CN110919005A - 一种多层复合结构的销轴材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多层复合结构的销轴材料及其制备方法，所述多层复合结构的销轴材料包括呈层叠设置的顶层、中层和底层，其中，所述顶层包括FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂；所述中层包括FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂；所述底层包括FeMoCoNb基合金。本发明提供的多层复合结构的销轴材料具有良好的自润滑行为，且在满足销轴连接机械结构强度的情况下，相比传统销轴，通过抗磨剂的添加，能使销轴基体的表面形成一层减摩耐磨层，显著增强了销轴高强韧、耐腐蚀、低磨损与小摩擦等性能，销轴摩擦系数在高温服役情况下低而稳定且磨损率低，极大地提高了销轴的服役寿命，且具有良好的力学性能。

Description

一种多层复合结构的销轴材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及机械工程技术领域，特别涉及机械结构零件技术领域，具体涉及一种多层复合结构的销轴材料及其制备方法。

背景技术

在现代工业中销轴作为标准零件具有广泛的应用范围，但重工业机器如挖矿设备在恶劣的作业环境下，要求销轴具有良好的刚度能承受较大载荷和优异的耐疲劳磨损性能，来保证销轴自身的使用寿命。由于零件与销轴间的相互运动，销轴标准件自身润滑性能较小，使销轴过度摩擦损耗，直接影响到销轴可靠性及其服役寿命。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种多层复合结构的销轴材料及其制备方法，旨在降低销轴的摩擦系数，减小销轴的磨损率。

为实现上述目的，本发明提出一种多层复合结构的销轴材料，包括呈层叠设置的顶层、中层和底层，其中，

所述顶层包括FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂；

所述中层包括FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂；

所述底层包括FeMoCoNb基合金。

可选地，所述FeMoCoNb基合金包括元素Fe、Mo、Co、Nb、B、Yb、Zr和Y，所述元素Fe、Mo、Co、Nb、B、Yb、Zr和Y的质量比为61.5:14.5:10.5:7:4:0.9:0.9:0.7；和/或，

所述顶层、中层和底层的厚度对应占所述多层复合结构的销轴材料总厚度的5～14％、20～43％和45～67％。

可选地，在所述顶层中：所述FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂的质量分数对应为7～12％、25～40％、30～45％和12～23％；和/或，

在所述中层中：所述FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂的质量分数对应为25～39％、5～15％、10～18％和30～47％。

可选地，所述减摩剂包括软金属、氟碳铈稀土和板晶MoBNbO；和/或，所述抗磨剂包括WC纳米颗粒、石墨烯和二硫化钨；和/或，

所述增强剂包括硫酸镁晶须、钛酸钾晶须和陶瓷纤维。

可选地，在所述顶层中：所述减摩剂中的软金属、氟碳铈稀土和板晶MoBNbO的质量分数对应为35～55％、20～34％和15～36％，所述抗磨剂中的WC纳米颗粒、石墨烯和二硫化钨的质量分数对应为40～55％、23～42％和10～23％，所述增强剂中的硫酸镁晶须、钛酸钾晶须和陶瓷纤维的质量分数对应为33～52％、28～46％和9～24％；和/或，

在所述中层中：所述减摩剂中的软金属、氟碳铈稀土和板晶MoBNbO的质量分数对应为15～35％、22～34％和35～52％，所述抗磨剂中的WC纳米颗粒、石墨烯和二硫化钨的质量分数对应为38～53％、22～42％和12～25％，所述增强剂中的硫酸镁晶须、钛酸钾晶须和陶瓷纤维的质量分数对应为34～53％、27～45％和10～21％。

可选地，在所述顶层中：所述软金属包括元素Sn、Pt、Pb和Ag，且所述元素Sn、Pt、Pb和Ag的质量比为(25～43)：(20～34)：(15～24)：(10～18)；和/或，

在所述中层中：所述软金属包括元素Sn、Pt、Pb和Ag，且所述元素Sn、Pt、Pb和Ag的质量比为(18～30)：(17～27)：(12～23)：(25～35)。

