CN102703791A

CN102703791A - 一种添加ws2的高温耐磨自润滑复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102703791A
Application number: CN2012101481438A
Authority: CN
Inventors: 李长生; 孙建荣; 唐华; 刘金银子; 范有志; 钱周
Original assignee: WUXI RUNPENG COMPOSITE MATERIALS CO Ltd
Current assignee: WUXI RUNPENG COMPOSITE MATERIALS CO Ltd
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明涉及一种添加WS₂的高温耐磨自润滑复合材料及其制备方法。所述复合材料按质量百分比包括：WS₂：2%~25%、Cr：2%~30%、Ni：5%~35%、Cu：5%~30%、Fe：20%~30%。本发明采用粉末冶金法制备所述宽温度范围自润滑的合金材料。该复合材料具有较好的高温强度、耐热性、热稳定性和经济性，400~650℃下有优良的抗磨性能并且可实现自润滑，适应于高温设备滑动部件，实现了结构材料与润滑材料设计的一体化。

Description

一种添加WS2的高温耐磨自润滑复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐高温、耐磨的金属基自润滑复合材料，尤其涉及一种添加WS₂的高温耐磨自润滑复合材料及其制备方法，属于轴承合金材料领域。

背景技术

航空航天工业、核工业、冶金及化工等领域，其转动副零件常常工作在高温、高负荷、真空及强氧化、强辐射等苛刻的条件下工作，工作环境已远超过一般润滑油、润滑脂的使用极限。一般的润滑油脂在高温环境下都容易碳化、蒸发失效。

在高温、高速负载下运转的无油自润滑轴承、密封环等零部件材料要求强度好、自润滑性能好、耐腐蚀、减震降噪、抗异物侵入损伤等，一直是新型轴承研究开发的重点方向之一。如轧钢设备中的运输辊子轴承，工作在大冲击、高温等恶劣工况中。以往使用的滚动轴承易失效、寿命短、维护周期短，需要设计出机械性能与摩擦性能较优的滑动轴承代替，因而研究高温耐磨自润滑材料具有重要意义。

现有技术中高温耐磨材料是由耐高温基金属粉末和其他减摩组元材料压制、烧结、整形而成。一般的铁基和铜基由于强度不够，难以胜任轧钢环境的摩擦磨损，而W、Mo等难溶合金为基体的复合材料，成本太高，企业难以接受。

CN1125776A公开了一种钨-铜-镍-碳高温耐磨合金，并用其制成的制品，解决了合金或零件在高温、特别在急冷急热得作业中耐磨性能差、使用寿命短等问题。该合金的组成（重量百分含量）为15~60%WC，15~30%Cu，1~5%Ni，1~6%C，余量为W，该合金还可以添加其它添加剂，例如MoC等，以进一步提高其硬度和耐磨性。但是W含量较高，生产成本大幅提高，不利于规模化应用，同时，该合金的耐高温性能一般。

CN1772934A公开了一种高温耐磨合金，属于合金技术领域。该合金由如下重量比例的元素熔炼而成：Cu：5.3%、Mg：0.7%、Si：1.5%、Mn：3.3%、Zr：3.7%、Co：0.5%、Cr：3.5%、Ti：0.7%、S：0.6%、Fe：15%，余量为Al。该合金具有较好的高温耐磨性，但是其自润滑性较差。

CN101067185A公开了一种高温长寿自润滑耐磨合金材料。该自润滑材料的具体化学成分组成（质量%）为：C 0.35~0.45%，Si 0.9~1.2%，Mn 6.5~8.0%，Cr 15~16.5，Mo 0.35~0.45%，Cu 0.8~1.2%，Al 4.5~5.5%，S 0.25~0.45%，N0.01~0.10%，V 0.15~0.20%，B 0.05~0.15%，RE 0.01~0.15%，P≤0.025%，Ni≤0.3%，余量为铁。该合金材料具有优良的耐磨性能和减摩性能、使用寿命长等优点。但是该合金材料采用了大量的铁，铁基体本身强度较差，影响了其最终的高温力学性能。

