CN110626016B - 一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料与制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料及其制备方法，它是以FeNiAlNb基体、减摩剂、抗磨剂与增强剂为组分，通过多元板状晶体制备，各层材料组分设计与计算、振动混合、热压成型、多层结构复合和后续机加工工序后制备出一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料；在摩擦膜、承载过渡层和基体承载层通过对基体合金、减摩剂、抗磨剂与增强剂合理设计与优化配比，提高了材料利用率，降低了生产成本，还使得FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料在具有优异的热稳定性与机械学性能的同时，满足高低温、高载荷工况下摩擦磨损性能，这在显著提高销轴连接强度与承载力的前提下，也明显增强了销轴的使用精度与服役寿命。
Description
技术领域
本发明属于销轴、轴套与套筒等减摩耐磨材料技术研究领域，具体涉及一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料及其制备方法，属于极端服役环境下自润滑复合材料多层结构设计与制备技术领域。
背景技术
因现代高端机械装配技术的快速发展，大型悬挂物要求连接销轴具有大的承载能力、高的比强度与良好的热力学性能等，然而在高温、重载与高速等复合工况作用下易形成大的摩擦与高的磨损。大的摩擦促使高的摩擦阻力，产生大的摩擦热量，在加剧摩擦磨损的情况下还会导致大量能源消耗。高的磨损导致摩擦接触表面产生大的缺口与裂纹等，给安全生产带来了巨大的安全隐患。目前铰链连接主要用于静态开口销锁定以及在挂钩孔转动，相关报道已被写在专利申请人柳工常州机械有限公司，一种销轴装置，CN201811356426.5、专利申请人玉环市中亚石油机械有限公司，一种销轴装置，CN201821224277.2专利中。然而目前所用销轴滑动摩擦磨损性能差，而且轴孔配合面之间要求涂有润滑脂时，才能起到良好的润滑效果。在实际工作过程中工况突变以及振动冲击极易造成润滑脂膜产生破坏，加剧了摩擦表面点蚀、粘结等，尤其体现在摩擦磨损性能的急剧下降【张蔚峰 邱明 宋杰 悬挂发射装置振动仿真与挂钩销轴磨损实验研究 2019年3期】，这直接影响着销轴的使用安全性、可靠性、使用精度与服役寿命，从而无法满足我国高端机械装配发展要求，也限制了我国高端装配机械的国际竞争力。因此设计制备出一种高的机械力学性能、良好的热力学性能与优异的摩擦磨损性能的FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料，这对于推动与提高我国高端装备技术开发与研制具有重要的方法参考价值与潜在的工程应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术不能解决的销轴工程问题而提供的一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料及其制备方法，在满足销轴强度与连接刚度下，还具备优异的减摩抗磨性能，是目前解决连接销轴过度摩擦与严重磨损，推动我国高端装备技术开发与研制的良好方法与有效途径。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案，具体可以描述为以下几个步骤:
一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料及其制备方法在于它是以FeNiAlNb基体、减摩剂、抗磨剂与增强剂为组分，通过设计制备出各层厚度不同、增强性材料含量各异及组分不同的销轴多层复合结构自润滑材料，其制备过程可以描述为以下几个步骤:
一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料，它包括摩擦膜、承载过渡层和基体承载层三层结构，它是以FeNiAlNb合金、减摩剂(软金属、氟碳铈稀土、多层板状晶体)、抗磨剂(纳米WC、石墨烯、二硫化钨)与增强剂(硫酸镁晶须、钛酸钾晶须、陶瓷纤维) 为原料，通过逐层设计、分层配比、逐层制备与叠加成型工艺，制备出一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料。
步骤1)所述的一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料，其多层结构为三层复合结构，分别为摩擦膜、承载过渡层与基体承载层，各层结构厚度比为(5-8):(20-43):(52-72)。
