專利名稱：一種添加MoSe₂的高溫耐磨自潤滑復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種粉末冶金燒結工藝制備的軸承合金材料領域，尤其是指一種耐高溫自潤滑的軸承材料及其制備方法。
背景技術：
航空航天工業、核工業、冶金及化工等領域，其轉動副零件常常工作在高溫、高負荷、真空及強氧化、強輻射等苛刻的條件下工作，工作環境已遠超過一般潤滑油、潤滑脂的使用極限。一般的潤滑油脂在高溫環境下都容易碳化、蒸發失效。在高溫、高速負載下運轉的無油自潤滑軸承、密封環等零部件材料要求強度好、自潤滑性能好、耐腐蝕、減震降噪、抗異物侵入損傷等，一直是新型軸承研究開發的重點方向之一。如軋鋼設備中的運輸輥子軸承，工作在大沖擊、高溫等惡劣工況中。以往使用的滾動軸承易失效、壽命短、維護周期短，需要設計出機械性能與摩擦性能較優的滑動軸承代替， 因而研究高溫耐磨自潤滑材料具有重要意義。現有技術中高溫耐磨材料是由耐高溫基金屬粉未和其他減摩組元材料壓制、燒結、整形而成。一般的鐵基和銅基由于強度不夠，難以勝任軋鋼環境的摩擦磨損，而W、Mo等難溶合金為基體的復合材料，成本太高，企業難以接受。CN1125776A公開了一種鎢-銅-鎳-碳高溫耐磨合金，并用其制成的制品，解決了合金或零件在高溫、特別在急冷急熱得作業中耐磨性能差、使用壽命短等問題。該合金的組成(重量百分含量)為15 60%WC，15 30%Cu，Γ5%Ν , 6%C，余量為W，該合金還可以添加其它添加劑，例如MoC等，以進一步提聞其硬度和耐磨性。但是W含量較聞，生廣成本大幅提聞，不利于規模化應用，同時，該合金的耐高溫性能一般。CN1772934A公開了一種高溫耐磨合金，屬于合金技術領域。該合金由如下重量比例的元素熔煉而成Cu 5. 3%、Mg 0. 7%、Si 1. 5%、Mn 3. 3%、Zr 3. 7%、Co 0. 5%、Cr 3. 5%、Ti :0. 7%、S :0. 6%、Fe : 15%，余量為Al。該合金具有較好的高溫耐磨性，但是其自潤滑性較差。CN101067185A公開了一種高溫長壽自潤滑耐磨合金材料。該自潤滑材料的具體化學成分組成(質量 %)為C O. 35 O. 45%, Si O. 9 I. 2%, Mn 6. 5 8. 0%, Cr 15 16. 5，MoO. 35 O. 45%, Cu O. 8 I. 2%, Al 4. 5 5. 5%, S O. 25 O. 45%, N O. θΓθ. 10%, V O. 15 O. 20%, B
O.05 O. 15%, RE O. 01 O. 15%, P彡O. 025%, Ni彡O. 3%，余量為鐵。該合金材料具有優良的耐磨性能和減摩性能、使用壽命長等優點。但是該合金材料采用了大量的鐵，鐵基體本身強度較差，影響了其最終的高溫力學性能。現有的合金材料高溫耐磨能力不足，無法同時滿足耐高溫、耐磨且自潤滑的要求，并且存在著壽命短、維護難等缺點，尤其對于一些要求無油潤滑的場合，現有合金材料無法滿足其使用要求，因此，研究一種耐溫、耐磨且自潤滑性好的復合材料迫在眉睫
發明內容
針對現有技術的不足，本發明的目的之一在于提供一種添加MoSe2的高溫耐磨自潤滑復合材料。本發明通過選用耐高溫的基體材料，進行合理的材料配方設計，以最大限度地提高合金材料的綜合技術性能，制備一種使用溫度達400°c以上的摩擦系數低、耐磨損性能好、使用壽命長、自潤滑的復合材料。所述添加MoSe2的高溫耐磨自潤滑復合材料，其按質量百分比包括
MoSe21%"35%
水霧化軸承鋼粉末50% 70%
Cr1% 30%
Ni2%"35%
Cu10%"30%
W5% 10%。自潤滑復合材料的摩擦學設計思想立足于對復合材料各組分進行調整和優化，達到協同效應，使復合材料在摩擦過程中產生的氧化物膜具有減摩特性。
