CN112899521B - 一种Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Cu‑Ni‑Sn基自润滑复合材料,包括Cu‑Ni‑Sn基合金基体和改性固体润滑剂,所述改性固体润滑剂分散于所述Cu‑Ni‑Sn基合金基体中,所述改性固体润滑剂包括润滑剂以及包覆于所述润滑剂表面的改性镀层,所述改性固体润滑剂的体积占所述Cu‑Ni‑Sn基自润滑复合材料总体积的1‑40%。本发明还提供一种Cu‑Ni‑Sn基自润滑复合材料的制备方法。本发明以Cu‑Ni‑Sn基合金为基体,添加经化学镀改性处理的润滑剂,所制得的铜基自润滑复合材料具有更高的界面结合强度、更优异的力学性能及耐磨减摩性能,使用寿命更长,可靠性更高。

Description

一种Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料领域,尤其涉及一种自润滑复合材料及其制备方法。
背景技术
随着军工、航空技术、运输等的发展,机械零件的工况条件愈来愈苛刻,润滑油或润滑脂的使用已经难以满足需求,因此,自润滑材料的优越性逐渐展现出来。自润滑材料可由工作环境和要求进行成分设计,使得材料既因较高的强硬度而具有较好的耐磨性,又因固体润滑转移膜的形成而具有较低的摩擦系数,从而达到恶劣特殊工况条件下自润滑的目的。
铜基自润滑复合材料因其高耐磨性、低摩擦系数、高耐蚀性、较高的机械性能等优势,在机械制造业应用广泛。目前用于滑动轴承、滑块等机械零件的铜基自润滑复合材料虽有着优良的耐磨减摩性能,但铜合金基体与固体润滑剂之间的物理化学特性差异较大,致使基体与润滑相的界面结合强度较弱,影响了复合材料的综合力学性能及可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷,提供一种综合力学性能好、使用寿命长、可靠性高的Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料及其制备方法。为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:
一种Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料,包括Cu-Ni-Sn基合金基体和改性固体润滑剂,所述改性固体润滑剂分散于所述Cu-Ni-Sn基合金基体中,所述改性固体润滑剂包括润滑剂以及包覆于所述润滑剂表面的改性镀层,所述改性固体润滑剂的体积占所述Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料总体积的1-40%。
上述Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料中,优选的,所述Cu-Ni-Sn基合金基体主要由Cu-Ni-Sn合金粉末组成,所述Cu-Ni-Sn合金粉末包括Cu-15Ni-8Sn、Cu-9Ni-6Sn、Cu-12Ni-8Sn、Cu-21Ni-5Sn或Cu-10Ni-8Sn,所述Cu-Ni-Sn合金粉末的平均粒径为20-150μm;合金粉末粒径过大,材料性能不理想。所述润滑剂包括二硫化钼、二硫化钨、石墨、氧化铅、氟化钙、氟化钡、碳纤维、二硒化铌、二硒化钨、氮化硼和硫化亚铁中的一种或多种,所述润滑剂的平均粒径为5-45μm。润滑剂粉末粒径过大,会对基体产生明显的割裂,材料的力学性能降低,磨损过程中复合材料容易被撕裂;粉末粒径过小,其颗粒数目越多,将会增多材料中的孔隙并降低基体的连续性,从而降低材料的强度。
上述Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料中,优选的,所述改性镀层包括镍镀层、铜镀层、镍磷镀层、镍铁镀层、镍铜镀层、银镀层和钴镀层中的一种或多种。更优选的,所述改性镀层为镍铁镀层。