本发明还提出一种多层复合结构的销轴材料的制备方法，包括以下步骤：

对应准备FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂的各原材料；

分别将用以制备顶层、中层和底层的原材料振动混合，然后分别装入模具中热压成型，对应制得顶层材料薄片、中层材料薄片和底层材料薄片；

将所述顶层材料薄片、中层材料薄片和底层材料薄片叠加烧结，制得多层复合结构的销轴材料。

可选地，分别将用以制备顶层、中层和底层的原材料振动混合，然后分别装入模具中热压成型，对应制得顶层材料薄片、中层材料薄片和底层材料薄片的步骤中：

所述振动混合的过程中，振动频率为43～49Hz，振动力为9230～11200N，振动时间为125～145min；和/或，

在模具中热压成型的过程中，热压成型施加压力为15～21MPa，热压温度为145～165℃，保温保压时间为130～145min，每隔20～25s放气5～7s，反复进行4～6次热压操作。

可选地，将所述顶层材料薄片、中层材料薄片和底层材料薄片叠加烧结，制得多层复合结构的销轴材料的步骤中：

所述叠加烧结过程中，烧结温度为967～1090℃，烧结压力为22～25MPa，保温时间为132～155min，保护气体为氩气，升温速率为93～107℃/min。

可选地，对应准备FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂的各原材料的步骤之前，还包括：

将钼酸铵、硼粉和铌粉分别研磨后混合，制成平均粒径为35～45μm的粉末颗粒，然后进行高温烧结，制得板晶MoBNbO；其中，所述高温烧结过程中，烧结温度为450～530℃，保温时间为10.5～12.5h，保护气体为氩气，在烧结过程中通入氧气量90～115mL/min。

本发明提供的技术方案中，多层复合结构的销轴材料由顶层、中层和底层复合而成，其中，顶层和中层由FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂制成，底层为纯FeMoCoNb基合金，由此制得的多层复合结构的销轴材料具有良好的自润滑行为，且在满足销轴连接机械结构强度的情况下，相比传统销轴，通过抗磨剂的添加，能使销轴基体的表面形成一层减摩耐磨层，显著增强了销轴高强韧、耐腐蚀、低磨损与小摩擦等性能，销轴摩擦系数在高温服役情况下低而稳定且磨损率低，这极大地提高了销轴的服役寿命，且具有良好的力学性能，能有效解决矿用机械设备在工作过程中过度摩擦与严重磨损的问题，这对于提高销轴在重载荷、高温度与大速度等服役条件下摩擦磨损性能具有重要的工程意义与科学价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅为本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提供的多层复合结构的销轴材料的制备方法的一实施例的流程示意图；

图2为图1所示实施例中制得的多层板状晶体MoBNbO粉末的扫描电镜图；

图3为图1所示实施例制得的多层复合结构的销轴材料的中层与底层结合状态的电镜形貌图；

图4为图1所示实施例制得的多层复合结构的销轴材料的摩擦磨损表面的电子探针形貌图；

图5为图1所示实施例制得的多层复合结构的销轴材料的摩擦磨损表面的场发射扫描电镜形貌图；

图6为图1所示实施例制得的多层复合结构的销轴材料的摩擦磨损表面的3D微观形貌图；

图7为实施例1至3制得的多层复合结构的销轴材料的摩擦系数曲线图；

图8为实施例1至3制得的多层复合结构的销轴材料的摩擦率柱状图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。此外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。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。

在现代工业中销轴作为标准零件具有广泛的应用范围，但重工业机器如挖矿设备在恶劣的作业环境下，要求销轴具有良好的刚度能承受较大载荷和优异的耐疲劳磨损性能，来保证销轴自身的使用寿命。由于零件与销轴间的相互运动，销轴标准件自身润滑性能较小，使销轴过度摩擦损耗，直接影响到销轴可靠性及其服役寿命。因此，设计一种自润滑行为良好的销轴，即可有效解决上述问题。

进一步地，考虑到销轴可以被用于两零件间的相对运动所产生的摩擦磨损损耗，本发明设计出一种FeMoCoNb基销轴多层复合结构，在满足销轴连接机械结构强度的情况下，通过添加抗磨剂，降低了销轴的摩擦系数，改善了销轴的摩擦性能。在本发明提供的多层复合结构的销轴材料的一实施例中，所述多层复合结构的销轴材料包括呈层叠设置的顶层、中层和底层，其中，所述顶层包括FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂；所述中层包括FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂；所述底层包括FeMoCoNb基合金。

