一种新型CoCrW基自润滑复合材料及其制备方法与流程

一种新型cocrw基自润滑复合材料及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及海洋腐蚀与自润滑领域，特别提供一种高强耐磨、减磨耐磨的cocrw基自润滑复合材料及其制备方法，可以满足航海领域对耐温耐压、耐腐蚀等环境的要求。


背景技术：

2.奥氏体不锈钢因其优异的耐腐蚀性能、良好的加工性能以及综合力学性能，可以满足航海领域对耐温耐压、耐腐蚀等环境的要求。然而，304、316等奥氏体不锈钢由于其硬度偏低、耐磨性能较差，限制了其在船舶领域的应用，因此研制一种满足海洋环境要求的新型材料成为了研究人员日益关注的问题。
3.与其他自熔性合金粉末相比，钴基粉末具有更加良好的耐磨损、耐腐蚀以及抗高温氧化等性能，特别是cocrw合金被广泛地应用于航空航天以及船舶等耐磨以及耐蚀等恶劣环境中。丁雨田等采用粉末冶金法制备cocrw合金并研究不同烧结温度对合金微观结构以及力学性能的影响，发现在1450℃烧结时合金密度达到最大值(8.75g/cm3)，硬度和抗弯强度同时达到最佳状态，分别为63.1hrc和382mpa。崔宇等研究了热处理温度对粉末冶金制备的cocrw合金组织及性能的影响，研究表明在1200℃炉冷4h条件下热处理后合金的性能最佳，其硬度和抗拉强度分别为63.5hrc和408mpa。何波等以铸造cocrw合金为研究对象，研究了不同温度的固溶处理对该合金组织以及耐磨性能的影响，结果发现1150、1200和1250℃固溶处理后的硬度都有所降低，且摩擦系数为0.4～0.5。然而，随着科技的不断发展，对耐腐蚀、耐磨性以及优异的力学性能提出了更高的要求，传统的粉末冶金cocrw合金已经不能满足使用要求，迫切需要开发综合性能更为优异的cocrw材料。
4.复合材料是如今新材料研制发展的大趋势，采用粉末冶金制备cocrw基复合材料鲜有报道。针对现有技术的不足，本发明实验采用机械合金化和放电等离子烧结的方法制备cocrw基复合材料，对比该材料与316不锈钢的力学性能以及常温和3.5％nacl盐水的摩擦磨损性能，研制出一种力学性能以及摩擦磨损性能都较为优异的cocrw基自润滑复合材料，从而满足船舶、航空航天、化工等行业对新材料日益严苛的条件。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种新型cocrw基自润滑复合材料及其制备方法，通过添加单质co粉、ag粉以及ceo2有效提高复合材料的力学性能以及摩擦磨损性能，解决了现有技术对自润滑复合材料无法兼具高强度和自润滑的问题，可用于船舶行业对高强度、耐腐蚀、耐磨损等性能的要求。
6.为解决上述问题，本发明提供一种力学性能以及摩擦磨损性能都较为优异的cocrw基自润滑复合材料，该复合材料由微米级cocr w金属合金粉为基，与单质co粉、ag粉和稀土元素氧化物ceo2以机械合金化方式球磨混合，经放电等离子烧结成型。cocrw合金粉和添加的单质co粉以及ceo2为保证复合材料的力学性能，为摩擦磨损性能提供了强度基础；摩擦磨损(常温及3.5％nacl盐水环境)时co粉的选择性氧化及其与ag粉复合，诱使磨痕
表面生成氧化物颗粒或釉质层从而实现自润滑，有效地降低了复合材料摩擦系数以及磨损率，提高了其耐磨性。所述cocr w合金粉、单质co粉、ag粉和稀土元素氧化物ceo2，按质量百分比分别为82％、5％、12％、1％。
7.进一步，所述cocr w合金粉、单质co粉、ag粉和稀土元素氧化物ceo2，原始粉末颗粒尺寸分别为≤50μm，≤40μm，≤50μm，≤10μm。
8.本发明的另一技术方案在于，提供了所述的cocrw基自润滑复合材料的制备方法，其步骤为：步骤一，机械合金化方式球磨混合；步骤二，放电等离子烧结成型。
9.进一步，所述步骤一粉末混合工序具体为：使用行星式球磨机按配方称重好的粉末原料进行球磨混合，其中球磨介质为316不锈钢球且球料比为6:1，球磨转速以及时间分别为300rpm和50h，每运行30min停10min。
10.优选的，为了防止球磨罐冷焊，100g粉末中加入3～4ml正庚烷可以有效减小粉末之间的摩擦，将得到的均匀合金化粉末烘干。
11.进一步，所述步骤二放电等离子烧结工序具体为：将制备好的胚体按照“升温ⅰ—升温ⅱ—保温—冷却”的工艺加压烧结，真空度高于1
×
10-3
atm，烧结压力为40mpa。
12.优选的，其中“升温
ⅰ”
阶段最高温度为800℃，升温速度为50～60℃/min；“升温
ⅱ”
阶段最高温度为1100℃，升温速率为55℃/min，之后保温10～20min随炉冷却，烧结后的复合材料致密度在99％以上。
13.本发明所述的新型cocrw基自润滑复合材料的性能指标如下：硬度高达573.7hv，屈服强度和压缩强度分别为1815mpa和2060mpa，在常温时摩擦系数以及磨损率分别为0.3927和3.071
×
10-5
mm3/(n
·
