一种镍基自润滑复合材料及其制备方法与流程

本发明属于自润滑材料
技术领域：
，具体涉及一种镍基自润滑复合材料及其制备方法。
背景技术：
：镍基自润滑复合材料常用于轴承的制备，制备得到的轴承常用于传动和承载部件。轴承在应用过程中极易因润滑环境较差导致轴承迅速磨损而失效。特别是在高温水介质环境下应用的轴承常常由于核能、化工等工业领域中的特殊环境(如辐射高、温度高等)，无法采用油脂作为润滑，仅能采用水介质作为润滑，这就使得传统的以六方氮化硼、二硫化钨或二硫化钼等作为自润滑组元的自润滑材料存在易于水解而无法使用的技术问题。针对这一技术问题，现有技术中的自润滑材料采用石墨、铅合金等作为自润滑组元，其自润滑性机理为：由复合材料中磨下的石墨被带到摩擦表面上形成连续的固体润滑膜，改善润滑条件。采用石墨、铅合金等作为自润滑组元解决了自润滑材料易于水解而无法使用的技术问题，但是由于采用石墨、铅合金等作为自润滑组元，造成自润滑材料的强度降低，降低使用寿命。申请公布号为cn101812648a的中国专利申请公开了一种替代传统轴承的碳纤维保持架复合材料，按重量百分比构成如下：铜粉3～5％；石墨4～6％；碳纤维粉10～12％；余量为镍粉，经过高温混合、模具成形加压、重新烧结、补压、退火制成。其中，高温混合为：将铜粉、镍粉和石墨在滚筒式球磨机上混合，混料方式采用干混法，球料比为2：1，混料时间20h；再将铜粉、镍粉和石墨混料高温至1200～1300℃熔化时，采用管状物内用氩气以风吹的方式将碳纤维粉逐渐加入并不停止的对已熔化的铜粉和镍粉及石墨进行搅拌，加入速率视高温炉的容量大小而定，以加入炉内的碳纤维粉充分与其他介质物体搅拌均匀为目的，通常搅拌的时间为1～2h，但必须保持原已熔化的1200～1300℃基础上进行搅拌。模具成形加压为：将已熔化的铜和镍及均匀分布在已熔化介质中的石墨及碳纤维灌注于模具中，降至600～800℃后逐渐进行加压，在压力达到100mpa时逐渐降至常温后，静等压力为3～4h。重新烧结为：在真空碳管炉上烧结，烧结温度1200～1300℃，烧结时间1～2h。补压为：在油压机上补压，补压压力600～700mpa。退火为：在真空碳管炉上退火，退火温度800～900℃，烧结时间1～2h。该复合材料存在室温抗弯强度低，表面硬度低，抗冲击韧性差，摩擦系数过高、磨损量过大的技术问题。且该复合材料在制备过程中存在复杂化，生坯密度过低，易产生裂纹等技术问题。因此，急需要研发出一种新型自润滑复合材料，来同时提高自润滑复合材料的室温抗弯强度，表面硬度和抗冲击韧性，降低摩擦系数和磨损量。技术实现要素：本发明的第一个目的在于提供一种镍基自润滑复合材料，以解决现有镍基自润滑复合材料的室温抗弯强度低，表面硬度低，抗冲击韧性差，摩擦系数过高的问题。本发明的第二个目的在于提供一种镍基自润滑复合材料的制备方法，以解决现有镍基自润滑复合材料在制备过程中存在复杂化，生坯密度过低，易产生裂纹的问题。为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种镍基自润滑复合材料，主要由以下质量百分数的原料制成：镍82％～90％，铜2％～6％，改性石墨6％～8％，碳纤维2％～4％；所述改性石墨为表面镀镍的石墨。本发明的镍基自润滑复合材料中各原料之间作用机理如下所示：首先，添加质量百分数为82％～90％的镍，提高了镍基自润滑复合材料的高温强度和耐辐射性能。其次，添加质量百分数为2％～6％的铜，并与前期加入的质量百分数为82％～90％的镍相互配合作为镍基自润滑复合材料的基体组元，使得铜在镍中的重量浓度为2.17％～6.82％，该特定的重量浓度能够提高镍基自润滑复合材料的力学性能。再次选用质量百分数为6％～8％的改性石墨和质量百分数为2％～4％的碳纤维，作为镍基自润滑复合材料的润滑组元。一方面改性石墨和碳纤维可以为镍基自润滑复合材料提供良好的自润滑性，另一方面改性石墨可以提高镍基自润滑复合材料中基体组元和润滑组元之间的浸润性，进而提高镍基自润滑复合材料中基体组元和润滑组元之间的结合强度，从而进一步提高了复合材料的力学性能。