CN117447799B - 一种自润滑层及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属粉末制造制品技术领域，具体涉及一种自润滑层及其制备方法和应用。本发明提供的自润滑层由冶金层，以及填充于冶金层的自润滑填充材料组成；所述自润滑填充材料的原料组分由碳填充料、玻璃纤维、二硫化钼、纳米硫酸钡和聚四氟乙烯组成；所述冶金层粘结于需要润滑表面的金属基体上；所述冶金层为铜或铜合金冶金层。本发明通过材料组分以及冶金层和自润滑填充材料相互配合、协同作用形成致密且具有较高强度的自润滑层，其表面摩擦系数有效降低，结合强度高，硬度大，剪切强度高，在应用于弹带时弹带磨损量低、不易脱落同时适配的炮膛磨损量低，炮膛内壁升温慢。
Description
技术领域
本发明属于金属粉末制造制品技术领域，具体涉及一种自润滑层及其制备方法和应用。
背景技术
弹带是弹体结构的重要组成部件，具有定心、封闭火药气体，以及导转的作用，通过与膛线的配合赋予弹丸一定的转速，或在无膛线的末制导炮弹中起定心封闭作用。弹带的性能对弹丸发射的初速度、精度以及身管寿命等具有重要的影响，传统的弹带一般采用铜、软铁等金属材料制备而成。在弹丸发射过程中的高膛压高温情况下，铜弹带由于质地较软而磨损严重，会导致发射药体泄露，严重影响弹丸发射测初速和精度，同时，铜弹带在切入膛线并沿膛线高速滑动过程中，因受机械摩擦和挤压而使铜附着在膛线上产生挂铜现象，增大弹丸挤进阻力，严重影响弹丸发射性能，减短身管的使用寿命，火炮在使用一段时间后通常要使用有毒性的含铅除铜剂进行除铜，危害战士的身体健康。软铁弹带的研制应用能够完全消除挂铜现象，其硬度较大，自身磨损小，可以保证弹丸的正常发射，但却加剧了所接触膛线的磨损，缩短了炮膛使用寿命。这些金属弹带均不能解决其在发射过程中炮膛内壁升温过快的问题。现有的金属弹带表面摩擦系数高、剪切强度差，容易磨损弹带，同时还会加剧膛线的磨损且炮膛内壁升温过快。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中现有的金属弹带表面摩擦系数高、剪切强度差，容易磨损弹带，同时还会加剧膛线的磨损且炮膛内壁升温过快等缺陷，从而提供一种自润滑层及其制备方法和应用。
本发明提供一种自润滑层，所述自润滑层由冶金层，以及填充于冶金层的自润滑填充材料组成；
所述自润滑填充材料的原料组分由碳填充料、玻璃纤维、二硫化钼、纳米硫酸钡和聚四氟乙烯组成；
所述冶金层粘结于需要润滑表面的金属基体上；
所述冶金层为铜或铜合金冶金层。
优选的，所述自润滑填充材料，按重量百分比计，原料组分：碳填充料2-5%、玻璃纤维5-15%、二硫化钼0.8-1.2%、纳米硫酸钡0.5-1%、余量为聚四氟乙烯。
优选的，所述的铜或铜合金冶金层由铜或铜合金粉制备形成；
所述铜或铜合金粉为球形粉；
所述铜或铜合金粉为至少两种不同目数的铜或铜合金粉的混合物；
所述铜合金粉的组分，按重量百分比计，包括：Sn 3-10%、P 0-0.5%、Pb 0-1%、余量为铜；
和/或，所述的碳填充料选自石墨、碳纤维中的至少一种。
优选的，铜或铜合金粉为300-350目、200-250目和100-150目的铜或铜合金粉的混合物；所述300-350目、200-250目和100-150目的铜或铜合金粉的质量比为1：（1-3）：（1-5）；
或者，所述铜或铜合金粉为300-350目和200-250目的铜或铜合金粉的混合物；所述300-350目和200-250目的铜或铜合金粉的质量比为1：（1-3）。
