一種三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種添加納米NbS0.3Se1.7的Cu-Al-Ni三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備方法，該材料以Cu為基體，以Al為基體粘結(jié)元素，Ni為強(qiáng)化合金元素，以NbS0.3Se1.7為潤(rùn)滑相，采用粉末冶金工藝制備而成。本發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、安全環(huán)保，特別適合于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。用本發(fā)明方法制備得到的添加納米NbS0.3Se1.7的Cu-Al-Ni三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料具有摩擦系數(shù)小、磨損率低、抗壓強(qiáng)度高等眾多優(yōu)異性能。
【專利說(shuō)明】一種三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及潤(rùn)滑材料領(lǐng)域，具體地說(shuō)，是一種添加納米NbSa3Seh7的Cu-Al-Ni三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]銅基自潤(rùn)滑復(fù)合材料具有抗氰化、耐腐蝕及唐合性能好等優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)油及少油條件下得到廣泛應(yīng)用；銅基石墨自潤(rùn)滑材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電機(jī)的固定部件和旋轉(zhuǎn)部件，它能夠使電機(jī)、儀表及電氣裝置上相互滑動(dòng)的部件之間順利通過(guò)電流并完成相對(duì)運(yùn)動(dòng)；銅-石墨是一種典型的滑動(dòng)電接觸材料，它主要依靠Cu來(lái)改善材料的導(dǎo)電導(dǎo)熱能力，依靠石墨減摩和自潤(rùn)滑作用來(lái)改善材料的摩擦學(xué)特性；但是銅-石墨-存在著如下問(wèn)題:(I)然而銅與石墨小相容，其界面合力弱，制約銅基石墨自潤(rùn)滑復(fù)合材料力學(xué)性能；(2)石墨較軟，使得含有它們的電接觸材料的承載能力、耐磨能力、抗熔焊能力均低；(3)石墨的導(dǎo)熱性能差，在大電流或高速電機(jī)中，將使得電接觸材料的接觸表面溫升過(guò)高，造成吸附在接觸表面的水分易于揮發(fā)，破壞了表面膜的完整性，從而產(chǎn)生磨粒磨損。
[0003]NbSe2具有和MoS2類似的晶體結(jié)構(gòu)和摩擦學(xué)特性，而電阻率僅為10-4 Qcm,比MoS2低六個(gè)數(shù)量級(jí)，比石墨低一個(gè)數(shù)量級(jí)；最近的研究成果表明，摻雜異質(zhì)原子可以有效地改善原物質(zhì)的物理性質(zhì)，最近研究表明Cu摻雜二硒化鈮獲得了物理性能優(yōu)良的CuxNbSe2 ；NbSxSe2^x既有減摩耐磨的作用，又可以提高復(fù)合材料的力學(xué)性能.是一種十分具有應(yīng)用前景的滑動(dòng)電接觸材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種具有摩擦系數(shù)小、磨損率低、抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)異性能的納米NbSa3Se1.7的Cu-Al-Ni自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備方法，其中Cu為基體，以Al為基體粘結(jié)元素，Ni為強(qiáng)化合金元素，以NbSa3Seh7為潤(rùn)滑相。
[0005]上述目的是通過(guò)如下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的:
Cl)按照1:1.96:0.35的摩爾比稱取Nb粉、Se粉和S粉；以質(zhì)量比料:球:無(wú)水乙醇=10:1:100混合倒入四星型式球磨罐中進(jìn)行濕式球磨12h ;將混合料置于70°C烘箱中12h使酒精完全揮發(fā)，并且將混合料放入研缽中進(jìn)行研磨至塊體消失；將混合料裝入通有Ar保護(hù)氣體的不銹鋼反應(yīng)釜中。
[0006](2)將上述封好不銹鋼反應(yīng)釜置于管式爐中心，以10°C /min的升溫速率將爐內(nèi)溫度升高至700°C、保持2h，即分別得到片狀的微納米NbSa3Seh7材料。
[0007](3)取步驟(2)制備得到的微納米NbSa3Seh7材料與銅粉、鎳粉以及鋁粉，其中
2-12wt% NbS0,3SeL7>l-5wt% N1、2_10wt% Al,余量的Cu ;在星型式球磨機(jī)中進(jìn)行12h的球磨混合，料:球:無(wú)水乙醇的質(zhì)量比為100:1:100 ;然后在150MPa下進(jìn)行冷壓IOmin并且保壓2次，再在60(T80(TC的Ar流(200mL/min)中燒結(jié)f 2h，制備得到的得添加納米NbSa3Se1]的Cu-Al-Ni三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料。[0008]所述的管式爐以中心為溫度最高點(diǎn)，向兩邊溫度逐漸降低，溫度梯度為rc /cm,在此種條件下容易形成片狀NbSa3Seh7,片狀的厚度可以穩(wěn)定在180_190nm ;片狀的NbSa3Seh7作為添加物,相比于形貌不規(guī)則的NbSxSe2_x，使得復(fù)合材料的摩擦系數(shù)更小、磨損率更低、抗壓強(qiáng)度更高。