上述Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料中,优选的,所述改性镀层占所述改性固体润滑剂总体积的5-30%。本发明中改性镀层与Cu-Ni-Sn基合金基体之间具有明显的相互作用关系,改性镀层的含量需要精确控制。镀层的存在是为了填充润滑相颗粒与基体之间结合界面的空隙,因此镀层体积占比过少将不能很好地起到增强界面结合的作用,同时,镀层体积过少,将不能完整的包覆润滑剂颗粒;镀层体积占比过多,一方面降低了基体含量,导致材料力学性能的降低,另一方面镀层中的元素过多地扩散到基体中会破坏铜镍锡基体的含量进而可能导致力学性能的降低。综合上述各因素,更优选的,改性镀层占所述改性固体润滑剂总体积的10%。
作为一个总的技术构思,本发明还提供一种上述的Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)利用化学镀在润滑剂表面镀覆改性镀层得到改性固体润滑剂;
(2)将Cu-Ni-Sn基合金基体与步骤(1)中的改性固体润滑剂混合均匀得到混合粉末;
(3)对步骤(2)中的混合粉末在氢气下进行还原处理得到还原粉末;
(4)对步骤(3)中的还原粉末采用热压烧结处理得到块体复合材料;
(5)对步骤(4)中的块体复合材料进行固溶处理,然后进行水淬,再进行时效处理,即得到所述Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料。
上述制备方法中,优选的,混合均匀时采用干混,干混转速为20-40r/min,时间为12-36h。
上述制备方法中,优选的,所述还原处理的温度为400-500℃,还原时间为1-2h。
上述制备方法中,优选的,所述热压烧结处理时控制升温速率为10-25℃/min,烧结温度为800-950℃,烧结压力为15-40MPa,保温时间为30-60min。
上述制备方法中,优选的,所述固溶处理的温度为700-850℃,保温时间为1-2h,所述时效处理的温度为350-450℃,时效时间为0.5-4h。
上述制备方法中,优选的,利用化学镀在润滑剂表面镀覆改性镀层包括以下步骤:
(a)对润滑剂粉末依次进行碱处理除油、酸处理粗化、氯化亚锡溶液敏化以及氯化钯溶液活化;
(b)配制化学镀液,将经过步骤(a)处理的润滑剂粉末置于镀液中,于pH为5-13、温度为40-70℃下,加入还原剂进行反应,反应结束后用去离子水洗涤至中性并干燥,即完成镀覆过程。
上述制备方法中,优选的,所述步骤(a)的具体过程如下:将固体润滑剂粉末置于100-150g/L的氢氧化钾溶液中搅拌煮沸1-2h后用去离子水洗涤至中性,达到除油效果;将除油处理后的固体润滑剂粉末置于100-150mL/L的硝酸溶液中搅拌煮沸1-2h后用去离子水洗涤至中性,达到粗化效果;将粗化处理后的固体润滑剂粉末置于15-25g/L的氯化亚锡溶液中,于室温下搅拌1-2h进行敏化处理,敏化后用去离子水洗涤至中性;将敏化处理后的固体润滑剂粉末置于5-12mg/L的氯化钯溶液中,于50-60℃下搅拌1-2h进行活化处理,活化后用去离子水洗涤至中性并干燥;其中,敏化处理的pH<3,活化处理的pH<2。
上述制备方法中,优选的,所述镀液中,主盐包括硫酸镍、硫酸亚铁铵、硫酸铜、硫酸钴、硝酸银等中的一种或多种,络合剂包括EDTA、PVP、乳酸、柠檬酸、酒石酸钾钠等中的一种或多种,以甘氨酸为稳定剂,以聚乙二醇为表面活性剂,还原剂包括乙醛酸、葡萄糖、硼氢化钠、次亚磷酸钠、硼氢化钾或水合肼等中的一种或多种。具体的,上述硫酸镍的浓度为20-30g/L,硫酸亚铁铵的浓度为11-20g/L,硫酸钴的浓度为20-30g/L,硫酸铜的浓度为20-30g/L,硝酸银的浓度为13-20g/L,乳酸的浓度为25-35ml/L,EDTA的浓度为10-20g/L,PVP的浓度为10-20g/L,柠檬酸的浓度为25-40g/L,酒石酸钾钠的浓度为15-30g/L,甘氨酸的浓度为0.2-0.8g/L,聚乙二醇的浓度为0.1-0.3g/L。
本发明在固体润滑剂粉末表面进行化学镀获得与润滑相具有良好润湿性的改性镀层,镀层的存在不仅缩小了润滑相与基体的密度差距,有效防止润滑相颗粒的团聚,减少润滑相与润滑相之间的弱界面结合,改善了润滑相在基体中的分布,增强了润滑相与基体间的界面结合强度,并且在摩擦磨损过程中形成的润滑层有着更高的粘着强度,大大提高了材料的减摩润滑性能。本发明中更优选的改性镀层为镍铁镀层,我们研究表明,镍、铁元素在润滑相和Cu-Ni-Sn基合金基体中的扩散以及相应化合物的形成强化了润滑相和Cu-Ni-Sn基合金基体的界面结合能力,复合材料各组分之间的界面结合可以由机械互锁结合变为固溶体结合,界面结合更紧密,实现了对Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料界面的有效调控,力学性能更加优异,使用寿命更长,更加可靠,同时铁元素的存在能一定程度地提高基体的力学性能。