可选的，铜或铜合金粉为300目、200目和100目的铜或铜合金粉的混合物，所述300目、200目和100目的铜或铜合金粉的质量比为1：3：5；
或者，所述铜或铜合金粉为300目和200目的铜或铜合金粉的混合物；所述300目和200目的铜或铜合金粉的质量比为1：3。
优选的，所述的自润滑层的厚度为0.5-3mm，占自润滑层和金属基体总厚度的3-10%。发明人发现自润滑层占自润滑层和金属基体总厚度的3-10%时可以起到最优的润滑作用，同时不影响其他性能。自润滑层的厚度太厚了会降低材料刚度，太薄会影响润滑效果。
所述金属基体可根据不同需求根据实际情况进行选择，不进行具体的限定，可选的，所述金属基体选自软铁或低碳钢；可选的，所述金属基体为环状基体。
软铁即为纯铁，纯度可达99.8-99.9%，含碳量不超过0.0218%。
低碳钢（mild steel）为碳含量低于0.25%的碳素钢，因其强度低、硬度低而软，故又称软钢。
本发明提供一种上述所述的自润滑层的制备方法，包括以下步骤：
1）通过一次烧结将铜或铜合金粉烧结于金属基体外表面，冷却，形成铜或铜合金冶金层；
2）将自润滑填充材料的组分混合，辊压至铜或铜合金冶金层表面，进行二次烧结、冷却；
3）模压成型，形成所述自润滑层。
优选的，步骤1）中所述一次烧结的烧结温度为850-950℃，一次烧结时间为5-10h；
和/或，步骤1）中铜或铜合金粉的烧结厚度为1-5mm；
和/或，步骤1）中所述冷却为均匀冷却，冷却至温度为200℃时，所用冷却时间为1-3h；
和/或，步骤2）中所述辊压压力为3-10MPa，辊压至自润滑填充材料的厚度为1-2mm；
和/或，步骤2）中所述二次烧结温度为380-400℃，二次烧结时间为3-5h；
和/或，步骤3）中所述模压成型压力为20-40MPa，压至自润滑层的厚度为0.5-3mm；
可选的，步骤3）中所述模压成型前后，自润滑层的厚度减少率不小于20%。
优选的，步骤1）中所述一次烧结在还原气体和不活泼气体的混合气氛中进行；
和/或，步骤2）中所述二次烧结在还原气体和不活泼气体的混合气氛中进行；
和/或，还原气体选自氢气、一氧化碳中的至少一种；
和/或，不活泼气体选自氮气、惰性气体中的至少一种；
和/或，还原气氛和不活泼气体的体积比为1：（5-40）。
优选方案为采用连续的隧道烧结炉进行气氛烧结。使所述的碳填充料、玻璃纤维、二硫化钼、纳米硫酸钡和聚四氟乙烯各种物料均匀渗入铜或铜合金冶金层的孔隙中，从而将上述自润滑填充材料均匀地填充于铜或铜合金冶金层的结构中，形成了与基体金属紧密结合，且具有一定强度的自润滑层。
本发明提供一种上述所述的自润滑层或上述所述的制备方法制备形成的自润滑层在降低材料表面摩擦系数中的应用。
本发明提供一种上述所述的自润滑层或上述所述的制备方法制备形成的自润滑层在金属弹带、活塞和/或柱塞中的应用。
本发明还提供一种自润滑金属弹带，包括环状金属基体以及上述所述的自润滑层或上述所述的制备方法制备形成的自润滑层；
所述环状金属基体的材料选自软铁、低碳钢中的一种。
可选的，金属基体为与弹体接触和装配的部分，外表面的自润滑层为与炮膛接触的工作部分。在弹丸发射时的挤进过程中，外表面的自润滑层可避免基体金属与膛线或炮身内衬的接触。弹带采用软铁或低碳钢作为基体，其具备与弹壳一致的膨胀系数，具备良好的导转性能（即膛线导致弹丸旋转的性能）和足够的强度。
本发明技术方案，具有如下优点：
