CN1775424A

CN1775424A - 一种固体自润滑材料的制备方法

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Publication number: CN1775424A
Application number: CN 200510134252
Authority: CN
Inventors: 任卫; 李红印; 张瑞勇; 柳学全; 糜家铃; 黄乃红; 任勃; 姜丽娟; 李红云
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2025-12-15
Also published as: CN100408230C

Abstract

本发明属于粉末冶金材料的制备工艺领域，特别涉及机械、制造等领域中耐温抗重载固体自润滑轴承、摩擦副配偶件、高级密封环等部件所用的固体自润滑材料的制备方法。该制备方法首先利用一氧化碳与金属在一定的温度、压力作用下反应生成羰基金属化合物，然后将羰基金属化合物通过热离解工艺生成所需尺寸的金属粉末，并沉积包覆在固体润滑剂外表面，形成致密结实的固体润滑剂微球，再将此微球与一定比例的金属、合金粉末混和，配制成固体自润滑原料；最终通过冷等静压技术压制成形，再经真空－氢气烧结工艺进行烧结而成。本发明与现有技术相比具有自润滑性能优异、抗重载、耐温、高致密与使用寿命长的优点。

Description

一种固体自润滑材料的制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金材料的制备工艺领域，特别涉及机械、制造等领域中耐温抗重载固体自润滑轴承、摩擦副配偶件、高级密封环等部件所用的固体自润滑材料的制备方法。

背景技术

在现代机械制造过程中，机械和机构中的所有转动零件都需要轴承、轴瓦和轴套来支撑。由于现在机器与机构的运转速度和负荷在急剧的增加，以及高温、多尘、重载等恶劣工况的需求，由固体自润滑材料制成的金属基配件起着越来越重要的作用。金属基固体自润滑材料制成的固体自润滑部件就是在相对润滑的摩擦副表面间，由固体润滑剂实现润滑的效用。因此，固体润滑剂性能的利用与发挥在整个固体自润滑部件中起至关重要的作用。

在以往制造固体自润滑轴承的技术中，曾经有人将石墨和二硫化钼等固体润滑剂与金属粉末直接相混合，然后通过粉末冶金工艺制备出固体自润滑材料。众所周知，石墨和二硫化钼等固体润滑剂的密度比较小，在混料的过程中容易发生偏析，造成材料的成分不均，严重地影响了固体自润滑复合材料的润滑性能与加工性能；而且大部分的固体润滑剂对于金属润湿性较差，与金属烧结成型后强度很低，经过长时间高温烧结，易造成挥发损失，因此得不到较好的效果。日本专利昭58-133346A、昭58-133347A制备的铁基自润滑材料即采用以上混料方式进行烧结，存在较大孔隙度，致使材料使用温度低，润滑性和耐磨性均不理想。中南大学的李溪滨等人采用分步混和的方法配制原料合金粉末：首先将一定配比的锡、铅、铁、镍等金属合金混和制成锌基合金粉末；其次配制不同比例的固体润滑剂混料；最后将以上混好的两种粉末按预定比例相混制成原料合金粉末，再经粉末冶金成型、烧结等工艺制成自润滑轴承。这种分步相混的方法在一定程度上缓解了固体润滑剂与金属粉末直接混和时由于润湿性能差导致的孔隙度大、强度低等缺点，但是这种方法原料耗损较大，而且在烧结工艺中，固体润滑剂裸露在外，仍造成挥发损失、耐高温性能差；部件在使用过程中，固体润滑剂也磨损极快，大大降低了产品的使用寿命。这种方法没能从根本上解决轴承的性能和使用寿命问题。近年来，又有人采用普通金属气相沉积的方法来制取包覆固体自润滑材料的自润滑部件。这种方法在一定程度上解决了材料大孔隙度问题，增强了部件的使用强度，但是该方法对于工艺设备、工艺参数要求十分苛刻，制得的包覆粉产率较低，同时包覆在外层的金属粉粒度不均一且结合不够致密，同样限制了自润滑部件的强度与使用寿命。

发明内容

本专利的目的在于提供一种固体自润滑性能优异、抗重载、耐温、高致密与使用寿命长的固体自润滑材料的制备方法。

根据上述目的，本发明的技术方案为：

首先利用一氧化碳与金属在一定的温度、压力作用下反应生成羰基金属化合物，然后将羰基金属化合物通过热离解工艺生成所需尺寸的金属粉末，并沉积包覆在固体润滑剂外表面，形成致密结实的固体润滑剂微球，再将此微球与一定比例的金属、合金粉末混和，配制成固体自润滑原料；最终通过冷等静压技术压制成形，再经真空-氢气烧结工艺烧结而成。

