CN110066934B - 一种轴承滚动体用合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轴承滚动体用合金材料，由如下重量份的原料制成：基体材料80‑100份、润滑剂9‑11份、改性氧化石墨烯6‑7份，基体材料包括Ti粉末、Al粉末、Cr粉末、Nb粉末、Al2O3粉末；本发明还公开了所述合金材料的制备方法，包括两步球磨和等离子烧结等步骤。本发明采用Ti粉末、Al粉末、Cr粉末、Nb粉末、Al2O3粉末作为合金的基体材料，再加入润滑剂和改性氧化石墨烯，通过两步球磨法和等离子烧结法制备得到合金材料，舒展的片层状氧化石墨烯的加入能够改善合金材料的硬度、强度等机械性能，润滑剂和石墨烯润滑膜两者的协同作用能够提高合金材料的自润滑效应，将该合金材料制作成轴承滚动体，综合性能优异。
Description
技术领域
本发明属于轴承滚动体制备技术领域，具体地，涉及一种轴承滚动体用合金材料及其制备方法。
背景技术
轴承(Bearing)是当代机械设备中一种重要零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数(frictioncoefficient)，并保证其回转精度(accuracy)。按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。其中滚动轴承已经标准化、系列化，但与滑动轴承相比它的径向尺寸、振动和噪声较大，价格也较高。滚动轴承一般由外圈、内圈、滚动体和保持架四部分组成，而滚动体作为轴承结构的一部分具有非常显著的作用，滚动体直接影响到轴承的使用性能和寿命情况，磨损作为滚动体最为常见的问题，滚动体的耐磨性能直接影响到轴承的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轴承滚动体用合金材料及其制备方法，通过采用Ti粉末、Al粉末、Cr粉末、Nb粉末、Al2O3粉末作为合金的基体材料，再加入润滑剂和改性氧化石墨烯，通过两步球磨法和等离子烧结法制备得到合金材料，舒展的片层状氧化石墨烯的加入能够改善合金材料的硬度、强度等机械性能，在高温条件下，润滑剂在摩擦力和热应力的双重作用下逐渐渗出，润滑剂和石墨烯润滑膜两者的协同作用能够提高复合材料的自润滑效应，在合金材料表面形成一层自润滑层，起到自润滑作用，将该合金材料制作成轴承滚动体使，具有较高的硬度、强度等机械性能，同时还具有较好的自润滑和耐磨性能，综合性能优异。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种轴承滚动体用合金材料，由如下重量份的原料制成：基体材料80-100份、润滑剂9-11份、改性氧化石墨烯6-7份；
其中，基体材料包括Ti粉末、Al粉末、Cr粉末、Nb粉末、Al2O3粉末，Ti粉末、Al粉末、Cr粉末、Nb粉末、Al2O3粉末的物质的量之比为46:2:7:1:1；
该轴承滚动体用合金材料由如下步骤制成：
步骤S1、将基体材料的各金属粉末混合，加入润滑剂，置于清洗干净的球磨罐中，球磨罐抽真空并充入氩气惰性气体，对混合粉末进行球磨，250r/min条件下球磨2h，球磨介质为氧化铝球，球径为10mm、6mm和3mm，球料比为10：1；
步骤S2、待上述混合粉末冷却至室温后，再加入改性氧化石墨烯，继续在氩气保护下、250r/min球磨2h；
步骤S3、将球磨后的混合粉末在1300℃温度条件下，升温速率100℃/min，烧结压力为35MPa，保温时间10min的烧结参数下使用放电等离子烧结设备进行烧结，烧结过程始终保持真空条件下进行，真空度为2Pa；
步骤S4、烧结完成后，随炉冷却至室温，制得合金材料。
进一步地，所述润滑剂由如下方法制备：
(1)按照质量之比为14:1.5:2.6:1:1将磷酸氢二铵、硼酸、氧化锌、碳酸钠、硝酸钾进行配料，机械混合均匀后将混合料加热至1100℃、保温1h，然后随炉冷却，破碎过800目筛，得到基体粉末；
(2)将基体粉末与SiO2粉末、聚四氟乙烯粉末按照质量之比为7:2:1机械混合均匀，得到润滑剂，
