CN108707784B - 一种硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料及其制备方法，该复合材料以镍铝合金粉和硼酸镁粉为原料制备而成，其中硼酸镁粉质量百分数为3~9%，余量为镍铝合金粉。本发明提供的复合材料组织均匀，润滑相与基体间结合紧密，具备优异的高温抗磨减摩性能。制备方法包含如下步骤：按质量百分比称量91~97%镍铝合金粉和3~9%硼酸镁粉，得到原始配料；将原始配料置于行星式球磨机中进行机械合金化，得到混合均匀的烧结配料；将烧结配料放入石墨磨具中，采用放电等离子烧结制备，得到硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料。本发明提供的制备方法工艺简单、参数易控、成本低，适于批量生产和推广。

Description

一种硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属基自润滑复合材料及其制备技术领域，更具体地，涉及一种硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料及其制备方法。
背景技术
具有低密度、高强度、高熔点、高抗氧化和高抗腐蚀等优异性能，镍铝合金有望成为汽车、航空、航天和热能工程等领域最具发展前景的候选材料。然而，镍铝合金存在抗磨减摩性能差的缺点，不能应用于对耐磨性要求较高的场合，这在一定程度上限制了它的应用范围。
为解决这一技术问题，国内外研究学者通过在镍铝合金中添加Ag、CuO、石墨烯等固体润滑剂制得镍铝基自润滑复合材料，与镍铝合金相比，其抗磨减摩性能有明显改善，目前已在涡轮增压器、燃气轮机和航空发动机等得以广泛应用。这代表着下一代新型高温结构材料的发展方向，因而新型固体润滑剂的研究与开发是非常有价值的探索。
因具有轻量化、高硬度、高强度、耐腐蚀和良好高温抗氧化性等优异性能，硼酸镁作为润滑油添加剂已成为一种降低机械零部件摩擦磨损的有效途径。研究表明，添加硼酸镁后摩擦表面所形成油膜的承载能力、减摩性能和抗磨性能得以提高。然而，高温、高速、高压等严峻工况下润滑油氧化、润滑油粘度升高、润滑油膜破坏等因素导致其丧失优良的润滑性能，此时硼酸镁作为润滑油添加剂便失去意义从而限制了其广泛应用。
为解决这一技术问题，本发明提出硼酸镁作为固体润滑剂直接与镍铝合金复合制备镍铝基复合材料，有望满足硼酸镁在高温等严峻干滑动摩擦工况下充分发挥减摩耐磨性能。
综上，本发明开展硼酸镁作为镍铝基复合材料固体润滑剂的研究有着重要的理论与实际意义，研究成果不仅可以促进摩擦学学科与润滑材料学科的发展，而且有助于进一步拓展镍铝基自润滑复合材料的应用领域。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料，该复合材料中硼酸镁分布均匀，与基体间结合紧密，具备优异的高温抗磨减摩性能。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料的制备方法，该方法工艺简单、参数易控、成本低，适合批量生产和推广。
为解决上述第一个技术问题，本发明采用以下技术方案：一种硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料，所述复合材料以镍铝合金粉和硼酸镁粉为原料制备而成，其中硼酸镁粉质量百分数为3~9%，余量为镍铝合金粉。
本发明中，所述硼酸镁粉平均粒径25nm，镍铝合金粉平均粒径25μm。
本发明中，所述硼酸镁作为添加剂，既能够强化基体材料又能够改善复合材料的高温抗磨减摩性能。
为解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料的制备方法，包含如下步骤：
（1）按质量百分含量称量91~97%的镍铝合金粉和3~9%的硼酸镁粉，得到原始配料；
（2）将原始配料置于行星式球磨机中进行机械合金化，得到混合均匀的烧结配料；
（3）将烧结配料放入石墨磨具中，氩气真空保护下采用放电等离子烧结制备，得到硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料。
所述步骤（2）中的球料比为5:1~15:1，球磨转速为200~400r/min，球磨时间为4~6小时。
所述步骤（3）中烧结时以130~150℃/min升温速率升至1000~1100℃，30~40MPa压强下保温8~10min后降温。
本发明的有益效果是：1、本发明制备的硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料在高温摩擦过程中能够形成具有高硬度和良好光洁度的润滑膜，具有良好的高温抗磨减摩性能，故在高温机械零部件上具有广阔的应用前景；2、添加剂硼酸镁即可视为增强相强化基体材料，又可视为高温润滑相改善复合材料的高温抗磨减摩性能；3、放电等离子烧结工艺简单、参数易控，适于批量生产；4、原料来源广泛、对环境无害、成本低，易于推广。
附图说明
图1是本发明的制备工艺流程图。
图2是实施例1制备的硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料的摩擦系数和磨损率随温度变化图，摩擦磨损工况条件为：温度100~700℃、载荷8N、滑动速度0.3m/s、时间80min。
图3是实施例1制备的硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料100℃条件下的磨痕表面形貌图。
图4是实施例1制备的硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料300℃条件下的磨痕表面形貌图。
图5是实施例1制备的硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料500℃条件下的磨痕表面形貌图。
图6是实施例1制备的硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料的700℃条件下的磨痕表面形貌图。
图7是实施例2制备的硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料的动态摩擦系数图，摩擦磨损工况条件为：温度700℃、载荷8N、滑动速度0.3m/s、时间80min。
图8是实施例2制备的硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料的磨痕表面形貌图，摩擦磨损工况条件为：温度700℃、载荷8N、滑动速度0.3m/s、时间80min。
