CN106825546A - 一种M50‑Ag‑TiC自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种M50‑Ag‑TiC自润滑复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种M50‑Ag‑TiC自润滑复合材料，主要以航空主轴轴承材料M50钢为基体材料，以Ag和TiC为润滑相和增强相；其中，润滑相的质量为基体材料质量的(8.0‑10.0)wt.％，增强相的质量为基体材料质量的(4.0‑6.0)wt.％；由含Ag和TiC的M50球形粉末采用3D打印制备而成。本发明所述M50‑Ag‑TiC自润滑复合材料，具有较低的摩擦系数与磨损率，可以有效提高M50轴承钢的摩擦学性能，且制备方法简便，制备过程中工艺参数容易控制，且可以制造出复杂机械零部件，对自润滑材料的工业化应用具有重要意义。

Description

一种M50-Ag-TiC自润滑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种M50-Ag-TiC自润滑复合材料及其制备方法，属于固体自润滑复合材料领域。
背景技术
M50高温轴承钢是世界各国应用最广泛的一种高温轴承钢，其除具一般轴承的特性外，还具有较高的高温尺寸稳定性、高温硬度、高温接触疲惫性能，主要用作航空发动机主轴轴承。随着航空发动机推力比的不断增大，其主轴轴承的工作环境也不断恶化，摩擦磨损问题成为限制轴承使用寿命的主要影响因素之一。因此，研发拥有良好减磨耐磨性能的M50复合材料成为当下研究的热点问题。
固体自润滑技术是解决金属材料摩擦磨损问题最常用和最有效的手段，刘佐民等研究M50高速钢摩擦磨损机理转变的临界温度，在此临界温度以下，高速钢的磨损量随温度的上升而增大，摩擦系数几乎保持恒定，超过此温度后，由于界面金属膜的呈现，磨损率迅速下降也有学者研究Ag、TiC等固体润滑剂对金属基材料的摩擦性能影响。但针对M50基固体自润滑材料的研究目前尚未见报道。
另外，目前金属基固体自润滑材料的制备技术主要是放电等离子烧结技术。翟文正利用放电等离子烧结技术制备了Ni3Al基自润滑复合材料，对其摩擦磨损过程中形成的摩擦层微纳米结构与摩擦学特性进行系统研究。但是，放电等离子烧结技术有很多不足之处，如：烧结时温度分布不均匀；制得烧结体尺寸偏小、形状不复杂；烧结中所用的模具主要为石墨模具，存在碳原子向烧结体扩散，导致烧结体表面甚至内部发生碳污染等现象。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种M50-Ag-TiC自润滑复合材料及其制备方法，主要以航空主轴轴承材料M50钢为基体材料，以Ag和TiC为润滑相和增强相，具有优良的摩擦学性能，且制备方法简便可行，为实现M50基自润滑材料的工业化应用提供了实践基础。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
一种M50-Ag-TiC自润滑复合材料，主要包括基体材料和润滑相、增强相，它以M50钢为基体材料，以Ag为润滑相，以TiC为增强相。
按上述方案，所述润滑相的质量为基体材料质量的(8.0-10.0)wt.％，增强相的质量为基体材料质量的(4.0-6.0)wt.％。
按上述方案，所述基体材料M50钢主要包括元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe等。优选地，本发明中所述基体材料M50钢中各元素按质量百分比计为：C 0.75-0.85％，Mn≤0.35％，Si≤0.35％，Ni≤0.20％，Cr3.75-4.25％，Cu≤0.20％，Mo 4.00-4.50％，V 0..90-1.10％，以及余量的Fe。最优选地，本发明所述基体材料M50钢中元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe质量比比值为0.75：0.35：0.30：0.20：4.0：0.15：4.2：1：89.05。
上述M50-Ag-TiC自润滑复合材料，它由含Ag和TiC的M50球形粉末采用3D打印(即激光熔融沉积)制备而成。该球形粉末由Ag、TiC和M50钢组成，Ag质量为M50钢质量的(8.0-10.0)wt.％，TiC的质量为M50钢的(4.0-6.0)wt.％。
上述方案中，所述含Ag和TiC的M50球形粉末，其制备方法包括如下步骤：
1)根据M50钢的组成元素及其含量，称取其组成元素的单质粉末，作为基体材料的原料；按照Ag质量为基体材料的原料的(8.0-10.0)wt.％，TiC的质量为基体材料的原料的(4.0-6.0)wt.％，选取Ag粉和TiC粉末，然后与基体材料的原料混合，得到初始配料；
2)将步骤1)所得初始配料在真空或惰性气氛下进行熔化，得到熔液；
3)将熔液进行雾化，雾化所得熔滴冷却凝固后形成球形粉末，即为含Ag和TiC的M50球形粉末。
按上述方案，步骤1)中M50钢中，各组成元素的单质粉末为C粉、Mn粉、Si粉、Ni粉、Cr粉、Cu粉、Mo粉、V粉和Fe粉，粉末粒径均为30um-50um。
按上述方案，步骤1)中Ag和TiC的粉末粒径均为10-30μm。
上述方案中，步骤1)中的粉末混合，采用振动混料。其中，振动频率为45-55Hz，振动力为10000-12000N，振荡时间为15-25min.