步骤2)所述的一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料，其FeNiAlNb合金、减摩剂、抗磨剂、增强剂在多层复合结构材料中各层成分配比不同，摩擦膜主要包括7-12wt.%FeNiAlNb合金、25-40wt.%减摩剂、30-45wt.%抗磨剂、12-23wt.%增强剂；其中减摩剂包括35-55wt.%软金属SnPtPbAg、20-36wt.%氟碳铈稀土和15-30wt.%多层板状晶体MoBNbO，软金属SnPtPbAg中Sn、Pt、Pb与Ag元素质量比为(25-43):(20-34):(15-24):(10-18)；抗磨剂包括40-55wt.%WC纳米颗粒、23-42wt.%石墨烯和10-23wt.%二硫化钨；增强剂包括33-52wt.%硫酸镁晶须、28-46wt.%钛酸钾晶须和9-22wt.%陶瓷纤维；承载过渡层包括25-39wt.%FeNiAlNb合金、5-15wt.%减摩剂、10-18wt.%抗磨剂和30-47wt.%增强剂，其中减摩剂包括15-35wt.%软金属SnPtPbAg、22-34wt.%氟碳铈稀土和35-52wt.%多层板状晶体MoBNbO；其中软金属SnPtPbAg各元素质量比为（18-30）:（17-27）:（12-23）:（25-35）；抗磨剂主要包括38-53wt.%WC纳米颗粒、22-42wt.%石墨烯与12-25wt.%二硫化钨；增强剂包括34-53wt.%硫酸镁晶须、27-45wt.%钛酸钾晶须与10-21wt.%陶瓷纤维；基体承载层为纯的FeNiAlNb基合金，它是由Fe、Ni、Al、Nb、B、Yb、Zr与Y元素组成，各元素质量比为61.5:14.5:10.5:7:4:0.9:0.9:0.7。
步骤1)所述的一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料及制备方法，其多层板状晶体MoBNbO的制备工艺：称取平均粒径为35-45μm的钼酸铵、硼粉与铌粉，按摩尔比为5:(2-3):(1-2)将钼酸铵、硼粉与铌粉精细研磨与均匀混合后，将所得配料在真空气氛炉烧结内进行烧结，在烧结过程中缓慢通入90-115 ml/min的氧气，促进其氧化合成反应，其中烧结温度为450-530℃、保温时间10.5-12.5h，升温速率为2-5℃/min，获得一种多层板状晶体MoBNbO。
步骤1)所述的一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料及制备方法，经过包括多层板状晶体制备方法，各层材料设计、计算配比、振动混合、热压成型、多层结构复合和后续机加工工序，最终得到一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料。
步骤5)所述的一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料及制备方法，所述振动混合工序：将各层材料粉末置于气动式真空混料机进行混料处理，混料机外罐为石英罐，内罐为聚四氟乙烯罐；以氩气流为混合动力源，氩气体流量为120-125m3/h，罐体振动力为9230-11200N，振动频率为43-49Hz，振动时间为125-145min。
步骤5)所述的一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料及制备方法，所述的热压成型工序：将混合均匀各层粉末分别装入60T热压机进行金属复合粉末热压成型，施加压力为15-21MPa，压制温度为145-165℃，保温保压时间130-145 min，每隔20-25s放气5-7s，反复进行4-6次操作，以去除压制模具腔中的空气，分别获得摩擦膜、承载过渡层和基体承载层各层薄片结构。
步骤5)所述的一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料及制备方法，所述多层复合结构材料制备方法：首先对摩擦膜、承载过渡层与基体承载层压制薄片按顺序装入直径34-40mm石墨模具，在氩气保护下对各层材料热压烧结，烧结温度为967-1090oC、烧结压力为22-25MPa、保温时间为132-155min、升温速率为93-107oC/min。
步骤5)所述的一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料及制备方法，所述后续机加工工序：车削转速为785-953r/min，车削量为0.9-1.5%，从而获得厚度适中且截面直径为33-39mm复合金属薄片，磨削工序转速为340-465r/min；利用抛光机清理周边毛刺与飞边，利用静电喷涂工艺进行表面处理，设备转速为880-950r/min，温度为45-62℃，最终得到一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料摩擦实验样品。
