CN106906427A

CN106906427A - 一种新型m50基自润滑材料及其制备方法

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Publication number: CN106906427A
Application number: CN201710090337.XA
Authority: CN
Inventors: 史晓亮; 刘锡尧; 黄玉春; 杨慷; 邓骁斌; 闫昭; 薛冰; 章桥新
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2017-06-30
Anticipated expiration: 2037-02-20
Also published as: CN106906427B

Abstract

本发明公开了一种新型M50基自润滑材料，主要包括基体材料和润滑相，并以M50钢为基体材料，以含MoS₂和SiO₂的微米球为润滑相，润滑相的质量为基体材料质量的(3.0‑5.0)wt.％。本发明所述的新型M50基自润滑材料具有较低的摩擦系数与磨损率，可以有效提高M50钢的摩擦学性能，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。

Description

一种新型M50基自润滑材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型M50基自润滑材料及其制备方法，属于固体自润滑复合材料领域。

背景技术

航空发动机主轴轴承是航空发动机的关键零部件，被认为是航空发动机的心脏，其质量的好坏，是直接影响航空发动机寿命及可靠性的重要因素之一，因此，提高航空发动机主轴轴承的可靠性一直是航空发动机研制生产中的一项十分重要的课题。M50高温轴承钢为我国和世界各国航空发动机主轴轴承的主要用钢，可以长期在315℃下工作，除具有一般轴承钢的特性外，还具有较好的高温尺寸稳定性，高温硬度和高温疲劳性能等。但是随着飞机的不断更新换代，航空发动机轴承的工作环境也更加恶劣，如何降低轴承的摩擦磨损是一个重要的研究内容。

固体材料自润滑技术是解决高温、高压、真空等极端环境下润滑的一种有效方法。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。目前，利用固体自润滑材料来提高M50高温航空轴承钢摩擦磨损性能的研究还鲜见报到。

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新型M50基自润滑材料及其制备方法，以含MoS₂和SiO₂微米球为润滑相，具有较低的摩擦系数与磨损率，可以有效提高航空主轴轴承材料M50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。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种新型M50基自润滑材料，主要包括基体材料和润滑相，它以M50钢为基体材料，以含MoS₂和SiO₂的微米球为润滑相。

按上述方案，所述润滑相的质量为基体材料质量的(3.0-5.0)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质量比值为0.75：0.35：0.30：0.20：4.0：0.15：4.2：1：89.05。

按上述方案，所述含MoS₂和SiO₂的微米球主要组成成分为MoS₂与SiO₂，MoS₂与SiO₂的质量比(3.0-7.0)：(7.0-12.0)。该微米球为具有坚硬外壳的中空球形颗粒，外观为灰色，单颗粒直径为8-15μm，壁厚为其直径的6％-10％。

按上述方案，所述含MoS₂和SiO₂微米球的制备方法为：将MoS₂粉末和SiO₂粉末加入到含辅助试剂的硅酸钠水溶液中形成混合液；将所得混合液经干燥后、熔融后，所得熔融的液滴状反应物收集于水中进行冷凝，然后收集水面上层漂浮的颗粒物，烘干后，即为所需要的含MoS₂和SiO₂的微米球粉末。其中，优选采用氧-乙炔进行熔融处理；辅助试剂为硼酸、尿素、五硼酸胺按质量比1：(1-1.5)：(0.5-1)的混合物，辅助试剂的添加质量为硅酸钠添加量的(4.0-8.0)％，硅酸钠的水溶液浓度范围为(13.0-18.0)wt.％。

按上述方案，所述MoS₂粉末粒径为3μm-30μm，SiO₂粉末的粒径10μm-50μm。

本发明上述新型M50基自润滑材料的制备方法，其主要步骤如下：

1)根据M50钢的组成元素及其含量，称取其各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(3.0-5.0)wt.％，选取含MoS₂和SiO₂的微米球为润滑相；

