一種耐高溫寬溫域自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種耐高溫寬溫域自潤(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65–84%、Ag 10–20%、石墨1–5%、BaF2/CaF2共晶5–10%；鎳基合金為霧化合金粉末，其組成及各組分的重量百分含量為：Ni 61–77%、Cr 15–20%、Mo 1–4%、Ti 5–10%、Al 2–5%；BaF2/CaF2共晶由重量百分比38%CaF2和62%BaF2組成。本發(fā)明還公開(kāi)了該復(fù)合材料的制備方法，復(fù)合材料通過(guò)熱壓燒結(jié)技術(shù)制備。本發(fā)明所述復(fù)合材料在低溫（–60℃）至高溫800℃溫度范圍內(nèi)具有低的摩擦系數(shù)和磨損率。本發(fā)明所述復(fù)合材料適合制作高溫軸承、滑塊等部件，在機(jī)械裝備的高溫運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)有廣泛的應(yīng)用前景。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種耐高溫寬溫域自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備方法。該復(fù)合材料適合用 于機(jī)械設(shè)備的高溫運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)部件，其工作溫度可以在-60 °C到800 °C范圍。 一種耐高溫寬溫域自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備方法
【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)高新技術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備中的運(yùn)動(dòng)部位需要承受更高的溫度，比 如高溫軸承、高溫密封等關(guān)鍵部件。因此，高技術(shù)裝備領(lǐng)域?qū)τ趶牡蜏兀╛60°C)至高溫(800 °C)條件下具有連續(xù)潤(rùn)滑性能的材料和技術(shù)具有迫切的需求。當(dāng)溫度大于400°C，常規(guī)的潤(rùn) 滑油脂、聚合物基自潤(rùn)滑材料等由于揮發(fā)、分解而喪失了潤(rùn)滑作用，石墨、二硫化鉬、軟金屬 等單一的固體潤(rùn)滑劑適用溫度范圍較窄不能滿足寬溫域的實(shí)際使用需求。 目前國(guó)內(nèi)外已有關(guān)于寬溫域自潤(rùn)滑材料和技術(shù)的公開(kāi)專(zhuān)利和相關(guān)報(bào)道，主要為室溫至 高溫700°C，而低溫-60°C至高溫的寬溫域潤(rùn)滑材料和技術(shù)幾乎還沒(méi)有公開(kāi)報(bào)道。美國(guó)NASA 報(bào)道的等離子噴涂？3304涂層（成分為附〇-20%〇2〇3-1〇°從8-10°/(^?2/^?2)在25,500和650 °(：下的摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.31，0.25,0.23以及(48,28，10)\10- 51111113/_(嫩3八/ TM-2009-215678)。專(zhuān)利US 8753417 Bl報(bào)道的PS400涂層（成分為NiMoAl-5%Ag-5%BaF2/ CaF2_20%Cr2〇3)，在25，500和650°C下的摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.8,0.16,0.21以及 (11.8，0.63，0.76) X 10-5 mm3/Nm。中國(guó)專(zhuān)利CNlO 1791701A公開(kāi)了一種鎳基高溫自潤(rùn)滑材 料，室溫下摩擦系數(shù)范圍0.44-0.48，摩擦系數(shù)較高，500°C時(shí)摩擦系數(shù)在0.23-0.25。中國(guó)專(zhuān) 利CN101463439A公開(kāi)的一種Ni 3Al基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料，室溫至1000°C摩擦系數(shù)小于 0.35，磨損率低于5.0 X 10-5 mm3/Nm，自潤(rùn)滑性能良好。中國(guó)專(zhuān)利CN102102155A公開(kāi)的鎳-鋁-石墨自潤(rùn)滑復(fù)合材料，室溫下摩擦系數(shù)在0.31 -0.37，600°C時(shí)摩擦系數(shù)在0.42-0.48，摩 擦系數(shù)較高。文獻(xiàn)（Composites: Part A 38 (2007) 348-352)報(bào)道了一種無(wú)壓燒結(jié)的 PM304材料，與Inconel X-750配副時(shí)，室溫至800°C的摩擦系數(shù)在0.32-0.40，20°C時(shí)磨損率 為41 X HT5 mm3/Nm，800°C時(shí)，磨損率接近20 X HT5 mm3/Nm，材料的磨損率較高。