专利名称：一种高温自补偿润滑耐磨材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及自润滑耐磨材料及其制备方法，特别是高温环境下使用的自补偿润滑耐磨材料及其制备方法。
背景技术：
传统的高温自润滑耐磨材料的设计理念是将固体润滑剂作为混合组元加入在耐磨材料中形成自润滑复合材料。由于材料中润滑相和硬质相的相互制约；当增加润滑组元以改善材料的润滑性时，润滑相降低了材料的机械性能和硬质相的耐磨性；从而制约了材料中各自元素功能的发挥。
此外，由于金属烧结体中的多孔性，采用浸渍法将润滑剂浸渍到金属烧结体中制备成自润滑零件，已广泛应用于工程领域。然而，目前金属烧结体中的微孔为无规则的缝隙式微孔，烧结体只能通过吸虹作用吸收润滑剂(油)；因此，被浸渍的润滑剂只能是液状介质；而液状介质的高温挥发性使其无法满足极端高温工作要求。
随着陶瓷制备技术的发展和清洁燃料在热机中的应用，极端高温工况下的零件对材料摩擦学性能提出了更高的要求；因此，如何采用新的理念制备极端工况下的高温自补偿润滑耐磨材料是工程中急需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能在高温工况下实行自补偿润滑的耐磨材料及其制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是高温自补偿润滑耐磨材料，它包括基体和复合在基体上的固体润滑剂粒子体，基体为具有汗腺式结构微孔的合金、陶瓷、稀土元素混合烧结体；汗腺式结构微孔直径为0.05-8μm，它由体内微孔和贯通微孔组成，体内微孔通过贯通微孔与基体表面贯通，固体润滑剂粒子体复合在汗腺式结构微孔中。
制备上述高温自补偿润滑耐磨材料的方法，其制备方法步骤为(1)按各组分重量份配比取合金粉末40-60份，碳化钛粉末25-40份，氧化钇粉末1-2份，造孔剂粉末4-13份；(2)将上述各组分混合后搅拌均匀，并冷压制备成形；(3)置于1250-1450℃温度下烧结制成基体；(4)冷却；(5)通过真空浸渍将固体润滑剂浸渍进基体中，然后通过二次烧结制成高温自补偿润滑耐磨材料。
本发明高温自补偿润滑耐磨材料的工作原理是它的基体为具有汗腺式结构微孔的合金、陶瓷、稀土元素混合烧结体，使其能通过浸渍法将固体自润滑粒子体复合进烧结体中，因为基体和复合在基体汗腺式微孔中的固体润滑剂粒子体具有不同热膨胀系数，使复合在汗腺式耐磨烧结体中的固体润滑元素在高温摩擦热-力场驱动下，通过耐磨烧结体中的汗腺微孔从内层向表面扩散和富集，并在表面形成吸附润滑膜，从而实现其高温自补偿润滑和耐磨功能。
本发明方法中，基体采用陶瓷粉末、合金粉末、稀土元素粉末和造孔剂粉末混合后烧结，在真空下烧结成为汗腺式结构；并将该基体烧结体作为固体润滑粒子体的载体，通过真空浸渍将固体润滑粒子体浸渍进该烧结体中，然后通过二次烧结制备出本发明耐磨材料。由于本发明中固体润滑剂的添加是在耐磨烧结体烧结后，通过真空浸渍和二次烧结复合进基体中，因此，基体在第一次高温烧结时由于材料配比中不含固体润滑剂组分而获得高耐磨烧结体；固体润滑剂作为独立体与基体界面的结合远比基体本身低，因此易于在高温摩擦过程中通过烧结体的汗腺式微孔析出而富集在润滑摩擦表面，从而解决了耐磨烧结体的高温自润滑问题。
本发明方法与已有的高温自润滑耐磨材料制备方法的主要区别在于传统高温自润滑耐磨材料是基于混元组分法设计，即将固体润滑元素通过材料组分混合在耐磨粉末中，烧结体经压制后在高温下烧结而成。而本发明方法则是基于汗腺式结构的热扩散润滑原理设计，即在耐磨烧结体基体制备过程中不含固体润滑元素，并制备成汗腺式微孔结构，固体润滑元素通过真空浸渍和二次烧结而复合在汗腺式微孔中，使自润滑耐磨材料由汗腺式耐磨烧结体与润滑粒子体复合而成。
本发明方法将耐磨材料制备成汗腺式微孔结构，并将固体润滑添加剂以微粒子体的形式二次复合进该基体的汗腺式微孔中，使其克服了传统混元法制备自润滑耐磨材料所存在的固体润滑添加剂在高温烧结过程中对材料基体性能损伤的缺陷，保证了基体材料的耐磨硬质相的形成；由于该复合材料可利用摩擦热驱动基体中的润滑剂通过汗腺微孔向摩擦表面扩散，因此，可实现耐磨材料的高温自补偿润滑功能。
图1为本发明耐磨材料的汗腺式微孔结构理想模型2为本发明耐磨材料实施例中的汗腺式微孔结构纵截面形貌3为本发明耐磨材料实施例中的汗腺式微孔结构横截面形貌4-10为用本发明耐磨材料制成的各种形状构件的结构示意图具体实施方式