[0009]本發(fā)明方法的原料易得、價(jià)格低廉，制備工藝簡(jiǎn)單、參數(shù)易控，生產(chǎn)過(guò)程安全環(huán)保，特別適合于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)；用本發(fā)明方法制備得到的納米NbStl 3Se17的Cu-Al-Ni三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合料，摩擦系數(shù)小、磨損率低、抗壓強(qiáng)度高，是一種十分具有應(yīng)用前景的滑動(dòng)電接觸材料。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】 [0010]圖1為制備所得的片層狀納米NbSa3Seh7的SEM圖片。
[0011]圖2為實(shí)施例1的片層狀納米納米NbSa3Seh7的Cu-Al-Ni三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料的載荷-摩擦系數(shù)關(guān)系曲線。
[0012]圖3為純銅基固體復(fù)合材料的磨損表面SEM。
[0013]圖4為實(shí)施例2的片層狀納米NbSa3Se1J的Cu-Al-Ni自潤(rùn)滑復(fù)合材料的磨損表面 SEM。
[0014]圖5為實(shí)施實(shí)例中的各個(gè)樣品與純銅的硬度對(duì)比曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下通過(guò)【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步描述本發(fā)明，由技術(shù)常識(shí)可知，本發(fā)明也可通過(guò)其它的不脫離本發(fā)明技術(shù)特征的方案來(lái)描述，因此所有在本發(fā)明范圍內(nèi)或等同本發(fā)明范圍內(nèi)的改變均被本發(fā)明包含。
[0016]實(shí)施例1:
Cl)按照1:1.96:0.35的摩爾比稱取Nb粉、Se粉和S粉；以質(zhì)量比料:球:無(wú)水乙醇=10:1:100混合倒入四星型式球磨罐中進(jìn)行高溫濕式球磨12h ;將混合料置于70°C烘箱中12h使酒精完全揮發(fā)，并且將混合料放入研缽中進(jìn)行20min研磨；將Nb粉、Se粉和S粉均勻混合后裝入通有Ar保護(hù)氣體的不銹鋼反應(yīng)釜中。
[0017](2)將上述封好不銹鋼反應(yīng)釜置于一個(gè)溫度梯度為1°C /cm的管式爐中，以10°C /min的升溫速率將爐內(nèi)溫度升高至600°C、保持2h，即分別得到片狀的微納米NbSa3Se1.7材料。
[0018](3)取步驟(3)制備得到的微納米NbSa3Seh7材料0.48g與11.0g銅粉、0.36g鎳粉以及1.0g鋁粉在星型式球磨機(jī)中進(jìn)行12h混合，然后在150MPa下進(jìn)行冷壓IOmin并且保壓2次，再在700°C的Ar流中燒結(jié)2h，制備得到的得添加納米NbSa3Seh7的Cu-Al-Ni三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
[0019]圖1為納米NbSa3Seh7的SEM圖片，進(jìn)行分析可以看出，納米NbSa3Se1.7的厚度尺寸在大約IOOnm左右，并卻生長(zhǎng)完全，尺寸分布均勻；圖2可以看出添加納米NbSa3Se1J的Cu-Al-Ni三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料相比于純銅燒結(jié)片，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.14，，摩擦系數(shù)有了很大的改善。
[0020]實(shí)施例2:取實(shí)施例1制備的片狀NbSa3Seh7納米材料0.6g與11.0g銅粉、0.48g鎳粉以及1.3g鋁粉在星型式球磨機(jī)中進(jìn)行12h混合，然后在150MPa下進(jìn)行冷壓IOmin并且保壓2次，再在700°C的Ar (氬氣)流中燒結(jié)1.5h，制備得到的得添加納米NbSa3Seh7的Cu-Al-Ni三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
[0021]實(shí)施例3:
取實(shí)施例1制備的片狀NbSa3Seh7納米材料Ig與12.0g銅粉、0.5g鎳粉以及1.5g鋁粉在星型式球磨機(jī)中進(jìn)行12h混合，然后在150MPa下進(jìn)行冷壓IOmin并且保壓2次，再在800°C的Ar流中燒結(jié)lh，制備得到的得添加納米NbSa 3Se17的Cu-Al-Ni三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