因此，開(kāi)發(fā) 一種低溫至高溫具有連續(xù)潤(rùn)滑性能的寬溫域高溫潤(rùn)滑材料在我國(guó)高端裝備技術(shù)領(lǐng)域具有 非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種_60°C至800°C寬溫域內(nèi)具有良好自潤(rùn)滑性能的耐高 溫寬溫域自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備方法。 本發(fā)明選用具有優(yōu)異高溫力學(xué)性能和抗氧化性能的鎳基合金作為基體材料，采用復(fù)合 固體潤(rùn)滑劑銀、石墨、氟化物的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)低溫至高溫的寬溫域連續(xù)潤(rùn)滑。 一種耐高溫寬溫域自潤(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65-84%^810-20%、石墨1-5%、8&?2/^ &?2共晶5-10%;所述鎳基合金 為霧化合金粉末，其組成及各組分的重量百分含量為：Ni 61-77%、Cr 15-20%、M〇 l-4%、Ti 5-10%、Α1 2-5%;所述BaF2/CaF2共晶由重量百分比38% CaF2和62% BaF2組成。 一種耐高溫寬溫域自潤(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、 銀、石墨和BaF2/CaF2共晶粉末球磨混合得到混合粉末，然后將混合粉末裝入石墨模具中并 將其置于真空熱壓燒結(jié)爐中燒結(jié)，參數(shù)為:真空度低于5 X HT1 Pa，升溫速率20-40°C/min， 燒結(jié)溫度950- 1300°C，壓力5-40 MPa，保溫時(shí)間5-30 min，燒結(jié)結(jié)束后，材料隨爐冷卻至室 溫得到耐高溫寬溫域自潤(rùn)滑復(fù)合材料。 所述球磨的條件為:WC球磨罐，磨球?yàn)閃C，球料比3-5:1，轉(zhuǎn)速100-200轉(zhuǎn)/分，時(shí)間5 -10 小時(shí)。 采用X射線衍射(XRD)分析材料的相組成;采用掃描電子顯微鏡(SEM)分析材料組織結(jié) 構(gòu)和磨斑形貌特征；用顯微硬度計(jì)測(cè)試材料的硬度，測(cè)試條件為，載荷I kg，加載持續(xù)時(shí)間 10 S ;壓縮強(qiáng)度測(cè)試的試樣尺寸為Φ 3mmX4.5mm，壓頭下移速度為0.05mm/min;采用HT-1000高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)復(fù)合材料的摩擦磨損性能，采用球-盤(pán)接觸模式，所制備材料 作為盤(pán)試樣，對(duì)偶為GH4169超合金栓和Si 3N4陶瓷球，載荷5 N，滑動(dòng)線速度I m/s，運(yùn)行時(shí)間 30 min，測(cè)試溫度-60°C、25°C、200°C、400°C、600°C、800°C。摩擦系數(shù)和磨損率取3次試驗(yàn)平 均值。 本發(fā)明采用上述材料組成和工藝參數(shù)制備的耐高溫寬溫域自潤(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)明所述材料致密度高，潤(rùn)滑相和基體相分布均勻且相互間 結(jié)合性良好。 本發(fā)明的特點(diǎn)之二是，本發(fā)明所述材料耐熱性好、抗氧化穩(wěn)定性高。 本發(fā)明的特點(diǎn)之三是，本發(fā)明所述材料從低溫(_60°C)至高溫800°C呈現(xiàn)低的摩擦系數(shù) 和磨損率，如附圖1和附圖2所示。 本發(fā)明的特點(diǎn)之四是，本發(fā)明所述材料的強(qiáng)度較高，室溫壓縮強(qiáng)度為656-1035 MPa，硬 度適中為2.6-3.5 GPa。 本發(fā)明制備的寬溫帶自潤(rùn)滑復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)良好，性能優(yōu)異，作為機(jī)械裝備中的高 溫運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)部件具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0004] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例3制備材料摩擦系數(shù)隨溫度變化的曲線。平均摩擦系數(shù)在低溫 (_60°C)至高溫800°C范圍低于0.25,摩擦系數(shù)隨溫度變化較小。 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備材料磨損率隨溫度變化的曲線。磨損率在l(T5mm3/Nm量級(jí)，隨 溫度升高先升高后降低，材料抗磨損性能較好。
【具體實(shí)施方式】：
