CN103627921A - 一种添加WS2和MoS2的铜基自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种添加二硫化钨和二硫化钼的铜基自润滑复合材料及其制备方法。该复合材料化学成分按质量百分比为：WS2：2~10%、MoS2：2~10%、铜：40~60%、铁：20~40%、镍：1~8%。经过球磨混料、退火、压型、真空烧结等工艺制成。复合材料在室温至中温范围200~300℃下具有良好的耐磨性能、强度和稳定性。其自润滑性能优异，可在高负荷、真空及强氧化、强辐射等苛刻的条件下工作，从而实现了结构材料与润滑材料设计的一体化。采用退火技术、温压技术和真空烧结技术使其组织致密性得到了大幅提高，避免了气孔裂纹等缺陷的出现，其性能十分稳定，使用寿命大大延长，可用于大规模工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及粉末冶金复合材料领域，具体涉及一种制备铜基自润滑复合材料的方法。
背景技术
随着现代科学技术的发展，材料在中高温条件下的摩擦、磨损与润滑问题日益受到广泛关注；一般的润滑油脂在高温环境下容易被氧化、蒸发而导致润滑失效，特别是粉尘环境中杂质的存在、冲击强度高等因素也会大大降低油脂的润滑性能；固体自润滑材料是与传统润滑材料(润滑油、润滑脂等)完全不同的新型润滑材料，传统润滑材料在摩擦界面上形成流体或半流体膜起到有效润滑的作用，固体自润滑材料则主要依靠材料本身或其转移膜的低剪切特性而具有优良的抗磨和减摩作用；因此，发展自润滑复合材料并大幅延长其使用寿命，可以减少或消除机械设备的高温润滑维护工作，减轻工人的劳动强度和降低设备的维护费用，具有深远实际的工程意义和巨大的市场应用前景。
现有技术中高温耐磨材料是由耐高温基金属粉未和其他减摩组元材料压制、烧结、整形而成；一般的铁基和铜基由于强度不够，难以胜任轧钢环境的摩擦磨损，而W、Mo等难溶合金为基体的复合材料，成本太高，企业难以接受。
CNI125776A公开了一种钨-铜-镍-碳高温耐磨合金，并用其制成的制品，解决了合金或零件在高温、特别在急冷急热的作业中耐磨性能差、使用寿命短等问题；该合金的组成(重量百分含量)为15~60%WC、15~30%Cu、1~5%Ni、1~6%C、余量为W，该合金还可以添加其它添加剂，例如MoC等，以进一步提高其硬度和耐磨性；但是W含量较高，生产成本大幅提高，不利于规模化应用。
CN1772934A公开了一种高温耐磨合金，属于合金技术领域；该合金由如下重量比例的元素熔炼而成：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%，余量为Al；该合金具有较好的高温耐磨性，但是其自润滑性较差。
现有的合金材料高温耐磨能力不足，无法同时满足耐温、耐磨且自润滑的要求，并且存在着寿命短、维护难等缺点，尤其对于一些要求无油润滑的场合，现有合金材料难以满足其使用要求；因此，研究一种耐温、耐磨且自润滑性好的复合材料迫在眉睫。
使用这种材料制作的产品较传统润滑材料有很明显的优越性，表现在：摩擦系数低，效率高；优异的抗胶合、抗磨损能力；很高的承载能力；良好的自润滑性能，耐中温；生产流程短等，具有很好的实用性和经济性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种从室温至中温的自润滑复合材料，在高载荷、多粉尘条件下有良好的使用性能，且在200℃~300℃的中温环境下仍然具有较低的摩擦系数和良好的耐磨损性能，特别适合在无油润滑的场合长时间使用。
本发明的技术方案为：
所述的铜基自润滑复合材料按重量百分比构成如下：
| WS2 | 2~10% |
| MoS2 | 2~10% |
| Cu | 40~60% |
| Fe | 20~40% |
| Ni | 1~8% |
所述的铜基自润滑复合材料在上述构成下经过混合→退火→温压成型→烧结制成，各工序分述如下：
（1）混合
将粉末状的WS2、粉末状的MoS2，铜粉，铁粉和镍粉按比例混合，置入球磨机中球磨混合；
（2）退火
将球磨好的料放入退火炉中，并加入块状木炭，进行退火；
（3） 温压成型
压型前先将退火后的料加入硬脂酸锌溶液，进行混合，并干燥；硬脂酸锌溶液与退火后的料质量比为1:25~1:100，硬脂酸溶液中硬脂酸锌与水的质量比为1:2~1:3，；称取干燥后的物料加热后装入压型模具，压制成坯料；
（4） 烧结
将坯料置入烧结炉中置于真空烧结炉烧结，真空度为10-1pa，从室温升温至烧结温度后保温，保温结束后随炉冷却；
（5） 将得到的毛坯进行表面磨削、去毛刺、倒角等处理，即得到所需的自润滑复合材料。
步骤1中所述的粉末状的WS2和粉末状的MoS2为质量分数大于99%的灰黑色固体粉末，有金属光泽。
步骤1中的所述的铜粉为200目，铁粉和镍粉为100目。
步骤1中的球磨时间为4.5-5.5h，球磨转速250~350r/min；球料比10:1。
步骤2中的退火退火温度为620℃，时间为2h。
步骤3中干燥的温度为75℃；加热的温度为120℃；压制的条件为：在4.8t/cm2~5.8t/cm2的压力下压制并保压5min后脱模。
步骤4中的烧结温度为1030℃~1130℃，从室温到烧结温度的升温速率为10℃/min，保温时间为100~200min。
制得的该产品抗压强度为615~680MPa，平均摩擦系数为0.139~0.197。
本发明的特点和有益效果在于：
所用的原料WS2，MoS2，铜粉，铁粉和镍粉均易得，参数易控，生产过程安全环保，特别适合于大规模的工业生产。通过对合金组元的调整和优化，在成型前增加退火处理，热压技术，烧结采用真空烧结技术提高了复合材料制品的致密度，强度和韧性，Ni、W、Mo等元素固溶于铜基体中作为增强相，形成了新型持久耐用适合大规模生产的自润滑复合材料。
本发明制备过程中，所有原料均为商业产品，不需要再制备。
附图说明
图1为实施例1-4制备的铜基自润滑复合材料在220℃下的摩擦系数曲线。
图2为实施例2制备的铜基自润滑复合材料放大500倍的金相照片。
图3为实施例4制备的铜基自润滑复合材料磨损表面扫描电镜（SEM）照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
按照本发明所述的添加WS2，MoS2的铜基自润滑复合材料的制备方法制备得到所述复合材料，其组成、制备工艺参数见表1实施例1~实施例4所示，其中实施例1、2、3的硬脂酸锌溶液与退火后的料质量比为1:50，硬脂酸锌与水的质量比为1:2；实施例4的硬脂酸锌溶液与退火后的料质量比为1:80，硬脂酸锌与水的质量比为1:3.
