一种镍基自润滑复合材料及其制备方法与流程

文档序号:15457739发布日期:2018-09-15 01:38

本发明涉及一种复合材料及其制备方法,特别涉及一种高强度镍基自润滑复合材料及其制备方法。



背景技术:

随着我国车辆动力传动和履带行走技术的不断发展,对履带车辆的制动系统的要求也越来越高,这也对作为制动系统加载机构的弹子加压机构提出了更高的要求。高能容干片式机械制动器通常在高温、高转速、高载荷等恶劣环境中使用,支撑配合面接触状态不良或者杂质进入配合面间隙内会导致弹子盘运动卡滞,严重时造成制动失效,在潮湿或盐雾地区,加压机构支撑配合面在缺少润滑的情况下,极易因腐蚀引发弹子盘运动不畅导致制动失效,影响车辆行驶安全性。因此,在弹子盘支撑配合面间形成一种对小间隙有较好密封性能并且具有一定减摩耐磨、耐腐蚀功能的密封环至关重要。

镍基氮化硼复合材料由于具有较高的强度、减磨耐磨性、耐腐蚀等一系列优点,在密封减摩材料中发挥着重要的作用。但由于六方氮化硼特殊的晶体结构,在烧结时极易发生团聚,再加上其与金属基体的润湿性差,使得复合材料的孔隙率大严重影响力学性能。因此需要研发出一种新型的制备技术来解决这一问题。



技术实现要素:

本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种高强度镍基自润滑复合材料及其制备方法。

本发明所采取的技术方案是:

一种镍基自润滑复合材料,由镍基合金,六方氮化硼和碳化铬按体积比:V(镍基合金):V(六方氮化硼):V(碳化铬)=(74~87):(7~14):(6~12)组成。

作为上述镍基自润滑复合材料的进一步改进,V(镍基合金):V(六方氮化硼):V(碳化铬)=(76~82):(9~12):(8~10)。

作为上述镍基自润滑复合材料的进一步改进,镍基合金由金属元素粉末组成,其质量组成为:W(Ni):W(Cu):W(Fe):W(Mn)=(75~80):(6~8):(6~8):(4~9)。优选的,W(Ni):W(Cu):W(Fe):W(Mn)=(78~80):(6~8):(6~8):(4~9)。

作为上述镍基自润滑复合材料的进一步改进,V(六方氮化硼):V(碳化铬)=54:46。

一种镍基自润滑复合材料的制备方法,包括如下步骤:

1)根据镍基自润滑复合材料的组成,称取原料,其中,镍基自润滑复合材料的组成如上所述;

2)将六方氮化硼和碳化铬粉末混合,加入改性剂,进行湿式球磨,得到混合料A;

3)将混合料A隔绝氧气下升温焙烧,得到改性料B;

4)将镍基合金粉末与改性料B混合,湿式球磨至均匀,得混合料C;

5)将混合料C压制成生坯,隔绝氧气下升温烧结,得到烧结坯;

6)将烧结坯复压,隔绝氧气下升温复烧,冷却后得到镍基自润滑复合材料。

作为上述制备方法的进一步改进,焙烧、烧结和复烧的温度分别独立为1000~1200℃。

作为上述制备方法的进一步改进,改性剂为聚丙烯酰胺。

作为上述制备方法的进一步改进,焙烧、烧结和复烧的保温时间分别独立为45min~90min。

作为上述制备方法的进一步改进,焙烧、烧结和复烧的升温速度分别独立为4~8℃/min。

一种工件,其含有上述的镍基自润滑复合材料,或按上述方法制备得到的镍基自润滑复合材料。

本发明的有益效果是:

本发明的镍基自润滑复合材料,具有较高的强度,压缩强度测试的试样尺寸为39mm×11mm×6mm,室温压缩强度大于350MPa,表面硬度2.5~3GPa,冲击韧性大于7J/cm2,摩擦系数0.25~0.5,磨损率小于5×10-4g/min。

本发明的镍基自润滑复合材料,该材料中加入的碳化铬具有高硬度、耐磨性好的优点,先将六方氮化硼、碳化铬和改性剂聚丙烯酰胺进行球磨、焙烧处理,实现六方氮化硼的金属化。特别是当六方氮化硼和碳化铬的体积比为54:46时,既保证氮化硼与碳化铬能充分反应,又能保证一定量的氮化硼发挥其润滑作用。

