一种跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料及其制备方法转让专利
申请号 : CN202010871850.4
文献号 : CN111992706B
文献日 : 2021-12-24
发明人 : 李祖来 , 吴磊 , 山泉 , 蒋业华 , 张飞
申请人 : 昆明理工大学
摘要 :
本发明涉及钢基复合材料技术领域，具体公开了一种跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料，原料按重量分数计，包括2‑8wt％的WS2或MoS2粉末以及5‑10wt％的TiN粉末，余量为钢基体粉末；WS2或MoS2粉末的粒径为50‑100nm；TiN粉末的粒径为50‑100μm；钢基体粉末的粒径为50‑100μm。将TiN粉末和钢基粉末进行球磨混合，得微米颗粒复合粉体；将WS2或MoS2粉末与微米颗粒复合粉体进行球磨混合，球磨过程中加入粘接剂，后干燥得到预混合粉；将预混合粉采用放电等离子工艺进行保压烧结，得到力学性能和耐磨性能均得到优化的跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料。
权利要求 :
1.一种跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料，其特征在于：原料按重量分数计，包括2‑
8wt％的WS2或MoS2粉末以及5‑10wt％的TiN粉末，余量为钢基体粉末；WS2或MoS2粉末的粒径为50‑100nm；TiN粉末的粒径为50‑100μm；钢基体粉末的粒径为50‑100μm；所述钢基复合材料的制备方法包括以下步骤：
步骤1：将TiN粉末和钢基粉末进行球磨混合，得微米颗粒复合粉体；
步骤2：将WS2或MoS2粉末与步骤1得到的微米颗粒复合粉体进行球磨混合，球磨过程中加入粘接剂，后干燥得到预混合粉；
步骤3：将预混合粉采用放电等离子工艺进行保压烧结，保温时间为5～30min，烧结温度为1000～1200℃，压力为30～50MPa，后冷却至室温，得到跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料，其特征在于：所述钢基体粉末为45钢、高锰钢或不锈钢中的一种。
3.一种制备权利要求1所述的跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将TiN粉末和钢基粉末进行球磨混合，得微米颗粒复合粉体；
步骤2：将WS2或MoS2粉末与步骤1得到的微米颗粒复合粉体进行球磨混合，球磨过程中加入粘接剂，后干燥得到预混合粉；
步骤3：将预混合粉采用放电等离子工艺进行保压烧结，保温时间为5～30min，烧结温度为1000～1200℃，压力为30～50MPa，后冷却至室温，得到跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料。
4.根据权利要求3所述的一种跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，球磨的工艺为：球磨时先正转30min后停转10min，然后再反转30min最后再停转10min，上述过程重复多次。
5.根据权利要求3所述的一种跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中不锈钢磨球和粉末的重量比为3:1，其中Φ10mm和Φ5mm磨球重量比为
1:1。
6.根据权利要求3所述的一种跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中加入的粘接剂为硬脂酸酰胺、聚乙烯、聚氨基甲酸酯或丙烯酸类树脂中的一种。
7.根据权利要求3所述的一种跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中加入粘接剂的质量分数为0.1％～1％。
8.根据权利要求3所述的一种跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2在对预混合粉干燥前进行过筛处理，筛目为400～600目数。
9.根据权利要求3所述的一种跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料的制备方法，其特‑1
