CN111394156B - 一种合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料、其制备方法及摩擦副 - Google Patents

一种合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料、其制备方法及摩擦副 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种合金‑氟树脂双层自润滑耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：A)将合金基体表面进行预处理，得到表面粗糙度为Ra的合金基体；B)将氟树脂混合物施加在所述合金基体粗糙度为Ra的表面，进行阶梯式真空烧结，得到合金‑氟树脂双层自润滑耐磨复合材料；所述氟树脂混合物包括粒径为0.5～1.2倍Ra的第一氟树脂颗粒和粒径为2.5～4.0倍Ra的第二氟树脂颗粒。本发明中的制备方法制备得到的复合材料中氟树脂涂层与合金基体具有较高的结合力，且具有更好的耐磨损性能，经过长时间运行使用后，磨损体积小。本发明还提供了一种合金‑氟树脂双层自润滑耐磨复合材料及摩擦副。

Description

一种合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料、其制备方法及摩 擦副
技术领域
本发明属于摩擦材料技术领域，尤其涉及一种合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料、其制备方法及摩擦副。
背景技术
近年来随着科学技术的发展，对各种设备及零部件性能提出了越来越高的要求。而摩擦磨损是普遍存在的自然现象，世界摩擦学会的统计表明，摩擦损失了世界一次性能源的1/3以上，磨损每年造成的损失约占国民生产总值的1％。为了延长使用寿命、节约材料与能源，在很多领域迫切需要解决摩擦、磨损与润滑防护问题。
润滑材料有4种，气体润滑剂、流体(以油为主)、润滑脂(半固态)及固体润滑材料，液态、半固态是传统的润滑方式，也是应用最为广泛的一种润滑方式，但适用的温度范围较窄，在高温作用下承载能力下降，润滑性能衰减，还会造成环境污染等问题。因此，工况恶劣的场合下，传统的润滑方式已难以满足要求。
固体自润滑材料是一类概念上与传统润滑材料(润滑油、润滑脂)完全不同的新型润滑材料，传统润滑材料在摩擦界面上形成某种形式的流体或半流体膜而起到有效的润滑作用，固体润滑材料则主要是依靠材料本身或其转移膜的低剪切特性而具有优良的抗磨和减摩的作用。
专利CN 110406201 A将所述铜铋锡合金熔体通过底注式浇铸装置浇铸到匀速行进的钢基板表面，冷却后得到所述自润滑双金属层状复合材料。
专利CN 110524921 A提供了一种塑料-钢背复合自润滑板材的快速粘接方法，所述方法，通过将具有粘接性能的高分子塑料通过挤出机，采用淋膜方式直接涂覆在钢板上，然后将涂覆后的钢板和高分子自润滑塑料薄膜通过热轧辊进行连续热压复合，实现快速粘结复合。对钢板进行表面处理的步骤，所述表面处理的步骤包括使用机械打磨、喷砂或化学腐蚀中的一种或多种对其表面进行活化，然后通过镀锌表面防腐活化处理，表面处理层的厚度为0.1毫米-2毫米。
但是，现有技术中的固体自润滑材料经长时间使用后磨损量较大，尤其是应用在轴承中，摩擦材料的磨损量直接影响了各部件的相对空间位置，导致精密度和机械运转出现问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料、其制备方法及摩擦副，本发明中的合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料使用过程中磨损体积小。
本发明提供一种合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：
A)将合金基体表面进行预处理，得到表面粗糙度为Ra的合金基体；
B)将氟树脂混合物施加在所述合金基体粗糙度为Ra的表面，进行阶梯式真空烧结，得到复合有自润滑层的合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料；
所述氟树脂混合物包括粒径为0.25～1.2倍Ra的第一氟树脂颗粒和粒径为1.5～4.0倍Ra的第二氟树脂颗粒。
优选的，所述步骤A)中预处理为蚀刻、激光雕刻、喷砂、滚压、电火花、冲压等工艺方法中的一种或者几种的组合；预处理后合金基体的表面粗糙度Ra为12.5～200。