本发明还原、热压烧结、固溶及时效处理,并优化调整相应工艺参数,基体中发生调幅分解和有序化相变,细小且均匀分布的调幅组织和有序相的存在使基体得到强化。此外,化学镀工艺具有操作简单、节能环保、镀层均匀、适用范围广等优点。同时,多种润滑相的组合使用不仅能起到良好的协同效应,还能够有效扩展复合材料的适用范围。通过选择合理的烧结方式和控制工艺参数,获得了高致密的Cu-Ni-Sn基合金基自润滑复合材料。
本发明中,通过对润滑剂进行特定的改性,再与特定的Cu-Ni-Sn基合金基体相配合,通过后续特定的加工工艺,其二者协同作用,可以获得力学性能优异、摩擦性能优异的自润滑复合材料。对于润滑剂表面镀层的选择需要考虑其对润滑剂的改性作用,还要考虑镀层与Cu-Ni-Sn基合金基体之间的相互匹配关系,考虑其二者配合后的相互促进作用,以提高力学性能和摩擦性能。我们研究表明,上述润滑剂表面的改性镀层采用镍铁镀层,合金基体选择特定的Cu-Ni-Sn基合金基体,可以保证本发明得到的自润滑复合材料的综合性能更优。
本发明制得的Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料,组织均匀性好,界面缺陷少,致密性高,力学性能优异,可满足众多领域恶劣工况下工作的摩擦组件应用要求。本发明不仅可解决我国Cu-N-Sn基合金基自润滑复合材料设计、制备的关键科学问题,同时将是解决我国众多重点工程急需材料的重要举措。开发的Cu-Ni-Sn合金基自润滑复合材料可满足航空、军工、运输等领域中恶劣工况下工作的摩擦组件应用要求,大幅提升滑动轴承、滑块等机械零件的可靠性和使用寿命,填补该类材料在国内应用的空白,可获得良好的社会与经济效益。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
在铜合金系列中,Cu-Ni-Sn基合金因具有高的强度、弹性、优良的导电稳定性及热应力松弛性能等优点,其强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性均优于传统的铅青铜及锡青铜;通过化学镀的方法对固体润滑剂进行表面改性处理,镀层的存在不仅缩小了润滑相与铜基材料的密度差距,改善了润滑相在基体中的分布,而且增强了润滑相与基体间的界面结合强度。本发明以Cu-Ni-Sn基合金为基体,添加经化学镀改性处理的润滑剂,其二者协同作用,所制得的铜基自润滑复合材料具有更高的界面结合强度、更优异的力学性能及耐磨减摩性能,使用寿命更长,可靠性更高。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述,但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义,下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的,并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明,本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1:
一种Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料,包括Cu-Ni-Sn基合金基体和改性固体润滑剂,改性固体润滑剂分散于Cu-Ni-Sn基合金基体中,改性固体润滑剂包括润滑剂以及包覆于润滑剂表面的镍磷镀层,改性固体润滑剂的体积占Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料总体积的1%。
上述Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料的制备方法包括以下步骤:
步骤1)固体润滑剂粉末表面化学镀:
(1)预处理:选用18μm的二硫化钼粉末,先置于100g/L氢氧化钾溶液中搅拌煮沸1h后用去离子水洗涤至中性,达到除油效果;因二硫化钼粉末在沸酸中会发生氧化,故二硫化钼粉不进行粗化处理;将除油处理后的二硫化钼粉末置于15g/L氯化亚锡溶液中,于室温下搅拌2h进行敏化处理,其中,敏化处理的pH<3,敏化后用去离子水洗涤至中性;将敏化处理后的二硫化钼粉末置于12mg/L氯化钯溶液中,于50℃下搅拌2h进行活化处理,其中,活化处理的pH<2,活化后用去离子水洗涤至中性并干燥。
(2)化学镀:配制以22g/L硫酸镍为主盐,30ml/L乳酸为络合剂,0.4g/L甘氨酸为稳定剂,0.15g/L聚乙二醇为表面活性剂的镀液,将预处理后的二硫化钼粉末置于镀液中,于pH为5、温度为70℃下,加入25g/L次亚磷酸钠进行反应,反应结束后用去离子水洗涤至中性并干燥,最终在二硫化钼粉末表面镀覆5vol%的镍磷镀层得到改性固体润滑剂。
步骤2)配料及混料:
选用150μm的Cu-15Ni-8Sn合金粉末与步骤1)所得改性固体润滑剂以99:1的体积比进行干混得到混合粉末,干混转速为20r/min,时间为36h。
步骤3)混合粉末还原处理:
将步骤2)所得混合粉末在氢气中还原处理得到还原粉末,还原温度为400℃,还原时间为2h。
步骤4)热压烧结:
将步骤3)所得还原粉末进行热压烧结得到块状复合材料,压力为30MPa,以10℃/min的升温速度升温至850℃,保温时间为60min,随后随炉冷却。
步骤5)固溶处理:
将步骤4)所得块状复合材料进行固溶处理,固溶温度为700℃,保温时间为2h,出炉后进行水淬。
步骤6)时效处理:
将步骤5)所得固溶后的复合材料进行时效处理即得到本实施例中的Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料,时效温度为350℃,时效时间为4h。
实施例2:
一种Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料,包括Cu-Ni-Sn基合金基体和改性固体润滑剂,改性固体润滑剂分散于Cu-Ni-Sn基合金基体中,改性固体润滑剂包括润滑剂以及包覆于润滑剂表面的镍铁镀层,改性固体润滑剂的体积占Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料总体积的10%。
上述Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料的制备方法包括以下步骤:
步骤1)固体润滑剂粉末表面化学镀:
(1)预处理:选用45μm的石墨粉末和氮化硼粉末,先将石墨粉末置于120g/L氢氧化钾溶液中搅拌煮沸1h后用去离子水洗涤至中性,达到除油效果;将除油处理后的石墨粉末置于120mL/L硝酸溶液中搅拌煮沸1h后用去离子水洗涤至中性,达到粗化效果;将粗化处理后的石墨粉末置于20g/L氯化亚锡溶液中,于室温下搅拌1h进行敏化处理,其中,敏化处理的pH<3,敏化后用去离子水洗涤至中性;将敏化处理后的石墨粉末置于8mg/L氯化钯溶液中,于50℃下搅拌1h进行活化处理,其中,活化处理的pH<2,活化后用去离子水洗涤至中性并干燥。
(2)化学镀:配制以20g/L硫酸镍、11g/L硫酸亚铁铵为主盐,25g/L柠檬酸、15g/L酒石酸钾钠为络合剂,0.2g/L甘氨酸为稳定剂,0.1g/L聚乙二醇为表面活性剂的镀液,将预处理后的石墨粉末置于镀液中,于pH为8-10、温度为50℃下,加入30g/L次亚磷酸钠进行反应,反应结束后用去离子水洗涤至中性并干燥,最终在石墨粉末表面镀覆10vol%(体积占比,下同)的镍铁镀层得到改性固体润滑剂。
氮化硼粉末的化学镀过程同石墨相同。
步骤2)配料及混料:
选用90μm的Cu-9Ni-6Sn合金粉末与步骤1)所得改性固体润滑剂以90:10的体积比进行干混得到混合粉末,其中,改性固体润滑剂包括镍铁包覆石墨粉末、镍铁包覆氮化硼粉末,其二者体积比为1:1,干混转速为30r/min,时间为24h。
步骤3)混合粉末还原处理:
将步骤2)所得混合粉末在氢气中还原处理得到还原粉末,还原温度为500℃,还原时间为1h。
步骤4)热压烧结:
将步骤3)所得还原粉末进行热压烧结得到块状复合材料,压力为25MPa,以15℃/min的升温速度升温至900℃,保温时间为45min,随后随炉冷却。
