CN111748719A - 宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种宽温域自润滑VN‑Ag2MoO4复合材料及其制备方法。以克服现有技术存在的在高温、宽温域的苛刻工况下服役时现有自润滑复合材料无法达到使用要求的问题。本发明一种宽温域自润滑VN‑Ag2MoO4复合材料，其质量组成为：85‑95％的VN粉和5‑15％的钼酸银粉；所述钼酸银粉为Ag2MoO4相结构粉末；宽温域自润滑VN‑Ag2MoO4复合材料的制备方法为：1)将85‑95％的VN粉和5‑15％的Ag2MoO4粉末混合，湿式球磨，干燥、过筛，得混合粉料；2)将混合粉料放入石墨磨具中，进行冷压处理；3)将装有混合粉料的石墨磨具在真空保护下进行热压烧结，得到宽温域自润滑VN‑Ag2MoO4复合材料。

Description

宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷基自润滑复合材料技术领域，更具体地，涉及一种宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料及其制备方法。
背景技术
随着航空航天、核电等高新技术产业的不断发展，越来越多的摩擦副零部件需要在高温、宽温域的苛刻工况下服役，部件相应材料在高温和宽温域内的润滑和耐磨性能受到广泛的关注和研究。因此上述部件在宽温域环境的润滑和耐磨问题成为影响整个系统可靠性和寿命的关键，对其材料的润滑性能提出了越来越高的要求。高性能结构陶瓷的高强度、高硬度、良好的抗氧化性和高温化学稳定性，其作为复合材料的基体可提供良好的承载能力。通常，通过向陶瓷中加入合适的固体润滑剂制备陶瓷基自润滑复合材料，或在温度、压力等作用下生成新的润滑物质来改善其润滑性，从而完成陶瓷基自润滑复合材料的制备，并使其兼备高强度和连续润滑性能。
自润滑复合材料常用的润滑剂包括几个体系：
一种以Pb、Ag等为代表软金属固体润滑剂，但是制备过程的高温高压导致低熔点金属的溢出，从而较弱或失去润滑作用；
另一种以层状固体润滑剂为代表的MoS2和石墨在温度高于400℃易于氧化而失效，导致其无法应用于高温工况；
还有一些金属氧化物(如MoO3、CuO、V2O5、TaO和Re2O7等)在较高的温度下具有较低的剪切强度，起到良好的高温润滑作用。但是，在中低温条件下氧化物润滑剂一般易于在摩擦过程中形成脆性磨屑，最终影响复合材料的宽温域润滑性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料及其制备方法，以克服现有技术存在的在高温、宽温域的苛刻工况下服役时现有自润滑复合材料无法达到使用要求的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料，其质量组成为：85-95％的VN粉和5-15％的钼酸银粉；所述钼酸银粉为Ag2MoO4相结构粉末。
一种宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料的制备方法，包括步如下骤：
1)将85-95％的VN粉和5-15％的Ag2MoO4粉末混合，湿式球磨，干燥、过筛，得混合粉料；
2)将混合粉料放入石墨磨具中，进行冷压处理；
3)将装有混合粉料的石墨磨具在真空保护下进行热压烧结，得到宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料。
作为上述制备方法的进一步改进，步骤2)中球磨过程的球料比为3:1～5:1，球磨转速100～300r/min，球磨时间5～15小时。
作为上述制备方法的进一步改进，步骤3)中烧结温度为1500～1700℃，升温速率2～10℃/min，烧结压强10～30MPa，保温时间0.5～1.5h。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明选择钼酸银和氮化钒组成自润滑复合材料，其中Ag2MoO4在真空烧结过程中分解形成软金属Ag润滑相，与基体间结合紧密，改善了以单质Ag添加过程中润滑相的流失和团聚，中低温润滑性能来自Ag2MoO4分解生成的软金属Ag，高温润滑作用来自于高温摩擦过程中VN-Ag2MoO4复合材料通过摩擦化学反应重新生成的钼酸银和钒酸银润滑剂。
2)本发明制备的高温自润滑复合材料组织结构均匀，润滑相与基体间结合紧密，解决了添加金属Ag烧结过程中润滑相的流失，在室温至700℃的温度范围内具有优异的自润滑效果和耐磨性。
3)本发明制备的宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料有效改善了VN陶瓷RT-700℃范围的摩擦磨损性能，如RT、300℃、500℃和700℃的磨损率分别比VN陶瓷降低约71％、70％、73％、72％。
4)本发明宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料的制备过程相比气相沉积技术具有工艺成熟，设备投入少，成本低等优势，同样还具有材料易获取且成本低，易于进行产量放大，所以本发明宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料具有低成本、生产工艺简单、适于规模化生产等优势。
5)本发明的高温自补偿耐磨材料及设计方法能够满足宽温域条件下润滑与耐磨需求，适用于航空航天、冶金、汽车等领域，作为轴承和密封等高温运动系统部件的加工材料具有广泛的应用前景。
附图说明