优选的，所述第一氟树脂颗粒和第二氟树脂颗粒各自独立的选自聚四氟乙烯、四氟乙烯和六氟丙烯共聚物中的一种或几种。
优选的，所述第一氟树脂颗粒与第二氟树脂颗粒的质量比为(1～5)：1。
优选的，所述阶梯式真空烧结依次设置3个烧结平台，第一烧结平台温度为100～200℃，第二烧结平台温度为280～350℃，第三烧结平台为300～390℃，所述阶梯式真空烧结的升温速率为0.1～40℃/min，每个平台的烧结时间为10min～1小时。
优选的，所述步骤B)的阶梯式真空烧结之前，对施加有氟树脂混合物的合金基体进行干燥处理；
所述干燥的温度为150～300℃；所述干燥的时间为3～5小时。
优选的，按照步骤B)多次施加氟树脂混合物并进行阶梯式真空烧结。
如上文所述的制备方法制备得到的合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料。
优选的，所述合金基体的厚度为0.05～5mm，自润滑层的厚度为0.02～0.1mm。
如上文所述的合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料所制备的摩擦副。
本发明提供了一种合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：A)将合金基体表面进行预处理，得到表面粗糙度为Ra的合金基体；B)将氟树脂混合物施加在所述合金基体粗糙度为Ra的表面，进行阶梯式真空烧结，得到合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料；所述氟树脂混合物包括粒径为0.5～1.2倍Ra的第一氟树脂颗粒和粒径为2.5～4.0倍Ra的第二氟树脂颗粒。本发明首先将合金基体的表面进行预处理，是合金基体表面具有一定的粗糙度，然后再根据表面粗糙度选取粒径不同的氟树脂颗粒配伍，通过真空烧结形成树脂层与合金基体结合，本发明中的制备方法制备得到的复合材料中氟树脂涂层与合金基体具有较高的结合力，且具有更好的耐磨损性能，经过长时间运行使用后，磨损体积小。
具体实施方式
本发明提供了一种合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：
A)将合金基体表面进行预处理，得到表面粗糙度为Ra的合金基体；
B)将氟树脂混合物施加在所述合金基体粗糙度为Ra的表面，进行阶梯式真空烧结，得到合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料；
所述氟树脂混合物包括粒径为0.5～1.2倍Ra的第一氟树脂颗粒和粒径为2.5～4.0倍Ra的第二氟树脂颗粒。
在本发明中，所述合金基体优选为铜合金，更优选为锡青铜、铜镍锡等耐磨铜合金，所述铜合金基体层厚度为0.05～5mm，所述锡青铜中Sn含量为4～12％，Cu含量82～90.5％，其余成分为Zn，Pb，P等元素中的一种或多种的组合。所述铜锡镍等合金中Sn含量为4～7％，Ni含量8～22％，Cu含量65～88％，其余成分为Zn，Fe，Mn等元素中的一种或数种组合。
在本发明中，对所述合金基体表面预处理的方法可以是蚀刻、激光雕刻、喷砂、滚压、电火花、冲压等工艺方法中的一种或者几种组合，本发明中的表面预处理的方法均为本领域技术人员所熟知的表面处理方法，本发明在此不再赘述。表面处理后的合金基体表面具有多孔、疏松结构，粗糙度Ra优选为12.5～200之间，具体的，在本发明的实施例中，可以是12.5、30或200。
预处理后的合金基体优选进行脱脂处理后进行超声波清洗，干燥后用于在表面施加氟树脂混合物涂层。
在本发明中，所述氟树脂混合物中优选包括第一氟树脂颗粒和第二氟树脂颗粒，所述第一氟树脂颗粒的粒径优选为0.25～1.2倍，更优选为0.5～1.0倍，最优选为0.6～0.8倍，具体的，在本发明的实施例中，可以是0.8倍，1倍或0.25倍；所述第二氟树脂颗粒的粒径优选为1.5～4.0倍，更优选为2.0～3.5倍，具体的，在本发明的实施例中，可以是1.5倍、2.67倍或2.4倍。
所述第一氟树脂颗粒与第二氟树脂颗粒的质量比优选为(1～5)：1，更优选为(1～4)：1，最优选为(1.5～3)：1，具体的，在本发明的实施例中，可以是1:1或1.5：1。
本发明通过研究表面粗糙度与氟树脂粒径之间的关系，使用两种不同粒径氟树脂材料的填充，能更好的保证材料表面的平整度，可以实现空气轴承更好的稳定性和耐磨损性能。
优选的，本发明中氟树脂混合物中还可以添加固体润滑剂，以改善摩擦磨损性能，或者满足特殊环境条件下的应用要求。所述固体润滑剂为石墨、MoS2和Pb中的一种或几种；所述固体润滑剂在所述氟树脂混合物中的质量分数优选为1.5～5wt％，更优选为2～4wt％，最优选为2.5～3.5wt％。
