CN114033800B - 对固体润滑剂起到缓释作用的表面复合织构及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对固体润滑剂起到缓释作用的表面复合织构及制备方法，以发动机曲轴轴瓦巴氏合金表面为基础面，利用激光在其上加工出具有一定尺寸参数的微织构；固体润滑剂各组分按一定比例混合后进行第一次填充；孔隙材料的制备，经烧结，冷却，抛光打磨即可得到最终的成品。本发明具有固体润滑剂释放速度可控，摩擦系数低，耐高温耐腐蚀，减振降噪的优点。

Description

对固体润滑剂起到缓释作用的表面复合织构及制备方法
技术领域
本发明涉及表面复合织构及制备，具体涉及一种对固体润滑剂起到缓释作用的表面复合织构及制备方法。
背景技术
表面复合织构工艺是通过物理或化学方法在机械配副表面加工出微坑或微沟槽，随后向微织构中填充固体润滑剂来达到减摩抗磨效果的表面加工工艺。在磨擦运动过程中，固体润滑剂从微织构中释放，促进润滑膜的形成；微织构起到储存润滑油和收集磨屑的作用，通过两者的协同作用，可以很好地改善接触面的摩擦学性能。但现有的表面织构存在着固体润滑剂的释放速度过快，难以控制，导致润滑效果不稳定的问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种对固体润滑剂起到缓释作用的表面复合织构及制备方法，解决现有固体润滑剂的释放速度过快，难以控制，导致润滑效果不稳定的问题。
技术方案：本发明所述的对固体润滑剂起到缓释作用的表面复合织构，包括凹坑，所述凹坑内填充有固体润滑剂，所述固体润滑剂表面覆盖有多孔材料，所述多孔材料为CuAl金属间化合物。
有利于固体润滑剂连续平稳的释放，达到最佳润滑效果，所述凹坑为圆形凹坑，加工织构密度为30％，织构密度根据以下公式计算得到：
单个圆形凹坑视作一个圆，直径为D每行中两个相邻凹坑圆心的中心距为L，每列中两个相邻凹坑圆心的中心距为H，为了便于加工，令L＝H,密度计算公式为TD＝(D2/4H2)×π×100％。
所述固体润滑剂以质量分数计包括h-BN纳米颗粒20％～30％、纳米MoS2颗粒50％～60％、纳米金刚石5％～20％、超细环氧树脂粉末5％～15％，其中，片状h-BN纳米颗粒的颗粒直径为200～250nm，纳米MoS2颗粒直径为90～120nm，纳米金刚石的颗粒直径为40～80nm，超细环氧树脂粉末的颗粒直径为3～10μm。h-BN纳米颗粒层状结构易滑动，具有良好的润滑性，导热性和抗腐蚀性，耐高温且化学性质稳定，纳米MoS2颗粒作为高温高压下的固体润滑剂，纳米金刚石耐高温且化学性质稳定，超高细度和硬度能够在摩擦过程中对接触面起到微抛光的作用，超细环氧树脂粉末可增强固体润滑剂和巴氏合金微坑内表面的粘结力，纳米金钢石的环氧树脂具有更高的黏附性和内聚性，可提高其强度、耐磨性和抗热老化作用。
所述的对固体润滑剂起到缓释作用的表面复合织构的制备方法，包括以下步骤：
(1)激光法加工得到圆形凹坑；
(2)采用热压填充法将固体润滑剂填充到圆形凹坑内；
(3)将Cu、Al粉末按照所需配比在常温下机械混合均匀，模压出片状坯后在真空中烧结脱去水分，升温进行中温固相扩散，最后升温烧结制得CuAl金属间化合物多孔支撑材料；
(4)将甘油和聚乙二醇混合得到有机物添加剂，CuAl金属间化合物多孔支撑材料和有机物添加剂混合得到复合浆料；
(5)将混合浆料涂覆在固体润滑剂表面，真空加热脱除有机物添加剂，继续升温进行固相偏扩散形成孔隙，升温进行均匀化处理，冷却后即可得到对固体润滑剂起到缓释作用的表面复合织构。
所述步骤(1)中利用二级管泵浦Nd:YAG激光加工机在巴氏合金表面进行加工，输出波长为500～600nm，脉冲宽度小于60～70nm，泵浦电流15～18A加工出直径50～120μm，深度15～50μm的均匀分布的圆形微坑。