图1所示为本发明实施例1中球磨和真空烧结制备宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料物相组成图；
图2所示为本发明实施例1中球磨和真空烧结制备宽温域自润滑VN-15wt.％Ag2MoO4复合材料微观形貌图；
图3所示为本发明实施例1中宽温域自润滑VN-15wt.％Ag2MoO4复合材料的不同温度摩擦系数(a)和磨损率测试图(b)。
图4至图7是实施例1制得宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料分别在室温、300℃、500℃和700℃条件下的磨痕表面形貌图。
图8所示为本发明实施例1中宽温域自润滑VN-15wt.％Ag2MoO4复合材料的不同温度磨损区域物相分析结果图。
图9是VN-15wt.％Ag复合材料的微观形貌图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将通过实施例和附图对本发明进行详细地说明。
本发明的一个方面提供了宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料，选择合适润滑剂的配比并和VN进行机械混合。其中VN陶瓷具有优异的高温力学性能和耐磨性能；通过添加Ag2MoO4粉末提高材料的润滑性能，其中Ag2MoO4在烧结过程中分解形成的软金属Ag提供了中低温润滑作用，高温摩擦过程中生成的钼酸银和钒酸银提供了高温润滑作用。所述Ag2MoO4在真空烧结过程中分解形成软金属Ag润滑相，与基体间结合紧密，改善了以单质Ag添加过程中润滑相的流失和团聚。
本发明的另一个方面提供了宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料的制备方法，利用球磨技术进行VN粉末和Ag2MoO4粉末的混合，得到均匀的混合粉末；将混合粉末放入石墨磨具中，在真空保护下采用热压烧结技术制备，得到宽温域连续自润滑复合材料。
一种宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料，其质量组成为：所述混合粉末中含有如下重量百分比的原料：85-95％的VN粉和5-15％的钼酸银粉；
作为上述的进一步改进，钼酸银粉为Ag2MoO4相结构粉末；
一种宽温域镍基自润滑复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)按重量配比称取85-95％的VN粉末和5-15％的的Ag2MoO4粉末，得到原始配料；
2)利用行星式球磨机进行原始配料的机械合金化，得到均匀的混合粉末；
3)将混合粉末放入石墨磨具中，在真空保护下采用热压烧结技术制备，得到宽温域连续自润滑复合材料。
所述的VN粉末为市场采购，平均粒径为15μm；所述Ag2MoO4粉末采用化学合成或市场采购，平均粒径为10μm。
作为上述制备方法的进一步改进，步骤2)中球磨过程的球料比为3:1～5:1，球磨转速100～300r/min，球磨时间5～15h。
作为上述制备方法的进一步改进，步骤3)中烧结温度为1500～1700℃，升温速率2～10℃/min，烧结压强10～30MPa，保温时间0.5～1.5h。
本发明通过下列实施例作进一步说明：根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1该宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料及其制备方法，按照以下步骤进行：
(1)按VN粉末质量分数为90％、Ag2MoO4粉末的质量分数为10％的比例配料，称量银粉90克和Ag2MoO4粉10克得到原始配料，其中VN粉末的平均粒径为15μm，Ag2MoO4粉的平均粒径为10μm；
(2)将原始配料置于行星式球磨机中，按球料比3:1，转速100r/min，球磨混合10h得到混合均匀的烧结配料；
(3)将烧结配料放入石墨磨具中，在真空环境下进行热压烧结，其中烧结温度为1650℃，升温速率5℃/min，烧结压强20MPa，保温时间1h。
实施例2宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料及其制备方法，按照以下步骤进行：
(1)按VN粉末质量分数为95％、Ag2MoO4粉末的质量分数为5％的比例配料，称量银粉95克和Ag2MoO4粉5克得到原始配料，其中VN粉末的平均粒径为15μm，Ag2MoO4粉的平均粒径为10μm；
(2)将原始配料置于行星式球磨机中，按球料比5:1，转速300r/min，球磨混合5h得到混合均匀的烧结配料；
(3)将烧结配料放入石墨磨具中，在真空环境下进行热压烧结，其中烧结温度为1700℃，升温速率10℃/min，烧结压强20MPa，保温时间1h。
采用显微维氏硬度仪测试施例1制得宽温域自润滑VN-5wt.％Ag2MoO4复合材料的硬度为1185HV。不同温度摩擦磨损性能分析表明Ag2MoO4的加入有效改善了VN陶瓷的宽温域润滑与耐磨性能。
实施例3宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料及其制备方法，按照以下步骤进行：
(1)按VN粉末质量分数为85％、Ag2MoO4粉末的质量分数为15％的比例配料，称量银粉85克和Ag2MoO4粉15克得到原始配料，其中VN粉末的平均粒径为15μm，Ag2MoO4粉的平均粒径为10μm；
