CN109234559B - 一种多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多孔自润滑Fe2B‑Fe金属陶瓷复合材料及其制备方法，将还原铁粉和硼粉放入按8.8wt.％B配料称重，放入球磨罐中进行一次球磨，接着再加入相对于球磨罐中粉末4～12倍质量的还原铁粉，进行二次球磨，待球磨完成后将混合粉末填入模具中，然后真空烧结获得多孔Fe2B‑Fe金属陶瓷，最后在真空箱中对多孔Fe2B‑Fe金属陶瓷进行浸油处理，制得多孔自润滑Fe2B‑Fe金属陶瓷复合材料。本发明原料成本低廉，制备工艺简单，所获得的多孔Fe2B‑Fe金属陶瓷材料具有良好的韧性和耐磨性，浸油后更具有优异的自润滑特性。

Description

一种多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于自润滑材料制备技术领域，具体涉及一种多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料及其制备方法。
背景技术
多孔自润滑复合材料属于一种新型工程材料，其本身具有强大的机械性能以及优异的自润滑性能。多孔自润滑材料中包含着许多有序的微米孔道结构，这些微级孔能够储存润滑添加剂。材料基体本身具有强度高、材料内部孔直径小，且密度大，内部孔径分布均匀等优点，而基体又通过依靠内部均匀丰富的孔道吸入并储存润滑油或脂，最终储存在结构内部。在摩擦过程中，摩擦热会聚集在摩擦表面，表面温度处于持续温升过程中。由于温度和载荷的耦合作用，在摩擦面上，又能均匀且连续地提供润滑油或脂，并且在摩擦表面形成一层持续且稳定的润滑油膜，从而实现在无油润滑的情况下，自行提供润滑，起到很好的减摩耐磨作用。
多孔自润滑材料主要有多孔聚合物自润滑材料和多孔陶瓷自润滑材料。多孔聚合物自润滑材料常以聚醚醚酮和聚苯硫醚作为基体，但聚合物基体存在强度不足，部分孔道无序、贯通性不高、孔隙度低等问题。多孔陶瓷自润滑材料有以氧化锆、碳化硅和氧化铝等为基体，但陶瓷基体本身脆性大、抗冲击能力差、同时又成本过高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料及其制备方法，本发明所制备的多孔自润滑 Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料具有较好的塑性和耐磨性，浸油后表现出优异的自润滑特性。
本发明采用以下技术方案：
一种多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料的制备方法，将还原铁粉和硼粉配料混合，进行一次球磨，然后加入还原铁粉进行二次球磨；待球磨完成后将混合粉末填入模具中，经真空烧结获得多孔Fe2B-Fe金属陶瓷；对多孔Fe2B-Fe金属陶瓷进行浸油处理，制得多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料。
具体的，一次球磨混合粉末中B为8.8wt.％。
具体的，一次球磨具体为：装入粉料和磨球，对球磨罐抽真空，然后通入氩气保护。
进一步的，一次球磨的球料比为(6～10)：1，转速为250r/min，球磨的时间为 40～50h。
具体的，二次球磨前，新加入的还原铁粉质量为球磨罐中一次球磨混合粉末质量的4～12倍。
进一步的，二次球磨时间为10～20h。
具体的，真空烧结的烧结温度为950～1100℃，烧结压力为10～30MPa，保温 10～20min，真空浸油的真空度10-1Pa。
具体的，在真空箱中通入润滑油，对多孔Fe2B-Fe金属陶瓷进行真空浸油处理。
进一步的，真空浸油的真空度10-1Pa，温度为60～90℃，保温20～40min。
本发明的另一技术方案是，一种多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料，利用所述多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料制备方法制备而成，多孔Fe2B-Fe 金属陶瓷材料的孔隙率为12～39％，断裂韧性为72～82Mpa·m1/2，多孔Fe2B-Fe 金属陶瓷材料浸油后的摩擦系数低于0.2。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料及其制备方法，采用价格低廉的还原铁粉和少量的硼粉作为原料，制备工艺简单，可显著降低生产成本，制备的多孔Fe2B-Fe金属陶瓷材料具有良好的韧性和耐磨性，浸油后更具有优异的自润滑特性。
