專(zhuān)利名稱(chēng)：金屬基潤(rùn)滑耐磨功能梯度材料的制作方法
通常按照結(jié)構(gòu)，材料分為兩大類(lèi)即整體材料和復(fù)合材料，具有潤(rùn)滑耐磨性能的材料也是如此。整體材料是金屬，塑料或陶瓷等組成的統(tǒng)一均質(zhì)材料，如滑動(dòng)軸承可以由均質(zhì)銅合金，塑料制成；而復(fù)合材料則種類(lèi)較多，一般來(lái)說(shuō)有(1)基材外覆蓋其他金屬或高分子化合物等，如鋼材外覆蓋一層銅或鋁，汽油機(jī)，柴油機(jī)的軸瓦就是如此，有的在外層銅或鋁上鍍一層巴氏合金，(2)以石墨纖維加環(huán)氧樹(shù)脂的低摩擦復(fù)合材料(USpatent.4,072.084),(3)采用沉積，濺射，電鍍，離子鍍以至離子注入形成元素及化合物的減摩層(摩擦學(xué)報(bào)1994年3期P205,4期P314)，以及應(yīng)用真空或高溫環(huán)境的鍍銀軸承等。
以上三種復(fù)合材料其共同特點(diǎn)不同材料的混合或復(fù)合，即不同材料濃度的分布是均勻的或突變的，而不是依照使用性能采取逐漸變化的分布。
硫化物與氧化物在金屬中常使金屬的性能變壞，如在鋼中，硫化物和氧化物都是雜質(zhì)元素，其含量嚴(yán)格限制在很小范圍。造成性能變壞的原因是硫化物與氧化物在鋼中形狀不規(guī)則，且呈零散不規(guī)則分布。
本發(fā)明的目的在于提供一種新型的復(fù)合材料，是一種梯度結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，具有高的潤(rùn)滑及低的磨損性能本發(fā)明的目的是通過(guò)以下措施來(lái)達(dá)到的此梯度材料是由各種金屬或粉末冶金材料(用M表示)作為基礎(chǔ)材料，如鐵，銅，鎳，鉬及其合金或金屬及其合金的鍍，滲，涂，沉積層。金屬M(fèi)與金屬硫化物(用M[S]表示)，金屬氧化物(用M[O]表示)組成的復(fù)合材料。M[S]及M[O]化合物濃度Ds及Do從表面到內(nèi)部逐步降低，在表面M[S]及M[O]的濃度最高。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X則氧化物濃度梯度為dDo/dx硫化物濃度梯度為dDs/dx
而金屬的濃度梯度為-dDM/dx DM為金屬M(fèi)的濃度在本材料中類(lèi)型Ⅰ．基礎(chǔ)材料M的濃度DM，在表面最低且自表面到內(nèi)部逐步增加，氧化物M[O]的濃度Do及硫化物M[S]的濃度Ds在表面最高，自表面到內(nèi)部逐步降低分布。
氧化物的濃度梯度大于硫化物的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dx氧化物與硫化物、金屬不同比例的配合，可以得到不同的潤(rùn)滑耐磨性能與機(jī)械性能。氧化物與硫化物濃度的比例為0％＜Do/Do+Ds＜30％或0％＜Ds/Do+Ds＜30％類(lèi)型Ⅱ．上述類(lèi)型Ⅰ．硫化物與氧化物分布金屬M(fèi)中，在硫化物濃度Ds與氧化物濃度Do的最高而金屬濃度的最低處，有一層純化合物層，此層中只有硫化物與氧化物在此層中dDs/dx＜dDo/dx，且DM=0在本類(lèi)型Ⅱ．中，硫化物與氧化物的濃度比例0％＜Do/Do+Ds＜35％或0％＜Ds/Do+Ds＜30％氧化物與硫化物不同比例的配合，可以得到不同的潤(rùn)滑耐磨性能與機(jī)械性能。
本發(fā)明的基礎(chǔ)材料M是(1)各種金屬或粉末冶金材料，如鐵，銅，鎳，鉬及其合金；(2)上述(1)中的材料經(jīng)電鍍，離子鍍，化學(xué)鍍及電沉積，氣相沉積，氣、液、固相滲各種金屬及碳、氮、硼、硅、硒等非金屬，或兩種及三種以上元素的共滲，共鍍，共沉積層。
本發(fā)明中梯度材料的形狀是線狀、管狀、球狀、棒狀、板狀或是已加工成的機(jī)械零件，如軸、曲軸、活塞環(huán)、閥門(mén)、泵體、氣缸體、齒輪、蝸輪蝸桿、鏈條、鉆頭、滾刀、銑刀、軋輥、軸承零件、連接軸零件等。
本發(fā)明包括由于制造方法不成熟，M[S]或M[O]梯度不規(guī)則但其使用性能仍較好的材料。