优选的，本发明中氟树脂混合物中还可以添加耐磨填料，用于改善自润滑层在特殊应用场景下的耐磨性能，所述耐磨填料为ZnO和/或Al2O3；所述耐磨填料在所述氟树脂混合物中的质量分数优选为0.5～2wt％，更优选为1～1.5wt％。
本发明通过氟树脂混合物溶液喷涂、氟树脂混合物溶液浸渍法、氟树脂混合物薄膜冷压法及热压法、氟树脂混合物干粉滚压法等方法将所述氟树脂混合物施加在所述合金基体的表面，上述施加方法均为本领域技术人员所熟知的复合涂层的方法，本领域技术人员也可根据不同方法对原料的状态、辅助成分或操作手段要求，在本发明所公开的氟树脂混合物的基础上，进行可预见的加工与改进，比如，使用喷涂或浸渍法，根据本领域技术人员的公知常识，可将所述氟树脂混合物溶于适当的溶剂中，以顺利实施喷涂和浸渍，诸如此类，本发明在此不再赘述。
本发明优选将所述氟树脂混合物先进行干燥处理，除去水分和有机溶剂，然后在进行阶梯式真空烧结，所述干燥的温度优选为150～300℃，更优选为200～250℃，所述干燥的时间优选为3～5小时，更优选为3.5～4小时。
在本发明中，所述阶梯式真空烧结在充氮气或真空炉中进行，所述升温速率优选为0.1～40℃/min，更优选为；每个平台的烧结时间为10min～1小时，初始烧结温度优选为常温，即20～30℃，更优选为25℃；最终烧结温度为300～385℃，更优选为320～360℃。
优选的，本发明中的阶梯式真空烧结按照烧结程序的进行依次分为三个烧结平台，第一烧结平台温度为100～200℃，这个平台一般升温速率较快，优选为5～30℃/min，更优选为10～20℃/min；目的是为了去除复合材料中还未去除的水分、树脂中多余的有机物等；
第二烧结平台温度为280～350℃，此平台升温速率适中，优选为1～10℃/min，更优选为5～8℃/min；目的是为了降低氟树脂的烧结动力学，即使其分子间运动和结合速率变慢，这样可以防止树脂快速结块而形成大的不开放空隙，这样材料的致密性降低，且与基体的结合力也变弱；
第三烧结平台为300～390℃，具体的，在本发明的实施例中，可以是330℃、340℃或385℃；这个取决于材料的烧结温度，升温速率最小，优选为0.5～5℃/min，更优选为1～4℃/min，具体的，在本发明的实施例中，可以是2℃/min。目的是使树脂更好的烧结，并与基体材料更好的结合。普通工艺一般都省略第一个平台，将后两个合并为一个烧结平台，很可能造成水分和有机物滞留在材料中，影响最后的烧结性能。
具体操作中，本发明优选先以上文所述的升温速率将温度从常温升至第一烧结平台温度，烧结10min～1小时，然后再以上文所述的升温速率从第一烧结平台温度升温至第二烧结平台温度，烧结10min～1小时，然后再以上文所述的升温速率从第而烧结平台温度升温至第三烧结平台温度。
所述烧结的总时间优选为0.5～2小时，更优选为1～1.5小时。
本发明根据材料的特性，设计了独特的的烧结台阶和保温时间，可以更好的增加材料的致密性和结合力。如果升温太快，会使材料内部孔隙无法及时排除；如果升温太慢，降低生产效率和提高能耗。同时，所述氟树脂能够在固化处理过程中形成分层，FEP组份能够更好地留在表面，形成较好的润滑涂层。
优选的，本发明在施加氟树脂材料时，分两次或者三次进行，第一次通过喷涂、浸渍、冷压等在基体表面施加一些树脂材料，接下来进行阶梯式烧结工艺；结束后按照此方法多次施加氟树脂材料，并进行烧结。这样可以保证复合材料的致密性和粘结力，以及表面平整度。
本发明还提供了一种合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料，所述复合材料按照上文所述的制备方法制得，包括表面具有疏松多孔结构的合金基体和复合镶嵌所述疏松多孔结构表面的氟树脂涂层。
所述合金基体的厚度为0.05～5mm，更优选为0.1～4mm，最优选为1～3mm；所述氟树脂涂层即自润滑层的厚度为0.02～0.1mm，更优选为0.05～0.08mm。
本发明还提供了一种摩擦副，由上文所述的合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料制备得到，制成的摩擦副可在航空航天、水电、核能、矿山等领域所需的摩擦副中广泛应用，如制成轴瓦、滑动轴承、箔片轴承、导轨、滑块、滑道等零部件和组件，尤其是小尺寸轴承，本发明中的复合材料可实现更小的厚度，尤其适用于小尺寸轴承的制备。