本发明提供的技术方案中，多层复合结构的销轴材料由顶层、中层和底层复合而成，其中，顶层和中层由FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂制成，底层为纯FeMoCoNb基合金，由此制得的多层复合结构的销轴材料具有良好的自润滑行为，且在满足销轴连接机械结构强度的情况下，相比传统销轴，通过抗磨剂的添加，能使销轴基体的表面形成一层减摩耐磨层，显著增强了销轴高强韧、耐腐蚀、低磨损与小摩擦等性能，销轴摩擦系数在高温服役情况下低而稳定且磨损率低，这极大地提高了销轴的服役寿命，且具有良好的力学性能，能有效解决矿用机械设备在工作过程中过度摩擦与严重磨损的问题，这对于提高销轴在重载荷、高温度与大速度等服役条件下摩擦磨损性能具有重要的工程意义与科学价值。

所述FeMoCoNb基合金用作所述多层复合结构的销轴材料的主要基材，包括元素Fe、Mo、Co、Nb、B、Yb、Zr和Y，所述元素Fe、Mo、Co、Nb、B、Yb、Zr和Y的质量比为61.5:14.5:10.5:7:4:0.9:0.9:0.7。

在所述多层复合结构的销轴材料中，所述顶层主要起减摩抗磨的作用，所述中层用以辅助减摩抗磨，以及与所述底层起到充当销轴基体的作用，因此，所述顶层、中层和底层的结构厚度需要满足一定比例，具体地，在本实施例中，所述顶层、中层和底层的厚度对应占所述多层复合结构的销轴材料总厚度的5～14％、20～43％和45～67％，由此厚度比例得到的多层复合结构的销轴材料，具有较佳的抗磨减摩性能和较高的机械强度。

在所述多层复合结构的销轴材料中，所述顶层、中层中的各组成成分的添加量并不相同，其中，在所述顶层中：所述FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂的质量分数对应为7～12％、25～40％、30～45％和12～23％；和/或，在所述中层中：所述FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂的质量分数对应为25～39％、5～15％、10～18％和30～47％。上述顶层和中层各组成成分的添加量限定可以择一限定，也可以同时限定，在本实施例中更优选为同时限定，通过使所述FeMoCoNb基合金在所述顶层、中层和底层中添加量的不同，使得对应制得的多层复合结构的销轴材料各层结构结合性能优异，结构紧密，组织结构致密，有利于解决多层复合结构各层间高温剥落和分离的问题。

在所述顶层和中层中，均添加有FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂，其中，所述FeMoCoNb基合金用作基材，所述减摩剂的作用是提高销轴的减摩性能，所述抗磨剂的作用是提高销轴的抗磨性能，所述增强剂的作用是提高销轴的机械强度。具体地，所述减摩剂、抗磨剂和增强剂的原材料选择如下：所述减摩剂包括软金属、氟碳铈稀土和板晶MoBNbO；和/或，所述抗磨剂包括WC纳米颗粒(碳化钨纳米颗粒)、石墨烯和二硫化钨；和/或，所述增强剂包括硫酸镁晶须、钛酸钾晶须和陶瓷纤维。上述减摩剂、抗磨剂和增强剂的原材料组成可以择一限定，也可以同时限定，在本实施例中更优选为同时限定，以软金属、氟碳铈稀土和板晶MoBNbO制成所述减摩剂，以WC纳米颗粒、石墨烯和二硫化钨制成所述抗磨剂，以硫酸镁晶须、钛酸钾晶须和陶瓷纤维制成所述增强剂，利用分层结构设计各层材料所需配比，顶层材料使销轴基体的表面形成摩擦层，从而降低销轴的摩擦系数。

进一步地，所述板晶MoBNbO为多层板状晶体MoBNbO，由钼酸铵、硼粉和铌粉混合后经过高温烧结制得，其中，钼酸铵、硼粉和铌粉的摩尔比为5：(2～3)：(1～2)。

在所述顶层和中层中，所述减摩剂、抗磨剂和增强剂中的原材料组成比例也各不相同，其中，在所述顶层中：所述减摩剂中的软金属、氟碳铈稀土和板晶MoBNbO的质量分数对应为35～55％、20～34％和15～36％，所述抗磨剂中的WC纳米颗粒、石墨烯和二硫化钨的质量分数对应为40～55％、23～42％和10～23％，所述增强剂中的硫酸镁晶须、钛酸钾晶须和陶瓷纤维的质量分数对应为33～52％、28～46％和9～24％；和/或，在所述中层中：所述减摩剂中的软金属、氟碳铈稀土和板晶MoBNbO的质量分数对应为15～35％、22～34％和35～52％，所述抗磨剂中的WC纳米颗粒、石墨烯和二硫化钨的质量分数对应为38～53％、22～42％和12～25％，所述增强剂中的硫酸镁晶须、钛酸钾晶须和陶瓷纤维的质量分数对应为34～53％、27～45％和10～21％。上述顶层和中层各组成成分的添加量限定可以择一限定，也可以同时限定，在本实施例中更优选为同时限定，通过调节所述减摩剂、抗磨剂和增强剂在用在所述顶层和中层时，组成原料比例的不同，使制得的销轴材料具有最佳的减摩抗磨性能及机械强度。

