CN108907181B - 一种石墨烯增强铜基含油轴承材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种石墨烯增强铜基含油轴承材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于含油轴承材料技术领域，公开了一种石墨烯增强铜基含油轴承材料及其制备方法和应用。所述含油轴承材料是将铜粉加入到氧化石墨烯胶体水溶液中，室温搅拌反应后经过滤、干燥，得到石墨烯包覆铜粉；将该石墨烯包覆铜粉冷压成形得到胚体，将胚体置于保护气氛下烧结，自然冷却后，得到多孔石墨烯/铜复合材料；将该多孔石墨烯/铜基复合材料置于含油轴承专用润滑油中，在一定负压下浸泡至完全浸润，自然冷却后制得。本发明所制备的石墨烯增强铜基含油轴承材料具有磨损量少、承载力好、含油率高和润滑性能稳定的优点，有效解决了石墨烯纳米片在铜基体中难以均匀分散的问题，可应用在音响机械、家电机器、办公机器和运输机械轴承领域中。

Description

一种石墨烯增强铜基含油轴承材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于含油轴承材料技术领域，特别涉及一种石墨烯增强铜基含油轴承材料及其制备方法和应用。
背景技术
烧结金属含油轴承是利用烧结体的多孔性，在孔隙内含浸润滑油，能够自行供油的一类滑动轴承。当轴承旋转时连通孔隙中储藏的润滑油由于热作用与泵作用渗出于含油轴承的摩擦表面，当轴承停止转动时，润滑油又回到含油轴承内部。所以含油轴承内部互相连通、大小合适的孔隙以及高的含油率是保证形成稳定油膜、轴承能长期使用的重要参数。由于铜基体有着优良的导电、导热能力和良好的耐腐蚀等综合性能，粉末冶金铜基含油轴承在机械制造工业中用量大、应用面广，但其存在承载能力弱以及耐磨性能差等缺点。石墨烯由于其独特的二维结构、优异的力学性能、良好的化学稳定性、较低的层间剪切阻力等优点使其成为潜在的高性能固体润滑材料。申请号201610056783.4的专利公开了一种具有较好导热性能及较高的强度和耐磨性的石墨烯/铜基含油轴承。然而，由于大的比表面积和较强的片层间作用力，石墨烯本征易于团聚。团聚态的石墨烯不但弱化含油轴承金属基体的力学性能，而且增加石墨烯的用量，增加制备成本。因此，如何让石墨烯在金属基体中均匀分布是制约石墨烯增强含油轴承材料发展的关键技术。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种石墨烯增强铜基含油轴承材料。该轴承材料具有磨损量少、承载力好、含油率高和润滑性能稳定的优点。
本发明的另一目的在于提供上述石墨烯增强铜基含油轴承材料的制备方法。该方法可有效地将石墨烯均匀分散到铜基体中，与常规球磨分散法相比，可以避免石墨烯在球磨过程中遭受结构的破坏。
本发明的再一目的在于提供上述石墨烯增强铜基含油轴承材料的应用。
本发明上述目的通过以下技术方案予以实现：
一种石墨烯增强铜基含油轴承材料，所述含油轴承材料是将铜粉加入到氧化石墨烯胶体水溶液中，室温搅拌反应后经过滤、干燥，得到石墨烯包覆铜粉；将该石墨烯包覆铜粉冷压成形得到胚体，将胚体置于保护气氛下烧结，自然冷却后，得到多孔石墨烯/铜复合材料；将该多孔石墨烯/铜基复合材料置于含油轴承专用润滑油中，在负压下浸泡至完全浸润，自然冷却后制得。
优选地，所述氧化石墨烯胶体水溶液的浓度为0.05～0.2mg/mL，所述铜粉的粒径为10～40μm，所述搅拌反应的时间为0.5～2h。
优选地，所述铜粉的质量和氧化石墨烯胶体水溶液的体积比为10g：(1～2)L。
优选地，所述石墨烯包覆铜粉中石墨烯的质量分数为0.5～2wt.％。
优选地，所述冷压的压力为25～100MPa，所述烧结的温度为800～950℃，烧结的时间为0.5～1h。
优选地，所述保护气氛为氮气或/和氢气。