梯度材料制造方法是在密閉設(shè)備或低壓設(shè)備中放置基材M，通入硫及氧，在一定溫度下化合而成，M[S]及M[O]從表面到內(nèi)部濃度逐步降低的梯度材料，或在基材M上施加高壓，或通入金屬鹵化物以加速M(fèi)[S]及M[O]的形成；也可以用噴涂、沉積、以至粉末燒結(jié)的方法形成潤(rùn)滑耐磨功能梯度材料。根據(jù)所形成的氧化物、硫化物，可將以上所述方法共同操作或交替操作以得到所需性能的潤(rùn)滑耐磨功能梯度材料。
實(shí)施例一基礎(chǔ)材料是鉬及其合金，或其他金屬如鋼、鐵、銅、鎳、鈦、鋁等合金的鉬及其合金鍍層、滲層、沉積層、噴涂層。
類(lèi)型Ⅰ．基材鉬或鉬層上，鉬元素〔

圖1中(1)〕的濃度DM表面最低，從表面到內(nèi)部逐步增加；而MoS2〔圖1中(2)〕及MoO3〔圖1中(3)〕的濃度Ds及Do自表面到內(nèi)部逐步降低。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X,MoS2的濃度為Ds,MoO3的濃度為DoMoO3的濃度梯度大于MoS2的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dxMoO3,MoS2的比例為0％＜Do/Do+Ds＜20％類(lèi)型Ⅱ．在類(lèi)型Ⅰ．中的MoS2〔圖2中(2)〕及MoO3〔圖2中(3)〕濃度最高而鉬元素〔圖2中(1)〕濃度DM最低處，存在一層純硫化鉬及氧化鉬層〔圖2中(4)〕，而鋁元素不存在。硫化鉬及氧化鉬不同比例配合可以得到不同性能。
在此類(lèi)型中dDs/dx＜dDo/dx；0.1％＜Do/Do+Ds＜20％此梯度材料中，當(dāng)MoS2濃度越高，其摩擦系數(shù)越?。划?dāng)Mo元素含量越高其韌性越好。
實(shí)施例二基礎(chǔ)材料是鎢及其合金，或其他金屬如鋼、鐵、銅、鎳、鈦、鋁等合金的鎢及其合金的鍍層、滲層、沉積層、噴涂層。
類(lèi)型Ⅰ．基材鎢或鎢層上，鎢元素的濃度DM表面最低，從表面到內(nèi)部逐步增加；而WS2及WO3的濃度Ds及Do自表面到內(nèi)部逐步降低。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X,WS2的濃度為Ds,WO3的濃度為DoWO3的濃度梯度大于WS2的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dxWO3,WS2的比例為0％＜Do/Do+Ds＜30％類(lèi)型Ⅱ．在類(lèi)型Ⅰ．中的WS2及WO3濃度最高表面，可以存在一層純硫化鎢及氧化鎢層而鎢元素不存在。
在此類(lèi)型中dDs/dx＜dDo/dx Dw=0；在類(lèi)型Ⅰ．及類(lèi)型Ⅱ．中硫化鎢及氧化鎢不同比例配合可以得到不同性能。
0％＜Do/Do+Ds＜20％實(shí)施例三基礎(chǔ)材料是鋼鐵，如碳鋼、合金鋼、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、合金鑄鐵、鐵基粉末合金等。
鋼的硫化物M[S]有硫化亞鐵FeS，硫化鐵FeS2；在材料中FeS的濃度大于FeS2的濃度；氧化物M[O]有Fe3O4、Fe2O3、FeO。
類(lèi)型Ⅰ．氧化物M[O]的濃度Do及硫化物M[S]的濃度Ds在表面最大，自表面到內(nèi)部逐步降低呈梯度分布于鋼鐵中。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X，M[O]的濃度梯度大于M[S]的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dxM[O],M[S]的比例為0％＜Do/Do+Ds＜30％而鐵元素的濃度DM在表面最低，從表面到內(nèi)部逐步增加。
類(lèi)型Ⅱ．在類(lèi)型Ⅰ．中的硫化物M[S]及氧化物M[O]的濃度最高而鐵元素濃度最低表面，存在一純硫化物及氧化物層且鐵元素不存在。
在此類(lèi)型中dDs/dx＜dDo/dx0.1％＜Do/Do+Ds＜35％ DFe=0在類(lèi)型Ⅱ．中，當(dāng)化合物層中FeS濃度越高，其摩擦系數(shù)越低；當(dāng)dDs/dx＜dDo/dx DFe=0且化合物層的表面只有Fe3O4時(shí)，梯度材料有較好的耐蝕性；在材料磨損后期，氧化物濃度較高時(shí)，材料磨損較小。
在合金鋼中由于含有合金元素，制造過(guò)程中與硫、氧反應(yīng)，可以出現(xiàn)合金元素的硫化物及氧化物。