步骤5)固溶处理:
将步骤4)所得块状复合材料进行固溶处理,固溶温度为750℃,保温时间为2h,出炉后进行水淬。
步骤6)时效处理:
将步骤5)所得固溶后的复合材料进行时效处理即得到本实施例中的Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料,时效温度为400℃,时效时间为3h。
实施例3:
一种Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料,包括Cu-Ni-Sn基合金基体和改性固体润滑剂,改性固体润滑剂分散于Cu-Ni-Sn基合金基体中,改性固体润滑剂包括润滑剂以及包覆于润滑剂表面的镍镀层,改性固体润滑剂的体积占Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料总体积的10%。
上述Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料的制备方法包括以下步骤:
步骤1)固体润滑剂粉末表面化学镀:
(1)预处理:选用45μm的石墨粉末和氮化硼粉末,先将石墨粉末置于120g/L氢氧化钾溶液中搅拌煮沸1h后用去离子水洗涤至中性,达到除油效果;将除油处理后的石墨粉末置于120mL/L硝酸溶液中搅拌煮沸1h后用去离子水洗涤至中性,达到粗化效果;将粗化处理后的石墨粉末置于20g/L氯化亚锡溶液中,于室温下搅拌1h进行敏化处理,其中,敏化处理的pH<3,敏化后用去离子水洗涤至中性;将敏化处理后的石墨粉末置于8mg/L氯化钯溶液中,于50℃下搅拌1h进行活化处理,其中,活化处理的pH<2,活化后用去离子水洗涤至中性并干燥。
(2)化学镀:配制以30g/L硫酸镍为主盐,25g/L柠檬酸为络合剂,0.8g/L甘氨酸为稳定剂,0.2g/L聚乙二醇为表面活性剂的镀液,将预处理后的石墨粉末置于镀液中,于pH为11-13、温度为50℃下,加入10ml/L水合肼进行反应,反应结束后用去离子水洗涤至中性并干燥,最终在石墨粉末表面镀覆10vol%的镍镀层得到改性固体润滑剂。
氮化硼粉末的化学镀过程同石墨相同。
步骤2)-步骤6)与实施例2的步骤2)-步骤6)相同。
实施例4:
一种Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料,包括Cu-Ni-Sn基合金基体和改性固体润滑剂,改性固体润滑剂分散于Cu-Ni-Sn基合金基体中,改性固体润滑剂包括润滑剂和包覆于润滑剂表面的铜镍复合镀层,改性固体润滑剂的体积占Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料总体积的30%。
上述Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料的制备方法包括以下步骤:
步骤1)固体润滑剂粉末表面化学镀:
(1)预处理:选用5μm的碳纤维、18μm的二硫化钼粉末和二硫化钨粉末,先将碳纤维置于120g/L氢氧化钾溶液中搅拌煮沸1h后用去离子水洗涤至中性,达到除油效果;将除油处理后的碳纤维置于120mL/L硝酸溶液中搅拌煮沸1h后用去离子水洗涤至中性,达到粗化效果;将粗化处理后的碳纤维置于20g/L氯化亚锡溶液中,于室温下搅拌1h进行敏化处理,其中,敏化处理的pH<3,敏化后用去离子水洗涤至中性;将敏化处理后的碳纤维置于10mg/L氯化钯溶液中,于55℃下搅拌1h进行活化处理,其中,活化处理的pH<2,活化后用去离子水洗涤至中性并干燥。
(2)化学镀:先配制以28g/L硫酸镍为主盐,35ml/L乳酸为络合剂,0.6g/L甘氨酸为稳定剂,0.3g/L聚乙二醇为表面活性剂的镀液,将预处理后的碳纤维置于镀液中,于pH为5、温度为70℃下,加入3g/L硼氢化钾进行反应,反应结束后用去离子水洗涤至中性并干燥,在碳纤维表面镀覆15vol%的镍镀层。再配制以22g/L硫酸铜为主盐,15g/L EDTA、15g/L酒石酸钾钠为络合剂,0.6g/L甘氨酸为稳定剂的镀液,将表面包覆镍的碳纤维置于镀液中,于pH为13、温度为40℃下,加入25g/L乙醛酸进行反应,反应结束后用去离子水洗涤至中性并干燥,最终在碳纤维表面镀覆15vol%的镍镀层和15vol%的铜镀层,得到改性固体润滑剂。