优选地，所述含油轴承专用润滑油为机油SAE 30。
优选地，所述负压的压力为-0.5～-0.8bar，所述浸泡的温度为25～80℃，所述浸泡的时间为12～24h。
所述的石墨烯增强铜基含油轴承材料的制备方法，包括以下具体步骤：
S1.将铜粉加入到氧化石墨烯胶体水溶液中，室温搅拌反应，过滤并干燥产物，得到石墨烯包覆铜粉；
S2.将步骤S1所得石墨烯包覆铜粉置于模具中，冷压成形得到胚体，胚体置于保护气氛下高温烧结，自然冷却后，得到多孔石墨烯/铜复合材料；
S3.将步骤S2制得的多孔石墨烯/铜基复合材料置于含油轴承专用润滑油中，在一定负压和温度下浸泡至完全浸润，自然冷却后，得到石墨烯增强铜基含油轴承材料。
所述的石墨烯增强铜基含油轴承材料在音响机械、家电机器、办公机器和运输机械轴承领域中的应用。
本发明中由于铜粉表面均匀包覆有石墨烯纳米片，在经冷压和高温烧结成型后，石墨烯纳米片在铜基体中形成连续网状结构。此连续网状结构作为互相连通的孔隙，不但提高石墨烯/铜复合材料的含油率，而且有利于提高复合材料在使用过程中润滑油的供/吸效率，保障石墨烯增强铜基含油轴承材料在使用过程中多处于流体润滑状态，而少处于边界润滑状态，因此，具备磨损量少、润滑性能好的优点。此外，石墨烯纳米片在铜基体中形成的连续网状结构有效转移和传递应力，利于提高石墨烯增强铜基含油轴承材料的承载力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明制备的石墨烯增强铜基含油轴承材料具有磨损量少、承载力好、含油率高和润滑性能好的优点。
2.本发明利用氧化石墨烯(石墨烯的前驱体)在水中易于形成单分散胶体溶液的特点，并借助铜粉和氧化石墨烯纳米片间自发的氧化-还原反应，将氧化石墨烯还原为石墨烯，并且沿着铜粉表面沉积和自组装。经随后的冷压和高温烧结工序后，石墨烯被均匀地复合到铜基体中，有效解决了石墨烯纳米片在铜基体中难以均匀分散的问题。
3.铜粉和石墨烯纳米片在冷压和高温烧结前无需额外的机械混合(如球磨混合)过程，因此，避免了在机械混合过程中石墨烯纳米片遭受结构的破坏。
附图说明
图1为实施例1所得的石墨烯包覆铜粉表面形貌SEM照片。
图2为实施例2所得的石墨烯包覆铜粉表面形貌SEM照片。
图3实施例5和实施例6所制得的石墨烯增强铜基含油轴承材料的摩擦系数随时间变化的曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
将20g铜粉(粒径为20±10μm)加入到2L的氧化石墨烯胶体水溶液中(浓度为0.1mg/mL)，室温搅拌反应0.5h，过滤并真空下80℃干燥产物，得到石墨烯包覆铜粉，其中石墨烯的含量为石墨烯包覆铜粉的0.5wt.％。图1为所得的石墨烯包覆铜粉的表面形貌SEM照片，从图1中可见，石墨烯纳米片沿着铜粉表面均匀沉积。
实施例2
与实施例1的不同在于：氧化石墨烯胶体水溶液中氧化石墨烯的浓度为0.2mg/mL，搅拌反应时间为1h，石墨烯包覆铜粉中石墨烯含量为1.0wt.％。
实施例3
与实施例1的不同在于：铜粉粒径为30±10μm，氧化石墨烯胶体水溶液的浓度为0.05mg/mL，体积为4L。图2为所得的石墨烯包覆铜粉的表面形貌SEM照片，从图2中可见，石墨烯纳米片沿着铜粉表面均匀沉积。
实施例4
与实施例1的不同在于：氧化石墨烯胶体水溶液中氧化石墨烯的浓度为0.2mg/mL，体积为4L，室温搅拌反应时间为2h，石墨烯包覆铜粉中石墨烯含量为2.0wt.％。
实施例5
把实施例1得到的石墨烯包覆铜粉置于模具中，25MPa压力下冷压成形得到胚体，胚体置于氩气保护气氛下800℃烧结1h，自然冷却后得到多孔石墨烯/铜复合材料；将此多孔石墨烯/铜基复合材料置于机油SAE 30中，在-0.8bar负压和80℃下浸泡12h，自然冷却后得到石墨烯增强铜基含油轴承材料。经测定材料的含油率为19.72％，相比不含有石墨烯的纯铜含油轴承材料高出28％。
