CN107675057B

CN107675057B - 一种轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料及其制备方法

Info

Publication number: CN107675057B
Application number: CN201710930128.1A
Authority: CN
Inventors: 许春霞; 胡瑞
Original assignee: Nanchang Institute of Technology
Current assignee: Nanchang Institute of Technology
Priority date: 2017-10-09
Filing date: 2017-10-09
Publication date: 2019-04-30
Anticipated expiration: 2037-10-09
Also published as: CN107675057A

Abstract

本发明公开了一种轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料，其制备原料由以下质量份数的组分组成：氮化钛20～30份、铝粉15～30份、二氧化硅10～15份、氮化硅5～10份、氮化硼3～5份、五氧化二铌1～2份、氧化石墨烯1～2份、氧化铯0.5～1份、氧化钇0.5～1份、磷钼酚醛树脂粉末0.5～1份、陶瓷合金耦合剂0.5～1份。此外，本发明还提供了一种轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料。本发明制得的轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料与传统的金属陶瓷轴承相比，具有更好强度、抗磨性和耐热性，使得轴承在高温条件下不变形，不易磨损，且制备工艺简单、加工成本低，参数易控，生产过程安全环保，适合大规模的工业化生产。

Description

一种轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料及其制备方法。

背景技术

现代科学技术的发展对材料在高温条件下摩擦、磨损和润滑性能的要求越来越高，迫切需要开发出相适应的高温润滑剂和高温自润滑材料，从而使机械强度高和摩擦学性能好的自润滑复合材料的研究开发成为摩擦学领域的重要研究热点。

目前，金属或陶瓷基轴承自润滑材料是将固体润滑剂作为组元加入到金属或陶瓷基体中形成的复合材料。其摩擦学特性取决于摩擦过程中基体所含固体润滑剂的析出和弥散分布。能承受高的烧结温度而不丧失润滑特性的固体润滑剂很少，而且其分布不均匀性和对基体连续性的破坏会显著降低复合材料的强韧性和耐磨性。另外，由于固体润滑剂的加入(通常固体润滑剂材料都具有不浸润的特性)，烧结后的轴承材料的强度很低，耐磨性不佳，且不适于高承载的工作条件，因此，急需开发出一种轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料来克服上述弊端。

发明内容

本发明提供了一种轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料，解决了现有技术中能承受高的烧结温度而不丧失润滑特性的固体润滑剂很少，而且其分布不均匀性和对基体连续性的破坏会显著降低复合材料的强韧性和耐磨性，以及由于固体润滑剂的加入，烧结后的轴承材料的强度很低，耐磨性不佳，不适于高承载工作条件的问题。

本发明的第一个目的是提供一种轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料，其制备原料由以下质量份数的组分组成：氮化钛20～30份、铝粉15～30份、二氧化硅10～15份、氮化硅5～10份、氮化硼3～5份、五氧化二铌1～2份、氧化石墨烯1～2份、氧化铯0.5～1份、氧化钇0.5～1份、磷钼酚醛树脂粉末0.5～1份、陶瓷合金耦合剂0.5～1份。

优选的，所述轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料的制备原料由以下质量份数的组分组成：氮化钛25份、铝粉20份、二氧化硅10份、氮化硅10份、氮化硼4份、五氧化二铌2份、氧化石墨烯1份、氧化铯0.5份、氧化钇1份、磷钼酚醛树脂粉末1份、陶瓷合金耦合剂0.5份。

优选的，所述陶瓷合金耦合剂由以下质量份数的组分组成：硬脂酸镁0.5～2份、钙基膨润土3～5份、钛酸异丙酯0.5～1份、羟甲基纤维素钠0.5-1份、聚乙烯醇缩丁醛85～95份。

本发明的第二个目的是提供一种轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，按重量份数称取硬脂酸镁0.5～2份、钙基膨润土3～5份、钛酸异丙酯0.5～1份、羟甲基纤维素钠0.5-1份、聚乙烯醇缩丁醛85～95份，备用；

步骤2，将步骤1中称取的各组分混合均匀后，在惰性气体的保护下，于60℃反应2h，即得到陶瓷合金耦合剂；

步骤3，按重量份数称取氮化钛20～30份、铝粉15～30份、二氧化硅10～15份、氮化硅5～10份、氮化硼3～5份、五氧化二铌1～2份、氧化石墨烯1～2份、氧化铯0.5～1份、氧化钇0.5～1份、磷钼酚醛树脂粉末0.5～1份、步骤2制得的陶瓷合金耦合剂0.5～1份；

