CN107351501A - 一种耐磨金属基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种耐磨金属基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐磨金属基复合材料及其制备方法，解决了传统金属基复合材料中，金属与塑料结合力弱，耐磨性差的问题，该复合材料由上到下依次由塑料工作层、中间结合层以及金属基体组成，所述塑料工作层材料各成分质量百分含量为：PA(聚酰胺)65％～75％，PES(聚醚砜)15％～25％，LCP(液晶聚合物)4％～8％,石墨5％～7％，二硫化钼1％；所述中间结合层的各成分质量百分含量为PES(聚醚砜)40％～50％,PPS(聚苯硫醚)50％～60％，进一步的，所述金属基体的材料为45#钢、铝合金或铜合金中的一种，本发明所述的耐磨金属基复合材料具有优异的耐磨性，抗冲击性，自润滑性，对环境无毒无污染，节能且噪音低，可以适用于工作温度高、粉尘大、载荷重等特殊工况下机械设备部件的自润滑。

Description

一种耐磨金属基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料领域，尤其涉及到一种耐磨金属基复合材料及其制备方法。
背景技术
当前，随着航空航天工业、汽车工业、机械工业、食品和制药机械以及各种传动件的发展，对各类轴套、滑板、滑道及摩擦部件的要求越来越高。对经常处于摩擦状态的零部件(如轴套、滑板和滑道)提出了越来越高的性能要求。在机械运行过程中，不可避免的会产生摩擦磨损、振动、腐蚀等不良现象，传统的金属塑料复合材料中，金属与塑料的结合性能弱，耐磨性差，摩擦系数高，严重影响了设备的使用寿命。
发明内容
本发明的第一个目的是克服上述现有技术的问题，提供一种以混合塑料与金属牢固结合、耐磨性好、机械强度高的一种耐磨金属基复合材料。
本发明的第二个目的是提供该耐磨金属基复合材料的制备方法。
本发明耐磨金属基复合材料采用的技术方案是：
一种耐磨金属基复合材料，所述的复合材料由上到下由塑料工作层、中间结合层以及金属基体组成；所述塑料工作层中，各材料成分质量百分含量为：聚酰胺PA 65％～75％，聚醚砜PES 15％～25％，液晶聚合物LCP 4％～8％,石墨5％～7％，二硫化钼1％；所述中间结合层中，各材料成分质量百分含量为聚醚砜PES40％～50％,聚苯硫醚PPS50％～60％。
进一步的，所述的聚酰胺PA的粒度为30μm，密度为1.15g/cm3；聚醚砜PES的粒度为20μm，密度为1.37g/cm3；液晶聚合物LCP的粒度为40μm，密度为1.52g/cm3；石墨的粒度为20μm～40μm；二硫化钼的粒度为40μm～60μm。
进一步的，所述的中间结合层的厚度在0.2mm～0.4mm。
进一步的，所述金属基体的材料为45#钢、铝合金或铜合金。
本发明所述耐磨金属基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤(a)：首先对金属基体(3)使用质量百分比浓度为1％～5％的强碱水溶液碱洗，温度为25℃～55℃，浸泡时间为5min～10min，然后在对金属基体(3)进行喷丸加工，喷丸结束对金属基体(3)使用质量百分比浓度为1％～3％的强酸水溶液中和，温度为30℃～50℃，时间为15min～20min，然后再对金属基体(3)进行超声波清洗，时间为10min～20min，最后在将金属基体(3)放入真空烘干机进行烘干,烘干机的温度设置为75℃-90℃；
步骤(b)：对中间结合层(2)材料按质量百分含量的配比，并将步骤(a)得到的金属基体(3)表面静电喷涂上厚度在0.2～0.4mm的中间结合层(2)材料；
步骤(c)：按质量百分含量的配比，将塑料工作层(1)材料放入混料器搅拌混合均匀，并放入烘干机中进行干燥，其中烘干机的温度设置为85℃-100℃；
