專利名稱：鎳基碳化鈦金屬陶瓷自潤滑耐磨材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料合成技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種可用于高溫高速軸承制造上的耐磨材 料，具體是一種鎳基碳化鈦金屬陶瓷自潤滑耐磨材料。
背景技術(shù)：
在航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、冶金高速軋機(jī)、機(jī)床母機(jī)中使用的軸承，因工作在高速、高溫 條件下，要求剛性好、溫升低，能夠承受大的離心力。一般來說，應(yīng)用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)主軸的高 圓周速度軸承dn值可達(dá)220萬，而用于牙科鉆機(jī)的高角速度軸承其dn值可達(dá)63萬。這種 高速下工作的軸承存在的最大問題就是離心力及溫升。普通的合金軸承主要是通過熱處理(固溶一淬火一回火)工藝獲得高的硬度來提 高軸承材料的耐磨性和使用壽命。當(dāng)軸承在高溫或高速條件下工作時(shí)，高溫度將造成合金 中彌散析出的硬化相的回溶，引起軸承材料的硬度急劇下降，從而造成軸承的過早失效。如 常用的高碳鉻軸承鋼最高實(shí)際使用溫度僅為170°C，其改型的軸承鋼號的最高使用溫度也 只有250°C。當(dāng)工作溫度超過170°C或250°C，軸承套圈和滾動(dòng)體的硬度往往降低到58HRC 以下，這對軸承的耐磨性和使用壽命都有嚴(yán)重影響。陶瓷軸承雖能承受高溫和高速的工作 條件，但是由于陶瓷材料的脆性，加工比較困難，而且陶瓷材料與金屬軸的熱膨脹系數(shù)的不 匹配——陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)小，金屬的熱膨脹系數(shù)大，會(huì)在陶瓷軸承的內(nèi)圈引起很大 的張力，從而使得陶瓷軸承的應(yīng)用受到很大的限制。目前，金屬或陶瓷基軸承自潤滑材料是將固體潤滑劑作為組元加入到金屬或陶瓷 基體中形成的復(fù)合材料。其摩擦學(xué)特性取決于摩擦過程中基體所含固體潤滑劑的析出和彌 散分布。能承受高的燒結(jié)溫度而不喪失潤滑特性的固體潤滑劑很少，而且其分布不均勻性 和對基體連續(xù)性的破壞會(huì)顯著降低復(fù)合材料的強(qiáng)韌性和耐磨性。另外，由于固體潤滑劑的 加入(通常固體潤滑劑材料都具有不浸潤的特性)，燒結(jié)后的軸承材料的強(qiáng)度很低，耐磨性 不佳，且不適于高承載的工作條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種鎳基碳化鈦金屬陶瓷自 潤滑耐磨材料，該耐磨材料具有耐高溫、承載能力大、自潤滑及高耐磨等特點(diǎn)，可滿足高溫 高速軸承的需要。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述鎳基碳化鈦金屬陶瓷自潤滑耐磨材料包含有 鎳、碳化鈦和氮化硼，每種成分的重量份數(shù)配比為鎳(Ni)，10 50份；碳化鈦(TiC)，40 80份；氮化硼(BN)，0. 1 15份。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述耐磨材料還包含有鋁，鋁的重量份數(shù)為大于0小 于等于10份。金屬陶瓷材料是由金屬相和陶瓷相組成的一種復(fù)合材料，其既具有金屬的韌性和 高導(dǎo)熱性能，又具有陶瓷的高硬度、耐腐蝕和耐熱性能。本發(fā)明所述的金屬陶瓷自潤滑耐磨材料與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)、本發(fā)明選用鎳作為金屬相材料，由于鎳具有較高的導(dǎo)熱性能，可以有效降低 高速運(yùn)轉(zhuǎn)軸承由于摩擦產(chǎn)生的溫升，而且鎳具有良好的塑性，可使鎳基金屬陶瓷具有良好 的韌性。