本發(fā)明涉及一種高溫環(huán)境耐磨損自潤(rùn)滑銅基摩擦材料及其制備方法，屬于銅基復(fù)合摩擦材料。

背景技術(shù)：

1、高錳鋁青銅兼具優(yōu)異的高溫抗氧化性能與耐腐蝕性能，并且在銅合金中具有相對(duì)較高的強(qiáng)度與硬度，已廣泛應(yīng)用于滑動(dòng)軸承、齒輪、銅套、濕式摩擦片等部件。但該材料在高溫工況摩擦磨損過(guò)程中，黏著磨損效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，大量材料脫落并在對(duì)偶表面形成轉(zhuǎn)移層，導(dǎo)致磨損率升高及摩擦系數(shù)波動(dòng)，使用性能與壽命大幅下降，所以高錳鋁青銅在高溫下的摩擦性能與磨損機(jī)理有待進(jìn)一步改進(jìn)。

2、近年來(lái)，研究人員對(duì)高錳鋁青銅材料的摩擦學(xué)性能開(kāi)展了深入研究，專(zhuān)利cn112195361a通過(guò)添加zn、ti等元素提高了鋁青銅的強(qiáng)度與耐磨性能；專(zhuān)利cn114892039a通過(guò)增加mn元素含量有效提升了材料的耐磨性能與耐腐蝕性能；專(zhuān)利cn105088004a通過(guò)添加cr、si等元素使鋁青銅的磨損率有效降低。但上述專(zhuān)利主要是通過(guò)細(xì)化晶粒、強(qiáng)化晶界等機(jī)理產(chǎn)生強(qiáng)化作用，未添加強(qiáng)化相與潤(rùn)滑相，對(duì)材料在高溫環(huán)境潤(rùn)滑性能及磨損機(jī)理的改善效果有限。專(zhuān)利cn108417435b通過(guò)在銅基體中加入石墨烯、碳納米管和鉛作為潤(rùn)滑劑，降低了磨損率與摩擦系數(shù)，但鉛對(duì)生物與環(huán)境不利，碳納米管的方向難以準(zhǔn)確調(diào)控，并且對(duì)高溫工況黏著磨損機(jī)理的限制能力不足。因此，若能通過(guò)優(yōu)化材料配方與改進(jìn)制備工藝有效限制高錳鋁青銅的黏著磨損效應(yīng)，將顯著提升該材料的綜合性能與使用壽命。

3、研究表明，在鋁青銅合金中添加合金元素能夠提升硬度與強(qiáng)度，但尚無(wú)通過(guò)調(diào)控mn、co、b含量以調(diào)控鋁青銅合金力學(xué)性能與耐磨性能的報(bào)道。同時(shí)，cef3在高溫時(shí)會(huì)在摩擦表面形成潤(rùn)滑膜，使摩擦系數(shù)保持低而穩(wěn)定；ag可降低硬質(zhì)磨屑對(duì)摩擦表面的損傷，從而減弱三體磨損機(jī)理。已有研究人員開(kāi)展cef3與ag摩擦性能的研究與應(yīng)用，但尚無(wú)將cef3與ag復(fù)合加入鋁青銅中，并對(duì)其相互耦合性能進(jìn)行精確調(diào)控的研究。此外，ni3al具備較高的硬度與耐磨性能，并且其相對(duì)于陶瓷強(qiáng)化相，具有與鋁青銅界面更強(qiáng)的結(jié)合力。但尚無(wú)將ni3al與復(fù)合潤(rùn)滑相(cef3+ag)同時(shí)加入鋁青銅中，以兼顧潤(rùn)滑與耐磨性能的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種高溫環(huán)境耐磨損自潤(rùn)滑銅基摩擦材料及其制備方法，通過(guò)優(yōu)化摩擦材料的組成成分以及各成分的含量，主要是通過(guò)同時(shí)添加強(qiáng)化相ni3al與復(fù)合潤(rùn)滑相(cef3+ag)產(chǎn)生耦合作用，并通過(guò)調(diào)控其配比使ni3al減弱粘著磨損作用與(cef3+ag)減弱磨粒磨損作用相結(jié)合，以降低摩擦系數(shù)與磨損率，從而使摩擦材料的耐磨性能與潤(rùn)滑性能得到顯著提升，滿(mǎn)足高溫環(huán)境下使用的要求；而且該摩擦材料的制備方法簡(jiǎn)單，原料對(duì)環(huán)境友好，成本低，經(jīng)濟(jì)效益高，適用于高溫環(huán)境中的滑動(dòng)軸承、軸套、滑塊等摩擦部件，應(yīng)用前景較為廣闊。

