CN106635251A - 一种钛合金抗磨减摩用含氧化物自润滑纳米混合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抗磨减摩材料，特别是一种钛合金抗磨减摩用含氧化物自润滑纳米混合材料。材料包含抗磨剂33‑83％，减摩剂17‑67％。其中抗磨剂三氧化二铁纳米颗粒，减摩剂为多层石墨烯。将两种纳米材料混合搅拌均匀后直接添加到钛合金构件滑动界面即可形成含氧化物自润滑纳米材料。本发明的材料，在滑动过程中容易在钛合金构件表面吸附并经压实烧结形成双层摩擦层，其中下层为主要含三氧化二铁摩擦层，具有良好的承载能力；上层为主要含多层石墨烯摩擦层，具有优异的润滑性能，可显著降低摩擦系数，减少摩擦噪声。另外，它具有价廉易得的优点，且只需添加极少的量就可使得严酷滑动工况下服役的钛合金构件的摩擦磨损性能得以显著提高。

Description

一种钛合金抗磨减摩用含氧化物自润滑纳米混合材料
技术领域
本发明涉及一种抗磨减摩材料，特别是涉及一种钛合金抗磨减摩用含氧化物自润滑纳米混合材料。
背景技术
钛合金具有低密度、高比强度以及优异的耐热性、耐蚀性、低温性能和生物相容性，在航天航空、化工、石油、汽车、海洋工程和医疗等领域得到越来越广泛的应用。然而，钛合金公认的极差的滑动磨损性能往往限制了其在摩擦磨损方面的应用。表面处理是提高钛合金摩擦磨损性能的一种普遍的改性方法，可是表面改性存在工艺复杂、成本高、能源消耗大和环境污染严重等问题，较薄的表面改性层仅在低载时有抗磨作用，而厚的涂层在高载、高速和高温等严酷工况下会因应力或热应力导致层内出现裂纹而剥落失效。此外，在钛合金构件表面涂抹润滑油、脂等介质也是一种常用的处理方式，但在严酷工况下，高的环境温度或摩擦热易造成润滑油、脂摩擦燃烧，润滑摩擦再次变为干滑动摩擦。因此，现有的表面改性或涂抹润滑油、脂等介质并不能满足钛合金基于方便、价廉、环保理念的严酷工况下的应用要求。
如果在钛合金滑动界面直接添加固态抗磨剂和减摩剂，可促进钛合金表面形成含抗磨剂和减摩剂的摩擦层，从而保护钛合金基体，避免金属-金属接触，显著改善钛合金在严酷工况下的摩擦磨损性能。该方法成本低廉，可控性强，节能环保。
发明内容
本发明的目的是基于上述问题，提出一种钛合金抗磨减摩用含氧化物自润滑纳米混合材料。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种钛合金抗磨减摩用含氧化物自润滑纳米混合材料，其特征在于：按重量百分比计，包含抗磨剂33-83％，减摩剂17-67％。其中抗磨剂为10-50nm的三氧化二铁纳米颗粒，减摩剂为由膨胀石墨液相剥离制得的2-10nm厚的多层石墨烯。将两种纳米材料混合搅拌均匀后按0.2-0.4mg/mm2的添加量直接添加到钛合金构件滑动界面即可。
本发明所述的抗磨减摩纳米混合材料，在滑动过程中容易在钛合金构件表面吸附并经压实烧结形成双层摩擦层，其中下层为主要含三氧化二铁摩擦层，具有良好的承载能力；上层为主要含多层石墨烯摩擦层，多层石墨烯因其超薄的片层结构且层间结合力较弱，在摩擦剪切力作用下层与层之间易发生滑动，而具有优异的润滑性能，可显著降低摩擦系数，减少摩擦噪声。另外，它具有价廉易得的优点，且只需添加极少的量就可使得严酷滑动工况下服役的钛合金构件的摩擦磨损性能得以显著提高。
附图说明
图1为未添加与添加抗磨减摩纳米混合材料时TC11合金随载荷变化的磨损量。
图2为未添加与添加实施例4时TC11合金磨损表面的XRD图谱。
图3为添加实施例4时TC11合金磨损表面形貌。
图4为添加实施例4时TC11合金磨损剖面形貌。
具体实施方式
实施例1
抗磨减摩纳米混合材料按重量百分比计，包含10nm的三氧化二铁33％，9nm厚的多层石墨烯67％，搅拌均匀后按0.4mg/mm2(单位滑动界面上的添加量)添加至TC11合金摩擦界面。
实施例2
抗磨减摩纳米混合材料按重量百分比计，包含50nm的三氧化二铁50％，3nm厚的多层石墨烯50％，搅拌均匀后按0.2mg/mm2的添加量添加至TC11合金摩擦界面。
实施例3
抗磨减摩纳米混合材料按重量百分比计，包含30nm的三氧化二铁67％，6nm厚的多层石墨烯33％，搅拌均匀后按0.3mg/mm2的添加量添加至TC11合金摩擦界面。
实施例4
抗磨减摩纳米混合材料按重量百分比计，包含30nm的三氧化二铁75％，6nm厚的多层石墨烯25％，搅拌均匀后按0.3mg/mm2的添加量添加至TC11合金摩擦界面。
实施例5
抗磨减摩纳米混合材料按重量百分比计，包含30nm的三氧化二铁80％，6nm厚的多层石墨烯20％，搅拌均匀后按0.3mg/mm2的添加量添加至TC11合金摩擦界面。
实施例6
抗磨减摩纳米混合材料按重量百分比计，包含30nm的三氧化二铁83％，6nm厚的多层石墨烯17％，搅拌均匀后按0.3mg/mm2的添加量添加至TC11合金摩擦界面。
采用MPX-2000型盘销式摩擦磨损试验机评估本发明制得的抗磨减摩纳米混合材料对TC11合金干滑动摩擦磨损性能的影响，并与未添加抗磨减摩纳米混合材料时TC11合金的磨损量进行对比。试验规范确定如下：销试样为Φ5×23mm2的TC11合金；盘试样为Φ34×10mm2的GCr15轴承钢，硬度为50HRC；滑动速度为0.5m/s；转数为10000转；载荷为20、60、100、120N。滑动开始前，按单位滑动面积的添加量计，将0.2-0.4mg/mm2实施例1-6的抗磨减摩纳米混合材料添加至TC11合金/GCr15钢滑动界面。
测试结果如附图1-4所示。由附图1可知，当未添加抗磨减摩纳米混合材料时，TC11合金的磨损量随载荷增加而不断增大，此时发生严重磨损。而当添加0.2-0.4mg/mm2实施例1-6的抗磨减摩纳米混合材料时，TC11合金的磨损量在20-100N下几乎为0，此时发生轻微磨损，表明添加实施例1-6的抗磨减摩纳米混合材料使得TC11合金的耐磨性得以显著提高。在120N下，添加实施例1、2、6的抗磨减摩纳米混合材料时的TC11合金磨损量快速增大，添加实施例3的抗磨减摩纳米混合材料时的TC11合金磨损量轻微增大，而添加实施例4、5的抗磨减摩纳米混合材料时的TC11合金磨损量仍然接近0。这就表明实施例4、5制得的钛合金抗磨减摩用含氧化物自润滑纳米混合材料为最优实施例。
由附图2-4可知，当添加本发明制得的抗磨减摩纳米混合材料时，在滑动过程中，TC11合金表面易形成同时含抗磨剂和减摩剂的双层摩擦层。其中下层为主要含三氧化二铁摩擦层(Fe2O3-predominated tribo-layer)，上层为主要含多层石墨烯摩擦层(MLG-predominated tribo-layer)，两层摩擦层分别起承载和润滑的作用。这样的摩擦层可保护钛合金基体，避免金属-金属接触。因此，极少量的抗磨减摩纳米混合材料即可使钛合金在滑动过程中承受高的载荷，耐磨性明显得以提高，并且可显著降低摩擦系数，减少摩擦噪声。

