CN106757012A - 一种含石墨烯和碳化钛自润滑耐磨涂层 - Google Patents

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邢晓磊
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    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
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Abstract

一种含石墨烯和碳化钛自润滑耐磨涂层，其原料的质量百分比为(wt％)：石墨烯粉末0.5～1.5％、TiC粉末5.0～10.0％、余量为轴承钢粉末；上述原料粒度均为60～80目。选用轴承钢(GCr15)钢板作为基体，使用混料机对原料粉末机械混合2小时制备复合粉末，通过激光熔覆将复合粉末涂覆在轴承钢表面。本发明的自润滑耐磨涂层可以用于自润滑关节轴承，表面涂层摩擦系数为0.25～0.35，表面硬度为HRC60～64。

Description

一种含石墨烯和碳化钛自润滑耐磨涂层
技术领域
本发明涉及一种金属涂层及制备方法。
背景技术
对航空飞行器而言，其绝大多数轴承都不能专门配备润滑系统。在其飞行期间，没有条件对关键部位的轴承及时补充润滑油。因此，航空飞行器关键部位的关节轴承绝大多数为自润滑关节轴承(内、外圈和自润滑膜)。自润滑关节轴承仿人体关节功能，用纤维编织复合自润滑复合材料仿人体关节自润滑膜，实现了自润滑、免维护，并具有体积小、重量轻、结构简单、安全可靠等特点，成为提高新一代航空飞行器的关键部件。
随着自润滑关节轴承在航空领域应用领域的不断扩大，人们对其使用寿命的要求也越来越高，在致力于制备出更高性能的纤维编织复合自润滑膜的同时，还在致力于制备出具有自润滑性能的轴承内外圈表面，以延长自润滑关节轴承的使用寿命。
石墨具有层状的晶体结构特点，决定了其具有优异的润滑性能，与其他润滑材料如锡、铅、二硫化钼等相比，石墨是非常理想的高温自润滑材料。但是，石墨的硬度极低，在实际使用过程中会降低轴承内外圈表面的耐磨性能，从而限制了其广泛应用。石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯(Graphene)。
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，是一种由碳原子杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。因此，石墨烯不仅具有极高的硬度与韧性，而且还具有石墨的润滑性能。然而由于石墨烯比重极小，在制备自润滑耐磨涂层过程中，过渡进入涂层的质量分数较少，对涂层硬度和耐磨性的提高有限，无法满足对自润滑关节轴承高耐磨性涂层的要求。
发明内容 本发明的目的在于提供一种表面具有自润滑性能、耐磨性高、寿命长的含石墨烯和碳化钛自润滑耐磨涂层。
本发明的自润滑耐磨涂层，其涂层粉末的原料质量百分比为(wt％)：石墨烯粉末0.5～1.5％、TiC粉末5.0～10.0％、余量为轴承钢粉末；上述原料粒度均为60～80目，所述轴承钢为GCr15轴承钢。
上述自润滑关节轴承耐磨涂层的制备方法：
1、为了去除基体表面的氧化皮，增强粉末在轴承钢基体表面的附着能力，首先将基体表面用不同型号的砂纸打磨，酒精清洗干净，吹风机吹干表面；
2、使用混料机对原料粉末机械混合2小时，制得复合粉末；
3、因为复合粉末的尺寸较小，不能采用同轴送粉的方式，选择预制粉末的方法，预先用环保胶将复合粉末粘结铺设在轴承钢基板上，自然风干，并在涂层制备前将其预热、除湿，以减少激光熔覆产生的热裂纹，预热温度为200℃；
4、为了避免熔覆后的轴承钢基板发生弯曲，需提前将轴承钢基板固定在工作台上；
5、在激光熔覆过程中，激光光束的功率为2kW，扫描速度为5mm/s，搭接率为50％；