步骤4，将步骤3中称取的氮化钛、铝粉、二氧化硅、氮化硅、氮化硼、五氧化二铌、氧化石墨烯、氧化铯、氧化钇粉碎后混合，得到混合料，将混合料放入球磨机，然后往球磨机中加入与混合料等质量的水，研磨至混合料细度为250目，得到磨好的料浆；

往磨好的料浆中加入步骤3中称取的磷钼酚醛树脂粉末和陶瓷合金耦合剂，搅拌均匀，然后干燥、筛分，再于300～600MPa下压制成形，得到生坯备用；

步骤5，将步骤4中得到的生坯置于烧结炉中进行初次烧结，初次烧结在还原氛围下使炉内温度在1h内以8～10℃/min的速度升温至500～600℃，并保温30min，再使炉内温度在1h内以5～8℃/min的速度升温至900～1000℃，并保温30min；烧结完毕得到初次烧结物料；

步骤6，将步骤5中初次烧结物料粉碎后过200～300目筛，然后置于烧结炉中进行二次烧结，二次烧结在还原氛围下使炉内温度在1～2h内以5～10℃/min的速度升温至1300～1350℃，并保温0.5～1h，烧结完毕后自然快速冷却至室温，即得到所述轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料。

优选的，所述步骤2中所用的惰性气体为氩气。

本发明中选用氮化钛和铝粉作为金属相材料，氮化钛的熔点高、硬度大、摩擦系数小，是热和电的优良导体，用作轴承材料的原料可显示出优异的效果。

铝具有较低的熔点，烧结时首先熔化成液相在固相材料之间扩散，增加了材料之间的连接，保证了陶瓷合金材料的完整性，并使初次烧结后的骨架具备一定的强度，从而有利于二次烧结时的浸渗；二次烧结的时候，随着温度的升高，氮化物、氧化物逐渐熔化，随着液相量的增加，各低温相的反应也加剧，有二元或多元相产生，并伴随这物质间的传递和迁移，起到降低烧结点和促进材料致密化的作用。

此外，铝具有较高的导热性能，可以有效降低高速运转轴承由于摩擦产生的温升，而且铝具有良好的塑性，可使陶瓷合金材料具有良好的韧性。

五氧化二铌中的金属铌的熔点高、延展性好，是最轻的难熔金属，其与铝形成的金属间化合物具有优良的高温强度、高熔点和低密度，比一般金属合金材料具备更高的熔点和更适中的密度，用在本体系中能够增加陶瓷合金材料的耐高温强度。

氮化硅作为陶瓷相材料添加到体系中能够使本发明的陶瓷合金材料在450℃以下具有足够的强度、硬度来维持轴承的高速运转；而且由于所选择的陶瓷相在金属基体中的溶解度很小，温度的上升不会引起陶瓷合金材料的强度、硬度显著下降。

氮化硼、氧化石墨烯作为固体润滑剂配合使用，在高温摩擦时，既能够有效地降低摩擦系数，减少摩擦热量的产生，又能够减少和防止滚动体和内外圈之间的粘着，从而有效地延长轴承的高温使用性能。

由于氮化硅为共价化合物，其自扩散系数很小，致密化所必须的体积扩散及晶界扩散速度也很小，同时其晶界能与粉末表面能的比值比其他离子化合物及金属大得多，致使烧结驱动力很小，因此其不能单靠固相烧结达到致密化，必须加入少量烧结助剂，使得混合材料在高温下产生液相，抑制氮化硅分解，通过液相烧结，利用溶解、扩散和沉淀原理完成材料的致密化。氧化钇是一种性能良好的烧结助剂，但是用于本体系时难以完全抑制氮化硅分解的分解，添加氧化铯后能够强化抑制作用，从而使氮化硅基本不分解，并且添加氧化铯后还能够改善陶瓷合金材料的显微结构，提高陶瓷合金材料的性能，降低陶瓷合金材料的制备成本。

磷钼酚醛树脂粉末在初次烧结，且烧结温度低于600℃时熔化，熔化后具有很强的粘结性，能将陶瓷相和金属相紧密的粘结在一起，使其在整个烧结过程中不会产生分散、坍塌现象；当温度升至600℃以上，陶瓷相和金属相紧密的粘结成型，不会再发生分散、坍塌现象，此时在高温作用下，磷钼酚醛树脂粉末高温分解老化，且绝大部分的分解产物挥发消失，分解后剩余磷、钼能够增加陶瓷合金材料的抗磨性能。

陶瓷合金耦合剂中聚乙烯醇缩丁醛是一种分散剂，使其他原料分散均匀，还能使陶瓷合金耦合剂均匀分散在陶瓷合金材料的原料体系中；硬脂酸镁、钙基膨润土能够使陶瓷合金材料具备良好的润滑性和极佳的抗磨性；钛酸异丙酯、羟甲基纤维素钠能够改善烧结过程中熔化的料浆的流变性能尤其是触变性能。