有利于固体润滑剂更好地黏附于微织构凹坑表面，保证固体润滑剂不会轻易脱落，所述步骤(2)中将h-BN纳米颗粒、纳米MoS2颗粒、纳米金刚石和超细环氧树脂粉末按质量比称量好后在常温下充分混合，取粉末混合物，将其均匀铺展于加工好圆形微坑的巴氏合金表面，然后采用特定的凸形表面压力加载模具，设置加载压力为220～280Mpa对其表面进行加压，填充深度为凹坑深度的3/4～5/6，将加压状态下的压力加载磨具和巴氏合金一同放入180～250℃的电阻炉，加热5～10min后断电取出，加大压力至270～330Mpa后继续放电阻炉中，保持温度230～280℃，每加热8～15min后加压一次，每次加压5～15Mpa，直到加压至330～380Mpa，共计加热1～1.2h，加热完成后冷却至室温。
提高摩擦性能，延长使用寿命，所述步骤(3)中Cu、Al粉末质量配比为7：2～7：5，Cu粉末平均粒径为70～110μm，Al粉末平均粒径为70～100μm，常温下机械混合均匀后，采用模压方式，设置压力为250～330Mpa,压制出片状坯后在真空中烧结，真空控制度为1.0×10-1～1.0×10-2Pa,在130～160℃中烧结35～50min脱去水分，然后将温度升高到500～600℃，进行中温固相扩散，控制时长60～70min，再升温至1100～1300℃，烧结130～180min，制得CuAl金属间化合物多孔支撑材料。
保证有机物添加剂能够完全脱除，形成孔隙分布均匀的微孔，所述步骤(4)中机物添加剂中包括甘油50％～70％和聚乙二醇30％～50％，CuAl金属间化合物多孔支撑材料和有机物添加剂的质量比为2：0.8～2：1.5。
能够使有机物添加剂完全脱除，还能够在固相偏扩散和均匀化处理时形成孔径大小均匀且孔隙密度分布均匀的微孔，所述步骤(5)中采用喷涂法在巴氏合金织构表面刮涂出一层平整连续的复合浆料涂层，在真空氛围中，控制升温速度为10～20℃/min，升温至180～220℃，控制加热时长在40～60min，脱除有机物添加剂后，控制升温速度为10～20℃/min，继续升温至230～280℃，控制加热时长在60～70min，进行固相偏扩散，而后控制升温速度为10～20℃/min，再升温至300～350℃，控制加热时长为100～130min，对材料成分进行均匀化处理，冷却后抛光打磨后即可得到最终复合织构。
技术原理：h-BN纳米颗粒和MoS2纳米颗粒具有耐高温、化学性质稳定和耐腐蚀性能好的优点，纳米金刚石在润滑过程中可以起到微抛光的作用，可以连续稳定的修饰轴瓦的磨损面，提高其摩擦学性能，环氧树脂作为固体润滑剂和巴氏合金微坑接触面之间的粘结剂，增强了两者之间的粘结力，避免出现在摩擦作用下固体润滑剂快速从微织构中脱落的情况。微织构内上层的CuAl金属间化合物孔隙材料因其独特的多孔结构能够对固体润滑剂的释放速度加以控制，固体润滑剂只能通过微孔以较为缓慢的速度释放，有效延长了固体润滑剂的释放时长，对固体润滑剂起到缓释的作用，保证了在轴瓦和曲轴间可形成平稳连续的润滑膜，从而提高其摩擦学性能。
有益效果：本发明织构中上层填充物微孔隙材料能够对固体润滑剂起到缓释作用，在摩擦过程中，下层的固体润滑剂只能通过微孔以较为缓慢的速度释放，可以对固体润滑剂的释放速度进行有效的控制，有利于在轴瓦和曲轴间形成平稳连续的润滑膜，保证发动机能够平稳度过磨合期；孔隙材料由Cu和Al两种元素粉末制备而成，制备流程简单且低成本、低能耗，具有抗高温氧化性能和抗热震性能，能够减小发动机曲轴高冲击力造成的损伤。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为复合织构单个凹坑剖面图，其中1表示轴瓦的钢背，2表示轴瓦表面材料巴氏合金，3表示混合固体润滑剂，4表示孔隙材料；
图3，复合织构轴瓦样图。
具体实施方式
实施例1
制备对固体润滑剂起到缓释作用的表面复合织构，具体过程如下：