更进一步地，所述减摩剂中的软金属包括元素Sn、Pt、Pb和Ag，而所述减摩剂中的元素组成比例，在所述顶层和中层中有所不同，其中，在所述顶层中，所述元素Sn、Pt、Pb和Ag的质量比为(25～43)：(20～34)：(15～24)：(10～18)；和/或，在所述中层中，所述元素Sn、Pt、Pb和Ag的质量比为(18～30)：(17～27)：(12～23)：(25～35)。通过调节所述软金属的组成元素比例在所述顶层和中层中不同，有助于进一步提高所述顶层的减摩性能。由本发明实施例提供的多层复合结构的销轴材料制成的销轴，具有优异的减摩抗磨性能和机械强度，其摩擦系数达0.26～0.40，磨损率低至(2.21～3.31)×10^-6cm³·N^-1·m^-1。

上述实施例提供的多层复合结构的销轴材料在制备时，先对应称取各层对应的原材料，经过原材料混合、各层结构预成型、叠加烧结等工艺流程，即可对应制得各层厚度及材料组分不同的多层复合结构的销轴材料。图1所示为本发明提供的多层复合结构的销轴材料的制备方法的一实施例，请参阅图1，在本实施例中，所述多层复合结构的销轴材料的制备方法包括以下步骤：

步骤S10、对应准备FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂的各原材料；

按照61.5:14.5:10.5:7:4:0.9:0.9:0.7的质量比，对应称取Fe、Mo、Co、Nb、B、Yb、Zr和Y元素粉末，作为顶层材料、中层材料和底层材料中所含有的FeMoCoNb基合金的原材料；按比例称取Sn、Pt、Pb和Ag元素粉末，作为所述软金属的原材料；按比例称取软金属、氟碳铈稀土和板晶MoBNbO，作为顶层材料和中层材料中所含有的减摩剂的原材料；按比例称取WC纳米颗粒、石墨烯和二硫化钨，作为顶层材料和中层材料中所含有的抗磨剂的原材料；按比例称取硫酸镁晶须、钛酸钾晶须和陶瓷纤维，作为顶层材料和中层材料中所含有的增强剂的原材料。其中，用于对应制作顶层材料和中层材料的减摩剂、抗磨剂和增强剂中的各原材料配比均与上述多层复合结构的销轴材料的实施例中的比例保持一致。

进一步地，在步骤S10中，大部分原材料为现成可直接称取、无需预先制备的原材料，但在本实施例中，所述板晶MoBNbO为多层板状晶体MoBNbO，需要预先制备，制备方法为：将钼酸铵、硼粉和铌粉分别研磨后混合，制成平均粒径为35～45μm的粉末颗粒，然后进行高温烧结，制得板晶MoBNbO；其中，所述高温烧结过程中，烧结温度为450～530℃，保温时间为10.5～12.5h，保护气体为氩气，在烧结过程中通入氧气增强反应，氧气通入量为90～115mL/min；和/或，所述钼酸铵、硼粉和铌粉的摩尔比为5：(2～3)：(1～2)。由此方法制得的多层板状晶体MoBNbO粉末的扫描电镜图如图2所示，证明其为多层板状结构晶体。

步骤S20、分别将用以制备顶层、中层和底层的原材料振动混合，然后分别装入模具中热压成型，对应制得顶层材料薄片、中层材料薄片和底层材料薄片；

在对应准备好所需原材料后，按照各原材料在顶层材料、中层材料以及底层材料中的配比，对应配制成顶层原材料、中层原材料和底层原材料，然后分别利用振动混料机进行均匀混合，其中，振动频率为43～49Hz，振动力为9230～11200N，振动时间为125～145min。

将混合好的顶层原材料、中层原材料和底层原材料分别装入石墨模具汇总进行高温热压成型，对应制得顶层材料薄片、中层材料薄片和底层材料薄片，其中，热压成型施加压力为15～21MPa，热压温度为145～165℃，保温保压时间为130～145min，每隔20～25s放气5～7s，反复进行4～6次热压操作。

