專利名稱：金屬基潤滑耐磨功能梯度材料的制作方法
通常按照結(jié)構(gòu)，材料分為兩大類即整體材料和復(fù)合材料，具有潤滑耐磨性能的材料也是如此。整體材料是金屬，塑料或陶瓷等組成的統(tǒng)一均質(zhì)材料，如滑動軸承可以由均質(zhì)銅合金，塑料制成；而復(fù)合材料則種類較多，一般來說有(1)基材外覆蓋其他金屬或高分子化合物等，如鋼材外覆蓋一層銅或鋁，汽油機，柴油機的軸瓦就是如此，有的在外層銅或鋁上鍍一層巴氏合金，(2)以石墨纖維加環(huán)氧樹脂的低摩擦復(fù)合材料(USpatent.4,072.084),(3)采用沉積，濺射，電鍍，離子鍍以至離子注入形成元素及化合物的減摩層(摩擦學(xué)報1994年3期P205,4期P314)，以及應(yīng)用真空或高溫環(huán)境的鍍銀軸承等。
以上三種復(fù)合材料其共同特點不同材料的混合或復(fù)合，即不同材料濃度的分布是均勻的或突變的，而不是依照使用性能采取逐漸變化的分布。
硫化物與氧化物在金屬中常使金屬的性能變壞，如在鋼中，硫化物和氧化物都是雜質(zhì)元素，其含量嚴(yán)格限制在很小范圍。造成性能變壞的原因是硫化物與氧化物在鋼中形狀不規(guī)則，且呈零散不規(guī)則分布。
本發(fā)明的目的在于提供一種新型的復(fù)合材料，是一種梯度結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，具有高的潤滑及低的磨損性能本發(fā)明的目的是通過以下措施來達到的此梯度材料是由各種金屬或粉末冶金材料(用M表示)作為基礎(chǔ)材料，如鐵，銅，鎳，鉬及其合金或金屬及其合金的鍍，滲，涂，沉積層。金屬M與金屬硫化物(用M[S]表示)，金屬氧化物(用M[O]表示)組成的復(fù)合材料。M[S]及M[O]化合物濃度Ds及Do從表面到內(nèi)部逐步降低，在表面M[S]及M[O]的濃度最高。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X則氧化物濃度梯度為dDo/dx硫化物濃度梯度為dDs/dx
而金屬的濃度梯度為-dDM/dx DM為金屬M的濃度在本材料中類型Ⅰ．基礎(chǔ)材料M的濃度DM，在表面最低且自表面到內(nèi)部逐步增加，氧化物M[O]的濃度Do及硫化物M[S]的濃度Ds在表面最高，自表面到內(nèi)部逐步降低分布。
氧化物的濃度梯度大于硫化物的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dx氧化物與硫化物、金屬不同比例的配合，可以得到不同的潤滑耐磨性能與機械性能。氧化物與硫化物濃度的比例為0％＜Do/Do+Ds＜30％或0％＜Ds/Do+Ds＜30％類型Ⅱ．上述類型Ⅰ．硫化物與氧化物分布金屬M中，在硫化物濃度Ds與氧化物濃度Do的最高而金屬濃度的最低處，有一層純化合物層，此層中只有硫化物與氧化物在此層中dDs/dx＜dDo/dx，且DM=0在本類型Ⅱ．中，硫化物與氧化物的濃度比例0％＜Do/Do+Ds＜35％或0％＜Ds/Do+Ds＜30％氧化物與硫化物不同比例的配合，可以得到不同的潤滑耐磨性能與機械性能。
本發(fā)明的基礎(chǔ)材料M是(1)各種金屬或粉末冶金材料，如鐵，銅，鎳，鉬及其合金；(2)上述(1)中的材料經(jīng)電鍍，離子鍍，化學(xué)鍍及電沉積，氣相沉積，氣、液、固相滲各種金屬及碳、氮、硼、硅、硒等非金屬，或兩種及三種以上元素的共滲，共鍍，共沉積層。
本發(fā)明中梯度材料的形狀是線狀、管狀、球狀、棒狀、板狀或是已加工成的機械零件，如軸、曲軸、活塞環(huán)、閥門、泵體、氣缸體、齒輪、蝸輪蝸桿、鏈條、鉆頭、滾刀、銑刀、軋輥、軸承零件、連接軸零件等。
本發(fā)明包括由于制造方法不成熟，M[S]或M[O]梯度不規(guī)則但其使用性能仍較好的材料。
梯度材料制造方法是在密閉設(shè)備或低壓設(shè)備中放置基材M，通入硫及氧，在一定溫度下化合而成，M[S]及M[O]從表面到內(nèi)部濃度逐步降低的梯度材料，或在基材M上施加高壓，或通入金屬鹵化物以加速M[S]及M[O]的形成；也可以用噴涂、沉積、以至粉末燒結(jié)的方法形成潤滑耐磨功能梯度材料。根據(jù)所形成的氧化物、硫化物，可將以上所述方法共同操作或交替操作以得到所需性能的潤滑耐磨功能梯度材料。