步骤(d)：将步骤(b)中的喷涂金属件放入热压烧结炉的模具中，再将步骤(c)处理过的塑料工作层(1)混料均匀平铺在喷涂金属件上，平铺的厚度为4mm～7mm。将热压烧结炉的温度在5min～7min内升高到90℃～100℃对复合材料和模具进行预热，再将热压烧结炉的压力提高至3MPa～4MPa，进行预压处理，预压5min～10min后将压力卸载掉，然后再单轴加压至5MPa～7MPa，以20℃/min～30℃/min的速度升温，在此过程中需要放气2～3次，待温度升至300℃～350℃后保持恒温20～40min，然后加压至8～10MPa，并升温至385～395℃后保持恒温40～60min，最后在保压条件下冷却使模具温度将到110℃～120℃左右脱模。
步骤(a)中，所述强碱水溶液为氢氧化钠溶液，所述强酸水溶液为盐酸溶液。
步骤(a)中，所述喷丸加工中所用的是铸钢丸，铸钢丸硬度为45～55HRC，直径为0.4mm～1.2mm；喷丸加工的喷丸速度为40m/s～50m/s，时间为25s～35s。所述复合材料的使用温度为-60℃-220℃，摩擦系数为0.08-0.13，磨损率为0.4-1.6mm3/N.m。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明增加中间结合层作为过渡，利用中间结合层与金属基体、塑料工作层强大的结合力，使金属基体、中间结合层、塑料工作层牢牢结合。
(2)本发明工作层中的聚酰胺(PA)是一种性能优良的工程塑料，无毒无臭，具有很高的机械强度、软化点高、耐热、摩擦系数低、耐磨损且具有自润滑性、吸震性和消音性。
(3)本发明工作层中的聚醚砜(PES)是一种综合性能很好的热塑性的高分子材料，无毒，难燃性，自熄性，耐热性好，耐冲击，耐水解，具有优良的物理机械性能、绝缘性能和耐热性能等。
(4)本发明工作层中的液晶聚合物(LCP)具有高强度、高模量、高耐热性和良好的耐摩擦磨损性能，LCP在成型过程中高度的取向，较小的线膨胀系数。
(5)本发明工作层中的石墨和二硫化钼添加到工作层中，使得复合材料进一步提升其摩擦学性能，具有更好的机械性能，耐压缩抗蠕变，热传导性好。
(6)本发明金属基体采用特定喷丸加工，不仅使中间结合层与金属基体表面间的实际面积增加，有利于提高中间结合层结合力而且在金属基体表面的形成的凹坑用于塑料与金属的镶嵌，增强了复合材料的结合性能。
附图说明
图1是本发明的耐磨金属基复合材料的组成结构示意图。
附图标记说明：1、塑料工作层；2、中间结合层；3、金属基体。
具体实施方式
下面结合说明书附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
按如下步骤制备：
(a)塑料工作层(1)材料的各成分质量百分含量为：聚酰胺65％，聚醚砜20％，液晶聚合物8％，石墨4％，二硫化钼3％；中间结合层(2)材料的各成分质量百分含量为：聚醚砜40％,聚苯硫醚60％；金属基体(3)材料为45#钢。
(b)将金属基体(3)表面用质量百分比浓度为1％氢氧化钠溶液碱洗，温度为25℃，时间为5min，去除油污，灰尘和氧化物；
(c)按照设定的喷丸工艺：铸钢丸硬度为45HRC，直径为0.4mm，喷丸速度为40m/s，时间为20秒，通过机械离心式喷丸机在金属基体(3)上进行喷丸加工；
(d)对将步骤(c)中金属基体(3)再进行使用质量百分比浓度为1％的强酸水溶液中和，温度为30℃，时间为15min，其中强酸水溶液为盐酸溶液，然后再对金属基体(3)进行超声波清洗，时间为10min，最后在将金属基体(3)放入真空烘干机进行烘干；
(e)按质量百分含量的配比，将中间结合层(2)的材料投至混料器搅拌混合均匀，并在步骤(d)中处理过的金属基体(3)表面喷涂上厚度为0.2mm的中间结合层(2)；
(f)按质量百分含量的配比，将塑料工作层(1)材料投至混料器搅拌混合均匀，并放入烘干机中进行干燥；
(g)将步骤(e)中的喷涂金属件放入热压烧结炉的模具中，再将步骤(f)处理过的塑料工作层(1)混料均匀平铺在喷涂金属件上，平铺的厚度为4mm，将热压烧结炉的温度在5min内升高到90℃对复合材料和模具进行预热，然后将热压烧结炉的压力提高至3MPa，进行预压处理，预压5min后将压力卸载掉，然后再单轴加压至5MPa，以20℃/min的速度升温，在此过程中需要放气2次；待温度升至300℃后保持恒温20分钟，然后加压至8MPa，并升温至385℃后保持恒温40分钟，最后在保压条件下冷却使模具温度降到110℃左右脱模。