本发明烧结时采用两段式烧结工艺，采用逐步升温的多段式升温模式，使烧结温度缓慢升温，避免了温度骤然变化导致的受热不均以及应力变化，从而使陶瓷合金材料的表面既不会出现裂纹，也不会出现褶皱，提高了陶瓷合金材料的性能以及美观度。此外，两段烧结均是在还原氛围下进行的，从而能够避免原料在高温下氧化分解，从而丧失其原有性能，最终影响制备出的材料的性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明方法制得的轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料与传统的金属陶瓷轴承相比，具有更好的强度、抗磨性和耐热性，使得轴承在高温条件下不变形，不易磨损，同时具有优异的自润滑性。此外，本发明制备工艺简单、加工成本低，参数易控，生产过程安全环保，适合大规模的工业化生产。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。

下面各实施例中未注明具体条件的试验方法，均按照本领域的常规方法和条件进行，所用的材料若无特殊说明均为市售。

实施例1

一种轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料，其制备原料由以下质量份数的组分组成：氮化钛20份、铝粉30份、二氧化硅15份、氮化硅5份、氮化硼3份、五氧化二铌1份、氧化石墨烯2份、氧化铯1份、氧化钇0.5份、磷钼酚醛树脂粉末0.5份、陶瓷合金耦合剂1份。

其中，陶瓷合金耦合剂由以下质量份数的组分组成：硬脂酸镁1份、钙基膨润土3份、钛酸异丙酯1份、羟甲基纤维素钠0.5份、聚乙烯醇缩丁醛90份。

具体按照以下步骤实施：

步骤1，按重量份数称取硬脂酸镁1份、钙基膨润土3份、钛酸异丙酯1份、羟甲基纤维素钠0.5、聚乙烯醇缩丁醛90份，备用；

步骤3，按重量份数称取氮化钛20份、铝粉30份、二氧化硅15份、氮化硅5份、氮化硼3份、五氧化二铌1份、氧化石墨烯2份、氧化铯1份、氧化钇0.5份、磷钼酚醛树脂粉末0.5份、步骤2制得的陶瓷合金耦合剂1份；

往磨好的料浆中加入步骤3中称取的磷钼酚醛树脂粉末和陶瓷合金耦合剂，搅拌均匀，然后干燥、筛分，再于600MPa下压制成形，得到生坯备用；

步骤5，将步骤4中得到的生坯置于烧结炉中进行初次烧结，初次烧结在还原氛围下使炉内温度在1h内以10℃/min的速度升温至600℃，并保温30min，再使炉内温度在1h内以8℃/min的速度升温至1000℃，并保温30min；烧结完毕得到初次烧结物料；

步骤6，将步骤5中初次烧结物料粉碎后过200目筛，然后置于烧结炉中进行二次烧结，二次烧结在还原氛围下使炉内温度在1h内以10℃/min的速度升温至1350℃，并保温0.5h，烧结完毕后自然速冷却至室温，即得到所述轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料。

实施例2

一种轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料，其制备原料由以下质量份数的组分组成：氮化钛25份、铝粉20份、二氧化硅10份、氮化硅10份、氮化硼4份、五氧化二铌2份、氧化石墨烯1份、氧化铯0.5份、氧化钇1份、磷钼酚醛树脂粉末1份、陶瓷合金耦合剂0.5份。

其中，所述陶瓷合金耦合剂由以下质量份数的组分组成：硬脂酸镁0.5份、钙基膨润土4份、钛酸异丙酯0.5份、羟甲基纤维素钠1份、聚乙烯醇缩丁醛85份。

具体按照以下步骤实施：

步骤1，按重量份数称取硬脂酸镁0.5份、钙基膨润土4份、钛酸异丙酯0.5份、羟甲基纤维素钠1份、聚乙烯醇缩丁醛85份，备用；

步骤3，按重量份数称取氮化钛25份、铝粉20份、二氧化硅10份、氮化硅10份、氮化硼4份、五氧化二铌2份、氧化石墨烯1份、氧化铯0.5份、氧化钇1份、磷钼酚醛树脂粉末1份、步骤2制得的陶瓷合金耦合剂0.5份；

往磨好的料浆中加入步骤3中称取的磷钼酚醛树脂粉末和陶瓷合金耦合剂，搅拌均匀，然后干燥、筛分，再于500MPa下压制成形，得到生坯备用；

步骤5，将步骤4中得到的生坯置于烧结炉中进行初次烧结，初次烧结在还原氛围下使炉内温度在1h内以8℃/min的速度升温至500℃，并保温30min，再使炉内温度在1h内以5℃/min的速度升温至900℃，并保温30min；烧结完毕得到初次烧结物料；

