一种铝合金基固体润滑复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种铝合金基固体润滑复合材料及其制备方法，该材料在室温至350ºc范围内具有良好的润滑性能，在高温、无油环境下作为自润滑材料具有良好的应用背景。

背景技术：

铝合金由于密度低、比强度高、热膨胀系数低、导热性好、耐蚀性好等优点，在航空、航天、汽车、船舶等领域获得了广泛应用。然而，铝合金由于摩擦系数大和磨损率高而限制了其在摩擦领域的应用。为了改善铝合金的摩擦性能，需要在铝合金基体添加增强相或固体润滑剂来获得铝基复合材料。目前常用的增强相有sic、al2o3，常用的固体润滑剂包括石墨、mos2和ws2。专利cn105525153a采用60～75%的al，20～30%的硅，5～12%的碳，≤1.0%的铁，≤2.0%的镁，≤0.8%的钛制备了一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料制动盘。专利cn105525161a采用：11～14%的si，4～6%的cu，0.2～1.2%的mg，1～4%的ni，0.01～0.4%的ti，0.05～0.2%的v，0.1～0.3%的mn，0.1～0.3%的zn，0.2～10%的纳米氧化铝（余量为铝）制备了一种活塞用耐磨超硬铝合金材料。专利cn101054644在铝合金基体中分别添加了7～12%的镀铜石墨、10～18%的镀铜石墨与镀铜碳纤维混合物、10～17%的镀铜石墨与镀镍碳纤维混合物制备了一种铝基自润滑材料。但是，由于这些铝基复合材料采用了普通的铝合金，使得其耐高温性能较差，不能在高温环境下使用。

金属基复合材料的性能取决于基体、增强相和基体与增强相之间的相容性，所以铝基复合材料的制备选择合适的铝合金基体至关重要。目前成熟应用的1系到7系铝合金，虽然在室温下具有足够的强度，但在高温下强度迅速降低，限制了其应用范围。为此，新型的al-fe-v-si系列耐热铝合金，作为在350ºc下能与耐热钢和钛合金相媲美的铝合金，可以选择其作为高温铝基固体润滑复合材料最好的基体材料。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能在室温至350ºc范围内具有良好润滑性能的铝合金基固体润滑复合材料及其制备方法。

一种铝合金基固体润滑复合材料，其特征在于该材料由75～95wt%的耐热铝合金和5～25wt%的铜包石墨组成；所述耐热铝合金的组成为：8.4～8.9wt%fe，1.1～1.5wt%v，1.7～1.9wt%si，余量为al；所述铜包石墨的组成为：50wt%cu和50wt%c。

如上所述铝合金基固体润滑复合材料的制备方法，其特征在于采用热压烧结方法制备，具体步骤如下：

将耐热铝合金粉末和铜包石墨粉末球磨获得混合粉末，然后将混合粉末置于真空热压烧结炉中进行烧结，所述烧结参数为：真空度10^-2～10^-1pa，升温速度10～30ºc/min，烧结温度600～650ºc，压力30～40mpa，保温时间20～40min；烧结完成后复合材料随炉冷却至室温得到铝合金基自润滑复合材料。

所述球磨参数为：球料比1～3:1，转速200～300r/min，球磨时间4～8h，磨罐和磨球为碳化钨硬质合金，球磨开始前充入氩气。

采用阿基米德原理测量材料的密度。采用维氏显微硬度计测试材料的硬度，测试条件为：载荷300g，加载持续时间10s。摩擦磨损性能采用ht–1000高温摩擦磨损试验机进行评价，对偶球为al2o3陶瓷，载荷为3n，滑动线速度为0.188m/s，摩擦半径为5mm，运行时间为30min，测试温度为25ºc、150ºc、250ºc和350ºc。

本发明采用上述材料组成和工艺参数制备的铝合金基固体润滑复合材料具有以下优点：

本发明的特点之一是，材料密度低、硬度高。

本发明的特点之二是，材料的摩擦系数较低并且稳定，磨损率较低，材料在室温至350ºc范围内具有良好润滑性能。

本发明的特点之三是，制备工艺简单，通过配方和工艺的调整，可以调控材料性能。

铝合金基固体润滑复合材料具有密度低、摩擦系数低、磨损率低等特点，而且制备工艺简单、可控性好，该材料适合在室温到350℃下使用，作为固体润滑材料在航空航天和汽车制造领域具有重要的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的铝合金基固体润滑复合材料的室温摩擦曲线。

图2为本发明实施例2制备的铝合金基固体润滑复合材料的室温摩擦曲线。

图3为本发明实施例1制备的铝合金基固体润滑复合材料350ºc下的摩擦曲线。

具体实施方式

实施例1：

按照质量百分比，分别称取90%的耐热铝合金和10%的铜包石墨粉末，其中铝合金粉末的组成为al-8.5fe-1.3v-1.7si；然后将粉末置于高能球磨机中，充入氩气，球料比为2:1，在200r/min转速条件下混合4h得到混合粉末。随后将混合粉末装入石墨模具中，置于真空热压烧结炉中烧结。烧结参数为：真空度低于5×10^-1pa，升温速率15ºc/min，烧结温度620ºc，压力35mpa，保温时间30min。烧结结束后，复合材料随炉冷却至室温得到铝合金基固体润滑复合材料。

材料的密度为2.91g/cm³，硬度为56.3hv，复合材料在25ºc至350ºc温度范围内的摩擦系数和磨损率见表1。

表1：实施例1材料与al2o3陶瓷球配副的摩擦系数和磨损率

实施例2：

按照质量百分比，分别称取85%的耐热铝合金和15%的铜包石墨粉末，其中铝合金粉末的组成为al-8.5fe-1.3v-1.7si；然后将粉末置于高能球磨机中，充入氩气，球料比为3:1，在250r/min转速条件下混合4h得到混合粉末。随后将混合粉末装入石墨模具中，置于真空热压烧结炉中烧结。烧结参数为：真空度低于5×10^-1pa，升温速率10ºc/min，烧结温度600ºc，压力30mpa，保温时间30min。烧结结束后，复合材料随炉冷却至室温得到铝合金基固体润滑复合材料。

材料的密度为2.911g/cm³，硬度为74.5hv，复合材料在25ºc至350ºc温度范围内的摩擦系数和磨损率见表2。

表2：实施例2材料与al2o3陶瓷球配副的摩擦系数和磨损率

实施例3：

按照质量百分比，分别称取80%的耐热铝合金和20%的铜包石墨粉末，其中铝合金粉末的组成为al-8.5fe-1.3v-1.7si；然后将粉末置于高能球磨机中，充入氩气，球料比为3:1，在220r/min转速条件下混合6h得到混合粉末。随后将混合粉末装入石墨模具中，置于真空热压烧结炉中烧结。烧结参数为：真空度低于5×10^-1pa，升温速率10ºc/min，烧结温度610ºc，压力35mpa，保温时间30min。烧结结束后，复合材料随炉冷却至室温得到铝合金基固体润滑复合材料。

材料的密度为2.938g/cm³，硬度为63.8hv，复合材料25ºc至350ºc温度范围内的摩擦系数和磨损率见表3。

表3：实施例3材料与al2o3陶瓷球配副的摩擦系数和磨损率

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