CN111609038A - 一种石墨烯基轴瓦复合涂层及轴瓦 - Google Patents

一种石墨烯基轴瓦复合涂层及轴瓦 Download PDF

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Abstract

本发明属于轴承零件技术领域，特别是涉及一种石墨烯基轴瓦复合涂层及轴瓦。所述复合涂层的原料由MoS2、石墨碳和石墨烯片组成。所述轴瓦其特征在于：含一个支承体、安置其上的内衬层，以及设置于该内衬层上的所述石墨烯基轴瓦复合涂层。本发明要解决的技术问题，在于提供一种环保且抗疲劳强度高、摩擦学特性更具优异的石墨烯基轴瓦复合涂层及轴瓦。本发明的复合涂层是一种减摩性能优异的固体自润滑复合材料，可延长了轴瓦的使用寿命。此外，本复合轴瓦涂层不含铅，具有环保特性。

Description

一种石墨烯基轴瓦复合涂层及轴瓦
技术领域
本发明属于轴承零件技术领域，特别是涉及一种石墨烯基轴瓦复合涂层及轴瓦。
背景技术
轴瓦作为内燃机关键零部件之一，它的形状多为瓦状的半圆柱面，主要用于内燃机中与曲轴和连杆相配合，起到支撑、润滑、承载和传递热量的作用。因此，轴瓦往往需要具备高抗疲劳强度、高承载能力、高耐磨性、高抗咬合性能、高导热性以及良好的耐蚀性等特性。
为了改善轴瓦表面的摩擦性质，常在其内衬表面电镀一层软金属以改善表面摩擦性能。目前广泛使用的轴瓦涂层为三元或四元合金材料镀层，其中最为常用的是Pb-Sn-Cu三元镀层和Pb-Sn-Cu-In四元镀层。然而，含铅镀层材料以及电镀废液的排放会对环境产生严重的污染，无法满足低碳环保要求。另外，该合金镀层往往在磨损过程中会引起镀层表面油水超标、酸值超标，对瓦面及摩擦副造成腐蚀。同时传统的三元和四元合金作为内衬涂层的轴瓦在承载能力、摩擦学特性上无法进一步提高，无法匹配高端内燃机的性能要求。
专利CN 203979145 U公开了一种具有黑色复合涂层的轴瓦，所述的轴瓦，由钢背、内衬组成，内衬材质为铜基合金材料，内衬烧结在钢背的内圆面上，内衬的内圆面上还具有一个复合涂层，该复合涂层由黑色MoS2+C复合材料组成，复合涂层的厚度为0.005-0.025mm。该轴瓦比起传统的三元或四元合金镀层，具有更好特性，然而该轴瓦在抗疲劳强度、摩擦特性等性能上仍然不能满足高载荷、高转速、大马力等高端内燃机的性能要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种环保且抗疲劳强度高、摩擦学特性更具优异的石墨烯基轴瓦复合涂层及轴瓦。
本发明是这样实现的：
本发明首先提供了一种石墨烯基轴瓦复合涂层，其原料由MoS2、石墨碳和石墨烯片组成。
进一步地，所述复合涂层的厚度为0.005-0.025mm。优选0.005-0.008mm，厚度过小易磨损，过大则影响结合力。
进一步地，所述MoS2，其占整个涂层原料的质量分数为10-15％。
进一步地，所述石墨烯片，其占整个涂层原料的质量分数为0.01-0.1％。
进一步地，所述复合涂层的原料，由以下质量比例的组份组成：MoS210-15％，石墨烯片0.01-0.1％，余量为石墨碳。
将上述原料按比例混合，搅拌混匀，然后过滤备用。优选地，过滤网目数320。
其中石墨烯片指石墨烯微片(Graphene Nanoplatelets)，即碳层数多于10层、厚度在5-100纳米范围内的超薄的石墨烯层状堆积体；MoS2为单片层二硫化钼纳米粉末；石墨烯片、MoS2、石墨碳粉均为市售产品。
本发明对石墨烯进行掺杂和负载修饰，可以调节石墨烯的电子态结构和机械性能，从而提升石墨烯在复合材料中的分散性，进一步提高石墨烯复合涂层的结合力、机械强度和摩檫系数。
其次，本发明提供了一种石墨烯基复合涂层轴瓦，包含一个支承体、安置其上的内衬层，以及设置于该内衬层上的所述石墨烯基轴瓦复合涂层。
本发明的优点：本发明的复合涂层是一种减摩性能优异的固体自润滑复合材料，可以大幅减少高转速高负荷下的磨损，即使在短暂的断油工况下也能很好地保护对偶件。由本发明的复合涂层制得的轴瓦，在高载荷工况下，由于强烈挤压力，会使得石墨烯被挤出而形成物理保护膜，在提升减摩性和机械强度的同时，能增强涂层的耐腐蚀性，从而延长了轴瓦的使用寿命。轴瓦疲劳试验表明，它的承载能力比“纳米MoS2+C”提高了30％以上；此外，本复合轴瓦涂层不含铅，具有环保特性。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明轴瓦的整体图，1为轴瓦，2为支承体，3为内衬，4为复合涂层。