现有的合金材料高温耐磨能力不足，无法同时满足耐高温、耐磨且自润滑的要求，并且存在着寿命短、维护难等缺点，尤其对于一些要求无油润滑的场合，现有合金材料无法满足其使用要求，因此，研究一种耐温、耐磨且自润滑性好的复合材料迫在眉睫。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种添加WS₂的高温耐磨自润滑复合材料。

本发明通过选用耐高温的基体材料，进行合理的材料配方设计，以最大限度地提高合金材料的综合技术性能，制备一种使用温度达400℃以上的摩擦系数低、耐磨损性能好、使用寿命长、自润滑的复合材料。

所述添加WS₂的高温耐磨自润滑复合材料，其按质量百分比包括：

自润滑复合材料的摩擦学设计思想立足于对复合材料各组分进行调整和优化,达到协同效应，使复合材料在摩擦过程中产生的氧化物膜具有减摩特性。

根据上述指导，选择的复合材料各组分由强度高的硬质相，结合牢固的粘结相和分散均匀的润滑相组成，使各组分的优点特征融合于一体中，制备成综合性能较好的材料。

Fe-Cr复合材料的耐磨性较好，但是塑性较差，影响加工性能。Ni元素在改善复合材料的塑性方面具有独特的优势，通过添加Ni元素改善Fe-Cr-Ni复合材料的塑性，有利于复合材料的强化。采用Fe-Cr-Ni高温合金为集体，具有很好的高温机械性能、韧性以及减摩耐磨性。

铜作为粘结相，在烧结过程中高温熔化的铜迅速填充气孔达到致密化烧结，提高了复合材料的密度和强度。

二硫化钨（WS₂）具有类似石墨片层的层状结构，层内是很强的共价键，层间则是很弱的范德华尔斯力，层与层很容易剥离，具有良好的各向异性及较低的摩擦系数。WS₂因其具有独特的理化性能，而在工业生产中得到广泛应用，例如固体润滑剂。

综上所述，因此在成分的设计上，选用高纯度的硬质颗粒的Fe、Cr、Ni金属，其作为增强功能原料，Cu作为粘结相，选用WS₂作为润滑减磨相，作为减磨功能材料，进而得到高温耐磨自润滑复合材料，实现了结构材料和润滑材料设计的一体化。

作为优选方案，所述复合材料中还包括有石墨，其按质量百分比包括：

从碳的原子结构分析，炭石墨材料本身就存在着润滑性。同一平面层的碳原子之间的距离和层面之间碳原子的距离很近。根据石墨的晶体结构可知，同一平面网层每个碳原子和相邻的三个碳原子间的距离都相等，构成正六边形环。由于每个碳原子除了与同一网层平面内的三个碳原子以强共价键结合外，还要与邻近网层中的碳原子与较弱的次价键相结合，因此网层之间由较弱的力将其结合在一起。因为原子间的距离越大，其结合力越小。根据计算层与层间的碳原子的结合力要比同一层内碳原子间的结合力小100多倍，所以层与层之间的结合就比较松，因此，石墨在受到外力作用时层面容易发生解理，出现解理面（基面），因此，石墨具有润滑的性质。

作为优选方案，所述复合材料按质量百分比包括：

纳米材料具有大的比表面积、低的熔点、高的扩散性等，不但可以在摩擦表面形成一层易剪切的薄膜，降低摩擦系数，而且还能对表面进行一定程度的修复和填补。因纳米材料的尺寸小，可以在摩擦副之间滚动，起到微轴承的作用，能对摩擦表面进行抛光和强化处理，并且支撑载荷，使承载能力提高，摩擦系数降低。另外，由于纳米材料的高的扩散能力，使其在金属表面形成一层渗透层或者扩散层，表现出原位摩擦学原理。因此，纳米材料具有优异的抗磨性能，但是，它又不同于一般的固体润滑材料，它是综合了液体润滑和固体润滑的双重优点。