经上述工艺制备的复合材料的使用温度为-60～220℃，摩擦系数为0.12～0.18，磨损率为1.2～1.6×10-6mm3/N.m。
实施例2
按如下步骤制备：
(a)塑料工作层(1)材料的各成分质量百分含量为：聚酰胺70％，聚醚砜15％，液晶聚合物10％，石墨2％，二硫化钼3％；中间结合层(2)材料的各成分质量百分含量为：聚醚砜45％,聚苯硫醚55％；金属基体(3)材料为45#钢。
(b)将金属基体(3)表面用质量百分比浓度为5％氢氧化钠溶液碱洗，温度为55℃，时间为10min，去除油污，灰尘和氧化物；
(c)按照设定的喷丸工艺：铸钢丸硬度为55HRC，直径为1.2mm，喷丸速度为50m/s，时间为30秒，通过机械离心式喷丸机在金属基体(3)上进行喷丸加工；
(d)对将步骤(c)中金属基体(3)再使用质量百分比浓度为3％的强酸水溶液中和，温度为50℃，时间为20min，其中强酸水溶液为盐酸溶液，然后再对金属基体3进行超声波清洗，时间为20min，最后在将金属基体(3)放入真空烘干机进行烘干；
(e)按质量百分含量的配比，将中间结合层(2)材料投至混料器搅拌混合均匀，并在步骤(d)处理过的金属基体(3)表面喷涂上厚度为0.4mm的中间结合层(2)；
(f)按质量百分含量的配比，将塑料工作层(1)材料投至混料器搅拌混合均匀，并放入烘干机中进行干燥；
(g)将步骤(e)中的喷涂金属件放入热压烧结炉的模具中，再将步骤(f)处理过的塑料工作层(1)混料均匀平铺在喷涂金属件上，平铺的厚度为7mm。将热压烧结炉的温度在5min内升高到90℃对复合材料和模具进行预热，然后将热压烧结炉的压力提高至3MPa，进行预压处理，预压10min后将压力卸载掉，然后再单轴加压至7MPa，以30℃/min的速度升温，在此过程中需要放气3次；待温度升至350℃后保持恒温40分钟，然后加压至10MPa，并升温至395℃后保持恒温60分钟，最后在保压条件下冷却使模具温度降到110℃左右脱模。
经上述工艺制备的复合材料的使用温度为-60～220℃，摩擦系数为0.10～0.15，磨损率为0.7～1.2×10-6mm3/N.m。
实施例3
按如下步骤制备：
(a)塑料工作层(1)材料的各成分质量百分含量为：聚酰胺75％，聚醚砜10％，液晶聚合物7％，石墨5％，二硫化钼3％；中间结合层(2)材料的各成分质量百分含量为：聚醚砜50％,聚苯硫醚50％；金属基体(3)材料为45#钢。
(b)将金属基体(3)表面用质量百分比浓度为3％氢氧化钠溶液碱洗，温度为40℃，时间为7min，去除油污，灰尘和氧化物；
(c)按照设定的喷丸工艺：铸钢丸硬度为50HRC，直径为0.8mm，喷丸速度为45m/s，时间为25秒，通过机械离心式喷丸机在金属基体(3)上进行喷丸加工；
(d)对将步骤(c)中金属基体(3)再进行使用质量百分比浓度为2％的强酸水溶液中和，温度为40℃，时间为17min，其中强酸水溶液为盐酸溶液，然后再对金属基体(3)进行超声波清洗，时间为15min，最后在将金属基体(3)放入真空烘干机进行烘干；
(e)按质量百分含量的配比，将中间结合层(2)材料投至混料器搅拌混合均匀，并在步骤(d)中处理过的金属基体(3)表面喷涂上厚度为0.3mm的中间结合层(2)；
(f)按质量百分含量的配比，将塑料工作层(1)材料投至混料器搅拌混合均匀，并放入烘干机中进行干燥；
(g)将步骤(e)中的喷涂金属件放入热压烧结炉的模具中，再将步骤(f)处理过的塑料工作层(1)混料均匀平铺在喷涂金属件上，平铺的厚度为5.5mm。将热压烧结炉的温度在5min内升高到90℃对复合材料和模具进行预热，然后在将热压烧结炉的压力提高至3MPa，进行预压处理，预压8min后将压力卸载掉，然后再单轴加压至6MPa，以25℃/min的速度升温，在此过程中需要放气3次；待温度升至325℃后保持恒温30分钟，然后加压至9MPa，并升温至390℃后保持恒温50分钟，最后在保压条件下冷却使模具温度降到110℃左右脱模。
经上述工艺制备的复合材料的使用温度为-60～220℃，摩擦系数为0.08～0.13，磨损率为0.4～0.6×10-6mm3/N.m。