如图1、2、3所示的本发明耐磨材料，它包括基体和复合在基体上的固体润滑剂粒子体，基体为具有汗腺式结构微孔的合金、陶瓷、稀土元素混合烧结体，汗腺式结构微孔由体内微孔2和贯通微孔1组成，体内微孔2通过贯通微孔1与基体表面贯通，该汗腺式结构烧结体的微孔直径为0.05-8μm。固体润滑剂粒子体复合在汗腺式结构微孔中。基体含有合金、碳化钛(陶瓷材料)、氧化钇(稀土元素材料)，各组分的重量份配比为合金40-60份，碳化钛25-40份，氧化钇1-2份。合金为高速钢或不锈钢。基体的总孔隙体积率(注孔隙体积率为基体材料中孔隙的体积与基体材料体积之比)为20-30％，其中贯通微孔1的孔隙体积率为10-20％。
其制备方法步骤为(1)按各组分重量份配比取合金粉末40-60份，碳化钛粉末25-40份，氧化钇粉末1-2份，碳酸钙2-8份，氢化钛4-8份；(各粉末粒度为200-325目)(2)将上述各组分混合后搅拌均匀，并经3-6KN/cm2冷压制备成形；(3)置于1250-1450℃温度下烧结1-2小时制成基体；(4)冷却；(5)通过真空(真空度(0.7-8)×102Pa)浸渍将固体润滑粒子体浸渍进基体中，然后通过二次烧结(在600-800℃下烧结1-2小时)制成高温自补偿润滑耐磨材料。
基体各组分具体的重量(单位克)可为
各组分混合后，可冷压制备成如图4-10所示的各种形状的基体。
在烧结时，通过两种造孔剂氢化钛和碳酸钙的燃烧挥发温度差，使其分别在500-600℃和900-1000℃温度下燃烧挥发，两次造孔，使烧结体内具有直径为0.05-8μm，总孔隙体积率为20-30％，其中贯通微孔的孔隙体积率为10-20％的汗腺式微孔结构，且使汗腺式微孔的结构固结、成形。
固体润滑粒子体为软金属、二硫化物和氟化物的超微粒子混合体(重量份配比一般为软金属40-50份，二硫化钼20-30份，氟化物20-30份)，固体润滑粒子体的粒度1000-1200目；该固体润滑粒子体在真空下浸入汗腺式耐磨烧结体中，并经600-800℃的二次烧结而复合在耐磨烧结体中。由于固体润滑元素是在高温摩擦过程中，由于摩擦热-应力场作用而通过烧结体中的汗腺式微孔扩散至摩擦表面，在摩擦表面的润滑剂量取决于耐磨烧结体中汗腺式孔隙率，因此，耐磨烧结体中的固体润滑粒子体含量和孔隙率控制了材料在高温摩擦过程中的润滑自补偿速率。
由于该发明烧结体的微孔是通过二次造孔后形成的汗腺式微孔结构，因此，在保证微孔能满足超微粒子体浸入的同时，使烧结体具有高的强韧性，该烧结体中的显微硬度可达HV800-1000；在800℃的工作环境中，该自润滑耐磨材料的磨损速率为(2-8)×10-6mm3/N.m，摩擦系数为0.20-0.35。
权利要求
1.一种高温自补偿润滑耐磨材料，其特征在于它包括基体和复合在基体上的固体润滑剂粒子体，基体为具有汗腺式结构微孔的合金、陶瓷、稀土元素混合烧结体；汗腺式结构微孔直径为0.05-8μm，它由体内微孔(2)和贯通微孔(1)组成，体内微孔(2)通过贯通微孔(1)与基体表面贯通，固体润滑剂粒子体复合在汗腺式结构微孔中。
2.如权利要求1所述的耐磨材料，其特征在于陶瓷材料为碳化钛，稀土元素材料为氧化钇，基体各组分的重量份配比为合金40-60份，碳化钛25-40份，氧化钇1-2份。
3.如权利要求2所述的耐磨材料，其特征在于合金为高速钢或不锈钢。
4.如权利要求1所述的耐磨材料，其特征在于基体内的总孔隙体积率为20-30％，其中，贯通微孔(1)的孔隙体积率为10-20％。
5.制备如权利要求1所述的耐磨材料的方法，其特征在于其制备方法步骤为(1)按各组分重量份配比取合金粉末40-60份，碳化钛粉末25-40份，氧化钇粉末1-2份，造孔剂粉末4-13份；(2)将上述各组分混合后搅拌均匀，并冷压制备成形；(3)置于1250-1450℃温度下烧结制成基体；(4)冷却；(5)通过真空浸渍将固体润滑剂浸渍进基体中，然后通过二次烧结制成高温自补偿润滑耐磨材料。
6.制备如权利要求5所述的耐磨材料的方法，其特征在于造孔剂粉末包括碳酸钙粉末和氢化钛粉末，其重量份配比为碳酸钙2-8份，氢化钛4-8份。
全文摘要
本发明涉及一种高温自补偿润滑耐磨材料及其制备方法，材料包括基体和复合在基体上的固体润滑剂粒子体，基体为具有汗腺式结构微孔的合金、陶瓷、稀土元素混合烧结体；汗腺式结构微孔直径为0.05－8μm，它由体内微孔(2)和贯通微孔(1)组成，体内微孔(2)通过贯通微孔(1)与基体表面贯通，固体润滑剂粒子体复合在汗腺式结构微孔中。本发明耐磨材料制备成汗腺式微孔结构，并将固体润滑添加剂以微粒子体的形式二次复合进该基体的汗腺式微孔中，保证了基体材料的耐磨硬质相的形成；该复合材料利用摩擦热驱动基体中的润滑剂通过汗腺微孔向摩擦表面扩散，可实现耐磨材料的高温自补偿润滑功能。
文档编号C22C1/08GK1586770SQ20041006066
公开日2005年3月2日 申请日期2004年7月30日 优先权日2004年7月30日
发明者刘佐民, 王砚军, 张一兵, 王二虎 申请人:武汉理工大学