根据上述目的和技术方案，本发明的工作原理为：

羰基物热离解制粉工艺，它是利用一氧化碳与金属在一定的温度、压力作用下反应生成羰基金属化合物，然后再通过热解而获得粉末的一种方法，上述方法的化学反应方程式为：

式中：Me——金属；Me(CO)_n——羰基金属化合物，Q为热量；用这种方法不仅可以生产纯金属粉末，而且如果同时离解几种羰基物的混合物，还可以制得合金粉末，如果在一些颗粒表面上沉积热离解羰基物，就可以制得包覆粉末。羰基有机化合物在热解时，颗粒在气态中长大的过程十分类似气态金属的结晶过程，也具有成核和长大两个阶段，通过控制羰基热解温度、压力以及载带气体的流量与种类等参数，可以得到不同尺寸、不同颗粒形态的金属粉末。

羰基物热离解工艺包覆固体润滑剂与其它普通包覆方法相比具有显著的优越性：①沉积温度低，成膜面积大；②沉积层厚度均匀，颗粒大小均一，可调范围宽；③沉积粉料纯度高；④粉料颗粒之间结合紧密，包裹的球型颗粒致密结实。正是由于羰基物热离解工艺以上的优势，若固体润滑剂微粒的外表面包覆一层羰基金属粉的包覆层，就形成了固体润滑颗粒与羰基热离解金属的核——壳结构。固体润滑剂表面沉积有一层金属以后，在一定程度上增加了固体润滑剂的密度，便于混料均匀；另一方面使固体润滑剂与基体材料在烧结的过程中，固体润滑剂不会与基体金属发生反应，固体润滑剂也不会因高温分解挥发，保持了固体润滑剂良好的润滑性能与耐久性，提高了自润滑材料的耐高温性；同时，包覆金属的球型颗粒在压制成型时结合的更加密实，保证了自润滑材料的全致密性和高强度。

根据上述目的和工作原理，本发明具体的技术方案为：

该固体自滑润材料所用原料的化学组成成分重量％为：

铁基自润滑材料：金属镍1～25％，铜1～10％，钼1～5％，钨1～7％，石墨1～12％，固体滑润剂1～5％，其余均为铁；

镍基自润滑材料：金属铁10～35％，铜0～15％，钼1～10％，钨1～7％，石墨2～12％，固体润滑剂1～8％，其余均为镍。

上述的固体润滑剂为：MoS₂、MoSe、WSe₂、WS₂、NbSe₂、氟化石墨、TaS₂、CuF₂、MoO₃、PbO/SiO₂、B₂O₃/PbS、BN中的一种或一种以上。

该固体自润滑材料的制备方法，包括如下具体步骤：

(1)、首先利用一氧化碳与金属在一定的温度、压力作用下反应生成羰基金属化合物，然后将羰基金属化合物通过热离解工艺(在一定羰基蒸汽的流量、热解温度、压力以及载带气体的种类与流量的作用下)生成所需尺寸的金属粉末，上述化学反应的方程式为：

式中：Me——金属；Me(CO)_n——羰基金属化合物，Q为热量；

其中：当Me为金属钨、钼时，反应条件①压力为50～60atm，温度为50～80℃，反应条件②热解温度为350～1200℃；当Me为金属镍、铁时，反应条件①压力为100～200atm，温度为100～200℃，反应条件②热解温度为150～300℃；

反应条件②中压力为常压，羰基金属化合物的蒸汽(简称羰基蒸汽)流量控制5～10cm³/min，载带气体为氮气或氩气，羰基蒸汽与载带气体的比例控制为1∶5～1∶20；

然后将上述生成的金属粉末沉积包覆在固体润滑剂外表面，形成致密结实的固体润滑剂微球，再将此微球与一定比例的金属、合金粉末混和，配制成固体自润滑原料；

(2)、将上述配制成的固体自润滑原料通过冷等静压技术压制成形，等静压的液压压力为1500～3000Kg/cm²，保压时间5～15分钟，缓慢卸压至常压；

(3)、再经真空-氢气烧结工艺进行烧结而成，烧结炉先抽真空，然后通入氢气，当压力为0.2～2MPa时，点火快速升温，升温速度控制在5～30℃/min，当温度达到900～1300℃时，保温30～100分钟后，自然降温至500℃，200℃以下关氢气出炉。

