CN110592414B - 一种自润滑铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种自润滑铝基复合材料及其制备方法，本发明涉及铝基复合材料领域，具体涉及一种自润滑铝基复合材料及其制备方法。本发明是要解决现有含润滑剂复合材料由于含油多孔或者是润滑剂强度不足，导致复合材料强度不够，最终应用范围被严重限制的问题。材料按体积分数由15％～35％钛硅碳、1％～10％六方氮化硼和55％～70％铝合金基体组成。方法：一、备料；二、双级球磨混粉；三、预制体制备；四、低温烧结；五、经脱模后即得到自润滑复合材料。本发明通过调整钛硅碳、六方氮化硼和铝基体粉末的尺寸及配比，经过双级球磨处理，利用低温粉末冶金法成功制备出具备高强、自润滑特性的铝基复合材料，充分发挥两种润滑剂组元的协同润滑作用。

Description

一种自润滑铝基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及铝基复合材料领域，具体涉及一种自润滑铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

自润滑材料是保证无油润滑机械结构正常运转的重要组成部分。目前自润滑材料的发展方向主要是无污染、低磨损和自修复。而材料的复合化是实现自润滑复合材料的一种重要的手段。

目前，含润滑剂复合材料的发展迅速，如含润滑油的复合材料，通过在结构运转过程中向连接处渗出润滑油脂，进而实现润滑作用。如含固体润滑剂复合材料，随着运转过程固体润滑剂挤出材料表面，而形成润滑膜，进而实现润滑作用。但是这两类复合材料由于含油多孔或者是润滑剂强度不足，导致复合材料强度不够，最终应用范围被严重的限制。因此，亟待开发一种强度高、润滑效果优异的自润滑复合材料，以适应未来润滑构件的发展需要。

发明内容

本发明是要解决现有含润滑剂复合材料由于含油多孔或者是润滑剂强度不足，导致复合材料强度不够，最终应用范围被严重限制的问题。而提供一种自润滑铝基复合材料及其制备方法。

一种自润滑铝基复合材料按体积分数由15％～35％钛硅碳、1％～10％六方氮化硼和 55％～70％铝合金基体组成，其中钛硅碳和六方氮化硼的体积分数之和大于30％。

上述一种自润滑铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：

一、备料：按体积分数15％～35％钛硅碳、1％～10％六方氮化硼和55％～70％铝合金基体进行备料；所述钛硅碳和六方氮化硼的体积分数之和大于30％；所述钛硅碳为粉末状，其粒径为5～10μm；所述六方氮化硼为粉末状，其粒径为0.5～5μm；所述铝合金基体为粉末状，其粒径为0.5～10μm；

二、双级球磨混粉：将铝合金基体与钛硅碳置于球磨机中，转速设定为300～400r/min，球料比设定为(3～5):1，混粉时间为1～2h，完成一级球磨，到粉末A；将六方氮化硼加入至粉末A中，进行二级球磨，转速设定为50～100r/min，球料比设定为1:1，混粉时间为0.5～1h，完成后得到粉末B；

三、预制体制备：将粉末B装入钢模具中，放入石墨压头，压力控制为3～5MPa，保压时间为5～10min，制备成预制体；

四、低温烧结：将预制体放置于加热炉中保温加热，控制升温速率为3～5℃/min，从室温加热至520～550℃，保温30～90min，随后利用压力机将预制体压实，压力控制为 40～60MPa，保压5～15min，得到复合材料；

五、脱模：当复合材料冷却至80℃以下时，将其从保温炉中取出，经脱模后即得到自润滑复合材料。

本发明的有益效果：

本发明以钛硅碳(Ti3SiC2)和六方氮化硼(h-BN)为混合增强体，以铝合金为基体，通过高强度和低强度层状润滑剂的混合添加，采用粉末冶金法实现高强度、自润滑铝基复合材料高品质制备。由于钛硅碳和六方氮化硼的协同润滑作用和高强度钛硅碳的强化作用，扩大了该自润滑铝基复合材料的应用范围，可有效的实现低载、高载条件下优异的润滑作用。该方法制备工艺简单、工业化可行性高、适宜产业化生产。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种自润滑铝基复合材料按体积分数由15％～35％钛硅碳、1％～10％六方氮化硼和55％～70％铝合金基体组成，其中钛硅碳和六方氮化硼的体积分数之和大于30％。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述钛硅碳为粉末状，其粒径为5～10μm；所述六方氮化硼为粉末状，其粒径为0.5～5μm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述铝合金基体为粉末状，其粒径为0.5～10μm。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述自润滑铝基复合材料按体积分数由25％钛硅碳、8％六方氮化硼和67％铝合金基体组成。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式自润滑铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：

