一种宽适应双机制自润滑轴承材料及其制备方法

文档序号:8537622阅读:348来源:国知局
一种宽适应双机制自润滑轴承材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种材料,具体的说是一种宽适应双机制自润滑轴承材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]机械制造业在整个国民经济中占有及其重要的地位,而轴承加工在制造业中占据主导地位。滑动轴承有时在很苛刻的条件下工作,且处于含尘环境中,使得普通液体润滑轴承因其摩擦特性所限,不能适应特殊工况的要求。自润滑技术轴承完全突破了依靠油脂润滑的局限性而实现了无油润滑,自润滑材料轴承技术是目前润滑技术发展趋势,力学强度高和摩擦学性能好的自润滑复合材料的开发成为摩擦学领域的重要热点。
[0003]目前的轴承材料存在一些缺陷,由于轴承工作的工况例如温度、载荷性质、载荷种类等非常复杂,尺寸规格众多,如何根据不同情况选择并设计合适的材料是个复杂的问题。发展高温、重载、低速、含衬及腐蚀性等复杂工况下的自润滑轴承材料是当务之急。

【发明内容】

[0004]本发明目的是提供一种宽适应双机制自润滑轴承材料及其制备方法,该方法结合添加固体润滑剂和原位氧化反应的双重机制,粉末状的ZrBdt为基体材料并提供原位反应自润滑机制,ZrO2为增韧相,CaF 2为添加剂式自润滑配料,制备出适合自润滑轴承,且温度适应范围比较宽的自润滑轴承材料。
[0005]一种宽适应双机制自润滑轴承材料,该材料的各原料的体积百分比为:ZrB257.0-70.0%、ZrO2 12.0-37.0%、CaF26.0%。ZrB2采用纳米粉,粒度为 40~50nm ; ZrO 2采用纳米粉,粒度为10~20nm ;CaF2采用纳米粉,粒度为150~155nm。所述各原料的体积百分比优选为:ZrB2 60.0%、ZrO2 34.0%、CaF26.0%。
[0006]一种宽适应双机制自润滑轴承材料,包括以下步骤:
步骤一、原材料的预处理
所述2池2纳米粉、Zr02m米粉和CaF 2纳米粉在制备和包装过程中可能混有杂质,为了提高其纯度,采用的氢氟酸水溶液进行清洗。由于纳米粉料的粒度较小,活性较大,为避免粉料受氢氟酸的腐蚀,氢氟酸的浓度应适当。清洗方法为:分别将2池2纳米粉、ZrO2纳米粉和CaF2纳米粉置于浓度为1.8wt%的氢氟酸水溶液中,然后80~100Hz超声波、100~120r/min搅拌处理90~100min,静置60~90min,倒出上层溶液及漂浮的杂质等,所得沉淀物加入去离子水进行洗涤,静置60~90min再次倒出上层溶液,再次加入去离子水进行洗涤,直至上层溶液PH值大于6.5为止,分别得到酸洗后2池2纳米粉、ZrO 2纳米粉和CaF 2纳米粉;将所得酸洗后2池2纳米粉、ZrO 2纳米粉和CaF 2纳米粉分别加入无水乙醇洗涤一次,然后真空干燥至水的含量质量百分比为50%,再次加入无水乙醇洗涤一次,然后抽真空分别进行保存,得到预处理后2池2纳米粉、ZrO 2纳米粉和CaF 2纳米粉,备用;
步骤二、配料、搅拌、分散及第一次球磨按照2池2的体积百分比为57.0-70.0%、ZrO 2的体积百分比为12.0-37.0%分别取预处理后的2池2纳米粉和ZrO 2纳米粉,倒入装有ZrB 2纳米粉和ZrO 2纳米粉混合物体积2~4倍的去离子水的容器中,得到混合物A ;该容器配合有温度传感器,可以随时测量容器内液体的温度;将容器置于超声波发生器中,110~120Hz超声波处理,同时对其进行100~150r/min搅拌;在超声搅拌过程中,将混合物A的温度快速升高至110°C,并保持不变。超声搅拌30~40min后,按照聚乙二醇和混合物A的质量比为1:90取聚乙二醇,加入到混合物A中,继续超声搅拌10~20min,得到混合物B ;将所得混合物B放入球磨罐中,以无水乙醇为介质,球磨180~220h,在140~160°C条件下真空干燥22~26h,过筛,得到细化粉末,备用;
步骤三、第二次球磨