2、本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

3、高溫環(huán)境耐磨損自潤(rùn)滑銅基摩擦材料，以制備所述摩擦材料的原料總質(zhì)量為100％計(jì)，所述原料的組成成分及各成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)如下：78-92％基體相、3-10％強(qiáng)化相以及5-12％復(fù)合潤(rùn)滑相。上述各成分經(jīng)過(guò)燒結(jié)即可制備得到所述高溫環(huán)境耐磨損自潤(rùn)滑銅基摩擦材料。

4、所述基體相為高錳鋁青銅，所述強(qiáng)化相為ni3al，所述復(fù)合潤(rùn)滑相為cef3和ag的復(fù)合物。

5、普通鋁青銅是以鋁為主要合金元素，且含有鐵、錳、鎳等其他元素的銅基合金。高錳鋁青銅相對(duì)于普通鋁青銅具有較高的錳含量，本技術(shù)所述高錳鋁青銅中錳元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為6-10％。優(yōu)選地，所述高錳鋁青銅的組成成分以及各成分在制備所述摩擦材料的原料中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)如下：cu?58-73％，al?6-8％，ni?1-2.5％，fe?2-3％，mn?6-10％，co0.5-1％，以及b?0.5-1.0％。更優(yōu)選地，上述各成分的粉體粒徑均為200-300目。

6、優(yōu)選地，所述復(fù)合潤(rùn)滑相中cef3與ag的質(zhì)量比為20:80-80:20；更優(yōu)選地，兩種粉體的粒徑均為200-300目。

7、優(yōu)選地，所述復(fù)合潤(rùn)滑相是由cef3與ag在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行高能球磨混合得到的，球料比為3:1-4:1，球磨轉(zhuǎn)速為250-350r/min，球磨時(shí)間為8-10h。更優(yōu)選地，在球磨前加入無(wú)水乙醇，球磨過(guò)程中每隔5-10min停止一次，停止2-3min后繼續(xù)球磨。更優(yōu)選地，球磨罐以及球磨珠的材質(zhì)均為wc-co硬質(zhì)合金。

8、高溫環(huán)境耐磨損自潤(rùn)滑銅基摩擦材料的制備方法，包括以下步驟：

9、先將高錳鋁青銅、ni3al以及復(fù)合潤(rùn)滑相混合均勻，獲得混合原料；將混合原料裝入燒結(jié)模具中，再置于燒結(jié)爐中燒結(jié)，得到所述摩擦材料。

10、優(yōu)選地，在惰性氣體保護(hù)氣氛下，采用球磨混合方法獲得混合原料，球料比為1:1-3:1，球磨轉(zhuǎn)速為150-200r/min，球磨時(shí)間為6-9h。更優(yōu)選地，球磨罐以及球磨珠的材質(zhì)均為wc-co硬質(zhì)合金。

11、優(yōu)選地，燒結(jié)的工藝參數(shù)如下：在真空度低于0.1pa下進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為850-910℃，燒結(jié)壓力為36-40mpa，燒結(jié)保溫保壓時(shí)間為5-10min。

12、優(yōu)選地，燒結(jié)過(guò)程中的升溫速率為110-170℃/min。

13、有益效果：

14、(1)本發(fā)明選用高錳鋁青銅作為基體相，相對(duì)于普通鋁青銅增加錳的含量，降低β相的轉(zhuǎn)變溫度，抑制β相的共析分解，從而提高鋁青銅的強(qiáng)度；額外添加的co元素，促進(jìn)硬質(zhì)、細(xì)小的κ相的形成，從而產(chǎn)生晶粒細(xì)化作用提升高錳鋁青銅的強(qiáng)度；額外添加的b元素，彌散分布在高錳鋁青銅基體中產(chǎn)生彌散強(qiáng)化作用。相對(duì)于現(xiàn)有基體強(qiáng)化技術(shù)，本發(fā)明通過(guò)嚴(yán)格控制mn、co和b的含量，將固溶強(qiáng)化作用與彌散強(qiáng)化作用相結(jié)合，進(jìn)而改善晶界上位錯(cuò)的滑移性，使高錳鋁青銅基體的力學(xué)性能與耐磨性能得到進(jìn)一步提升