[0022]實(shí)施例4: 取實(shí)施例1制備的片狀NbSa3Seh7納米材料1.2g與13.0g銅粉、0.80g鎳粉以及1.6g鋁粉在星型式球磨機(jī)中進(jìn)行12h混合，然后在150MPa下進(jìn)行冷壓IOmin并且保壓2次，再在700°C的Ar流中燒結(jié)1.5h，制備得到的得添加納米NbSa 3SeL 7的Cu-Al-Ni三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料。圖4為各樣品的布氏硬度，從中可以看出Cu-Al-Ni三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料在硬度上有了很大的提高，達(dá)到了 80B ;說(shuō)明加入Al、Ni和微納米NbSa3Seh7材料有效地提高了復(fù)合材料的摩擦性能和硬度。
[0023]摩擦學(xué)性能測(cè)試:
測(cè)試條件:大氣環(huán)境，室溫；
測(cè)試儀器:UTM-2多功能摩擦試驗(yàn)機(jī)(回轉(zhuǎn)模式)；
摩擦副接觸形式:球-盤式；
實(shí)驗(yàn)鋼球:直徑為4mm、硬度為HRC62的不銹鋼球；
圓盤回轉(zhuǎn)半徑:5mm ；
轉(zhuǎn)速:100-300r/min ；
載荷:300g ；
測(cè)試結(jié)論:如圖4和圖5所示，純Cu的基片摩擦表面極其粗糙，具有嚴(yán)重的粘著磨損并且伴有嚴(yán)重的犁溝；實(shí)施例2中當(dāng)銅基復(fù)合材料中摻入納米NbSa3Se17材料的質(zhì)量百分比為4.48%，Al粉的含量為9.71%，Ni粉的含量為3.59%時(shí)，即可使復(fù)合材料在較高的載荷下保持較低的摩擦系數(shù)，表面犁溝大量減少，并且其粘著磨損不明顯，極大地增強(qiáng)了材料的潤(rùn)滑性。
【權(quán)利要求】
1.一種三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料，其特征在于:所述自潤(rùn)滑復(fù)合材料組分按照質(zhì)量百分比計(jì)算為:2-12wt% 的片狀 NbStl 3Se1.7、l-5wt% N1、2_10wt% Al，余量的 Cu。
2.如權(quán)利要求1所述的一種三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料，其特征在于:所述片狀NbStl 3Se17 的厚度為 180-190nm。
3.如權(quán)利要求1所述的一種三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟: (O按照1:1.96:0.35的摩爾比稱取Nb粉、Se粉和S粉；球磨混合；將混合料干燥使酒精完全揮發(fā)，研磨后將混合料裝入通有Ar保護(hù)氣體的不銹鋼反應(yīng)釜中； (2)將上述封好不銹鋼反應(yīng)釜置于管式爐中心，升溫至700°C、保持2h，即得到片狀的微納米NbSa3Seh7材料； (3)取步驟(2)制備得到的片狀的微納米NbSa3Sq7材料與銅粉、鎳粉以及鋁粉，其中2-12wt% ^NbS0.3SeL7U-5wt%^ N1、2_10wt% 的 Al，余量的 Cu ;球磨混合后，壓制成型，再在60(T800°C的A r流中燒結(jié)I~2h，制備得到的得添加片狀NbSa 3SeL 7的Cu-Al-Ni三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
4.如權(quán)利要求3所述的一種三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述的管式爐以中心為溫度最高點(diǎn)，向兩邊溫度逐漸降低，溫度梯度為1°C /cm，在此種條件下容易形成片狀，片狀的厚度可以穩(wěn)定在180-190nm。
5.如權(quán)利要求3所述的一種三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述步驟I的球磨混合指:以質(zhì)量比料:球:無(wú)水乙醇=10:1:100混合倒入四星型式球磨罐中進(jìn)行濕式球磨12h。
6.如權(quán)利要求3所述的一種三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述的干燥指將混合料置于70°C烘箱中12h使酒精完全揮發(fā)。
7.如權(quán)利要求3所述的一種三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述的升溫至以10°c /min的升溫速率將爐內(nèi)溫度從室溫升高至700°C。
8.如權(quán)利要求3所述的一種三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述的球磨混合指在星型式球磨機(jī)中進(jìn)行Ia混合，料:球:無(wú)水乙醇的質(zhì)量比為10:1:100 ;所述的壓制成型指在150MPa下進(jìn)行冷壓IOmin并且保壓2次。
9.如權(quán)利要求3所述的一種三元合金自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述Ar流的流速為200mL/min。
【文檔編號(hào)】C22C1/05GK103627922SQ201310636312
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】唐華, 陳帥, 孟明艾, 李長(zhǎng)生 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)