一种自润滑性好金属陶瓷轴承及其制备方法

现代科学技术的发展对材料在高温条件下摩擦、磨损和润滑性能的要求越来越高, 迫切需要开发相适应的高温润滑剂和高温自润滑材料, 从而使机械强度高和摩擦学性能好的自润滑复合材料的研究开发成为摩擦学领域的重要研究热点。

金属或陶瓷基自润滑材料是将固体润滑剂作为组元加入到金属或陶瓷基体中形成的复合材料, 其摩擦学特性取决于摩擦过程中基体所含固体润滑剂的析出和弥散分布。但能承受高的烧结温度而不丧失润滑特性的固体润滑剂很少, 而且其分布不均匀性和对基体连续性的破坏会显著降低复合材料的强韧性和耐磨性。

研究表明, 以粉末烧结金属陶瓷为耐磨基体, 借助于原料粉的粒径、颗粒形状或成形压力以及造孔剂的数量来调整孔隙度和孔的形状、大小及分布,浸渍合适的固体润滑材料, 使其在高温摩擦过程中通过摩擦热的作用而对摩擦表面实现自润滑, 以取代油、脂作为润滑剂的自润滑轴承, 是解决高温摩擦磨损和自润滑问题的有效途径, 可实现某些特殊工况条件下, 如在高温、高磨损或腐蚀环境下的自润滑要求。

此类材料在高温特殊工况下, 有着广泛的应用前景。基于扩散自润滑金属陶瓷烧结体作为自润滑轴承基体的微细孔结构、强韧性和耐磨性的要求, 可采用烧结法制备几种不同成分的腺汗式微细孔结构的金属陶瓷烧结体, 对其性能进行分析。

方法原理

以TiC/Fe-Cr-W-Mo-V 混合粉为基料, 加入一定量的造孔剂和惰性弥散质点, 利用真空烧结法研制出一种孔隙分布均匀, 且互相连通成网络状的微细孔结构的金属陶瓷烧结体, 并通过显微硬度计和液压式压力试验机分析了其力学性能, 以扫描电子显微镜分析了材料的显微结构、孔径结构。

结果表明: 制备TiC/Fe-Cr-W-Mo-V 系微细孔金属陶瓷扩散自润滑烧结体时, 添加3% 的TiH2造孔剂, 并以Al2O3 为惰性弥散质点, 于1230℃烧结, 可使烧结体孔隙分布均匀且互相连通, 显孔隙度在17% 左右, 满足扩散自润滑轴承对孔隙结构、尺寸和力学性能的要求。

实验步骤

一种自润滑性好金属陶瓷轴承，由下列重量份的原料制成：柠檬酸铁2.3-2.4、碱式碳酸镍3.1-3.5、钨酸锌1.1-1.3、水25-30、氨水适量、TiH22.9-3、TiC15-15.4、磷化羰基铁粉1.3-1.6、磷酸锆0.6-0.8、钛酸锂0.6-0.8、润滑剂0.7-0.9、C1-1.1、W8.6-9、Mo6.1-6.3、

V3.1-3.3、Fe65-66。

包括以下步骤：

（1）在氮气氛围中将柠檬酸铁加入水中，加热至60-80℃，在90-120 转/ 分下搅拌1.5-1.8 小时，加入TiC、磷化羰基铁粉、磷酸锆、钨酸锌、钛酸锂，搅拌1-1.5 小时，再加入碱式碳酸镍搅拌3-4 小时，用氨水调节pH 值至6-6.5，加热至90-130℃并保持该温度继续搅拌2-3 小时，得到凝胶；

（2）将凝胶加热至150-200℃并保持该温度直到没有烟雾产生时停止加热，然后将所得块状物磨成粉末，并将所述粉末在氢气气氛中在500-520℃下焙烧2-2.3 小时，得到还原粉末；

（3）将上述还原粉末与其他剩余成分混合均匀，球磨4-4.5 小时后进行冷压，压制力为600-620MPa，试样成形后进行真空液相烧结，烧结温度为1230-1235℃，保温60min 后随炉冷却至室温，即得。

优点是：使用柠檬酸铁、碱式碳酸镍对TiC 进行包覆改性，在陶瓷相表面包覆了铁和镍，使得陶瓷颗粒具有磁性，易与金属相结合，降低了界面效应，提高了陶瓷相与金属相的粘结强度，使得轴承的强度和韧性大大提高；通过使用磷化羰基铁粉、磷酸锆、钨酸锌、钛酸锂，提高了金属陶瓷的硬度，同时具有优异的自润滑性和耐磨性。

实验数据：材料的硬度为54.5HRC、压溃强度为842MPa，烧结密度为6.06g/cm3, 孔隙度16.7%，在金相显微镜和HITACHIX-650 扫描电子显微镜上观察，可以看出烧结体中孔隙如同海绵一样, 呈伸展到表面的互通孔隙网络状。