專利名稱：一種固體自潤(rùn)滑材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于粉末冶金材料的制備工藝領(lǐng)域，特別涉及機(jī)械、制造等領(lǐng)域中耐溫抗重載固體自潤(rùn)滑軸承、摩擦副配偶件、高級(jí)密封環(huán)等部件所用的固體自潤(rùn)滑材料的制備方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代機(jī)械制造過程中，機(jī)械和機(jī)構(gòu)中的所有轉(zhuǎn)動(dòng)零件都需要軸承、軸瓦和軸套來支撐。由于現(xiàn)在機(jī)器與機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和負(fù)荷在急劇的增加，以及高溫、多塵、重載等惡劣工況的需求，由固體自潤(rùn)滑材料制成的金屬基配件起著越來越重要的作用。金屬基固體自潤(rùn)滑材料制成的固體自潤(rùn)滑部件就是在相對(duì)潤(rùn)滑的摩擦副表面間，由固體潤(rùn)滑劑實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑的效用。因此，固體潤(rùn)滑劑性能的利用與發(fā)揮在整個(gè)固體自潤(rùn)滑部件中起至關(guān)重要的作用。
在以往制造固體自潤(rùn)滑軸承的技術(shù)中，曾經(jīng)有人將石墨和二硫化鉬等固體潤(rùn)滑劑與金屬粉末直接相混合，然后通過粉末冶金工藝制備出固體自潤(rùn)滑材料。眾所周知，石墨和二硫化鉬等固體潤(rùn)滑劑的密度比較小，在混料的過程中容易發(fā)生偏析，造成材料的成分不均，嚴(yán)重地影響了固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料的潤(rùn)滑性能與加工性能；而且大部分的固體潤(rùn)滑劑對(duì)于金屬潤(rùn)濕性較差，與金屬燒結(jié)成型后強(qiáng)度很低，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間高溫?zé)Y(jié)，易造成揮發(fā)損失，因此得不到較好的效果。日本專利昭58-133346A、昭58-133347A制備的鐵基自潤(rùn)滑材料即采用以上混料方式進(jìn)行燒結(jié)，存在較大孔隙度，致使材料使用溫度低，潤(rùn)滑性和耐磨性均不理想。中南大學(xué)的李溪濱等人采用分步混和的方法配制原料合金粉末首先將一定配比的錫、鉛、鐵、鎳等金屬合金混和制成鋅基合金粉末；其次配制不同比例的固體潤(rùn)滑劑混料；最后將以上混好的兩種粉末按預(yù)定比例相混制成原料合金粉末，再經(jīng)粉末冶金成型、燒結(jié)等工藝制成自潤(rùn)滑軸承。這種分步相混的方法在一定程度上緩解了固體潤(rùn)滑劑與金屬粉末直接混和時(shí)由于潤(rùn)濕性能差導(dǎo)致的孔隙度大、強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，但是這種方法原料耗損較大，而且在燒結(jié)工藝中，固體潤(rùn)滑劑裸露在外，仍造成揮發(fā)損失、耐高溫性能差；部件在使用過程中，固體潤(rùn)滑劑也磨損極快，大大降低了產(chǎn)品的使用壽命。這種方法沒能從根本上解決軸承的性能和使用壽命問題。近年來，又有人采用普通金屬氣相沉積的方法來制取包覆固體自潤(rùn)滑材料的自潤(rùn)滑部件。這種方法在一定程度上解決了材料大孔隙度問題，增強(qiáng)了部件的使用強(qiáng)度，但是該方法對(duì)于工藝設(shè)備、工藝參數(shù)要求十分苛刻，制得的包覆粉產(chǎn)率較低，同時(shí)包覆在外層的金屬粉粒度不均一且結(jié)合不夠致密，同樣限制了自潤(rùn)滑部件的強(qiáng)度與使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本專利的目的在于提供一種固體自潤(rùn)滑性能優(yōu)異、抗重載、耐溫、高致密與使用壽命長(zhǎng)的固體自潤(rùn)滑材料的制備方法。