进一步的，一次球磨时间40～50h是为了获得混合均匀的Fe2B预制粉末。
进一步的，二次球磨时间10～20h是为了将Fe2B预制粉末和Fe粉末混合均匀。
进一步的，控制不同的烧结温度和烧结压力，可以获得不同孔隙率的多孔 Fe2B-Fe金属陶瓷材料。
进一步，本发明中采用真空浸油，加热的润滑油流动性好，且真空状态下，润滑油可以迅速充入空隙，浸油效率高。
本发明还公开一种多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料，孔隙率为 12～39％，断裂韧性为72～82Mpa·m1/2，浸油后的摩擦系数低于0.2，其良好的韧性、耐磨性和优异的自润滑减摩特性，可广泛应用于含油自润滑轴承、齿轮、轴瓦、滑块、滑板及精密机床导轨等摩擦副材料。
综上所述，本发明原料价格低廉，制备工艺简单，生产成本低。制备获得的多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料浸油后，具有良好的韧性、耐磨性以及优异的自润滑减摩特性。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为一次球磨后Fe2B预制粉末SEM照片；
图2为制得的多孔Fe2B-Fe金属陶瓷材料SEM照片。
具体实施方式
本发明提供了一种多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料，属自润滑材料技术领域。多孔Fe2B-Fe金属陶瓷材料的孔隙率为12～39％，断裂韧性为 72～82Mpa·m1/2，具有良好的韧性和耐磨性，浸油后其摩擦系数低于0.2。所制得的复合材料具有优异的减摩耐磨特性，可广泛应用于含油自润滑轴承、齿轮、轴瓦、滑块、滑板及机床导轨等摩擦副材料。
本发明一种多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将还原铁粉和硼粉按8.8wt.％B配料称重，放入球磨罐中进行一次球磨，球磨罐和磨球为不锈钢材质，球料比(6～10):1，转速为250r/min，球磨前装入粉料和磨球，对球磨罐抽真空，然后通入氩气保护；
其中，一次球磨时间为40～50h。
S2、接着再加入相对于球磨罐中粉末4～12倍质量的还原铁粉，进行二次球磨，球磨完成后将混合粉末填入模具中；
其中，二次球磨时间为10～20h。
S3、然后将模具放入真空烧结炉中烧结获得多孔Fe2B-Fe金属陶瓷；
其中，烧结温度为950～1100℃，烧结压力为10～30MPa，保温10～20min，真空浸油的真空度10-1Pa。
S4、最后在真空箱中通入润滑油，对多孔Fe2B-Fe金属陶瓷进行浸油处理，制得具有良好自润滑特性的多孔Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料。
其中，真空浸油的真空度10-1Pa，温度为60～90℃，保温20～40min。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)将还原铁粉和硼粉按8.8wt.％B配料称重，放入球磨罐中进行一次球磨，球磨罐和磨球为不锈钢材质，球料比10:1，转速为250r/min，球磨时间为50h，球磨前装入粉料和磨球，对球磨罐抽真空，然后通入氩气保护；
(2)再次加入相对于球磨罐中粉末4倍质量的还原铁粉，进行二次球磨，球磨时间为15h，球磨完成后将混合粉末填入模具中；
(3)将模具放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为950℃，烧结压力为 20MPa，保温20min，真空度10-1Pa，获得多孔Fe2B-Fe金属陶瓷；
(4)在真空箱中通入润滑油，对多孔Fe2B-Fe金属陶瓷进行浸油处理，真空浸油的真空度10-1Pa，温度为70℃，保温30min。
下面对本实施例制得的多孔Fe2B-Fe金属陶瓷材料进行观察和测试，说明其性能的优越性。
用扫描电子显微镜观察一次球磨后Fe2B预制粉末SEM图，结果见图1。用扫描电子显微镜观察烧结后获得的试样组织形貌，结果见图2。用排水法测密度从而计算材料孔隙率，用eMT-5104型电子多功能试验机测试其断裂韧性。真空浸油后，用UMT-Tribolab对其进行摩擦磨损测试。经本实施例制备的试样，各项测试结果见表1。
实施例2
(1)将还原铁粉和硼粉按8.8wt.％B配料称重，放入球磨罐中进行一次球磨，球磨罐和磨球为不锈钢材质，球料比6:1，转速为250r/min，球磨时间为40h，球磨前装入粉料和磨球，对球磨罐抽真空，然后通入氩气保护；