實(shí)施例四基礎(chǔ)材料是銅及其合金，或其他金屬如鋼、鐵、鎳、鈦、鉬、鋁等合金的銅及其合金鍍層、滲層、沉積層、噴涂層與銅基粉末冶金等。
銅的硫化物M[S]有CuS、Cu2S；在材料中CuS的濃度大于Cu2S的濃度；氧化物M[O]有CuO、Cu2O。
類(lèi)型Ⅰ．氧化物M[O]的濃度Do及硫化物M[S]的濃度Ds在表面濃度最高，自表面到內(nèi)部逐步降低呈梯度分布于銅及其合金中。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X，M[O]的濃度梯度大于M[S]的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dxM[O],M[S]的比例為0％＜Do/Do+Ds＜30％而銅元素的濃度DM在表面最低，從表面到內(nèi)部逐步增加。
類(lèi)型Ⅱ．在類(lèi)型Ⅰ．中的硫化物M[S]及氧化物M[O]的濃度最高而銅元素濃度最低處，存在一純硫化物及氧化物層且銅元素不存在。
在此類(lèi)型中dDs/dx＜dDo/dx DM=0；0％＜Do/Do+Ds＜35％實(shí)施例五基礎(chǔ)材料是鈷及其合金，或其他金屬如鋼、鐵、銅、鎳、鈦、鉬、鋁等合金的鈷及其合金鍍層、滲層、沉積層、噴涂層與鈷基硬質(zhì)合金等。
鈷的硫化物Co[S]；氧化物Co[O]。
類(lèi)型Ⅰ．氧化物Co[O]的濃度Do及硫化物Co[S]的濃度Ds在表面最大，自表面到內(nèi)部逐步降低呈梯度分布于鈷及其合金中。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X，Co[O]的濃度梯度大于Co[S]的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dxCo[O],Co[S]的比例為0％＜Do/Do+Ds＜10％而鈷元素的濃度DM在表面最低，從表面到內(nèi)部逐步增加。
類(lèi)型Ⅱ．在類(lèi)型Ⅰ．中的硫化物Co[S]及氧化物Co[O]的濃度最高而鈷元素濃度最低處，存在一純硫化物及氧化物層且鈷元素不存在。
在此類(lèi)型中dDs/dx＜dDo/dx DM=00％＜Do/Do+Ds＜15％實(shí)施例六基礎(chǔ)材料是鎳及其合金，或其他金屬如鋼、鐵、銅、鈷、鈦、鉬、鋁等合金的鎳及其合金鍍層、滲層、沉積層、噴涂層等。
鎳的硫化物Ni[S]，氧化物Ni[O]。
類(lèi)型Ⅰ．氧化物Ni[O]的濃度Do及硫化物Ni[S]的濃度Ds在表面最大，自表面到內(nèi)部逐步降低呈梯度分布于鎳及其合金中。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X,Ni[O]的濃度梯度大于Ni[S]的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dxNi[O],Ni[S]的比例為0％＜Do/Do+Ds＜15％而鎳元素的濃度DM在表面最低，從表面到內(nèi)部逐步增加。
類(lèi)型Ⅱ．在類(lèi)型Ⅰ．中的硫化物Ni[S]及氧化物Ni[O]的濃度最高而鎳元素濃度最低處，存在一純硫化物及氧化物層且鎳元素不存在。
在此類(lèi)型中dDs/dx＜dDo/dx DM=00％＜Do/Do+Ds＜20％實(shí)施例七基礎(chǔ)材料是鈦及其合金，或其他金屬如鋼、鐵、銅、鈷、鎳、鉬、鋁等合金的鈦及其合金鍍層、滲層、沉積層、噴涂層等。
鈦的硫化物Ti[S]，氧化物Ti[O]。
類(lèi)型Ⅰ．氧化物Ti[O]的濃度Do及硫化物Ti[S]的濃度Ds在表面最大，自表面到內(nèi)部逐步降低呈梯度分布于鈦及其合金中。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X，Ti[O]的濃度梯度大于Ti[S]的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dxTi[O],Ti[S]的比例為0％＜Do/Do+Ds＜30％而鈦元素的濃度DM在表面最低，從表面到內(nèi)部逐步增加。
類(lèi)型Ⅱ．在類(lèi)型Ⅰ．中的硫化物Ti[S]及氧化物Ti[O]的濃度最高而鈦元素濃度最低處，存在一純硫化物及氧化物層且鈦元素不存在。
在此類(lèi)型中dDs/dx＜dDo/dx DM=00％＜Do/Do+Ds＜35％實(shí)施例八基礎(chǔ)材料是鈹或鋁及其合金，或其他金屬如鋼、鐵、鎳、鈦、鉬等合金的鈹或鋁及其合金鍍層、滲層、沉積層、噴涂層等。