本发明与现有技术相比具有制备工艺简单、成品具有固体自润滑性能优异、抗重载、耐温、高致密与使用寿命长的优点。该工艺制备的金属基部件可长期应用在高温(550℃)、重载、多尘的恶劣工况中。上述优点具体为：与传统的铁基或镍基自润滑材料相比，本发明由于引入羰基物热离解制粉工艺包覆固体润滑剂，使得制得的自润滑材料组织致密，几乎无孔隙，耐高温，抗冲击性强，可在重载、多尘、高温(550℃)等恶劣工况下长期工作。

本发明制得的外包裹羰基金属粉的固体润滑剂在高温长时间烧结时，易于均匀地分布在金属基体中，并与金属基体形成金属键链接，使固体润滑剂在使用中缓慢渗透析出形成固体润滑膜，充分提升了固体润滑剂的利用率，提高了材料的润滑特性、耐温性与耐久性；同时，外包覆羰基金属粉末的球形颗粒在压制成型时结合的更加密实，保证了自润滑材料的高致密性和高强度。

本发明所述的固体润滑剂由于外层包覆致密结实的羰基金属粉末，所以在与金属合金进行混料时，不需加入任何粘结剂与液体介质，即可保证材料的相容性和致密性，不仅工艺简单、省时，而且完全克服了不同材料之间物性差异造成的孔隙度大、强度低的缺陷，同时大大提升了固体润滑剂的利用率与效用。

具体实施方式

根据本发明所采用原料物质的化学成分和制备方法，制备了6批固体自润滑材料。按化学成分不同分别进行充分混合，采用不同的羰基物热离解、成型烧结工艺参数进行制备6批不同性能的自润滑材料。6个批号的化学成分如表1所示，羰基物热离解、成形烧结工艺参数如表2所示，表3列出了6批自润滑材料的性能，同时将现有技术对比例金属气相沉积法得到固体自润滑材料的性能列入表3中，序号为7#，本发明实施例为1-6#。

表1本发明实施例所用原料物质的化学组成成分(重量％)

批号	Cu	Mo	Ni	Fe	W	石墨	WS₂	BN	MoS₂
批号	Cu	Mo	Ni	Fe	W	石墨	WS₂	BN	MoS₂		1	8.5	2	12	63.5	3	8		3	铁基
2	10	3.5	15	52	4.5	10			5	铁基	1	8.5	2	12	63.5	3	8		3	铁基
2	10	3.5	15	52	4.5	10			5	铁基	3	5	5	48	25	5	10		2	镍基
4	8	4.5	57.5	15	4	6			5	镍基	3	5	5	48	25	5	10		2	镍基
4	8	4.5	57.5	15	4	6			5	镍基	5	3	0.5	10	77.5	2	4	3		铁基
6	4	1.5	18	68	1.5	2	5			铁基	5	3	0.5	10	77.5	2	4	3		铁基

表2本发明实施例羰基物热离解、成形烧结工艺参数

以上羰基物热离解法中，未注明热解温度，是因为热解的物质非单一物质，热解温度仍为一个范围，所以未明确注明。

表3本发明实施例与现有技术对比例性能对比表

Claims

1、一种固体自润滑材料的制备方法，其特征在于该方法包括如下具体步骤：

(1)、首先利用一氧化碳与金属在一定的温度、压力作用下反应生成羰基金属化合物，然后将羰基金属化合物通过热离解工艺生成所需尺寸的金属粉末，上述化学反应的方程式为：

式中：Me——金属；Me(CO)_n——羰基金属化合物，Q为热量；

其中：当Me为金属钨、钼时，反应条件①压力为50～60atm，温度为50～80℃，反应条件②热解温度为350～1200℃；当Me为金属镍、铁时，反应条件①压力为100～200atm，温度为100～200℃，反应条件②热解温度为150～300℃。

反应条件②中压力为常压，羰基金属化合物的蒸汽流量控制5～10cm³/min，载带气体为氮气或氩气，羰基金属化合物的蒸汽与载带气体的比例控制为1∶5～1∶20；

(3)、再经真空-氢气烧结工艺进行烧结，烧结炉先抽真空，然后通入氢气，当压力为0.2～2MPa时，点火快速升温，升温速度控制在5～30℃/min，当温度达到900～1300℃时，保温30～100分钟后，自然降温至500℃，200℃以下关氢气出炉。