(2)再次加入相对于球磨罐中粉末7倍质量的还原铁粉，进行二次球磨，球磨时间为15h，球磨完成后将混合粉末填入模具中；
(3)将模具放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1000℃，烧结压力为 30MPa，保温10min，真空度10-1Pa，获得多孔Fe2B-Fe金属陶瓷；
(4)在真空箱中通入润滑油，对多孔Fe2B-Fe金属陶瓷进行浸油处理，真空浸油的真空度为10-1Pa，温度为60℃，保温40min。
对本实施例制得的多孔Fe2B-Fe金属陶瓷材料进行观察和测试，结果见表1。
实施例3
(1)将还原铁粉和硼粉按8.8wt.％B配料称重，放入球磨罐中进行一次球磨，球磨罐和磨球为不锈钢材质，球料比8:1，转速为250r/min，球磨时间为50h，球磨前装入粉料和磨球，对球磨罐抽真空，然后通入氩气保护；
(2)再次加入相对于球磨罐中粉末7倍质量的还原铁粉，进行二次球磨，球磨时间为20h，球磨完成后将混合粉末填入模具中；
(3)将模具放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1100℃，烧结压力为 10MPa，保温10min，真空度10-1Pa，获得多孔Fe2B-Fe金属陶瓷；
(4)在真空箱中通入润滑油，对多孔Fe2B-Fe金属陶瓷进行浸油处理，真空浸油的真空度10-1Pa，温度为90℃，保温20min。
对本实施例制得的多孔Fe2B-Fe金属陶瓷材料进行观察和测试，结果见表1。
表1各实施例所制得材料各项性能
Figure BDA0001884000860000071
图1中一次球磨后Fe2B预制粉末SEM图，其中B粉基本上均匀地镶嵌在混合颗粒中，硼粉和铁粉混合均匀。
图2中烧结后试样组织中空隙分布均匀，基体连接完好。参见表1，随着烧结温度的增加，烧结获得的Fe2B-Fe金属陶瓷材料孔隙率逐渐减小，对应的韧性稍有增加。浸油后各实施例中所得复合材料的摩擦系数低于0.2，表现出优异的自润滑特性。综合考虑经济成本、力学性能和摩擦特性，相比之下，实施例1是实施例中的最佳实施方案。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，将还原铁粉和硼粉配料混合，进行一次球磨，一次球磨混合粉末中B为8.8wt.％，然后加入还原铁粉进行二次球磨；待球磨完成后将混合粉末填入模具中，经真空烧结获得多孔Fe2B-Fe金属陶瓷；在真空箱中通入润滑油，对多孔Fe2B-Fe金属陶瓷进行真空浸油处理，真空浸油的真空度10-1Pa，温度为60～90℃，保温20～40min，制得多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料。
2.根据权利要求1所述的多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，一次球磨具体为：装入粉料和磨球，对球磨罐抽真空，然后通入氩气保护。
3.根据权利要求1或2所述的多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，一次球磨的球料比为(6～10)：1，转速为250r/min，球磨的时间为40～50h。
4.根据权利要求1所述的多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，二次球磨前，新加入的还原铁粉质量为球磨罐中一次球磨混合粉末质量的4～12倍。
5.根据权利要求4所述的多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，二次球磨时间为10～20h。
6.根据权利要求1所述的多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，真空烧结的烧结温度为950～1100℃，烧结压力为10～30MPa，保温10～20min，真空浸油的真空度10-1Pa。
7.一种多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料，其特征在于，利用权利要求1至4中任一项所述多孔自润滑Fe2B-Fe金属陶瓷复合材料制备方法制备而成，多孔Fe2B-Fe金属陶瓷材料的孔隙率为12～39％，断裂韧性为72～82MP a·m1/2，多孔Fe2B-Fe金属陶瓷材料浸油后的摩擦系数低于0.2。
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