專利名稱：高溫合金基自潤滑復合材料及其表面圖案化處理方法
技術領域：
本發明屬于自潤滑復合材料及其表面改性技術，用于解決空間機械軸承和密封部件在高溫高壓等苛刻條件下無法實現油脂潤滑場合的潤滑問題，特別是一種高溫合金基自潤滑復合材料及其表面圖案化處理方法。
背景技術：
航空、航天、核能等高新技術的發展，對材料的高溫性能及高溫潤滑提出了更高的要求，如絕熱柴油發動機軸承襯墊的工作溫度達600～1000℃。普通潤滑油脂已不再適用，固體潤滑劑如一些金屬硫化物、氧化物、軟金屬等，能耐高溫又能減磨，所以采用固體潤滑劑是解決高溫潤滑的有效途徑。
目前，采用固體潤滑劑作為高溫潤滑材料的手段主要有兩種一種是將潤滑劑與金屬基體混合均勻，壓制成型，通過粉末冶金等方法制成整體材料，使摩擦副起到自潤滑作用；另一種方法，即高溫潤滑涂層。前一種方法在制備過程中固體潤滑劑容易與基體金屬反應，生成其它物質而降低潤滑效果，而后者則存在承載能力低，使用壽命難以滿足苛刻工況要求的問題。
在金屬表面圖案化處理是一種提高材料摩擦學性能的有效方法。表面圖案化處理可通過激光刻蝕、化學刻蝕和機械加工等方法實現，激光刻蝕由于可精確控制、重復性好而受到重視。目前圖案化處理方法主要應用于機械密封件，改善端面密封在彈流潤滑條件下的潤滑狀態，很少應用于固體潤滑場合，尤其是高溫固體潤滑場合。
2005年公開的專利CN1586770通過將固體潤滑顆粒復合到金屬基體制備自潤滑材料，燒結基體具備0.05-8μm的汗腺式微孔，固體潤滑劑粒子復合在汗腺式結構微孔中，通過摩擦熱使基體中的潤滑劑擴散到摩擦表面，達到高溫自潤滑的目的，該方法難以實現微孔的形狀和分布狀態的設計和準確控制，所以難以預測微孔對潤滑狀態的改善程度。1976年美國專利743004公開了具備規則形狀圓孔的金屬基自潤滑材料，固體潤滑劑儲存在圓形微孔中，由于其基體合金不具備自潤滑性能，所以一旦潤滑劑失效，其摩擦系數將急劇上升。

發明內容
本發明的目的在于提供一種既具有良好的機械強度又具備良好高溫自潤滑性能的合金基復合材料。
本發明的另一個目的在于提供一種降低摩擦系數、延長使用壽命、實現寬溫度范圍低摩擦磨損的高溫合金基自潤滑復合材料的表面圖案化處理方法。
實現本發明目的的技術解決方案一種高溫合金基自潤滑復合材料，各組分及其質量百分含量分別為Ni28.8～56.8％，Fe10.0～30.0％，Cr7.2～14.2％，W5.0～15.0％，C3.0～6.0％，Si0.8％～1.2％，MoS25.0％～15.0％。
本發明的高溫合金基自潤滑復合材料，由以下步驟制成(1)將各組分及其質量百分含量分別為Ni28.8～56.8％，Fe10.0～30.0％，Cr7.2～14.2％，W5.0～15.0％，C3.0～6.0％，Si0.8％～1.2％，MoS25.0％～15.0％的粉末在球磨機或研缽中混合；(2)將均勻混合的金屬粉末冷壓成型后放入石墨模具中，在真空熱壓機上熱壓成型，即先抽真空至1×10-5～9×10-5Pa，充氮氣保護，然后升溫到1200℃～1280℃，達到溫度后施加正壓力12～16MPa，保溫保壓20～30min。
一種高溫合金基自潤滑復合材料的表面圖案化處理方法，包括以下步驟(1)熱壓成型后的鎳鉻基自潤滑復合材料樣品經表面拋光處理，表面粗糙度達到0.3～0.5μm；(2)使用一種Nd:YAG激光器在樣品表面刻蝕微孔，調整聚焦透鏡焦距為40～60mm，焦點處光斑直徑為0.15～0.20mm，調整脈沖寬度為450～500ns，每個脈沖能量為30～50μJ，激光束按環形由外向里加工微孔，該微孔直徑為150～200μm，微孔的深度為10～15μm，兩孔相距0.5～1.0mm，微孔按環形規則排列；(3)刻蝕處理后的表面經過拋光后涂抹層狀固體潤滑劑或添加固體潤滑劑的脂潤滑。
本發明高溫合金基自潤滑復合材料的表面圖案化處理方法的固體潤滑劑采用MoS2或WS2，其中MoS2的粒度為30～50μm，WS2粉末的粒度為200～300nm。