15、(2)本發(fā)明采用ni3al作為強(qiáng)化相并調(diào)控其含量，提升了高錳鋁青銅基體的抗磨性能。相對(duì)于al2o3等常用陶瓷強(qiáng)化相，ni3al具有與高錳鋁青銅基體界面更強(qiáng)的結(jié)合力，并且能夠弱化高溫下的黏著磨損機(jī)理，所以加入ni3al的鋁青銅材料兼具優(yōu)異的強(qiáng)度與耐磨性能。

16、(3)本發(fā)明采用cef3和ag的復(fù)合潤(rùn)滑相，在高溫摩擦表面上形成穩(wěn)定的具有低剪切力的分隔膜，并降低硬質(zhì)磨屑對(duì)摩擦表面的損傷。cef3和ag的相對(duì)含量對(duì)材料性能具有顯著影響，若cef3過(guò)多、ag過(guò)少，材料會(huì)因內(nèi)部結(jié)合力下降、晶界雜質(zhì)過(guò)多而造成強(qiáng)度和耐磨性能下降；若cef3過(guò)少、ag過(guò)多，難以有效提升材料的高溫潤(rùn)滑性能。相對(duì)于添加石墨等常用潤(rùn)滑相的材料，本發(fā)明通過(guò)準(zhǔn)確調(diào)控(cef3+ag)的成分配比，實(shí)現(xiàn)了高溫與室溫工況下潤(rùn)滑性能的提升。

17、(4)本發(fā)明提供了一種高溫環(huán)境耐磨損自潤(rùn)滑摩擦材料，通過(guò)在鋁青銅基體中同時(shí)添加強(qiáng)化相ni3al與復(fù)合潤(rùn)滑相(cef3+ag)，并準(zhǔn)確調(diào)控ni3al與(cef3+ag)的含量，實(shí)現(xiàn)了高溫工況下潤(rùn)滑與減磨的性能的耦合。相對(duì)于單純含有某一種添加相的材料，本發(fā)明使材料兼具較高的強(qiáng)度及較低的摩擦系數(shù)與磨損率。

18、(5)本發(fā)明所采用的復(fù)合潤(rùn)滑相(cef3+ag)由cef3粉與ag粉經(jīng)高能球磨制備而成，cef3粉與ag粉的質(zhì)量配比、高能球磨工藝經(jīng)多次試驗(yàn)獲得，可提升復(fù)合潤(rùn)滑相的均勻性與表面化學(xué)能，使其在熱壓燒結(jié)時(shí)更易與高錳鋁青銅界面緊密結(jié)合并均勻分布。

19、(6)本發(fā)明提供了一種高溫環(huán)境耐磨損自潤(rùn)滑摩擦材料制備方法，所述制備方法中，將高錳鋁青銅基體粉末、ni3al粉末和(cef3+ag)粉末在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行球磨，將所得混合粉末置于燒結(jié)爐中熱壓燒結(jié)，燒結(jié)結(jié)束后隨爐冷卻即得。相對(duì)于現(xiàn)有制備技術(shù)，本發(fā)明所述制備工藝經(jīng)多次試驗(yàn)獲得，一方面可提升材料的組織均勻性與強(qiáng)度，另一方面可提升致密性與硬度。

20、(7)本發(fā)明所述材料具有較高的硬度、抗壓強(qiáng)度以及抗彎強(qiáng)度，而且在高溫工況下磨損率較低、摩擦系數(shù)較低且穩(wěn)定，具有良好的減摩抗磨性能。同時(shí)，該材料制備方法簡(jiǎn)單，所用原料對(duì)環(huán)境友好，制備成本低，在電力、能源、腐蝕環(huán)境及軌道交通等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。