上述方案中，步骤2)中所述熔化的温度为1150-1250℃。
上述方案中，步骤3)所得含Ag和TiC的M50球形粉末进行筛分，粒径优选控制在50-100μm范围内。
上述方案中，熔化与雾化的工艺条件为：预先抽至真空，真空度小于0.06MPa，含氧量<100ppm。
上述M50-Ag-TiC自润滑复合材料的制备方法，它是采用上述含Ag和TiC的M50球形粉末经3D打印(即激光熔融沉积)，得到M50-Ag-TiC自润滑复合材料。其中，3D打印工艺参数：激光功率为1700W-1900W，扫描速度为900-1100mm/min，层厚为0.05-0.15mm，光斑直径为1-3mm，搭接率为30％-50％，送粉率为5-15g/min。
本发明所得M50-Ag-TiC自润滑复合材料在摩擦磨损过程中体现出优良的摩擦学性能，摩擦系数较小，平均值约0.21-0.36；磨损率也较小，约为1.94-2.31×10-6mm3N-1m-1。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明所述的M50-Ag-TiC自润滑复合材料，润滑相Ag和增强相TiC原位复合在基体M50中，增强相TiC可以提高材料强度及韧性，润滑相Ag增强润滑性能，所得的自润滑材料性能优良，纯度高，能有效降低材料在滑动过程中的摩擦系数和磨损率，具有稳定优良的摩擦学性能。
2、本发明含润滑相Ag和增强相TiC的M50钢球形粉末为原料，利用3D打印技术以逐层激光烧结的方式制备材料，温度分布均匀，致密度高，提高了材料力学性能及摩擦磨损性能。
3、本发明的制备方法简便新颖，可操作性强，工艺参数易控制，且M50材料廉价，具有很强的工业推广价值，符合产业化发展需求。
附图说明
图1是本发明的制备工艺流程图。
图2是本发明实施例1所制备的含Ag和TiC的M50球形粉末场发射扫描电镜照片。
图3是本发明实施例2制得的一种3D打印M50-Ag-TiC自润滑复合材料的磨痕电子探针照片，测试条件为：温度25℃、载荷20N、滑动速度0.3m/s、时间30min、摩擦半径4mm。
图4是摩擦测试所得到的本发明实施例1、2、3制备的一种3D打印M50-Ag-TiC自润滑复合材料摩擦系数曲线，测试条件为：温度25℃、载荷20N、滑动速度0.3m/s、时间30min、摩擦半径4mm。
图5是摩擦测试所得到的本发明实施例1、2、3制备的一种3D打印M50-Ag-TiC自润滑复合材料磨损率曲线，测试条件为：温度25℃、载荷20N、滑动速度0.3m/s、时间30min、摩擦半径4mm。
具体实施方式
以下结合附图和实施例进一步对本发明进行说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
下述实施例中，所述的一种M50-Ag-TiC自润滑复合材料由含Ag和TiC的M50球形粉末制备而成。本发明提供一种具体制备方法，但是不限定其制备方法，其他方法制备得到的符合本发明所述要求含Ag和TiC的M50球形粉末、M50-Ag-TiC自润滑复合材料也属于本发明的保护范围。
本发明提供M50-Ag-TiC自润滑复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)根据M50钢的组成元素及其含量，称取其组成元素的单质粉末，作为基体材料的原料；并根据基体材料的原料质量的(8.0-10.0)wt.％，称取润滑相Ag粉末，根据基体材料的原料质量的(4.0-6.0)wt.％，称取增强相TiC粉末；其中，Ag和TiC的粉末粒径为10-30μm，所述M50所需各个元素单质粉末粒径为30μm-50μm；