二硫化钼粉末及二硫化钨粉末的化学镀过程同碳纤维相同,其中,二硫化钼因在沸酸中发生氧化而不进行粗化处理。
步骤2)配料及混料:
选用20μm的Cu-10Ni-8Sn合金粉末与步骤1)所得改性固体润滑剂以70:30的体积比进行干混复合混合粉末,其中,改性固体润滑剂包括铜镍包覆碳纤维、铜镍包覆二硫化钼粉末和铜镍包覆二硫化钨粉末,其三者体积比为1:1:1,干混转速为30r/min,时间为12h。
步骤3)混合粉末还原处理:
将步骤2)所得混合粉末在氢气中还原处理得到还原粉末,还原温度为400℃,还原时间为2h。
步骤4)热压烧结:
将步骤3)所得还原粉末进行热压烧结得到块状复合材料,压力为40MPa,以10℃/min的升温速度升温至800℃,保温时间为60min,随后随炉冷却。
步骤5)固溶处理:
将步骤4)所得块状复合材料进行固溶处理,固溶温度为850℃,保温时间为1h,出炉后进行水淬。
步骤6)时效处理:
将步骤5)所得固溶后的复合材料进行时效处理即得到本实施例中的Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料,时效温度为450℃,时效时间为1h。
实施例5:
一种Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料,包括Cu-Ni-Sn基合金基体和改性固体润滑剂,改性固体润滑剂分散于Cu-Ni-Sn基合金基体中,改性固体润滑剂包括润滑剂以及包覆于润滑剂表面的镍铁镀层,改性固体润滑剂的体积占Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料总体积的40%。
上述Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料的制备方法包括以下步骤:
步骤1)固体润滑剂粉末表面化学镀:
(1)预处理:选用5μm的硫化亚铁粉末和二硫化钨粉末、25μm的氟化钙粉末以及45μm的氮化硼粉末,先将硫化亚铁粉末置于120g/L氢氧化钾溶液中搅拌煮沸1h后用去离子水洗涤至中性,达到除油效果;将除油处理后的硫化亚铁置于120mL/L硝酸溶液中搅拌煮沸1h后用去离子水洗涤至中性,达到粗化效果;将粗化处理后的硫化亚铁置于20g/L氯化亚锡溶液中,于室温下搅拌1h进行敏化处理,其中,敏化处理的pH<3,敏化后用去离子水洗涤至中性;将敏化处理后的硫化亚铁置于10mg/L氯化钯溶液中,于60℃下搅拌1h进行活化处理,其中,活化处理的pH<2,活化后用去离子水洗涤至中性并干燥。
(2)化学镀:配制以25g/L硫酸镍、15g/L硫酸亚铁铵为主盐,35g/L柠檬酸、20g/L酒石酸钾钠为络合剂,0.4g/L甘氨酸为稳定剂,0.2g/L聚乙二醇为表面活性剂的镀液,将预处理后的硫化亚铁置于镀液中,于pH为12-13、温度为50℃下,加入2g/L硼氢化钠进行反应,反应结束后用去离子水洗涤至中性并干燥,最终在硫化亚铁表面镀覆15vol%的镍铁镀层即得到改性固体润滑剂。
二硫化钨粉末、氟化钙粉末及氮化硼粉末的化学镀过程与硫化亚铁粉末相同。
步骤2)配料及混料
选用40μm的Cu-21Ni-5Sn合金粉末与与步骤1)所得改性固体润滑剂以60:40的体积比进行干混复合混合粉末,其中,改性固体润滑剂包括镍铁包覆硫化亚铁粉末、镍铁包覆二硫化钨粉末、镍铁包覆氟化钙粉末、镍铁包覆氮化硼粉末,其四者的体积比为1:1:1:1,干混转速为30r/min,时间为36h。
步骤3)混合粉末还原处理:
将步骤2)所得混合粉末在氢气中还原处理得到还原粉末,还原温度为400℃,还原时间为2h。
步骤4)热压烧结:
将步骤3)所得还原粉末进行热压烧结得到块状复合材料,压力为25MPa,以20℃/min的升温速度升温至900℃,保温时间为45min,随后随炉冷却。
步骤5)固溶处理:
将步骤4)所得块状复合材料进行固溶处理,固溶温度为800℃,保温时间为1h,出炉后进行水淬。
步骤6)时效处理:
将步骤5)所得固溶后的复合材料进行时效处理即得到本实施例中的Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料,时效温度为450℃,时效时间为0.5h。
实施例6:
