一种以Ag和Mo-B-O-Si四元板状晶体为复合润滑相和增强相的新型NiAl基自润滑材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种以Ag和Mo-B-O-Si四元板状晶体为润滑相和增强相的新型NiAl基自润滑材料及制备方法，包括如下步骤：制备Mo-B-O-Si四元板状晶体；按Ni：Al的摩尔比＝1：1选取Ni粉和Al粉，选取Mo-B-O-Si四元板状晶体和Ag粉，将Mo-B-O-Si四元板状晶体与Ni粉、Al粉、Ag粉混合，得到配料；将上述配料置于振动混料机内混合干混，得到烧结配料；将烧结配料采用放电等离子烧结得到所述新型NiAl基自润滑材料。该自润滑材料将Ag和Mo-B-O-Si四元板状晶体原位复合在NiAl基体中，所得的自润滑材料在摩擦磨损过程中的摩擦系数和磨损率较低，具有优良的摩擦学性能，且制备方法简单新颖，制备过程中工艺参数容易控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种以Ag和Mo-B-O-Si四元板状晶体为复合润滑相和增强相的新型NiAl基 自润滑材料及其制备方法。

背景技术

一些在极端工况条件如高温、强辐射、高真空等环境下运转的机械零部件极易发生润滑 失效的问题。随着现代工业技术尤其是航空、航天技术的迅速发展，迫切需要研发具备耐高 温、耐磨损等优良性能的新型固体润滑复合材料。NiAl金属间化合物具有熔点高、密度低、 热导率大和抗氧化性能优异等特点，使它作为一种新型的高温结构材料受到广泛重视。([1] 董虹星，贺跃辉.金属间化合物NiAl的研究进展[J].中南大学学报(自然科学版)，2007(6):83-88. [2]Shi，X.L.，Zhai，W.Z.，Wang，M.，Xu，Z.X.，Yao，J.，Song，S.Y.，andWang，Y.Tribological BehaviorsofNiAlBasedSelf-LubricatingCompositesContainingDifferentSolidLubricantsat ElevatedTemperatures[J].Wear，2014(310):1–11.)

但NiAl金属间化合物的室温塑性低、断裂韧性差、高温强度和蠕变性能一般，这些特点 限制了其在工业上应用。因而，如何进一步提高NiAl金属间化合物在苛刻条件下的摩擦学性 能来满足工业使用的要求变得非常重要。

近年来，许多研究人员对NiAl金属间化合物的摩擦学性能进行了一系列的研究。 J.A.Hawk等[3]的研究表明含TiB₂的NiAl基复合材料的磨损量随TiB₂含量的增加而减小。([3] J.A.Hawk，D.E.Alman.AbrasivewearbehaviorofNiAlandNiAl-TiB₂composites[J].Wear，1999， 225(1):544-556.)周兰章等[4]的研究表明添加TiO₂粉和碳黑合成的NiAl-Al₂O₃-TiC复合材料 在环境温度为700～900℃的工况下表现出持久的自润滑性能。([4]周兰章，王振生，郭建亭， 等.一种镍铝基复合材料作为高温自润滑耐磨材料的应用.中国发明专利，专利申请号 200810012052.5，申请日期：2008-06-27.)

以往的研究方法通常是在NiAl基体中添加具备单一特性的润滑相或增强相来制备NiAl 基自润滑复合材料。复合材料中润滑相添加量少，对润滑性能改善效果不明显；而润滑相添 加量过多，则会使材料的力学性能下降。添加单一的润滑相或增强相对NiAl合金的摩擦学性 能的改善是十分有限的。因此，有必要进一步研究新型自润滑复合材料的制备技术，以提高 NiAl金属间化合物的摩擦学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以Ag和Mo-B-O-Si四元板状晶体为润滑相和增强相的新型 NiAl基自润滑材料及其制备方法，该自润滑材料将Ag和Mo-B-O-Si四元板状晶体原位复合 在NiAl基体中，所得的自润滑材料具有优良的摩擦学性能，且制备方法简单新颖，制备过程 中工艺参数容易控制。