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為首先利用一氧化碳與金屬在一定的溫度、壓力作用下反應(yīng)生成羰基金屬化合物，然后將羰基金屬化合物通過熱離解工藝生成所需尺寸的金屬粉末，并沉積包覆在固體潤(rùn)滑劑外表面，形成致密結(jié)實(shí)的固體潤(rùn)滑劑微球，再將此微球與一定比例的金屬、合金粉末混和，配制成固體自潤(rùn)滑原料；最終通過冷等靜壓技術(shù)壓制成形，再經(jīng)真空-氫氣燒結(jié)工藝燒結(jié)而成。
根據(jù)上述目的和技術(shù)方案，本發(fā)明的工作原理為羰基物熱離解制粉工藝，它是利用一氧化碳與金屬在一定的溫度、壓力作用下反應(yīng)生成羰基金屬化合物，然后再通過熱解而獲得粉末的一種方法，上述方法的化學(xué)反應(yīng)方程式為
式中Me——金屬；Me(CO)n——羰基金屬化合物，Q為熱量；用這種方法不僅可以生產(chǎn)純金屬粉末，而且如果同時(shí)離解幾種羰基物的混合物，還可以制得合金粉末，如果在一些顆粒表面上沉積熱離解羰基物，就可以制得包覆粉末。羰基有機(jī)化合物在熱解時(shí)，顆粒在氣態(tài)中長(zhǎng)大的過程十分類似氣態(tài)金屬的結(jié)晶過程，也具有成核和長(zhǎng)大兩個(gè)階段，通過控制羰基熱解溫度、壓力以及載帶氣體的流量與種類等參數(shù)，可以得到不同尺寸、不同顆粒形態(tài)的金屬粉末。
羰基物熱離解工藝包覆固體潤(rùn)滑劑與其它普通包覆方法相比具有顯著的優(yōu)越性①沉積溫度低，成膜面積大；②沉積層厚度均勻，顆粒大小均一，可調(diào)范圍寬；③沉積粉料純度高；④粉料顆粒之間結(jié)合緊密，包裹的球型顆粒致密結(jié)實(shí)。正是由于羰基物熱離解工藝以上的優(yōu)勢(shì)，若固體潤(rùn)滑劑微粒的外表面包覆一層羰基金屬粉的包覆層，就形成了固體潤(rùn)滑顆粒與羰基熱離解金屬的核——?dú)そY(jié)構(gòu)。固體潤(rùn)滑劑表面沉積有一層金屬以后，在一定程度上增加了固體潤(rùn)滑劑的密度，便于混料均勻；另一方面使固體潤(rùn)滑劑與基體材料在燒結(jié)的過程中，固體潤(rùn)滑劑不會(huì)與基體金屬發(fā)生反應(yīng)，固體潤(rùn)滑劑也不會(huì)因高溫分解揮發(fā)，保持了固體潤(rùn)滑劑良好的潤(rùn)滑性能與耐久性，提高了自潤(rùn)滑材料的耐高溫性；同時(shí)，包覆金屬的球型顆粒在壓制成型時(shí)結(jié)合的更加密實(shí)，保證了自潤(rùn)滑材料的全致密性和高強(qiáng)度。
根據(jù)上述目的和工作原理，本發(fā)明具體的技術(shù)方案為該固體自滑潤(rùn)材料所用原料的化學(xué)組成成分重量％為鐵基自潤(rùn)滑材料金屬鎳1～25％，銅1～10％，鉬1～5％，鎢1～7％，石墨1～12％，固體滑潤(rùn)劑1～5％，其余均為鐵；鎳基自潤(rùn)滑材料金屬鐵10～35％，銅0～15％，鉬1～10％，鎢1～7％，石墨2～12％，固體潤(rùn)滑劑1～8％，其余均為鎳。
上述的固體潤(rùn)滑劑為MoS2、MoSe、WSe2、WS2、NbSe2、氟化石墨、TaS2、CuF2、MoO3、PbO/SiO2、B2O3/PbS、BN中的一種或一種以上。
該固體自潤(rùn)滑材料的制備方法，包括如下具體步驟(1)、首先利用一氧化碳與金屬在一定的溫度、壓力作用下反應(yīng)生成羰基金屬化合物，然后將羰基金屬化合物通過熱離解工藝(在一定羰基蒸汽的流量、熱解溫度、壓力以及載帶氣體的種類與流量的作用下)生成所需尺寸的金屬粉末，上述化學(xué)反應(yīng)的方程式為