鈹或鋁的硫化物M[S]，氧化物M[O]。
類(lèi)型Ⅰ．氧化物M[O]的濃度Do及硫化物M[S]的濃度Ds在表面最大，自表面到內(nèi)部逐步降低呈梯度分布于鈹或鋁及其合金中。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X,M[O]的濃度梯度大于M[S]的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dx
M[O],M[S]的比例為0％＜Ds/Do+Ds＜30％而鈹或鋁元素的濃度DM在表面最低，從表面到內(nèi)部逐步增加。
類(lèi)型Ⅱ．在類(lèi)型Ⅰ．中的硫化物M[S]及氧化物M[O]的濃度最高而鈹或鋁元素濃度最低處，存在一純硫化物及氧化物層且鈹或鋁元素不存在。
在此類(lèi)型中dDs/dx＜dDo/dx DM=00％＜Ds/Do+Ds＜30％實(shí)施例九基礎(chǔ)材料是鉭或鈮及其合金，或其他金屬如鋼、鐵、鎳、鈦、鉬、鋁等合金的鉭或鈮及其合金鍍層、滲層、沉積層、噴涂層等。
鉭或鈮的硫化物M[S]，氧化物M[O]。
類(lèi)型Ⅰ．氧化物M[O]的濃度Do及硫化物M[S]的濃度Ds在表面最大，自表面到內(nèi)部逐步降低呈梯度分布于鉭或鈮及其合金中。
從表面到內(nèi)部的厚度設(shè)為X,M[O]的濃度梯度大于M[S]的濃度梯度即dDo/dx＞dDs/dxM[O],M[S]的比例為0％＜Do/Do+Ds＜25％而鉭或鈮元素的濃度DM在表面最低，從表面到內(nèi)部逐步增加。
類(lèi)型Ⅱ．在類(lèi)型Ⅰ．中的硫化物M[S]及氧化物M[O]的濃度最高而鉭或鈮元素濃度最低處，存在一純硫化物及氧化物層且鉭或鈮元素不存在。
在此類(lèi)型中dDs/dx＜dDo/dx DM=00％＜Do/Do+Ds＜30％
權(quán)利要求
1．一種復(fù)合材料，其特征是由各種金屬或粉末冶金材料作為基礎(chǔ)材料(用M表示)，如鐵，銅，鎳，鉬及其合金或金屬及其合金的鍍，滲，涂，沉積層。金屬M(fèi)與金屬硫化物(用M[S]表示)，金屬氧化物(用M[O]表示)組成的復(fù)合材料。M[S]及M[O]的濃度從表面到內(nèi)部逐步降低，而金屬M(fèi)的濃度從表面到內(nèi)部逐步增加，是梯度結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。
2．根據(jù)權(quán)利要求1．所述的復(fù)合材料，其特征是此復(fù)合材料有兩種類(lèi)型類(lèi)型Ⅰ．在基礎(chǔ)材料中，M[S]及M[O]的濃度從表面到內(nèi)部逐步降低，在表面M[S]及M[O]的濃度最高，而M的濃度最低。類(lèi)型Ⅱ．在基礎(chǔ)材料中，M[S]及M[O]的濃度在金屬M(fèi)中自表面到內(nèi)部逐步降低，在M[S]及M[O]的濃度最高而M的濃度最低處，存在一無(wú)金屬M(fèi)，只有M[S]及M[O]的純化合物表面。
3．根據(jù)權(quán)利要求1．2．所述的梯度材料制造的機(jī)械零件或機(jī)器。
4．根據(jù)權(quán)利要求1．2．所述的梯度材料制成的板，棒，管材，或各種型材。
5．根據(jù)權(quán)利要求1．2．所述的梯度材料制造的各種設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明是一種金屬基潤(rùn)滑耐磨功能梯度材料。它不同于現(xiàn)有的整體或復(fù)合潤(rùn)滑耐磨材料,它是金屬M(fèi)與金屬硫化物M[S]及金屬氧化物M[O]聯(lián)合組成的復(fù)合材料,M[S]及M[O]的濃度從表面到內(nèi)部逐步降低,而金屬M(fèi)的濃度從表面到內(nèi)部逐步增加,是一種具有潤(rùn)滑,耐磨等特殊功能,且保持金屬的強(qiáng)韌性?xún)?yōu)點(diǎn)的梯度材料。
文檔編號(hào)C23C8/36GK1217438SQ97120249
公開(kāi)日1999年5月26日 申請(qǐng)日期1997年11月7日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月7日
發(fā)明者張昕輝, 張弋飛 申請(qǐng)人:張昕輝, 張弋飛