在对应制得各复合层的金属薄片后，对金属薄片进行加工处理，具体方法为：利用车削对各金属薄片进行加工处理，车削转速为785～953r/min，车削厚度为金属薄片层厚的0.9～1.5％，磨削工序转速340～465r/min；再利用抛光机清理周边毛刺、飞边；然后进行静电喷涂，喷涂设备转速为880～950r/min，喷涂温度45～62℃，得到处理的后各金属薄片。

步骤S30、将所述顶层材料薄片、中层材料薄片和底层材料薄片叠加烧结，制得多层复合结构的销轴材料。

将所述顶层材料薄片、中层材料薄片和底层材料薄片按照底层、中层和顶层的顺序依次装入模具，利用真空气氛炉烧结，烧结温度为967～1090℃，烧结压力为22～25MPa，保温时间为132～155min，保护气体为氩气，升温速率为93～107℃/min，烧结完毕即制得所述多层复合结构的销轴材料。

通过本发明实施例提供的方法制备得到的多层复合结构的销轴材料，具有优异的减摩抗磨性能和机械强度，其摩擦系数达0.26～0.40，磨损率低至(2.21～3.31)×10^{- 6}cm³·N^-1·m^-1。

由本发明实施例提供的方法制得的多层复合结构的销轴材料，其中的中层与底层结合状态的电镜形貌图如图3所示，多层复合结构的销轴材料的摩擦磨损表面的电子探针形貌图如图4所示，多层复合结构的销轴材料的摩擦磨损表面的场发射扫描电镜形貌图如图5所示，多层复合结构的销轴材料的摩擦磨损表面的3D微观形貌图如图6所示。从图3所示可知，多层复合结构之间的结合较为紧密；从图4所示可知，销轴材料表面形成一层均匀分布的固体润滑膜，能在摩擦磨损中起到良好的润滑作用；进一步从图5所示可知，销轴材料表面形成的固体润滑膜呈层状结构，而图6所示则表明，在销轴材料的摩擦磨损过程中，销轴材料的表面形成有一层广泛的摩擦接触界面。综合上述表明，通过本发明制得的多层复合结构的销轴材料表面形成一层减摩耐磨层，显著增强了销轴高强韧、耐腐蚀、低磨损与小摩擦等性能。

以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

(1)多层复合结构的销轴材料组成：

FeMoCoNb基合金：按照61.5:14.5:10.5:7:4:0.9:0.9:0.7的质量比，对应称取Fe、Mo、Co、Nb、B、Yb、Zr和Y元素粉末；

顶层减摩剂：38wt％软金属(Sn、Pt、Pb、Ag质量比为25:20:15:10)、34wt％氟碳铈稀土和28wt％板晶MoBNbO(钼酸铵、硼粉和铌粉的摩尔比为5:2:1)；

顶层抗磨剂：40wt％WC纳米颗粒、40wt％石墨烯和20％二硫化钨；

顶层增强剂：35wt％硫酸镁晶须、46wt％钛酸钾晶须和19％陶瓷纤维；

中层减摩剂：15wt％软金属(Sn、Pt、Pb、Ag质量比为18:17:12:25)、33wt％氟碳铈稀土和52wt％板晶MoBNbO(钼酸铵、硼粉和铌粉的摩尔比为5:2:1)；

中层抗磨剂：38wt％WC纳米颗粒、37wt％石墨烯和25％二硫化钨；

中层增强剂：34wt％硫酸镁晶须、45wt％钛酸钾晶须和21％陶瓷纤维；

顶层原材料：7wt％FeMoCoNb基合金、25wt％顶层减摩剂、45wt％顶层抗磨剂和23wt％顶层增强剂；

中层原材料：28wt％FeMoCoNb基合金、15wt％中层减摩剂、10wt％中层抗磨剂和47wt％中层增强剂；

底层原材料：100wt％FeMoCoNb基合金；

底层、中层、底层的厚度分别占多层复合结构的销轴材料总厚度的5％、40％和55％。

(2)按5:2:1的摩尔比称取钼酸铵、硼粉和铌粉，分别研磨后混合，制成平均粒径为35μm的粉末颗粒，采用真空气氛炉烧结，烧结温度为450℃，保温时间为10.5h，保护气体为氩气，在烧结过程中通入氧气量90mL/min，制得多层板状晶体MoBNbO，备用。