本发明提供了一种合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：A)将合金基体表面进行预处理，得到表面粗糙度为Ra的合金基体；B)将氟树脂混合物施加在所述合金基体粗糙度为Ra的表面，进行阶梯式真空烧结，得到合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料；所述氟树脂混合物包括粒径为0.5～1.2倍Ra的第一氟树脂颗粒和粒径为2.5～4.0倍Ra的第二氟树脂颗粒。本发明首先将合金基体的表面进行预处理，是合金基体表面具有一定的粗糙度，然后再根据表面粗糙度选取粒径不同的氟树脂颗粒配伍，通过真空烧结形成树脂层与合金基体结合，本发明中的制备方法制备得到的复合材料中氟树脂涂层与合金基体具有较高的结合力，且具有更好的耐磨损性能，经过长时间运行使用后，磨损体积小。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料、其制备方法及摩擦副进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
铜合金ZCuSn5Pb5Zn5制成铜带，长度50mm，宽度20毫米，厚度0.1毫米，铜带表面进行滚压处理，得到表面多孔疏松结构，尺表面粗糙度Ra 12.5。
脱脂并进行超声波清洗，干燥后放入石墨模具中；将四氟乙烯和六氟丙烯共聚物(FEP)溶于聚四氟乙烯(PTFE)悬浮液中，质量比1：1，聚四氟乙烯(PTFE)平均粒径10微米，四氟乙烯和六氟丙烯共聚物(FEP)平均粒径30微米，经充分搅拌混合形成膏状混合物；采用冷压法将混合物压入铜合金带表面，双层材料在真空烧结炉中先行烘干，除去水分和有机溶剂，干燥温度为180℃，干燥时间2h，炉自然冷却至室温，重复以上氟树脂涂敷、干燥工艺过程一次，(需要说明的是此涂敷、干燥过程根据需要可以进行多次，本实施例中只进行两次。)炉冷却至室温后压上石墨垫片和压头，将模具放入真空烧结炉中，以10℃/min的速度升温，在温度升至200℃时保温0.5小时，而后以5℃/min的速度升温，温度升至350℃时保温0.5小时，而后以2℃/min的速度升温，温度升至385℃时保温1小时，随炉冷却即完成双层复合材料制备，涂层平均厚度为56微米。
在M2000型摩擦试验机上测试制备的双层复合材料的摩擦学性能，摩擦条件为：转速160r/min，载荷220N，对偶材料为淬火45钢，摩擦时间为lh，测试结果为：平均摩擦系数为0.121，磨损体积为0.20x103cm3。
对比例1
铜合金ZCuSn5Pb5Zn5制成铜带，长度50mm，宽度20毫米，厚度0.1毫米，铜带表面进行滚压处理，得到表面多孔疏松结构，尺表面粗糙度Ra 12.5。
脱脂并进行超声波清洗，干燥后放入石墨模具中；将四氟乙烯和六氟丙烯共聚物(FEP)溶于聚四氟乙烯(PTFE)悬浮液中，质量比1：1，聚四氟乙烯(PTFE)平均粒径30微米，四氟乙烯和六氟丙烯共聚物(FEP)平均粒径30微米，经充分搅拌混合形成膏状混合物；采用冷压法将混合物压入铜合金带表面，双层材料在真空烧结炉中先行烘干，除去水分和有机溶剂，干燥温度为180℃，干燥时间2h，炉自然冷却至室温，重复以上氟树脂涂敷、干燥工艺过程一次，(需要说明的是此涂敷、干燥过程根据需要可以进行多次，本实施例中只进行两次。)炉冷却至室温后压上石墨垫片和压头，将模具放入真空烧结炉中，以10℃/min的速度升温，在温度升至200℃时保温0.5小时，而后以5℃/min的速度升温，温度升至350℃时保温0.5小时，而后以2℃/min的速度升温，温度升至385℃时保温1小时，随炉冷却即完成双层复合材料制备，涂层平均厚度为57.5微米。
在M2000型摩擦试验机上测试制备的双层复合材料的摩擦学性能，摩擦条件为：转速160r/min，载荷220N，对偶材料为淬火45钢，摩擦时间为lh，测试结果为：平均摩擦系数为0.130，磨损体积为0.26x103cm3。
对比例2
铜合金ZCuSn5Pb5Zn5制成铜带，长度50mm，宽度20毫米，厚度0.1毫米，铜带表面进行滚压处理，得到表面多孔疏松结构，尺表面粗糙度Ra 12.5。
脱脂并进行超声波清洗，干燥后放入石墨模具中；将四氟乙烯和六氟丙烯共聚物(FEP)溶于聚四氟乙烯(PTFE)悬浮液中，质量比1：1，聚四氟乙烯(PTFE)平均粒径10微米，四氟乙烯和六氟丙烯共聚物(FEP)平均粒径30微米，经充分搅拌混合形成膏状混合物；采用冷压法将混合物压入铜合金带表面，双层材料在真空烧结炉中先行烘干，除去水分和有机溶剂，干燥温度为180℃，干燥时间2h，炉自然冷却至室温，重复以上氟树脂涂敷、干燥工艺过程一次，(需要说明的是此涂敷、干燥过程根据需要可以进行多次，本实施例中只进行两次。)炉冷却至室温后压上石墨垫片和压头，将模具放入真空烧结炉中，以10℃/min的速度升温至385℃时保温2小时，随炉冷却即完成双层复合材料制备，涂层平均厚度为57微米。