2)将步骤1)称取的基体材料的原料和润滑相混合均匀，然后经放电等离子烧结后，得到所述新型M50基自润滑材料。

按上述方案，步骤2)中所述混合采用振动混料。其中，振动频率为45-55Hz，振动力为10000-12000N，振荡时间为15-25分钟。

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30μm-50μm。

按上述方案中，所述放电等离子烧结工艺参数为：烧结温度为1000-1100℃，升温速率为90-110℃/min，烧结压力为25-30MPa，真空度为1×10^-2-1×10^-1Pa，保温时间为10-15min，保护气体为惰性气体。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明所述的新型M50基自润滑材料，以含MoS₂和SiO₂的微米球为润滑相，致密度高，提高了M50基自润滑材料力学性能及摩擦磨损性能；同时，润滑相微米球形状可以在一定程度上将滑动摩擦转变为滚动摩擦，降低了摩擦磨损。

2、本发明中润滑相中，SiO₂的高硬度及稳定性可以提高M50基自润滑材料强度及韧性；而MoS₂可发生分解反应，生成的单质S可与M50基体材料中Fe元素发生化合反应得到FeS，FeS与MoS₂协同起到润滑作用。其中，FeS与MoS₂均为层状结构，分子层之间结合力小，形成了一个低剪切力平面，当分子之间受到很小的剪切力时就可以形成滑移面，从而降低摩擦磨损。

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钢廉价，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是本发明所采用的含MoS₂和SiO₂的微米球的场发射扫描电镜照片。

图3是本发明实施例2制得的新型M50基自润滑材料的磨痕电子探针照片，测试条件为：温度300℃、载荷20N、滑动速度0.2m/s、时间30min、摩擦半径4mm。

图4是本发明实施例1、2、3制备的新型M50基自润滑材料的摩擦系数曲线，摩擦测试条件为：温度300℃、载荷20N、滑动速度0.2m/s、时间30min、摩擦半径4mm。

图5是本发明实施例1、2、3制备的新型M50基自润滑材料的磨损率曲线，摩擦测试条件为：温度300℃、载荷20N、滑动速度0.2m/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，所采用的含MoS₂和SiO₂微米球的制备方法均为：选取MoS₂和SiO₂粉末(MoS₂与SiO₂的质量比(3.0-7.0)：(7.0-12.0))加入到含辅助试剂的硅酸钠水溶液中形成混合液；将所得混合液经干燥后利用氧-乙炔进行高温熔融处理，所得熔融的液滴状反应物收集于水中进行冷凝，收集水面上层漂浮的颗粒物，烘干后即为所需要的含MoS₂和SiO₂的微米球粉末。如图2所示，该微米球为具有坚硬外壳的中空球形颗粒，外观为灰色，单颗粒直径为8-15μm，壁厚为其直径的6％-10％。其中，辅助试剂为硼酸、尿素、五硼酸胺按质量比1：(1-1.5)：(0.5-1)的混合物，辅助试剂的添加质量为硅酸钠添加量的(4.0-8.0)％，硅酸钠的水溶液浓度范围为(13.0-18.0)wt.％；MoS₂粉末粒径为3um-30um，SiO₂粉末的粒径10μm-50μm。

当然，其他方法制备的含MoS₂和SiO₂微米球的也适用于本发明。

实施例1

一种新型M50基自润滑材料，它由基体材料和润滑相组成，以M50钢为基体材料，以含MoS₂和SiO₂的微米球为润滑相，润滑相的质量为基体材料质量的3.0wt.％。其中，基体材料M50钢由C粉、Mn粉、Si粉、Ni粉、Cr粉、Cu粉、Mo粉、V粉和Fe粉按质量比0.75：0.35：0.30：0.20：4.0：0.15：4.2：1：89.05组成；润滑相微米球主要组成成分为MoS₂与SiO₂，MoS₂与SiO₂的质量比3.0：7.0，其制备方法中辅助试剂为硼酸、尿素、五硼酸胺按质量比1：1：0.5的混合物，辅助试剂的添加质量为硅酸钠添加量的4.0％，硅酸钠的水溶液浓度为13.0wt.％。

