一種寬溫域鎳基自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種寬溫域鎳基自潤(rùn)滑復(fù)合材料，該復(fù)合材料的組成及各組分的重量百分含量為：鎳基合金 50～92%、Ag 0～15%、CaF2 3～10%、MoS2 5～25%；鎳基合金為預(yù)燒結(jié)合金粉末，其組成及各組分的重量百分含量為：Ni 69～82%、Cr 9～12%、Mo 6～10%、V 1～3%、Al 2～6%。本發(fā)明還公開了該復(fù)合材料的制備方法，復(fù)合材料通過熱壓燒結(jié)技術(shù)制備。本發(fā)明所述復(fù)合材料在室溫至高溫700℃溫度范圍內(nèi)具有低摩擦系數(shù)磨損率，并且同時(shí)具有高的強(qiáng)度。本發(fā)明所述復(fù)合材料適合制作在低溫至700℃范圍使用的軸承、軸襯、滑塊及密封件等部件，在航空航天、機(jī)械等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種寬溫域鎳基自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種寬溫域鎳基自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備方法。該復(fù)合材料適合于制 作發(fā)動(dòng)機(jī)高溫軸承等運(yùn)動(dòng)部件，其工作溫度可以在室溫至700°c范圍。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著對(duì)小型化、輕量化、高性能以及高效率機(jī)械系統(tǒng)需求的增長(zhǎng)，對(duì)運(yùn)動(dòng) 部件的潤(rùn)滑性能要求也越來越苛刻。當(dāng)溫度超過350°c時(shí)，普通的液體潤(rùn)滑油脂及聚合物基 潤(rùn)滑材料等由于揮發(fā)和分解而失去潤(rùn)滑作用，因此制備發(fā)明室溫至高溫條件下具有連續(xù)潤(rùn) 滑性的寬溫域自潤(rùn)滑復(fù)合材料和技術(shù)具有非常重要的意義。常用的M 〇S2、石墨、DLC薄膜、軟 金屬以及堿金屬氟化物等固體潤(rùn)滑劑僅在較窄的溫度和環(huán)境范圍可提供良好的潤(rùn)滑作用， 單獨(dú)使用時(shí)，均不能滿足寬溫域潤(rùn)滑的要求。
[0003] 目前，關(guān)于鎳基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備技術(shù)的專利和文獻(xiàn)已有報(bào)道，美國(guó) 專利報(bào)道的NiCr - Cr2〇3-Ag+BaF2/CaF2共晶等離子噴涂涂層，即PS304涂層，在25、500和 650°(：時(shí)的摩擦系數(shù)分別為0.31、0.25和0.23，磨損率分別為（48、28、10)\10- 51111113/_。 NASA-TM-2009-215678技術(shù)報(bào)告報(bào)道的NiMoAl - Cr2〇3-Ag+BaF2/CaF2涂層，即PS400涂層， 在25、500和650°C下的摩擦系數(shù)分別為0.8、0.16和0.21，磨損率分別為（11.8、0.63和0.76) X 1(T5 mm3/Nm。專利CN101463439A報(bào)道的一種鎳鋁金屬間化合物基自潤(rùn)滑復(fù)合材料，室溫 至1000°C摩擦系數(shù)和磨損率分別小于0.35和5.0 X ΚΓ5 mm3/Nm，具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能。專利 CN102102155A報(bào)道的通過熱壓燒結(jié)方法制備的Ni - A1 -石墨自潤(rùn)滑復(fù)合材料，與Al2〇3陶瓷 球配副時(shí)，25°C的摩擦系數(shù)為0.31~0.37，磨損率為0.81 X 10_5 mm3/Nm，600°C的摩擦系數(shù) 為0.42~0.48,磨損率為 1.6X10-5 mm3/Nm。文獻(xiàn)(Wear 330-331 (2015) 272-279)報(bào)道了 一種熱壓燒結(jié)的NiCr - BaMo〇4復(fù)合材料，與Si3N4陶瓷球配副時(shí)，室溫時(shí)的摩擦系數(shù)在0.6左 右，600°C時(shí)，摩擦系數(shù)在0.26~0.30，磨損率在10- 5~ΚΓ6 mm3/Nm。因此，開發(fā)室溫至高溫具 有連續(xù)潤(rùn)滑性能的潤(rùn)滑材料在我國(guó)航空航天和國(guó)防高技術(shù)領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種室溫至高溫700°C條件下同時(shí)具有高強(qiáng)度和良好自潤(rùn) 滑性能的寬溫域鎳基自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備方法。
[0005] 本發(fā)明的基體材料鎳基合金是一類非常優(yōu)異的高溫合金，具有良好的高溫力學(xué)和 抗氧化性能，選擇軟金屬Ag、CaF2及M0S2作為復(fù)合固體潤(rùn)滑劑添加到鎳基合金中來實(shí)現(xiàn)復(fù)合 材料室溫至高溫700 °C范圍的連續(xù)潤(rùn)滑。