根據上述指導，選擇的復合材料各組分由強度高的硬質相，結合牢固的粘結相和分散均勻的潤滑相組成，使各組分的優點特征融合于一體中，制備成綜合性能較好的材料。Fe-Cr復合材料的耐磨性較好，但是塑性較差，影響加工性能。Ni元素在改善復合材料的塑性方面具有獨特的優勢，通過添加Ni元素改善Fe-Cr-Ni復合材料的塑性，有利于復合材料的強化。采用Fe-Cr-Ni高溫合金為集體，具有很好的高溫機械性能、韌性以及減摩耐磨性。銅作為粘結相，在燒結過程中高溫熔化的銅迅速填充氣孔達到致密化燒結，提高了復合材料的密度和強度。二硒化鑰(MoSe2)具有類似石墨片層的層狀結構，層內是很強的共價鍵，層間則是很弱的范德華爾斯力，層與層很容易剝離，具有良好的各向異性及較低的摩擦系數。綜上所述，因此在成分的設計上，選用高純度的硬質顆粒的W、Cr、Ni金屬，其作為增強功能原料，Cu作為粘結相，選用MoSe2作為潤滑減磨相，作為減磨功能材料，進而得到高溫耐磨自潤滑復合材料，實現了結構材料和潤滑材料設計的一體化。作為優選方案，所述復合材料中還包括有石墨，其按質量百分比包括
MoSe22%"25%
水霧化軸承鋼粉末50% 65%
石墨2% 10%
Cr2% 25%
Ni5%"30%
Cu12% 25%
W5% 8%。從碳的原子結構分析，炭石墨材料本身就存在著潤滑性。同一平面層的碳原子之間的距離和層面之間碳原子的距離很近。根據石墨的晶體結構可知，同一平面網層每個碳原子和相鄰的三個碳原子間的距離都相等，構成正六邊形環。由于每個碳原子除了與同一網層平面內的三個碳原子以強共價鍵結合外，還要與鄰近網層中的碳原子與較弱的次價鍵相結合，因此網層之間由較弱的力將其結合在一起。因為原子間的距離越大，其結合力越小。根據計算層與層間的碳原子的結合力要比同一層內碳原子間的結合力小100多倍，所以層與層之間的結合就比較松，因此，石墨在受到外力作用時層面容易發生解理，出現解理面(基面)，因此，石墨具有潤滑的性質。作為優選方案，所述復合材料按質量百分比包括
MoSe24%"15%
水霧化軸承鋼粉末55% 60%
石墨4% 8%
Cr4% 20%
Ni9%"25%
CuI2% 20%
W6% 7%。納米材料具有大的比表面積、低的熔點、高的擴散性等，不但可以在摩擦表面形成 一層易剪切的薄膜，降低摩擦系數，而且還能對表面進行一定程度的修復和填補。因納米材料的尺寸小，可以在摩擦副之間滾動，起到微軸承的作用，能對摩擦表面進行拋光和強化處理，并且支撐載荷，使承載能力提高，摩擦系數降低。另外，由于納米材料的高的擴散能力，使其在金屬表面形成一層滲透層或者擴散層，表現出原位摩擦學原理。因此，納米材料具有優異的抗磨性能，但是，它又不同于一般的固體潤滑材料，它是綜合了液體潤滑和固體潤滑的雙重優點。因此，作為優選方案，本發明所述MoSe2和石墨為直徑為IOOnm以內的納米粒子，例如 5nm、10nm、15nm、20nm、95nm、94nm、85nm、70nm、65nm、55nm、50nm、45nm、40nm，優選 80nm以內的納米粒子，進一步優選60nm以內的納米粒子。所述MoSe2和石墨也可以為三維空間尺度中至少有一維尺度< IOOnm的片狀物質。本發明中所述Cr、Ni、Cu、W的粒徑為300目以上，例如310目、320目、330目、340目、350 目、360 目、370 目、380 目、420 目、430 目、440 目、460 目、480 目，優選 300 目 500