一、备料：按体积分数15％～35％钛硅碳、1％～10％六方氮化硼和55％～70％铝合金基体进行备料；所述钛硅碳和六方氮化硼的体积分数之和大于30％；所述钛硅碳为粉末状，其粒径为5～10μm；所述六方氮化硼为粉末状，其粒径为0.5～5μm；所述铝合金基体为粉末状，其粒径为0.5～10μm；

二、双级球磨混粉：将铝合金基体与钛硅碳置于球磨机中，转速设定为300～400r/min，球料比设定为(3～5):1，混粉时间为1～2h，完成一级球磨，到粉末A；将六方氮化硼加入至粉末A中，进行二级球磨，转速设定为50～100r/min，球料比设定为1:1，混粉时间为0.5～1h，完成后得到粉末B；

三、预制体制备：将粉末B装入钢模具中，放入石墨压头，压力控制为3～5MPa，保压时间为5～10min，制备成预制体；

四、低温烧结：将预制体放置于加热炉中保温加热，控制升温速率为3～5℃/min，从室温加热至520～550℃，保温30～90min，随后利用压力机将预制体压实，压力控制为40～60MPa，保压5～15min，得到复合材料；

五、脱模：当复合材料冷却至80℃以下时，将其从保温炉中取出，经脱模后即得到自润滑复合材料。

本实施方式中铝基复合材料的增强体选择为钛硅碳和六方氮化硼颗粒，主要的目的是：一方面利用层状结构的六方氮化硼，能够实现在构件运转过程中，从复合材料中挤出，进而形成润滑膜，有效实现低载荷条件下的润滑性能；另一方面，选用高强度、层状结构增强体钛硅碳，主要是高载荷条件下，钛硅碳层状结构剥离，能够能成润滑膜，发挥二者低载和高载条件下的协同润滑作用；同时，由于钛硅碳颗粒具备较高的强度和弹性模量，因此能够有效的改善铝基体合金的性能，实现高强度、自润滑复合材料的制备。

本实施方式中采用双级球磨工艺控制粉末的混合，主要的目的是：高转速和高球料比条件下，实现高强度钛硅碳粉末与铝合金粉末的均匀混合；保证钛硅碳的均匀强化效果；另一方面，低转速，低球料比条件下，此时降低球磨过程中的能量，减少球磨过程中，低强度六方氮化硼的损伤，有利于保证其完整的层状结构，因此，双级球磨工艺是保证该材料性能实现的重要步骤。

本实施方式中烧结过程中工艺参数的控制同样是一个保证复合材料自润滑性能实现的重要因素，烧结过程中温度较低，仅处于520～550℃，主要的目的是为了尽量较少钛硅碳和六方氮化硼与铝基体间的反应，导致润滑剂组员含量降低，从而影响润滑效果。

通过以下试验验证本发明的效果：

实施例一：一种自润滑铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：

一、备料：按体积分数25％钛硅碳、8％六方氮化硼和67％铝合金基体进行备料；所述钛硅碳为粉末状，其粒径为8μm；所述六方氮化硼为粉末状，其粒径为3μm；所述铝合金基体为粉末状，其粒径为10μm,牌号为2024Al；

二、双级球磨混粉：将铝合金基体与钛硅碳置于球磨机中，转速设定为320r/min，球料比设定为3:1，混粉时间为1.5h，完成一级球磨，到粉末A；将六方氮化硼加入至粉末A中，进行二级球磨，转速设定为80r/min，球料比设定为1:1，混粉时间为0.5h，完成后得到粉末B；

三、预制体制备：将粉末B装入钢模具中，放入石墨压头，压力控制为5MPa，保压时间为10min，制备成预制体；

四、低温烧结：将预制体放置于加热炉中保温加热，控制升温速率为5℃/min，从室温加热至520℃，保温60min，随后利用压力机将预制体压实，压力控制为60MPa，保压15min，得到复合材料；

五、脱模：当复合材料冷却至80℃以下时，将其从保温炉中取出，经脱模后即得到自润滑复合材料。实施例二：本实施例与实施例一的不同之处在于：步骤一中按体积分数30％钛硅碳、10％六方氮化硼和60％铝合金基体进行备料。其他与实施例一相同。

对比例一：一种自润滑铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：

一、备料：按体积分数30％钛硅碳和70％铝合金基体进行备料；所述钛硅碳为粉末状，其粒径为8μm；所述铝合金基体为粉末状，其粒径为10μm,牌号为2024Al；

二、双级球磨混粉：将铝合金基体与钛硅碳置于球磨机中，转速设定为320r/min，球料比设定为3:1，混粉时间为1.5h，完成球磨，到粉末A；

三、预制体制备：将粉末A装入钢模具中，放入石墨压头，压力控制为5MPa，保压时间为10min，制备成预制体；

四、低温烧结：将预制体放置于加热炉中保温加热，控制升温速率为5℃/min，从室温加热至520℃，保温60min，随后利用压力机将预制体压实，压力控制为60MPa，保压15min，得到复合材料；