(2)将原始配料置于行星式球磨机中，按球料比5:1，转速200r/min，球磨混合15h得到混合均匀的烧结配料；
(3)将烧结配料放入石墨磨具中，在真空环境下进行热压烧结，其中烧结温度为1500℃，升温速率2～10℃/min，烧结压强10MPa，保温时间0.5h。
采用显微维氏硬度仪测试施例1制得宽温域自润滑VN-5wt.％Ag2MoO4复合材料的硬度为1170HV。不同温度摩擦磨损性能分析表明Ag2MoO4的加入有效改善了VN陶瓷的宽温域润滑与耐磨性能。
上述实施例中，实施例1为最佳实施例：采用显微维氏硬度仪测试施例1制得宽温域自润滑VN-10wt.％Ag2MoO4复合材料的硬度为1226HV。图1是实施例1制得宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料的物相分析结果，可发现球磨和真空热压烧结制备的宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料由VN、Ag和MoO3组成；图2是实施例1宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料的微观结构分析结果，可发现Ag2MoO4分解形成的金属Ag均匀分布于VN基体，未出现流失和团聚问题；图3是实施例1制得宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料的摩擦系数和磨损率曲线图，由图可知该复合材料的RT-700℃的磨损率较VN陶瓷降低约70％，而500℃-700℃的摩擦系数较VN复合陶瓷下降约25％。图4至图7是实施例1制得宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料分别在室温、300℃、500℃和700℃条件下的磨痕表面形貌图，从图中可观察到室温至700℃条件下宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料的摩擦磨损表面较光滑，均形成了较为完整的润滑膜。其中VNVN-Ag2MoO4复合材料室温、300℃、500℃和700℃条件下的磨损率为1.48×10-5mm3/N·m、6.85×10-5mm3/N·m、3.46×10-5mm3/N·m和1.37×10-5mm3/N·m，而对应VN陶瓷材料室温、300℃、500℃和700℃条件下的磨损率为5.13×10-5mm3/N·m、23.47×10-5mm3/N·m、12.78×10-5mm3/N·m和4.85×10-5mm3/N·m，均出现了约70％的降低了，表明VN-Ag2MoO4复合材料具有优异的减磨和润滑作用。
图8是实施例1制得宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料不同温度磨损区域Raman分析结果，可发现磨损表面随温度改变依次形成了以单质Ag、钼酸银和钒酸银为主的润滑层。
为了对比宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料中Ag2MoO4与金属Ag润滑剂在烧结过程中的差异，制备了VN-15wt.％Ag复合材料，按照以下步骤进行：
(1)按VN粉末质量分数为85％、金属Ag粉末的质量分数为15％的比例配料，称量银粉85克和Ag粉15克得到原始配料，其中VN粉末的平均粒径为15μm，金属Ag粉的平均粒径为10μm；
(2)将原始配料置于行星式球磨机中，按球料比3:1，转速100r/min，球磨混合10h得到混合均匀的烧结配料；
(3)将烧结配料放入石墨磨具中，在真空环境下进行热压烧结，其中烧结温度为1650℃，升温速率10℃/min，烧结压强20MPa，保温时间1h。
采用显微维氏硬度仪测试施例4制得宽温域自润滑VN-15wt.％Ag复合材料的硬度只有957HV。图9微观形貌分析表明Ag出现了团聚和流失，混料时加15wt.％Ag，但烧结后只有8.28wt.％Ag，且Ag以团聚大颗粒形式存在于VN复合陶瓷材料。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料，其特征在于：其质量组成为：85-95％的VN粉和5-15％的钼酸银粉；所述钼酸银粉为Ag2MoO4相结构粉末。
2.宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料的制备方法，包括步如下骤：
1)将85-95％的VN粉和5-15％的Ag2MoO4粉末混合，湿式球磨，干燥、过筛，得混合粉料；
2)将混合粉料放入石墨磨具中，进行冷压处理；
3)将装有混合粉料的石墨磨具在真空保护下进行热压烧结，得到宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料。
3.根据权利要求2所述的宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中球磨过程的球料比为3:1～5:1，球磨转速100～300r/min，球磨时间5～15小时。
4.根据权利要求3所述的宽温域自润滑VN-Ag2MoO4复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中烧结温度为1500～1700℃，升温速率2～10℃/min，烧结压强10～30MPa，保温时间0.5～1.5h。
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