征在于：所述步骤2中采用真空干燥箱进行干燥处理，真空度为5.0×10 Pa～1.0Pa，干燥温度为70～100℃。
10.根据权利要求3所述的一种跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3中加热和冷却均以恒定的速率进行，速率为50℃/min‑100℃/min。
说明书 :
一种跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及钢基复合材料技术领域，特别涉及一种跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料及其制备方法。
背景技术
[0002] 固体润滑材料是指利用固体粉末、薄膜或某些整体材料作用于两承载表面，减少基体因摩擦磨损作用而受到的损伤。在固体润滑过程中，固体润滑材料和周围介质要与摩
擦表面发生物理、化学反应生成固体润滑膜，降低磨擦磨损，常见的固体润滑剂有二硫化
钼、二硫化钨、石墨、聚四氟乙烯等。但对于干摩擦轴承、轴瓦、滑块、衬套、活塞、齿轮、密封
圈和轴承保持架等工件长期在高摩擦、高温和强腐蚀的工况下服役，常规的润滑剂已无法
长期起到润滑效果，工件的寿命会大大降低，因此就需要对工件本身的材料进行优化。
擦表面发生物理、化学反应生成固体润滑膜，降低磨擦磨损，常见的固体润滑剂有二硫化
钼、二硫化钨、石墨、聚四氟乙烯等。但对于干摩擦轴承、轴瓦、滑块、衬套、活塞、齿轮、密封
圈和轴承保持架等工件长期在高摩擦、高温和强腐蚀的工况下服役，常规的润滑剂已无法
长期起到润滑效果，工件的寿命会大大降低，因此就需要对工件本身的材料进行优化。
[0003] 颗粒增强金属基复合材料(PRMMC)是主要的优化方向，其由两大部分组成，即增强相材料和基体材料，其中硬质颗粒充当增强相材料，而基体材料由金属或者合金材料充当。
有学者研究指出，添加5vol.％TiC的不锈钢复合材料的屈服强度和抗拉强度与不锈钢基体
材料相比分别由322MPa和714MPa增加至416MPa和854MPa，力学性能增强明显，且摩擦性能
也相应的得到提升，但其延伸率则由基体材料的56.5％降至了36.7％，韧性大幅度下降；这
就出现了一种矛盾的状态，基于这样的问题，研发了一种跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合
材料及其制备方法，不仅使得抗拉强度以及耐磨性能得到极大提升，同时韧性也得到了提
升。
有学者研究指出，添加5vol.％TiC的不锈钢复合材料的屈服强度和抗拉强度与不锈钢基体
材料相比分别由322MPa和714MPa增加至416MPa和854MPa，力学性能增强明显，且摩擦性能
也相应的得到提升，但其延伸率则由基体材料的56.5％降至了36.7％，韧性大幅度下降；这
就出现了一种矛盾的状态，基于这样的问题，研发了一种跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合
材料及其制备方法，不仅使得抗拉强度以及耐磨性能得到极大提升，同时韧性也得到了提
升。
发明内容
[0004] 本发明提供了一种力学性能和耐磨性能均得到优化的跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料及其制备方法。
[0005] 为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
[0006] 一种跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料，原料按重量分数计，包括2‑8wt％的WS2或MoS2粉末和5‑10wt％的TiN粉末，余量为钢基体粉末；WS2或MoS2粉末的粒径为50‑
100nm；TiN粉末的粒径为50‑100μm；钢基体粉末的粒径为50‑100μm。
100nm；TiN粉末的粒径为50‑100μm；钢基体粉末的粒径为50‑100μm。
[0007] 本技术方案的技术原理和效果在于：
[0008] 相比较现有技术中只采用单一尺度颗粒进行增强的钢基复合材料，多尺度(纳米与微米)颗粒增强钢基复合材料性能更加优良，采用微米及纳米双尺度颗粒增强时，微米的
