自潤滑軸承鑲嵌式高溫複合固體潤滑材料及其製備方法與流程
2023-04-23 02:29:46
本發明涉及自潤滑軸承的潤滑技術領域，具體涉及一種自潤滑軸承鑲嵌式高溫複合固體潤滑材料及其製備方法。
背景技術：
在一些承受高溫、高載荷、潤滑困難或不能潤滑等苛刻的工況條件下，自潤滑軸承得到廣泛的應用。由於生態環境、技術、經濟等方面的原因，自潤滑軸承技術是目前發展趨勢。自潤滑技術軸承突破了依靠油脂潤滑的局限性，實現了無油潤滑。銅基鑲嵌型自潤滑軸承以其低成本與良好的摩擦磨損特性，在機械設備中應用得越來越廣泛。鑲嵌式自潤滑軸承具有結構簡單、體積小、重量輕、成本低的特點。在滑動軸承中鑲嵌的材料是一類實用性強、應用廣泛且有良好發展前景的固體潤滑材料，其在軸與軸承的相對轉動中起到支撐與潤滑作用。
傳統的滑動軸承鑲嵌材料主要為石墨潤滑柱，其配方主要分兩大類，一類主要包括石墨粉、瀝青和瀝青膠等，材料經過混捏、模壓成型、高溫焙燒，並進行高溫石墨化及一系列的機械加工最終成型，此方法製備的固體潤滑材料的潤滑性能差、摩擦力大，抗磨性能差，且材料的利用率低。另一種石墨潤滑柱主要以聚四氟乙烯為基體，添加一定量的石墨粉和純銅粉，混合材料經壓制、燒結、冷卻最終成型，此方法製備的固體潤滑材料的承載能力雖然得到了提高，但其潤滑性能和抗磨性能仍舊較差。目前使用的鑲嵌石墨潤滑柱自潤滑軸承的承載大多在50-90mpa，工作溫度一般在200-300℃以下，不適宜在冶金等行業的高溫和高載荷條件下工作。
納米材料具有比傳統材料更加優良的抗磨潤滑效果，充分發揮納米材料的優勢以及各種潤滑材料之間的協同作用，可獲得更加優異的潤滑性能，複合固體潤滑材料應用前景非常廣闊。
技術實現要素：
本發明的目的是為了克服上述已有技術存在的缺點，提供一種改進的自潤滑軸承鑲嵌式高溫複合固體潤滑材料及其製備方法，形成適合於在高溫和高載環境下使用，具有突出潤滑效果的複合固體潤滑材料。
一種自潤滑軸承鑲嵌式高溫複合固體潤滑材料，採用如下技術方案：
一種自潤滑軸承鑲嵌式高溫複合固體潤滑材料，由如下組份按質量配比而成：聚四氟乙烯25％～55％，可膨脹石墨粉24％～40％，納米二硫化鉬粉9％～15％，納米三氧化二鋁6％～10％，三氧化二銻3％～5％、碳納米管3％～5％。
上述成份配比得到的自潤滑軸承鑲嵌式高溫複合固體潤滑材料，與現有技術相比，在高溫下仍舊具有良好的摩擦磨損特性，潤滑性能和使用壽命大大提高。
自潤滑軸承鑲嵌式高溫複合固體潤滑材料的優選方案是：
聚四氟乙烯的顆粒直徑為2～30μm。
可膨脹石墨粉的固定碳含量大於或等於98％，粒徑500～1500目。
納米二硫化鉬粉的顆粒度為40～200nm，顆粒形態為球狀或片狀。
納米三氧化二鋁的顆粒度為30～300nm。
碳納米管為單壁或多壁結構，其純度大於或等於95％，外徑為8～50nm，長度大於或等於3μm。
自潤滑軸承鑲嵌式高溫複合固體潤滑材料的製備方法，採用如下技術方案：
自潤滑軸承鑲嵌式高溫複合固體潤滑材料的製備方法，按如下步驟進行：
a、材料混合：
