CN107904515A - 一种Fe基自润滑复合材料 - Google Patents
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Abstract
一种Fe基自润滑复合材料，它的化学成分的体积百分比为：Ti3SiC2 10‑40％，其余为Fe合金粉末；上述Fe基自润滑复合材料的制备方法主要是将Ti3SiC2和Fe合金粉末均匀球混，干燥后，装入模具中进行预压成型，随后将预压粉末烘干，通过放电等离子体烧结(SPS)或热压真空‑保护气氛烧结得到毛坯；将制备的毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基自润滑复合材料。本发明的Fe基自润滑复合材料不仅具有耐疲劳、耐冲击、耐高温、承载能力强等优点，而且还能够实现自润滑，降低摩擦系数，高温状况下自润滑性能更优异，适合于较高温度下无润滑界面之间的器件材料应用，如重型机械滑动轴承等。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种润滑复合材料。
背景技术
普通Fe基润滑材料虽然廉价，具有耐疲劳、耐冲击、耐高温、承载能力强等优异力学性能，但磨损严重始终限制其使用。为改善Fe基材料摩擦磨损性能，安宁等人采用铸渗法制备WC增强铁基复合材料，并研究了该复合材料的摩擦磨损性能，结果表明添加一定量的WC增强颗粒可以有效的改善摩擦副间的磨损状况[安宁，刘忆，殷锦捷，等.WC/铁基表面复合材料摩擦磨损特性研究[J].热加工工艺,2008,37(21):37-39.]；李义等人研究了氧化铬对铁基滑动轴承材料摩擦性能的影响，结果显示当氧化铬添加量为4％时各方面性能最佳，既可保证轴承材料整体强度，又可增加材料表面光滑度和耐磨性[李义，王兴庆，洪新，等.氧化铬对铁基粉末冶金摩擦材料性能的影响[J].上海金属,2013,35(6):27-30.]；伞晶超等人研究了石墨对铁基复合材料耐磨性能影响，通过耐磨实验发现石墨添加量为3％时材料整体的耐磨性及润滑效果最好，但由于烧结过程中界面结合强度较低，对整体材料的连续及致密性有较大影响[伞晶超，王彦鹏.石墨对铁基-石墨复合材料耐磨性的影响[J].电大理工，2012(2):21-22.]。上述这些烧结体复合材料都在一定程度上改善了复合材料的耐磨性，但综合性能有待提高。
随着工业科技快速发展，铁基金属材料广泛应用于航空航天、重型工程机械等项目中。当铁基金属材料应用于滑动轴承时，磨损较为严重，存在很大弊端。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐疲劳、耐冲击、耐高温、承载能力强、高温状况下自润滑性能更优异的Fe基自润滑复合材料。
本发明的Fe基自润滑复合材料的化学成分的体积百分比为：Ti3SiC210-40％，其余为Fe合金粉末；
所述Fe合金的化学成分体积百分比为：Cu粉5-15％、Ni粉1-5％％、Cr粉0.5-5％，其余为Fe粉；
所述Ti3SiC2粉的粒度为40-100目、Fe合金粉的粒度为150-300目；
上述Fe基自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)混合粉末的制备
将Ti3SiC2和Fe合金粉末均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入4-6ml，球料比为4:1，球磨机转速为300-400r/min，球磨时间为1-3h,正反转交替运行，每30min交替一次；
(2)预压烘干
将步骤(1)的混合粉末干燥后，装入模具中进行预压成型，压力为500MPa，保压时间为15s，随后将预压粉末烘干；
(3)放电等离子体烧结(SPS)或热压真空-保护气氛烧结
①对步骤(2)的预压粉末进行SPS烧结，压力为20-50MPa，真空度为10-40Pa，加热到900-1300℃，保温10-30min，升温速率为50-100℃/min，随炉冷却，得到毛坯；
②对步骤(2)的预压粉末进行热压真空-保护气氛烧结，压力设为100-200MPa，炉温400℃前真空度为10-40Pa，炉温加热到400℃之后，通入保护气氛，烧结温度900-1400℃，保温40-60min，升温速率10-50℃/min，随炉冷却，得到毛坯；
(4)将(3)制备的毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基自润滑复合材料。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、采用Fe合金作为基体，添加Ti3SiC2作为润滑相丰富润滑机制，改善了纯Fe基材料较高干摩擦系数和磨损率的缺陷。
2、所制备的材料不但具有耐疲劳、耐冲击、耐高温、承载能力强等优点，而且能实现自润滑性能，降低摩擦系数，高温状况下自润滑性能更为优异，适用于制作恶劣工况下重载机械的自润滑轴承。
具体实施方式
实施例1
按照体积百分比加入粒度为40目的10％Ti3SiC2，其余为粒度150目已烧结的Fe合金粉末，所述Fe合金粉末成分的体积百分比为15％Cu粉、1％Ni粉、5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入4ml，球料比4:1，球磨机转速设定为300r/min，球磨时间为1h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为500MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为20MPa，真空度40Pa，加热到900℃，保温10min，升温速率为50℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例2
按照体积百分比加入粒度为100目的10％Ti3SiC2，其余为粒度150目已烧结的Fe合金粉末，所述Fe合金粉末成分的体积百分比为15％Cu粉、1％Ni粉、5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入5ml，球料比4:1，球磨机转速设定为350r/min，球磨时间为1h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为500MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为20MPa，真空度20Pa，加热到1100℃，保温30min，升温速率为50℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例3