2)选取Ag和TiC粉末与基体材料的原料粉末混合后置于振动混料机中，振动频率为45-55Hz，振动力为10000-12000N，振荡时间为15-25分钟，得到初始配料；将熔炼室与雾化室抽至真空，初始配料加入到熔炼坩埚，坩埚升温至1150-1250℃，将初始配料熔化，得到熔液；然后，雾化喷嘴喷出氩气，将熔液气雾化，雾化后的粉末进入收集罐，待粉末冷却后，干燥，收集筛分，得到含Ag和TiC的M50球形粉末；其中，将熔炼室与雾化室预先抽至真空，预定的真空度小于0.06MPa，预定的含氧量<100ppm；
3)将上述含Ag和TiC的M50球形粉末装入LDM-8060金属3D打印机料筒中，设置3D打印工艺参数，经激光烧结得到所述的M50-Ag-TiC自润滑复合材料；其中，3D打印工艺参数：激光功率为1700W-1900W，扫描速度为900-1100mm/min，层厚为0.05-0.15mm，光斑直径为1-3mm，搭接率为30％-50％，送粉率为5-15g/min。
实施例1
一种M50-Ag-TiC自润滑复合材料，包括基体材料和润滑相、增强相，它以M50钢为基体材料，以Ag为润滑相，以TiC为增强相；所加入的润滑相Ag和增强相TiC粉末的质量分别为基体材料M50质量的8.0wt.％和4.0wt.％，基体材料M50钢包括元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe，元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe质量比值为0.75：0.35：0.30：0.20：4.0：0.15：4.2：1：89.05。
如图1所示，上述M50-Ag-TiC自润滑复合材料的制备方法，它是采用上述含Ag和TiC的M50球形粉末经3D打印(即激光熔融沉积)，得到M50-Ag-TiC自润滑复合材料。具体步骤如下：
1)基体材料M50的原料由C粉、Mn粉、Si粉、Ni粉、Cr粉、Cu粉、Mo粉、V粉和Fe粉组成，其质量分别为：0.19g，0.09g，0.08g，0.05g，1.0g，0.04g，1.05g，0.25g，22.26g；润滑相Ag粉和增强相TiC粉末的质量分别为2g与1g；
2)选取Ag和TiC粉末与M50粉末混合后置于振动混料机中，振动频率为45Hz，振动力为10000N，振荡时间为15分钟，得到初始配料；
3)将熔炼室与雾化室抽至真空，真空度设为小于0.06MPa，含氧量<100ppm；将初始配料加入到熔炼坩埚，坩埚升温至1150摄氏度，将所加入初始配料熔化成熔液；随后开启雾化喷嘴，所喷出气体为氩气，将熔液气雾化；雾化后的粉末进入收集罐，待粉末冷却后，干燥，收集筛分，得到含Ag和TiC的M50球形粉末；
4)将制备好的含Ag和TiC的M50球形粉末装入LDM-8060金属3D打印机料筒中；
5)设置3D打印工艺参数：激光功率为1700W，扫描速度为900mm/min，层厚为0.1mm，光斑直径为2mm，搭接率为50％，送粉率为5g/min，经激光烧结得到所述的M50-Ag-TiC自润滑复合材料。
上述3D打印所制得的M50-Ag-TiC自润滑复合材料试样总质量为25g，外形为圆饼状，直径约25mm，厚度约6mm，利用HVS-1000型数显显微硬度仪测试其硬度为6.53GPa，相对密度为99.4％。
图4(a)、图5(a)分别为本发明实施例的平均摩擦系数(约0.36)与磨损率(约2.31×10-6mm3N-1m-1)，平均摩擦系数与磨损率均较小，表现出优良的摩擦学性能。
实施例2
一种M50-Ag-TiC自润滑复合材料，包括基体材料和润滑相、增强相，它以M50钢为基体材料，以Ag为润滑相，以TiC为增强相；所加入的润滑相Ag和增强相TiC粉末的质量分别为基体材料M50质量的9.0wt.％和5.0wt.％，基体材料M50钢包括元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe，元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe质量比值为0.75：0.35：0.30：0.20：4.0：0.15：4.2：1：89.05。
