CN105543521A - 一种Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料及其制备方法 - Google Patents

一种Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于高温自润滑材料领域，具体涉及一种Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料及其制备方法。所述Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料是由Ag-Sn-Cu润滑合金和多孔高速钢金属陶瓷基体在复合助渗剂的作用下熔渗制备而成，所述多孔高速钢金属陶瓷基体具有连通孔隙结构，所述Ag-Sn-Cu润滑合金存在于所述多孔高速钢金属陶瓷基体的连通孔隙中。本发明所述Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料具有优异的高温自润滑性能，高温摩擦系数低，且强度高，耐磨性好；同时，成分中不含铅，和传统含铅高温自润滑材料相比，具有显著的环保优势。

Description

一种Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高温自润滑材料领域，具体涉及一种Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料及其制备方法。
背景技术
在传统高温自润滑材料制备过程中，固体润滑剂通常作为组元和基体耐磨组分一起混合制备形成自润滑复合材料。由于复合材料中润滑剂相对基体材料的割裂作用，导致复合材料的强度、耐磨性能与其高温润滑性能相互制约。
专利号为200410060662.4的发明专利《一种高温自补偿润滑耐磨材料及其制备方法》，首先采用粉末冶金方法制备出具有汗腺式微孔结构的金属陶瓷烧结体，然后将固体润滑剂粒子体复合在汗腺式微孔结构中，进行二次烧结，制成高温自补偿润滑耐磨材料。但是为了获得较好在高温润滑性能，二次烧结加入的润滑剂通常以铅为主要润滑组分，从而难以满足越来越严格地环保要求。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料及其制备方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料，由Ag-Sn-Cu润滑合金和多孔高速钢金属陶瓷基体再复合助渗剂的作用下熔渗制备而成，所述多孔高速钢金属陶瓷基体具有连通孔隙结构，所述Ag-Sn-Cu润滑合金存在于所述多孔高速钢金属陶瓷基体的连通孔隙中。
上述方案中，所述多孔高速钢金属陶瓷基体的孔隙率为12％～20％。
上述方案中，所述Ag-Sn-Cu润滑合金在所述多孔高速钢金属陶瓷基体的连通孔隙中呈梯度分布。
上述方案中，所述Ag-Sn-Cu润滑合金的各组分按质量百分比计为：Ag30～40％，Sn35～45％，Cu20～25％。
上述方案中，所述复合助渗剂的各组分按质量百分比计为：B2O375～85wt％，BaF2/CaF2共晶体15～25wt％。
上述Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备Ag-Sn-Cu润滑合金：取银粉、锡粉、铜粉，按比例混合后熔炼成块；
(2)将多孔高速钢金属陶瓷基体、Ag-Sn-Cu润滑合金依次放入坩埚中，上面覆盖复合助渗剂粉末；
(3)将坩埚置于高频感应加热熔渗炉中，抽真空，然后采用高频感应加热使Ag-Sn-Cu润滑合金和复合助渗剂完全熔化后，通入高压氮气，保持高温高压一段时间，在复合助渗剂的作用下，Ag-Sn-Cu润滑合金熔渗到多孔高速钢金属陶瓷基体的连通孔隙中，得到Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料。
上述方案中，所述高频感应加热为：加热60～120s使熔渗炉内温度达到650℃～800℃。
上述方案中，所述高温高压的压力为0.2MPa～0.5MPa，温度为650℃～800℃；所述保持高温高压的时间为20～30min。
本发明中，复合助渗剂熔渗后会有部分残留在多孔高速钢金属陶瓷基体的连通孔隙中，复合助渗剂中的组分BaF2/CaF2本身具有优良的高温润滑性能，与Ag-Sn-Cu润滑合金中的主要润滑元素Ag可以形成协同润滑作用；此外，在Ag-Sn-Cu润滑合金中的Sn、Cu组分及复合助渗剂的协同作用，使得Ag-Sn-Cu润滑合金具有良好的熔渗特性和润滑性能。本发明采用高频感应加热熔渗方法，由于高频感应加热方法具有梯度温度的特性，使Ag-Sn-Cu润滑合金在基体孔隙中的扩散速率呈梯度变化，从而形成润滑组分呈梯度分布的内梯度润滑层；实现了润滑剂在摩擦过程中，向摩擦表面有序析出，在摩擦表面形成高温润滑膜。
本发明的有益效果如下：(1)本发明所述Ag-Sn-Cu润滑合金具有较低熔渗温度和良好润滑性能，同时，因为Ag-Sn-Cu润滑合金组分在基体孔隙中呈梯度分布，在摩擦过程中，可实现向摩擦表面有序析出；(2)本发明中，复合助渗剂中的组分BaF2/CaF2与Ag-Sn-Cu润滑合金中的主要润滑元素Ag形成协同润滑作用，使得Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料具有优异的高温自润滑性能，高温摩擦系数低，且强度高，耐磨性好；同时，成分中不含铅，和传统含铅高温自润滑材料相比，具有显著的环保优势。
附图说明
图1中，(a)为本发明所述Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料横切面的显微电镜图，(b)为本发明所述Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料沿深度方向(图片中从上到下对应的是材料从表层向内层的深度方向)Ag-Sn-Cu润滑合金的分布图。
图2为本发明所述Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料横切面的结构示意图，其中1为Ag-Sn-Cu润滑合金，2为多孔高速钢金属陶瓷基体，3为多孔高速钢金属陶瓷基体的连通孔隙，4为内梯度润滑层。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料，通过如下方法制备得到：
(1)制备Ag-Sn-Cu润滑合金：取银粉30份，锡粉45份，铜粉25份，混合后熔炼成块；