(3)按步骤(1)中的比例，将顶层原材料、中层原材料和底层原材料分别利用振动混料机进行均匀混合，振动频率为43Hz，振动力为9230N，振动时间为125min；然后将混合好的原料装入相应的模具中压实，采用干法热压成型工艺制备，施加压力为15MPa，压制温度为145℃，保温保压时间为130min，每隔20s放气5s，反复进行4次热压操作，得到预成型样品；然后对预成型样品进行表面处理，车削转速为850r/min，车削厚度为金属薄片层厚的0.9％，磨削工序转速340r/min；再利用抛光机清理周边毛刺、飞边；然后进行静电喷涂，喷涂设备转速为880r/min，喷涂温度45℃，对应得到各层的预成型金属薄片。

(4)将各层的预成型金属薄片按照底层、中层、顶层的顺序依次装入模具中，利用真空气氛炉烧结，烧结温度为967℃，烧结压力为22MPa，保温时间为132min，保护气体为氩气，升温速率为93℃/min，烧结完毕即制得所述多层复合结构的销轴材料。

实施例2

(1)多层复合结构的销轴材料组成：

FeMoCoNb基合金：按照61.5:14.5:10.5:7:4:0.9:0.9:0.7的质量比，对应称取Fe、Mo、Co、Nb、B、Yb、Zr和Y元素粉末；

顶层减摩剂：45wt％软金属(Sn、Pt、Pb、Ag质量比为32:25:18:14)、30wt％氟碳铈稀土和25wt％板晶MoBNbO(钼酸铵、硼粉和铌粉的摩尔比为5:3:1)；

顶层抗磨剂：48wt％WC纳米颗粒、37wt％石墨烯和15％二硫化钨；

顶层增强剂：45wt％硫酸镁晶须、38wt％钛酸钾晶须和17％陶瓷纤维；

中层减摩剂：27wt％软金属(Sn、Pt、Pb、Ag质量比为23:22:18:30)、28％氟碳铈稀土和45wt％板晶MoBNbO(钼酸铵、硼粉和铌粉的摩尔比为5:3:1)；

中层抗磨剂：45wt％WC纳米颗粒、32wt％石墨烯和23％二硫化钨；

中层增强剂：44wt％硫酸镁晶须、37wt％钛酸钾晶须和19％陶瓷纤维；

顶层原材料：12wt％FeMoCoNb基合金、40wt％顶层减摩剂、30wt％顶层抗磨剂和18wt％顶层增强剂；

中层原材料：35wt％FeMoCoNb基合金、12wt％中层减摩剂、18wt％中层抗磨剂和35wt％中层增强剂；

底层原材料：100wt％FeMoCoNb基合金；

底层、中层、底层的厚度分别占多层复合结构的销轴材料总厚度的6％、32％和62％。

(2)按5:3:1的摩尔比称取钼酸铵、硼粉和铌粉，分别研磨后混合，制成平均粒径为40μm的粉末颗粒，采用真空气氛炉烧结，烧结温度为500℃，保温时间为12h，保护气体为氩气，在烧结过程中通入氧气量100mL/min，制得多层板状晶体MoBNbO，备用。

(3)按步骤(1)中的比例，将顶层原材料、中层原材料和底层原材料分别利用振动混料机进行均匀混合，振动频率为45Hz，振动力为10000N，振动时间为130min；然后将混合好的原料装入相应的模具中压实，采用干法热压成型工艺制备，施加压力为20MPa，压制温度为150℃，保温保压时间为130min，每隔20s放气5s，反复进行5次热压操作，得到预成型样品；然后对预成型样品进行表面处理，车削转速为900r/min，车削厚度为金属薄片层厚的1％，磨削工序转速400r/min；再利用抛光机清理周边毛刺、飞边；然后进行静电喷涂，喷涂设备转速为900r/min，喷涂温度50℃，对应得到各层的预成型金属薄片。

(4)将各层的预成型金属薄片按照底层、中层、顶层的顺序依次装入模具中，利用真空气氛炉烧结，烧结温度为1000℃，烧结压力为24MPa，保温时间为145min，保护气体为氩气，升温速率为100℃/min，烧结完毕即制得所述多层复合结构的销轴材料。