如图1所示，上述M50-Ag-TiC自润滑复合材料的制备方法，它是采用上述含Ag和TiC的M50球形粉末经3D打印(即激光熔融沉积)，得到M50-Ag-TiC自润滑复合材料。具体步骤如下：
1)基体材料M50的原料由C粉、Mn粉、Si粉、Ni粉、Cr粉、Cu粉、Mo粉、V粉和Fe粉组成，其质量分别为：0.19g，0.09g，0.08g，0.05g，1.0g，0.04g，1.05g，0.25g，22.26g；润滑相Ag粉和增强相TiC粉末的质量分别为2.25g与1.25g；
2)选取Ag和TiC粉末与M50粉末混合后置于振动混料机中，振动频率为50Hz，振动力为11000N，振荡时间为20分钟，得到初始配料；
3)将熔炼室与雾化室抽至真空，真空度设为小于0.06MPa，含氧量<100ppm；将初始配料加入到熔炼坩埚，坩埚升温至1200摄氏度，将所加入初始配料熔化成熔液；随后开启雾化喷嘴，所喷出气体为氩气，将熔液气雾化；雾化后的粉末进入收集罐，待粉末冷却后，干燥，收集筛分，得到含Ag和TiC的M50球形粉末；
4)将制备好的含Ag和TiC的M50球形粉末装入LDM-8060金属3D打印机料筒中，
5)设置3D打印工艺参数：激光功率为1800W，扫描速度为1000mm/min，层厚为0.05mm，光斑直径为1mm，搭接率为30％，送粉率为10g/min，经激光烧结得到所述的M50-Ag-TiC自润滑复合材料。
利用HVS-1000型数显显微硬度仪测试本实施例所得M50-Ag-TiC自润滑复合材料，硬度为6.83GPa，相对密度为99.2％。
图3是本实施例2制得的M50-Ag-TiC自润滑复合材料的磨痕电子探针照片，可知：磨痕表面光滑平整；润滑相Ag由于其低剪切力，极易在磨痕表面进行铺展，增强相TiC增强了自润滑材料的强度。
润滑相Ag与增强相TiC的协同作用使M50-Ag-TiC自润滑复合材料具有优异的抗摩减磨特性。图4(b)、图5(b)分别为本发明实施例的平均摩擦系数(约0.21)与磨损率(约1.94×10-6mm3N-1m-1)，平均摩擦系数与磨损率均较小，表现出优良的摩擦学性能。
实施例3
一种M50-Ag-TiC自润滑复合材料，包括基体材料和润滑相、增强相，它以M50钢为基体材料，以Ag为润滑相，以TiC为增强相；所加入的润滑相Ag和增强相TiC粉末的质量分别为基体材料M50质量的10.0wt.％和6.0wt.％，基体材料M50钢包括元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe，元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe质量比值为0.75：0.35：0.30：0.20：4.0：0.15：4.2：1：89.05。
如图1所示，上述M50-Ag-TiC自润滑复合材料的制备方法，它是采用上述含Ag和TiC的M50球形粉末经3D打印(即激光熔融沉积)，得到M50-Ag-TiC自润滑复合材料。具体步骤如下：
1)基体材料M50的原料由C粉、Mn粉、Si粉、Ni粉、Cr粉、Cu粉、Mo粉、V粉和Fe粉组成，其质量分别为：0.19g，0.09g，0.08g，0.05g，1.0g，0.04g，1.05g，0.25g，22.26g；润滑相Ag粉和增强相TiC粉末的质量分别为2.5g与1.5g；
2)选取Ag和TiC粉末与M50粉末混合后置于振动混料机中，振动频率为50Hz，振动力为12000N，振荡时间为25分钟，得到初始配料；
3)将熔炼室与雾化室抽至真空，真空度设为小于0.06MPa，含氧量<100ppm；将初始配料加入到熔炼坩埚，坩埚升温至1250摄氏度，将所加入初始配料熔化成熔液；随后开启雾化喷嘴，所喷出气体为氩气，将熔液气雾化；雾化后的粉末进入收集罐，待粉末冷却后，干燥，收集筛分，得到含Ag和TiC的M50球形粉末；