按照体积百分比加入粒度为60目的10％Ti3SiC2，其余为粒度150目已烧结的Fe合金粉末，所述Fe合金粉末成分的体积百分比为15％Cu粉、2％Ni粉、3％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入6ml，球料比4:1，球磨机转速设定为300r/min，球磨时间为1h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为500MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为30MPa，真空度10Pa，加热到900℃，保温20min，升温速率为80℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例4
按照体积百分比加入粒度为40目的20％Ti3SiC2，其余为粒度300目已烧结的Fe合金粉末，所述Fe合金粉末成分的体积百分比为10％Cu粉、2％Ni粉、5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每g混合粉末加入5ml，球料比4:1，球磨机转速设定为350r/min，球磨时间为2h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为500MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为20MPa，真空度40Pa，加热到900℃，保温30min，升温速率为100℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例5
按照体积百分比加入粒度为100目的40％Ti3SiC2，其余为粒度200目已烧结的Fe合金粉末，所述Fe合金粉末成分的体积百分比为15％Cu粉、1％Ni粉、5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入4ml，球料比4:1，球磨机转速设定为300r/min，球磨时间为1h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为500MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为50MPa，真空度40Pa，加热到900℃，保温10min，升温速率为50℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例6
按照体积百分比加入粒度为100目的40％Ti3SiC2，其余为粒度150目已烧结的Fe合金粉末，所述Fe合金粉末成分的体积百分比为5％Cu粉、5％Ni粉、0.5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入6ml，球料比4:1，球磨机转速设定为300r/min，球磨时间为2h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为500MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为20MPa，真空度10Pa，加热到1100℃，保温30min，升温速率为80℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例7
按照体积百分比加入粒度为100目的20％Ti3SiC2，其余为粒度300目已烧结的Fe合金粉末，所述Fe合金粉末成分的体积百分比为5％Cu粉、5％Ni粉、0.5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入4ml，球料比4:1，球磨机转速设定为,400r/min，球磨时间为1h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为500MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为30MPa，真空度20Pa，加热到900℃，保温20min，升温速率为50℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例8
按照体积百分比加入粒度为100目的40％Ti3SiC2，其余为粒度150目已烧结的Fe合金粉末，所述Fe合金粉末成分的体积百分比为10％Cu粉、5％Ni粉、0.5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入6ml，球料比4:1，球磨机转速设定为400r/min，球磨时间为3h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为500MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为20MPa，真空度40Pa，加热到900℃，保温30min，升温速率为50℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例9
按照体积百分比加入粒度为60目的20％Ti3SiC2，其余为粒度300目已烧结的Fe合金粉末，所述Fe合金粉末成分的体积百分比为10％Cu粉、5％Ni粉、3％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入5ml，球料比4:1，球磨机转速设定为400r/min，球磨时间为3h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为500MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为50MPa，真空度10Pa，加热到1300℃，保温10min，升温速率为100℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例10
按照体积百分比加入粒度为60目的10％Ti3SiC2，其余为粒度200目已烧结的Fe合金粉末，所述Fe合金粉末成分的体积百分比为5％Cu粉、5％Ni粉、3％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入5ml，球料比4:1，球磨机转速设定为350r/min，球磨时间为2h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为500MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为50MPa，真空度10Pa，加热到1100℃，保温30min，升温速率为80℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例11
