CN104878271A - 一种铁铝/硫酸锶钡高温自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁铝/硫酸锶钡高温自润滑复合材料，该材料包含质量百分数为60～90%的Fe3Al合金和质量百分数为10～40%的Ba0.25Sr0.75SO4。本发明还公开了该复合材料的制备方法，采用机械合金化制备粉体材料，然后用真空热压烧结技术制备块体材料。该复合材料具有良好的致密度和高温自润滑性能，其在真空、高温、高负荷、无油等苛刻环境下作为自润滑材料具有广泛的应用前景。

Description

一种铁铝/硫酸锶钡高温自润滑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种Fe3Al/Ba0.25Sr0.75SO4高温自润滑复合材料及其制备方法，该材料具有良好致密度和高温自润滑性能，在真空、高温、高负荷、无油等苛刻环境下作为自润滑材料具有良好的应用前景。
背景技术
高温是机械运动的最苛刻环境，此时，部件将受到氧化、腐蚀和磨损的交互作用，同时材料的力学性能也会大幅度下降，导致材料加速失效。因此，高温润滑耐磨问题通常是整个系统可靠性和寿命的关键。随着现代工业的迅猛发展，对高性能高温自润滑材料与技术具有巨大的需求。
Fe3Al基金属间化合物，由于长程有序的特殊结构，使其兼具金属和陶瓷的优良性能，如较高的强度、低的密度、良好的抗氧化性能、优异的抗硫化和碳化性能、良好的高温力学性能，更重要的是其原材料成本低（不含或少含战略性元素Ni和Cr等，仅为不锈钢的1/3）、资源丰富，成为不锈钢以及耐磨和耐蚀合金良好的替代材料，在石油化工、冶金和机械领域用作高温轴承、滑板、轴瓦、控制阀、热交换管和高温结构件等部件具有重要的应用前景。由于Fe3Al材料优异的高温性能，其非常适合作为高温自润滑材料的基体材料而推广和应用。
Fe3Al合金材料在无润滑的条件下摩擦系数较高，然而作为运动部件应用就必须对其进行有效的润滑设计。在高温条件下，常规的液体润滑技术很难实施，而表面固体润滑技术又存在寿命问题或者需要不断的补充，在这种极端苛刻条件下最具潜力的润滑方式是自润滑。
关于高温自润滑复合材料已有专利公开报道。中国专利CN102102155A公开了一种镍铝/石墨的自润滑材料，与Al3O3配副时，25℃摩擦系数在0.31-0.37，600℃摩擦系数在0.42-0.48，摩擦系数较高。中国专利CN101463439B公开了一种镍铝金属间化合物基高温自润滑复合材料的制备方法，与Si3N4配副时，室温至1000℃的摩擦系数小于0.35。中国专利CN1614050A公开了一种纳米晶Fe3Al材料的制备方法，中国专利CN1187463C公开了一种陶瓷相增强的铁铝金属间化合物的制备方法，这两个发明专利均为铁铝材料作为结构材料，而铁铝材料作为自润滑复合材料还未见公开报道。
发明内容
本发明的目的在于通过加入Ba0.25Sr0.75SO4来改善Fe3Al材料的高温减摩抗磨性能，制备具有宽温域、良好自润滑性能的Fe3Al基高温自润滑复合材料，该材料主要适用于制作高温环境下使用的滑动部件。
一种铁铝/硫酸锶钡高温自润滑复合材料，其特征在于该材料包含质量百分数为60～90%的Fe3Al合金和质量百分数为10～40%的Ba0.25Sr0.75SO4。
所述Fe3Al合金的组成及其质量百分含量： Fe：79%、Al：16%、Cr：5%。
一种铁铝/硫酸锶钡高温自润滑复合材料的制备方法，其步骤为：将Fe3Al合金粉末和Ba0.25Sr0.75SO4粉末装入球磨机中干混合得到Fe3Al/Ba0.25Sr0.75SO4复合粉末，然后将混合后的复合粉末装入石墨模具，置于真空热压烧结炉中进行热压成型烧结，烧结完成后炉冷至室温，得到块体Fe3Al/Ba0.25Sr0.75SO4高温自润滑复合材料。
所述Fe3Al合金粉末为雾化合金粉末，其粒径为2～5μm。
所述Ba0.25Sr0.75SO4粉末的粒径为40～70 nm。
所述干混合的时间为4～8小时，球料比为8:1，磨球为WC（碳化钨硬质合金）球，转速为200～300r/min。
所述烧结的升温速率为10～20℃/min，真空度为10-3～10-2Pa，烧结温度为900～1200℃，烧结压力为20～50MPa，烧结时间为10～45min。
采用显微硬度计测试材料的硬度，测定条件为：载荷300g，加载持续时间10s。密度采用浮力原理测试。摩擦磨损试验是在HT-1000球盘接触式高温摩擦磨损试验机上进行的，盘为本发明的材料，尺寸为18.5×18.5mm3，对偶为φ6mm的Si3N4球。载荷10N，滑动速率0.01m/s，旋转半径5mm，运行时间30分钟。测试温度为400、600和800 ℃。
本发明的特点之一是，材料致密度高，润滑剂在基体中分布均匀，组织结构均匀。
本发明的特点之二是，材料耐热性好，氧化稳定性高。
本发明的特点之三是，材料性能良好且稳定。
本发明的特点之四是，通过调整材料组成可以调控材料性能。
具体实施方式：
实施例1：
