一种海水液压马达配对副材料及制备方法

摘要

本发明公开了海水液压马达配对副材料及制备方法。水液压元件中零部件的摩擦、磨损及腐蚀问题严重。海水液压马达配对副材料，由100份重量份数的以下原料组成：聚四氟乙烯粉末65?85份、二氧化硅粉末5?10份、二硫化钼粉末5?15份和石墨粉末5?15份；该海水液压马达配对副材料的制备方法：配料、湿法搅拌、干燥、机械搅拌、冷压成型、烧结固化、机械加工和摩擦磨损测试。本发明具有良好的抗磨损及自润滑性能，优选配比获得的配对副材料平均摩擦系数为0.078，平均磨损率为9×10

说明书

技术领域

本发明属于高分子复合材料及液压零部件制造技术领域，涉及一种水液 压马达配副材料及制备方法，特别是指一种马达配对副的高分子复合材料及 复合材料净成形制备方法。

背景技术

以自然水为工作介质的水液压传动技术在海洋开发、深海探测、潜艇、 舰船和水下作业工具以及机械手、矿山开采、建筑机械、核能产业和造纸工 业等领域有着广阔的前景。但由于水的低粘度、润滑性能差和气化压力高等 特殊性质，使得水液压元件中零部件的摩擦、磨损及腐蚀问题很严重。而零 部件中的配对副由于在工作的过程中在不停的进行往复运动及旋转运动，再 加之重载，更易腐蚀、磨损，进而导致失效，严重影响水液压马达的正常使 用及使用寿命。国内外相关领域的专家针对水液压元件配对副存在的问题一 直进行着研究，解决问题的思路是直接选用抗磨损、高润滑及耐腐蚀的材料。 但这些材料一般都是进口材料，即使不是进口材料，价格也非常贵，严重限 制了水液压元件产品的市场化。

发明内容

本发明针对现有技术不足而提供一种复合材料成分设计合理、加工工艺 简单、生产成本低、能适应海水环境的水液压马达配对副材料及制备方法。

本发明的具体方案如下：

为了获得摩擦性能更优，经济性更好的水液压马达摩擦副材料，本发明 采用PTFE(聚四氟乙烯)作为基体材料，通过添加不同配比具有自润滑、减 磨、减阻效应的材料，用来改善PTFE材料的机械及摩擦性能，进而获得所需 的摩擦性能较好的PTFE复合材料。

本发明一种海水液压马达配对副材料，由100份重量份数的以下原料组 成：聚四氟乙烯粉末65-85份、二氧化硅粉末5-10份、二硫化钼粉末5-15份 和石墨粉末5-15份。

最优配比为100份重量份数中，聚四氟乙烯粉末占65份，二氧化硅占5 份，二硫化钼占15份，石墨占15份；所述的聚四氟乙烯粉末为基体材料， 平均粒径为10μm；添加复合材料中，二氧化硅平均粒径为15nm，二硫化钼 平均粒径为1.41μm，石墨平均粒径为40nm。

本发明一种海水液压马达配对副材料的制备方法，具体步骤如下：

第一步：配料

称取m组不同配比的原料，m≥9，每组由100份重量份数的以下原料组 成：聚四氟乙烯粉末65-85份、二氧化硅粉末5-10份、二硫化钼粉末5-15份 和石墨粉末5-15份，并分别利用超声波分散仪进行粉末的分散，即利用超声 空化产生的强冲击波和微射流等，弱化粒子间的作用能，防止粒子的团聚。

第二步：湿法搅拌

对于每组原料，首先在容器中加入重量比为1000:1的无水乙醇和硅烷偶 联剂，然后将容器放入超声波清洗器中进行振荡，接着将称量好的二硫化钼 粉末加入容器中用玻璃棒搅拌，10min后加入称量好的纳米石墨粉体边振荡边 用玻璃棒搅拌，然后加入称量好的二氧化硅和聚四氟乙烯粉末进行振荡及搅 拌。

第三步：干燥

将振荡、搅拌获得的m组混合物均放入数显式鼓风干燥箱中烘干，得到 干燥的混合均匀的m组聚四氟乙烯复合材料混合物。

第四步：机械搅拌

将每种配比的聚四氟乙烯复合材料混合物分成三等份分别放入高速搅拌 机机械搅拌。

第五步：冷压成型

将经机械搅拌后的聚四氟乙烯复合材料混合物分别放入模具型腔内压 制。

第六步：烧结固化

将经冷压成型后的聚四氟乙烯复合材料混合物放入箱式电阻炉中进行烧 结固化，得到m组不同配比的样品粗坯。

第七步：机械加工

根据水液压马达配对副设计尺寸及精度要求将m组样品粗坯加工成m组 配对副样品。

第八步：摩擦磨损测试

将不锈钢316L作为上端面试样，每种配比的三份配对副样品分别作为下 端面试样组成摩擦副，采用天然海水作为配对副样品的润滑液，在屏显式端 面磨损试验机上进行摩擦磨损试验，确定最耐磨的配对副样品对应的原料配 比。