(2)、本發(fā)明選用碳化鈦(TiC)作為陶瓷相材料，高體積份數(shù)陶瓷強(qiáng)化相的存在使 得本發(fā)明的耐磨材料在800°C以下具有足夠的強(qiáng)度、硬度來維持軸承的高速運(yùn)轉(zhuǎn)；而且由 于所選擇的陶瓷相在金屬基體中的溶解度很小，溫度的上升不會(huì)引起金屬陶瓷強(qiáng)度、硬度 顯著下降。(3)、本發(fā)明的金屬陶瓷自潤滑耐磨材料中還添加了適量的氮化硼(BN)作為固體 潤滑劑，在高溫摩擦?xí)r，氮化硼(BN)既能夠有效地降低摩擦系數(shù)，減少摩擦熱量的產(chǎn)生，又 能夠減少和防止?jié)L動(dòng)體和內(nèi)外圈之間的粘著，從而有效地延長軸承的高溫使用性能。(4)、由于氮化硼潤滑劑具有不浸潤的特性，為了提高金屬陶瓷自潤滑材料的燒結(jié) 性能，添加少量組份的鋁。少量組份的鋁的加入可以有效改善金屬陶瓷自潤滑材料的燒結(jié) 性能，并顯著提高其機(jī)械性能。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。下述實(shí)施例均采用在真空或空氣中燃燒合成加動(dòng)態(tài)加壓致密化技術(shù)來制備耐磨 材料。對于工作溫度高，載荷大的軸承用耐磨材料，可采用在真空環(huán)境燃燒合成加動(dòng)態(tài)致密 化工藝，真空環(huán)境大大減少了氣體被裹覆在金屬陶瓷內(nèi)的機(jī)會(huì)，顯著提高了金屬陶瓷的致 密度，合成耐磨材料的強(qiáng)度、硬度更高，適合用于制作高溫高速高承載軸承。對于載荷較低， 但轉(zhuǎn)速要求高的軸承用耐磨材料，可在空氣中進(jìn)行燃燒合成。由于空氣的存在，合成的金屬 陶瓷中通常會(huì)含有5 15vol%微小孔隙，這些微小孔隙可以用于儲存潤滑油，以強(qiáng)化軸承 高速運(yùn)行的潤滑效果。實(shí)施例1 按重量份數(shù)稱取鎳粉30份，鈦粉和碳粉共60份(鈦粉和碳粉的摩爾比應(yīng)為 1 1)，氮化硼(BN) 5份，鋁5份；分別將稱取的粉末在高溫真空條件下進(jìn)行干燥和脫氣，再 球磨混合均勻；然后采用模壓(壓強(qiáng)在10 200Mpa之間)壓制成 12厘米的毛坯；將壓 制好的毛坯放入模具中，抽真空并點(diǎn)燃壓坯；在壓坯完全燃燒后且仍處于半熔化狀態(tài)時(shí)，利 用壓機(jī)通過模具向毛坯施壓，由于沒有空氣，從而可獲得高致密的金屬陶瓷自潤滑耐磨材 料。當(dāng)然，必要時(shí)，還可以添加一些石墨等其它物質(zhì)。對獲得的耐磨材料進(jìn)行檢測，該耐磨材料的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度達(dá)1400MPa，壓潰強(qiáng)度為 1500MPa，摩擦系數(shù)為0. 22，對比摩擦試驗(yàn)(壓力為15N，相對摩擦速度為200m/s)表明，本 發(fā)明的自潤滑耐磨材料耐耗率只有軸承鋼GCrl5的21%。實(shí)施例2:按重量份數(shù)稱取鎳粉15份，鈦粉和碳粉共80份(鈦粉和碳粉的摩爾比應(yīng)為 1:1)，氮化硼(BN) 1份，鋁4份；分別將稱取的粉末在高溫真空條件下進(jìn)行干燥和脫氣，再 球磨混合均勻；然后采用模壓(壓強(qiáng)在10 200Mpa之間)壓制成 12厘米的毛坯；將壓 制好的毛坯放入模具中，抽真空并點(diǎn)燃壓坯；在壓坯完全燃燒后且仍處于半熔化狀態(tài)時(shí)，利用壓機(jī)通過模具向毛坯施壓，由于沒有空氣，從而可獲得高致密的金屬陶瓷自潤滑耐磨材 料。