CN106191619A - 自润滑复合材料层、制备方法及具有自润滑功能的部件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了自润滑复合材料、制备方法及自具有自润滑功能的部件；形成该自润滑复合材料层中各组成成分的质量比为5％～20％石墨粉、5％～20％MoS2、3％～10％W粉、1％～5％Ti粉、40％～60％Ni粉、10％～15％Cr粉；上述颗粒混合物在激光熔覆工艺中，一方面部分石墨将与W、Cr、Ti分别反应形成新相碳化物，再加上的Mo元素的固溶强化，提高了涂层的强度，另一方面MoS2与铬生成高温固体润滑剂的硫化物，高温下具有良好的润滑性能，另外残留的未参加反应的单质石墨是良好的室温固体润滑剂，这样进气门不仅具有良好的耐磨性、抗氧化性，而且在高温、低温时具备优良的润滑功能，大大改善了进气门的润滑情况。

Description

自润滑复合材料层、制备方法及具有自润滑功能的部件
技术领域
本发明涉及摩擦技术领域，特别涉及一种自润滑复合材料、制备方法及自具有自润滑功能的部件。
背景技术
汽车的进气门是一种典型需要具备耐磨性能的部件。请参考图1，进气门由头部和杆部组成，头部与气门座圈相配合，对气缸进行密封，并按工作循环的要求定时开户和关闭，使新鲜空气进入气缸；杆部与气门导管配合为气门的运动提供导向。
在工作过程中，进气门可上下运动，运动的同时伴有旋转，在运动的过程中进气门与气门导管和气门座圈均产生磨损。目前发动机进气门，由于工作环境的关系，气门导管与气门杆间的润滑油泄漏量小且很难精确控制，润滑油通常流不到气门与座圈间，而进气门在工作过程中又不像排气门那样可以形成固体润滑膜，因此进气门与气门座圈的润滑情况十分恶劣。
目前为了提高进气门的耐磨性，主要通过在进气门上涂覆一层以Co为主体原料，添加Ni、Cr、Y2O3和纳米Al粉的陶瓷增强复合涂层。该涂层的典型组织为细小的陶瓷相亚共晶介稳组织，具有较高的表面硬度，提高了材料的耐磨、耐温性能。
虽然上述陶瓷增强复合涂层提高了进气门的表面硬度，但是在产品使用过程中，进气门还是频繁出现磨损失效问题。尤其对于高功率、高负荷的大型柴油机而言，进气门失效频繁性比较高，严重影响了发动机的工作性能，进而影响了整机的综合性能。
因此，如何解决现有技术中进气门工作磨损技术问题，提高发动机的工作性能，是本领域内技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种自润滑复合材料层，形成该自润滑复合材料层中各组成成分的质量比为5％～20％石墨粉、5％～20％MoS2、3％～10％W粉、1％～5％Ti粉、40％～60％Ni粉、10％～15％Cr粉。
可选的，石墨与MoS2的粒度为20μm，W粉的粒度为30μm，Ti粉的粒度为80μm，Ni粉与Cr粉的粒度为60μm。
此外，本发明还提供了上述自润滑复合材料层的制备方法，该制备方法具体为：
预先按照预定配比准备石墨、MoS2、W粉、Ti粉、Ni粉、Cr粉原材料；
将上述原材料粉末置于不锈钢坩埚中进行球磨混合；
通过激光熔覆、化学气相沉淀或热喷涂技术上述球磨后的粉末涂覆于零部件的配合表面形成自润滑复合材料层。
另外，本发明还提供了一种具有自润滑功能的部件，包括部件本体，所述部件本体的配合表面涂覆有上述所述的自润滑复合材料层；或者通过上述制备方法形成的自润滑复合材料层。
可选的，所述部件为进气门，所述自润滑复合材料层设置于所述进气门与气缸座圈的密封表面。
可选的，所述进气门与气门导管配合的杆段外表面也设置有所述自润滑复合材料层。
可选的，所述部件为排气门、气缸座圈或者气门导管，所述自润滑复合材料层设置于所述排气门、气缸座圈或者气门导管的相应配合表面。
上述组成成分的自润滑复合材料混合物在激光熔覆、化学气相沉淀或热喷涂等工艺中，由于热作用，部分石墨将与W、Cr、Ti分别反应形成新相碳化钨、碳化铬、碳化钛，再加上的Mo元素的固溶强化，四者共同作用提高了涂层的强度。