因此，作为优选方案，本发明所述WS₂和石墨为直径为100nm以内的纳米粒子，例如5nm、10nm、15nm、20nm、95nm、94nm、85nm、70nm、65nm、55nm、50nm、45nm、40nm，优选80nm以内的纳米粒子，进一步优选60nm以内的纳米粒子。

所述WS₂和石墨也可以为三维空间尺度中至少有一维尺度＜100nm的片状物质。

本发明中所述Cr、Ni、Cu、Fe的粒径为300目以上，例如310目、320目、330目、340目、350目、360目、370目、380目、420目、430目、440目、460目、480目，优选300目~500目，进一步优选500目。

本领域技术人员可获知的石墨均可实现本发明。作为优选方案，本发明所述石墨为胶体石墨和/或膨胀石墨。膨胀石墨不仅具备天然石墨本身的耐热、耐腐蚀、耐辐射、自润滑等优良特性，而且还具备了天然石墨不具备的轻质、柔软、多孔、可压缩、回弹等性能。利用膨胀石墨制成的各种材料具有成本低、寿命长、效果好等优点。

本发明所述的“包括”，意指其除所述组分外，还可以包括其他组分，例如可以添加粘合剂、增塑剂、表面活性剂等。例如可以添加环氧树脂粘合剂，添加内增塑剂DOM，添加表面活性剂以减少纳米粒子的团聚现象。这些其他组分赋予所述复合材料不同的特性。除此之外，本发明所述的“包括”，还可以替换为封闭式的“为”或“由……组成”。

不管本发明所述添加WS₂的高温耐磨自润滑复合材料包括何种成分，所述复合材料的各组分之和均应为100%。

本发明的目的之二在于提供一种上述添加WS₂的高温耐磨自润滑复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

（1）将WS₂或WS₂和石墨与Cr、Ni、Cu、Fe混合，球磨，得到混合料；

（2）将上述混合料压模成型，并保压10s~30s，得到压模毛坯；

（3）将上述压模毛坯在真空或者惰性气体中进行烧结，得到添加WS₂的新型高温耐磨自润滑复合材料。

本发明首先通过粉末冶金方法制备得到混合料，然后通过热等静压法制备得到最终产品复合材料。

所述方法步骤（1）中可以为WS₂与Cr、Ni、Cu、Fe混合，也可以为WS₂和石墨与Cr、Ni、Cu、Fe混合。通过上述方法，可以得到分别含有WS₂、Cr、Ni、Cu、Fe和WS₂、石墨、Cr、Ni、Cu、Fe的复合材料。

另外，所述方法还可以制备得到除上述成分外添加有其他成分的复合材料。其可以得到如上述所描述的复合材料组成的复合材料。例如添加有表面活性剂、内增塑剂DOM、环氧树脂粘结剂等的复合材料。

对混合物料进行球磨，可以获得颗粒度较小以及分散均匀的混合料。

本领域技术人员可获知的惰性气体均可实现本发明，作为优选方案，所述惰性气体为氦气、氮气、氩气，优选氦气。

所述烧结温度为1000℃~1300℃，例如1020℃、1040℃、1060℃、1080℃、1280℃、1260℃、1240℃、1220℃，优选1110℃~1300℃，进一步优选1110℃~1230℃。烧结过程中，考虑到烧结体的自反应及合金的颗粒粗细度，应严格控制温度升高梯度，减少废品率。

所述烧结时间为1~4小时，例如3.8小时，3.6小时，3.4小时，3.7小时，3.9小时，1.1小时，1.3小时，1.5小时，1.6小时，1.7小时，1.8小时，优选1~3.5小时，进一步优选1~2小时。