本发明的镍基自润滑复合材料既具有耐腐蚀、耐辐射和耐高温的特性，又可以在水介质、辐射和高温环境下使用；室温抗弯强度大于300mpa，表面硬度大于60hbw，冲击韧性大于13j/cm2，摩擦系数为0.15～0.20，在20n载荷下的加载15min后测试往复摩擦的磨损量小于0.03mm3。为进一步改善镍、改性石墨和碳纤维之间的混合均匀程度，并保持混合后的原料呈现一定的流动性，优选的，所述镍为粒径为320目的镍粉。为进一步提高铜与镍之间的互溶程度，提高合金化率，优选的，所述铜为粒径为200目的铜粉。为进一步提高润滑组元与基体之间的结合强度，提高镍基自润滑复合材料的力学性能，优选的，所述石墨为胶体石墨、鳞片石墨中的至少一种，所述改性石墨中含碳量大于95％。为进一步提高镍基自润滑复合材料的室温抗弯强度、表面硬度、冲击韧性，降低镍基自润滑复合材料的摩擦系数和磨损量，优选的，所述碳纤维为表面镀镍的碳纤维。为进一步提高镍基自润滑复合材料中基体组元和润滑组元之间的结合强度，提高复合材料的力学性能，优选的，所述表面镀镍为表面电镀镍、表面化学镀镍或表面气相沉积镀镍。一种镍基自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：将以下质量百分数的原料混合：镍82％～90％，铜2％～6％，改性石墨6％～8％，碳纤维2％～4％，所述改性石墨为表面镀镍的石墨，得混合粉末；将混合粉末真空热压烧结，冷却，即得。本发明的镍基自润滑复合材料在制备过程中，选用了特定组成的原料，即选用以下重量百分数的原料混合：镍82％～90％，铜2％～6％，改性石墨6％～8％，碳纤维2％～4％，改性石墨为表面镀镍的石墨，可以改善润滑组元与基体组元之间的浸润性，使得镍基自润滑复合材料在制备过程中可以大大简化生产工艺，避免冷等静压和二次加工等工序的使用，提高了生坯密度，避免裂纹的产生，采用真空热压烧结法制备得到的镍基自润滑复合材料的室温抗弯强度、表面硬度和冲击韧性均得到了提高，摩擦系数和磨损量均得到了降低。为进一步提高各原料之间的均匀性，优选的，所述混合的步骤为球磨，球磨的时间为36～48小时，磨介比为(2～5)：1。为进一步提高镍基自润滑复合材料的烧结性和组织均一性，优选的，真空热压烧结的条件为：真空条件下，从室温升温至1100℃～1300℃并保温50min～100min，在1100℃～1300℃下的烧结压力为15mpa～30mpa，保温结束后继续维持烧结压力，当降温至700℃～1000℃时泄压并在700℃～1000℃的温度下保温60min～120min。为进一步提高镍基自润滑复合材料的性能，优选的，所述真空条件的真空度为10-3pa～10-2pa，在700℃～1000℃的温度下保温60min～120min后还有随炉降温至室温、释放真空、出炉的步骤。本发明前述的任意一种镍基自润滑复合材料在轴承中的应用。附图说明图1为本发明的镍基自润滑复合材料的制备方法实施例3的热压工艺曲线图；图2为本发明的镍基自润滑复合材料的制备方法实施例1中制备得到的镍基自润滑复合材料的室温摩擦系数测试结果图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。以下实施例中，镍、镍粉、电解镍粉、铜、铜粉、电解铜粉、改性石墨、表面镀镍的石墨、表面电镀镍的石墨、表面化学镀镍的石墨、表面气相沉积镀镍的石墨、表面电镀镍的胶体石墨、表面化学镀镍的胶体石墨、表面气相沉积镀镍的胶体石墨、表面电镀镍的鳞片石墨、表面化学镀镍的鳞片石墨、表面气相沉积镀镍的鳞片石墨、碳纤维、碳纤维粉、表面镀镍的碳纤维、表面电镀镍的碳纤维、表面化学镀镍的碳纤维、表面气相沉积镀镍的碳纤维、石墨模具、混合、球磨、真空热压烧结、冷却等设备和原料均可通过市售常规渠道获得。镍基自润滑复合材料的制备也可以采用现有技术中任意能够制备镍基自润滑复合材料的制备方法。真空热压烧结过程中使用的设备为真空热压烧结炉。球磨采用的磨罐和磨球的材质均为不锈钢，真空热压烧结的过程中使用的模具为石墨模具。本发明的镍基自润滑复合材料，主要由以下质量百分数的原料制成：镍82％～90％，铜2％～6％，改性石墨4％～8％，碳纤维2％～4％；所述改性石墨为表面镀镍的石墨。优选的，所述碳纤维为碳纤维粉。