（1）本发明提供的自润滑层，所述自润滑层由冶金层，以及填充于冶金层的自润滑填充材料组成；所述自润滑填充材料的原料组分由碳填充料、玻璃纤维、二硫化钼、纳米硫酸钡和聚四氟乙烯组成；所述冶金层粘结于需要润滑表面的金属基体上；所述冶金层为铜或铜合金冶金层。本发明的自润滑层通过将自润滑填充材料填充于铜或铜合金冶金层中，可以增强自润滑层强度和粘结强度的同时，实现自润滑填充材料的填充，实现良好的自润滑性能，降低摩擦系数。纳米硫酸钡、二硫化钼和聚四氟乙烯均具润滑作用，玻璃纤维具有增强材料强度，提高材料硬度的作用，本发明通过铜或铜合金冶金层以及自润滑填充材料的相互配合，以及自润滑填充材料中碳填充料、玻璃纤维、二硫化钼、纳米硫酸钡和聚四氟乙烯多种特定的润滑材料和增强材料的相互配合，共同协同作用形成致密且具有较高强度的自润滑层，其表面摩擦系数有效降低，结合强度高，硬度大，剪切强度高，在应用于弹带时弹带磨损量低、不易脱落同时适配的炮膛磨损量低，炮膛内壁升温慢。
（2）本发明提供的自润滑层，所述自润滑填充材料，按重量百分比计，原料组分：碳填充料2-5%、玻璃纤维5-15%、二硫化钼0.8-1.2%、纳米硫酸钡0.5-1%、余量为聚四氟乙烯；本发明通过进一步的控制所述自润滑填充材料的原料组分含量，进一步降低自润滑层的摩擦系数，提高结合强度，增大硬度，使自润滑层在应用于弹带时进一步降低弹带磨损量、更不易脱落同时适配的炮膛磨损量进一步降低，炮膛内壁升温进一步变慢。
（3）本发明提供的自润滑层，所述的铜或铜合金冶金层由铜或铜合金粉制备形成；所述铜或铜合金粉为球形粉；所述铜或铜合金粉包括至少两种不同目数的球形粉；所述铜合金粉的组分，按重量百分比计，包括：Sn 3-10%、P 0-0.5%、Pb 0-1%、余量为铜；所述铜或铜合金粉为300-350目的球形粉、200-250目的球形粉和100-150目的球形粉的混合物；所述300-350目的球形粉、200-250目的球形粉和100-150目的球形粉的质量比为1：（1-3）：（1-5）；或者，所述铜或铜合金粉为300-350目的球形粉和200-250目的球形粉的混合物；所述300-350目的球形粉和200-250目的球形粉的质量比为1：（1-3）。本发明采用铜合金粉的组分，按重量百分比计：Sn 3-10%、P 0-0.5%、Pb 0-1%、余量为铜，可以进一步提高整体材料的强度和硬度，调整适应使用场景。本发明的冶金层为铜或铜合金冶金层，通过对铜或铜合金冶金层的制备原料进行限定，铜或铜合金粉为球形粉更容易形成空隙，以便自润滑填充材料的原料组分充分填充到铜或铜合金冶金层形成内嵌结构，提高材料粘结强度和剪切强度，不易脱落。铜或铜合金粉包括至少两种不同目数的球形粉，可以形成不规则的孔隙，或上宽下窄，或上窄下宽，有助于自润滑填充材料的原料组分充分填充到铜或铜合金冶金层形成内嵌结构，提高材料的粘结强度和剪切强度，不易脱落，增强自润滑层的硬度，帮助降低自润滑层的摩擦系数，应用在弹带中，减少弹带磨损量和炮膛损耗量，帮助降低炮膛内壁升温速率；当铜或铜合金粉为300-350目的球形粉、200-250目的球形粉和100-150目的球形粉的混合物；所述300-350目的球形粉、200-250目的球形粉和100-150目的球形粉的质量比为1：（1-3）：（1-5）时，通过选用3种不同粒度大小的铜或铜合金粉可以更进一步形成不规则的孔隙，或上宽下窄，或上窄下宽，更有助于自润滑填充材料的原料组分充分填充到铜或铜合金冶金层形成内嵌结构，进一步提高材料的粘结强度和剪切强度，更加不易脱落；进一步增强自润滑层的硬度，进一步帮助降低自润滑层的摩擦系数，应用在弹带中，进一步减少弹带磨损量和炮膛损耗量，进一步帮助降低炮膛内壁升温速率。
