一种自润滑复合材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及自润滑材料领域，特别是涉及一种自润滑复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.固体润滑剂是在承载表面之间加入的起到减少摩擦磨损目的的一些固体粉末或整体材料，它是摩擦学领域的重要组成部分。固体润滑剂的使用温度范围宽、承载能力强、防粘滑性好、抗高真空、耐辐射、防腐防尘，是一类特殊的润滑剂，其突破了传统油脂润滑剂的有效极限，它质量轻、体积小、时效变化小，能够减少维护时间和费用。固体润滑剂的使用丰富了润滑技术并为减轻设备的磨损发挥了不可替代的作用。
3.相比于传统油脂润滑剂，固体润滑剂在耐高温摩擦领域具有明显优势，但随着研究发现，单一的固体润滑剂如石墨、二硫化钨、氧化锌和氯化钡等只能在有限的温度区间内发挥良好的润滑性能，其有效润滑温度范围不能满足先进设备的需求。
4.现代高新技术产业日益向着高速度、高精度、高效率等方向发展，特别是运动构件材料，在某些极端工况的条件下运转时，对材料的耐腐蚀、耐高温以及耐磨损等方面的要求越来越高。因此，研究新型的固体自润滑材料，发展固体自润滑技术，突破传统润滑技术的使用极限是解决材料磨损、润滑失效等问题的有效方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种自润滑复合材料及其制备方法，其具有自润滑能力，并且有效润滑温度范围较宽。
6.为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供一种自润滑复合材料，其主要包括基体材料、固体润滑剂、石墨烯和偶联剂，以所述的基体材料的总质量为基准，所述的基体材料中各组分的质量百分比为：钛48％、铝46％、铬2％、铌2％、硼1％、镁1％，所述的固体润滑剂的质量为基体材料质量的5～10％，所述的石墨烯的质量为固体润滑剂质量的50～80％，所述的偶联剂的质量为石墨烯质量的120～200％。
7.在本发明自润滑复合材料的一示例中，所述的固体润滑剂是二硫化钨和氧化锌中的一种或两种。
8.在本发明自润滑复合材料的一示例中，所述的石墨烯是片状的石墨烯。
9.在本发明自润滑复合材料的一示例中，所述的石墨烯是用微波加热石墨10h后得到的。
10.在本发明自润滑复合材料的一示例中，所述的偶联剂为硅烷偶联剂kh
‑
550、kh
‑
560、kh
‑
570、kh
‑
792中的一种。
11.在本发明自润滑复合材料的一示例中，所述的偶联剂为硅烷偶联剂kh
‑
570。
12.本发明还提供了一种自润滑复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
13.步骤1、将钛粉、铝粉、铬粉、铌粉、硼粉、镁粉和固体润滑剂混合后，加入真空球磨罐中进行球磨，酒精作为分散剂，球料比为12:1，转速为150～250r/min，球磨时间为12～
15h；
14.步骤2、将球磨后得到的料浆用200～400目不锈钢筛子进行筛洗、过滤；
15.步骤3、将筛洗、过滤后得到的物料在真空状态下烘干；
16.步骤4、在烘干后得到的粉末中加入石墨烯和偶联剂并充分混合，将混合后的粉末置于超声波设备中处理30min；
17.步骤5、将步骤4得到的粉末加入石墨模具中，并放入放电等离子烧结设备中进行烧结，烧结温度为1000～1200℃，升温速率为120℃/min，烧结压力为30～50mpa，真空度为10～100pa，保温时间为8～10min。
18.在本发明自润滑复合材料的制备方法一示例中，步骤1中采用行星式球磨机进行球磨，磨球采用wc硬质合金球。
19.在本发明自润滑复合材料的制备方法一示例中，步骤2中筛洗、过滤次数为4～6次。
20.在本发明自润滑复合材料的制备方法一示例中，步骤3中的烘干温度为80℃，烘干时间为12～16h。
21.本发明自润滑复合材料可以用于制造轴承。
22.本发明自润滑复合材料的有效润滑温度范围较宽，具备较强的耐磨性能、抗氧化性能和防腐蚀性能，应用本发明制成的配件有自润滑的效果。
具体实施方式
23.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