为将本发明目的得以实现，故采取的技术方案为：

一种以Ag和Mo-B-O-Si四元板状晶体为润滑相和增强相的新型NiAl基自润滑材料，它 由Ni粉、Al粉、Ag粉和Mo-B-O-Si四元板状晶体制备而成，其中Ni：Al的摩尔比＝1：1， 加入Ag粉和Mo-B-O-Si四元板状晶体的质量分别为Ni粉、Al粉总质量的(5.0-10)wt.％和 (2.0-6.0)wt.％。

一种以Ag和Mo-B-O-Si四元板状晶体为润滑相和增强相的新型NiAl基自润滑材料的制 备方法，它包括如下步骤：

1)Mo-B-O-Si四元板状晶体，按钼酸铵：硼粉：硅粉的摩尔比＝1：2：2，选取钼酸铵粉、 硼粉和硅粉，纯度为99.9wt.％，将钼酸铵粉、硼粉与硅粉行星球磨混合，得到Mo-B-O-Si四 元板状晶体初始混料，初始混料的平均粒径为20-50μm；

2)将上述初始混料采用气氛炉烧结，保护气体为氩气，烧结过程中通入氧气，氧气通入 量为50-150ml/min，得到所述的Mo-B-O-Si四元板状晶体；

3)按Ni：Al的摩尔比＝1：1选取Ni粉和Al粉，分别按Ni粉、Al粉总质量的(5.0-10) wt.％和2.0-6.0wt.％选取Ag粉和上述所得Mo-B-O-Si四元板状晶体，将Mo-B-O-Si四元板状 晶体与Ni粉、Al粉、Ag粉混合，得到配料；

4)将上述配料置于振动混料机内混合干混，得到烧结配料；

5)将烧结配料采用放电等离子烧结得到所述的一种以Ag和板状晶体为润滑相和增强相 的新型NiAl基自润滑材料。

上述方案中，Mo-B-O-Si四元板状晶体厚度为3-7μm，长度为100-1000μm。

上述方案中，所述步骤1)将上述Mo-B-O-Si四元板状晶体初始混料置于球磨机的转速 为100-200转/分钟、球料质量比为6：1，行星球磨时间为2小时。

上述方案中，所述步骤2)所述的气氛烧结炉内置石墨粉，气氛烧结工艺为550-650℃保 温2-3h。

上述方案中，所述步骤4)所述的振动混料外罐为钢罐，内置聚四氟乙烯罐，振动频率 为45Hz，振动力为10000N，振荡时间为5-10分钟。

上述方案中，所述步骤5)所述的放电等离子烧结工艺为：烧结温度为1100-1200℃、升 温速率为90-110℃/min、烧结压力为20-25MPa、真空度为1×10^-2-1×10^-1Pa、保温时间为 10min。

本发明的有益效果是：

1、性能优良、可行性高：自润滑材料采用SPS进行烧结，烧结反应稳定，周期短，且 制备的以Ag和Mo-B-O-Si四元板状晶体为润滑相和增强相的自润滑材料性能好，纯度高。

2、制备方法新颖，制备简单、快捷：Ag粉和Mo-B-O-Si四元板状晶体润滑相制备温度 低，节能环保，易操作。

3、制备所需原材料价格适中，来源广泛。制备润滑相所需设备成本较低、易操作，适合 规模化广泛应用。

4、采用SPS方法制备自润滑材料，提高合成效率，节约能源，在降低合成成本的基础 上避免了因加入Ag粉和Mo-B-O-Si四元板状晶体而可能导致的杂相产生。

5、本发明制备的一种以Ag和Mo-B-O-Si四元板状晶体为润滑相和增强相的新型NiAl 基自润滑材料能有效降低材料在滑动过程中的摩擦系数和磨损率，具有稳定优良的摩擦学性 能。

综上所述，本发明选取Ag和Mo-B-O-Si四元板状晶体为NiAl金属间化合物自润滑材料 的润滑相和增强相，采用气氛烧结制备一种新型Mo-B-O-Si四元板状晶体，并以此板状晶体 作为润滑相和增强相之一，采用放电等离子烧结制备新型NiAl基自润滑材料，所制备的自润 滑材料的基体与Ag粉和Mo-B-O-Si四元板状晶体界面结合良好。另外，这种采用放电等离 子烧结技术制备的以板状晶体为润滑相和增强相的新型NiAl基自润滑材料，其纯度高、致密 性好，且具有优良的摩擦学性能。而且制备过程中所涉及的步骤方法简单便捷，适用于规模 化批量生产。