對獲得的耐磨材料進(jìn)行檢測，該耐磨材料的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度達(dá)1600MPa，壓潰強(qiáng)度為 1800MPa，摩擦系數(shù)為0. 18，對比摩擦試驗(yàn)(壓力為15N，相對摩擦速度為200m/s)表明，本 發(fā)明的自潤滑耐磨材料耐耗率只有軸承鋼GCrl5的24%。實(shí)施例3:按重量份數(shù)稱取鎳粉43份，鈦粉和碳粉共40份(鈦粉和碳粉的摩爾比應(yīng)為 1 1)，氮化硼(BN) 15份，鋁2份；分別將稱取的粉末在高溫真空條件下進(jìn)行干燥和脫氣， 再球磨混合均勻；然后采用模壓(壓強(qiáng)在10 200Mpa之間)壓制成小12厘米的毛坯；將 壓制好的毛坯放入模具中，抽真空并點(diǎn)燃壓坯；在壓坯完全燃燒后且仍處于半熔化狀態(tài)時(shí)， 利用壓機(jī)通過模具向毛坯施壓，由于沒有空氣，從而可獲得高致密的金屬陶瓷自潤滑耐磨 材料。對獲得的耐磨材料進(jìn)行檢測，該耐磨材料的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度達(dá)1200MPa，壓潰強(qiáng)度為 1400MPa，摩擦系數(shù)為0. 22，對比摩擦試驗(yàn)(壓力為15N，相對摩擦速度為200m/s)表明，本 發(fā)明的自潤滑耐磨材料耐耗率只有軸承鋼GCr 15的32 %。實(shí)施例4 按重量份數(shù)稱取鎳粉45份，鈦粉和碳粉共40份(鈦粉和碳粉的摩爾比應(yīng)為 1 1)，氮化硼(BN) 15份；分別將稱取的粉末在高溫真空條件下進(jìn)行干燥和脫氣，再球磨混 合均勻；然后采用模壓(壓強(qiáng)在10 200Mpa之間)壓制成 12厘米的毛坯；將壓制好的 毛坯放入模具中，抽真空并點(diǎn)燃壓坯；在壓坯完全燃燒后且仍處于半熔化狀態(tài)時(shí)，利用壓機(jī) 通過模具向毛坯施壓，由于沒有空氣，從而可獲得高致密的金屬陶瓷自潤滑耐磨材料。對獲得的耐磨材料進(jìn)行檢測，該耐磨材料的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度達(dá)1150MPa，壓潰強(qiáng)度為 1300MPa，摩擦系數(shù)為0. 21，對比摩擦試驗(yàn)(壓力為15N，相對摩擦速度為200m/s)表明，本 發(fā)明的自潤滑耐磨材料耐耗率只有軸承鋼GCrl5的31%。
權(quán)利要求
鎳基碳化鈦金屬陶瓷自潤滑耐磨材料，其特征在于該耐磨材料包含有鎳、碳化鈦和氮化硼，每種成分的重量份數(shù)配比為鎳(Ni)，10～50份；碳化鈦(TiC)，40～80份；氮化硼(BN)，0.1～15份。
2.如權(quán)利要求1所述的鎳基碳化鈦金屬陶瓷自潤滑耐磨材料，其特征在于所述耐磨 材料還包含有鋁，鋁的重量份數(shù)為大于0小于等于10份。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于軸承制造上的鎳基碳化鈦金屬陶瓷自潤滑耐磨材料。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述鎳基碳化鈦金屬陶瓷自潤滑耐磨材料包含有鎳、碳化鈦和氮化硼，每種成分的重量份數(shù)配比為鎳(Ni)，10～50份；碳化鈦(TiC)，40～80份；氮化硼(BN)，0.1～15份。本發(fā)明的耐磨材料具有耐高溫、承載能力大、自潤滑及高耐磨等特點(diǎn)，可滿足高溫高速軸承的需要。
文檔編號C22C29/10GK101851719SQ20101019558
公開日2010年10月6日 申請日期2010年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月9日
發(fā)明者王華彬 申請人:無錫愛斯特陶瓷復(fù)合材料有限公司