式中Me——金屬；Me(CO)n——羰基金屬化合物，Q為熱量；其中當(dāng)Me為金屬鎢、鉬時(shí)，反應(yīng)條件①壓力為50～60atm，溫度為50～80℃，反應(yīng)條件②熱解溫度為350～1200℃；當(dāng)Me為金屬鎳、鐵時(shí)，反應(yīng)條件①壓力為100～200atm，溫度為100～200℃，反應(yīng)條件②熱解溫度為150～300℃；反應(yīng)條件②中壓力為常壓，羰基金屬化合物的蒸汽(簡(jiǎn)稱羰基蒸汽)流量控制5～10cm3/min，載帶氣體為氮?dú)饣驓鍤?，羰基蒸汽與載帶氣體的比例控制為1∶5～1∶20；然后將上述生成的金屬粉末沉積包覆在固體潤(rùn)滑劑外表面，形成致密結(jié)實(shí)的固體潤(rùn)滑劑微球，再將此微球與一定比例的金屬、合金粉末混和，配制成固體自潤(rùn)滑原料；(2)、將上述配制成的固體自潤(rùn)滑原料通過冷等靜壓技術(shù)壓制成形，等靜壓的液壓壓力為1500～3000Kg/cm2，保壓時(shí)間5～15分鐘，緩慢卸壓至常壓；(3)、再經(jīng)真空-氫氣燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)而成，燒結(jié)爐先抽真空，然后通入氫氣，當(dāng)壓力為0.2～2MPa時(shí)，點(diǎn)火快速升溫，升溫速度控制在5～30℃/min，當(dāng)溫度達(dá)到900～1300℃時(shí)，保溫30～100分鐘后，自然降溫至500℃，200℃以下關(guān)氫氣出爐。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有制備工藝簡(jiǎn)單、成品具有固體自潤(rùn)滑性能優(yōu)異、抗重載、耐溫、高致密與使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。該工藝制備的金屬基部件可長(zhǎng)期應(yīng)用在高溫(550℃)、重載、多塵的惡劣工況中。上述優(yōu)點(diǎn)具體為與傳統(tǒng)的鐵基或鎳基自潤(rùn)滑材料相比，本發(fā)明由于引入羰基物熱離解制粉工藝包覆固體潤(rùn)滑劑，使得制得的自潤(rùn)滑材料組織致密，幾乎無孔隙，耐高溫，抗沖擊性強(qiáng)，可在重載、多塵、高溫(550℃)等惡劣工況下長(zhǎng)期工作。
本發(fā)明制得的外包裹羰基金屬粉的固體潤(rùn)滑劑在高溫長(zhǎng)時(shí)間燒結(jié)時(shí)，易于均勻地分布在金屬基體中，并與金屬基體形成金屬鍵鏈接，使固體潤(rùn)滑劑在使用中緩慢滲透析出形成固體潤(rùn)滑膜，充分提升了固體潤(rùn)滑劑的利用率，提高了材料的潤(rùn)滑特性、耐溫性與耐久性；同時(shí)，外包覆羰基金屬粉末的球形顆粒在壓制成型時(shí)結(jié)合的更加密實(shí)，保證了自潤(rùn)滑材料的高致密性和高強(qiáng)度。
本發(fā)明所述的固體潤(rùn)滑劑由于外層包覆致密結(jié)實(shí)的羰基金屬粉末，所以在與金屬合金進(jìn)行混料時(shí)，不需加入任何粘結(jié)劑與液體介質(zhì)，即可保證材料的相容性和致密性，不僅工藝簡(jiǎn)單、省時(shí)，而且完全克服了不同材料之間物性差異造成的孔隙度大、強(qiáng)度低的缺陷，同時(shí)大大提升了固體潤(rùn)滑劑的利用率與效用。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明所采用原料物質(zhì)的化學(xué)成分和制備方法，制備了6批固體自潤(rùn)滑材料。按化學(xué)成分不同分別進(jìn)行充分混合，采用不同的羰基物熱離解、成型燒結(jié)工藝參數(shù)進(jìn)行制備6批不同性能的自潤(rùn)滑材料。6個(gè)批號(hào)的化學(xué)成分如表1所示，羰基物熱離解、成形燒結(jié)工藝參數(shù)如表2所示，表3列出了6批自潤(rùn)滑材料的性能，同時(shí)將現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比例金屬氣相沉積法得到固體自潤(rùn)滑材料的性能列入表3中，序號(hào)為7#，本發(fā)明實(shí)施例為1-6#。