附图说明

图1是本发明的制备工艺流程图。

图2是本发明实施例1所制备的Mo-B-O-Si四元板状晶体场发射扫描电镜照片。

图3是本发明实施例1所制备的Mo-B-O-Si四元板状晶体电子探针照片。

图4是本发明实施例2制得的一种以Ag和Mo-B-O-Si四元板状晶体为润滑相和增强相 的新型NiAl基自润滑材料磨痕的电子探针照片。

图5和图6分别为室温条件下，测试本发明实施例1、2、3所制得的一种以Ag和Mo-B-O-Si 四元板状晶体为润滑相和增强相的新型NiAl基自润滑材料的摩擦系数曲线和磨损率曲线，测 试条件为：载荷12N、滑动速度0.3m/s、时间50min、摩擦半径3.5mm。

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步对本发明进行说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的 实施例。

实施例1：

如图1所示，一种以Ag粉和Mo-B-O-Si四元板状晶体为润滑相和增强相的新型NiAl基 自润滑材料的制备方法，它包括如下步骤：

1)按钼酸铵：硼粉：硅粉的摩尔比＝1：2：2，选取0.32克钼酸铵粉、0.04克硼粉和0.04 克硅粉，将钼酸铵粉、硼粉和硅粉行星球磨混合，得到Mo-B-O-Si四元板状晶体初始混料； 将球磨后配料采用气氛炉烧结，气氛烧结炉内放置石墨粉，烧结工艺为550℃保温3h，保护 气体为氩气，烧结过程中通入氧气，氧气通入量为50-150ml/min，得到所述的Mo-B-O-Si四 元板状晶体。

2)按Ni：Al的摩尔比＝1：1选取13.0克Ni粉、7.0克Al粉、1.0克Ag粉和上述制备 的Mo-B-O-Si四元板状晶体0.4克；将Ni粉、Al粉、Ag粉和Mo-B-O-Si四元板状晶体混合， 得到配料；

3)将上述配料置于振动混料机内干混，振动混料外罐为钢罐，内置聚四氟乙烯罐，振动 频率为45Hz，振动力为10000N，振荡时间为15分钟，得到烧结配料；

4)放电等离子烧结得到所述的以Ag和Mo-B-O-Si四元板状晶体为润滑相和增强相的新 型NiAl基自润滑材料，放电等离子烧结工艺为：烧结温度为1100℃、升温速率为80℃/min、 烧结压力为20MPa、真空度为1×10^-1Pa、保温时间为10min，得到一种以Ag粉和Mo-B-O-Si 四元板状晶体为润滑相和增强相的新型NiAl基自润滑材料。

图2和图3显示的Mo-B-O-Si四元板状晶体厚度为4-7μm，长度为150-600μm。Mo-B-O-Si 四元板状晶体整体结构为板状，且表面平整光滑(图2)，Mo-B-O-Si四元粉末颗粒提高了与 NiAl基体的结合强度，有利于促进复合材料整体的力学性能，从而提高耐磨性。其次， Mo-B-O-Si四元板状晶体内部微观结构为层状，在摩擦磨损过程中，由于层与层之间的结合 力较弱，层与层之间产生分离，降低了滑动过程的剪切应力，进而提高自润滑材料的润滑性 能。

经过HVS-1000型数显显微硬度仪测试，实施例1所制备的一种以Ag粉和Mo-B-O-Si 四元板状晶体为润滑相和增强相的新型NiAl基自润滑材料的硬度为5.83GPa，相对密度为 99.4％。图5(a)和6(a)表明本实施例制备的NiAl基自润滑复合材料的摩擦系数较小(平 均值约0.35)，且波动幅度较小，磨损率为5.6×10^-5mm³/(Nm)，体现出优良的摩擦学性能。

实施例2：

1)按钼酸铵：硼粉和硅粉的摩尔比＝1：2：2，选取0.56克钼酸铵粉、0.07克硼粉和0.07 克硅粉，将钼酸铵粉、硼粉和硅粉行星球磨混合，得到Mo-B-O-Si四元板状晶体初始混料； 将球磨后配料采用气氛炉烧结，气氛烧结炉内放置石墨粉，烧结工艺为600℃保温2.5h，保 护气体为氩气，烧结过程中通入氧气，氧气通入量为50-150ml/min，得到所述的Mo-B-O-Si 四元板状晶体。