如图1所示，上述新型M50基自润滑材料的制备方法，具体包括步骤如下：

1)称取C粉、Mn粉、Si粉、Ni粉、Cr粉、Cu粉、Mo粉、V粉和Fe粉质量分别为：0.19g，0.09g，0.08g，0.05g，1.0g，0.04g，1.05g，0.25g，22.26g，混合后作为基体材料M50钢的原料，其中各单质粉末粒径为30μm-50μm；称取润滑相含MoS₂和SiO₂微米球称0.75g；

2)将步骤1)所称取的配料混合后，置于振动混料机中，振动混料外罐为钢罐，内置聚四氟乙烯罐，振动频率为45Hz，振动力为10000N，振荡时间为15分钟，得到烧结配料；

3)利用石墨模具、铅纸、压头等将烧结配料制作成圆饼状烧结模型；

4)将所制作圆饼状烧结模型及模具放入等离子烧结炉中，设置烧结参数：烧结温度为1000℃、升温速率为100℃/min、烧结压力为25MPa、真空度为1×10^-1Pa、保温时间为10min，保温结束后，即得到新型M50基自润滑材料。

利用HVS-1000型数显显微硬度仪测试本实施例所制备的以含MoS₂和SiO₂微米球为润滑相的新型M50基自润滑材料，其硬度为4.71GPa，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0.26)与磨损率(约2.19×10^-6mm³N^-1m^-1)，可见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

一种新型M50基自润滑材料，它由基体材料和润滑相组成，以M50钢为基体材料，以含MoS₂和SiO₂的微米球为润滑相，润滑相的质量为基体材料质量的4.0wt.％。其中，基体材料M50钢由C粉、Mn粉、Si粉、Ni粉、Cr粉、Cu粉、Mo粉、V粉和Fe粉按质量比0.75：0.35：0.30：0.20：4.0：0.15：4.2：1：89.05组成；润滑相微米球主要组成成分为MoS₂与SiO₂，MoS₂与SiO₂的质量比5.0：10.0，其制备方法中辅助试剂为硼酸、尿素、五硼酸胺按质量比1：1.2：0.8的混合物，辅助试剂的添加质量为硅酸钠添加量的6.0％，硅酸钠的水溶液浓度为15.0wt.％。

1)称取C粉、Mn粉、Si粉、Ni粉、Cr粉、Cu粉、Mo粉、V粉和Fe粉质量分别为：0.19g，0.09g，0.08g，0.05g，1.0g，0.04g，1.05g，0.25g，22.26g，混合后作为基体材料M50钢的原料，其中各单质粉末粒径为30μm-50μm；称取润滑相含MoS₂和SiO₂微米球称1.0g；

2)将步骤1)所称取的配料混合后，置于振动混料机中，振动混料外罐为钢罐，内置聚四氟乙烯罐，振动频率为50Hz，振动力为11000N，振荡时间为20分钟，得到烧结配料；

3)利用石墨模具、铅纸、压头等将烧结配料制作成圆饼状烧结模型。

4)将所制作圆饼状烧结模型及模具放入等离子烧结炉中，设置烧结参数：烧结温度为1050℃、升温速率为90℃/min、烧结压力为27MPa、真空度为5×10^-2Pa、保温时间为15min，保温结束后，即得到新型M50基自润滑材料。

5)利用HVS-1000型数显显微硬度仪测试本实施例所制备的以含MoS₂和SiO₂微米球为润滑相的新型M50基自润滑材料，其硬度为4.80GPa，相对密度为99.2％。

6)图3是本发明实施例2制得的一种以含MoS₂和SiO₂微米球为润滑相的新型M50基自润滑材料的磨痕电子探针照片。从照片可以看出，磨痕表面光滑平整；MoS₂与生成的FeS均具有层状结构，层与层之间范德华力较小，因而形成了一个低剪切力的平面，当分子力之间受到很小的剪切力时沿分子层很容易断裂，从而形成滑移面，众多的滑移面使原来相对滑动的两摩擦面之间的直接接触转变为MoS₂与FeS分子层的相对滑移，因此摩擦系数及磨损率均较小。图4(b)、图5(b)分别为本发明实施例的平均摩擦系数(约0.16)与磨损率(1.24×10^-6mm³N^-1m^-1)，可以看出摩擦学性能表现优良。