同时，在热作用的过程中，MoS2与铬发生共晶反应，生成硫化物(CrxSy)，该物质是良好的高温固体润滑剂，在高温下具有良好的润滑性能。残留的未参加反应的单质石墨是良好的室温固体润滑剂，具有良好的润滑性能。因此该涂层不论是在室温还是在高温均能分别依赖单质石墨和硫化物(CrxSy)对进气门进行润滑，在进气门表面形成润滑膜，该润滑膜又在其配副的气门座圈上形成转移膜，良性循环，不断提供润滑作用，这就彻底解决了进气门在高低温的润滑差的问题。
具有自润滑复合材料层的进气门不仅具有良好的耐磨性、抗氧化性，而且在高温、低温时具备优良的润滑功能，大大改善了进气门的润滑情况。
附图说明
图1进气门及组件装配示意图；
图2为本发明自润滑复合材料层制备流程框图；
图3为本发明利用激光熔覆将粉末混合物涂覆于零部件表面的工艺示意图；
图4为进气门与气缸座圈配合的密封表面设置有自润滑复合材料层的示意图；
图5为设置自润滑复合材料层位置的局部放大图。
其中，图3至图5中：
进气门10、自润滑复合材料层11、硫化物11a、单质石墨11b。
具体实施方式
针对背景技术中提到的进气门使用磨损的技术问题，本文进行了深入研究，研究发现现有技术中解决进气门磨损的主要手段为提高进气门的硬度，增加表面材料硬度虽然能够提高进气门的耐磨损能力，并没有改善进气门与气门座圈间的难润滑问题，摩擦副之间的磨损问题依然存在。并且金属(进气门)与金属(气门座圈)之间的摩擦力很大，高硬度的表面材料仍然会存在磨损，高硬度材料层破损后，进气门很快就被磨损失效。
在上述研究发现的基础上，本文进行了进一步探索，发现现有技术上述技术问题产生的根本原因是进气门与气门座圈之间缺少润滑，故本文另辟蹊径提出了一种解决进气门磨损的技术方案。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出了一种自润滑复合材料，该自润滑复合材料可以通过激光熔覆、化学气相沉淀、热喷涂等技术涂覆于零部件的配合表面，以形成自润滑复合涂层，该自润滑复合涂层具有润滑性能。
具体地，形成该自润滑复合材料的各组成成分的质量比为5％～20％石墨、5％～20％MoS2、3％～10％W粉、1％～5％Ti粉、40％～60％Ni粉、10％～15％Cr粉。
请参考图2，图2为本发明自润滑复合材料层制备流程框图。在制备自润滑复合材料层时，可以按以下步骤进行：
S1、预先按照预定配比准备石墨、MoS2、W粉、Ti粉、Ni粉、Cr粉等原材料；
上述原材料的纯度要尽量高，为了达到较好的润滑作用，上述原材料的纯度均在98.5％以上。
S2、将上述原材料粉末混合物置于不锈钢坩埚中进行球磨混合；
原材料的粒度越小，球磨时间越短，并且球磨后各成分混合越均匀，有利于提高后续所形成的自润滑复合材料层的润滑性能。球磨工艺的主要目的是为了各粉末充分混合，并将各粉末球磨至一定颗粒。球磨后的粉末充分混合有利于后续激光熔覆等工艺加热形成涂层中各部分成分一致。
本文一种具体实验中原材料粒度如下：石墨粉末与MoS2粉末粒度20μm，W粉粒度30μm，Ti粉粒度80μm，Ni粉与Cr粉粒度60μm。球磨机转速可以为180rpm/min左右，球磨大约2小时。
S3、通过激光熔覆、化学气相沉淀或热喷涂技术上述球磨后的粉末混合物涂覆于零部件的配合表面形成自润滑复合材料层。
综合参考图3，图3为本发明利用激光熔覆将粉末混合物涂覆于零部件表面的工艺示意图。
如图4所示，图4中示出了自润滑复合材料通过激光熔覆技术预置于进气门表面的示意图。
其中，激光熔覆在带保护气氛四轴联动10KW连续CO2激光加工系统上进行。激光熔覆工艺参数：输出功率3KW，束斑直径18×1.5mm，扫描速度40±5mm/Min，涂层粉预置在进气门10配合面(密封面)。
上述组成成分的混合粉末在激光熔覆、化学气相沉淀或热喷涂等工艺中，由于热作用，部分石墨将与W、Cr、Ti分别反应形成新相碳化钨、碳化铬、碳化钛，再加上的Mo元素的固溶强化，四者共同作用提高了涂层的强度。