在M2000型摩擦试验机上测试制备的双层复合材料的摩擦学性能，摩擦条件为：转速160r/min，载荷220N，对偶材料为淬火45钢，摩擦时间为lh，测试结果为：平均摩擦系数为0.129，磨损体积为0.26x103cm3。
对比例3
铜合金ZCuSn5Pb5Zn5制成铜带，长度50mm，宽度20毫米，厚度0.1毫米，铜带表面进行滚压处理，得到表面多孔疏松结构，尺表面粗糙度Ra 12.5。
脱脂并进行超声波清洗，干燥后放入石墨模具中；将四氟乙烯和六氟丙烯共聚物(FEP)溶于聚四氟乙烯(PTFE)水溶液中，质量比1：1，聚四氟乙烯(PTFE)平均粒径10微米，四氟乙烯和六氟丙烯共聚物(FEP)平均粒径30微米，经充分搅拌混合形成膏状混合物；采用冷压法将实施例1中两次涂敷的氟树脂混合物总和一次性压入铜合金带表面，双层材料在真空烧结炉中先行烘干，除去水分和有机溶剂，干燥温度为180℃，干燥时间2h。随炉冷却至室温，压上石墨垫片和压头，将模具放入真空烧结炉中，以10℃/min的速度升温，在温度升至200℃时保温0.5小时，而后以5℃/min的速度升温，温度升至350℃时保温0.5小时，而后以2℃/min的速度升温，温度升至385℃时保温1小时，随炉冷却即完成双层复合材料制备，涂层平均厚度为56.4微米。
在M2000型摩擦试验机上测试制备的双层复合材料的摩擦学性能，摩擦条件为：转速160r/min，载荷220N，对偶材料为淬火45钢，摩擦时间为lh，测试结果为：平均摩擦系数为0.124，磨损体积为0.23x103cm3。
具体对比结果，见表1。
表1本发明实施例和比较例的工艺参数以及性能数据
Figure BDA0002471802800000091
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：
A)将合金基体表面进行预处理，得到表面粗糙度为Ra的合金基体；
B)将氟树脂混合物施加在所述合金基体粗糙度为Ra的表面，进行阶梯式真空烧结，得到复合有自润滑层的合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料；
所述阶梯式真空烧结依次设置3个烧结平台，第一烧结平台温度为100～200℃，第二烧结平台温度为280～350℃，第三烧结平台为300～390℃，所述阶梯式真空烧结的升温速率为0.1～40℃/min，每个平台的烧结时间为10min～1小时；
所述氟树脂混合物包括粒径为0.25～1.2倍Ra的第一氟树脂颗粒和粒径为1.5～4.0倍Ra的第二氟树脂颗粒；所述第一氟树脂颗粒与第二氟树脂颗粒的质量比为(1～5)：1。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A)中预处理为蚀刻、激光雕刻、喷砂、滚压、电火花、冲压等工艺方法中的一种或者几种的组合；预处理后合金基体的表面粗糙度Ra为12.5～200。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一氟树脂颗粒和第二氟树脂颗粒各自独立的选自聚四氟乙烯、四氟乙烯和六氟丙烯共聚物中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B)的阶梯式真空烧结之前，对施加有氟树脂混合物的合金基体进行干燥处理；
所述干燥的温度为150～300℃；所述干燥的时间为3～5小时。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，按照步骤B)多次施加氟树脂混合物并进行阶梯式真空烧结。
6.如权利要求1～5任意一项所述的制备方法制备得到的合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料。
7.根据权利要求6所述的合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料，其特征在于，所述合金基体的厚度为0.05～5mm，自润滑层的厚度为0.02～0.1mm。
8.如权利要求6或7所述的合金-氟树脂双层自润滑耐磨复合材料所制备的摩擦副。
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