目，進一步優選500目。本領域技術人員可獲知的石墨均可實現本發明。作為優選方案，本發明所述石墨為膠體石墨和/或膨脹石墨。膨脹石墨不僅具備天然石墨本身的耐熱、耐腐蝕、耐輻射、自潤滑等優良特性，而且還具備了天然石墨不具備的輕質、柔軟、多孔、可壓縮、回彈等性能。利用膨脹石墨制成的各種材料具有成本低、壽命長、效果好等優點。本發明所述的“包括”，意指其除所述組分外，還可以包括其他組分，例如可以添加粘合劑、增塑劑、表面活性劑等。例如可以添加環氧樹脂粘合劑，添加內增塑劑D0M，添加表面活性劑以減少納米粒子的團聚現象。這些其他組分賦予所述復合材料不同的特性。除此之外，本發明所述的“包括”，還可以替換為封閉式的“為”或“由……組成”。不管本發明所述添加MoSe2的高溫耐磨自潤滑復合材料包括何種成分，所述復合材料的各組分之和均應為100%。本發明的目的之二在于提供一種上述添加MoSe2的高溫耐磨自潤滑復合材料的制備方法，所述方法包括以下步驟(1)將MoSe2或MoSe2和石墨與Cr、Ni、Cu、W混合，球磨，得到混合料；
(2)將上述混合料壓模成型，并保壓lOslOs，得到壓模毛坯；
(3)將上述壓模毛坯在真空或者惰性氣體中進行燒結，得到添加WS2的新型高溫耐磨自潤滑復合材料。本發明首先通過粉末冶金方法制備得到混合料，然后通過熱等靜壓法制備得到最終產品復合材料。所述方法步驟(I)中可以為MoSe2與Cr、Ni、Cu、W混合，也可以為MoSejP石墨與Cr、Ni、Cu、Fe混合。通過上述方法，可以得到分別含有MoSe2、Cr、Ni、Cu、W和MoSe2、石墨、Cr、Ni、Cu、W的復合材料。另外，所述方法還可以制備得到除上述成分外添加有其他成分的復合材料。其可 以得到如上述所描述的復合材料組成的復合材料。例如添加有表面活性劑、內增塑劑DOM、環氧樹脂粘結劑等的復合材料。對混合物料進行球磨，可以獲得顆粒度較小以及分散均勻的混合料。本領域技術人員可獲知的惰性氣體均可實現本發明，作為優選方案，所述惰性氣體為氦氣、氮氣、氬氣，優選氦氣。所述燒結溫度為IOOO0C 1300°C，例如 1020°C > 1040°C > 1060°C > 1080°C > 1280°C >1260°C、1240°C、122(TC，優選 IllO0C 1300°C，進一步優選 IllO0C 1230。。。燒結過程中，考慮到燒結體的自反應及合金的顆粒粗細度，應嚴格控制溫度升高梯度，減少廢品率。所述燒結時間為Γ4小時，例如3. 8小時，3. 6小時，3. 4小時，3. 7小時，3. 9小時，I. I小時，I. 3小時，I. 5小時，I. 6小時，I. 7小時，I. 8小時，優選f 3. 5小時，進一步優選廣2小時。本領域技術人員可根據需要選擇合適的壓模成型方式，并選擇合適的模具。例如可以選擇滑動軸承瓦模具在400噸壓力機上進行壓模成型，得到軸瓦毛坯，并利用上述所述方法進行燒結、保溫得到耐高溫自潤滑軸承合金復合材料。通過本發明可以制備得到耐高溫自潤滑軸承合金復合材料，應用于核工業、冶金、化工及航天航空工業領域。壓模成型為本領域現有技術，本發明不再贅述。在壓模過程中，保持壓力增加的梯度的合理性，可以獲得結構密實的壓模毛坯，提高最終產品的綜合性能。通過本發明制備得到的添加MoSe2的高溫耐磨自潤滑復合材料具有較好的高溫強度、耐熱性、熱穩定性和經濟性，在高溫尤其是40(T650°C下有優良的抗磨性能并且可實現自潤滑，適應于高溫設備滑動部件，實現了結構材料與潤滑材料設計的一體化。本發明提供的一種耐高溫、耐沖擊、摩擦系數低、耐磨損性能好、使用壽命長、自潤滑的復合材料。可廣泛應用于航空航天工業、核工業、鋼鐵冶金及化工等重型機械裝備中，尤其適用于其中的滑動部件，例如軸承。與現有技術相比，本發明具有如下優點
本發明的合金適用于在高溫工作環境中需要耐磨或自潤滑的相應領域，本發明原料來源豐富，價格低廉，工作壽命大幅度延長，維護容易，且具有適應寬溫度、自潤滑、摩擦系數低等性能。


下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的描述。圖I :本發明制備得到的耐高溫自潤滑復合材料在不同溫度條件下的摩擦系數測試結果;
圖2 :本發明制備得到的分散均勻的添加MoSe2的高溫耐磨自潤滑復合材料的SEM圖。