同时，在热作用的过程中，MoS2与铬发生共晶反应，生成硫化物(CrxSy)，该物质是良好的高温固体润滑剂，在高温下具有良好的润滑性能。残留的未参加反应的单质石墨是良好的室温固体润滑剂，具有良好的润滑性能。因此该涂层不论是在室温还是在高温均能分别依赖单质石墨和硫化物(CrxSy)对进气门10进行润滑，在进气门10表面形成润滑膜，该润滑膜又在其配合的气门座圈上形成转移膜，良性循环，不断提供润滑作用，这就彻底解决了进气门10在高低温的润滑差的问题。
具有自润滑复合材料层11的进气门10不仅具有良好的耐磨性、抗氧化性，而且在高温、低温时具备优良的润滑功能，大大改善了进气门10的润滑情况。
本文以进气门10与气缸座圈配合的密封面设置有自润滑复合材料层11为例，通过对几种不同配比原材料形成的自润滑复合材料层11进行了耐磨试验，具体实验数据如下表。
在同样试验参数条件下，本文还对背景技术中密封面上涂覆陶瓷增强复合涂层的进气门进行了试验，背景技术中的进气门经过4个小时候后就出现了磨损，即耐磨损时间为4h。而从上表中可以看出，通过本发明所提供的自润滑复合材料层11涂覆于进气门10表面可以大大提高进气门10的磨损能力了，是现有技术所不能达到的。
另外，形成自润滑复合材料层11的厚度可以大致为0.2mm至1mm。
图4中给出了进气门10密封面上自润滑复合材料层11的形成位置，并且图5中给出了自润滑复合材料层11局部物质分布图，经激光熔覆后自润滑复合材料层11中包括单质石墨11b和硫化物11a。
除此之外，进气门10与气门导管配合的杆段外表面也可以设置有自润滑复合材料层11。
需要说明的是，本文中所提供的自润滑复合材料层11不局限于应用于进气门10中，本文仅是为了描述技术方案和技术效果的简洁，以进气门10为例进行相应描述。本领域内技术人员应当理解，本文所提供的自润滑复合材料层11可以应用于任何需要润滑而不能使用润滑油形成润滑膜的所有部件的配合面，例如一些清洁能源发动机的排气门也存在较难依靠废气形成润滑膜的情况，也可以将本文中的自润滑复合材料层11应用于排气门的表面。
以上对本发明所提供的一种自润滑复合材料、制备方法及自具有自润滑功能的部件进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种自润滑复合材料层，其特征在于，形成该自润滑复合材料层中各组成成分的质量比为5％～20％石墨粉、5％～20％MoS2、3％～10％W粉、1％～5％Ti粉、40％～60％Ni粉、10％～15％Cr粉。
2.如权利要求1所述的自润滑复合材料层，其特征在于，石墨与MoS2的粒度为20μm，W粉的粒度为30μm，Ti粉的粒度为80μm，Ni粉与Cr粉的粒度为60μm。
3.一种权利要求1至2任一项所述自润滑复合材料层的制备方法，其特征在于，该制备方法具体为：
预先按照预定配比准备石墨、MoS2、W粉、Ti粉、Ni粉、Cr粉原材料；
将上述原材料粉末置于不锈钢坩埚中进行球磨混合；
通过激光熔覆、化学气相沉淀或热喷涂技术上述球磨后的粉末涂覆于零部件的配合表面形成自润滑复合材料层。
4.一种具有自润滑功能的部件，包括部件本体，其特征在于，所述部件本体的配合表面涂覆有权利要求1和2任一项所述的自润滑复合材料层；或者通过权利要求3形成的自润滑复合材料层。
5.如权利要求4所述的部件，其特征在于，所述部件为进气门，所述自润滑复合材料层设置于所述进气门(10)与气缸座圈的密封表面。
6.如权利要求5所述的部件，其特征在于，所述进气门(10)与气门导管配合的杆段外表面也设置有所述自润滑复合材料层。
7.如权利要求4所述的部件，其特征在于，所述部件为排气门、气缸座圈或者气门导管，所述自润滑复合材料层设置于所述排气门、气缸座圈或者气门导管的相应配合表面。
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