步骤6，将步骤5中初次烧结物料粉碎后过300目筛，然后置于烧结炉中进行二次烧结，二次烧结在还原氛围下使炉内温度在1h内以5℃/min的速度升温至1300℃，并保温1h，烧结完毕后自然冷却至室温，即得到所述轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料。

实施例3

一种轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料，其制备原料由以下质量份数的组分组成：氮化钛30份、铝粉15份、二氧化硅10份、氮化硅5份、氮化硼3份、五氧化二铌1.5份、氧化石墨烯1.5份、氧化铯0.5份、氧化钇1份、磷钼酚醛树脂粉末0.8份、陶瓷合金耦合剂0.6份。

其中，所述陶瓷合金耦合剂由以下质量份数的组分组成：硬脂酸镁2份、钙基膨润土5份、钛酸异丙酯0.5份、羟甲基纤维素钠1份、聚乙烯醇缩丁醛95份。

具体按照以下步骤实施：

步骤1，按重量份数称取硬脂酸镁2份、钙基膨润土5份、钛酸异丙酯0.5份、羟甲基纤维素钠1份、聚乙烯醇缩丁醛95份，备用；

步骤3，按重量份数称取氮化钛30份、铝粉15份、二氧化硅10份、氮化硅5份、氮化硼3份、五氧化二铌1.5份、氧化石墨烯1.5份、氧化铯0.5份、氧化钇1份、磷钼酚醛树脂粉末0.8份、步骤2制得的陶瓷合金耦合剂0.6份；

往磨好的料浆中加入步骤3中称取的磷钼酚醛树脂粉末和陶瓷合金耦合剂，搅拌均匀，然后干燥、筛分，再于300MPa下压制成形，得到生坯备用；

步骤5，将步骤4中得到的生坯置于烧结炉中进行初次烧结，初次烧结在还原氛围下使炉内温度在1h内以9℃/min的速度升温至550℃，并保温30min，再使炉内温度在1h内以6℃/min的速度升温至950℃，并保温30min；烧结完毕得到初次烧结物料；

步骤6，将步骤5中初次烧结物料粉碎后过300目筛，然后置于烧结炉中进行二次烧结，二次烧结在还原氛围下使炉内温度在1.5h内以8℃/min的速度升温至1320℃，并保温0.6h，烧结完毕后自然冷却至室温，即得到所述轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料。

实施例1～3均制备出了轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料，对实施例1～3制备出的轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料各项指标进行测试，以说明实施例1～3的效果，具体实验结果见表1。

表1性能测试结果

从表1中可以看出，实施例1～3制得的轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料耐蚀性与现有普通合金材料差不多，摩擦系数低，抗弯强度、抗拉强度、布氏强度高很多，可见，本发明提供的轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料物理综合性能要比普通合金材料优异。

此外，对比摩擦试验(压力为15N，相对摩擦速度为200m/s)表明，本发明实施例1～3的轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料的耐耗率只有轴承钢GCr15的20～30％。

需要说明的是，本发明权利要求书中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，由于采用的步骤方法与实施例1～3相同，为了防止赘述，本发明的描述了优选的实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料，其特征在于，其制备原料由以下质量份数的组分组成：氮化钛20～30份、铝粉15～30份、二氧化硅10～15份、氮化硅5～10份、氮化硼3～5份、五氧化二铌1～2份、氧化石墨烯1～2份、氧化铯0.5～1份、氧化钇0.5～1份、磷钼酚醛树脂粉末0.5～1份、陶瓷合金耦合剂0.5～1份；

其中，所述陶瓷合金耦合剂由以下质量份数的组分组成：硬脂酸镁0.5～2份、钙基膨润土3～5份、钛酸异丙酯0.5～1份、羟甲基纤维素钠0.5-1份、聚乙烯醇缩丁醛85～95份。

2.根据权利要求1所述的轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料，其特征在于，其制备原料由以下质量份数的组分组成：氮化钛25份、铝粉20份、二氧化硅10份、氮化硅10份、氮化硼4份、五氧化二铌2份、氧化石墨烯1份、氧化铯0.5份、氧化钇1份、磷钼酚醛树脂粉末1份、陶瓷合金耦合剂0.5份。

3.根据权利要求1所述的轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤6，将步骤5中初次烧结物料粉碎后过200～300目筛，然后置于烧结炉中进行二次烧结，二次烧结在还原氛围下使炉内温度在1～2h内以5～10℃/min的速度升温至1300～1350℃，并保温0.5～1h，烧结完毕后自然冷却至室温，即得到所述轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料。

4.根据权利要求3所述的轴承用的耐高温可润滑的陶瓷合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中所用的惰性气体为氩气。