图9是实施例3制备的硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料的动态摩擦系数图，摩擦磨损工况条件为：温度700℃、载荷8N、滑动速度0.3m/s、时间80min。
图10是实施例3制备的硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料的磨痕表面形貌图，摩擦磨损工况条件为：温度700℃、载荷8N、滑动速度0.3m/s、时间80min。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
本实施例的硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）按硼酸镁粉质量分数为3%和镍铝合金粉质量分数为97%的比例配料，称量硼酸镁粉0.3克和镍铝合金粉9.7克，得到原始配料，其中硼酸镁粉的平均粒径为25nm，镍铝合金粉的平均粒径为25μm；
（2）将原始配料置于行星式球磨机中，按球料比5:1，转速200r/min，球磨混合4小时，冷却得到混合均匀的烧结配料；
（3）将烧结配料放入石墨磨具中，在真空氩气保护下采用放电等离子烧结，以130℃/min升温速率升至1000℃，加压至30MPa，保温8min后降温冷却，制得硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料。
采用HVS-1000型数显显微维氏硬度仪测试施例1制得硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料的硬度为5.93GPa。图2是实施例1制得硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料的摩擦系数和磨损率曲线图，由图可知该复合材料100℃条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.52和4.25×10-5mm3/(Nm)，300℃条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.44和4.41×10-5mm3/(Nm)，500℃条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.40和3.31×10-5mm3/(Nm)，700℃条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.33和2.97×10-5mm3/(Nm)，表明该复合材料具有优异的高温抗磨减摩性能。图3至图6是实施例1制得硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料分别在100℃、300℃、500℃、700℃条件下的磨痕表面形貌图，由图可知500℃和700℃条件下的摩擦磨损表面较光滑，形成了较为完整的润滑膜，这保证了复合材料具有优异的高温抗磨减摩性能。
实施例2
本实施例的硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）按硼酸镁粉质量分数为6%和镍铝合金粉质量分数为93%的比例配料，称量硼酸镁粉0.6克和镍铝合金粉9.7克，得到原始配料；
（2）将原始配料置于行星式球磨机中，按球料比10:1，转速300r/min，球磨混合5小时，冷却得到混合均匀的烧结配料；
（3）将烧结配料放入石墨磨具中，在真空氩气保护下采用放电等离子烧结，以140℃/min升温速率升至1050℃，加压至35MPa，保温9min后降温冷却，制得硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料。
采用HVS-1000型数显显微维氏硬度仪测试施例2制得硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料的硬度为6.46GPa。图7和图8是实施例2制得硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料700℃条件下的动态摩擦系数图和磨痕表面形貌图。由图7可知该复合材料的摩擦系数为0.32且波动幅度小，从图8中观察到磨痕表面整体光滑且覆盖着一层具有较完整的润滑膜，这表明复合材料具有优异的高温抗磨减摩性能。
实施例3
本实施例的硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）按硼酸镁粉质量分数为9%和镍铝合金粉质量分数为91%的比例配料，称量硼酸镁粉0.9克和镍铝合金粉9.1克，得到原始配料；
（2）将原始配料置于行星式球磨机中，按球料比15:1，转速400r/min，球磨混合6小时，冷却得到混合均匀的烧结配料；
（3）将烧结配料放入石墨磨具中，在真空氩气保护下采用放电等离子烧结，以150℃/min升温速率升至1110℃，加压至40MPa，保温10min后降温冷却，制得硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料。
采用HVS-1000型数显显微维氏硬度仪测试施例3制得硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料的硬度为6.67GPa。图9和图10是实施例3制得硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料700℃条件下的动态摩擦系数图和磨痕表面形貌图。由图9可知该复合材料的摩擦系数为0.34且波动幅度小，从图10中观察到磨痕表面整体光滑且覆盖着一层具有较完整的润滑膜，这表明复合材料具有优异的高温抗磨减摩性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
（1）按质量百分含量称量91~97%的镍铝合金粉和3~9%的硼酸镁粉，得到原始配料；
（2）将原始配料置于行星式球磨机中进行机械合金化，得到混合均匀的烧结配料；
（3）将烧结配料放入石墨磨具中，氩气真空保护下采用放电等离子烧结制备，得到硼酸镁增强镍铝基自润滑复合材料；
所述硼酸镁粉的平均粒径为25nm，镍铝合金粉的平均粒径为25μm；
所述步骤（2）中的球料比为5:1~15:1，球磨转速为200~400r/min，球磨时间为4~6小时；
所述步骤（3）中烧结时以130~150℃/min升温速率升至1000~1100℃，30~40MPa压强下保温8~10min后降温。
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