其中，SiO2粉末的粒径为800目、聚四氟乙烯的粒径为100目。
进一步地，所述改性氧化石墨烯由如下方法制备：
称取1000mg柠檬酸，加入200mL氧化石墨烯水溶液中，氧化石墨烯水溶液的浓度为2mg/mL，超声震荡60min，在60℃的油浴锅中回流3h，反应结束后，再滴入2mol/L的NaOH溶液调节体系的pH值至7.5-8.5，将溶液放入到3-4℃的冰水浴中，80r/min搅拌30min，所得到的产物经过抽滤洗涤后，放在60℃的烘箱中过夜干燥，得到改性氧化石墨烯。
一种轴承滚动体用合金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、将基体材料的各金属粉末混合，加入润滑剂，置于清洗干净的球磨罐中，球磨罐抽真空并充入氩气惰性气体，对混合粉末进行球磨，250r/min条件下球磨2h，球磨介质为氧化铝球，球径为10mm、6mm和3mm，球料比为10：1；
步骤S2、待上述混合粉末冷却至室温后，再加入改性氧化石墨烯，继续在氩气保护下、250r/min球磨2h；
步骤S3、将球磨后的混合粉末在1300℃温度条件下，升温速率100℃/min，烧结压力为35MPa，保温时间10min的烧结参数下使用放电等离子烧结设备进行烧结，烧结过程始终保持真空条件下进行，真空度为2Pa；
步骤S4、烧结完成后，随炉冷却至室温，制得合金材料。
本发明的有益效果：
本发明采用Ti粉末、Al粉末、Cr粉末、Nb粉末、Al2O3粉末作为合金的基体材料，通过添加Cr元素，改变Al的γ相和α2相提高材料室温塑形；加入Nb元素细化晶粒增加材料强度且促成氧化膜的形成；加入具有弥散强化作用的陶瓷颗粒Al2O3化合物；同时在不降低材料机械性能的基础上增强材料润滑性能、改善复合材料的摩擦磨损性能；
本发明在合金材料中掺入了改性氧化石墨烯，在复合材料中加入舒展的片层结构的改性氧化石墨烯还石墨烯具有细化晶粒的作用，使得石墨烯弥散分布于合金材料中，在等离子烧结过程中阻碍晶界迁移，抑制合金晶粒长大，晶粒越细小，材料受到的应力越均匀，且载荷传递的过程中会受晶界的阻碍，进而改善复合材料的强度、硬度等机械性能；再者，改性氧化石墨烯能够增强合金材料的硬度，主要表现在以下两个方面，一是改性氧化石墨烯内部密集排列的碳原子使其自身具有高强度的优良性能，进而与合金混合制成的复合材料的硬度得到提升，二是石墨烯与基体反应生成新的化合物Ti2AlC，Ti2AlC相作为第二相增强材料，兼具金属材料、陶瓷材料的性能，增强复合材料的硬度；从耐摩擦方面来说，改性氧化石墨烯具有舒展的片层状结构，在合金材料中添加石墨烯时，随摩擦磨损试验的进行，改性氧化石墨烯逐渐渗出至表面，在合金材料摩擦表面会形成一层石墨烯润滑膜，这层润滑膜保护材料表面，起到一定的减摩作用；
本发明在合金材料中加入了自制的润滑剂，在合金材料加工过程中，使得润滑剂的内部结构由脆性转向塑性，具有优异的润滑性，经测试，其黏度在1000-1300℃温度区间的变化更小，保持在5.6-9.8×105Pa·s范围内；在该黏度区间内，合金材料的加工可以获得良好的润滑效果；再者，在高温条件下，润滑剂在摩擦力和热应力的双重作用下逐渐渗出，同时改性氧化石墨烯随之析出，二者均具有润滑作用，润滑剂和石墨烯润滑膜两者的协同作用能够提高复合材料的自润滑效应，在合金材料表面形成一层自润滑层，起到自润滑作用；
本发明采用Ti粉末、Al粉末、Cr粉末、Nb粉末、Al2O3粉末作为合金的基体材料，再加入润滑剂和改性氧化石墨烯，通过两步球磨法和等离子烧结法制备得到合金材料，舒展的片层状氧化石墨烯的加入能够改善合金材料的硬度、强度等机械性能，在高温条件下，润滑剂在摩擦力和热应力的双重作用下逐渐渗出，同时改性氧化石墨烯随之析出，二者均具有润滑作用，润滑剂和石墨烯润滑膜两者的协同作用能够提高复合材料的自润滑效应，在合金材料表面形成一层自润滑层，起到自润滑作用，将该合金材料制作成轴承滚动体使，具有较高的硬度、强度等机械性能，同时还具有较好的自润滑和耐磨性能，综合性能优异。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种轴承滚动体用合金材料，由如下重量份的原料制成：基体材料80-100份、润滑剂9-11份、改性氧化石墨烯6-7份；