步骤1)所述的一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料，它的摩擦系数值为0.27-0.34，磨损率值为2.53-3.42×10-6cm3·N-1·m-1。
上述方案中，步骤6）中所述振动混料过程是先将非金属复合纤维、增强纤维进行预混合，保证复合纤维的均匀分散后再加入其它配料，进行振荡均匀。其中热压成型压制复合金属薄片直径为33-39mm，厚度为1.1-1.5mm。
本发明所提供的一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料具有优异的摩擦学性能，摩擦系数适中，值为0.27-0.34且上下波动幅度小，磨损率低，值为2.53-3.42×10-6 cm3·N-1·m-1。
与现有技术相比，本发明的有益效果是:
本发明是以FeNiAlNb合金、抗磨剂、热传导剂、增强剂为组元，通过振动混料、热压成型、叠加成型等工艺制备出一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料，制备方法简单，制备工艺易于控制，效率高，工艺参数稳定、操作易于控制，制备过程结果稳定，原材料成本适中，不产生腐蚀与其他有害材料；
本发明所述的软金属SnPtPbAg与多层板状晶体等材料协同润滑大幅提高了FeNiAlNb基销轴的摩擦学性能，软金属SnPtPbAg与减摩剂等抗咬合性能突出，耐高温能力强，易与钢、铁等金属材料粘结形成承载能力大的摩擦接触界面，拥有较好的耐腐蚀、耐磨损等优异特性；多层板状晶体具有缓冲吸能功能，可有效改善摩擦过程中的冲击、振动等，减少了摩擦阻力等对摩擦表面损伤的影响；
在关于销轴制备研究中，本发明所述销轴多层梯度分布实现销轴层厚适中，原材料的良好利用。相比与材料均匀分布销轴，既能节省增强性材料相对用量，又能够保证其具有更加优异的摩擦学性能；同时多层复合结构材料不仅满足了销轴对结构强度的要求，而且也显著提高了其润滑效果。
本发明所述的一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料，它是以FeNiAlNb基体作为层间连接材料，使各层结构之间结合紧密、性能稳定，能有效克服各层结构在高强度压力与超高低温作用下产生开裂或破坏，也能显著降低疲劳松动、高温剥落等，在提高销轴使用精度也能有效延长销轴的服役寿命。
附图说明
图1为实施本发明制备工艺流程图。
图2是实施例1所制备的多层板状晶体MoBNbO粉末电镜图。
图3为本发明实施例1、2、3所制得的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料的摩擦系数曲线图。
图4为本发明实施例1、2、3所制得的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料的磨损率柱状图。
图5是在实施例2条件下制备的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料的承载过渡层与基体承载层结合状态电镜形貌图。
图6是在实施例2条件下制备的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料的摩擦磨损表面的电子探针图。
图7为本发明实施例3所制得的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料的摩擦磨损表面的场发射扫描电镜图。
图8为实施例3所制得的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料的摩擦磨损3D微观形貌彩图。
图9为实施例3所制得的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料的摩擦磨损3D微观形貌黑白图。
具体实施方式
为更好地对本发明开展研究与验证，需结合以下几个实施例阐明本发明的几个主要研究内容，但本发明不仅仅局限于下面的几个实施例。
下述实施例中的摩擦测试条件为:载荷为4-8N、速度为0.10-0.15m/s、时间为70min和摩擦半径为4.0-4.5mm。
实施例1
一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料是以FeNiAlNb材料为基体，减摩剂、抗磨剂、增强剂为组元，复合形成一种FeNiAlNb基销轴多层结构，结构分为摩擦膜、承载过渡层和基体承载层三层复合结构，各层厚度比为8:20:72。
如图1所示，一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料及其制备方法具体包括如下步骤:
1）多层板状晶体MoBNbO的制备：按摩尔比5:2:1称取平均粒径为35μm的钼酸铵、硼粉与铌粉，将钼酸铵、硼粉与铌粉精细研磨与均匀混合后；然后在将粉料置于真空气氛炉，在氩气作保护气体下烧结，烧结温度为450 oC、保温时间10.5h，升温速率为2℃/min，为快速得到多层板状晶体MoBNbO，在烧结过程中通入90 ml/min的氧气以增强反应、加快反应速率。图2是实施例1所制备的多层板状晶体MoBNbO粉末电镜图。
2）各层结构原料计算与配置:摩擦膜主要包括7wt.%FeNiAlNb合金、25wt.%减摩剂、45wt.%抗磨剂、23wt.%增强剂。其中减摩剂是由35wt.%软金属SnPtPbAg、35wt.%氟碳铈稀土、30wt.%多层板状晶体MoBNbO组成，软金属SnPtPbAg各元素质量比为25:20:15:10；抗磨剂是由40wt.%WC纳米颗粒、37wt.%石墨烯、23wt.%二硫化钨组成；增强剂主要含有35wt.%硫酸镁晶须、46wt.%钛酸钾晶须、19wt.%陶瓷纤维组成。承载过渡层组分与含量主要包括25wt.%FeNiAlNb合金、10wt.%减摩剂、18wt.%抗磨剂与47wt.%增强剂。其中减摩剂主要是由15wt.%软金属SnPtPbAg、33wt.%氟碳铈稀土、52wt.%多层板状晶体MoBNbO组成，软金属SnPtPbAg元素质量比为18:17:12:25。抗磨剂主要包括38wt.%WC纳米颗粒、37wt.%石墨烯、25wt.%二硫化钨。增强剂主要是由34wt.%硫酸镁晶须、45wt.%钛酸钾晶须、21wt.%陶瓷纤维组成。基体承载层为纯的FeNiAlNb基合金，它是由Fe、Ni、Al、Nb、B、Yb、Zr与Y元素组成，质量比为61.5:14.5:10.5:7:4:0.9:0.9:0.7；
3）将合金FeNiAlNb、氟碳铈稀土与多层板状晶体MoBNbO等减摩剂、WC纳米颗粒与石墨烯等抗磨剂、硫酸镁晶须与陶瓷纤维等增强剂进行成分匹配、计算配料，并对各层配料进行分类保存；
4）将步骤3）所得各层材料粉末置于气动式真空混料机进行混料处理，混料机外罐为石英罐，内罐为聚四氟乙烯罐，通入气体流量为120m3/h氩气作为动力，振动频率为43Hz，振动力为9320N，振荡时间为125min。将原料充分混合后，得到三种均匀分布粉料，并对其进行分类装样保存；
5）将步骤4）所得到的混合均匀各层粉末依次置于热压罐进行热压成型处理，各层施加压制压力为15MPa，压制温度为145 oC，保温保压时间130min，每隔20s放气5s，反复进行4次操作，分别得到各层压制复合金属薄片；
6）将步骤5）所得各层压制薄片依次装入34mm石墨模具中，利用热压烧结烧制各层复合金属薄片，烧结温度为967oC，烧结压力为22MPa，保温时间为132min，保护气体为氩气，升温速率为93oC/min；
7）步骤6）热压烧结所得到销轴复合金属薄片进行机加工，先是置于车床上进行车削，车削转速为785r/min，车削量为0.9%，从而获得厚度适中且截面直径为33mm的金属薄片，再进行圆盘磨削，磨削工序转速340r/min；最后利用抛光机清理周边毛刺与飞边，利用静电喷涂工艺进行表面处理，设备转速为880r/min，温度为45℃，最终得到一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料。
图3为本发明实施例1、2、3所制得的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料的摩擦系数曲线图。图4为本发明实施例1、2、3所制得的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料的磨损率柱状图。如图3和4所示，实施例1制备的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料摩擦系数适中，值为0.34，磨损率低，值为2.53×10-6mm3/Nm。这表明实施例1所制备的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料具有优异的减摩抗磨性能。
实施例2
一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料是以FeNiAlNb材料为基体，减摩剂、抗磨剂、增强剂为组元，逐层复合形成一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料，分为摩擦膜、承载过渡层和基体承载层三层结构，各层厚度比为7:33:60。
如图1所示，一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料及其制备方法具体包括如下几个步骤:
1）多层板状晶体MoBNbO制备：按摩尔比5:2:2称取平均粒径为40μm的钼酸铵、硼粉与铌粉，将钼酸铵、硼粉与铌粉精细研磨与均匀混合后；然后将粉料置于真空气氛炉，在氩气作为保护气体下进行烧结，烧结温度为490 oC、保温时间为11.5h，升温速率为3℃/min，然后得到多层板状晶体MoBNbO，在烧结过程中通入95ml/min氧气以增强反应、加快反应速率；
2）各层结构原料计算与配置：摩擦膜包括9 wt.%FeNiAlNb合金、33wt.%减摩剂、38wt.%抗磨剂、20wt.%增强剂。其中减摩剂是由45wt.%软金属SnPtPbAg、27wt.%氟碳铈稀土、28wt.%多层板状晶体MoBNbO组成，软金属中Sn、Pt、Pb与Ag元素质量比为34:27:20:14；抗磨剂是由47wt.%WC纳米颗粒、37wt.% 石墨烯、16wt.%二硫化钨组成；增强剂是主要含有42wt.%硫酸镁晶须、39wt.%钛酸钾晶须、19wt.%陶瓷纤维组成。承载过渡层主要包括FeNiAlNb合金、减摩剂、抗磨剂与增强剂，质量分数为32wt.%、10wt.%、14wt.%与44wt.%。其中减摩剂是由23wt.%软金属SnPtPbAg、28wt.%氟碳铈稀土、49wt.%多层板状晶体MoBNbO组成，软金属SnPtPbAg各元素质量比为24:22:18:30。抗磨剂主要包括45wt.%WC纳米颗粒、32wt.%石墨烯、23wt.%二硫化钨。增强剂主要是由44wt.%硫酸镁晶须、35wt.%钛酸钾晶须、21wt.%陶瓷纤维组成；基体承载层为纯的FeNiAlNb基合金，它由Fe、Ni、Al、Nb、B、Yb、Zr与Y组成，质量比为61.5:14.5:10.5:7:4:0.9:0.9:0.7；
3）将合金FeNiAlNb、氟碳铈稀土与多层板状晶体MoBNbO等减摩剂、WC纳米颗粒与石墨烯等抗磨剂、硫酸镁晶须与陶瓷纤维等增强剂进行成分匹配、计算配料，并对各层配料进行分类保存；
4）将步骤3）所得各层材料粉末置于气动式真空混料机进行混料处理，混料机外罐为石英罐，内罐为聚四氟乙烯罐，通入125m3/h氩气体作为动力源，振动频率为46Hz，振动力为1050N，振荡时间为123min。将原料充分混合后，得到三种均匀分布粉料，并对其进行分类装样保存；
5）将步骤4）所得到的混合均匀的各层的材料粉末依次置于热压罐进行热压成型处理，各层施加压制压力为18MPa，压制温度为155oC，保温、保压时间138min，每隔23s放气6s，反复进行5次操作，分别得到各层压制复合金属薄片；
6）将步骤5）所得各层复合金属压制薄片依次装入38mm石墨模具中，利用热压烧结处理，烧结温度为1030oC，烧结压力为24MPa，保温时间为141min，保护气体为氩气，升温速率为100oC/min；
7）步骤6）热压烧结所得到销轴复合金属薄片进行机加工，车削转速为860r/min，车削量为1.2%，从而获得厚度适中且截面直径为37mm的金属薄片，再进行圆盘磨削，磨削工序转速400r/min；利用抛光机清理周边毛刺与飞边，利用静电喷涂工艺进行表面处理，设备转速为910r/min，温度为54℃，最终得到一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料。图5是在实施例2条件下制备的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料的承载过渡层与基体承载层结合状态电镜形貌图。
图6是在实施例2条件下制备的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料的摩擦磨损表面的电子探针图。图3为本发明实施例1、2、3所制得的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料的摩擦系数曲线图。图4为本发明实施例1、2、3所制得的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料的磨损率柱状图。如图3和4所示，实施例1制备的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料摩擦系数适中，值为0.31，磨损率较低，值为3.12×10-6mm3/Nm。这表明实施例2所制备的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料具有优异的减摩抗磨性能。
实施例3
一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料，以FeNiAlNb材料为基体，减摩剂、抗磨剂、增强剂为组元，复合形成一种FeNiAlNb基销轴多层结构，结构分为摩擦膜、承载过渡层和基体承载层三层复合结构，各层厚度比为8:25:67。
如图1所示，上述一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料及其制备方法具体包括如下几个步骤:
1）多层板状晶体MoBNbO制备：按摩尔比5:3:2称取平均粒径为45μm的钼酸铵、硼粉与铌粉，将钼酸铵、硼粉与铌粉精细研磨与均匀混合后；然后将粉料置于真空气氛炉，在氩气保护下烧结温度为530 oC、保温时间12.5h，升温速率为5℃/min，为得到多层板状晶体MoBNbO，在烧结过程中通入115ml/min的氧气增强反应速率；
2）各层结构原料计算与配置：摩擦膜主要包括12wt.%FeNiAlNb基合金、40wt.%减摩剂、30wt.%抗磨剂、18wt.%增强剂。其中减摩剂是由55wt.%软金属SnPtPbAg、30wt.%氟碳铈稀土、15wt.%多层板状晶体MoBNbO组成，软金属SnPtPbAg各元素质量比为43:34:24:18；抗磨剂是由55wt.%WC纳米颗粒、30wt.%石墨烯、15wt.%二硫化钨组成；增强剂主要含有52wt.%硫酸镁晶须、29wt.%钛酸钾晶须、19wt.%陶瓷纤维组成。承载过渡层主要包括39wt.%FeNiAlNb合金、15wt.%减摩剂、16wt.%抗磨剂与30wt.%增强剂。其中减摩剂主要是由35wt.%软金属SnPtPbAg、30wt.%氟碳铈稀土、35wt.%多层板状晶体MoBNbO组成；软金属SnPtPbAg各元素质量比为30:27:23:35；抗磨剂包括53wt.%WC纳米颗粒、27wt.%石墨烯、20wt.%二硫化钨；增强剂是由53wt.%硫酸镁晶须、29wt.%钛酸钾晶须、18wt.%陶瓷纤维组成。基体承载层为纯的FeNiAlNb基合金，由Fe、Ni、Al、Nb、B、Yb、Zr与Y元素按质量比为61.5:14.5:10.5:7:4:0.9:0.9:0.7构成；
3）将合金FeNiAlNb、氟碳铈稀土与多层板状晶体MoBNbO等减摩剂、WC纳米颗粒与石墨烯等抗磨剂、硫酸镁晶须与陶瓷纤维等增强剂进行成分匹配、计算配料，并对各层配料进行分类保存；
4）将步骤3）所得各层粉末置于气动式真空混料机进行气动混合，混料机外罐为石英罐，内罐为聚四氟乙烯罐，通入气体流量为125m3/h氩气作为动力，振动频率为49Hz，振动力为11200N，振荡时间为145min。将原料充分混合后，得到三种均匀分布粉料，并对其进行分类装样保存；
5）将步骤4）所得的混合均匀各层粉末依次置于热压罐进行热压成型处理，各层施加压力为21MPa，压制温度为165oC，保温保压时间145min，每隔25s放气7s，反复进行6次操作，分别得到各层压制复合金属薄片；
6）将步骤5）所得各层复合金属压制薄片依次装入40mm石墨模具中，进行热压烧结处理，烧结温度为1090oC，烧结压力为25MPa，保温时间为155min，保护气体为氩气，升温速率为107oC/min；
7）步骤6）热压烧结所得到销轴复合金属薄片进行机加工，车削转速为953r/min，车削量为1.5%，从而获得厚度适中且截面直径为39mm的金属薄片，再进行圆盘磨削，磨削工序转速465r/min；利用抛光机清理周边毛刺与飞边，利用静电喷涂工艺进行表面处理，设备转速950r/min，温度62℃，最终得到一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料。
图7为本发明实施例3所制得的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料的摩擦磨损表面的场发射扫描电镜图。图8为实施例3所制得的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料的摩擦磨损3D微观形貌图。图3为本发明实施例1、2、3所制得的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料的摩擦系数曲线图。图4为本发明实施例1、2、3所制得的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料的磨损率柱状图。如图3和4所示，实施例3制备的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料摩擦系数适中，值为0.27-0.34且波动幅度小，磨损率小，值为2.53-3.42×10-6cm3·N-1·m-1。这表明实施例3所制备的一种多层结构FeNiAlNb基销轴材料具有优异的减摩抗磨性能。
以上所述仅是本发明的设定的实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出的简单改进和简易变换，导致销轴摩擦磨损性能性能的提高，这都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料，其特征在于：它包括摩擦膜、承载过渡层和基体承载层三层结构，它是以FeNiAlNb合金、减摩剂、抗磨剂与增强剂为原料，通过逐层设计、分层配比、逐层制备与叠加成型工艺，制备出一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料；