表1本發(fā)明實(shí)施例所用原料物質(zhì)的化學(xué)組成成分(重量％)

表2本發(fā)明實(shí)施例羰基物熱離解、成形燒結(jié)工藝參數(shù) 以上羰基物熱離解法中，未注明熱解溫度，是因?yàn)闊峤獾奈镔|(zhì)非單一物質(zhì)，熱解溫度仍為一個(gè)范圍，所以未明確注明。
表3本發(fā)明實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比例性能對(duì)比表
權(quán)利要求
1.一種固體自潤(rùn)滑材料的制備方法，其特征在于該方法包括如下具體步驟(1)、首先利用一氧化碳與金屬在一定的溫度、壓力作用下反應(yīng)生成羰基金屬化合物，然后將羰基金屬化合物通過熱離解工藝生成所需尺寸的金屬粉末，上述化學(xué)反應(yīng)的方程式為 式中Me——金屬；Me(CO)n——羰基金屬化合物，Q為熱量；其中當(dāng)Me為金屬鎢、鉬時(shí)，反應(yīng)條件①壓力為50～60atm，溫度為50～80℃，反應(yīng)條件②熱解溫度為350～1200℃；當(dāng)Me為金屬鎳、鐵時(shí)，反應(yīng)條件①壓力為100～200atm，溫度為100～200℃，反應(yīng)條件②熱解溫度為150～300℃。反應(yīng)條件②中壓力為常壓，羰基金屬化合物的蒸汽流量控制5～10cm3/min，載帶氣體為氮?dú)饣驓鍤猓驶饘倩衔锏恼羝c載帶氣體的比例控制為1∶5～1∶20；然后將上述生成的金屬粉末沉積包覆在固體潤(rùn)滑劑外表面，形成致密結(jié)實(shí)的固體潤(rùn)滑劑微球，再將此微球與一定比例的金屬、合金粉末混和，配制成固體自潤(rùn)滑原料；(2)、將上述配制成的固體自潤(rùn)滑原料通過冷等靜壓技術(shù)壓制成形，等靜壓的液壓壓力為1500～3000Kg/cm2，保壓時(shí)間5～15分鐘，緩慢卸壓至常壓；(3)、再經(jīng)真空-氫氣燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)爐先抽真空，然后通入氫氣，當(dāng)壓力為0.2～2MPa時(shí)，點(diǎn)火快速升溫，升溫速度控制在5～30℃/min，當(dāng)溫度達(dá)到900～1300℃時(shí)，保溫30～100分鐘后，自然降溫至500℃，200℃以下關(guān)氫氣出爐。
全文摘要
本發(fā)明屬于粉末冶金材料的制備工藝領(lǐng)域，特別涉及機(jī)械、制造等領(lǐng)域中耐溫抗重載固體自潤(rùn)滑軸承、摩擦副配偶件、高級(jí)密封環(huán)等部件所用的固體自潤(rùn)滑材料的制備方法。該制備方法首先利用一氧化碳與金屬在一定的溫度、壓力作用下反應(yīng)生成羰基金屬化合物，然后將羰基金屬化合物通過熱離解工藝生成所需尺寸的金屬粉末，并沉積包覆在固體潤(rùn)滑劑外表面，形成致密結(jié)實(shí)的固體潤(rùn)滑劑微球，再將此微球與一定比例的金屬、合金粉末混和，配制成固體自潤(rùn)滑原料；最終通過冷等靜壓技術(shù)壓制成形，再經(jīng)真空－氫氣燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)而成。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有自潤(rùn)滑性能優(yōu)異、抗重載、耐溫、高致密與使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B22F9/16GK1775424SQ20051013425
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月15日
發(fā)明者任衛(wèi), 李紅印, 張瑞勇, 柳學(xué)全, 糜家鈴, 黃乃紅, 任勃, 姜麗娟, 李紅云 申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院