实施例6
与实施例5的不同在于：石墨烯包覆铜粉为实施例2得到的石墨烯包覆铜粉，所用冷压压力为50MPa，所用烧结温度为950℃，烧结时间为0.5h。浸泡于机油SAE 30的温度和时间分别为25℃和24h。经测定材料的含油率为21.74％，比不含有石墨烯的纯铜含油轴承材料高出41.1％。
图3实施例5和实施例6所制得的石墨烯增强铜基含油轴承材料的摩擦系数随时间变化的曲线图。其中，1为纯铜含油轴承材料，2为实施例5的石墨烯增强铜基含油轴承材料，3为实施例6的石墨烯增强铜基含油轴承材料。从图3中可知，石墨烯增强铜基含油轴承材料经过短暂的跑合期后，摩擦系数讯速降少到0.1以下，直至整个测试期结束，而纯铜含油轴承材料的摩擦系数前半期稳定在0.13后随摩擦时间的延长而快速提高，在摩擦时间为15min时摩擦系数达到0.2，说明本发明的石墨烯增强铜基含油轴承材料具有更好的润滑性能，如更低和更稳定的摩擦系数以及更长的寿命。
实施例7
与实施例5的不同在于：石墨烯包覆铜粉为实施例4得到的石墨烯包覆铜粉，所用冷压压力为100MPa，所用烧结温度为900℃，烧结时间为0.5h，所用保护气氛为氢气和氮气混合气体(氢气体积分数为10％)。浸泡于机油SAE 30的温度、时间和负压分别为50℃，15h和-0.5bar。
实施例8
将实施例5和实施例6所制得的石墨烯增强铜基含油轴承材料与直径为6mm的GCr15不锈钢球组成摩擦副，在大气环境下(相对湿度30％～60RH％)，和载何为在4N的摩擦测试条件下测试石墨烯增强铜基含油轴承材料的摩擦性能。结果表明，与不含有石墨烯的纯铜含油轴承材料相比，所制得的石墨烯增强铜基含油轴承材料具有更低的摩擦系数，说明所得的石墨烯增强铜基含油轴承材料具有更好的润滑性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种石墨烯增强铜基含油轴承材料，其特征在于，所述含油轴承材料是将铜粉加入到氧化石墨烯胶体水溶液中，所述铜粉的质量和氧化石墨烯胶体水溶液的体积比为10g：(1～2)L，室温搅拌反应0.5～2h后经过滤、干燥，得到石墨烯包覆铜粉；将该石墨烯包覆铜粉25～100MPa压力下冷压成形得到胚体，将胚体置于保护气氛下在800～950℃烧结0.5～1h，自然冷却后，得到多孔石墨烯/铜复合材料；将该多孔石墨烯/铜基复合材料置于含油轴承专用润滑油中，在负压-0.5～-0.8bar下25～80℃浸泡12～24h至完全浸润，自然冷却后制得；所述氧化石墨烯胶体水溶液的浓度为0.05～0.2mg/mL，所述铜粉的粒径为10～40μm；所述石墨烯包覆铜粉中石墨烯的质量分数为0.5～2wt.％。
2.根据权利要求1所述的石墨烯增强铜基含油轴承材料，其特征在于，所述保护气氛为氮气或/和氢气。
3.根据权利要求1所述的石墨烯增强铜基含油轴承材料，其特征在于，所述含油轴承专用润滑油为机油SAE 30。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的石墨烯增强铜基含油轴承材料的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1.将铜粉加入到氧化石墨烯胶体水溶液中，室温搅拌反应，过滤并干燥产物，得到石墨烯包覆铜粉；
S2.将步骤S1所得石墨烯包覆铜粉置于模具中，冷压成形得到胚体，胚体置于保护气氛下高温烧结，自然冷却后，得到多孔石墨烯/铜复合材料；
S3.将步骤S2制得的多孔石墨烯/铜基复合材料置于含油轴承专用润滑油中，在一定负压和温度下浸泡至完全浸润，自然冷却后，得到石墨烯增强铜基含油轴承材料。
5.根据权利要求1-3任一项所述的石墨烯增强铜基含油轴承材料在音响机械、家电机器、办公机器和运输机械轴承领域中的应用。
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