按照质量百分数85%Fe3Al合金粉末和15%Ba0.25Sr0.75SO4粉末，分别称取两种粉末材料，将其置于行星式球磨机中干混合，转速为250r/min，球料比为8:1，磨球为WC球，球磨时间为6小时，获得混合均匀的Fe3Al/Ba0.25Sr0.75SO4混合粉末。将该混合粉末装入涂有BN（六方氮化硼）的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，炉腔真空度为10-3～10-2Pa，升温速率为12℃/min，烧结温度为1100℃，烧结压力为30MPa，烧结时间为20min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到致密的Fe3Al―15%Ba0.25Sr0.75SO4高温自润滑复合材料。
经测试，材料的密度为5.86g/cm3，相对密度为96.2%，显微维氏硬度为1.94GPa，高温下的摩擦系数和磨损率如下表所示。
实施例2：
按照质量百分数70%Fe3Al合金粉末和30%Ba0.25Sr0.75SO4粉末，分别称取两种粉末材料，将其置于行星式球磨机中干混合，转速为200r/min，球料比为8:1，磨球为WC球，球磨时间为8小时，获得混合均匀的Fe3Al/Ba0.25Sr0.75SO4混合粉末。将该混合粉末装入涂有BN的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，炉腔真空度为10-3～10-2Pa，升温速率为15℃/min，烧结温度为1000℃，烧结压力为25MPa，烧结时间为30min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到致密的Fe3Al―30%Ba0.25Sr0.75SO4高温自润滑复合材料。
经测试，材料的密度为5.18g/cm3，相对密度为95.5%，显微维氏硬度为1.54GPa，高温下的摩擦系数和磨损率如下表所示。
实施例3：
按照质量百分数78%Fe3Al合金粉末和22%Ba0.25Sr0.75SO4粉末，分别称取两种粉末材料，将其置于行星式球磨机中干混合，转速为200r/min，球料比为8:1，磨球为WC球，球磨时间为5小时，获得混合均匀的Fe3Al/Ba0.25Sr0.75SO4混合粉末。将该混合粉末装入涂有BN的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，炉腔真空度为10-3～10-2Pa，升温速率为20℃/min，烧结温度为1050℃，烧结压力为25MPa，烧结时间为40min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到致密的Fe3Al―22%Ba0.25Sr0.75SO4高温自润滑复合材料。
经测试，材料的密度为5.46g/cm3，相对密度为96.4%，显微维氏硬度为1.78GPa，高温下的摩擦系数和磨损率如下表所示。
。

Claims (7)

1.一种铁铝/硫酸锶钡高温自润滑复合材料，其特征在于该材料包含质量百分数为60～90%的Fe3Al合金和质量百分数为10～40%的Ba0.25Sr0.75SO4。
2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述Fe3Al合金的组成及其质量百分含量为 Fe：79%、Al：16%、Cr：5%。
3.如权利要求1或2所述复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：将Fe3Al合金粉末和Ba0.25Sr0.75SO4粉末装入球磨机中干混合得到Fe3Al/Ba0.25Sr0.75SO4复合粉末，然后将混合后的复合粉末装入石墨模具，置于真空热压烧结炉中进行热压成型烧结，烧结完成后炉冷至室温，得到块体Fe3Al/Ba0.25Sr0.75SO4高温自润滑复合材料。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述Fe3Al合金粉末为雾化合金粉末，其粒径为2～5μm。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述Ba0.25Sr0.75SO4粉末的粒径为40～70 nm。
6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述干混合的时间为4～8小时，球料比为8:1，磨球为WC球，转速为200～300r/min。
7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述烧结的升温速率为10～20℃/min，真空度为10-3～10-2Pa，烧结温度为900～1200℃，烧结压力为20～50MPa，烧结时间为10～45min。
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