（4）本发明提供的自润滑层的制备方法，包括以下步骤：1）通过一次烧结将铜或铜合金粉烧结于金属基体外表面，冷却，形成铜或铜合金冶金层；2）将自润滑填充材料的组分混合，辊压至铜或铜合金冶金层表面，进行二次烧结、冷却；3）模压成型，形成所述自润滑层。本发明采用一次烧结和二次烧结的方式将铜或铜合金粉和低沸点聚四氟乙烯等自润滑填充材料的组分烧结在金属基体上，相比一次直接烧结可提升烧结强度，同时可保证聚四氟乙烯在自润滑层中的含量，实现聚四氟乙烯的有效使用，提高材料的自润滑性能。二次烧结渗透的作用可以使碳填充料、玻璃纤维、二硫化钼、纳米硫酸钡和聚四氟乙烯与铜或铜合金冶金层更紧密结合，提高自润滑层强度，应用在弹带中保证发射后无脱落。
（5）本发明提供的自润滑层或所述的制备方法制备形成的自润滑层应用在活塞和/或柱塞中，可降低活塞和/或柱塞与空腔器件内壁的摩擦，大大减少柱缸内壁的磨损。
（6）本发明提供的自润滑金属弹带，包括环状金属基体以及所述的自润滑层或所述的制备方法制备形成的自润滑层；所述环状金属基体的材料选自软铁、低碳钢中的一种。本发明提供的自润滑金属弹带具备极优的高润滑性能、较好强度、耐高温等综合性能，减缓弹带材料与身管的摩擦磨损，对炮身伤害较小的同时大幅减少挂铜，可保证射击精度。聚四氟乙烯在发射过程中在炮膛高温的作用下直接挥发，冶金层中其他材质耐高温，发射后无脱落问题。弹带采用软铁或低碳钢作为基体，其具备与弹壳一致的膨胀系数，具备良好的导转性能和足够的强度。本发明通过软铁基体或低碳钢基体和冶金层的配合，以及冶金层各组分的共同作用，所提供的弹带具备一定强度的同时减少弹带自身的磨损以及对炮膛的磨损，改善炮膛内壁升温过快的问题，耐热性强，发射后的无脱落。可应用于大规格、远射程、高精度炮弹的制备。本发明提供的自润滑金属弹带在炮弹击发初期的挤进过程中可迅速填满炮膛或膛线，密封性突出，与塑料弹带相比强度大，炮弹高速运动时的稳定性高，连续发射时不影响射击精度，增加炮弹发射量，延长保养周期。同时本发明提供的自润滑金属弹带，金属基体易加工，自润滑粉末冶金层可实现连续和批量化制造，具有较高的性价比；弹带结构可以根据实际需要，通过调整自润滑粉末冶金层的厚度、致密度和有关材质种类，获得不一样性能的系列产品，满足各类火炮和炮带的需要。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
本发明以下实施例和对比例所用材料如下：玻璃纤维为无碱玻璃纤维（E-玻璃纤维）直径为5-15μm，长度为1-3mm；纳米硫酸钡的粒径为50-200nm，纯度>99%；聚四氟乙烯的聚合度为104数量级，平均粒径50μm；碳纤维的纤维直径7-20μm，长度3-5mm。
实施例1
本实施例提供一种自润滑层，所述自润滑层由铜合金冶金层，以及填充于铜合金冶金层的自润滑填充材料组成；
所述自润滑填充材料，按重量百分比计，原料组分：石墨3%、玻璃纤维10%、二硫化钼1%、纳米硫酸钡0.7%、余量为聚四氟乙烯；
所述铜合金冶金层粘结于需要润滑表面的金属基体上；
所述的铜合金冶金层由铜合金球形粉制备形成；铜合金球形粉的组分，按重量百分比计：Sn 8%、P 0.3%、Pb 0.5%、余量的铜；
铜合金球形粉为300目的铜合金球形粉、200目的铜合金球形粉和100目的铜合金球形粉的混合物，质量比为1：3：5。
本实施例提供自润滑层的制备方法，包括以下步骤：