其中，所述基体材料包括Ti粉末、Al粉末、Cr粉末、Nb粉末、Al2O3粉末，Ti粉末、Al粉末、Cr粉末、Nb粉末、Al2O3粉末的物质的量之比为46:2:7:1:1；添加Cr元素，改变Al的γ相和α2相提高材料室温塑形；加入Nb元素细化晶粒增加材料强度且促成氧化膜的形成；加入具有弥散强化作用的陶瓷颗粒Al2O3化合物；同时在不降低材料机械性能的基础上增强材料润滑性能、改善复合材料的摩擦磨损性能；
所述润滑剂由如下方法制备：
(1)按照质量之比为14:1.5:2.6:1:1将磷酸氢二铵、硼酸、氧化锌、碳酸钠、硝酸钾进行配料，机械混合均匀后将混合料加热至1100℃、保温1h，然后随炉冷却，破碎过800目筛，得到基体粉末；
(2)将基体粉末与SiO2粉末、聚四氟乙烯粉末按照质量之比为7:2:1机械混合均匀，得到润滑剂；
其中，SiO2粉末的粒径为800目、聚四氟乙烯的粒径为100目；
基体粉末中含有的主要成分是磷酸盐，含有钠元素、硼元素和锌元素，在温度升高时，具有较宽的黏度范围(黏度随温度变化范围大)，通过在基体粉末中加入二氧化硅粉末和聚四氟乙烯粉末，二氧化硅的熔点高(1600-1700℃)、性质稳定，同时，少量聚四氟乙烯(聚合物)的存在，在高温条件下，聚四氟乙烯在温度高于500℃便是熔融状态，能够包裹二氧化硅颗粒，使得二氧化硅颗粒均布于合金材料内，改善基体粉末的黏度随温度变化明显的缺陷，在合金材料加工过程中，使得润滑剂的内部结构由脆性转向塑性，具有优异的润滑性，经测试，其黏度在1000-1300℃温度区间的变化更小，保持在5.6-9.8×105Pa·s范围内；在该黏度区间内，合金材料的加工可以获得良好的润滑效果；
所述改性氧化石墨烯由如下方法制备：
称取1000mg柠檬酸，加入200mL氧化石墨烯水溶液中(氧化石墨烯水溶液的浓度为2mg/mL)，超声震荡60min，在60℃的油浴锅中回流3h，反应结束后，再滴入2mol/L的NaOH溶液调节体系的pH值至7.5-8.5，将溶液放入到3-4℃的冰水浴中，80r/min搅拌30min，所得到的产物经过抽滤洗涤后，放在60℃的烘箱中过夜干燥，得到改性氧化石墨烯；
经过柠檬酸改性后的氧化石墨烯，呈现出舒展状的片层结构，并且表面含有大量的羧基，经过改性后的氧化石墨烯能够与基体材料的晶体物相，从而提高合金材料的复合性能；
轴承滚动体用合金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、将基体材料的各金属粉末混合，加入润滑剂，置于清洗干净的球磨罐(材质为不锈钢)中，球磨罐抽真空并充入氩气惰性气体，以防止粉料在球磨过程中粘合氧化，对混合粉末进行球磨，250r/min条件下球磨2h，球磨介质为氧化铝球，球径为10mm、6mm和3mm，球料比为10：1；
步骤S2、待上述混合粉末冷却至室温后，再加入改性氧化石墨烯，继续在氩气保护下、250r/min球磨2h(分成两步球磨，可以避免石墨烯加入复合材料中时易包裹在金属颗粒表面，使得金属颗粒不易细化且易产生石墨烯团聚的问题，同时，球磨介质分为多种不同球径规格，使研磨后的混合粉末由无数形状不规则大小不均匀的颗粒组成，粉末的粒度大小范围较宽，小颗粒混合于大颗粒中，既可弥补颗粒中的空隙，又能大幅度提高材料的强度和塑形)；
步骤S3、将球磨后的混合粉末在1300℃温度条件下，升温速率100℃/min，烧结压力为35MPa，保温时间10min的烧结参数下使用放电等离子烧结设备进行烧结，烧结过程始终保持真空条件下进行，真空度为2Pa；(等离子烧结法，是一种常用的粉末冶金方法，通过脉冲电流实现局部加热、冲击加压、表面净化等作用，使粉末产生塑性流动迅速达到致密化的效果，具有加热速度快、致密度高、晶粒细小和组织均匀等特点，经等离子烧结后的合金具有较大的硬度值和较小的摩擦因数)；
步骤S4、烧结完成后，随炉冷却至室温，制得合金材料。
