本發(fā)明涉及一種自潤滑滑動軸承，特別涉及一種多層復合材料制備的自潤滑滑動軸承，屬于耐磨損材料制備領域。

背景技術：

自潤滑滑動軸承是指在不加入潤滑油、潤滑脂等自潤滑劑的工況條件下，能夠讓軸在穩(wěn)定低摩擦狀態(tài)下保證正常運轉(zhuǎn)的一類滑動軸承。自潤滑軸承通常由外層基體合金和內(nèi)層自潤滑層通過直接粘結、燒結或熱軋等方式復合形成一個整體。常用的自潤滑層是由聚四氟乙烯（ptfe）、熱塑性塑料、二硫化鉬、石墨等組成的混合物通過以上方式復合于外層基體合金層的內(nèi)表面，以起到自潤滑的作用。但這些方式制備的自潤滑層，通常各自潤滑組分分散不均，厚度不夠均勻，且耐蝕性、耐磨性、熱穩(wěn)定性較差，導致軸承的使用壽命短，運轉(zhuǎn)過程中的潤滑性能大打折扣。

常用的基體合金材料主要為錫基、鉛基、銅基及鐵基合金。錫基合金作為第一代軸承材料，質(zhì)地較軟，制備出的軸承表面性能好，但疲勞強度低，價格昂貴且熔點低，工作溫度不能超過150℃；鉛基合金作為錫基的替代，塑性及抗疲勞性能好，成本低，但耐蝕性及耐磨性均不理想，且會造成嚴重的環(huán)境污染；銅基合金的機械性能優(yōu)異能滿足高速運轉(zhuǎn)設備的使用要求，但價格昂貴，密度高，不適合輕量發(fā)展要求；而鐵基耐蝕性差，其使用范圍就更小。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的自潤滑滑動軸承自重大、易污染環(huán)境、軸承自潤滑效果不佳，使用壽命短的問題，提供了一種含石墨烯的石墨/鋁基自潤滑滑動軸承及其制備方法。

一種含石墨烯的石墨/鋁基自潤滑滑動軸承，所述自潤滑滑動軸承由外圈鋁合金層和內(nèi)圈石墨/鋁基自潤滑復合材料層構成；所述內(nèi)圈石墨/鋁基自潤滑復合材料層是由環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架和填充于蜂窩結構孔洞內(nèi)的鋁合金構成。

所述外圈鋁合金層和內(nèi)圈中的鋁合金為同種鋁合金，主要成分由al、mg、si、石墨烯組成，其中mg的質(zhì)量分數(shù)為5~10wt.%，si的質(zhì)量分數(shù)為6%~8wt.%，石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.2-0.5wt.%，余量為al。

所述內(nèi)圈中的石墨為含石墨烯的石墨骨架，該含石墨烯的石墨骨架由天然鱗片石墨粉、酚醛樹脂粉、石墨烯配比混料構成，并通過選擇性激光燒結法（sls）制備成環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架，其中酚醛樹脂為石墨粉質(zhì)量分數(shù)的20%~50%，石墨烯的含量為整體混料質(zhì)量分數(shù)的1~3%，環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架厚度為2~5mm。

本發(fā)明所提供的含石墨烯的石墨/鋁基自潤滑滑動軸承的制備方法，包括如下步驟：

步驟一、通過cad軟件設計出上述環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架數(shù)據(jù)模型，采用選擇性激光燒結（sls）的方式將石墨粉混料制備成所需結構的石墨骨架預制體。所設計的環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架，其石墨質(zhì)量分數(shù)為內(nèi)圈石墨/鋁基自潤滑復合材料層的8%~10%；所述的環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架的單胞結構為正六棱柱，上下底面為正六邊形，其邊長為3-6mm，邊的寬度為0.30~0.37mm，側(cè)棱線的高度為2~5mm，即厚度為2-5mm。所述含石墨烯的石墨骨架中，酚醛樹脂粉為天然鱗片石墨粉質(zhì)量分數(shù)的20%~50%，石墨烯的含量為整體混料質(zhì)量分數(shù)的1~3%，所述浸漬液由酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、無水乙醇均勻混合而成，其中酚醛樹脂與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為3：1-2，無水乙醇的質(zhì)量為混合樹脂總質(zhì)量的5-20%。