实施例3

(1)多层复合结构的销轴材料组成：

FeMoCoNb基合金：按照61.5:14.5:10.5:7:4:0.9:0.9:0.7的质量比，对应称取Fe、Mo、Co、Nb、B、Yb、Zr和Y元素粉末；

顶层减摩剂：55wt％软金属(Sn、Pt、Pb、Ag质量比为43:34:24:18)、30wt％氟碳铈稀土和15wt％板晶MoBNbO(钼酸铵、硼粉和铌粉的摩尔比为5:3:2)；

顶层抗磨剂：55wt％WC纳米颗粒、23wt％石墨烯和22％二硫化钨；

顶层增强剂：52wt％硫酸镁晶须、29wt％钛酸钾晶须和19％陶瓷纤维；

中层减摩剂：35wt％软金属(Sn、Pt、Pb、Ag质量比为30:27:23:35)、25wt％氟碳铈稀土和40wt％板晶MoBNbO(钼酸铵、硼粉和铌粉的摩尔比为5:2:1)；

中层抗磨剂：53wt％WC纳米颗粒、35wt％石墨烯和12％二硫化钨；

中层增强剂：53wt％硫酸镁晶须、28wt％钛酸钾晶须和19％陶瓷纤维；

顶层原材料：12wt％FeMoCoNb基合金、28wt％顶层减摩剂、45wt％顶层抗磨剂和15wt％顶层增强剂；

中层原材料：39wt％FeMoCoNb基合金、15wt％中层减摩剂、15wt％中层抗磨剂和31wt％中层增强剂；

底层原材料：100wt％FeMoCoNb基合金；

底层、中层、底层的厚度分别占多层复合结构的销轴材料总厚度的8％、36％和56％。

(2)按5:3:2的摩尔比称取钼酸铵、硼粉和铌粉，分别研磨后混合，制成平均粒径为45μm的粉末颗粒，采用真空气氛炉烧结，烧结温度为530℃，保温时间为12.5h，保护气体为氩气，在烧结过程中通入氧气量115mL/min，制得多层板状晶体MoBNbO，备用。

(3)按步骤(1)中的比例，将顶层原材料、中层原材料和底层原材料分别利用振动混料机进行均匀混合，振动频率为49Hz，振动力为11200N，振动时间为145min；然后将混合好的原料装入相应的模具中压实，采用干法热压成型工艺制备，施加压力为21MPa，压制温度为165℃，保温保压时间为145min，每隔25s放气7s，反复进行6次热压操作，得到预成型样品；然后对预成型样品进行表面处理，车削转速为953r/min，车削厚度为金属薄片层厚的1.5％，磨削工序转速465r/min；再利用抛光机清理周边毛刺、飞边；然后进行静电喷涂，喷涂设备转速为950r/min，喷涂温度62℃，对应得到各层的预成型金属薄片。

(4)将各层的预成型金属薄片按照底层、中层、顶层的顺序依次装入模具中，利用真空气氛炉烧结，烧结温度为1090℃，烧结压力为25MPa，保温时间为155min，保护气体为氩气，升温速率为107℃/min，烧结完毕即制得所述多层复合结构的销轴材料。

对上述各实施例制得的多层复合结构的销轴材料进行相关性能测试，测试方法和结果如下：

采用HVS-1000型数显维氏硬度计按照GB/T4340.1-2009测定硬度，并测试材料的相对密度，测试结果如表1所示。

表1各实施例制得的多层复合结构的销轴材料的硬度和相对密度测试结果

	实施例1	实施例2	实施例3
				硬度	5.32GPa	5.43GPa	5.47GPa
相对密度	98.6％	98.5％	98.7％
				摩擦系数	0.26	0.34	0.40
磨损率	2.21×10<sup>-6</sup>mm<sup>3</sup>/Nm	2.95×10<sup>-6</sup>mm<sup>3</sup>/Nm	3.31×10<sup>-6</sup>mm<sup>3</sup>/Nm

各实施例制得的多层复合结构的销轴材料的摩擦系数曲线图如图7和表1所示，磨损率柱状图如图8和表1所示。结合表1及图7和图8的结果可知，本发明实施例1至3制备的多层复合结构的销轴材料具有优异的减摩抗磨性能，同时也具备足够的机械强度。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种多层复合结构的销轴材料，其特征在于，包括呈层叠设置的顶层、中层和底层，其中，

所述顶层包括FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂；

所述中层包括FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂；

所述底层包括FeMoCoNb基合金。

2.如权利要求1所述的多层复合结构的销轴材料，其特征在于，所述FeMoCoNb基合金包括元素Fe、Mo、Co、Nb、B、Yb、Zr和Y，所述元素Fe、Mo、Co、Nb、B、Yb、Zr和Y的质量比为61.5:14.5:10.5:7:4:0.9:0.9:0.7；和/或，