1）将软铁基体（碳含量为0.02%）加工成环状，在连续的隧道烧结炉中通过一次烧结将铜合金球形粉烧结于环状软铁基体外表面，烧结温度900℃，烧结时间为7h，烧结气氛为氢气和氮气（体积比1：6），均匀冷却至温度为200℃时所用时间1h，形成铜合金冶金层，铜合金冶金层的烧结厚度为4mm；
2）将石墨、玻璃纤维、二硫化钼、纳米硫酸钡和聚四氟乙烯按所述比例混合，辊压至铜合金冶金层表面，再次放入气氛烧结炉中进行二次烧结，辊压压力为7MPa，辊压厚度为1.5mm，二次烧结温度为390℃，二次烧结时间为4h，二次烧结气氛为氢气和氮气（体积比1：6），冷却；
3）模压成型，模压压力为35MPa，形成所述自润滑层，其中模压成型至自润滑层的厚度为2.5mm，占自润滑层和环状软铁基体总厚度的5%。
实施例2
本实施例提供一种自润滑层，所述自润滑层由铜合金冶金层，以及填充于铜合金冶金层的自润滑填充材料组成；
所述自润滑填充材料，按重量百分比计，原料组分：石墨2%、玻璃纤维5%、二硫化钼0.8%、纳米硫酸钡0.5%、余量为聚四氟乙烯；
所述铜合金冶金层粘结于需要润滑表面的金属基体上；
所述的铜合金冶金层由铜合金球形粉制备形成；铜合金球形粉的组分，按重量百分比计：Sn 3%、余量的铜；
铜合金球形粉为300目的铜合金球形粉、200目的铜合金球形粉和100目的铜合金球形粉的混合物，质量比为1：1：1。
本实施例提供自润滑层的制备方法，包括以下步骤：
1）将软铁基体（碳含量为0.02%）加工成环状，在连续的隧道烧结炉中通过一次烧结将铜合金球形粉烧结于环状软铁基体外表面，烧结温度850℃，烧结时间为5h，烧结气氛为一氧化碳和氮气（体积比1：25），均匀冷却至温度为200℃时所用时间1.5h，形成铜合金冶金层，铜合金冶金层的烧结厚度为2mm；
2）将石墨、玻璃纤维、二硫化钼、纳米硫酸钡和聚四氟乙烯按所述比例混合，辊压至铜合金冶金层表面，再次放入气氛烧结炉中进行二次烧结，辊压压力为10MPa，辊压厚度为1mm，二次烧结温度为380℃，烧结时间为3h，二次烧结气氛为一氧化碳和氮气（体积比1：25），冷却；
3）模压成型，模压压力为40MPa，形成所述自润滑层，其中模压成型至自润滑层的厚度为0.5mm，占自润滑层和环状软铁基体总厚度的10%。
实施例3
本实施例提供一种自润滑层，所述自润滑层由铜合金冶金层，以及填充于铜合金冶金层的自润滑填充材料组成；
所述自润滑填充材料，按重量百分比计，原料组分：石墨5%、玻璃纤维15%、二硫化钼1.2%、纳米硫酸钡1%、余量为聚四氟乙烯；
所述铜合金冶金层粘结于需要润滑表面的金属基体上；
所述的铜合金冶金层由铜合金球形粉制备形成；铜合金球形粉的组分，按重量百分比计：Sn 10%、P 0.5%、Pb 1%、余量的铜；
铜合金球形粉为300目的铜合金球形粉、200目的铜合金球形粉和100目的铜合金球形粉的混合物，质量比为1：2：5。
本实施例提供自润滑层的制备方法，包括以下步骤：
1）将软铁基体（碳含量为0.02%）加工成环状，在连续的隧道烧结炉中通过一次烧结将铜合金球形粉烧结于环状软铁基体外表面，烧结温度950℃，烧结时间为10h，烧结气氛为氢气和氮气（体积比1：40），均匀冷却至温度为200℃时所用时间3h，形成铜合金冶金层，铜合金冶金层的烧结厚度为5mm；
2）将石墨、玻璃纤维、二硫化钼、纳米硫酸钡和聚四氟乙烯按所述比例混合，辊压至铜合金冶金层表面，再次放入气氛烧结炉中进行二次烧结，辊压压力为3MPa，辊压厚度为2mm，二次烧结温度为400℃，烧结时间为4h，二次烧结气氛为氢气和氮气（体积比1：40），冷却；