步驟二、二次固化，將石墨骨架坯體在140~200℃下烘35-50min。

步驟三、浸漬強化，將二次固化后的石墨骨架坯體置于浸漬液中，浸漬20min。取出石墨骨架坯體，清理掉表面多余的樹脂之后置于干燥箱子中，于50-60℃下干燥24-36h。然后將石墨骨架坯體在140~200℃下烘60-140min，從而制備出浸漬石墨骨架。

步驟四、碳化處理，將浸漬石墨骨架置于高溫碳化爐中，在氮氣或氬氣的保護氣氛中，于900-1300℃下高溫處理15-24h，然后爐內(nèi)自然冷卻到室溫。

步驟五、鍍銅處理，將碳化后的石墨骨架置于80-120g/l的氫氧化鈉（優(yōu)選為100g/l的氫氧化鈉）及15-30g/l的碳酸鈉混合液中（優(yōu)選為25g/l的碳酸鈉），超聲清洗10min，然后用去離子水沖洗至中性；用蒸餾水配制電鍍液，其中硫酸體積濃度為20-30ml/l（優(yōu)選為硫酸濃度25ml/l），硫酸銅濃度為60~100g/l（優(yōu)選硫酸銅濃度為80g/l）；將超聲清洗后的石墨骨架完全浸入電鍍液中，于0.3~0.8a的恒流中電鍍30min；取出石墨骨架用去離子水沖洗至中性，置于質(zhì)量分數(shù)0.5-1.5%1%的苯并三氮唑酒精溶液中鈍化20min（苯并三氮唑的質(zhì)量分數(shù)為1%），沖洗至中性，干燥后得到鍍銅石墨骨架。

步驟一～步驟五為石墨骨架預處理。

步驟六、鑄造，將鍍銅石墨骨架在上述金屬鑄型中固定好，整體預熱至350-450℃，鋁合金加熱至700-800℃保溫20min，在保護氣氛中采用鑄造法將鋁合金液澆鑄到金屬鑄型中，自然冷卻至室溫，制得含石墨烯的自潤滑滑動軸承。

本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明提供了一種含石墨烯的石墨/鋁基自潤滑滑動軸承的制備方法。該方法中自潤滑相以天然鱗片石墨為主體，天然鱗片石墨在我國資源儲量豐富，價格便宜，與mos2、ptfe等自潤滑材料相比無需合成，加工成本低；同時天然鱗片石墨的晶體結構中，層間以微弱的范德華力作用，易發(fā)生滑移，表現(xiàn)出優(yōu)異的自潤滑性能，而層內(nèi)以共價鍵形成穩(wěn)固的六邊形結構，則讓石墨表現(xiàn)出優(yōu)異的耐熱、耐腐蝕及耐酸堿性能，應用于軸承中，可以保證軸承在腐蝕性工況環(huán)境、高速、重載條件下依舊保持很好的自潤滑效果；且石墨本身具有良好的吸震性能，能夠很好的降低軸承在運轉(zhuǎn)過程中，尤其是啟動、停止階段的摩擦振動，從而保證了軸的穩(wěn)定運行。

本發(fā)明使用含石墨烯的鋁合金作為軸承的基體合金，鋁合金不僅價格便宜，密度低，順應了“輕量化”的發(fā)展要求，同時鋁合金清潔無污染，是一種經(jīng)濟環(huán)保的軸承材料，且石墨烯可以提高鋁合金的綜合力學性能。

本發(fā)明中，將石墨自潤滑混料通過選擇性激光燒結的方式制備成環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架，因而通過鑄造法制備軸承時，很好的解決了“自潤滑層”在軸承內(nèi)壁分布不均的問題，提高了軸承的自潤滑性能。

本發(fā)明通過鑄造法將環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架與鋁合金復合制得石墨/鋁基自潤滑復合材料層，鋁合金完全填充了“蜂窩結構”的孔洞，與石墨骨架形成牢固的嵌套結構，石墨烯使石墨骨架的強度得到了提高，避免了軸承在運行過程中石墨自潤滑材料的不均勻脫落，保證了軸承整體的力學性能及自潤滑性能。