摩擦膜、承载过渡层与基体承载层的各层结构厚度比为(5-8):(20-43):(52-72)；
FeNiAlNb合金、减摩剂、抗磨剂、增强剂在多层复合结构材料中各层成分配比不同，摩擦膜主要包括7-12wt.%FeNiAlNb合金、25-40wt.%减摩剂、30-45wt.%抗磨剂、12-23wt.%增强剂；其中减摩剂包括35-55wt.%软金属SnPtPbAg、20-36wt.%氟碳铈稀土和15-30wt.%多层板状晶体MoBNbO，软金属SnPtPbAg中Sn、Pt、Pb与Ag元素质量比为(25-43):(20-34):(15-24):(10-18)；抗磨剂包括40-55wt.%WC纳米颗粒、23-42wt.%石墨烯和10-23wt.%二硫化钨；增强剂包括33-52wt.%硫酸镁晶须、28-46wt.%钛酸钾晶须和9-22wt.%陶瓷纤维；承载过渡层包括25-39wt.%FeNiAlNb合金、5-15wt.%减摩剂、10-18wt.%抗磨剂和30-47wt.%增强剂，其中减摩剂包括15-35wt.%软金属SnPtPbAg、22-34wt.%氟碳铈稀土和35-52wt.%多层板状晶体MoBNbO；其中软金属SnPtPbAg各元素质量比为（18-30）:（17-27）:（12-23）:（25-35）；抗磨剂主要包括38-53wt.%WC纳米颗粒、22-42wt.%石墨烯与12-25wt.%二硫化钨；增强剂包括34-53wt.%硫酸镁晶须、27-45wt.%钛酸钾晶须与10-21wt.%陶瓷纤维；基体承载层为纯的FeNiAlNb基合金，它是由Fe、Ni、Al、Nb、B、Yb、Zr与Y元素组成，各元素质量比为61.5:14.5:10.5:7:4:0.9:0.9:0.7。
2.根据权利要求1所述的一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料，其特征在于：它的摩擦系数值为0.27-0.34，磨损率值为2.53-3.42×10-6cm3·N-1·m-1。
3.一种根据权利要求1所述的FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料的制备方法，其特征在于：经过包括多层板状晶体制备方法，各层材料设计、计算配比、振动混合、热压成型、多层结构复合和后续机加工工序，最终得到一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料。
4.根据权利要求3所述的一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料的制备方法，其特征在于：所述振动混合工序：将各层材料粉末置于气动式真空混料机进行混料处理，混料机外罐为石英罐，内罐为聚四氟乙烯罐；以氩气流为混合动力源，氩气体流量为120-125m3/h，罐体振动力为9230-11200N，振动频率为43-49Hz，振动时间为125-145min。
5.根据权利要求4所述的一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料的制备方法，其特征在于：所述的热压成型工序：将混合均匀各层粉末分别装入60T热压机进行金属复合粉末热压成型，施加压力为15-21MPa，压制温度为145-165℃，保温保压时间130-145 min，每隔20-25s放气5-7s，反复进行4-6次操作，以去除压制模具腔中的空气，分别获得摩擦膜、承载过渡层和基体承载层各层薄片结构。
6.根据权利要求5所述的一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料的制备方法，其特征在于：所述多层复合结构材料制备方法：首先对摩擦膜、承载过渡层与基体承载层压制薄片按顺序装入直径34-40mm石墨模具，在氩气保护下对各层材料热压烧结，烧结温度为967-1090oC、烧结压力为22-25MPa、保温时间为132-155min、升温速率为93-107oC/min。
7.根据权利要求6所述的一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料的制备方法，其特征在于：所述后续机加工工序：车削转速为785-953r/min，车削量为0.9-1.5%，从而获得厚度适中且截面直径为33-39mm复合金属薄片，磨削工序转速为340-465r/min；利用抛光机清理周边毛刺与飞边，利用静电喷涂工艺进行表面处理，设备转速为880-950r/min，温度为45-62℃，最终得到一种FeNiAlNb基销轴多层复合结构材料摩擦实验样品。
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