实施例3

一种新型M50基自润滑材料，它由基体材料和润滑相组成，以M50钢为基体材料，以含MoS₂和SiO₂的微米球为润滑相，润滑相的质量为基体材料质量的5.0wt.％。其中，基体材料M50钢由C粉、Mn粉、Si粉、Ni粉、Cr粉、Cu粉、Mo粉、V粉和Fe粉按质量比0.75：0.35：0.30：0.20：4.0：0.15：4.2：1：89.05组成；润滑相微米球主要组成成分为MoS₂与SiO₂，MoS₂与SiO₂的质量比7.0：12.0，其制备方法中辅助试剂为硼酸、尿素、五硼酸胺按质量比1：1.5：1的混合物，辅助试剂的添加质量为硅酸钠添加量的8.0％，硅酸钠的水溶液浓度为18.0wt.％。

1)称取C粉、Mn粉、Si粉、Ni粉、Cr粉、Cu粉、Mo粉、V粉和Fe粉质量分别为：0.19g，0.09g，0.08g，0.05g，1.0g，0.04g，1.05g，0.25g，22.26g，混合后作为基体材料M50钢的原料，各单质粉末粒径为30μm-50μm；称取润滑相含MoS₂和SiO₂微米球称1.25g；

2)将步骤1)所称取的配料混合后，置于振动混料机中，振动混料外罐为钢罐，内置聚四氟乙烯罐，振动频率为55Hz，振动力为12000N，振荡时间为25分钟，得到烧结配料；

4)将所制作圆饼状烧结模型及模具放入等离子烧结炉中，设置烧结参数：烧结温度为1100℃、升温速率为110℃/min、烧结压力为30MPa、真空度为1×10^-2Pa、保温时间为20min，保温结束后，即得到新型M50基自润滑材料。

利用HVS-1000型数显显微硬度仪测试本实施例所制备的以含MoS₂和SiO₂微米球为润滑相的新型M50基自润滑材料，其硬度为4.87GPa，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0.24)与磨损率(约2.14×10^-6mm³N^-1m^-1)，可见平均摩擦系数与磨损率均较小，表现出优良的摩擦学性能。

根据上述三个实施例的试验结果，表明本发明所得一种以含MoS₂和SiO₂微米球为润滑相的新型M50基自润滑材料，在摩擦磨损试验过程中表现出良好的摩擦学性能，摩擦系数较小(平均值约0.16-0.26)，磨损率也较小(1.24-2.19×10^-6mm³Nm^-1)。

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(如频率、温度、时间、真空度等)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，在不脱离本发明技术构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种新型M50基自润滑材料，其特征在于它主要包括基体材料和润滑相，并以M50钢为基体材料，以含MoS₂和SiO₂的微米球为润滑相。

2.根据权利要求1所述的一种新型M50基自润滑材料，其特征在于所述润滑相的质量为基体材料质量的(3.0-5.0)wt.％。

3.根据权利要求1所述的一种新型M50基自润滑材料，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所述的一种新型M50基自润滑材料，其特征在于所述基体材料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。

5.根据权利要求1所述的一种新型M50基自润滑材料，其特征在于所述基体材料M50钢中元素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。

6.根据权利要求1所述的一种新型M50基自润滑材料，其特征在于所述含MoS₂和SiO₂的微米球中MoS₂与SiO₂的质量比(3.0-7.0)：(7.0-12.0)。

7.根据权利要求1所述的一种新型M50基自润滑材料，其特征在于所述含MoS₂和SiO₂的微米球为具有外壳的中空球形颗粒，外观为灰色，单颗粒直径为8-15μm，壁厚为其直径的6％-10％。

8.一种新型M50基自润滑材料的制备方法，其特征在于主要步骤如下：

9.根据权利要求8所述的一种新型M50基自润滑材料的制备方法，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30μm-50μm。

10.根据权利要求8所述的一种新型M50基自润滑材料的制备方法，其特征在于所述放电等离子烧结工艺参数为：烧结温度为1000-1100℃，升温速率为90-110℃/min，烧结压力为25-30MPa，真空度为1×10^-2-1×10^-1Pa，保温时间为10-15min，保护气体为惰性气体。