實施例一基礎(chǔ)材料是鉬及其合金，或其他金屬如鋼、鐵、銅、鎳、鈦、鋁等合金的鉬及其合金鍍層、滲層、沉積層、噴涂層。
類型Ⅰ．基材鉬或鉬層上，鉬元素〔

圖1中(1)〕的濃度DM表面最低，從表面到內(nèi)部逐步增加；而MoS2〔圖1中(2)〕及MoO3〔圖1中(3)〕的濃度Ds及Do自表面到內(nèi)部逐步降低。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X,MoS2的濃度為Ds,MoO3的濃度為DoMoO3的濃度梯度大于MoS2的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dxMoO3,MoS2的比例為0％＜Do/Do+Ds＜20％類型Ⅱ．在類型Ⅰ．中的MoS2〔圖2中(2)〕及MoO3〔圖2中(3)〕濃度最高而鉬元素〔圖2中(1)〕濃度DM最低處，存在一層純硫化鉬及氧化鉬層〔圖2中(4)〕，而鋁元素不存在。硫化鉬及氧化鉬不同比例配合可以得到不同性能。
在此類型中dDs/dx＜dDo/dx；0.1％＜Do/Do+Ds＜20％此梯度材料中，當(dāng)MoS2濃度越高，其摩擦系數(shù)越??；當(dāng)Mo元素含量越高其韌性越好。
實施例二基礎(chǔ)材料是鎢及其合金，或其他金屬如鋼、鐵、銅、鎳、鈦、鋁等合金的鎢及其合金的鍍層、滲層、沉積層、噴涂層。
類型Ⅰ．基材鎢或鎢層上，鎢元素的濃度DM表面最低，從表面到內(nèi)部逐步增加；而WS2及WO3的濃度Ds及Do自表面到內(nèi)部逐步降低。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X,WS2的濃度為Ds,WO3的濃度為DoWO3的濃度梯度大于WS2的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dxWO3,WS2的比例為0％＜Do/Do+Ds＜30％類型Ⅱ．在類型Ⅰ．中的WS2及WO3濃度最高表面，可以存在一層純硫化鎢及氧化鎢層而鎢元素不存在。
在此類型中dDs/dx＜dDo/dx Dw=0；在類型Ⅰ．及類型Ⅱ．中硫化鎢及氧化鎢不同比例配合可以得到不同性能。
0％＜Do/Do+Ds＜20％實施例三基礎(chǔ)材料是鋼鐵，如碳鋼、合金鋼、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、合金鑄鐵、鐵基粉末合金等。
鋼的硫化物M[S]有硫化亞鐵FeS，硫化鐵FeS2；在材料中FeS的濃度大于FeS2的濃度；氧化物M[O]有Fe3O4、Fe2O3、FeO。
類型Ⅰ．氧化物M[O]的濃度Do及硫化物M[S]的濃度Ds在表面最大，自表面到內(nèi)部逐步降低呈梯度分布于鋼鐵中。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X，M[O]的濃度梯度大于M[S]的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dxM[O],M[S]的比例為0％＜Do/Do+Ds＜30％而鐵元素的濃度DM在表面最低，從表面到內(nèi)部逐步增加。
類型Ⅱ．在類型Ⅰ．中的硫化物M[S]及氧化物M[O]的濃度最高而鐵元素濃度最低表面，存在一純硫化物及氧化物層且鐵元素不存在。
在此類型中dDs/dx＜dDo/dx0.1％＜Do/Do+Ds＜35％ DFe=0在類型Ⅱ．中，當(dāng)化合物層中FeS濃度越高，其摩擦系數(shù)越低；當(dāng)dDs/dx＜dDo/dx DFe=0且化合物層的表面只有Fe3O4時，梯度材料有較好的耐蝕性；在材料磨損后期，氧化物濃度較高時，材料磨損較小。
在合金鋼中由于含有合金元素，制造過程中與硫、氧反應(yīng)，可以出現(xiàn)合金元素的硫化物及氧化物。
實施例四基礎(chǔ)材料是銅及其合金，或其他金屬如鋼、鐵、鎳、鈦、鉬、鋁等合金的銅及其合金鍍層、滲層、沉積層、噴涂層與銅基粉末冶金等。