3）模压成型，模压压力为20MPa，形成所述自润滑层，其中模压成型至自润滑层的厚度为3mm，占自润滑层和环状软铁基体总厚度的10%。
实施例4
本实施例提供一种自润滑层，所述自润滑层由铜合金冶金层，以及填充于铜合金冶金层的自润滑填充材料组成；
所述自润滑填充材料，按重量百分比计，原料组分：包括碳纤维3%、玻璃纤维10%、二硫化钼1%、纳米硫酸钡0.7%、余量为聚四氟乙烯；
所述铜合金冶金层粘结于需要润滑表面的金属基体上；
所述的铜合金冶金层由铜合金球形粉制备形成；铜合金球形粉的组分，按重量百分比计：Sn 8%、Pb 0.5%、余量的铜；
铜合金球形粉为300目的铜合金球形粉、200目的铜合金球形粉和100目的铜合金球形粉的混合物，质量比为1：3：5。
本实施例提供自润滑层的制备方法，包括以下步骤：
1）将软铁基体（碳含量为0.02%）加工成环状，在连续的隧道烧结炉中通过一次烧结将铜合金球形粉烧结于环状软铁基体外表面，烧结温度900℃，烧结时间为7h，烧结气氛为氢气和氮气（体积比1：6），均匀冷却至温度为200℃时所用时间1h，形成铜合金冶金层，铜合金冶金层的烧结厚度为4mm；
2）将石墨、玻璃纤维、二硫化钼、纳米硫酸钡和聚四氟乙烯按所述比例混合，辊压至铜合金冶金层表面，再次放入气氛烧结炉中进行二次烧结，辊压压力为7MPa，辊压厚度为1.5mm，二次烧结温度为390℃，烧结时间为4h，二次烧结气氛为氢气和氮气（体积比1：6），冷却；
3）模压成型，模压压力为35MPa，形成所述自润滑层，其中模压成型至自润滑层的厚度为2.5mm，占自润滑层和环状软铁基体总厚度的3%。
实施例5
本实施例提供一种自润滑层，所述自润滑层由铜冶金层，以及填充于铜冶金层的自润滑填充材料组成；
所述自润滑填充材料，按重量百分比计，原料组分：碳纤维3%、玻璃纤维10%、二硫化钼1%、纳米硫酸钡0.7%、余量为聚四氟乙烯；
所述铜冶金层粘结于需要润滑表面的金属基体上；
所述的铜冶金层由铜球形粉制备形成；铜球形粉为300目的铜球形粉、200目的铜球形粉和100目的铜球形粉的混合物，质量比为1：3：5。
本实施例提供自润滑层的制备方法，包括以下步骤：
1）将软铁基体（碳含量为0.02%）加工成环状，在连续的隧道烧结炉中通过一次烧结将铜球形粉烧结于环状软铁基体外表面，烧结温度900℃，烧结时间为7h，烧结气氛为氢气和氮气（体积比1：6），均匀冷却至温度为200℃时所用时间1h，形成铜冶金层，铜冶金层的烧结厚度为4mm；
2）将石墨、玻璃纤维、二硫化钼、纳米硫酸钡和聚四氟乙烯按所述比例混合，辊压至铜合金冶金层表面，再次放入气氛烧结炉中进行二次烧结，辊压压力为7MPa，辊压厚度为1.5mm，二次烧结温度为390℃，烧结时间为4h，二次烧结气氛为氢气和氮气（体积比1：6），冷却；
3）模压成型，模压压力为35MPa，形成所述自润滑层，其中模压成型至自润滑层的厚度为2.5mm，占自润滑层和环状软铁基体总厚度的7%。
实施例6
本实施例提供一种自润滑层，所述自润滑层由铜合金冶金层，以及填充于铜合金冶金层的自润滑填充材料组成；
所述自润滑填充材料，按重量百分比计，原料组分：石墨3%、玻璃纤维10%、二硫化钼1%、纳米硫酸钡0.7%、余量为聚四氟乙烯；
所述铜合金冶金层粘结于需要润滑表面的金属基体上；
所述的铜合金冶金层由铜合金球形粉制备形成；铜合金球形粉的组分，按重量百分比计：Sn 8%、P 0.3%、Pb 0.5%、余量的铜；