本發明與現有技術相比，其顯著優點是(1)本發明鎳鐵合金基復合材料硬度為HRC30～40，硬度高于同類報道的合金；與氮化硅配副時，室溫～600℃摩擦系數為0.23～0.27，磨損率在10-15m3·N-1·m-1數量級，磨損率比同類報道低一個數量級；(2)鎳鐵合金基復合材料表面經過激光刻蝕處理并添加固體潤滑劑MoS2后摩擦學性能得到大幅度提高，摩擦系數比未經過刻蝕處理的降低了30％，室溫下的摩擦系數由未經過刻蝕處理MoS2潤滑時的0.2～0.4降低為經過刻蝕處理MoS2潤滑時的0.14～0.21。經過激光刻蝕并填充MoS2，400℃時摩擦系數為0.13～0.19，比未刻蝕處理的降低了20％。鎳基自潤滑復合材料經過激光刻蝕后，MoS2潤滑劑粉末的使用壽命得到大幅度提高(提高5倍以上)。(3)在材料激光刻蝕表面涂抹納米WS2粉末，獲得較低的摩擦系數(400～500℃，摩擦系數低于0.1)，并且潤滑劑的有效使用溫度范圍上升到500℃，即WS2可在500℃溫度條件下長期有效。(4)鎳鐵合金基復合材料在圖案化處理后并采用添加MoS2的脂潤滑時，室溫～300℃摩擦系數在0.15左右；300～600℃時摩擦系數為0.2～0.4，圖案化處理延長了含MoS2潤滑脂在高溫段的有效潤滑壽命。
具體實施例方式
實施例1本發明高溫合金基自潤滑復合材料的各組分及其質量百分含量為Ni56.8％，Fe10.0％，Cr11.4％，W10.0％，C6.0％，Si0.8％，MoS25.0％。Ni粒度小于45μm，純度大于96％，Fe采用純度大于98％的還原鐵粉。將上述組分及其質量百分含量的金屬粉末混合后，在球磨機上混料，轉速150r/min，混料30min.將混合粉末先在鋼模中冷壓成盤狀樣品(Φ45×8mm)，然后將樣品依次裝入石墨模具內，每兩個試樣之間用石墨片隔開，在FVPHP-R-10型富士真空熱壓機上熱壓成型，先抽真空至1×10-5Pa，充氮氣保護，然后升溫到1200～1240℃，達到溫度后施加正壓力16MPa，保溫保壓30min。熱壓后的鎳鐵合金基復合材料硬度HRC33，密度5.61g/cm3。與GH1131高溫合金配副時，室溫～600℃時摩擦系數為0.5～0.6，與氮化硅配副時室溫～600℃的摩擦系數為0.23～0.27，磨損率為3.1～3.6×10-15m3·N-1·m-1.適合應用于高溫發動機的軸承及密封部件。
實施例2本發明高溫合金基自潤滑復合材料的各組分及其質量百分含量為Ni36.6％，Fe30％，Cr9.2％，W10％，Si1.2％，C3％，MoS210％。Ni粒度小于45μm，純度大于96％，Fe采用純度大于98％的還原鐵粉。將上述組分及其質量百分含量的金屬粉末混合后，先在鋼模中冷壓成盤狀樣品(Φ45×8mm)，然后將樣品依次裝入石墨模具內，在FVPHP-R-10型富士真空熱壓機上熱壓成型，先抽真空至9×10-5Pa，充氮氣保護，然后升溫到1240～1280℃，達到溫度后施加正壓力12MPa，保溫保壓20min。高溫合金基自潤滑復合材料的表面圖案化處理方法，是使用一種124型Nd:YAG激光器刻蝕微孔，波長1064nm，調整焦距為60mm，焦點處光斑直徑為0.20mm，調整脈沖寬度為500ns，每個脈沖能量為50μJ，激光束按環形由外向里加工微孔，孔間距為1mm。圓孔直徑為180～200μm，，圓孔的深度為12～15μm。經過激光表面處理的復合材料通過機械拋光去除殘渣，并在丙酮中進行超聲波清洗。將粒度30～50μm的片狀MoS2粉末涂抹在經過激光刻蝕處理的表面。鎳鐵合金基復合材料經過激光刻蝕處理經過激光刻蝕處理的摩擦系數由未經過刻蝕處理時的0.2～0.4降低為0.14～0.21，經過激光刻蝕并填充MoS2后400℃時摩擦系數為0.13～0.19。鎳鐵基復合材料經過激光刻蝕后，片狀MoS2粉末的使用壽命提高5倍以上，在未經過刻蝕的表面MoS2潤滑劑在2000轉后開始失效，而經過激光刻蝕處理的表面，MoS2經過12000轉后仍保持良好潤滑狀態。適合應用于航空發動機軸承和密封部件。