Claims (9)

1.一种耐磨金属基复合材料，其特征在于，所述的复合材料由上到下依次由塑料工作层(1)、中间结合层(2)以及金属基体(3)组成；所述塑料工作层(1)中，各材料成分的质量百分含量为：聚酰胺PA 65～75％，聚醚砜PES 15～25％，液晶聚合物LCP 4～8％,石墨5～7％，二硫化钼1％；所述中间结合层(2)中，各材料成分质量百分含量为聚醚砜PES 40％～50％,聚苯硫醚PPS 50％～60％；所述复合材料的使用温度为-60℃-220℃，摩擦系数为0.08-0.13，磨损率为0.4-1.6mm3/N.m。
2.根据权利要求1所述的一种耐磨金属基复合材料，其特征在于，所述的聚酰胺PA的粒度为30μm，密度为1.15g/cm3；聚醚砜PES的粒度为20μm，密度为1.37g/cm3；液晶聚合物LCP的粒度为40μm，密度为1.52g/cm3；石墨的粒度为20μm～40μm；二硫化钼的粒度为40μm～60μm。
3.根据权利要求1所述的一种耐磨金属基复合材料，其特征是：金属基体(3)的材料为45#钢或铝合金或铜合金。
4.根据权利要求1所述的一种耐磨金属基复合材料，其特征在于，所述的中间结合层(2)的厚度在0.2mm～0.4mm。
5.一种实现权利要求1-4任一项所述的耐磨金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(a)：首先对金属基体(3)使用质量百分比浓度为1％～5％的强碱水溶液碱洗，温度为25℃～55℃，浸泡时间为5min～10min，然后在对金属基体(3)进行喷丸加工，喷丸结束后对金属基体(3)使用质量百分比浓度为1％-3％的强酸水溶液清洗，温度为30℃～50℃，时间为15min～20min，再对金属基体(3)进行超声波清洗，时间为10min～20min，最后在将金属基体(3)放入真空烘干机进行烘干；
步骤(b)：对中间结合层(2)材料按质量百分含量的配比，并将步骤(a)得到的金属基体(3)表面静电喷涂上厚度在0.2mm～0.4mm的中间结合层(2)材料；
步骤(c)：按质量百分含量的配比，将塑料工作层(1)材料放入混料器搅拌混合均匀，并放入烘干机中进行干燥；
步骤(d)：将步骤(b)中的喷涂金属件放入热压烧结炉的模具中，再将步骤(c)处理过的塑料工作层(1)混料均匀平铺在喷涂金属件上，平铺的厚度为3mm～6mm；将热压烧结炉的温度在5min～7min内升高到90℃～100℃对复合材料和模具进行预热，再将热压烧结炉的压力提高至3MPa～4MPa，进行预压处理，预压5min～10min后将压力卸载掉，然后再单轴加压至5MPa～7MPa,以20℃/min～30℃/min的速度升温，在此过程中需要放气2～3次，待温度升至300℃～350℃后保持恒温20min～40min，然后加压至8MPa～10MPa，并升温至370℃～380℃后保持恒温40min～60min，最后在保压条件下冷却使模具温度将到110℃～120℃左右脱模。
6.根据权利要求5所述的耐磨金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(a)中，所述强碱水溶液为氢氧化钠溶液，所述强酸水溶液为盐酸溶液。
7.根据权利要求5所述的耐磨金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(a)中，烘干机的烘干温度设置为75℃-90℃。
8.根据权利要求5所述的耐磨金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(a)中，所述喷丸加工中所用的是铸钢丸，铸钢丸硬度为45～55HRC，直径为0.4mm～1.2mm；喷丸加工的喷丸速度为40m/s～50m/s，时间为25s～35s。
9.根据权利要求5所述的耐磨金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(c)中，烘干机的干燥温度设置为85℃-100℃。
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