所述顶层、中层和底层的厚度对应占所述多层复合结构的销轴材料总厚度的5～14％、20～43％和45～67％。

3.如权利要求1所述的多层复合结构的销轴材料，其特征在于，在所述顶层中：所述FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂的质量分数对应为7～12％、25～40％、30～45％和12～23％；和/或，

在所述中层中：所述FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂的质量分数对应为25～39％、5～15％、10～18％和30～47％。

4.如权利要求1所述的多层复合结构的销轴材料，其特征在于，所述减摩剂包括软金属、氟碳铈稀土和板晶MoBNbO；和/或，

所述抗磨剂包括WC纳米颗粒、石墨烯和二硫化钨；和/或，

所述增强剂包括硫酸镁晶须、钛酸钾晶须和陶瓷纤维。

5.如权利要求4所述的多层复合结构的销轴材料，其特征在于，在所述顶层中：所述减摩剂中的软金属、氟碳铈稀土和板晶MoBNbO的质量分数对应为35～55％、20～34％和15～36％，所述抗磨剂中的WC纳米颗粒、石墨烯和二硫化钨的质量分数对应为40～55％、23～42％和10～23％，所述增强剂中的硫酸镁晶须、钛酸钾晶须和陶瓷纤维的质量分数对应为33～52％、28～46％和9～24％；和/或，

在所述中层中：所述减摩剂中的软金属、氟碳铈稀土和板晶MoBNbO的质量分数对应为15～35％、22～34％和35～52％，所述抗磨剂中的WC纳米颗粒、石墨烯和二硫化钨的质量分数对应为38～53％、22～42％和12～25％，所述增强剂中的硫酸镁晶须、钛酸钾晶须和陶瓷纤维的质量分数对应为34～53％、27～45％和10～21％。

6.如权利要求4所述的多层复合结构的销轴材料，其特征在于，在所述顶层中：所述软金属包括元素Sn、Pt、Pb和Ag，且所述元素Sn、Pt、Pb和Ag的质量比为(25～43)：(20～34)：(15～24)：(10～18)；和/或，

在所述中层中：所述软金属包括元素Sn、Pt、Pb和Ag，且所述元素Sn、Pt、Pb和Ag的质量比为(18～30)：(17～27)：(12～23)：(25～35)。

7.一种多层复合结构的销轴材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

对应准备FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂的各原材料；

分别将用以制备顶层、中层和底层的原材料振动混合，然后分别装入模具中热压成型，对应制得顶层材料薄片、中层材料薄片和底层材料薄片；

将所述顶层材料薄片、中层材料薄片和底层材料薄片叠加烧结，制得多层复合结构的销轴材料。

8.如权利要求7所述的多层复合结构的销轴材料的制备方法，其特征在于，分别将用以制备顶层、中层和底层的原材料振动混合，然后分别装入模具中热压成型，对应制得顶层材料薄片、中层材料薄片和底层材料薄片的步骤中：

所述振动混合的过程中，振动频率为43～49Hz，振动力为9230～11200N，振动时间为125～145min；和/或，

在模具中热压成型的过程中，热压成型施加压力为15～21MPa，热压温度为145～165℃，保温保压时间为130～145min，每隔20～25s放气5～7s，反复进行4～6次热压操作。

9.如权利要求7所述的多层复合结构的销轴材料的制备方法，其特征在于，将所述顶层材料薄片、中层材料薄片和底层材料薄片叠加烧结，制得多层复合结构的销轴材料的步骤中：

所述叠加烧结过程中，烧结温度为967～1090℃，烧结压力为22～25MPa，保温时间为132～155min，保护气体为氩气，升温速率为93～107℃/min。

10.如权利要求7所述的多层复合结构的销轴材料的制备方法，其特征在于，对应准备FeMoCoNb基合金、减摩剂、抗磨剂和增强剂的各原材料的步骤之前，还包括：

将钼酸铵、硼粉和铌粉分别研磨后混合，制成平均粒径为35～45μm的粉末颗粒，然后进行高温烧结，制得板晶MoBNbO；其中，所述高温烧结过程中，烧结温度为450～530℃，保温时间为10.5～12.5h，保护气体为氩气，在烧结过程中通入氧气量90～115mL/min。

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