在等离子烧结过程中，金属粉末之间发生反应，形成不同晶相，改性氧化石墨烯的加入能够参与晶体成相，比如TiC相、Ti2AlC相等，作为第二相，Ti2AlC相既有金属性能又含有陶瓷性能，在一定程度上能够增强材料力学性能；并且，改性氧化石墨烯不会完全与TiAl基体发生反应，且周围没有界面产物产生，而是分散于晶界边缘，这样的界面结合，有利于发挥石墨烯承受载荷和应力传递的作用；
在复合材料中加入舒展的片层结构的改性氧化石墨烯还石墨烯具有细化晶粒的作用，使得石墨烯弥散分布于合金材料中，在等离子烧结过程中阻碍晶界迁移，抑制合金晶粒长大，晶粒越细小，材料受到的应力越均匀，且载荷传递的过程中会受晶界的阻碍，进而改善复合材料的强度、硬度等机械性能；再者，改性氧化石墨烯能够增强合金材料的硬度，主要表现在以下两个方面，一是改性氧化石墨烯内部密集排列的碳原子使其自身具有高强度的优良性能，进而与合金混合制成的复合材料的硬度得到提升，二是石墨烯与基体反应生成新的化合物Ti2AlC，Ti2AlC相作为第二相增强材料，兼具金属材料、陶瓷材料的性能，增强复合材料的硬度；
从耐摩擦方面来说，改性氧化石墨烯具有舒展的片层状结构，在合金材料中添加石墨烯时，随摩擦磨损试验的进行，改性氧化石墨烯逐渐渗出至表面，在合金材料摩擦表面会形成一层石墨烯润滑膜，这层润滑膜保护材料表面，起到一定的减摩作用；在高温条件下，润滑剂在摩擦力和热应力的双重作用下逐渐渗出，同时改性氧化石墨烯随之析出，二者均具有润滑作用，润滑剂和石墨烯润滑膜两者的协同作用能够提高复合材料的自润滑效应，在合金材料表面形成一层自润滑层，起到自润滑作用，将该合金材料制作成轴承滚动体使，具有较高的硬度、强度等机械性能，同时还具有较好的自润滑和耐磨性能，综合性能优异。
实施例1
一种轴承滚动体用合金材料，由如下重量份的原料制成：基体材料80份、润滑剂9份、改性氧化石墨烯6份；
该合金材料由如下步骤制成：
步骤S1、将基体材料的各金属粉末混合，加入润滑剂，置于清洗干净的球磨罐中，球磨罐抽真空并充入氩气惰性气体，以防止粉料在球磨过程中粘合氧化，对混合粉末进行球磨，250r/min条件下球磨2h，球磨介质为氧化铝球，球径为10mm、6mm和3mm，球料比为10：1；
步骤S2、待上述混合粉末冷却至室温后，再加入改性氧化石墨烯，继续在氩气保护下、250r/min球磨2h；
步骤S3、将球磨后的混合粉末在1300℃温度条件下，升温速率100℃/min，烧结压力为35MPa，保温时间10min的烧结参数下使用放电等离子烧结设备进行烧结，烧结过程始终保持真空条件下进行，真空度为2Pa；
步骤S4、烧结完成后，随炉冷却至室温，制得合金材料。
实施例2
一种轴承滚动体用合金材料，由如下重量份的原料制成：基体材料90份、润滑剂10份、改性氧化石墨烯6.5份；
该合金材料由如下步骤制成：
步骤S1、将基体材料的各金属粉末混合，加入润滑剂，置于清洗干净的球磨罐中，球磨罐抽真空并充入氩气惰性气体，以防止粉料在球磨过程中粘合氧化，对混合粉末进行球磨，250r/min条件下球磨2h，球磨介质为氧化铝球，球径为10mm、6mm和3mm，球料比为10：1；
步骤S2、待上述混合粉末冷却至室温后，再加入改性氧化石墨烯，继续在氩气保护下、250r/min球磨2h；
步骤S3、将球磨后的混合粉末在1300℃温度条件下，升温速率100℃/min，烧结压力为35MPa，保温时间10min的烧结参数下使用放电等离子烧结设备进行烧结，烧结过程始终保持真空条件下进行，真空度为2Pa；
步骤S4、烧结完成后，随炉冷却至室温，制得合金材料。
实施例3
一种轴承滚动体用合金材料，由如下重量份的原料制成：基体材料100份、润滑剂11份、改性氧化石墨烯7份；
该合金材料由如下步骤制成：
步骤S1、将基体材料的各金属粉末混合，加入润滑剂，置于清洗干净的球磨罐中，球磨罐抽真空并充入氩气惰性气体，以防止粉料在球磨过程中粘合氧化，对混合粉末进行球磨，250r/min条件下球磨2h，球磨介质为氧化铝球，球径为10mm、6mm和3mm，球料比为10：1；
步骤S2、待上述混合粉末冷却至室温后，再加入改性氧化石墨烯，继续在氩气保护下、250r/min球磨2h；