4)将制备好的含Ag和TiC的M50球形粉末装入LDM-8060金属3D打印机料筒中，5)设置3D打印工艺参数：激光功率为1900W，扫描速度为1100mm/min，层厚为0.15mm，光斑直径为3mm，搭接率为40％，送粉率为15g/min，经激光烧结得到所述的M50-Ag-TiC自润滑复合材料。
利用HVS-1000型数显显微硬度仪测试本实施例所得M50-Ag-TiC自润滑复合材料，硬度为6.99GPa，相对密度为99.0％。
图4(c)、图5(c)分别为本发明实施例的平均摩擦系数(约0.34)与磨损率(约3.14×10-6mm3N-1m-1)，可以看出平均摩擦系数与磨损率均较小，表现出优良的摩擦学性能。
本发明所列举的各原料都能实现本发明，以及各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明，本发明的工艺参数(如温度、转速、激光功率、送粉率等)的上下限取值以及区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种M50-Ag-TiC自润滑复合材料，其特征在于它主要包括基体材料和润滑相、增强相，它以M50钢为基体材料，以Ag为润滑相，以TiC为增强相。
2.根据权利要求1所述的一种M50-Ag-TiC自润滑复合材料，其特征在于所述润滑相的质量为基体材料质量的(8.0-10.0)wt.％，增强相的质量为基体材料质量的(4.0-6.0)wt.％。
3.根据权利要求1所述的一种M50-Ag-TiC自润滑复合材料，其特征在于所述基体材料M50钢主要包括元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe。
4.根据权利要求1所述的一种M50-Ag-TiC自润滑复合材料，其特征在于它由含Ag和TiC的M50球形粉末采用3D打印制备而成。
5.根据权利要求4所述的一种M50-Ag-TiC自润滑复合材料，其特征在于所述含Ag和TiC的M50球形粉末粒径为50-100μm，由Ag、TiC和M50钢组成；其中，Ag质量为M50钢质量的(8.0-10.0)wt.％，TiC的质量为M50钢的(4.0-6.0)wt.％。
6.根据权利要求4所述的一种M50-Ag-TiC自润滑复合材料，其特征在于所述含Ag和TiC的M50球形粉末，其制备方法包括如下步骤：
1)根据M50钢的组成元素及其含量，称取其组成元素的单质粉末，作为基体材料的原料；按照Ag质量为基体材料的原料的(8.0-10.0)wt.％，TiC的质量为基体材料的原料的(4.0-6.0)wt.％，选取Ag粉和TiC粉末，然后与基体材料的原料混合，得到初始配料；
2)将步骤1)所得初始配料在真空或惰性气氛下进行熔化，得到熔液；
3)将熔液进行雾化，雾化所得熔滴冷却凝固后形成球形粉末，即为含Ag和TiC的M50球形粉末。
7.根据权利要求6所述的一种M50-Ag-TiC自润滑复合材料，其特征在于步骤1)中M50钢中，各组成元素的单质粉末为C粉、Mn粉、Si粉、Ni粉、Cr粉、Cu粉、Mo粉、V粉和Fe粉，粉末粒径均为30um-50um；Ag和TiC的粉末粒径均为10-30μm。
8.根据权利要求6所述的一种M50-Ag-TiC自润滑复合材料，其特征在于步骤2)中所述熔化的温度为1150-1250℃。
9.一种M50-Ag-TiC自润滑复合材料的制备方法，其特征在于它是采用含Ag和TiC的M50球形粉末经3D打印，得到M50-Ag-TiC自润滑复合材料。
10.根据权利要求1所述的一种M50-Ag-TiC自润滑复合材料的制备方法，其特征在于所述3D打印的工艺参数：激光功率为1700W-1900W，扫描速度为900-1100mm/min，层厚为0.05-0.15mm，光斑直径为1-3mm，搭接率为30％-50％，送粉率为5-15g/min。
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