[0006] -種寬溫域鎳基自潤(rùn)滑復(fù)合材料，其特征在于該復(fù)合材料的組成及各組分的重量 百分含量為:鎳基合金50~92%、Ag 0~15%、CaF2 3~10%、M〇S2 5~25%;所述鎳基合金為預(yù) 燒結(jié)合金粉末，其組成及各組分的重量百分含量為:Ni 69~82%、Cr 9~12%、Mo 6~10%、V 1~3%、A1 2~6%〇
[0007] -種寬溫域鎳基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于具體步驟為:將鎳基合 金、Ag、M〇S2和CaF2粉末球磨混合，然后將混合好的粉末置于裝有石墨模具的真空熱壓燒結(jié) 爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)參數(shù)為:真空度低于IX ΚΓ1 Pa，升溫速率5~30°C/min，燒結(jié)溫度850~ 1250°C，壓力20~40 MPa，保溫時(shí)間20~40 min，燒結(jié)結(jié)束后，復(fù)合材料隨爐冷卻至室溫得 到寬溫域自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
[0008] 所述球磨的條件:WC球磨罐，WC球作為磨球，球料比0.5~3:1，轉(zhuǎn)速100~300轉(zhuǎn)/ 分，時(shí)間3~8小時(shí)。
[0009] 復(fù)合材料的相組成用X射線衍射(XRD)分析;材料的組織結(jié)構(gòu)和磨斑表面形貌特征 用掃描電子顯微鏡(SEM)表征;復(fù)合材料的硬度用顯微硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為:載荷1 kg，加載持續(xù)時(shí)間10 s;采用三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)測(cè)試材料的抗彎強(qiáng)度，試樣尺寸為25 mmX3 mm X3 mm，跨距為20 mm，壓頭下移速度為0.5 mm/min;壓縮強(qiáng)度測(cè)試的試樣尺寸為Φ3 mmX 4.5 mm，壓頭下移速度為0.5 mm/min;復(fù)合材料的摩擦磨損性能用HT-1000高溫摩擦磨損試 驗(yàn)機(jī)進(jìn)行評(píng)價(jià)，接觸模式采用球-盤式，復(fù)合材料作為盤試樣，配副為Si 3N4陶瓷球，載荷5 N， 滑動(dòng)線速度 1 m/s，運(yùn)行時(shí)間30 min，測(cè)試溫度25 °C、200 °C、400 °C、500 °C、600 °C、700 °C。硬 度取10次試驗(yàn)平均值，彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、摩擦系數(shù)和磨損率取3次試驗(yàn)平均值。
[0010] 本發(fā)明采用上述材料組成和工藝參數(shù)制備的鎳基寬溫域自潤(rùn)滑復(fù)合材料具有以 下優(yōu)點(diǎn)： 本發(fā)明的特點(diǎn)之一是，本發(fā)明所述材料熱穩(wěn)定性好，氧化穩(wěn)定性高。
[0011] 本發(fā)明的特點(diǎn)之二是，本發(fā)明所述材料從400~700 °C呈現(xiàn)低于0.2的摩擦系數(shù)，如 附圖1所示。在各溫度段摩擦系數(shù)穩(wěn)定，如附圖3所示600°C下的代表性摩擦系數(shù)曲線。
[0012] 本發(fā)明的特點(diǎn)之三是，本發(fā)明所述材料的強(qiáng)度較高，室溫壓縮強(qiáng)度為810~1150 MPa，硬度適中為3.2~3.8 GPa。
[0013] 本發(fā)明制備的寬溫域自潤(rùn)滑鎳基復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)良好，潤(rùn)滑性能優(yōu)異，作為航 空發(fā)動(dòng)機(jī)及熱核等高溫運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)部件具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備材料摩擦系數(shù)隨溫度變化的曲線。400 °C~700 °C溫度范 圍內(nèi)，平均摩擦系數(shù)低于0.2，且摩擦系數(shù)隨溫度變化較小。
[0015] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例2制備材料磨損率隨溫度變化的曲線。磨損率在1(T5 mm3/Nm至 1(T4 mm3/Nm量級(jí)，隨溫度升高逐漸增大，材料抗磨損性能較好。
[0016] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制備材料在600 °C的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化代表性曲線，摩擦 系數(shù)快速趨于平穩(wěn)且保持穩(wěn)定。