图2为本发明轴瓦的结构分解图，1为轴瓦，2为支承体，3为内衬，4为复合涂层。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2所示，本发明的一种石墨烯基涂层轴瓦，轴瓦1为瓦状，由支承体2、内衬3，复合涂层4组成，支承体2通常由钢制成，但当然也可以由可以实现同样的或类似的功能，即提供轴承元件1的机械强度的可比材料制成，如钛合金钢、铝合金或高机械强度碳纤维等；内衬3烧结在支承体2的内圆面上，为支承体2提供稳定性，其材质为合金材料，本实施例选自铜基合金材料；内衬3上覆有复合涂层4，复合涂层4由MoS2+石墨碳+石墨烯纳米碳复合材料组成，MoS2+石墨碳+石墨烯片复合材料经混合均匀、涂覆到内衬3的内圆面、预热、除油、固化、分选、浸泡防锈油即得到本发明的轴瓦成品。其中，本实施例中，MoS2的质量分数为10％；石墨烯片的质量分数为0.1％；复合涂层4厚度为0.005mm。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于，MoS2的质量分数为15％，石墨烯片的质量分数为0.01％；复合涂层4厚度选自0.015-0.025mm。
对本发明的轴瓦经M2000耐磨试验机和MPV-20摩擦磨损试验机进行摩擦学性能试验，经蓝宝石轴瓦疲劳强度试验机进行承载能力试验(检测依据：英国Glacier Vandervell轴承公司蓝宝石轴瓦疲劳试验机轴瓦疲劳试验规范；检验地点：上海核威技术中心)，并于现有技术CN 203979145 U的轴瓦性能进行比对(部分性能检测标准参考GB 9286-1988色漆和清漆漆膜的划格试验)，结果如表1所示。
表1：实施例和对比例的轴瓦性能对比
Figure BDA0002467256250000041
由表1可以看出，本发明的轴瓦主要性能参数，如减摩性、疲劳强度、表面硬度、表面形貌、表面粗糙度、耐腐蚀性、抗黏着性等，均优于目前常用的三元或四元镀层，且大部分性能指标优于现有技术。另外，产品无铅，为绿色环保产品。实践证明，本发明一种石墨烯基涂层轴瓦可以满足内燃机滑动轴承的工作要求，完全可以替代目前广泛使用的铜铅合金三元及四元镀层轴瓦产品，由于其具有较高性能，可以用于更高载荷、更大马力的内燃机轴承元件上。
本发明的涂层是一种减摩性能优异的固体自润滑复合材料，可以大幅减少高转速高负荷下的磨损，即使在短暂的断油工况下也能很好地保护对偶件。初始磨合期内，由于供油的滞后性，曲轴轴径与轴瓦内表面之间的运动处于混合摩擦状态(干摩擦与润滑摩擦相互交替)，此时石墨烯基减摩涂层凸显其自润滑性能，保护曲轴轴径不致早期损伤；初始磨合完成后，两运动对偶件之间就形成了最相顺应的配合形状和最佳的贴合面，始终保持完整均匀连续的油膜，从而延长了轴瓦的使用寿命。蓝宝石轴瓦疲劳试验表明，它的承载能力比“纳米MoS2+C”又提高了30％以上。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种石墨烯基轴瓦复合涂层，其特征在于：原料由MoS2、石墨碳和石墨烯片组成。
2.根据权利要求1所述的石墨烯基轴瓦复合涂层，其特征在于：所述复合涂层的厚度为0.005-0.025mm。
3.根据权利要求1所述的石墨烯基轴瓦复合涂层，其特征在于：所述MoS2，其占整个涂层原料的质量分数为10-15％。
4.根据权利要求1所述的石墨烯基轴瓦复合涂层，其特征在于：所述石墨烯片，其占整个涂层原料的质量分数为0.01-0.1％。
5.根据权利要求1所述的石墨烯基轴瓦复合涂层，其特征在于：所述复合涂层的原料，由以下质量比例的组份组成：MoS210-15％，石墨烯片0.01-0.1％，余量为石墨碳。
6.一种利用权利要求1-5中任意一项所述复合涂层制备的石墨烯基复合涂层轴瓦，其特征在于：包含一个支承体、安置其上的内衬层，以及设置于该内衬层上的所述石墨烯基轴瓦复合涂层。
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