6、为了防止轴承钢基体和粉末在高能激光束下迅速熔化和凝固过程中被空气氧化，在熔覆过程中全程需要Ar气保护。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、由于石墨烯具有较高的熔点(3000℃)，在激光熔覆过程中，虽然部分石墨烯发生分解，但在表面涂层中仍然存在一定数量的石墨烯，使涂层具有自润滑性能。轴承钢基体的摩擦系数为0.6，添加石墨烯后，涂层的摩擦系数降低为0.25～0.35；分解的石墨烯在涂层中一部分以碳原子的形式固溶于轴承钢中，起到固溶强化作用，另一部分与轴承钢(GCr15)的Cr发生反应，生成Cr的碳化物，分布在涂层表面，与TiC一起作为耐磨相，提高涂层表面的耐磨性。
2、在轴承钢自润滑耐磨涂层中添加纳米TiC颗粒，其硬度仅次于金刚石，具有极高的熔点(3067℃)；在激光熔覆过程中，纳米TiC颗粒不会溶解，保留下来，在涂层中起到颗粒弥散强化的作用，使轴承钢基体保证具有自润滑性能的同时，涂层具有较高的硬度和耐磨性。
3、本发明的自润滑耐磨涂层不仅可以广泛的应用到空间飞行器的自润滑关节轴承，而且也可以应用于汽车、工程机械等领域的自润滑关节轴承，其市场空间十分广阔。
具体实施方式
实施例1：
取石墨烯粉末0.5g、TiC粉末5.0g、轴承钢粉末94.5g；选用轴承钢(GCr15)钢板作为基体。将基体表面用不同型号的砂纸打磨，酒精清洗干净，吹风机吹干表面；使用混料机对上述原料粉末机械混合2小时，制得复合粉末；选择预制粉末的方法预先用环保胶将复合粉末粘结铺设在轴承钢基板上；铺粉前对轴承钢基板进行预热200℃；然后将轴承钢基板固定在工作台上；在激光熔覆过程中，激光光束的功率为2kW，扫描速度为5mm/s，搭接率为50％；在高能激光束下迅速熔化和凝固过程中被空气氧化，在熔覆过程中全程需要Ar气保护。制备的轴承钢自润滑耐磨涂层摩擦系数为0.25，表面涂层硬度为HRC60。
实施例2：
取石墨烯粉末1.0g、TiC粉末7.5g、轴承钢粉末89.0g；选用典型的轴承钢(GCr15)钢板作为基体。将基体表面用不同型号的砂纸打磨，酒精清洗干净，吹风机吹干表面；使用混料机对上述原料粉末机械混合2小时，制得复合粉末；选择预制粉末的方法预先用环保胶将复合粉末粘结铺设在轴承钢基板上；铺粉前对轴承钢基板进行预热200℃；然后将轴承钢基板固定在工作台上；在激光熔覆过程中，激光光束的功率为2kW，扫描速度为5mm/s，搭接率为50％；在高能激光束下迅速熔化和凝固过程中被空气氧化，在熔覆过程中全程需要Ar气保护。制备的轴承钢自润滑耐磨涂层摩擦系数为0.30，表面涂层硬度为HRC62。
实施例3：
取石墨烯粉末1.5g、TiC粉末10.0g、轴承钢粉末83.5g；选用典型的轴承钢(GCr15)钢板作为基体。将基体表面用不同型号的砂纸打磨，酒精清洗干净，吹风机吹干表面；使用混料机对上述原料粉末机械混合2小时，制得复合粉末；选择预制粉末的方法预先用环保胶将复合粉末粘结铺设在轴承钢基板上；铺粉前对轴承钢基板进行预热200℃；然后将轴承钢基板固定在工作台上；在激光熔覆过程中，激光光束的功率为2kW，扫描速度为5mm/s，搭接率为50％；在高能激光束下迅速熔化和凝固过程中被空气氧化，在熔覆过程中全程需要Ar气保护。制备的轴承钢自润滑耐磨涂层摩擦系数为0.35，表面涂层硬度为HRC64g。

Claims (3)

1.一种含石墨烯和碳化钛自润滑耐磨涂层，其特征在于：其涂层的粉末原料质量百分比wt％为：石墨烯粉末0.5～1.5％、TiC粉末5.0～10.0％、余量为轴承钢粉末。
2.根据权利要求1所述的含石墨烯和碳化钛自润滑耐磨涂层，其特征在于：所述原料粒度均为60～80目，所述轴承钢为GCr15轴承钢。
3.根据权利要求1所述的含石墨烯和碳化钛自润滑耐磨涂层，其特征在于：所述轴承钢为GCr15轴承钢。
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