按照上述步骤二所得细化粉末的体积百分比为94%、步骤一预处理得到的CaF2纳米粉的体积百分比为6%,取步骤二所得细化粉末和步骤一预处理得到的CaF2m米粉,倒入步骤二所得细化粉末和步骤一预处理得到的CaF2纳米粉总体积6~8倍的去离子水的容器中,得到混合物C ;所述容器配合有温度传感器,可以随时测量容器内液体的温度;将装有混合物C的容器置于超声波发生器中,80~100Hz超声分散,同时对其进行100~150r/min搅拌;在超声搅拌过程中,将混合物温度快速升高至100°C,维持该温度,继续超声搅拌30~40min,按照聚乙二醇和混合物的质量比为1:95加入聚乙二醇,然后继续超声搅拌分散10~20min,超声搅拌分散结束后,得到混合物D ;将所得混合物D放入球磨罐中,以无水乙醇为介质,球磨180~220h,在140~160°C条件下真空干燥22~26h,过筛,得到二次球磨细化粉末,备用;步骤四:放电等离子烧结
将步骤三所得二次球磨细化粉末装入石墨模具,置于真空环境中,然后均匀加压进行放电等离子烧结,烧结时,从室温上升至1700°C的过程中,环境压力平稳均匀的加至45MPa,之后在温度为1750°0、压力4510^条件下保温10~25 min,然后断电自然冷却至室温,即得到宽适应双机制自润滑轴承材料。
[0007]步骤二和步骤三中所述的球磨罐均为玛瑙球磨罐;
步骤二和步骤三中所述球磨的方法为湿式行星球磨。
[0008]有益效果是:
1、本发明宽适应双机制自润滑轴承材料的制备方法,采用粉末状的ZrB2作为基体材料并提供原位反应自润滑机制,ZrO2S增韧相,CaF 2为添加剂式自润滑配料,并控制各组分的体积百分比为-.ZrB2 60.0-80.0%、Zr02 15.0-35.0%、CaF2 5.0%,引入 15.0-35.0% 的 ZrO2^要可以提高复合材料的强度和韧性,ZrB2氧化后也可以生成的ZrO2,使基体相ZrB2与新生成的ZrO2、增强相ZrOjg互穿插、包裹,形成较好的骨架结构,能够形成较好的相变增韧效果;引入5.0%的CaF2,主要是利用此高温润滑材料在摩擦时提供良好的自润滑,同时利用2池2/21<)2陶瓷基体起到的支撑骨架作用,并依靠三次球磨技术,将CaF 2固体润滑剂嵌入到连续的陶瓷骨架中,在低速切削或摩擦时可以析出,起到自润滑与减摩的作用。
[0009]2、本发明提供宽适应双机制自润滑轴承材料的制备方法,通过在ZrB2基体中添加ZrO2粉末和CaF 2粉末,并控制各自的体积分数,采用真空环境,均匀加压的放电等离子烧结(SPS)工艺,此烧结工艺可以有效降低较难烧结硼化物复合材料的烧结温度,从而获得致密度更高的材料;在此工艺条件下制备的宽适应双机制自润滑轴承材料,适合于高低温,具有粒度细小且分布均匀、高硬度、高抗弯强度、高断裂韧性、良好的高低温稳定性等特点,适合于制成对高温及耐磨性要求较高轴承。
【附图说明】
[0010]图1为原料中各组分的体积百分比为:ZrB2 55.0%、ZrO2 40.0%、CaF2 5.0%,其他条件按照本发明宽适应双机制自润滑轴承材料的制备方法中的不变,所制备的材料在700° C下摩擦磨损后图片;
图2为实施例二制备的宽适应双机制自润滑轴承材料在700° C下摩擦磨损后图片;图3为原料中各组分的体积百分比为:ZrB2 85.0%、Zr02 10.0%、CaF2 5.0%,其他条件按照本发明宽适应双机制自润滑轴承材料在700° C下摩擦磨损后图片;
图4为高温摩擦磨损实验中摩擦温度与摩擦系数关系图;
图5为宽适应双机制自润滑轴承材料在摩擦过程中的自润滑机理-摩擦开始阶段示意图;
图6为宽适应双机制自润滑轴承材料在摩擦过程中的自润滑机理-ZrB2、CaF2颗粒逐渐析出示意图;
图7为宽适应双机制自润滑轴承材料在摩擦过程中的自润滑机理-B2O3, ZrO2, CaF2润滑膜在摩擦表面拖覆示意图;
图8为宽适应双机制自润滑轴承材料在摩擦过程中的自润滑机理-自润滑膜的形成示意图;
图9为宽适应双机制自润滑轴承材料在700°C下空气中氧化2小时后的残余抗弯强度图;
图10为宽适应双机制自润滑轴承材料在700°C下空气中氧化2小时后残余断裂韧性图。
【具体实施方式】
[0011]一种宽适应双机制自润滑轴承材料,该材料的各原料的体积百分比为:ZrB257.0-70.0%、ZrO2 12.0-37.0%、CaF26.0%。ZrB2采用纳米粉,粒度为 40~50nm ; ZrO 2采用
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