一种Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料,包括Cu-Ni-Sn基合金基体和改性固体润滑剂,改性固体润滑剂分散于Cu-Ni-Sn基合金基体中,改性固体润滑剂包括润滑剂以及包覆于润滑剂表面的钴镀层,改性固体润滑剂的体积占Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料总体积的10%。
上述Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料的制备方法包括以下步骤:
步骤1)固体润滑剂粉末表面化学镀:
(1)预处理:选用45μm的石墨粉末和氮化硼粉末,先将石墨粉末置于120g/L氢氧化钾溶液中搅拌煮沸1h后用去离子水洗涤至中性,达到除油效果;将除油处理后的石墨粉末置于120mL/L硝酸溶液中搅拌煮沸1h后用去离子水洗涤至中性,达到粗化效果;将粗化处理后的石墨粉末置于20g/L氯化亚锡溶液中,于室温下搅拌1h进行敏化处理,其中,敏化处理的pH<3,敏化后用去离子水洗涤至中性;将敏化处理后的石墨粉末置于8mg/L氯化钯溶液中,于50℃下搅拌1h进行活化处理,其中,活化处理的pH<2,活化后用去离子水洗涤至中性并干燥。
(2)化学镀:配制以22g/L硫酸钴为主盐,20g/L柠檬酸为络合剂,0.4g/L甘氨酸为稳定剂,0.15g/L聚乙二醇为表面活性剂的镀液,将预处理后的石墨粉末置于镀液中,于pH为11-13、温度为50℃下,加入10ml/L水合肼进行反应,反应结束后用去离子水洗涤至中性并干燥,最终在石墨粉末表面镀覆10vol%的钴镀层得到改性固体润滑剂。
氮化硼粉末的化学镀过程同石墨相同。
步骤2)-步骤6)与实施例2的步骤2)-步骤6)相同。
实施例7:
一种Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料,包括Cu-Ni-Sn基合金基体和改性固体润滑剂,改性固体润滑剂分散于Cu-Ni-Sn基合金基体中,改性固体润滑剂包括润滑剂以及包覆于润滑剂表面的铜镀层,改性固体润滑剂的体积占Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料总体积的10%。
上述Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料的制备方法包括以下步骤:
步骤1)固体润滑剂粉末表面化学镀:
(1)预处理:选用45μm的石墨粉末和氮化硼粉末,先将石墨粉末置于120g/L氢氧化钾溶液中搅拌煮沸1h后用去离子水洗涤至中性,达到除油效果;将除油处理后的石墨粉末置于120mL/L硝酸溶液中搅拌煮沸1h后用去离子水洗涤至中性,达到粗化效果;将粗化处理后的石墨粉末置于20g/L氯化亚锡溶液中,于室温下搅拌1h进行敏化处理,其中,敏化处理的pH<3,敏化后用去离子水洗涤至中性;将敏化处理后的石墨粉末置于8mg/L氯化钯溶液中,于50℃下搅拌1h进行活化处理,其中,活化处理的pH<2,活化后用去离子水洗涤至中性并干燥。
(2)化学镀:配制以28g/L硫酸铜为主盐,18g/L EDTA、15g/L酒石酸钾钠为络合剂的镀液,将预处理后的碳纤维置于镀液中,于pH为13、温度为40℃下,加入25g/L乙醛酸进行反应,反应结束后用去离子水洗涤至中性并干燥,最终在石墨粉末表面镀覆10vol%的铜镀层得到改性固体润滑剂。
氮化硼粉末的化学镀过程同石墨相同。
步骤2)-步骤6)与实施例2的步骤2)-步骤6)相同。
对比例1:
一种Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料,包括Cu-Ni-Sn基合金基体和固体润滑剂,固体润滑剂分散于Cu-Ni-Sn基合金基体中,固体润滑剂的体积占Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料总体积的10%。
上述Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料的制备方法包括以下步骤:
步骤1)配料及混料:
选用90μm的Cu-9Ni-6Sn合金粉末与固体润滑剂以90:10的体积比进行干混得到混合粉末,其中,固体润滑剂包括石墨粉末及氮化硼粉末,其二者体积比为1:1,干混转速为30r/min,时间为48h。