优选的，镍粉为电解镍粉。优选的，铜粉为电解铜粉。本发明的镍基自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：将以下质量百分数的原料混合：镍82％～90％，铜2％～6％，改性石墨4％～8％，碳纤维2％～4％，所述改性石墨为表面镀镍的石墨，得混合粉末；将混合粉末真空热压烧结，冷却，即得。优选的，所述镍为粒径为320目的镍粉。优选的，所述铜为粒径为200目的铜粉。优选的，所述石墨为胶体石墨、鳞片石墨中的至少一种，所述改性石墨中含碳量大于95％。优选的，所述碳纤维为碳纤维粉。优选的，所述碳纤维为表面镀镍的碳纤维。优选的，所述表面镀镍为表面电镀镍、表面化学镀镍或表面气相沉积镀镍。优选的，镍粉为电解镍粉。优选的，铜粉为电解铜粉。本发明的镍基自润滑复合材料的实施例1本实施例的镍基自润滑复合材料，由以下质量百分数的原料采用真空热压法制成：320目的电解镍粉90％，200目的电解铜粉2％，表面化学镀镍的胶体石墨粉6％，碳纤维粉2％。本发明的镍基自润滑复合材料的制备方法实施例1本实施例的镍基自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：将以下重量百分数的原料混合：320目的电解镍粉90％，200目的电解铜粉2％，表面化学镀镍的胶体石墨粉6％，碳纤维粉2％；具体混合过程为，按照重量百分数分别称取320目的电解镍粉、200目的电解铜粉、表面化学镀镍的胶体石墨粉和碳纤维粉，将其全部置于球磨机中干混，转速为100r/min，磨介比为3:1，磨罐和磨球均为不锈钢材质，球磨时间为48小时，获得均匀的混合粉末；将得到的混合粉末进行真空热压烧结，冷却，即得；具体真空热压烧结为，将得到的混合粉末装入涂有六方氮化硼的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行真空热压烧结，炉腔内真空度为1×10-2pa，从室温升温至1200℃并保温50min，在1200℃下的烧结压力为20mpa，保温结束后继续维持烧结压力，并随炉降温，当降温至700℃时泄压并在700℃的温度下保温120min，随炉降温至室温，释放真空，出炉。本发明的镍基自润滑复合材料的实施例2本实施例的镍基自润滑复合材料，由以下质量百分数的原料采用真空热压法制成：320目的电解镍粉82％，200目的电解铜粉6％，表面化学镀镍的鳞片石墨粉8％，碳纤维粉4％。本发明的镍基自润滑复合材料的制备方法实施例2本实施例的镍基自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：将以下重量百分数的原料混合：320目的电解镍粉82％，200目的电解铜粉6％，表面化学镀镍的鳞片石墨粉8％，碳纤维粉4％；具体混合过程为，按照重量百分数分别称取320目的电解镍粉、200目的电解铜粉、表面化学镀镍的鳞片石墨粉和碳纤维粉，将其全部置于球磨机中干混，转速为100r/min，磨介比为2:1，磨罐和磨球均为不锈钢材质，球磨时间为48小时，获得均匀的混合粉末；将得到的混合粉末进行真空热压烧结，冷却，即得；具体真空热压烧结为，将得到的混合粉末装入涂有六方氮化硼的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行真空热压烧结，炉腔内真空度为5×10-3pa，从室温升温至1100℃并保温100min，在1100℃下的烧结压力为15mpa，保温结束后继续维持烧结压力，并随炉降温，当降温至900℃时泄压并在900℃的温度下保温60min，随炉降温至室温，释放真空，出炉。本发明的镍基自润滑复合材料的实施例3本实施例的镍基自润滑复合材料，由以下质量百分数的原料采用真空热压法制成：320目的电解镍粉84％，200目的电解铜粉6％，表面电镀镍的胶体石墨粉2％，表面化学镀镍的鳞片石墨粉6％，表面化学镀镍的碳纤维粉2％。