步骤S3、将球磨后的混合粉末在1300℃温度条件下，升温速率100℃/min，烧结压力为35MPa，保温时间10min的烧结参数下使用放电等离子烧结设备进行烧结，烧结过程始终保持真空条件下进行，真空度为2Pa；
步骤S4、烧结完成后，随炉冷却至室温，制得合金材料。
对比例1
将实施例1中的改性氧化石墨烯原料去掉。
对比例2
将实施例1中的润滑剂去掉。
对比例3
将实施例1中的等离子烧结法换成真空烧结法。
对实施例1-3和对比例1-3制得的合金材料做如下性能测试：
采用数显显微硬度计测量硬度；测试弯曲强度，根据GB/T7314-2005《金属材料室温压缩试验方法》测定屈服强度，根据GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》测定冲击韧性；进行摩擦磨损试验，测试结果如下表：
可知，实施例1-3制得的合金材料的硬度为48-49HRC，弯曲强度达到466-469MPa，屈服强度为565-569MPa，冲击韧性为30.5-30.6J，摩擦系数为0.51-0.53，磨损率为2.5-2.710-2mg·Nm，说明本发明制备得到的合金材料的硬度、强度等机械性能好，耐磨性能高；相比于对比例1，说明改性氧化石墨烯的加入对合金材料的机械性能影响较大，改性氧化石墨烯的加入能够有效增强合金材料的机械性能；相对于对比例2，说明润滑剂的加入对合金材料的耐磨性能影响较大，润滑剂的加入能够有效增强合金材料的耐磨性能，同时，对机械性能也有一定的影响，说明润滑剂的加入也能够增强合金材料的耐磨性能；相对于对比例3，说明等离子烧结得到的合金材料比真空烧结得打的合金材料的整体性能优异。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (2)
1.一种轴承滚动体用合金材料，其特征在于，由如下重量份的原料制成：基体材料80-100份、润滑剂9-11份、改性氧化石墨烯6-7份；
其中，基体材料包括Ti粉末、Al粉末、Cr粉末、Nb粉末、Al2O3粉末，Ti粉末、Al粉末、Cr粉末、Nb粉末、Al2O3粉末的物质的量之比为46:2:7:1:1；
所述润滑剂由如下方法制备：
(1)按照质量之比为14:1.5:2.6:1:1将磷酸氢二铵、硼酸、氧化锌、碳酸钠、硝酸钾进行配料，机械混合均匀后将混合料加热至1100℃、保温1h，然后随炉冷却，破碎过800目筛，得到基体粉末；
(2)将基体粉末与SiO2粉末、聚四氟乙烯粉末按照质量之比为7:2:1机械混合均匀，得到润滑剂；
其中，SiO2粉末的粒径为800目、聚四氟乙烯的粒径为100目；
所述改性氧化石墨烯由如下方法制备：
称取1000mg柠檬酸，加入200mL氧化石墨烯水溶液中，氧化石墨烯水溶液的浓度为2mg/mL，超声震荡60min，在60℃的油浴锅中回流3h，反应结束后，再滴入2mol/L的NaOH溶液调节体系的pH值至7.5-8.5，将溶液放入到3-4℃的冰水浴中，80r/min搅拌30min，所得到的产物经过抽滤洗涤后，放在60℃的烘箱中过夜干燥，得到改性氧化石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种轴承滚动体用合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、将基体材料的各金属粉末混合，加入润滑剂，置于清洗干净的球磨罐中，球磨罐抽真空并充入氩气惰性气体，对混合粉末进行球磨，250r/min条件下球磨2h，球磨介质为氧化铝球，球径为10mm、6mm和3mm，球料比为10：1；
步骤S2、待上述混合粉末冷却至室温后，再加入改性氧化石墨烯，继续在氩气保护下、250r/min球磨2h；
步骤S3、将球磨后的混合粉末在1300℃温度条件下，升温速率100℃/min，烧结压力为35MPa，保温时间10min的烧结参数下使用放电等离子烧结设备进行烧结，烧结过程始终保持真空条件下进行，真空度为2Pa；
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