[0005] 實(shí)施例1: 按照質(zhì)量百分比：12%Ag、5%BaF2/CaF2共晶、4%石墨粉、79%鎳基合金粉末，分別稱(chēng)取各 粉末物料。其中鎳基合金粉末組成為74%Ni、15%Cr、4%Mo、5%Ti、2%A1。將各種粉末裝入WC球 磨罐中，磨球?yàn)閃C，球料比為5:1，然后將球磨罐置于高能球磨機(jī)中，在200轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)速條件下 混合5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I X 10-1 Pa，升溫速率25°C/min，燒結(jié)溫度1250°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耐高溫寬溫域自潤(rùn)滑復(fù)合材料。 材料的室溫壓縮強(qiáng)度為656 10^，顯微硬度為2.8 6?&，復(fù)合材料-60°(：至800°(：寬溫域 內(nèi)的摩擦系數(shù)和磨損率見(jiàn)表1。 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：15%Ag、8%BaF2/CaF2共晶、2%石墨粉、75%鎳基合金粉末，分別稱(chēng)取各 粉末物料。其中鎳基合金粉末組成為70%Ni、18%Cr、3%Mo、6%Ti、3%A1。將各種粉末裝入WC球 磨罐中，磨球?yàn)閃C，球料比為4:1，然后將球磨罐置于高能球磨機(jī)中，在180轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)速條件下 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2 X 10-1 Pa，升溫速率30°C/min，燒結(jié)溫度1200°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耐高溫寬溫域自潤(rùn)滑復(fù)合材料。 材料的室溫壓縮強(qiáng)度為879 MPa，顯微硬度為3.1 GPa，復(fù)合材料-60°C至800°C寬溫域 內(nèi)的摩擦系數(shù)和磨損率見(jiàn)表2。 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：20%Ag、10%BaF2/CaF2共晶、1%石墨粉、69%鎳基合金粉末，分別稱(chēng)取各 粉末物料。其中鎳基合金粉末組成為66%Ni、20%Cr、2%Mo、8%Ti、4%A1。將各種粉末裝入WC球 磨罐中，磨球?yàn)閃C，球料比為3:1，然后將球磨罐置于高能球磨機(jī)中，在150轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)速條件下 混合10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4 X 10-1 Pa，升溫速率35 °C /min，燒結(jié)溫度1150 °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耐高溫寬溫域自潤(rùn)滑復(fù)合材料。 材料的室溫壓縮強(qiáng)度為1035 1〇^，顯微硬度為3.3 6?&，復(fù)合材料-60°(：至800°(：寬溫域 內(nèi)的摩擦系數(shù)和磨損率見(jiàn)表3。 丟;走偷!咨攏配副的歷擦蒸救和塵梠鑾
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種耐高溫寬溫域自潤(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65-84%、Ag 10-20%、石墨l-5%、BaF2/CaF2共晶5-10%;所述鎳基合 金為霧化合金粉末，其組成及各組分的重量百分含量為：Ni 61-77%、Cr 15-20%、M〇 1-4%、 Ti 5-10%、Α1 2-5%;所述BaF2/CaF2共晶由重量百分比38% CaF2和62% BaF2組成。2. 如權(quán)利要求1所述的耐高溫寬溫域自潤(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、銀、石墨和BaF2/CaF 2共晶粉末球磨混合得到混合粉末，然后將混合粉末 裝入石墨模具中并將其置于真空熱壓燒結(jié)爐中燒結(jié)，參數(shù)為:真空度低于5ΧΠΓ 1 Pa，升溫 速率20-40°C/min，燒結(jié)溫度950-1300°C，壓力5-40 MPa，保溫時(shí)間5-30 min，燒結(jié)結(jié)束后， 材料隨爐冷卻至室溫得到耐高溫寬溫域自潤(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為:WC球磨罐，磨球?yàn)閃C， 球料比3 - 5:1，轉(zhuǎn)速100 - 200轉(zhuǎn)/分，時(shí)間5 -10小時(shí)。
【文檔編號(hào)】C22C19/05GK106086526SQ201610592445
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月26日 公開(kāi)號(hào)201610592445.2, CN 106086526 A, CN 106086526A, CN 201610592445, CN-A-106086526, CN106086526 A, CN106086526A, CN201610592445, CN201610592445.2
【發(fā)明人】楊軍, 劉維民, 甄金明, 朱圣宇, 程軍, 喬竹輝
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所