(1)将h-BN纳米颗粒(210nm)、纳米MoS2颗粒(100nm)、纳米金刚石(50nm)和超细环氧树脂粉末(5μm)按3:7:1:1的质量比称量好后在常温下充分混合，取粉末混合物，将其均匀铺展于加工好圆形微坑的巴氏合金表面，然后采用特定的凸形表面压力加载模具，设置加载压力为250Mpa,对其表面进行加压，填充深度为凹坑深度的4/5，将加压状态下的压力加载磨具和巴氏合金一同放入200℃的电阻炉，加热5min后断电取出，加大压力至300Mpa后继续放电阻炉中，保持温度250℃，每加热10min后加压10Mpa，直到加压至350Mpa,共计加热1h，加热完成自然冷却至室温后释放压力，取出轴瓦，用砂纸打磨除去表面少量残余的混合粉末。Cu、Al粉末质量配比为7：3，Cu粉末平均粒径为90μm，Al粉末平均粒径为85μm，常温下机械混合均匀后，采用模压方式，设置压力为280Mpa,压制出片状坯后在真空中烧结，真空控制度为1.0×10-1-1.0×10-2Pa,在140中烧结40min脱去水分，然后将温度升高到550℃，进行中温固相扩散，控制时长70min，再升温至1200℃，烧结150min，制得Cu、Al金属间化合物多孔支撑材料。Cu、Al配比为7：3，平均粒径为2μm，甘油和聚乙二醇比例为2：1.2，制成有机物添加剂，混合粉末材料和有机物添加剂的质量比为2：1.2，混合均匀后得到复合浆料。
(2)采用喷涂法在轴瓦巴氏合金织构表面刮涂出一层平整连续的混合CuAl粉末材料和有机物添加剂复合浆料涂层，在真空氛围中，控制升温速度为15℃/min,升温至200℃，加热时长在50min，脱除有机物添加剂后，控制升温速度为15℃/min,继续升温至250℃，控制加热时长在60min，进行固相偏扩散，形成大量孔隙，而后继续控制升温速度为15℃/min,再升温至300℃，加热时长为120min，对材料成分进行均匀化处理，冷却后即可得到CuAl金属间化合物多孔材料，孔隙度为45％，最大孔径2μm，抛光打磨后得到最终成品。
通过试验测得，通过本工艺制得的轴瓦比一般的复合织构的轴瓦具有更加优良摩擦学性能，摩擦系数降低了19.3％，摩擦温度降低了11.6％，振动和噪音均有所减小，且在体积相同的情况下，带有孔隙材料的固体润滑剂的时间相较于没有孔隙材料的固体润滑剂，从微织构中释放完毕的时间延长了31.1％，有效润滑时长得到提高。
实施例2
制备对固体润滑剂起到缓释作用的表面复合织构，具体过程如下：
(1)将h-BN纳米颗粒(230nm)、纳米MoS2颗粒(110nm)、纳米金刚石(60nm)和超细环氧树脂粉末(7μm)按3：8：1：0.5的质量比称量好后在常温下充分混合，取粉末混合物，将其均匀铺展于加工好圆形微坑的巴氏合金表面，然后采用特定的凸形表面压力加载模具，设置加载压力为250Mpa,对其表面进行加压，填充深度为凹坑深度的4/5，将加压状态下的压力加载磨具和巴氏合金一同放入200℃的电阻炉，加热5min后断电取出，加大压力至300Mpa后继续放电阻炉中，保持温度250℃，每加热10min后加压10Mpa，直到加压至350Mpa,共计加热1h，加热完成自然冷却至室温后释放压力，取出轴瓦，用砂纸打磨除去表面少量残余的混合粉末。Cu、Al粉末质量配比为7：3，Cu粉末平均粒径为90μm，Al粉末平均粒径为85μm，常温下机械混合均匀后，采用模压方式，设置压力为280Mpa,压制出片状坯后在真空中烧结，真空控制度为1.0×10-1-1.0×10-2Pa,在140中烧结40min脱去水分，然后将温度升高到550℃，进行中温固相扩散，控制时长70min，再升温至1200℃，烧结150min，制得Cu、Al金属间化合物多孔支撑材料。Cu、Al配比为7：3，平均粒径为2μm，甘油和聚乙二醇比例为2：1.2，制成有机物添加剂，混合粉末材料和有机物添加剂的质量比为2：1.2，混合均匀后得到复合浆料。
(2)采用喷涂法在轴瓦巴氏合金织构表面刮涂出一层平整连续的混合CuAl粉末材料和有机物添加剂复合浆料涂层，在真空氛围中，控制升温速度为15℃/min,升温至200℃，加热时长在50min，脱除有机物添加剂后，控制升温速度为15℃/min,继续升温至250℃，控制加热时长在60min，进行固相偏扩散，形成大量孔隙，而后继续控制升温速度为15℃/min,再升温至300℃，加热时长为120min，对材料成分进行均匀化处理，冷却后即可得到CuAl金属间化合物多孔材料，孔隙度为45％，最大孔径2μm，抛光打磨后得到最终成品。