24.当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
25.本发明提供一种自润滑复合材料，其主要包括基体材料、固体润滑剂、石墨烯和偶联剂，以所述的基体材料的总质量为基准，所述的基体材料中各组分的质量百分比为：钛48％、铝46％、铬2％、铌2％、硼1％、镁1％，所述的固体润滑剂的质量为基体材料质量的5～10％，所述的石墨烯的质量为固体润滑剂质量的50～80％，所述的偶联剂的质量为石墨烯质量的120～200％。所述的固体润滑剂是二硫化钨和氧化锌中的一种或两种。所述的石墨烯是片状的石墨烯。所述的石墨烯是用微波加热石墨10h后得到的。所述的偶联剂为硅烷偶联剂kh
‑
550、kh
‑
560、kh
‑
570、kh
‑
792中的一种，尤其是硅烷偶联剂kh
‑
570。
26.本发明还提供了一种自润滑复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
27.步骤1、将钛粉、铝粉、铬粉、铌粉、硼粉、镁粉和固体润滑剂混合后，加入真空球磨罐中进行球磨，酒精作为分散剂，球料比为12:1，转速为150～250r/min，球磨时间为12～15h；
28.步骤2、将球磨后得到的料浆用200～400目不锈钢筛子进行筛洗、过滤；
29.步骤3、将筛洗、过滤后得到的物料在真空状态下烘干；
30.步骤4、在烘干后得到的粉末中加入石墨烯和偶联剂并充分混合，将混合后的粉末置于超声波设备中处理30min；
31.步骤5、将步骤4得到的粉末加入石墨模具中，并放入放电等离子烧结设备中进行烧结，烧结温度为1000～1200℃，升温速率为120℃/min，烧结压力为30～50mpa，真空度为10～100pa，保温时间为8～10min。
32.在本发明自润滑复合材料的制备方法一示例中，步骤1中采用行星式球磨机进行球磨，磨球采用wc硬质合金球。
33.在本发明自润滑复合材料的制备方法一示例中，步骤2中筛洗、过滤次数为4～6次。
34.在本发明自润滑复合材料的制备方法一示例中，步骤3中的烘干温度为80℃，烘干时间为12～16h。
35.本发明自润滑复合材料可以用于制造轴承。
36.固体润滑剂的作用在于使本发明自润滑复合材料具有自润滑性能，进一步提高其耐磨损性能。应用本发明制成的配件在运行过程中由于磨损掉落的粉末就是复合固体润滑剂，复合固体润滑剂是两种以上固体润滑剂混合而成的，固体润滑剂之间能够产生协同效应，使得复合固体润滑剂的润滑性能和有效润滑温度范围优于单一的固体润滑剂。
37.石墨烯是一种单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，石墨烯是已知力学强度最高的材料之一，同时具有很好的韧性，并且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0tpa，固有的拉伸强度为130gpa。本发明自润滑符合材料充分利用了石墨烯的空间特性和力学特性，用超声波将各种粉末状原料震散，使其均匀分散在石墨烯的片层中，在提升本发明力学性能的同时，还提高了各粉末状原料的分散度和均匀性，进一步提高了本发明的耐磨性能，并且石墨烯能够与固体润滑剂组成复合固体润滑剂，拓宽本发明的有效润滑温度范围。
38.偶联剂，又称表面改性剂。偶联改性是在粒子表面发生化学偶联反应，粒子表面经偶联剂处理后可以与有机物产生很好的相容性。硅烷偶联剂是偶联剂中的一种，可以用作金属防腐预处理的表面改性剂。在本发明自润滑复合材料中，硅烷偶联剂作为一种合成组分，其能够对各金属粉末进行表面改性，提高各金属粉末之间的分散性，并且提高各金属粉末间与石墨烯的连接性，进而提高本发明自润滑复合材料的抗腐蚀、抗摩擦和抗氧化能力。
39.在下述实施例中各材料的具体规格如下：
40.钛粉：纯度为99.9wt％，平均粒度为20微米；
41.铝粉：纯度为99.9wt％，平均粒度为20微米；
42.铬粉：纯度为99.9wt％，平均粒度为25微米；
43.铌粉：纯度为99.9wt％，平均粒度为40微米；
44.硼粉：纯度为99.9wt％，平均粒度为25微米；
45.镁粉：纯度为99.9wt％，平均粒度为25微米；
46.二硫化钨粉：纯度为99.9wt％，平均粒度为5微米；