TiN粉末颗粒在基体中起到骨架支撑的作用，纳米的WS2或MoS2粉末颗粒可有效强化基体，从
而提高复合材料的抗拉强度以及韧性。
TiN粉末颗粒在基体中起到骨架支撑的作用，纳米的WS2或MoS2粉末颗粒可有效强化基体，从
而提高复合材料的抗拉强度以及韧性。
[0009] 在承受载荷时，两种尺度的颗粒协同作用限制了基体的变形，在保留基体塑性的同时，提高了复合材料的强度，另外由于WS2或MoS2粉末自身的自润滑特性，可提高复合材料
的耐磨性，实现了跨尺度的自润滑。
的耐磨性，实现了跨尺度的自润滑。
[0010] 进一步，所述钢基体粉末为45钢、高锰钢或不锈钢中的一种。
[0011] 本申请公开了一种跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012] 步骤1：将TiN粉末和钢基粉末进行球磨混合，得微米颗粒复合粉体；
[0013] 步骤2：将WS2或MoS2粉末与步骤1得到的微米颗粒复合粉体进行球磨混合，球磨过程中加入粘接剂，后干燥得到预混合粉；
[0014] 步骤3：将预混合粉采用放电等离子工艺进行保压烧结，保温时间为5～30min，烧结温度为1000～1200℃，压力为30～50MPa，后冷却至室温，得到跨尺度自润滑颗粒增强钢
基复合材料。
基复合材料。
[0015] 有益效果：
[0016] 1、本方案的步骤1通过将TiN粉末和钢基粉末进行预先混合，使得TiN粉末和钢基粉末混合均匀，这样的方式相比于将纳米的WS2或MoS2粉末一起混合而言，由于纳米粉末在
长时间混合搅拌的过程中会出现团聚的情况，结块严重，这样会严重影响最终材料的性能。
长时间混合搅拌的过程中会出现团聚的情况，结块严重，这样会严重影响最终材料的性能。
[0017] 2、本方案在步骤2中加入粘接剂，使得纳米级的WS2或MoS2粉末包裹在了大颗粒(微米级)的颗粒复合粉体表面，一方面纳米级的WS2或MoS2粉末能够均匀的分布，另一方面在烧
结过程中，纳米级的WS2或MoS2粉末对微米级的TiN粉末和钢基粉末起到晶粒细化作用，从而
使得到的复合材料在受到磨损行为时能够显著降低钢基复合材料的摩擦系数，从而提高复
合材料的耐磨性。
结过程中，纳米级的WS2或MoS2粉末对微米级的TiN粉末和钢基粉末起到晶粒细化作用，从而
使得到的复合材料在受到磨损行为时能够显著降低钢基复合材料的摩擦系数，从而提高复
合材料的耐磨性。
[0018] 3、本方案中采用放电等离子烧结，复合材料在烧结过程中烧结温度(1000～1200℃)处于各粉体金属熔点以下的，界面反应变弱，增强体在基体中分布均匀，复合材料性能
稳定，且制备过程简单，成本低，制备周期短，稳定性和可控性强。
稳定，且制备过程简单，成本低，制备周期短，稳定性和可控性强。
[0019] 进一步，所述步骤1中，球磨的工艺为：球磨时先正转30min后停转10min，然后再反转30min最后再停转10min，上述过程重复多次。这样能够防止球磨过程中发生过热，使得粉
末出现结块的问题。
末出现结块的问题。
[0020] 进一步，所述步骤1中不锈钢磨球和粉末的重量比为3:1，其中Φ10mm和Φ5mm磨球重量比为1:1。这样提高两种粉末混合的均匀性。
[0021] 进一步，所述步骤2中加入的粘接剂为硬脂酸酰胺、聚乙烯、聚氨基甲酸酯或丙烯酸类树脂中的一种。上述几种粘接剂能够很好的分散纳米WS2或MoS2粉末，使其很好的包裹
在微米颗粒复合粉体的表面上。
在微米颗粒复合粉体的表面上。
[0022] 进一步，所述步骤2中加入粘接剂的质量分数为0.1％～1％。
[0023] 进一步，所述步骤2在对预混合粉干燥前进行过筛处理，筛目为400～600目数。
[0024] 进一步，所述步骤2中采用真空干燥箱进行干燥处理，真空度为5.0×10‑1Pa～1.0Pa，干燥温度为70～100℃。
[0025] 进一步，所述步骤3中加热和冷却以恒定的速率进行，速率为50℃/min‑100℃/min。
附图说明
[0026] 图1为本发明实施例1步骤2中得到的预混合粉的扫描电镜图。
[0027] 图2为本发明实施例1制备的颗粒增强钢基复合材料的扫描电镜图。
具体实施方式
[0028] 下面通过具体实施方式进一步详细说明：
[0029] 实施例1：
[0030] 一种跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料，原料按重量分数计，包括2wt％的WoS2粉末和5wt％的TiN粉末，余量为钢基体粉末，本实施例中钢基体粉末为45钢粉末，其中WoS2