本发明的镍基自润滑复合材料的制备方法实施例3本实施例的镍基自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：将以下重量百分数的原料混合：320目的电解镍粉84％，200目的电解铜粉6％，表面电镀镍的胶体石墨粉2％，表面化学镀镍的鳞片石墨粉6％，表面化学镀镍的碳纤维粉2％；具体混合过程为，按照重量百分数分别称取320目的电解镍粉、200目的电解铜粉、表面电镀镍的胶体石墨粉、表面化学镀镍的鳞片石墨粉和表面化学镀镍的碳纤维粉，将其全部置于球磨机中干混，转速为100r/min，磨介比为5:1，磨罐和磨球均为不锈钢材质，球磨时间为48小时，获得均匀的混合粉末；将得到的混合粉末进行真空热压烧结，冷却，即得；具体真空热压烧结为，将得到的混合粉末装入涂有六方氮化硼的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行真空热压烧结(见图1)，炉腔内真空度为1×10-3pa，从室温升温至1300℃并保温60min，在1300℃下的烧结压力为30mpa，保温结束后继续维持烧结压力，并随炉降温，当降温至1000℃时泄压并在1000℃的温度下保温90min，随炉降温至室温，释放真空，出炉。对比例1本发明的镍基自润滑复合材料的对比例1本实施例的镍基自润滑复合材料，由以下质量百分数的原料采用真空热压法制成：320目的电解镍粉84％，200目的电解铜粉6％，石墨粉8％，碳纤维粉2％。本发明的镍基自润滑复合材料的制备方法对比例1本实施例的镍基自润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：将以下重量百分数的原料混合：320目的电解镍粉84％，200目的电解铜粉6％，石墨粉8％，碳纤维粉2％；具体混合过程为，按照重量百分数分别称取320目的电解镍粉、200目的电解铜粉、石墨粉、碳纤维粉，将其全部置于球磨机中干混，转速为100r/min，磨介比为3:1，磨罐和磨球均为不锈钢材质，球磨时间为48小时，获得均匀的混合粉末；将得到的混合粉末进行真空热压烧结，冷却，即得；具体真空热压烧结为，将得到的混合粉末装入涂有六方氮化硼的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行真空热压烧结，炉腔内真空度为1×10-3pa，从室温升温至1300℃并保温60min，在1300℃下的烧结压力为30mpa，保温结束后继续维持烧结压力，当降温至900℃时泄压并在900℃的温度下保温90min，随炉降温至室温，破真空，出炉。试验例：摩擦磨损性能试验：采用cft-i型材料表面性能综合测试仪测试材料的摩擦磨损性能，将本发明的镍基自润滑复合材料的制备方法实施例1～3和本发明的镍基自润滑复合材料的制备方法对比例1中得到的镍基自润滑复合材料制作成尺寸大小为10.5×10.5×5mm3的盘进行试验，对偶件为gcr15淬火轴承钢球。试验过程如下所示：室温条件下，加载载荷20n，运行时间15分钟。结果显示：本发明的镍基自润滑复合材料摩擦系数为0.166-0.194(见表1和图2)，小于对比例1中的摩擦系数0.233；本发明的镍基自润滑复合材料磨损量小于0.03mm3，小于对比例1中的磨损量0.532mm3，表明由本发明的镍基自润滑复合材料具有较低的摩擦系数和磨损量，摩擦磨损性能优异，自润滑性能优异。表观硬度、横向断裂强度、冲击韧度性能试验：表观硬度、横向断裂强度、冲击韧度性能的测试，采用现有技术中镍基自润滑复合材料的测试方法。结果显示：本发明的镍基自润滑复合材料表观硬度为60.2-64.6(见表1)，大于对比例1中的表观硬度55；本发明的镍基自润滑复合材料横向断裂强度为305-437，大于对比例1中的横向断裂强度226；本发明的镍基自润滑复合材料冲击韧度为13.0-14.0，大于对比例1中的冲击韧度7.5；表明由本发明的镍基自润滑复合材料具有较高的表观硬度、横向断裂强度和冲击韧度性能，性能优异。表1镍基自润滑复合材料性能的对比测试项目/单位实施例1实施例2实施例3对比例1表观硬度/hbw64.669.560.255横向断裂强度/mpa358437305226冲击韧度/j/cm213.514.013.07.5摩擦系数0.1660.1940.1920.233磨损量/mm30.0280.0270.0300.532当前第1页12