47.氧化锌粉：纯度为99.9wt％，平均粒度为15微米；
48.石墨烯：纯度为99.9wt％，平均粒度为50微米。
49.实施例1
50.按照质量百分比：钛48％、铝46％、铬2％、铌2％、硼1％、镁1％取用各原料制成基体原料，在基体原料中加入基体原料质量5％的固体润滑剂，固体润滑剂为氧化锌，将上述粉末材料混合均匀后放入行星式球磨机的真空球磨罐中，加入少量酒精作为分散剂，球料比为12:1，磨球采用wc硬质合金球，转速为150r/min，球磨时间为12小时。
51.将球磨后制成的混合料浆用200目的不锈钢筛子进行筛洗、过滤，筛洗、过滤次数为4次，将筛洗、过滤后得到的物料在真空状态下烘干，烘干温度为80℃，烘干时间为12小时。将石墨放入微波加热器中进行微波加热，微波加热时间为10小时，得到片状的石墨烯，取用固体润滑剂质量50％的石墨烯和石墨烯质量120％的偶联剂，偶联剂为硅烷偶联剂kh550，加入烘干后得到的粉末中，混合均匀后放置于超声波设备中进行超声波处理，超声波处理时间为30分钟。超声波处理能够使粉末均匀分散在石墨烯的片层中，再经过偶联剂的偶联反应，各粒子之间的分散度更好，各粒子与石墨烯之间的结合度更高。
52.将经超声波处理后的物料加入石墨模具中，然后将石墨模具放入放电等离子烧结设备中进行烧结，烧结温度为1000℃，升温速率为120℃/min，真空度为10pa，烧结压力为30mpa，保温时间为8分钟。最后取出脱模得到本发明自润滑复合材料。
53.实施例2
54.按照质量百分比：钛48％、铝46％、铬2％、铌2％、硼1％、镁1％取用各原料制成基体原料，在基体原料中加入基体原料质量6％的固体润滑剂，固体润滑剂为二硫化钨和氧化锌，二硫化钨与氧化锌的质量比为1:4，将上述粉末材料混合均匀后放入行星式球磨机的真空球磨罐中，加入少量酒精作为分散剂，球料比为12:1，磨球采用wc硬质合金球，转速为200r/min，球磨时间为13小时。
55.将球磨后制成的混合料浆用300目的不锈钢筛子进行筛洗、过滤，筛洗、过滤次数为5次，将筛洗、过滤后得到的物料在真空状态下烘干，烘干温度为80℃，烘干时间为13小时。将石墨放入微波加热器中进行微波加热，微波加热时间为10小时，得到片状的石墨烯，取用固体润滑剂质量60％的石墨烯和石墨烯质量140％的偶联剂，偶联剂为硅烷偶联剂kh560，加入烘干后得到的粉末中，混合均匀后放置于超声波设备中进行超声波处理，超声波处理时间为30分钟。超声波处理能够使粉末均匀分散在石墨烯的片层中，再经过偶联剂的偶联反应，各粒子之间的分散度更好，各粒子与石墨烯之间的结合度更高。
56.将经超声波处理后的物料加入石墨模具中，然后将石墨模具放入放电等离子烧结设备中进行烧结，烧结温度为1100℃，升温速率为120℃/min，真空度为30pa，烧结压力为40mpa，保温时间为9分钟。最后取出脱模得到本发明自润滑复合材料。
57.实施例3
58.按照质量百分比：钛48％、铝46％、铬2％、铌2％、硼1％、镁1％取用各原料制成基体原料，在基体原料中加入基体原料质量7％的固体润滑剂，固体润滑剂为二硫化钨和氧化锌，二硫化钨与氧化锌的质量比为2:3，将上述粉末材料混合均匀后放入行星式球磨机的真空球磨罐中，加入少量酒精作为分散剂，球料比为12:1，磨球采用wc硬质合金球，转速为
250r/min，球磨时间为14小时。
59.将球磨后制成的混合料浆用400目的不锈钢筛子进行筛洗、过滤，筛洗、过滤次数为6次，将筛洗、过滤后得到的物料在真空状态下烘干，烘干温度为80℃，烘干时间为14小时。将石墨放入微波加热器中进行微波加热，微波加热时间为10小时，得到片状的石墨烯，取用固体润滑剂质量70％的石墨烯和石墨烯质量160％的偶联剂，偶联剂为硅烷偶联剂kh570，加入烘干后得到的粉末中，混合均匀后放置于超声波设备中进行超声波处理，超声波处理时间为30分钟。超声波处理能够使粉末均匀分散在石墨烯的片层中，再经过偶联剂的偶联反应，各粒子之间的分散度更好，各粒子与石墨烯之间的结合度更高。
60.将经超声波处理后的物料加入石墨模具中，然后将石墨模具放入放电等离子烧结设备中进行烧结，烧结温度为1200℃，升温速率为120℃/min，真空度为50pa，烧结压力为50mpa，保温时间为10分钟。最后取出脱模得到本发明自润滑复合材料。
61.实施例4