Claims (5)

1.一种钛合金抗磨减摩用含氧化物自润滑纳米混合材料，其特征在于：按重量百分比计，包含抗磨剂33-83％，减摩剂17-67％；其中抗磨剂为10-50nm的三氧化二铁纳米颗粒，减摩剂为由膨胀石墨液相剥离制得的2-10nm厚的多层石墨烯，将两种纳米材料混合搅拌均匀后直接添加到钛合金构件滑动界面即可。
2.如权利要求1所述的一种钛合金抗磨减摩用含氧化物自润滑纳米混合材料，其特征在于：所述纳米混合材料的添加量为0.2-0.4mg/mm2，即每mm2的钛合金构件表面添加0.2-0.4mg的三氧化二铁纳米颗粒和多层石墨烯的混合材料。
3.如权利要求1所述的一种钛合金抗磨减摩用含氧化物自润滑纳米混合材料，其特征在于：所述的纳米混合材料，在滑动过程中容易在钛合金构件表面吸附并经压实烧结形成双层摩擦层，其中下层为主要为三氧化二铁摩擦层，具有良好的承载能力；上层为主要为多层石墨烯摩擦层，多层石墨烯因其超薄的片层结构且层间结合力较弱，在摩擦剪切力作用下层与层之间易发生滑动，而具有优异的润滑性能，可显著降低摩擦系数，减少摩擦噪声。
4.如权利要求1所述的一种钛合金抗磨减摩用含氧化物自润滑纳米混合材料，其特征在于：纳米混合材料由30nm的75％的三氧化二铁，6nm厚的25％的多层石墨烯组成，搅拌均匀后按0.3mg/mm2的添加量添加至钛合金构件滑动界面。
5.如权利要求1所述的一种钛合金抗磨减摩用含氧化物自润滑纳米混合材料，其特征在于：纳米混合材料由30nm的80％的三氧化二铁，6nm厚的20％的多层石墨烯组成，搅拌均匀后按0.3mg/mm2的添加量添加至钛合金构件滑动界面。
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