在机械力的作用使粒子产生晶格畸变使表面活化能增高,由于聚丙烯酰胺是一种线状的水溶性高分子聚合物,它的水溶液具有很高的粘度,其离子性使它能与应用体系中的电荷产生静电吸附作用,可对氮化硼和碳化铬起稳定和絮凝而且储能的作用,使得随后焙烧的系统自由能明显降低,采用了合适的焙烧工艺使反应充分进行得到改性料,改性料中生成的部分硼化铬在生坯烧结时能固溶到镍基合金里,同时硼与镍1000℃以上反应生成硼镍金属间化合物,活化烧结效果进一步提高,有效改善氮化硼与金属基体润湿性差的问题,保证了镍基自润滑复合材料的高致密度和良好的机械力学性能。

本发明的镍基自润滑复合材料,选用在高温下仍具有优良力学性能的镍基合金,其组成元素包括镍、铜、铁、锰。根据Cu-B相图可知,铜可与材料中游离的硼元素在烧结温度下发生反应生成少量的硼化物并产生液相,有助于烧结致密化;锰能够降低合金熔点;铜铁锰均能与镍无限互溶,起到固溶强化的作用;同时综合考虑其它因素,确定了镍基合金中各元素的质量比,该质量配比经实例认证能保证金属基体较高的强度与承载能力。

本发明的镍基自润滑复合材料,制备工艺简单,易操作,适于批量生产。

附图说明

图1和2为复合材料的扫描图;

图3为复合材料的断口形貌图。

具体实施方式

一种镍基自润滑复合材料,由镍基合金,六方氮化硼和碳化铬按体积比:V(镍基合金):V(六方氮化硼):V(碳化铬)=(74~87):(7~14):(6~12)组成。

作为上述镍基自润滑复合材料的进一步改进,V(镍基合金):V(六方氮化硼):V(碳化铬)=(76~82):(9~12):(8~10)。

作为上述镍基自润滑复合材料的进一步改进,镍基合金由金属元素粉末组成,其质量组成为:W(Ni):W(Cu):W(Fe):W(Mn)=(75~80):(6~8):(6~8):(4~9)。

作为上述镍基自润滑复合材料的进一步改进,V(六方氮化硼):V(碳化铬)=54:46。

一种镍基自润滑复合材料的制备方法,包括如下步骤:

1)根据镍基自润滑复合材料的组成,称取原料,其中,镍基自润滑复合材料的组成如上所述;

2)将六方氮化硼和碳化铬粉末混合,加入改性剂,进行湿式球磨,得到混合料A;

3)将混合料A隔绝氧气下升温焙烧,得到改性料B;

4)将镍基合金粉末与改性料B混合,湿式球磨至均匀,得混合料C;

5)将混合料C压制成生坯,隔绝氧气下升温烧结,得到烧结坯;

6)将烧结坯复压,隔绝氧气下升温复烧,冷却后得到镍基自润滑复合材料。

作为上述制备方法的进一步改进,焙烧、烧结和复烧的温度分别独立为1000~1200℃。

聚丙烯酰胺是一种线状的水溶性高分子聚合物,它的水溶液具有很高的粘度,其离子性使它能与应用体系中的电荷产生静电吸附作用,可对氮化硼和碳化铬起稳定和絮凝而且储能的作用,使得随后焙烧的系统自由能明显降低,得到性能更为优异的产品。因此,作为上述制备方法的进一步改进,改性剂为聚丙烯酰胺。

作为上述制备方法的进一步改进,焙烧、烧结和复烧的保温时间分别独立为45min~90min。这样可以保证各种合金元素有足够的时间扩散反应,得到更为均质的复合材料,进一步提高复合材料的性能。

为了避免温过快导致反应不均匀,减少复合材料出现结构缺陷,作为上述制备方法的进一步改进,焙烧、烧结和复烧的升温速度分别独立为4~8℃/min。

为得到致密的生坯,压制生坯时的压力优选为100~150MPa/cm2,复压的压力要大于压制生坯时的原压力,以有效压实烧结坯。一般而言,复压的单位压力是原压力的1.5倍~2.5倍。

一种工件,其含有上述的镍基自润滑复合材料,或按上述方法制备得到的镍基自润滑复合材料。

特别的,工件为强支撑高强度耐磨密封环,整体由上述的镍基自润滑复合材料制成。

下面结合实施例,进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

一种镍基自润滑复合材料,其配比为:V(镍基合金):V(六方氮化硼):V(碳化铬)=74:14:12,其中镍基合金元素粉末的质量比:W(Ni):W(Cu):W(Fe):W(Mn)=80:8:8:4。

制备方法如下:

1)将六方氮化硼和碳化铬粉末在双轴滚料机上进行湿式球磨,其中,加入的水和聚丙烯酰胺的量分别为六方氮化硼和碳化铬总质量的26%、1.5%,球料比6:1,球磨42h,转速为80~100rpm,得到混合料A;

2)将混合料A放入石墨舟皿中,在氢气气氛中进行焙烧,焙烧工艺为:a、室温—1100℃,历时4h;b、在1100℃时保温1h;c、随炉冷却,得改性料B;

3)将镍基合金粉末与改性料B混合,湿式球磨30h至均匀,得混合料C;

4)将混合料C压制成生坯,压制的单位压力为100MPa/cm2,在氢气气氛中进行烧结,烧结工艺同步骤2)的焙烧工艺,得到烧结坯;

5)将烧结坯复压,压制压力为初压时的两倍,得复压坯;

6)隔绝氧气下升温至1100℃复烧,升温速度为5~8℃/min,1100℃保温60min,随炉冷却后得到镍基自润滑复合材料。

实施例2

一种高强度镍基自润滑复合材料,其配比为:V(镍基合金):V(六方氮化硼):V(碳化铬)=84:10:6,其中镍基合金元素粉末的质量比:W(Ni):W(Cu):W(Fe):W(Mn)=78:6:7:9。

制备方法如下:

1)将六方氮化硼和碳化铬粉末在双轴滚料机上进行湿式球磨,其中,加入的水和聚丙烯酰胺的量分别为六方氮化硼和碳化铬总质量的26%、1.5%,球料比6:1,球磨42h,转速为80~100rpm,得到混合料A;

2)将混合料A放入石墨舟皿中,在氢气气氛中进行焙烧,焙烧工艺为:a、室温—1100℃,历时4h;b、在1100℃时保温1h;c、随炉冷却,得改性料B;

3)将镍基合金粉末与改性料B混合,湿式球磨30h至均匀,得混合料C;

4)将混合料C压制成生坯,压制的单位压力为100MPa/cm2,在氢气气氛中进行烧结,烧结工艺同步骤2)的焙烧工艺,得到烧结坯;

5)将烧结坯复压,压制压力为初压时的两倍,得复压坯;

6)隔绝氧气下升温至1100℃复烧,升温速度为5~8℃/min,1100℃保温60min,随炉冷却后得到镍基自润滑复合材料。

实施例3

一种高强度镍基自润滑复合材料,其配比为:V(镍基合金):V(六方氮化硼):V(碳化铬)=87:7:6,其中镍基合金元素粉末的质量比:W(Ni):W(Cu):W(Fe):W(Mn)=80:7:6:7。

制备方法如下:

1)将六方氮化硼和碳化铬粉末在双轴滚料机上进行湿式球磨,其中,加入的水和聚丙烯酰胺的量分别为六方氮化硼和碳化铬总质量的26%、1.5%,球料比6:1,球磨42h,转速为80~100rpm,得到混合料A;

2)将混合料A放入石墨舟皿中,在氢气气氛中进行焙烧,焙烧工艺为:a、室温—1100℃,历时4h;b、在1100℃时保温1h;c、随炉冷却,得改性料B;

3)将镍基合金粉末与改性料B混合,湿式球磨30h至均匀,得混合料C;

4)将混合料C压制成生坯,压制的单位压力为100MPa/cm2,在氢气气氛中进行烧结,烧结工艺同步骤2)的焙烧工艺,得到烧结坯;

5)将烧结坯复压,压制压力为初压时的两倍,得复压坯;

6)隔绝氧气下升温至1100℃复烧,升温速度为5~8℃/min,1100℃保温60min,随炉冷却后得到镍基自润滑复合材料。

对比例1:

下面对制得的镍基自润滑复合材料进行性能检测,进一步显示本发明镍基自润滑复合材料的性能。

表1 产品性能检测结果

说明:

1)维氏硬度测量采用维氏硬度计,压力2Kg,保压时间15s,实验条件为室温;

2)采用阿基米德排水法测量体积密度,将体积密度除以理论密度计算得致密度,实验条件为室温;

3)压缩强度测试使用万能试验机,试样尺寸为39mm×11mm×6mm,实验条件为室温;

4)冲击韧性测试采用自制6J悬臂梁式冲击试验机,实验条件为室温;

5)耐磨性能测试采用M-2000型环块试验机,试样尺寸φ5×15mm,记录摩擦系数,并计算得到磨损率,实验条件为室温。

再多了解一些
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