铜合金球形粉为300目的铜合金球形粉和200目的铜合金球形粉的混合物，质量比为1：3。
本实施例提供自润滑层的制备方法，包括以下步骤：
1）将软铁基体（碳含量为0.02%）加工成环状，在连续的隧道烧结炉中通过一次烧结将铜合金球形粉烧结于环状软铁基体外表面，烧结温度900℃，烧结时间为7h，烧结气氛为氢气和氮气（体积比1：6），均匀冷却至温度为200℃时所用时间1h，形成铜合金冶金层，铜合金冶金层的烧结厚度为4mm；
2）将石墨、玻璃纤维、二硫化钼、纳米硫酸钡和聚四氟乙烯按所述比例混合，辊压至铜合金冶金层表面，再次放入气氛烧结炉中进行二次烧结，辊压压力为7MPa，辊压厚度为1.5mm，二次烧结温度为390℃，烧结时间为4h，二次烧结气氛为氢气和氮气（体积比1：6），冷却；
3）模压成型，模压压力为35MPa，形成所述自润滑层，其中模压成型至自润滑层的厚度为2.5mm，占自润滑层和环状软铁基体总厚度的5%。
对比例1
本对比例提供一种润滑层，所述润滑层为铜合金冶金层；
所述的铜合金冶金层由铜合金球形粉制备形成；铜合金球形粉的组分，按重量百分比计：Sn 8%、P 0.3%、Pb 0.5%、余量的铜；
铜合金球形粉为300目的铜合金球形粉、200目的铜合金球形粉和100目的铜合金球形粉的混合物，质量比为1：3：5。
本对比例提供润滑层的制备方法，包括以下步骤：
1）将软铁基体（碳含量为0.02%）加工成环状，在连续的隧道烧结炉中通过一次烧结将铜合金球形粉烧结于环状软铁基体外表面，烧结温度900℃，烧结时间为7h，烧结气氛为氢气和氮气（体积比1：6），均匀冷却至温度为200℃时所用时间1h，形成铜合金冶金层，铜合金冶金层的烧结厚度为4mm；
2）模压成型，模压压力为35MPa，形成所述润滑层，其中模压成型至润滑层的厚度为2.5mm，占润滑层和环状软铁基体总厚度的5%。
对比例2
本对比例提供一种自润滑层，与实施例1相比，区别仅在于所述自润滑填充材料的原料组分中不包括聚四氟乙烯，其他原料组分之间比例不变。
本对比例提供自润滑层的制备方法，与实施例1相比，区别仅在于步骤2）中不添加聚四氟乙烯。
对比例3
本对比例提供一种自润滑层，与实施例1相比，区别仅在于所述自润滑填充材料的原料组分中不包括纳米硫酸钡，其他原料组分之间比例不变。
本对比例提供自润滑层的制备方法，与实施例1相比，区别仅在于步骤2）中不添加纳米硫酸钡。
对比例4
本对比例提供一种自润滑层，与实施例1相比，区别仅在于所述自润滑填充材料的原料组分中不包括二硫化钼，其他原料组分之间比例不变。
本对比例提供自润滑层的制备方法，与实施例1相比，区别仅在于步骤2）中不添加二硫化钼。
测试例
对所有实施例制备的自润滑层和对比例制备的润滑层或自润滑层进行以下测试：自润滑层表面的摩擦系数测试，测试标准：ASTM G 133-22；自润滑层的硬度测试，测试标准：《金属布氏硬度试验》（GB/T231.1-2002）；自润滑层的剪切强度测试，测试标准：《烧结双金属材料剪切强度的测定方法》（YS/T 485-2005）。
对所有实施例制备的自润滑层和对比例制备的润滑层或自润滑层，以及其内部的环状金属软铁基体整体采用数控设备对内圆进行精密加工，并完成倒角等精密加工，达到既定要求的尺寸规格得到自润滑金属模拟弹带。对自润滑金属模拟弹带进行模拟射击，采用称重法测定模拟弹带的磨损量，连续模拟射击10次，采用称重法测定模拟膛线的损耗量，使用红外线热像仪检测炮膛内壁的温度上升幅度，并记录模拟弹带射出是否有脱落情况。测试结果如表1所示。
表1