銅的硫化物M[S]有CuS、Cu2S；在材料中CuS的濃度大于Cu2S的濃度；氧化物M[O]有CuO、Cu2O。
類型Ⅰ．氧化物M[O]的濃度Do及硫化物M[S]的濃度Ds在表面濃度最高，自表面到內(nèi)部逐步降低呈梯度分布于銅及其合金中。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X，M[O]的濃度梯度大于M[S]的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dxM[O],M[S]的比例為0％＜Do/Do+Ds＜30％而銅元素的濃度DM在表面最低，從表面到內(nèi)部逐步增加。
類型Ⅱ．在類型Ⅰ．中的硫化物M[S]及氧化物M[O]的濃度最高而銅元素濃度最低處，存在一純硫化物及氧化物層且銅元素不存在。
在此類型中dDs/dx＜dDo/dx DM=0；0％＜Do/Do+Ds＜35％實施例五基礎(chǔ)材料是鈷及其合金，或其他金屬如鋼、鐵、銅、鎳、鈦、鉬、鋁等合金的鈷及其合金鍍層、滲層、沉積層、噴涂層與鈷基硬質(zhì)合金等。
鈷的硫化物Co[S]；氧化物Co[O]。
類型Ⅰ．氧化物Co[O]的濃度Do及硫化物Co[S]的濃度Ds在表面最大，自表面到內(nèi)部逐步降低呈梯度分布于鈷及其合金中。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X，Co[O]的濃度梯度大于Co[S]的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dxCo[O],Co[S]的比例為0％＜Do/Do+Ds＜10％而鈷元素的濃度DM在表面最低，從表面到內(nèi)部逐步增加。
類型Ⅱ．在類型Ⅰ．中的硫化物Co[S]及氧化物Co[O]的濃度最高而鈷元素濃度最低處，存在一純硫化物及氧化物層且鈷元素不存在。
在此類型中dDs/dx＜dDo/dx DM=00％＜Do/Do+Ds＜15％實施例六基礎(chǔ)材料是鎳及其合金，或其他金屬如鋼、鐵、銅、鈷、鈦、鉬、鋁等合金的鎳及其合金鍍層、滲層、沉積層、噴涂層等。
鎳的硫化物Ni[S]，氧化物Ni[O]。
類型Ⅰ．氧化物Ni[O]的濃度Do及硫化物Ni[S]的濃度Ds在表面最大，自表面到內(nèi)部逐步降低呈梯度分布于鎳及其合金中。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X,Ni[O]的濃度梯度大于Ni[S]的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dxNi[O],Ni[S]的比例為0％＜Do/Do+Ds＜15％而鎳元素的濃度DM在表面最低，從表面到內(nèi)部逐步增加。
類型Ⅱ．在類型Ⅰ．中的硫化物Ni[S]及氧化物Ni[O]的濃度最高而鎳元素濃度最低處，存在一純硫化物及氧化物層且鎳元素不存在。
在此類型中dDs/dx＜dDo/dx DM=00％＜Do/Do+Ds＜20％實施例七基礎(chǔ)材料是鈦及其合金，或其他金屬如鋼、鐵、銅、鈷、鎳、鉬、鋁等合金的鈦及其合金鍍層、滲層、沉積層、噴涂層等。
鈦的硫化物Ti[S]，氧化物Ti[O]。
類型Ⅰ．氧化物Ti[O]的濃度Do及硫化物Ti[S]的濃度Ds在表面最大，自表面到內(nèi)部逐步降低呈梯度分布于鈦及其合金中。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X，Ti[O]的濃度梯度大于Ti[S]的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dxTi[O],Ti[S]的比例為0％＜Do/Do+Ds＜30％而鈦元素的濃度DM在表面最低，從表面到內(nèi)部逐步增加。
類型Ⅱ．在類型Ⅰ．中的硫化物Ti[S]及氧化物Ti[O]的濃度最高而鈦元素濃度最低處，存在一純硫化物及氧化物層且鈦元素不存在。
在此類型中dDs/dx＜dDo/dx DM=00％＜Do/Do+Ds＜35％實施例八基礎(chǔ)材料是鈹或鋁及其合金，或其他金屬如鋼、鐵、鎳、鈦、鉬等合金的鈹或鋁及其合金鍍層、滲層、沉積層、噴涂層等。