附圖說明

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明：

圖1為實施例1或2中含石墨烯的石墨/鋁基自潤滑滑動軸承的整體結構示意圖，其中，1.內(nèi)圈石墨/鋁基自潤滑復合材料層，2.外圈鋁合金層。

圖2為實施例1或2中環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架示意圖。

圖3為實施例1或2中環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架展開圖。

圖4為實施例1或2中環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架單胞蜂窩結構圖。

圖5為實施例1或2中鑄型示意圖。

圖6為實施例1或2中型芯示意圖。

圖7為實施例1或2中鑄型、型芯、環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架裝配示意圖，其中1.鑄型，2.型芯，3.環(huán)狀蜂窩結構石墨骨。

圖8為本發(fā)明的含石墨烯的石墨/鋁基自潤滑滑動軸承制備工藝流程圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明做進一步說明。

實施例一：

如圖8所示，一種含石墨烯的石墨/鋁基自潤滑滑動軸承的制備方法，它包括如下步驟：

1）、通過cad軟件設計出環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架模型（如圖2、圖3、圖4所示），其中環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架中，通過計算，其質(zhì)量分數(shù)為內(nèi)圈石墨/鋁基自潤滑復合材料層的8%，單個蜂窩邊長4mm，蜂窩邊寬度0.30mm。環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架的厚度為2mm。

2）、將天然鱗片石墨粉、酚醛樹脂粉、石墨烯配比混料構成，并通過選擇性激光燒結法（sls），按照上述設計出的骨架模型，制備出環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架坯體。其中酚醛樹脂為石墨粉質(zhì)量分數(shù)的30%，石墨烯的含量為整體混料質(zhì)量分數(shù)的1%。

3）、將石墨骨架坯體在140℃下烘40min進行二次固化。

4）、將步驟3中石墨骨架坯體置于浸漬液中，浸漬20min。取出石墨骨架坯體，清理掉表面多余的樹脂之后置于干燥箱子中，于60℃下干燥36h。然后將石墨骨架坯體在160℃下烘80min，從而制備出浸漬石墨骨架。所述浸漬液由酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、無水乙醇均勻混合而成，其中酚醛樹脂與環(huán)氧樹脂按質(zhì)量比3：2配比。無水乙醇的質(zhì)量為混合樹脂總質(zhì)量的10%，以調(diào)節(jié)浸漬液的粘度。

5）、將步驟4中的浸漬石墨骨架置于高溫碳化爐中，在氮氣或氬氣的保護氣氛中，于900℃下高溫處理20h，然后爐內(nèi)自然冷卻到室溫。

6）、將步驟5中碳化后的石墨骨架置于100g/l的氫氧化鈉及25g/l的碳酸鈉混合液中，超聲清洗10min，然后用去離子水沖洗至中性；用蒸餾水配制電鍍液，其中硫酸濃度25ml/l，硫酸銅濃度為60g/l；將超聲清洗后的石墨骨架完全浸入電鍍液中，于0.4a的恒流中電鍍30min；取出石墨骨架用去離子水沖洗至中性，置于質(zhì)量分數(shù)1%的苯并三氮唑酒精溶液中鈍化20min，沖洗至中性，干燥后得到鍍銅石墨骨架。

7）、將步驟6中的鍍銅石墨骨架在金屬鑄型（圖5）中固定好，在石墨骨架中安放型芯（圖6），將裝配體（圖7）整體預熱至400℃，鋁合金加熱至750℃保溫20min，在保護氣氛中采用鑄造法將鋁合金液澆鑄到金屬鑄型中，自然冷卻至室溫，制得自潤滑滑動軸承，如圖1。

所述外圈鋁合金層和內(nèi)圈中的鋁合金為同種鋁合金，主要成分由al、mg、si、石墨烯組成，其中mg的質(zhì)量分數(shù)為6.8wt.%，si的質(zhì)量分數(shù)為6.5wt.%，石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.38wt.%，余量為al。內(nèi)圈石墨/鋁基自潤滑復合材料層中的石墨骨架單個蜂窩邊長4mm，蜂窩邊寬度0.30mm，厚度為2mm，石墨在內(nèi)圈中所占的質(zhì)量分數(shù)為8%。

