Ni-W-Cr系列高温自润滑复合材料及其轴承的制备与摩擦学特性

摘要

高温、真空、重载、腐蚀、放射性等恶劣环境下，无法采用油/脂润滑，固体润滑可解决其摩擦磨损问题。固体润滑大致有三类:1.高分子材料+固体润滑剂的复合材料，其摩擦磨损低，价格低廉，但不耐高温重载;2.薄膜固体润滑材料，可承受重载，摩擦磨损低，膜厚可控，用于精密机械零件。但膜厚有限，极恶劣环境中寿命短;3.以金属或无机材料+固体润滑剂的自润滑复合材料，是整体材料，耐高温重载，寿命长，摩擦磨损低，但基体材料与润滑剂的选择、制备工艺等对其性能影响很大。冶金用自润滑轴承因高温重载、急冷急热、振动、多粉尘等苛刻工况，对轴承材料要求很高，目前常用Fe基，Cu基，Al基等复合材料，但高温强度不够。而Ni、W、Co基复合材料成本太高，难在民用设备中推广。
　　本研究针对该情况，采用镍基高温合金返回料作原料，用水雾化的方法制备合金粉，添加合适的固体润滑剂，可制备出满足高温环境的Ni-W-Cr基系列高温固体自润滑轴承材料。
　　做了以下几点研究并获得相关结果:
　　1.本文以飞机发动机等高温合金加工废料，成功制备出Ni-W-Cr基水雾化合金粉。通过调整熔炼预热温度、漏包温度、雾化水压、氮气气压及还原工艺参数，研究其对合金粉的物理/化学性能的影响。水雾化时，熔炼温度1200℃，雾化水压15MPa时，可获得更细粒度的Ni-W-Cr合金粉，100目细粉率可达92％;采用N2保护，粉的氧含量降低52％左右，易获得不规则的椎体状雾化颗粒，利于提高复合材料的综合强度。适当的还原工艺参数（还原温度、还原时间、料层厚度和还原气体流量）对合金颗粒团聚、氧还原量、成品粉末性能有较大影响。
　　2.用粉末冶金技术制备含不同润滑系列的Ni-W-Cr基高温自润滑复合材料。测试其力学性能，通过XRD和SEM分析材料的组织结构，用UMT-2摩擦试验机测试其高温摩擦磨损性能。
　　(1)采用冷压(CP)真空烧结、热压(HP)烧结制备添加不同石墨和二硫化钼含量的Ni-W-Cr基系列复合材料。考察了烧结工艺、环境温度和试验载荷等对自润滑复合材料性能的影响。用HP制备的Ni-W-Cr基自润滑复合材料，其密度可达7.42g/cm3、压缩强度430MPa，性能提高明显。随着烧结温度的提高，密度变大，烧结样品温度达1250℃时，出现过烧现象，1150～1200℃为合适的烧结温度，在烧结过程中，有WC相出现，起弥散强化作用。Ni与Cu及Fe生成无限固溶体，呈网格状，提高了复合材料的强度。MoS2部分分解，与基体的金属骨架相互反应，生成低剪应力的CrxSx+1、WS2和FeS润滑相，改善了复合材料的高温摩擦学性能。随着温度的提高，复合材料的摩擦系数都有所变化。300℃时，随着载荷的增加，复合材料的摩擦系数降低，600℃时，摩擦系数增大缓慢，表现出复合材料高温下较好的承载能力。Ni-W-Cr基复合材料中加入4.5wt.％的MoS2和2.5wt.％鳞片状石墨时，具有较好的润滑协同作用，在摩擦表面发生转移润滑膜，实现复合材料在室温到600℃的宽温度摩擦学性能。复合材料在室温下主要以疲劳磨损为主，高温时则以粘着磨损和氧化磨损为主。
　　(2)以Ni-W-Cr为基体，适当添加二硫化钨和氧化铅制备自润滑复合材料，真空烧结，获得很低的摩擦系数和磨损率，复合材料生成新的润滑物相如PbWO4、CrxSx+1。添加5wt.％WS2和4wt.％PbO时，其在高温下摩擦系数和磨损率达到最小值，且摩擦系数随时间变化波动较小，反映了该材料在高温段具有优异的摩擦性能。承受90MPa的载荷时，平均摩擦系数低至f=0.16，且比较稳定。
　　(3)将Ni-W-Cr合金粉、铜粉与h-BN、石墨按一定比例混合压制，氩气气氛保护，制备出固体自润滑复合材料。实验发现:随着h-BN的增加，复合材料的密度、压溃强度呈下降趋势;随着温度的升高，复合材料的摩擦系数减小，具有宽温度润滑性能，但复合材料磨损率增大明显，高温下以疲劳磨损和粘着磨损为主。
　　3.针对冶金连铸连轧设备的高温部件（结晶器足辊，拉矫机辊子等），设计关节滑动轴承，并调整轴承的转角和运转间隙，制备Ni-W-Cr系列高温自润滑复合材料滑动轴承，安装在沙钢集团连铸机结晶器足辊上的关节轴承实际应用考量表明:本文所制备的Ni-W-Cr系列高温固体自润滑复合材料轴承，可连续工作4～6个工作周期，具有优异的抗磨减摩性能，径向磨损量只有0.4mm左右，承载能力高，大大提高了辊子设备的使用寿命，降低了漏钢率和钢坯划伤率，延长了维护周期，提高了经济效益。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 高温设备中滑动轴承的应用