表1:添加WS2，MoS2的铜基自润滑复合材料的组成和工艺参数
| 序号 | WS2（%） | MoS2（%） | Fe（%） | Ni（%） | Cu（%） | 压力（t/cm2） | 烧结温度（℃） | 保温时间（min） |
| 实施例1 | 5 | 5 | 25 | 5 | 60 | 5 | 1048 | 120 |
| 实施例2 | 7.5 | 10 | 20 | 5 | 57.5 | 5.8 | 1068 | 140 |
| 实施例3 | 2.5 | 7.5 | 30 | 2.5 | 57.5 | 5.8 | 1048 | 120 |
| 实施例4 | 2.5 | 5 | 30 | 2.5 | 60 | 5 | 1038 | 100 |
对本发明的产品进行力学性能和摩擦性能测试,得到其抗压强度和摩擦系数（220℃条件下），如表2所示：
表2：实施例1-4添加WS2，MoS2的铜基自润滑复合材料的性能测试
| 序号 | 抗压强度（MPa） | 平均摩擦系数 |
| 实施例1 | 640 | 0.162 |
| 实施例2 | 680 | 0.143 |
| 实施例3 | 615 | 0.197 |
| 实施例4 | 630 | 0.139 |
摩擦学性能是在CETR RMT-2 Multi-Specimen Test System摩擦试验机上进行的，实验参数为载荷2kg、转速50r，时间10min，温度220℃。
本发明所述的添加WS2，MoS2的铜基自润滑复合材料在高温下具有优异的力学性能，摩擦系数较小，磨损率较小，在高温下具有优良耐磨性能的同时实现了自润滑；如图1可以看出实施例1、2、3、4的摩擦系数均较低；图2的金相照片显示了其微观组织结构：有三种不同的组成相且硬质颗粒分散均匀；图3显示磨损后表面产生自润滑相是有效降低摩擦系数的原因。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细组成和制备方法，但本发明并不局限于上述详细组成和制备方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细组成和制备方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (9)
1.一种添加WS2和MoS2的铜基自润滑复合材料，其特征在于，所述材料组成按照质量百分比计算为：WS2 2~10%，和MoS2 2~10%，Cu 40~60%，Fe 20~40%，Ni 1~8%。
2.如权利要求1所述的一种添加WS2和MoS2的铜基自润滑复合材料，其特征在于，所述材料在220℃条件下的抗压强度为615~680MPa，摩擦系数为0.139~0.197。
3.如权利要求1所述的一种添加WS2和MoS2的铜基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）混合：将粉末状的WS2、粉末状的MoS2，铜粉，铁粉和镍粉按比例混合，置入球磨机中球磨混合；
（2）退火：将球磨好的料放入退火炉中，并加入块状木炭，进行退火；
（3）温压成型：压型前先将退火后的料加入硬脂酸锌溶液，进行混合，并干燥；称取干燥后的物料加热后装入压型模具，压制成坯料；
（4）烧结：将坯料置入烧结炉中置于真空烧结炉烧结，从室温升温至烧结温度后保温，保温结束后随炉冷却；
（5）将得到的毛坯进行表面磨削、去毛刺、倒角处理，即得到铜基自润滑复合材料。
4.如权利要求3所述的一种添加WS2和MoS2的铜基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的粉末状的WS2和粉末状的MoS2为质量分数大于99%的灰黑色固体粉末，有金属光泽，所述的铜粉为200目，铁粉和镍粉为100目。
5.如权利要求3所述的一种添加WS2和MoS2的铜基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中的球磨时间为4.5-5.5h，球磨转速250~350r/min，球料比10:1。
6.如权利要求3所述的一种添加WS2和MoS2的铜基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中的退火温度为620℃，时间为2h。
7.如权利要求3所述的一种添加WS2和MoS2的铜基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中所述硬脂酸锌溶液与退火后的料质量比为1:25~1:100，硬脂酸溶液中硬脂酸锌与水的质量比为1:2~1:3。
8.如权利要求3所述的一种添加WS2和MoS2的铜基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中干燥的温度为75℃；物料的加热温度为120℃；压制的条件为：在4.8t/cm2~5.8t/cm2的压力下压制并保压5min后脱模。
9.如权利要求3所述的一种添加WS2和MoS2的铜基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，步骤4中所述烧结温度为1030℃~1130℃，真空炉的真空度为10-1pa，从室温到烧结温度的升温速率为10℃/min，保温时间为100~200min。
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2013
- 2013-11-04 CN CN201310537230.7A patent/CN103627921B/zh not_active Expired - Fee Related
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