(2)将多孔高速钢金属陶瓷基体、Ag-Sn-Cu润滑合金依次放入坩埚中，上面覆盖复合助渗剂粉末；所述多孔高速钢金属陶瓷基体具有连通孔隙结构，其孔隙率为12％；所述复合助渗剂的各组分按质量百分比计为：B2O380wt％，BaF2/CaF2共晶体20wt％；
(3)将坩埚置于高频感应加热熔渗炉中，抽真空，然后采用高频感应加热90s内使熔渗炉内温度达到650℃，使Ag-Sn-Cu润滑合金和复合助渗剂完全熔化后，通入高压氮气使熔渗炉内压力达到0.3Mpa，保持高温高压(650℃，0.3Mpa)20min，在复合助渗剂的作用下，Ag-Sn-Cu润滑合金熔渗到多孔高速钢金属陶瓷基体的连通孔隙中，得到Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料。
实施例2
一种Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料，通过如下方法制备得到：
(1)制备Ag-Sn-Cu润滑合金：取银粉35份，锡粉40份，铜粉25份，混合后熔炼成块；
(2)将多孔高速钢金属陶瓷基体、Ag-Sn-Cu润滑合金依次放入坩埚中，上面覆盖复合助渗剂粉末；所述多孔高速钢金属陶瓷基体具有连通孔隙结构，其孔隙率为15％；所述复合助渗剂的各组分按质量百分比计为：B2O375wt％，BaF2/CaF2共晶体25wt％；
(3)将坩埚置于高频感应加热熔渗炉中，抽真空，然后采用高频感应加热100s使熔渗炉内温度达到700℃，使Ag-Sn-Cu润滑合金和复合助渗剂完全熔化后，通入高压氮气使熔渗炉内压力达到0.4Mpa，保持高温高压(700℃，0.4Mpa)25min，在复合助渗剂的作用下，Ag-Sn-Cu润滑合金熔渗到多孔高速钢金属陶瓷基体的连通孔隙中，得到Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料。
实施例3
一种Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料，通过如下方法制备得到：
(1)制备Ag-Sn-Cu润滑合金：取银粉40份，锡粉35份，铜粉25份，混合后熔炼成块；
(2)将多孔高速钢金属陶瓷基体、Ag-Sn-Cu润滑合金依次放入坩埚中，上面覆盖复合助渗剂粉末；所述多孔高速钢金属陶瓷基体具有连通孔隙结构，其孔隙率为20％；所述复合助渗剂的各组分按质量百分比计为：B2O385wt％，BaF2/CaF2共晶体15wt％；
(3)将坩埚置于高频感应加热熔渗炉中，抽真空，然后采用高频感应加热120s使熔渗炉内温度达到800℃，使Ag-Sn-Cu润滑合金和复合助渗剂完全熔化后，通入高压氮气使熔渗炉内压力达到0.3Mpa，保持高温高压(800℃，0.3Mpa)30min，在复合助渗剂的作用下，Ag-Sn-Cu润滑合金熔渗到多孔高速钢金属陶瓷基体的连通孔隙中，得到Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料。
本发明制备得到的Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料横切面的显微电镜图见图1，结构示意图见图2，从图1、图2中可以看出：Ag-Sn-Cu润滑合金存在于所述多孔高速钢金属陶瓷基体的连通孔隙中，多孔高速钢金属陶瓷基体以及熔渗在基体孔隙中的Ag-Sn-Cu润滑合金构成了内梯度润滑层，所述Ag-Sn-Cu润滑合金的分布呈现由表面向内层递减的梯度分布。
本发明制备得到的Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料具有优异的高温自润滑性能，高温摩擦系数低，且强度高，耐磨性好。熔渗后强度达800MPa，600℃与Al2O3配副时，摩擦系数可保持在0.2以下，磨损率为2×10-6(mm3·(Nm)-1)。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料，其特征在于，由Ag-Sn-Cu润滑合金和多孔高速钢金属陶瓷基体在复合助渗剂的作用下熔渗制备而成，所述多孔高速钢金属陶瓷基体具有连通孔隙结构，所述Ag-Sn-Cu润滑合金存在于所述多孔高速钢金属陶瓷基体的连通孔隙中。
2.根据权利要求1所述的Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料，其特征在于，所述多孔高速钢金属陶瓷基体的孔隙率为12%~20%。
3.根据权利要求1所述的Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料，其特征在于，所述Ag-Sn-Cu润滑合金在所述多孔金属陶瓷基体的连通孔隙中呈梯度分布。
4.根据权利要求1所述的Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料，其特征在于，所述Ag-Sn-Cu润滑合金的各组分按质量百分比计为：Ag30~40%，Sn35~45%，Cu20~25%。
5.根据权利要求1所述的Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料，其特征在于，所述复合助渗剂的各组分按质量百分比计为：B2O375~85wt%，BaF2/CaF2共晶体15~25wt%。
6.权利要求1~5任一所述Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）制备Ag-Sn-Cu润滑合金：取银粉、锡粉、铜粉，按比例混合后熔炼成块；
（2）将多孔高速钢金属陶瓷基体、Ag-Sn-Cu润滑合金依次放入坩埚中，上面覆盖复合助渗剂粉末；
（3）将坩埚置于高频感应加热熔渗炉中，抽真空，然后采用高频感应加热使Ag-Sn-Cu润滑合金和复合助渗剂完全熔化后，通入高压氮气，保持高温高压一段时间，在复合助渗剂的作用下，Ag-Sn-Cu润滑合金熔渗到多孔高速钢金属陶瓷基体的连通孔隙中，得到Ag-Sn-Cu/金属陶瓷复合高温润滑层材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述高频感应加热为：加热60~120s使熔渗炉内温度达到650℃~800℃。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述高温高压的压力为0.2MPa~0.5MPa，温度为650℃~800℃；保持高温高压的时间为20~30min。
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