通过试验测得，相比于一般的复合织构的轴瓦，摩擦系数降低了16.3％，摩擦温度降低了13.2％，在体积相同的情况下，从微织构中释放完毕的时间延长了33.6％。
实施例3
制备对固体润滑剂起到缓释作用的表面复合织构，具体过程如下：
(1)将h-BN纳米颗粒(250nm)、纳米MoS2颗粒(120nm)、纳米金刚石(75nm)和超细环氧树脂粉末(9μm)按2：5：1.5：1的质量比称量好后在常温下充分混合，取粉末混合物，将其均匀铺展于加工好圆形微坑的巴氏合金表面，然后采用特定的凸形表面压力加载模具，设置加载压力为250Mpa,对其表面进行加压，填充深度为凹坑深度的4/5，将加压状态下的压力加载磨具和巴氏合金一同放入200℃的电阻炉，加热5min后断电取出，加大压力至300Mpa后继续放电阻炉中，保持温度250℃，每加热10min后加压10Mpa，直到加压至350Mpa,共计加热1h，加热完成自然冷却至室温后释放压力，取出轴瓦，用砂纸打磨除去表面少量残余的混合粉末。Cu、Al粉末质量配比为7：3，Cu粉末平均粒径为90μm，Al粉末平均粒径为85μm，常温下机械混合均匀后，采用模压方式，设置压力为280Mpa,压制出片状坯后在真空中烧结，真空控制度为1.0×10-1-1.0×10-2Pa,在140中烧结40min脱去水分，然后将温度升高到550℃，进行中温固相扩散，控制时长70min，再升温至1200℃，烧结150min，制得Cu、Al金属间化合物多孔支撑材料。Cu、Al配比为7：3，平均粒径为2μm，甘油和聚乙二醇比例为2：1.2，制成有机物添加剂，混合粉末材料和有机物添加剂的质量比为2：1.2，混合均匀后得到复合浆料。
(2)采用喷涂法在轴瓦巴氏合金织构表面刮涂出一层平整连续的混合CuAl粉末材料和有机物添加剂复合浆料涂层，在真空氛围中，控制升温速度为15℃/min,升温至200℃，加热时长在50min，脱除有机物添加剂后，控制升温速度为15℃/min,继续升温至250℃，控制加热时长在60min，进行固相偏扩散，形成大量孔隙，而后继续控制升温速度为15℃/min,再升温至300℃，加热时长为120min，对材料成分进行均匀化处理，冷却后即可得到CuAl金属间化合物多孔材料，孔隙度为45％，最大孔径2μm，抛光打磨后得到最终成品。
通过试验测得，相比于一般的复合织构的轴瓦，摩擦系数降低了18.2％，摩擦温度降低了14.3％，在体积相同的情况下，从微织构中释放完毕的时间延长了35.7％。
由以上可知，实施例1-3用本文描述的制造工艺加工出对填料起到缓释作用的复合织构轴瓦比一般的复合织构的轴瓦具有更加优良摩擦学性能，摩擦系数降均低了16％以上，摩擦温度降低了均10％以上，震动和噪音均有所减小，且在体积相同的情况下，带有孔隙材料的固体润滑剂的时间相较于没有孔隙材料的固体润滑剂，从微织构中释放完毕的时间均延长了30％以上，有效润滑时长得到较大的提高。
在发动机曲轴上使用本发明的复合织构时，在发动机曲轴工作的磨合期，轴瓦微织构内的孔隙材料因其独特的多孔结构对固体润滑剂的释放有一定的阻碍作用，能够对其释放的速度进行有效的控制，起到缓释的效果，有利于固体润滑剂连续、平稳、均匀的释放，确保发动机能够平稳的度过磨合期。此外，通过改变固体润滑剂颗粒直径、不同成分所占比例以及孔隙材料的填充深度、孔隙度等，可对不同工况下曲轴轴瓦的摩擦学性能加以改善，而且能够将固体润滑剂的释放速度控制在更加合理的范围内。
在发动机曲轴工作的服役期，孔隙材料充分发挥其储存润滑油和收集磨屑的作用，确保其保持良好的摩擦学性能。通过改变孔隙材料的填充深度和孔隙度等可使其在不同工况下表现出更加优良的使用性能。

Claims (6)

1.一种对固体润滑剂起到缓释作用的表面复合织构，其特征在于，包括凹坑，所述凹坑内填充有固体润滑剂，所述固体润滑剂表面覆盖有多孔材料，所述多孔材料为CuAl金属间化合物；
所述凹坑为圆形凹坑，加工织构密度为30％～40％，织构密度根据以下公式计算得到：单个圆形凹坑视作一个圆，直径为D每行中两个相邻凹坑圆心的中心距为L，每列中两个相邻凹坑圆心的中心距为H，为了便于加工，令L＝H,密度计算公式为TD＝(D2/4H2)×π×100％；