62.按照质量百分比：钛48％、铝46％、铬2％、铌2％、硼1％、镁1％取用各原料制成基体原料，在基体原料中加入基体原料质量8％的固体润滑剂，固体润滑剂为二硫化钨和氧化锌，二硫化钨与氧化锌的质量比为1:1，将上述粉末材料混合均匀后放入行星式球磨机的真空球磨罐中，加入少量酒精作为分散剂，球料比为12:1，磨球采用wc硬质合金球，转速为200r/min，球磨时间为15小时。
63.将球磨后制成的混合料浆用400目的不锈钢筛子进行筛洗、过滤，筛洗、过滤次数为5次，将筛洗、过滤后得到的物料在真空状态下烘干，烘干温度为80℃，烘干时间为15小时。将石墨放入微波加热器中进行微波加热，微波加热时间为10小时，得到片状的石墨烯，取用固体润滑剂质量80％的石墨烯和石墨烯质量180％的偶联剂，偶联剂为硅烷偶联剂kh792，加入烘干后得到的粉末中，混合均匀后放置于超声波设备中进行超声波处理，超声波处理时间为30分钟。超声波处理能够使粉末均匀分散在石墨烯的片层中，再经过偶联剂的偶联反应，各粒子之间的分散度更好，各粒子与石墨烯之间的结合度更高。
64.将经超声波处理后的物料加入石墨模具中，然后将石墨模具放入放电等离子烧结设备中进行烧结，烧结温度为1000℃，升温速率为120℃/min，真空度为70pa，烧结压力为50mpa，保温时间为10分钟。最后取出脱模得到本发明自润滑复合材料。
65.实施例5
66.按照质量百分比：钛48％、铝46％、铬2％、铌2％、硼1％、镁1％取用各原料制成基体原料，在基体原料中加入基体原料质量9％的固体润滑剂，固体润滑剂为二硫化钨和氧化锌，二硫化钨与氧化锌的质量比为4:1，将上述粉末材料混合均匀后放入行星式球磨机的真空球磨罐中，加入少量酒精作为分散剂，球料比为12:1，磨球采用wc硬质合金球，转速为200r/min，球磨时间为15小时。
67.将球磨后制成的混合料浆用400目的不锈钢筛子进行筛洗、过滤，筛洗、过滤次数为5次，将筛洗、过滤后得到的物料在真空状态下烘干，烘干温度为80℃，烘干时间为16小时。将石墨放入微波加热器中进行微波加热，微波加热时间为10小时，得到片状的石墨烯，取用固体润滑剂质量80％的石墨烯和石墨烯质量200％的偶联剂，偶联剂为硅烷偶联剂kh570，加入烘干后得到的粉末中，混合均匀后放置于超声波设备中进行超声波处理，超声波处理时间为30分钟。超声波处理能够使粉末均匀分散在石墨烯的片层中，再经过偶联剂
实施例525～800℃0.31～0.502.85～3.12
×
10
‑4实施例625～800℃0.33～0.533.10～3.41
×
10
‑479.从表1中可以看出本发明自润滑复合材料的有效润滑温度范围宽于单一的固体润滑剂，其摩擦系数和磨损率低于钛铝合金。
80.将上述实施例中制成的自润滑复合材料进行抗氧化试验，试验方法为：循环氧化试验，将试样浸入腐蚀液中7～10秒对其表面进行腐蚀，然后用无水乙醇和蒸馏水对腐蚀后的试样进行清洗后烘干，并称量试样原始重量和坩埚原始重量。将试样置于坩埚中，然后放入科晶ksl
‑
1200热处理炉中，对试样进行800℃下的氧化试验，每10小时为一个循环，即每10小时取出试样及坩埚，待其冷却后进行称量。试验结果如下表。
81.表2为各实施例的循环氧化试验结果
[0082][0083][0084]
从上表可以看出，本发明自润滑复合材料的抗氧化性能优于钛铝合金，具有很好的抗氧化性能。
[0085]
将上述实施例中制成的自润滑复合材料进行防腐蚀试验，试验方法为：中性盐雾试验，使用5％的氯化钠水溶液作为喷雾用溶液，溶液的ph值为6.5，试验温度为35℃，沉降量为1～2ml/h，喷雾压力为0.09mpa，试验设备为fqy015气液式盐雾腐蚀箱，用腐蚀失重试验方法，取出指定腐蚀时间后的试样，用刷子轻轻擦拭清除试验表面的腐蚀产物，烘干后进行称量。试验结果如下表。
[0086]
表3为各实施例的腐蚀失重试验结果
[0087]
[0088]
从上表可以看出本发明自润滑复合材料的防腐蚀性能优于钛铝合金，具有很好的防腐蚀性能。
[0089]
综上，本发明自润滑复合材料具有自润滑性能，且有效润滑温度范围较宽，其还具有很好的耐磨性能、抗氧化性能和防腐蚀性能。
[0090]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。