【具體實(shí)施方式】 [0017] 實(shí)施例1: 按照質(zhì)量百分比：5%CaF2、8%M〇S2、87%鎳基合金粉末，分別稱取各粉末物料，其中鎳基 合金粉末組成為69Ni-12Cr-10M〇-3V-6Al。然后將粉末置于高能球磨機(jī)中，在200轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn) 速條件下混合4小時(shí)，得到混合粉末。將混合粉末裝入石墨模具中，然后置于真空熱壓燒結(jié) 爐中燒結(jié)，參數(shù)為：真空度低于5ΧΠΓ 1 Pa，升溫速率10°C/min，燒結(jié)溫度1200°C，壓力35 MPa，保溫時(shí)間25 min，燒結(jié)結(jié)束后，材料隨爐冷卻至室溫得到鎳基寬溫域自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
[0018] 材料的室溫壓縮強(qiáng)度為1150 MPa，彎曲強(qiáng)度為370 MPa，顯微硬度為3.7 GPa，復(fù)合 材料25 °C至700 °C溫度范圍內(nèi)的摩擦系數(shù)和磨損率見表1。
[0019]表1:實(shí)施材料1與Si3N4陶瓷球配副的摩擦系數(shù)和磨損率
實(shí)施例2: 按照質(zhì)量百分比：8%Ag、8%CaF2、15%M〇S2、69%鎳基合金粉末，分別稱取各粉末物料，其 中鎳基合金粉末組成為80Ni-9Cr-6M〇-lV-4Al。然后將粉末置于高能球磨機(jī)中，在250轉(zhuǎn)/分 轉(zhuǎn)速條件下混合6小時(shí)，得到混合粉末。將混合粉末裝入石墨模具中，然后置于真空熱壓燒 結(jié)爐中燒結(jié)，參數(shù)為:真空度2 X ΠΓ1 Pa，升溫速率20°C/min，燒結(jié)溫度1100°C，壓力30 MPa， 保溫時(shí)間20 min，燒結(jié)結(jié)束后，材料隨爐冷卻至室溫得到寬溫域自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
[0020] 材料的室溫壓縮強(qiáng)度為1020 MPa，彎曲強(qiáng)度為470 MPa，顯微硬度為3.5 GPa，復(fù)合 材料25 °C至700 °C寬溫域內(nèi)的摩擦系數(shù)和磨損率見表2。
[0021 ]表2:實(shí)施材料2與Si3N4陶瓷球配副的摩擦系數(shù)和磨損率
實(shí)施例3: 按照質(zhì)量百分比：13%Ag、10%CaF2、25%MoS2、52%鎳基合金粉末，分別稱取各粉末物料。 其中鎳基合金粉末組成為76Ni-llCr-8M〇-2V-3Al。然后將粉末置于高能球磨機(jī)中，在250 轉(zhuǎn)/分條件下混合8小時(shí)，得到混合粉末。將混合粉末裝入石墨模具中，然后置于真空熱壓燒 結(jié)爐中燒結(jié)，參數(shù)為：真空度4XUT 1 Pa，升溫速率30°C/min，燒結(jié)溫度1000 °C，壓力40 MPa，保溫時(shí)間15 min，燒結(jié)結(jié)束后，材料隨爐冷卻至室溫得到寬溫域自潤(rùn)滑復(fù)合材料。 [0022] 材料的室溫壓縮強(qiáng)度為810 MPa，彎曲強(qiáng)度為350 MPa，顯微硬度為3.2 GPa，復(fù)合 材料25 °C至700 °C寬溫域內(nèi)的摩擦系數(shù)和磨損率見表3。
[0023]表3:實(shí)施材料3與Si3N4陶瓷球配副的摩擦系數(shù)和磨損率
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種寬溫域鎳基自潤(rùn)滑復(fù)合材料，其特征在于該復(fù)合材料的組成及各組分的重量百 分含量為:鎳基合金50~92%、Ag 0~15%、CaF2 3~10%、M〇S2 5~25%;所述鎳基合金為預(yù)燒 結(jié)合金粉末，其組成及各組分的重量百分含量為:Ni 69~82%、Cr 9~12%、Mo 6~10%、V 1 ~3%、A1 2~6%〇2. 如權(quán)利要求1所述的寬溫域鎳基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于具體步驟 為:將鎳基合金、Ag、M〇S 2和CaF2粉末球磨混合，然后將混合好的粉末置于裝有石墨模具的真 空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)參數(shù)為:真空度低于IX ΠΓ1 Pa，升溫速率5~30 °C/min，燒 結(jié)溫度850~1250 °C，壓力20~40 MPa，保溫時(shí)間20~40 min，燒結(jié)結(jié)束后，復(fù)合材料隨爐 冷卻至室溫得到寬溫域自潤(rùn)滑復(fù)合材料。3. 如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述球磨的條件:WC球磨罐，WC球作為磨 球，球料比0.5~3:1，轉(zhuǎn)速100~300 r/min，時(shí)間3~8 h。
【文檔編號(hào)】C22C1/10GK105986147SQ201610592466
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2016年7月26日
【發(fā)明人】楊軍, 劉維民, 甄金明, 朱圣宇, 程軍, 喬竹輝, 李斐
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所