本發明涉及一種抗磨減摩材料，特別是涉及一種鈦合金抗磨減摩用含氧化物自潤滑納米混合材料。

背景技術：

鈦合金具有低密度、高比強度以及優異的耐熱性、耐蝕性、低溫性能和生物相容性，在航天航空、化工、石油、汽車、海洋工程和醫療等領域得到越來越廣泛的應用。然而，鈦合金公認的極差的滑動磨損性能往往限制了其在摩擦磨損方面的應用。表面處理是提高鈦合金摩擦磨損性能的一種普遍的改性方法，可是表面改性存在工藝復雜、成本高、能源消耗大和環境污染嚴重等問題，較薄的表面改性層僅在低載時有抗磨作用，而厚的涂層在高載、高速和高溫等嚴酷工況下會因應力或熱應力導致層內出現裂紋而剝落失效。此外，在鈦合金構件表面涂抹潤滑油、脂等介質也是一種常用的處理方式，但在嚴酷工況下，高的環境溫度或摩擦熱易造成潤滑油、脂摩擦燃燒，潤滑摩擦再次變為干滑動摩擦。因此，現有的表面改性或涂抹潤滑油、脂等介質并不能滿足鈦合金基于方便、價廉、環保理念的嚴酷工況下的應用要求。

如果在鈦合金滑動界面直接添加固態抗磨劑和減摩劑，可促進鈦合金表面形成含抗磨劑和減摩劑的摩擦層，從而保護鈦合金基體，避免金屬-金屬接觸，顯著改善鈦合金在嚴酷工況下的摩擦磨損性能。該方法成本低廉，可控性強，節能環保。

技術實現要素：

本發明的目的是基于上述問題，提出一種鈦合金抗磨減摩用含氧化物自潤滑納米混合材料。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：一種鈦合金抗磨減摩用含氧化物自潤滑納米混合材料，其特征在于：按重量百分比計，包含抗磨劑33-83％，減摩劑17-67％。其中抗磨劑為10-50nm的三氧化二鐵納米顆粒，減摩劑為由膨脹石墨液相剝離制得的2-10nm厚的多層石墨烯。將兩種納米材料混合攪拌均勻后按0.2-0.4mg/mm²的添加量直接添加到鈦合金構件滑動界面即可。

本發明所述的抗磨減摩納米混合材料，在滑動過程中容易在鈦合金構件表面吸附并經壓實燒結形成雙層摩擦層，其中下層為主要含三氧化二鐵摩擦層，具有良好的承載能力；上層為主要含多層石墨烯摩擦層，多層石墨烯因其超薄的片層結構且層間結合力較弱，在摩擦剪切力作用下層與層之間易發生滑動，而具有優異的潤滑性能，可顯著降低摩擦系數，減少摩擦噪聲。另外，它具有價廉易得的優點，且只需添加極少的量就可使得嚴酷滑動工況下服役的鈦合金構件的摩擦磨損性能得以顯著提高。

附圖說明

圖1為未添加與添加抗磨減摩納米混合材料時TC11合金隨載荷變化的磨損量。

圖2為未添加與添加實施例4時TC11合金磨損表面的XRD圖譜。

圖3為添加實施例4時TC11合金磨損表面形貌。

圖4為添加實施例4時TC11合金磨損剖面形貌。

具體實施方式

實施例1

抗磨減摩納米混合材料按重量百分比計，包含10nm的三氧化二鐵33％，9nm厚的多層石墨烯67％，攪拌均勻后按0.4mg/mm²(單位滑動界面上的添加量)添加至TC11合金摩擦界面。

實施例2

抗磨減摩納米混合材料按重量百分比計，包含50nm的三氧化二鐵50％，3nm厚的多層石墨烯50％，攪拌均勻后按0.2mg/mm²的添加量添加至TC11合金摩擦界面。

實施例3

抗磨減摩納米混合材料按重量百分比計，包含30nm的三氧化二鐵67％，6nm厚的多層石墨烯33％，攪拌均勻后按0.3mg/mm²的添加量添加至TC11合金摩擦界面。

實施例4

抗磨減摩納米混合材料按重量百分比計，包含30nm的三氧化二鐵75％，6nm厚的多層石墨烯25％，攪拌均勻后按0.3mg/mm²的添加量添加至TC11合金摩擦界面。

實施例5

抗磨減摩納米混合材料按重量百分比計，包含30nm的三氧化二鐵80％，6nm厚的多層石墨烯20％，攪拌均勻后按0.3mg/mm²的添加量添加至TC11合金摩擦界面。

實施例6

抗磨減摩納米混合材料按重量百分比計，包含30nm的三氧化二鐵83％，6nm厚的多層石墨烯17％，攪拌均勻后按0.3mg/mm²的添加量添加至TC11合金摩擦界面。

采用MPX-2000型盤銷式摩擦磨損試驗機評估本發明制得的抗磨減摩納米混合材料對TC11合金干滑動摩擦磨損性能的影響，并與未添加抗磨減摩納米混合材料時TC11合金的磨損量進行對比。試驗規范確定如下：銷試樣為Φ5×23mm²的TC11合金；盤試樣為Φ34×10mm²的GCr15軸承鋼，硬度為50HRC；滑動速度為0.5m/s；轉數為10000轉；載荷為20、60、100、120N。滑動開始前，按單位滑動面積的添加量計，將0.2-0.4mg/mm²實施例1-6的抗磨減摩納米混合材料添加至TC11合金/GCr15鋼滑動界面。

測試結果如附圖1-4所示。由附圖1可知，當未添加抗磨減摩納米混合材料時，TC11合金的磨損量隨載荷增加而不斷增大，此時發生嚴重磨損。而當添加0.2-0.4mg/mm²實施例1-6的抗磨減摩納米混合材料時，TC11合金的磨損量在20-100N下幾乎為0，此時發生輕微磨損，表明添加實施例1-6的抗磨減摩納米混合材料使得TC11合金的耐磨性得以顯著提高。在120N下，添加實施例1、2、6的抗磨減摩納米混合材料時的TC11合金磨損量快速增大，添加實施例3的抗磨減摩納米混合材料時的TC11合金磨損量輕微增大，而添加實施例4、5的抗磨減摩納米混合材料時的TC11合金磨損量仍然接近0。這就表明實施例4、5制得的鈦合金抗磨減摩用含氧化物自潤滑納米混合材料為最優實施例。

由附圖2-4可知，當添加本發明制得的抗磨減摩納米混合材料時，在滑動過程中，TC11合金表面易形成同時含抗磨劑和減摩劑的雙層摩擦層。其中下層為主要含三氧化二鐵摩擦層(Fe₂O₃-predominated tribo-layer)，上層為主要含多層石墨烯摩擦層(MLG-predominated tribo-layer)，兩層摩擦層分別起承載和潤滑的作用。這樣的摩擦層可保護鈦合金基體，避免金屬-金屬接觸。因此，極少量的抗磨減摩納米混合材料即可使鈦合金在滑動過程中承受高的載荷，耐磨性明顯得以提高，并且可顯著降低摩擦系數，減少摩擦噪聲。