室溫下,將聚四氟乙烯、可膨脹石墨、納米二硫化鉬、納米三氧化二鋁、三氧化二銻和碳納米管納米，按比例混合後加入在球磨機上，轉速250r/min條件下，球磨10～14h，將混合均勻後的粉末放入真空乾燥箱，在80～100℃下乾燥2～3h；
b、壓制：
將乾燥的混合粉末放入圓柱型模具中壓製成圓柱體形狀，保壓時間為10～20s，模壓成型壓力30～40mpa；
c、燒結：
壓製成型的圓柱體放入真空燒結爐中進行真空燒結處理，升溫速率20～60℃/h，當溫度加熱到280～320℃後保溫1～3h，加熱到380～400℃後保溫4～6h，降溫速率20～60℃/h，降溫到280～320℃時,保溫1～3h，然後隨爐冷卻到室溫。
採用上述製備方法的本發明與現有技術相比，在高溫下仍舊具有良好的摩擦磨損特性，潤滑性能和使用壽命大大提高；在工作溫度300℃左右可連續平穩運行，其摩擦係數低於0.1，使用壽命提高2倍以上；在400℃高溫下，該材料仍可吸附在自潤滑軸承金屬基體上實現自潤滑。
製備方法採用的優選方案是：
將40％可膨脹石墨粉、15％納米二硫化鉬粉、10％納米三氧化二鋁、5％三氧化二銻、5％碳納米管以及25％聚四氟乙烯，加入行星式球磨機的四個球磨罐中，加入球磨罐容積三分之二的無水乙醇，在球磨轉速250r/min條件下，球磨12h；
將球磨混合均勻後的粉末在真空乾燥箱中，100℃條件下乾燥2h；
將乾燥後的混合粉末放入模具中壓製成長50mm、直徑φ15的圓柱體，保壓時間為10s，模壓成型壓力40mpa；
將壓製成型的圓柱體在真空燒結爐中進行真空燒結，升溫速率50℃/h，當溫度加熱到300℃後保溫1h，加熱到380℃後保溫4h，降溫速率50℃/h，降溫到300℃時,保溫1h，然後隨爐冷卻到室溫。
將32％可膨脹石墨粉、12％納米二硫化鉬粉、8％納米三氧化二鋁、4％三氧化二銻、4％碳納米管以及40％聚四氟乙烯，加入行星式球磨機的四個球磨罐中，加入球磨罐容積三分之二的無水乙醇，在球磨轉速250r/min條件下，球磨12h。
具體實施方式
下面結合實施例詳述本發明：
實施例一：
實施實例1：高溫複合固體潤滑材料配方一
(1)將複合固體潤滑材料配方中所用材料按重量百分比分別進行稱量，40％可膨脹石墨粉(青島恆潤達石墨製品有限公司，1000目，碳量:99.1％～99.2％)，15％納米二硫化鉬粉(上海在邦化工有限公司，顆粒度60nm)，10％納米三氧化二鋁(山西富宏礦物製品有限公司，顆粒度50nm)，5％三氧化二銻(分析純，天津市永大化學試劑有限公司)，5％碳納米管(蘇州恆球石墨烯有限公司，多壁結構，外徑3～12nm，長度為8～15μm)，餘量為聚四氟乙烯，本實施例所選的聚四氟乙烯的顆粒直徑為2～30μm。
(2)將稱量好的各種材料分別加入到行星式球磨機的四個球磨罐中，加入球磨罐容積三分之二的無水乙醇(每個球磨罐內分別加入三分之二)，在球磨轉速250r/min條件下，球磨12h，將混合物充分均勻。
(3)將球磨混合均勻後的粉末在真空乾燥箱中，100℃條件下乾燥2h。
(4)將乾燥後的混合粉末放入模具中壓製成長50mm、直徑φ15的圓柱體，保壓時間為10s，模壓成型壓力40mpa。