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种自润滑层，其特征在于，所述自润滑层由冶金层，以及填充于冶金层的自润滑填充材料组成；
所述自润滑填充材料的原料组分由碳填充料、玻璃纤维、二硫化钼、纳米硫酸钡和聚四氟乙烯组成；
所述冶金层粘结于需要润滑表面的金属基体上；
所述冶金层为铜或铜合金冶金层；
所述自润滑填充材料，按重量百分比计，原料组分：碳填充料2-5%、玻璃纤维5-15%、二硫化钼0.8-1.2%、纳米硫酸钡0.5-1%、余量为聚四氟乙烯；
所述的碳填充料选自石墨、碳纤维中的至少一种；
所述的冶金层由铜或铜合金粉制备形成；
所述铜或铜合金粉为300-350目的球形粉、200-250目的球形粉和100-150目的球形粉的混合物。
2.根据权利要求1所述的自润滑层，其特征在于，所述铜合金粉的组分，按重量百分比计：Sn 3-10%、P 0-0.5%、Pb 0-1%、余量为铜。
3.根据权利要求2所述的自润滑层，其特征在于，所述300-350目的球形粉、200-250目的球形粉和100-150目的球形粉的质量比为1：（1-3）：（1-5）。
4.根据权利要求1所述的自润滑层，其特征在于，所述的自润滑层的厚度为0.5-3mm，占自润滑层和金属基体总厚度的3-10%；
和/或，所述金属基体选自软铁或低碳钢；
和/或，所述金属基体为环状基体。
5.一种权利要求1-4任一项所述的自润滑层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）通过一次烧结将铜或铜合金粉烧结于金属基体外表面，冷却，形成铜或铜合金冶金层；
2）将自润滑填充材料的组分混合，辊压至铜或铜合金冶金层表面，进行二次烧结、冷却；
3）模压成型，形成所述自润滑层。
6.根据权利要求5所述的自润滑层的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述一次烧结的烧结温度为850-950℃，一次烧结时间为5-10h；
和/或，步骤1）中铜或铜合金冶金层的烧结厚度为1-5mm；
和/或，步骤1）中所述冷却为均匀冷却，冷却至温度为200℃时，所用冷却时间为1-3h；
和/或，步骤2）中所述辊压压力为3-10MPa，辊压至自润滑填充材料的厚度为1-2mm；
和/或，步骤2）中所述二次烧结温度为380-400℃，二次烧结时间为3-5h；
和/或，步骤3）中所述模压成型压力为20-40MPa，压至自润滑层的厚度为0.5-3mm；
和/或，步骤1）中所述一次烧结在还原气体和不活泼气体的混合气氛中进行；
和/或，步骤2）中所述二次烧结在还原气体和不活泼气体的混合气氛中进行；
和/或，还原气体选自氢气、一氧化碳中的至少一种；
和/或，不活泼气体选自氮气、惰性气体中的至少一种；
和/或，还原气氛和不活泼气体的体积比为1：（5-40）。
7.权利要求1-4任一项所述的自润滑层或权利要求5或6所述的制备方法制备形成的自润滑层在降低材料表面摩擦系数中的应用。
8.权利要求1-4任一项所述的自润滑层或权利要求5或6所述的制备方法制备形成的自润滑层在金属弹带、活塞和/或柱塞中的应用。
9.一种自润滑金属弹带，其特征在于，包括环状金属基体以及权利要求1-4任一项所述的自润滑层或权利要求5或6所述的制备方法制备形成的自润滑层；
所述环状金属基体的材料选自软铁、低碳钢中的一种。
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