鈹或鋁的硫化物M[S]，氧化物M[O]。
類型Ⅰ．氧化物M[O]的濃度Do及硫化物M[S]的濃度Ds在表面最大，自表面到內(nèi)部逐步降低呈梯度分布于鈹或鋁及其合金中。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X,M[O]的濃度梯度大于M[S]的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dx
M[O],M[S]的比例為0％＜Ds/Do+Ds＜30％而鈹或鋁元素的濃度DM在表面最低，從表面到內(nèi)部逐步增加。
類型Ⅱ．在類型Ⅰ．中的硫化物M[S]及氧化物M[O]的濃度最高而鈹或鋁元素濃度最低處，存在一純硫化物及氧化物層且鈹或鋁元素不存在。
在此類型中dDs/dx＜dDo/dx DM=00％＜Ds/Do+Ds＜30％實施例九基礎(chǔ)材料是鉭或鈮及其合金，或其他金屬如鋼、鐵、鎳、鈦、鉬、鋁等合金的鉭或鈮及其合金鍍層、滲層、沉積層、噴涂層等。
鉭或鈮的硫化物M[S]，氧化物M[O]。
類型Ⅰ．氧化物M[O]的濃度Do及硫化物M[S]的濃度Ds在表面最大，自表面到內(nèi)部逐步降低呈梯度分布于鉭或鈮及其合金中。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X,M[O]的濃度梯度大于M[S]的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dxM[O],M[S]的比例為0％＜Do/Do+Ds＜25％而鉭或鈮元素的濃度DM在表面最低，從表面到內(nèi)部逐步增加。
類型Ⅱ．在類型Ⅰ．中的硫化物M[S]及氧化物M[O]的濃度最高而鉭或鈮元素濃度最低處，存在一純硫化物及氧化物層且鉭或鈮元素不存在。
在此類型中dDs/dx＜dDo/dx DM=00％＜Do/Do+Ds＜30％
權(quán)利要求
1．一種復(fù)合材料，其特征是由各種金屬或粉末冶金材料作為基礎(chǔ)材料(用M表示)，如鐵，銅，鎳，鉬及其合金或金屬及其合金的鍍，滲，涂，沉積層。金屬M與金屬硫化物(用M[S]表示)，金屬氧化物(用M[O]表示)組成的復(fù)合材料。M[S]及M[O]的濃度從表面到內(nèi)部逐步降低，而金屬M的濃度從表面到內(nèi)部逐步增加，是梯度結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。
2．根據(jù)權(quán)利要求1．所述的復(fù)合材料，其特征是此復(fù)合材料有兩種類型類型Ⅰ．在基礎(chǔ)材料中，M[S]及M[O]的濃度從表面到內(nèi)部逐步降低，在表面M[S]及M[O]的濃度最高，而M的濃度最低。類型Ⅱ．在基礎(chǔ)材料中，M[S]及M[O]的濃度在金屬M中自表面到內(nèi)部逐步降低，在M[S]及M[O]的濃度最高而M的濃度最低處，存在一無金屬M，只有M[S]及M[O]的純化合物表面。
3．根據(jù)權(quán)利要求1．2．所述的梯度材料制造的機械零件或機器。
4．根據(jù)權(quán)利要求1．2．所述的梯度材料制成的板，棒，管材，或各種型材。
5．根據(jù)權(quán)利要求1．2．所述的梯度材料制造的各種設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明是一種金屬基潤滑耐磨功能梯度材料。它不同于現(xiàn)有的整體或復(fù)合潤滑耐磨材料,它是金屬M與金屬硫化物M[S]及金屬氧化物M[O]聯(lián)合組成的復(fù)合材料,M[S]及M[O]的濃度從表面到內(nèi)部逐步降低,而金屬M的濃度從表面到內(nèi)部逐步增加,是一種具有潤滑,耐磨等特殊功能,且保持金屬的強韌性優(yōu)點的梯度材料。
文檔編號C23C8/36GK1217438SQ97120249
公開日1999年5月26日 申請日期1997年11月7日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月7日
發(fā)明者張昕輝, 張弋飛 申請人:張昕輝, 張弋飛