2)按Ni：Al的摩尔比＝1：1选取13.0克Ni粉、7.0克Al粉、1.5克Ag粉和上述制备 的板状晶体0.7克；将Ni粉、Al粉、Ag粉和Mo-B-O-Si四元板状晶体混合，得到配料；

3)将上述配料置于振动混料机内干混，振动混料外罐为钢罐，内置聚四氟乙烯罐，振动 频率为45Hz，振动力为10000N，振荡时间为15分钟，得到烧结配料；

4)放电等离子烧结得到所述的一种以Ag和Mo-B-O-Si四元板状晶体为润滑相和增强相 的新型NiAl基自润滑材料，放电等离子烧结工艺为：烧结温度为1150℃、升温速率为100 ℃/min、烧结压力为25MPa、真空度为5×10^-2Pa、保温时间为10min，得到一种以Ag粉和 Mo-B-O-Si四元板状晶体为润滑相和增强相的新型NiAl基自润滑材料。

经过HVS-1000型数显显微硬度仪测试，实施例2所制备的一种以Ag粉和Mo-B-O-Si 四元板状晶体为润滑相和增强相的新型NiAl基自润滑材料的硬度为5.59GPa，相对密度为 99.2％。图5(b)和6(b)表明本实施例制备的NiAl基自润滑复合材料的摩擦系数较小(平 均值约0.30)，并且波动幅度小，磨损率为5.1×10^-5mm³/(Nm)，体现出优良的摩擦学性能。

实施例3：

1)按钼酸铵：硼粉和硅粉的摩尔比＝1：2，选取0.8克钼酸铵粉、0.1克硼粉和0.1克硅 粉，将钼酸铵粉和硼粉和硅粉行星球磨混合，得到Mo-B-O-Si四元板状晶体初始混料；将球 磨后配料采用气氛炉烧结，气氛烧结炉内放置石墨粉，烧结工艺为650℃保温2h，保护气体 为氩气，烧结过程中通入氧气，氧气通入量为50-150ml/min，得到所述的Mo-B-O-Si四元板 状晶体。

2)按Ni：Al的摩尔比＝1：1选取13.0克Ni粉、7.0克Al粉、2.0克Ag粉和上述制备 的板状晶体1.0克；将Ni粉、Al粉、Ag粉和Mo-B-O-Si四元板状晶体混合，得到配料；

3)将上述配料置于振动混料机内干混，振动混料外罐为钢罐，内置聚四氟乙烯罐，振动 频率为45Hz，振动力为10000N，振荡时间为15分钟，得到烧结配料；

4)放电等离子烧结得到所述的一种以Mo-B-O-Si四元板状晶体为润滑相和增强相的新 型NiAl基自润滑材料，放电等离子烧结工艺为：烧结温度为1200℃、升温速率为110℃/min、 烧结压力为25MPa、真空度为1×10^-2Pa、保温时间为10min，得到一种以Ag粉和Mo-B-O-Si 四元板状晶体为润滑相和增强相的新型NiAl基自润滑材料。

经过HVS-1000型数显显微硬度仪测试实施例3所制备的以Ag粉和Mo-B-O-Si四元板 状晶体为润滑相的新型NiAl基自润滑材料的硬度为5.16GPa，相对密度为99.0％。图5(c) 是室温条件下，测试本发明实施例3所制得以Ag粉和Mo-B-O-Si四元板状晶体为润滑相和 增强相的新型NiAl基自润滑材料的摩擦系数曲线，可知该自润滑复合材料的摩擦系数较小 (平均值约0.28)，且波动幅度小。图6(c)表明实施例3制备出的新型NiAl基自润滑材料 的磨损率为5.4×10^-5mm³/(Nm)。可知本实施例制备的新型NiAl基自润滑复合材料表现出了优 良的摩擦学性能。

本发明所列举的各原料都能实现本发明，以及各原料的上下限取值、区间值都能实现本 发明，本发明的工艺参数(如频率、温度、时间、真空度等)的上下限取值以及区间值都能实 现本发明，在此不一一列举实施例。