實驗表明，實驗條件為正向載荷100n，轉(zhuǎn)速為450r/min，干摩擦，單一鋁合金的摩擦系數(shù)為0.66，本發(fā)明滑動軸承摩擦系數(shù)為0.32。

實施例二：

1）、通過cad軟件設計出環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架模型（如圖2、圖3、圖4所示），其中環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架中，通過計算，其質(zhì)量分數(shù)為內(nèi)圈石墨/鋁基自潤滑復合材料層的10%，單個蜂窩邊長4mm，蜂窩邊寬度0.37mm。環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架的厚度為2mm。

2）、將天然鱗片石墨粉、酚醛樹脂粉、石墨烯配比混料構成，并通過選擇性激光燒結法（sls），按照上述設計出的骨架模型，制備出環(huán)狀蜂窩結構石墨骨架坯體。其中酚醛樹脂為石墨粉質(zhì)量分數(shù)的30%，石墨烯的含量為整體混料質(zhì)量分數(shù)的3%。

3）、將石墨骨架坯體在160℃下烘40min進行二次固化。

4）、將步驟3中石墨骨架坯體置于浸漬液中，浸漬20min。取出石墨骨架坯體，清理掉表面多余的樹脂之后置于干燥箱子中，于60℃下干燥36h。然后將石墨骨架坯體在180℃下烘80min，從而制備出浸漬石墨骨架。所述浸漬液由酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、無水乙醇均勻混合而成，其中酚醛樹脂與環(huán)氧樹脂按質(zhì)量比3:2配比。無水乙醇的質(zhì)量為混合樹脂總質(zhì)量的10%，以調(diào)節(jié)浸漬液的粘度。

5）、將步驟4中的浸漬石墨骨架置于高溫碳化爐中，在氮氣或氬氣的保護氣氛中，于900℃下高溫處理20h，然后爐內(nèi)自然冷卻到室溫。

6）、將步驟5中碳化后的石墨骨架置于100g/l的氫氧化鈉及25g/l的碳酸鈉混合液中，超聲清洗10min，然后用去離子水沖洗至中性；用蒸餾水配制電鍍液，其中硫酸濃度25ml/l，硫酸銅濃度為100g/l；將超聲清洗后的石墨骨架完全浸入電鍍液中，于0.7a的恒流中電鍍30min；取出石墨骨架用去離子水沖洗至中性，置于質(zhì)量分數(shù)1%的苯并三氮唑酒精溶液中鈍化20min，沖洗至中性，干燥后得到鍍銅石墨骨架。

7）、將步驟6中的鍍銅石墨骨架在金屬鑄型（圖5）中固定好，在石墨骨架中安放型芯（圖6），將裝配體（圖7）整體預熱至400℃，鋁合金加熱至750℃保溫20min，在保護氣氛中采用鑄造法將鋁合金液澆鑄到金屬鑄型中，自然冷卻至室溫，制得自潤滑滑動軸承，如圖1。

所述外圈鋁合金層和內(nèi)圈中的鋁合金為同種鋁合金，主要成分由al、mg、si、石墨烯組成，其中mg的質(zhì)量分數(shù)為6.7wt.%，si的質(zhì)量分數(shù)為7.2wt.%，石墨烯質(zhì)量分數(shù)為0.45wt.%，余量為al。內(nèi)圈石墨/鋁基自潤滑復合材料層中的石墨骨架單個蜂窩邊長4mm，蜂窩邊寬度0.37mm，厚度為2mm，石墨在內(nèi)圈中所占的質(zhì)量分數(shù)為10%。

實驗表明，實驗條件為正向載荷100n，轉(zhuǎn)速為450r/min，干摩擦，單一鋁合金的摩擦系數(shù)為0.66，本發(fā)明滑動軸承摩擦系數(shù)為0.25。

以上內(nèi)容是結合具體的實施案例對本發(fā)明所做的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。