實施例3本發明高溫合金基自潤滑復合材料的各組分及其質量百分含量為Ni28.8％，Fe30.0％，Cr7.2％，W15.0％，Si1.0％，C3.0％，MoS215.0％。將上述組分及其質量百分含量的粉末混合后，先在鋼模中冷壓成盤狀樣品，然后將樣品依次裝入石墨模具內，在FVPHP-R-10型富士真空熱壓機上熱壓成型，先抽真空至5×10-5Pa，充氮氣保護，然后升溫到1240～1280℃，達到溫度后施加正壓力12MPa，保溫保壓20min。高溫合金基自潤滑復合材料的表面圖案化處理方法是使用一種124型Nd:YAG激光器刻蝕微孔，波長1064nm，調整焦距為40mm，焦點處光斑直徑為0.15mm，調整脈沖寬度為450ns，每個脈沖能量為30μJ，激光束按環形由外向里加工微孔，孔間距為0.5mm。圓孔直徑為150～180μm，，圓孔的深度為10～12μm。在經過刻蝕處理的表面上涂抹粒度為200～300nm的片狀WS2粉末，獲得較低的摩擦系數，400～500℃時摩擦系數低于0.1，并且潤滑劑的有效使用溫度范圍上升到500℃，即WS2可在500℃溫度條件下長期有效潤滑。該技術適合應用于真空工作環境下空間機械的軸承和密封部件。
實施例4本發明高溫合金基自潤滑復合材料的各組分及其質量百分含量為Ni36.6％，Fe30.0％，Cr14.2％，，W5.0％，Si1.2％，C3.0％，MoS210.0％。將上述組分及其質量百分含量的粉末混合后，先在鋼模中冷壓成盤狀樣品，然后將樣品依次裝入石墨模具內，在FVPHP-R-10型富士真空熱壓機上熱壓成型，先抽真空至5×10-5Pa，充氮氣保護，然后升溫到1200～1240℃，達到溫度后施加正壓力16MPa，保溫保壓30min。高溫合金基自潤滑復合材料的表面圖案化處理方法是采用一種124型Nd:YAG激光器刻蝕微孔，波長1064nm，調整透鏡焦距為60mm，焦點處光斑直徑為0.20mm，調整脈沖寬度為450ns，每個脈沖能量為50μJ，激光束按環形由外向里加工微孔，孔間距為1mm。圓孔直徑為180～200μm，深度為12～15μm。經過激光表面處理的復合材料通過機械拋光去除殘渣，并在丙酮中進行超聲波清洗。在采用添加30wt.％MoS2的鋰基脂潤滑時，室溫～300℃摩擦系數在0.15左右；300～600℃時摩擦系數為0.2～0.4。400℃時潤滑脂的有效潤滑壽命由未刻蝕時的10000轉提高到刻蝕后的30000轉。
權利要求
1.一種高溫合金基自潤滑復合材料，其特征在于各組分及其質量百分含量分別為Ni28.8～56.8％，Fe10.0～30.0％，Cr7.2～14.2％，W5.0～15.0％，C3.0～6.0％，Si0.8％～1.2％，MoS25.0％～15.0％。
2.一種高溫合金基自潤滑復合材料，其特征在于由以下步驟制成(1)將各組分及其質量百分含量分別為Ni28.8～56.8％，Fe10.0～30.0％，Cr7.2～14.2％，W5.0～15.0％，C3.0～6.0％，Si0.8％～1.2％，MoS25.0％～15.0％的粉末在球磨機或研缽中混合；(2)將均勻混合的金屬粉末冷壓成型后放入石墨模具中，在真空熱壓機上熱壓成型，即先抽真空至1×10-5～9×10-5Pa，充氮氣保護，然后升溫到1200℃～1280℃，達到溫度后施加正壓力12～16MPa，保溫保壓20～30min。
3.一種對權利要求1或2所述的高溫合金基自潤滑復合材料的表面圖案化處理方法，其特征在于包括以下步驟(1)熱壓成型后的鎳鉻基自潤滑復合材料樣品經表面拋光處理，表面粗糙度達到0.3～0.5μm；(2)使用一種NdYAG激光器在樣品表面刻蝕微孔，調整聚焦透鏡焦距為40～60mm，焦點處光斑直徑為0.15～0.20mm，調整脈沖寬度為450～500ns，每個脈沖能量為30～50μJ，激光束按環形由外向里加工微孔，該微孔直徑為150～200μm，微孔的深度為10～15μm，兩孔相距0.5～1.0mm，微孔按環形規則排列；(3)刻蝕處理后的表面經過拋光后涂抹層狀固體潤滑劑或添加固體潤滑劑的脂潤滑。
4.根據權利要求3所述的高溫合金基自潤滑復合材料的表面圖案化處理方法，其特征在于固體潤滑劑采用MoS2或WS2，其中MoS2的粒度為30～50μm，WS2粉末的粒度為200～300nm。
全文摘要
本發明公開了一種高溫合金基自潤滑復合材料及其表面圖案化處理方法。其各組分及其質量百分含量為Ni28.8～56.8％，Fe10.0～30.0％，Cr7.2～14.2％，W5.0～15.0％，C3.0～6.0％，Si0.8％～1.2％，MoS
文檔編號C22C1/04GK101078072SQ200610040660
公開日2007年11月28日 申請日期2006年5月26日 優先權日2006年5月26日
發明者熊黨生, 李建亮 申請人:南京理工大學