m)，在3.5％nacl盐水环境下其摩擦系数以及磨损率分别低至0.1162和4.869
×
10-6
mm3/(n
·
m)。
14.本发明的优点及技术效果是：
15.1.本发明制备的复合材料表面无空洞，致密度较高，具有较高的硬度以及屈服强度，力学性能较为优异
16.2.本发明制备的复合材料在常温和3.5％nacl盐水环境下摩擦磨损性能较为优异，磨痕表面生成了大量的氧化物，具有较为有意的自润滑性能，能够长时间提供良好的耐磨润滑效果
附图说明
17.图1为本发明实施例的放电等离子烧结制备的cocrw基自润滑复合材料的组织形貌图和面扫结果。
18.图2为本发明实施例的摩擦磨损30min后316不锈钢和cocrw基复合材料的摩擦系数。
19.图3为本发明实施例的两种材料在常温和3.5％nacl盐水环境的磨痕表面形貌图。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不受附图和实施例所限。
21.图1为本发明实施例放电等离子烧结制备的cocrw基自润滑复合材料的组织形貌
图和面扫结果。图2(a)为常温摩擦磨损30min后316不锈钢和cocrw基复合材料的摩擦系数，图2(b)为3.5％nacl盐水环境下摩擦磨损30min后316不锈钢和cocrw基复合材料的摩擦系数。图3为两种材料在常温和3.5％nacl盐水环境的磨痕表面形貌图:(a,b)316钢；(c,d)cocrw基复合材料。
22.实施例1
23.本实施例中，以奥氏体不锈钢316不锈钢为例，对其力学性能以及摩擦磨损性能进行测试，结果如下：
24.316不锈钢的硬度为205.8hv，屈服强度和压缩强度分别为372.3mpa和≥2000mpa(未断)。摩擦磨损试验条件为载荷10n，直径9.525mm的si3n4对磨球，往复摩擦时间30min，线速度0.024m/s，316不锈钢常温下平均摩擦系数和磨损率为0.5839和3.452
×
10-5
mm3/(n
·
m)，在3.5％盐水环境下的平均摩擦系数以及磨损率分别为0.4258和7.198
×
10-5
mm3/(n
·
m)。图3(a)为316不锈钢在常温摩擦磨损30min后磨痕表面形貌，由图可知磨痕表面出现大量的犁沟、磨屑以及明显的塑性变形，这是导致其摩擦系数以及磨损率较高的原因。另外由图3(b)盐水环境下摩擦磨损表面形貌结果可知，在该环境下表面出现了大量的犁沟，是明显的磨粒磨损。
25.实施例2
26.本实施例中，以微米级cocrw合金粉为基，与单质co粉、ag粉和稀土元素氧化物ceo2以机械合金化方式球磨混合，经放电等离子烧结成型，其具体制备参数如下：
27.(1)粉末混合：复合材料按照以下成分配比，cocrw合金粉82wt％、单质co粉5wt％、ag粉12wt％、ceo2粉1％；经行星式球磨机球磨混合，其中球磨介质为316不锈钢球且球料比为6:1，球磨转速以及时间分别为300rpm和50h，每运行30min停10min。为了防止球磨罐冷焊，100g粉末中加入3～4ml正庚烷可以有效减小粉末之间的摩擦。最后将得到的均匀合金化粉末烘干。
28.(2)放电等离子烧结：将球磨混合的复合粉末，放入石墨模具，压实，经放电等离子设备，将制备好的胚体按照“升温ⅰ—升温ⅱ—保温—冷却”的工艺加压烧结，真空度高于1
×
10-3
atm，烧结压力为40mpa。其中“升温
ⅰ”
阶段最高温度为800℃，升温速度为50～60℃/min；“升温
ⅱ”
阶段最高温度为1100℃，升温速率为55℃/min，之后保温10～20min随炉冷却，烧结后的复合材料致密度在99％以上。
29.cocrw基复合材料的硬度为573.7hv，屈服强度和压缩强度分别为1815mpa和2060mpa。摩擦磨损试验条件为载荷10n，直径9.525mm的si3n4对磨球，往复摩擦时间30min，线速度0.024m/s，复合材料在常温下平均摩擦系数和磨损率为0.3927和3.071
×
10-5
mm3/(n
·
m)，在3.5％盐水环境下的平均摩擦系数以及磨损率分别为0.1162和4.869
×
10-6
mm3/(n
·
m)。图3(c)和(d)分别为常温和3.5％nacl盐水环境下摩擦磨损30min后磨痕表面形貌图，常温摩擦磨损后表面形成了较为致密的釉质层，从而有效地抵抗复合材料与摩擦副的接触，因此釉质层在常温摩擦磨损过程有效地降低了材料的摩擦系数。再者，银粉作为抗剪应力低的润滑剂在滑动过程中容易涂抹在磨损的表面，因此ag粉在降低常温摩擦系数也起到了极为重要的作用。在盐水环境摩擦磨损后磨痕表面除了出现大量的犁沟外，表面还出现了许多且均匀分布的氧化物颗粒，其出现可以有效提高复合材料的耐磨性，因此，与316不锈钢相比，cocrw基复合材料摩擦磨损性能更为优异。
30.申请人声明，尽管已经示出和描述本发明的详细组成和制备方法，对本领域的技术人员而言，本发明并不局限于依赖上述详细组成和制备方法才能实施。对本发明的任何改进、产品原料替代和辅助成分的添加等，均在本发明的保护范围和公开范围之内。