所述数显式鼓风干燥箱的烘干温度为120℃，烘干时间为3h。

所述高速搅拌机的搅拌时间为1min。

所述的模具型腔在加载速度0.15MPa/s和成型压力40MPa下压制30min。

所述箱式电阻炉的烧结温度控制在327-400℃之间；在烧结初始升温阶 段，升温速率控制在1.33℃/min，升温时间为90min；进入一次保温阶段，保 温30min；接着进行二次升温，速率控制在1.16℃/min，升温时间为150min； 进入二次保温阶段，再保温60min；接着进行三次升温，速率控制在1℃/min， 升温时间为50min，三次升温后即为烧结温度；进入三次保温阶段，再保温60 min；然后进入降温阶段，速率控制在0.8℃/min，降温时间为50min；进入四 次保温阶段，保温60min；最后随炉冷却到室温，再保持24h。

所述屏显式端面磨损试验机的载荷设定为100N，转速设定为100r/min，试 验时间为2h。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明所制备的配流副材料由PTFE基体材料及纳米粒子填充物复合而 成，试验测试后发现填充物对纯PTFE材料的耐磨性能起很大的作用。纳米SiO₂粒子的填充可以很好地改善PTFE基体材料的机械性能，提高材料的硬度，从 而增加其耐磨性能。MoS₂和石墨二者自身所具有的减摩润滑性能使得复合物 在与对偶面摩擦过程中可以很好地阻止对磨面温度的持续升高，降低塑形变 形的产生，减少复合材料的粘着，进而阻止PTFE基体材料的磨损。

2.本发明所获得的水液压马达配对副材料具有良好的抗磨损性能及自润 滑性能，最优配比的马达配对副材料摩擦系数为0.078，磨损率为 9×10^-5mm³·(N·m)^-1，可以大大改善配对副摩擦面之间摩擦磨损，从而达到减磨 润滑的目的，提高配对副的耐磨性，延长配对副的使用寿命。

附图说明

图1为各种配比的配对副样品的平均摩擦系数柱形图；

图2为各种配比的配对副样品的平均磨损率柱形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

一种海水液压马达配对副材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)称取100份重量份数的以下原料：聚四氟乙烯(PTFE)粉末65-85份、 二氧化硅(SiO₂)粉末5-10份、二硫化钼(MoS₂)粉末5-15份和石墨粉末5-15 份。选取原料的9种配比进行试验，具体配比列于表1中，其中，试验编号10 为聚四氟乙烯材料。

表1PTFE及其添加复合材料的配比

(2)将放有无水乙醇和硅烷偶联剂(无水乙醇和硅烷偶联剂的重量比为 1000:1)的容器放入超声波清洗器中进行振荡，接着将称量好的MoS₂粉末加 入溶液中用玻璃棒搅拌，10min后加入称量好的石墨粉末边振荡边用玻璃棒搅 拌，同样的步骤加入纳米SiO₂粉末和PTFE粉末进行振荡搅拌。

(3)将振荡搅拌获得的混合物放入数显式鼓风干燥箱中120℃烘干3小 时，得到干燥后的聚四氟乙烯复合材料混合物。同时为了使聚四氟乙烯复合 材料混合物分散得更加均匀，防止干燥后的聚四氟乙烯复合材料混合物出现 结块现象，将聚四氟乙烯复合材料混合物放入高速搅拌机机械搅拌1min，得 到干燥的混合均匀的聚四氟乙烯复合材料混合物。

(4)将混合完全的每种配比的聚四氟乙烯复合材料混合物分成三等份依 次放入自制的模具型腔内，在加载速度0.15MPa/s，成型压力40MPa下压制 30min。

(5)为了使得聚四氟乙烯复合材料混合物的强度达到实际使用强度，将压 制后的聚四氟乙烯复合材料混合物放入箱式电阻炉中进行烧结固化，烧结温 度控制在327-400℃之间。烧结完成后随炉自然冷却到室温下，再保持24小 时，得到样品粗坯。

(6)按照水液压马达配对副设计尺寸及精度要求将样品粗坯精研加工成配 对副样品。

(7)将耐腐性和抗磨性能较好的不锈钢316L作为上端面试样，不同配比 的三份配对副样品分别作为下端面试样组成摩擦副，采用天然海水作为配对 副样品的润滑液进行摩擦磨损试验，获得每种配比的三份配对副样品的摩擦 系数和磨损率，并计算每种配比的配对副样品的平均摩擦系数(如图1所示) 和平均磨损率(如图2所示)。由图1和图2可见，最优配比为100份重量份数中， 聚四氟乙烯粉末占65份，二氧化硅占5份，二硫化钼占15份，石墨占15份；该 配比的配对副样品平均摩擦系数为0.078，平均磨损率为9×10^-5mm³·(N·m)^-1， 摩擦系数低，润滑性能好，耐腐蚀性强，抗磨损性高，完全可以取代现有的 聚四氟乙烯材料(聚四氟乙烯材料的平均摩擦系数和平均磨损率如图1和2的 编号10所示)及聚醚醚酮材料等，满足海水液压马达的使用要求。