粉末的平均粒径为50nm；TiN粉末的平均粒径为50μm；而钢基体粉末的平均粒径为50μm。
粉末的平均粒径为50nm；TiN粉末的平均粒径为50μm；而钢基体粉末的平均粒径为50μm。
[0031] 上述跨尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0032] 步骤1：将TiN粉末和钢基粉末置于球磨罐中进行球磨混合，球磨罐中充满氩气防止粉末氧化，不锈钢磨球和粉末重量比为3:1，其中Φ10mm和Φ5mm磨球重量比为1:1。
[0033] 球磨的具体工艺为：球磨转速为300r/min，球磨时先正转30min后停转10min，然后再反转30min最后再停转10min，上述过程重复3次，得到微米颗粒复合粉体。
[0034] 步骤2：将微米颗粒复合粉体和MoS2粉末进行球磨混合，在混合时加入质量分数为0.5％的丙烯酸类树脂使MoS2粉末包裹在微米颗粒复合粉体表面，然后使用400目的筛子进
行筛选，筛掉未包裹的MoS2粉末后，在真空干燥箱内进行干燥，得到预混合粉。
行筛选，筛掉未包裹的MoS2粉末后，在真空干燥箱内进行干燥，得到预混合粉。
[0035] 步骤3：将步骤2得到的预混合粉，装入放电等离子烧结系统中，预混合粉与石墨模具内壁之间、预混合粉与上下石墨压头之间均采用0.2mm光滑柔性碳纸隔开；在石墨模具外
部套上一个厚度约为10mm的多孔石墨毡用于减少辐射散热和降低温度梯度；将填装好粉末
的模具置于放电等离子烧结系统中烧结腔内，待真空度低于4Pa时，施加50MPa的压力进行
烧结。
部套上一个厚度约为10mm的多孔石墨毡用于减少辐射散热和降低温度梯度；将填装好粉末
的模具置于放电等离子烧结系统中烧结腔内，待真空度低于4Pa时，施加50MPa的压力进行
烧结。
[0036] 烧结的具体工艺为：粉末由设备既定的控制程序10分钟内从室温加热到570℃，然后以100℃/min的加热速率从600℃升温至设定的1200℃，并保温20min。烧结结束以100℃/
min的降温速率从1200℃的烧结温度冷却至室温，然后脱模并清除试样表面的碳纸，得到跨
尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料。
min的降温速率从1200℃的烧结温度冷却至室温，然后脱模并清除试样表面的碳纸，得到跨
尺度自润滑颗粒增强钢基复合材料。
[0037] 实施例2～9与对比例1～7：
[0038] 与实施例1的区别在于，原料配比与烧结工艺参数不同，具体配比与参数如表1和表2所示。
[0039] 表1为实施例2～9的配比和参数表(表中“‑‑”表示无)
[0040]实施例 2 3 4 5 6 7 8 9
WS2(wt％) ‑‑ ‑‑ 2 8 ‑‑ ‑‑ ‑‑ ‑‑
MoS2(wt％) 4 6 ‑‑ ‑‑ 2 6 4 2
TiN(wt％) 8 10 5 10 5 10 5 10
WS2或MoS2粒径(nm) 50 50 50 50 100 50 50 50
TiN粒径(μm) 100 100 100 100 50 50 50 50
钢基粉末粒径(μm) 50 100 50 50 50 50 50 100
保温时间(min) 20 20 20 20 20 5 30 30
烧结温度(℃) 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1000 1100
WS2(wt％) ‑‑ ‑‑ 2 8 ‑‑ ‑‑ ‑‑ ‑‑
MoS2(wt％) 4 6 ‑‑ ‑‑ 2 6 4 2
TiN(wt％) 8 10 5 10 5 10 5 10
WS2或MoS2粒径(nm) 50 50 50 50 100 50 50 50
TiN粒径(μm) 100 100 100 100 50 50 50 50
钢基粉末粒径(μm) 50 100 50 50 50 50 50 100
保温时间(min) 20 20 20 20 20 5 30 30
烧结温度(℃) 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1000 1100
[0041] 表2为对比例1～7的配比和参数表(表中“‑‑”表示无)
