用无压烧结的碳化硅陶瓷制作的轴承和轴承套运行30分钟后轴承的温度升到467℃后抱死，同时导致金属轴出现暗红的氧化色。将上述材料制成的轴承和轴套置于氢氟酸液体中在25℃搅动状态下浸泡168小时，质量损失0.001％，表面硬度为到HV1203。
Claims (4)
1.一种用于陶瓷滑动轴承的复合材料的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
步骤一、取基体粉末和碳化硅粉在球磨罐中进行均匀混合，其中基体粉末的体积份数为5-45份，基体粉末由石墨粉和活性炭粉任意比构成，碳化硅粉的体积份数为50-90份，球磨罐中的磨球使用无压烧结碳化硅，混合前加入聚乙烯醇作为粘接剂，聚乙烯醇为质量浓度为10％的溶液，该溶液的质量为基体粉末和碳化硅粉质量之和的3％-4％，混合时间为12-24小时，取出干燥破碎成小颗粒过筛，筛的目数为100-200目；
步骤二、在钢模中压制成轴承的粉末压坯；
步骤三、将粉末压坯放在熔融的硅液体中浸润，浸润时间为3-4小时，浸润过程中在熔融的硅液表面施加5-10MPa的氩气气压，浸润过程结束后缓慢降压至常压，取出浸润后的粉末压坯；
步骤四、将粉末压坯置于烧结炉中烧结，烧结温度为2100-2200℃，时间2-5小时。
2.根据权利要求1所述用于陶瓷滑动轴承的复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤四中的烧结炉为气压烧结炉，粉末压坯在烧结炉中烧结时，气压烧结炉内的压力为2-10MPa。
3.一种用于陶瓷滑动轴承的复合材料的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
步骤一、取基体粉末和硅粉在球磨罐中进行均匀混合，其中基体粉末的体积份数为5-45份，基体粉末由石墨粉和活性炭粉任意比构成，硅粉的体积份数为5-35份，球磨罐中的磨球使用无压烧结碳化硅，混合前加入聚乙烯醇作为粘接剂，聚乙烯醇为质量浓度为10％的溶液，该溶液的质量为基体粉末和碳化硅粉质量之和的3％-4％，混合时间为12-24小时，取出干燥破碎成小颗粒过筛，筛的目数为100-200目；
步骤二、在钢模中压制成轴承的粉末压坯；
步骤三、将粉末压坯放在熔融的硅液体中浸润，浸润时间为3-4小时，浸润过程中在熔融的硅液表面施加5-10MPa的氩气气压，浸润过程结束后缓慢降压至常压，取出浸润后的粉末压坯；
步骤四、将粉末压坯置于烧结炉中烧结，烧结温度为2100-2200℃，时间2-5小时。
4.根据权利要求3所述用于陶瓷滑动轴承的复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤四中的烧结炉为气压烧结炉，粉末压坯在烧结炉中烧结时，气压烧结炉内的压力为2-10MPa。
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