步骤2)-步骤5)与实施例2的步骤3)-步骤6)相同。
对比例2:
一种Cu-Sn基自润滑复合材料,包括Cu-Sn基合金基体和改性固体润滑剂,改性固体润滑剂分散于Cu-Sn基合金基体中,改性固体润滑剂包括润滑剂以及包覆于润滑剂表面的镍铁镀层,改性固体润滑剂的体积占Cu-Sn基自润滑复合材料总体积的10%。
本对比例的其他条件均与实施例2相同,区别仅在于本对比例采用Cu-10Sn基合金基体。
对实施例1-7与对比例1-2中制备得到的自润滑复合材料进行性能测试,结果如下表1所示。测试条件如下:室温干磨,环块式摩擦磨损,摩擦对偶环为38GrMoAl钢,自润滑复合材料摩擦块尺寸为19.05mm×12.30mm×12.30mm,摩擦载荷50N,摩擦时间2h,转速1.29m/s。
表1:实施例1-7与对比例1-2中自润滑复合材料性能
Figure BDA0002898800140000111
Figure BDA0002898800140000121

Claims (6)

1.一种Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料的制备方法,其特征在于,Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料包括Cu-Ni-Sn基合金基体和改性固体润滑剂,所述改性固体润滑剂分散于所述Cu-Ni-Sn基合金基体中,所述改性固体润滑剂包括润滑剂以及包覆于所述润滑剂表面的改性镀层,所述改性固体润滑剂的体积占所述Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料总体积的10%;
所述制备方法包括以下步骤:
(1)利用化学镀在润滑剂表面镀覆改性镀层得到改性固体润滑剂;
(2)将Cu-Ni-Sn基合金基体与步骤(1)中的改性固体润滑剂混合均匀得到混合粉末;
(3)对步骤(2)中的混合粉末在氢气下进行还原处理得到还原粉末;
(4)对步骤(3)中的还原粉末采用热压烧结处理得到块体复合材料;
(5)对步骤(4)中的块体复合材料进行固溶处理,然后进行水淬,再进行时效处理,即得到所述Cu-Ni-Sn基自润滑复合材料;
所述Cu-Ni-Sn基合金基体主要由Cu-Ni-Sn合金粉末组成;
所述改性镀层为镍铁镀层;
所述固溶处理的温度为700-850℃,保温时间为1-2h,所述时效处理的温度为350-450℃,时效时间为0.5-4h。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述Cu-Ni-Sn合金粉末包括Cu-15Ni-8Sn、Cu-9Ni-6Sn、Cu-12Ni-8Sn、Cu-21Ni-5Sn或Cu-10Ni-8Sn,所述Cu-Ni-Sn合金粉末的平均粒径为20-150μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述润滑剂包括二硫化钼、二硫化钨、石墨、氧化铅、氟化钙、氟化钡、碳纤维、二硒化铌、二硒化钨、氮化硼和硫化亚铁中的一种或多种,所述润滑剂的平均粒径为5-45μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述还原处理的温度为400-500℃,还原时间为1-2h。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述热压烧结处理时控制升温速率为10-25℃/min,烧结温度为800-950℃,烧结压力为15-40MPa,保温时间为30-60min。
6.根据权利要求1、4或5中任一项所述的制备方法,其特征在于,利用化学镀在润滑剂表面镀覆改性镀层包括以下步骤:
(a)对润滑剂粉末依次进行碱处理除油、酸处理粗化、氯化亚锡溶液敏化以及氯化钯溶液活化;
(b)配制化学镀液,将经过步骤(a)处理的润滑剂粉末置于镀液中,于pH为5-13、温度为40-70℃下,加入还原剂进行反应,反应结束后用去离子水洗涤至中性并干燥,即完成镀覆过程。
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