本领域技术人员可根据需要选择合适的压模成型方式，并选择合适的模具。例如可以选择滑动轴承瓦模具在400吨压力机上进行压模成型，得到轴瓦毛坯，并利用上述所述方法进行烧结、保温得到耐高温自润滑轴承合金复合材料。通过本发明可以制备得到耐高温自润滑轴承合金复合材料，应用于核工业、冶金、化工及航天航空工业领域。压模成型为本领域现有技术，本发明不再赘述。在压模过程中，保持压力增加的梯度的合理性，可以获得结构密实的压模毛坯，提高最终产品的综合性能。

通过本发明制备得到的添加WS₂的高温耐磨自润滑复合材料具有较好的高温强度、耐热性、热稳定性和经济性，在高温尤其是400~650℃下有优良的抗磨性能并且可实现自润滑，适应于高温设备滑动部件，实现了结构材料与润滑材料设计的一体化。

本发明提供的一种耐高温、耐冲击、摩擦系数低、耐磨损性能好、使用寿命长、自润滑的复合材料。可广泛应用于航空航天工业、核工业、钢铁冶金及化工等重型机械装备中，尤其适用于其中的滑动部件，例如轴承。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明的合金适用于在高温工作环境中需要耐磨或自润滑的相应领域，本发明原料来源丰富，价格低廉，工作寿命大幅度延长，维护容易，且具有适应宽温度、自润滑、摩擦系数低等性能。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的描述。

图1：本发明制备得到的耐高温自润滑复合材料在不同温度条件下的摩擦系数测试结果；

图2：本发明制备得到的分散均匀的添加WS₂的高温耐磨自润滑复合材料的金相图。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例

按照本发明所述的添加WS₂的高温耐磨自润滑复合材料的制备方法制备得到所述复合材料，其组成、制备工艺参数见表1实施例1-实施例6所示：

表1：添加WS₂的高温耐磨自润滑复合材料的组成和制备条件

对本发明的产品进行力学性能、磨损性能测试，得到其抗压强度和磨损率，如表2所示：

表2实施例1-6添加WS₂的高温耐磨自润滑复合材料的性能测试

注：所述抗压强度和磨损率为400~650℃测试得到。

附图1为本发明制备得到的复合材料在不同条件下的摩擦系数测试图，结合上述测试，可以发现，本发明所述的添加WS₂的高温耐磨自润滑复合材料在高温下具有优异的力学性能，摩擦系数较小，磨损率较小，在高温下具有优良耐磨性能的同时实现了自润滑。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细组成和制备方法，但本发明并不局限于上述详细组成和制备方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细组成和制备方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims

1.一种添加WS₂的高温耐磨自润滑复合材料，其特征在于，其按质量百分比包括：

2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料按质量百分比包括：

3.如权利要求1或2所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料按质量百分比包括：

4.如权利要求1-3任一项所述的复合材料，其特征在于，所述WS₂和石墨为直径为100nm以内的纳米粒子，优选80nm以内的纳米粒子，进一步优选60nm以内的纳米粒子。

5.如权利要求1-4任一项所述的复合材料，其特征在于，所述WS₂和石墨为三维空间尺度中至少有一维尺度＜100nm的片状物质。

6.如权利要求1-5任一项所述的复合材料，其特征在于，所述Cr、Ni、Cu、Fe的粒径为300目以上，优选300目~500目，进一步优选500目。

7.如权利要求1-6任一项所述的复合材料，其特征在于，所述石墨为胶体石墨和/或膨胀石墨。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的添加WS₂的高温耐磨自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（3）将上述压模毛坯在真空或者惰性气体中进行烧结，得到添加WS₂的高温耐磨自润滑复合材料。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述惰性气体选自氦气、氮气、氩气中的一种，优选氦气。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述烧结温度为1000℃~1300℃，优选1110℃~1300℃，进一步优选1110℃~1230℃；所述烧结时间为1~4小时，优选1~3.5小时，进一步优选1~2小时。