(5)將壓製成型的圓柱體在真空燒結爐中進行真空燒結，升溫速率50℃/h，當溫度加熱到300℃後保溫1h，加熱到380℃後保溫4h，降溫速率50℃/h，降溫到300℃時,保溫1h，然後隨爐冷卻到室溫。
在mg-2000型高速高溫摩擦磨損試驗機上測試高溫複合固體潤滑材料在不同溫度下的平均摩擦係數，與市售石墨棒(聚四氟乙烯為基，添加40％石墨粉和5％純銅粉)進行對比。採用銷-盤接觸方式，摩擦時間為30min。兩種材料的摩擦磨損性能對比如表1所示。
表1固體潤滑材料摩擦磨損性能對比一
聚四氟乙烯具有優良的自潤滑性能，具有較低的摩擦係數，能夠耐高溫，即使承受溫度到熔點以上，也能保持凝膠態而不會流動，其機械性能較差，不耐磨，但可作為符合固體潤滑材料的骨架材料。本發明所述的聚四氟乙烯的顆粒直徑為2-30μm。
一般情況下，石墨的摩擦係數為0.05～0.19，而當溫度超過540℃，由於水分的減少，石墨的潤滑性能將迅速惡化，耐磨損性降低。可膨脹石墨是一種新型碳材料，由於其結構存在大量的微孔，其不但有著優異的摩擦學特性，而且具有良好的吸附性能，與其它潤滑材料符合，利用對氧和水汽的吸附性，可有效阻止其它潤滑材料高溫環境下的氧化失效，提高符合固體潤滑材料的使用壽命。本實施例的可膨脹石墨粉的固定碳含量大於或等於98％，粒徑500～1500目。
二硫化鉬的摩擦係數低於其他固體潤滑材料，利用其納米效應，固體潤滑材料中添加納米二硫化鉬可有效改善潤滑性能，但是當溫度超過350℃，二硫化鉬的潤滑性能就會顯著降低，因此高溫工作環境條件下，須加入抗氧化劑；納米二硫化鉬粉的顆粒度為40～200nm，顆粒形態為球狀或片狀。
三氧化二鋁是一種高溫潤滑材料，雖然起在溫度小於250℃時的潤滑性能並不理想，但當溫度超過250℃時，它的潤滑性能超過了二硫化鉬，表現出良好的潤滑性能；納米三氧化二鋁的顆粒度為30-300nm。
三氧化二銻是一種自消耗型固體潤滑材料，具有立方晶體結構，具有良好的抗氧化能力，當它與二硫化鉬共同充當潤滑劑時，可以降低二硫化鉬的氧化速度，顯著提高二硫化鉬的使用溫度。
碳納米管具有優異的力學性能，將其作為複合材料的增強相，可極大程度上改善材料的極限強度、韌性和耐熱性。將碳納米管添加在高溫複合固體潤滑材料中，使其均勻分散於潤滑材料中，起到支撐作用，可以阻止摩擦過程中聚四氟乙烯的大面積破壞，從而能夠進一步提高耐磨損性和使用壽命。進一步的所述的碳納米管可為單壁或多壁結構，其純度大於或等於95％，外徑為8～50nm，長度大於或等於3μm。
實施例二：
實施實例2：高溫複合固體潤滑材料配方二
高溫複合固體潤滑材料的配方按重量百分比為：32％可膨脹石墨粉，12％納米二硫化鉬粉，8％納米三氧化二鋁，4％三氧化二銻，4％碳納米管，餘量為聚四氟乙烯；製備方法同實施例一中所描述。
在摩擦磨損試驗機上測試高溫複合固體潤滑材料在不同溫度下的平均摩擦係數，與市售石墨棒(聚四氟乙烯為基，添加24％石墨粉和5％純銅粉)進行對比。採用銷-盤接觸方式，摩擦時間為30min。兩種材料的摩擦磨損性能對比如表2所示。
表2固體潤滑材料平均摩擦係數對比一