五、脱模：当复合材料冷却至80℃以下时，将其从保温炉中取出，经脱模后即得到自润滑复合材料。

对比例二：一种自润滑铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：

一、备料：按体积分数25％钛硅碳、8％六方氮化硼和67％铝合金基体进行备料；所述钛硅碳为粉末状，其粒径为8μm；所述六方氮化硼为粉末状，其粒径为3μm；所述铝合金基体为粉末状，其粒径为10μm,牌号为2024Al；

二、球磨混粉：将铝合金基体、钛硅碳和六方氮化硼置于球磨机中，转速设定为320r/min，球料比设定为3:1，混粉时间为1.5h，完成球磨，到粉末A；

三、预制体制备：将粉末A装入钢模具中，放入石墨压头，压力控制为5MPa，保压时间为10min，制备成预制体；

四、低温烧结：将预制体放置于加热炉中保温加热，控制升温速率为5℃/min，从室温加热至520℃，保温60min，随后利用压力机将预制体压实，压力控制为60MPa，保压15min，得到复合材料；

五、脱模：当复合材料冷却至80℃以下时，将其从保温炉中取出，经脱模后即得到自润滑复合材料。

对比例三：本实施例与实施例二的不同之处在于：步骤四中从室温加热至580℃，保温120min。其他与实施例二相同。

表1为实施例一、实施例二、对比例一、对比例二和对比例三得到的自润滑复合材料的性能测试结果。

表1

由上表实施例一和实施例二的试验数据知，通过钛硅碳和六方氮化硼混合增强的铝基复合材料，具备了高强度和优异的自润滑性能，六方氮化硼和钛硅碳在低载和高载条件下发挥了协同润滑作用，证明了本发明中复合材料的设计和制备方法是具有先进性的。

由上表实施例一和对比例一的试验数据比较可知：当自润滑复合材料中不含六方氮化硼组元时发现，复合材料虽然具备了较高的强度，然而在低载的条件下摩擦系数高达0.5，可以合理推断的是，若不含有钛硅碳组元，则高载荷条件下的摩擦系数也一定较高。

由上表实施例一和对比例二的试验数据比较可知：双级球磨过程是保证复合材料具备高强度和自润滑特性的重要手段，未采用双级球磨工艺是，复合材料的强度和润滑性能均显著下降。

由上表实施例一和对比例三的试验数据对比可知：采用低温烧结，同时尽量减少烧结时间，可有效的控制高温条件下增强体和铝基体之间的反应，有效的保护润滑剂组元结构，保证复合材料的自润滑特性，同时还可以发现，当增强体和基体合金之间的反应程度增加时，复合材料的强度也明显受到影响。

综上，本发明利用低温烧结制备钛硅碳和六方氮化硼混合增强铝基复合材料，并通过控制球磨和烧结工艺参数，充分发挥了钛硅碳和六方氮化硼的协同润滑作用，实现了一种高强度、优异自润滑特性等综合性能优异铝基复合材料制备。

Claims (1)

1.一种自润滑铝基复合材料的制备方法，其特征在于自润滑铝基复合材料的制备方法是按以下步骤进行：

一、备料：按体积分数15％～35％钛硅碳、1％～10％六方氮化硼和55％～70％铝合金基体进行备料；所述钛硅碳和六方氮化硼的体积分数之和大于30％；所述钛硅碳为粉末状，其粒径为5～10μm；所述六方氮化硼为粉末状，其粒径为0.5～5μm；所述铝合金基体为粉末状，其粒径为0.5～10μm；

二、双级球磨混粉：将铝合金基体与钛硅碳置于球磨机中，转速设定为300～400r/min，球料比设定为(3～5):1，混粉时间为1～2h，完成一级球磨，到粉末A；将六方氮化硼加入至粉末A中，进行二级球磨，转速设定为50～100r/min，球料比设定为1:1，混粉时间为0.5～1h，完成后得到粉末B；

三、预制体制备：将粉末B装入钢模具中，放入石墨压头，压力控制为3～5MPa，保压时间为5～10min，制备成预制体；

四、低温烧结：将预制体放置于加热炉中保温加热，控制升温速率为3～5℃/min，从室温加热至520～550℃，保温30～90min，随后利用压力机将预制体压实，压力控制为40～60MPa，保压5～15min，得到复合材料；

五、脱模：当复合材料冷却至80℃以下时，将其从保温炉中取出，经脱模后即得到自润滑复合材料。