[0042]对比例 1 2 3 4 5 6 7
WS2(wt％) ‑‑ 2 0.5 ‑‑ 5 5 5
MoS2(wt％) ‑‑ ‑‑ ‑‑ 12 ‑‑ ‑‑ ‑‑
TiN(wt％) 5 ‑‑ 3 15 6 6 6
WS2或MoS2粒径(nm) ‑‑ 50 50 50 300 50 50
TiN粒径(μm) 50 ‑‑ 50 100 150 50 100
钢基粉末粒径(μm) 50 50 50 100 200 50 100
保温时间(min) 20 20 20 30 30 60 20
烧结温度(℃) 1200 1200 1200 1200 1200 1200 850
WS2(wt％) ‑‑ 2 0.5 ‑‑ 5 5 5
MoS2(wt％) ‑‑ ‑‑ ‑‑ 12 ‑‑ ‑‑ ‑‑
TiN(wt％) 5 ‑‑ 3 15 6 6 6
WS2或MoS2粒径(nm) ‑‑ 50 50 50 300 50 50
TiN粒径(μm) 50 ‑‑ 50 100 150 50 100
钢基粉末粒径(μm) 50 50 50 100 200 50 100
保温时间(min) 20 20 20 30 30 60 20
烧结温度(℃) 1200 1200 1200 1200 1200 1200 850
[0043] 对比例8：
[0044] 与实施例1的区别在于，对比例8中未采用步骤1对TiN粉末和45钢基粉末进行球磨处理，而是直接将TiN粉末、45钢基粉末以及MoS2粉末进行球磨混合。
[0045] 对比例9：
[0046] 与实施例1的区别在于，对比例9的步骤2中未加入粘接剂。
[0047] 实验测试：
[0048] 1、扫描电镜
[0049] 选取实施例1为例，对其步骤2得到的预混合粉以及步骤3制备的颗粒增强复合材料分别进行测试，测试结果如图1和图2所示，其中图1为预混合粉的扫描电镜图，从图中可
以看出，预混合粉均匀分布，没有出现结块的问题；而图2为烧结后颗粒增强复合材料的扫
描电镜图，从图中可以看出材料表面的晶粒得到细化。
以看出，预混合粉均匀分布，没有出现结块的问题；而图2为烧结后颗粒增强复合材料的扫
描电镜图，从图中可以看出材料表面的晶粒得到细化。
[0050] 2、力学性能和耐磨性能测试
[0051] 选取实施例1～9以及对比例1～9制备的材料进行力学性能和耐磨性能测试，测试结果如下表3所示。
[0052] 表3为实施例1～9和对比例1～9的测试结果
[0053]
[0054]
[0055] 实验结论：
[0056] 1、本发明在钢基粉末中加入纳米WS2或MoS2粉末以及微米TiN粉末，在承受载荷时，微/纳米颗粒协同作用限制了基体的变形，其中微米的TiN粉末颗粒在基体中起到骨架支撑
的作用，而纳米的WS2或MoS2粉末颗粒使得晶粒细化，可有效强化基体，不仅提高了复合材料
的抗拉强度，同时延伸率(韧性)也得到提升。
的作用，而纳米的WS2或MoS2粉末颗粒使得晶粒细化，可有效强化基体，不仅提高了复合材料
的抗拉强度，同时延伸率(韧性)也得到提升。
[0057] 2、本发明在钢基粉末中加入纳米自润滑纳米WS2或MoS2粉末，通过粘结剂包裹在大颗粒表面，使得纳米WS2或MoS2粉末均匀分布，同时起到晶粒细化强化基体的作用，在材料受
到磨损行为时能够显著降低钢基复合材料的摩擦系数，从而提高复合材料的耐磨性。
到磨损行为时能够显著降低钢基复合材料的摩擦系数，从而提高复合材料的耐磨性。
[0058] 以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体材料及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以作出
若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果
和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体
实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果
和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体
实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。