1．3 滑动轴承固体自润滑方法

1．4 滑动轴承自润滑复合材料现状

1．5 自润滑复合材料的研究

1．5．1 非金属基固体自润滑复合材料

1．5．2 金属基固体自润滑复合材料

1．6 固体润滑复合材料制备方法

1．7 固体润滑剂的选择

1．7．1 软金属薄膜

1．7．2 层状固体润滑剂

1．7．3 金属氧化物、氟化物

1．7．4 高分子聚合物

1．8 复合材料摩擦磨损机理分析

1．9 高温固体自润滑材料的研究现状和发展趋势

1．10 本文研究论文的选题意义、依据及研究内容

第二章 实验方法与设备仪器

2．1 实验方法

2．2 试验设备

2．2．1 LD-WA／100超高压水雾化制粉装置

2．2．2 行星式高能球磨机

2．2．3 样品制备烧结设备

2．3 样品测试表征设备

2．3．1 粉末成分分析(EDS)

2．3．2 材料物相分析(XRD)

2．3．3 复合材料形貌观察(SEM)

2．4 复合材料性能检测系统

2．4．1 复合材料硬度检测

2．4．2 复合材料机械力学性能检测

2．4．3 密度测试

2．4．4 复合材料摩擦学性能评价

第三章 超高压水雾化制备高温Ni-W-Cr基合金粉末

3．1 金属／合金制粉工艺

3．2 雾化原理

3．2．1 高温合金水雾化过程

3．2．2 高压水雾化装置及工作原理

3．3 Ni-W-Cr合金粉末的预处理

3．4 Ni-W-Cr合金粉制备水雾化探讨

3．4．1 高温合金原料的选择

3．4．2 预合金粉末颗粒成型机理探讨

3．4．3 不同雾化工艺对粉末氧含量的影响

3．4．4 不同雾化工艺对粉体的粒度影响

3．4．5 不同雾化工艺对预合金粉末的流动性和密度的影响

3．5 本章小结

3．5．1 氮气保护水雾化生产Ni-W-Cr预合金粉末工艺

3．5．2 合理设计雾化参数

第四章 添加MoS2／石墨对Ni-W-Cr基复合材料性能的影响

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 复合材料的制备

4．2．2 复合材料的机械力学性能及摩擦学性能测试

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 复合粉体和复合材料的XRD分析

4．3．2 复合材料的力学性能

4．3．3 Ni-W-Cr基复合材料的显微形貌分析

4．4 复合材料烧结过程分析

4．4．1 烧结机理探讨

4．5 复合材料的摩擦与磨损分析

4．6 Ni-W-Cr基自润滑复合材料的润滑机理

4．7 本章小结

第五章 添加WS2／PbO的Ni-W-Cr基复合材料的制备及摩擦性能测试

5．1 引言

5．2 试验方法

5．2．1 实验材料及制备

5．2．2 Ni-W-Cr基复合材料的摩擦学性能测试

5．2．3 复合材料的机械、物理性能测试

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 复合材料的显微组织形貌

5．3．2 复合材料的机械物理性能测试

5．3．3 Ni-W-Cr基复合材料的摩擦磨损特性

5．4 本章小结

第六章 添加h-BN／石墨的Ni-W-Cr基自润滑复合材料的制备及性能测试

6．1 引言

6．2 实验过程

6．3 自润滑复合材料的烧结过程分析及组织形貌

6．3．1 复合材料烧结过程分析

6．3．2 复合材料的显微组织形貌

6．4 复合材料的性能测试

6．4．1 复合材料的密度

6．4．2 复合材料的压缩强度

6．5 复合材料的摩擦学性能

6．6 添加h-BN／石墨的复合材料固体润滑膜的形成机理

6．7 本章小结

第七章 高温基自润滑复合材料关节滑动轴承的工程应用

7．1 引言

7．2 新型轴承的设计

7．2．1 结构设计

7．2．2 材料设计及零件制备

7．3 结论

第八章 结论与展望

8．1 全文结论

8．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的学术论文及参与课题