按照体积百分比加入粒度为60目的10％Ti3SiC2，其余为粒度300目已烧结的Fe合金粉末，所述Fe合金粉末成分的体积百分比为5％Cu粉、5％Ni粉、3％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入4ml，球料比4:1，球磨机转速设定为400r/min，球磨时间为3h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为500MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为50MPa，真空度10Pa，加热到1300℃，保温10min，升温速率为100℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
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按照体积百分比加入粒度为60目的20％Ti3SiC2，其余为粒度300目已烧结的Fe合金粉末，所述Fe合金粉末成分的体积百分比为10％Cu粉、5％Ni粉、3％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入6ml，球料比4:1，球磨机转速设定为400r/min，球磨时间为2h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为500MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为20MPa，真空度10Pa，加热到1300℃，保温10min，升温速率为100℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例13
按照体积百分比加入粒度为40目的10％Ti3SiC2，其余为粒度200目已烧结的Fe合金粉末，所述Fe合金粉末成分的体积百分比为15％Cu粉、1％Ni粉、5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入4ml，球料比4:1，球磨机转速设定为300r/min，球磨时间为3h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为500MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为30MPa，真空度40Pa，加热到900℃，保温20min，升温速率为80℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例14
按照体积百分比加入粒度为40目的40％Ti3SiC2，其余为粒度200目已烧结的Fe合金粉末，所述Fe合金粉末成分的体积百分比为15％Cu粉、1％Ni粉、5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入5ml，球料比4:1，球磨机转速设定为350r/min，球磨时间为3h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为500MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行普通热压真空-保护气氛烧结，压力为200MPa，真空度20Pa，加热到400℃，关闭真空泵，打开保护气氛阀门，通入氩气，升温至1400℃，保温40min，升温速率为10℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例15
按照体积百分比加入粒度为40目的40％Ti3SiC2，其余为粒度300目已烧结的Fe合金粉末，所述Fe合金粉末成分的体积百分比为5％Cu粉、5％Ni粉、3％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入5ml，球料比4:1，球磨机转速设定为350r/min，球磨时间为2h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为500MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行普通热压真空-保护气氛烧结，压力为100MPa，真空度40Pa，加热到400℃，关闭真空泵，打开保护气氛阀门，通入氩气，加热到900℃，保温60min，升温速率为50℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
表1 上述实施例制得Fe基自润滑复合材料的性能
Claims (4)
1.一种Fe基自润滑复合材料，其特征在于：它的化学成分的体积百分比为：Ti3SiC210-40％，其余为Fe合金粉末。
2.根据权利要求1所述的Fe基自润滑复合材料，其特征在于：所述Fe合金的化学成分体积百分比为：Cu粉5-15％、Ni粉1-5％％、Cr粉0.5-5％，其余为Fe粉。
3.根据权利要求1所述的Fe基自润滑复合材料，其特征在于，所述材料Ti3SiC2的粒度为40-100目，Fe合金的粒度为150-300目。
4.权利要求1的Fe基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
(1)混合粉末的制备
将Ti3SiC2和Fe合金粉末均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入4-6ml，球料比为4:1，球磨机转速为300-400r/min，球磨时间为1-3h，正反转交替运行，每30min交替一次；
(2)预压烘干
将步骤(1)的混合粉末干燥后，装入模具中进行预压成型，压力为500MPa，保压时间为15s，随后将预压粉末烘干；
(3)放电等离子体烧结(SPS)或热压真空-保护气氛烧结
①对步骤(2)的预压粉末进行SPS烧结，压力为20-50MPa，真空度为10-40Pa，加热到900-1300℃，保温10-30min，升温速率为50-100℃/min，随炉冷却，得到毛坯；
②对步骤(2)的预压粉末进行热压真空-保护气氛烧结，压力设为100-200MPa，炉温400℃前真空度为10-40Pa，炉温加热到400℃之后，通入保护气氛，烧结温度900-1400℃，保温40-60min，升温速率10-50℃/min，随炉冷却，得到毛坯；
(4)将(3)制备的毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基自润滑复合材料。
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