具體實施例方式為便于理解本發明，本發明列舉實施例 如下。本領域技術人員應該明了，所述實施例僅僅是幫助理解本發明，不應視為對本發明的具體限制。
實施例按照本發明所述的添加MoSe2的高溫耐磨自潤滑復合材料的制備方法制備得到所述復合材料，其組成、制備工藝參數見表I實施例I-實施例5所示
表I :添加MoSe2的高溫耐磨自潤滑復合材料的組成和制備條件
權利要求
1.一種添加MoSe2的高溫耐磨自潤滑復合材料，其特征在于，其按質量百分比包括 MoSe2為1% 35%，水霧化軸承鋼粉末為50% "70%, Cr為1% 30%，Ni為2% 35%，Cu 為 10% 30%，W 為 5% 10%。
2.如權利要求I所述的復合材料，其特征在于，所述復合材料按質量百分比包括 MoSe2為2% 25%，水霧化軸承鋼粉末為50% 65%，石墨為2% 10%，Cr為2% 25% ，Ni 為 5% 30%，Cu 為 12% 25%，W 為 5% 8%。
3.如權利要求I或2所述的復合材料，其特征在于，所述復合材料按質量百分比包括 MoSe2為4% 15%，水霧化軸承鋼粉末為55% 60%，石墨為4% 8%，Cr 4% 20%，Ni為9% 25%，Cu 為 12% 20%，W 為 6% 7%。
4.如權利要求1-3任一項所述的復合材料，其特征在于，所述MoSe2和石墨為直徑為IOOnm以內的納米粒子，優選80nm以內的納米粒子，進一步優選60nm以內的納米粒子。
5.如權利要求1-4任一項所述的復合材料，其特征在于，所述MoSe2和石墨為三維空間尺度中至少有一維尺度< IOOnm的片狀物質。
6.如權利要求1-5任一項所述的復合材料，其特征在于，所述Cr、Ni、Cu、W的粒徑為300目以上，優選300目 500目，進一步優選500目。
7.如權利要求1-6任一項所述的復合材料，其特征在于，所述石墨為膠體石墨和/或膨脹石墨。
8.如權利要求1-7任一項所述的添加MoSe2的高溫耐磨自潤滑復合材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 (1)將MoSe2或MoSe2和石墨與水霧化軸承鋼粉末、Cr、Ni、Cu、W混合，球磨，得到混合料； (2)將上述混合料壓模成型，并保壓lOslOs，得到壓模毛坯； (3)將上述壓模毛坯在真空或者惰性氣體中進行燒結，得到添加MoSeJ^高溫耐磨自潤滑復合材料。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述惰性氣體選自氦氣、氮氣、氬氣中的一種，優選氬氣。
10.如權利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述燒結溫度為1000°C 1300°C，優選1110°C 1300°C，進一步優選1110°C "12300C ;優選地，所述燒結時間為廣4小時，優選Γ3. 5小時，進一步優選廣2小時。
全文摘要
本發明涉及一種添加MoSe2的高溫耐磨自潤滑復合材料及其制備方法。所述復合材料按質量百分比包括MoSe21%~35%、水霧化軸承鋼粉末50％~70％，Cr1%~30%、Ni2%~35%、Cu10%~30%、W5%~10%。本發明采用粉末冶金法制備所述寬溫度范圍自潤滑的合金材料。該復合材料具有較好的高溫強度、耐熱性、熱穩定性和經濟性，400~650℃下有優良的抗磨性能并且可實現自潤滑，適應于高溫設備滑動部件，實現了結構材料與潤滑材料設計的一體化。
文檔編號C22C38/60GK102864395SQ20121035752
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月24日 優先權日2012年9月24日
發明者李長生, 董增武, 唐華, 許吉國 申請人:江蘇利達不銹鋼有限公司