所述固体润滑剂以质量分数计包括h-BN纳米颗粒20％～30％、纳米MoS2颗粒50％～60％、纳米金刚石5％～20％、超细环氧树脂粉末5％～15％，其中，片状h-BN纳米颗粒的颗粒直径为200～250nm，纳米MoS2颗粒直径为90～120nm，纳米金刚石的额颗粒直径为40～80nm超细环氧树脂粉末的颗粒直径为3～10μm；
所述的对固体润滑剂起到缓释作用的表面复合织构的制备方法，包括以下步骤：
(1)激光法加工得到圆形凹坑；
(2)采用热压填充法将固体润滑剂填充到圆形凹坑内；
(3)将Cu、Al粉末按照所需配比在常温下机械混合均匀，模压出片状坯后在真空中烧结脱去水分，升温进行中温固相扩散，最后升温烧结制得CuAl金属间化合物多孔支撑材料；
(4)将甘油和聚乙二醇混合得到有机物添加剂，CuAl金属间化合物多孔支撑材料和有机物添加剂混合得到复合浆料；
(5)将混合浆料涂覆在固体润滑剂表面，真空加热脱除有机物添加剂，继续升温进行固相偏扩散形成孔隙，升温进行均匀化处理，冷却后即可得到对固体润滑剂起到缓释作用的表面复合织构。
2.根据权利要求1所述的对固体润滑剂起到缓释作用的表面复合织构，其特征在于，所述步骤(1)中利用二级管泵浦Nd：YAG激光加工机在巴氏合金表面进行加工，输出波长为500～600nm，脉冲宽度小于60～70nm，泵浦电流15～18A加工出直径50～120μm，深度15～50μm的均匀分布的圆形微坑。
3.根据权利要求1所述的对固体润滑剂起到缓释作用的表面复合织构，其特征在于，所述步骤(2)中将h-BN纳米颗粒、纳米MoS2颗粒、纳米金刚石和超细环氧树脂粉末按质量比称量好后在常温下充分混合，取粉末混合物，将其均匀铺展于加工好圆形微坑的巴氏合金表面，然后采用特定的凸形表面压力加载模具，设置加载压力为220～280Mpa对其表面进行加压，填充深度为凹坑深度的3/4～5/6，将加压状态下的压力加载磨具和巴氏合金一同放入180～250℃的电阻炉，加热5～10min后断电取出，加大压力至270～330Mpa后继续放电阻炉中，保持温度230～280℃，每加热8～15min后加压一次，每次加压5～15Mpa，直到加压至330～380Mpa，共计加热1～1.2h，加热完成后冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的对固体润滑剂起到缓释作用的表面复合织构，其特征在于，所述步骤(3)中Cu、Al粉末质量配比为7：2～7：5，Cu粉末平均粒径为70～110μm，Al粉末平均粒径为70～100μm，常温下机械混合均匀后，采用模压方式，设置压力为250～330Mpa,压制出片状坯后在真空中烧结，真空控制度为1.0×10-1～1.0×10-2Pa,在130～160℃中烧结35～50min脱去水分，然后将温度升高到500～600℃，进行中温固相扩散，控制时长60～70min，再升温至1100～1300℃，烧结130～180min，制得CuAl金属间化合物多孔支撑材料。
5.根据权利要求1所述的对固体润滑剂起到缓释作用的表面复合织构，其特征在于，所述步骤(4)中有机物添加剂中包括甘油50％～70％和聚乙二醇30％～50％，CuAl金属间化合物多孔支撑材料和有机物添加剂的质量比为2：0.8～2：1.5。
6.根据权利要求1所述的对固体润滑剂起到缓释作用的表面复合织构，其特征在于，所述步骤(5)中采用喷涂法在巴氏合金织构表面刮涂出一层平整连续的复合浆料涂层，在真空氛围中，控制升温速度为10～20℃/min，升温至180～220℃，控制加热时长在40～60min，脱除有机物添加剂后，控制升温速度为10～20℃/min，继续升温至230～280℃，控制加热时长在60～70min，进行固相偏扩散，而后控制升温速度为10～20℃/min，再升温至300～350℃，控制加热时长为100～130min，对材料成分进行均匀化处理，冷却后抛光打磨后即可得到最终复合织构。
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