專利名稱：銅基碳化鈦金屬陶瓷自潤滑耐磨材料的制作方法
技術領域：
本發明屬于材料合成技術領域，涉及一種可用于高溫高速軸承制造上的耐磨材 料，具體是一種銅基碳化鈦金屬陶瓷自潤滑耐磨材料。
背景技術：
在航空噴氣發動機、冶金高速軋機、機床母機中使用的軸承，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，應用于噴氣發動機主軸的高 圓周速度軸承dn值可達220萬，而用于牙科鉆機的高角速度軸承其dn值可達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。當軸承在高溫或高速條件下工作時，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。當工作溫度超過170°C或250°C，軸承套圈和滾動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的不 匹配——陶瓷材料的熱膨脹系數小，金屬的熱膨脹系數大，會在陶瓷軸承的內圈引起很大 的張力，從而使得陶瓷軸承的應用受到很大的限制。目前，金屬或陶瓷基軸承自潤滑材料是將固體潤滑劑作為潤滑組元加入到金屬或 陶瓷基體中形成的復合材料。其摩擦學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 勻性和對基體連續性的破壞會顯著降低復合材料的強韌性和耐磨性。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)，燒結后的軸承材料的強度很低，耐 磨性不佳，且不適于高承載的工作條件。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中存在的不足，提供一種銅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，可滿足高溫 高速軸承的需要。按照本發明提供的技術方案，所述銅基碳化鈦金屬陶瓷自潤滑耐磨材料包含有 銅、碳化鈦和氮化硼，每種成分的重量份數配比為銅(Cu)，20 45份；碳化鈦(TiC)，40 80份；氮化硼(BN)，0. 1 15份。作為本發明的進一步改進，所述耐磨材料還包含有鋁，鋁的重量份數為大于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合材料，其既具有金屬的韌性和 高導熱性能，又具有陶瓷的高硬度、耐腐蝕和耐熱性能。本發明所述的金屬陶瓷自潤滑耐磨材料與現有技術相比，具有如下優點(1)、本發明選用銅作為金屬相材料，由于銅具有很高的導熱性能，可以有效降低 高速運轉軸承由于摩擦產生的溫升，而且銅具有良好的塑性，可使銅基金屬陶瓷具有良好 的韌性。(2)、本發明選用碳化鈦(TiC)作為陶瓷相材料，高體積份數陶瓷強化相的存在使 得本發明的耐磨材料在600°C以下具有足夠的強度、硬度來維持軸承的高速運轉；而且由 于所選擇的陶瓷相在金屬基體中的溶解度很小，溫度的上升不會引起金屬陶瓷強度、硬度 顯著下降。(3)、本發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，在高溫摩擦時，氮化硼(BN)既能夠有效地降低摩擦系數，減少摩擦熱量的產生，又 能夠減少和防止滾動體和內外圈之間的粘著，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 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 性能，并顯著提高其機械性能。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。下述實施例均采用在真空或空氣中燃燒合成加動態加壓致密化技術來制備耐磨 材料。對于工作溫度高，載荷大的軸承用耐磨材料，可采用在真空環境燃燒合成加動態致密 化工藝，真空環境大大減少了氣體被裹覆在金屬陶瓷內的機會，顯著提高了金屬陶瓷的致 密度，合成耐磨材料的強度、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， 但轉速要求高的軸承用耐磨材料，可在空氣中進行燃燒合成。由于空氣的存在，合成的金屬 陶瓷中通常會含有5 15vol%微小孔隙，這些微小孔隙可以用于儲存潤滑油，以強化軸承 高速運行的潤滑效果。實施例1 按重量份數稱取銅粉30份，鈦粉和碳粉共60份(鈦粉和碳粉的摩爾比應為 1 1)，氮化硼(BN) 10份；分別將稱取的粉末在高溫真空條件下進行干燥和脫氣，再球磨 混合均勻；然后采用模壓(壓強在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，抽真空并點燃壓坯；在壓坯完全燃燒后且仍處于半熔化狀態時，利用壓 機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 然，必要時，還可以添加一些石墨等其它物質。對獲得的耐磨材料進行檢測，該耐磨材料的三點彎曲抗彎強度達llOOMPa，壓潰強 度為1600MPa，摩擦系數為0. 19，導熱率為96W/mK，對比摩擦試驗(壓力為15N，相對摩擦速 度為200m/s)表明，本發明的自潤滑耐磨材料耐耗率只有軸承鋼GCrl5的28%。實施例2:按重量份數稱取銅粉20份，鈦粉和碳粉共72份(鈦粉和碳粉的摩爾比應為 1 1)，氮化硼(BN) 5份，鋁3份；分別將稱取的粉末在高溫真空條件下進行干燥和脫氣，再 球磨混合均勻；然后采用模壓(壓強在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，抽真空并點燃壓坯；在壓坯完全燃燒后且仍處于半熔化狀態時，利用壓機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行檢測，對獲得的耐磨材料進行檢測，該耐磨材料的三點抗 彎強度達700MPa，壓潰強度為1200MPa，摩擦系數為0. 21，導熱率為50W/mK，對比摩擦試驗 (壓力為15N，相對摩擦速度為200m/s)表明，本發明的自潤滑耐磨材料耐耗率只有軸承鋼 GCr 15 的 22%。
實施例3:按重量份數稱取銅粉40份，鈦粉和碳粉共55份(鈦粉和碳粉的摩爾比應為 1 1)，氮化硼(BN) 3份，鋁2份；分別將稱取的粉末在高溫真空條件下進行干燥和脫氣，再 球磨混合均勻；然后采用模壓(壓強在10 200Mpa之間)壓制成Φ 12厘米的毛坯；將壓 制好的毛坯放入模具中，抽真空并點燃壓坯；在壓坯完全燃燒后且仍處于半熔化狀態時，利 用壓機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行檢測，對獲得的耐磨材料進行檢測，該耐磨材料的三點抗 彎強度達1200MPa，壓潰強度為1800MPa，摩擦系數為0. 27，導熱率為120W/mK，對比摩擦試 驗(壓力為15N，相對摩擦速度為200m/s)表明，本發明的自潤滑耐磨材料耐耗率只有軸承 鋼 GCr 15 的 30%。
權利要求
銅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銅、碳化鈦和氮化硼，每種成分的重量份數配比為銅(Cu)，20～45份；碳化鈦(TiC)，40～80份；氮化硼(BN)，0.1～15份。
2.如權利要求1所述的銅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，鋁的重量份數為大于0小于等于10份。
全文摘要
本發明涉及一種用于軸承制造上的銅基碳化鈦金屬陶瓷自潤滑耐磨材料。按照本發明提供的技術方案，所述銅基碳化鈦金屬陶瓷自潤滑耐磨材料包含有銅、碳化鈦和氮化硼，每種成分的重量份數配比為銅(Cu)，20～45份；碳化鈦(TiC)，40～80份；氮化硼(BN)，0.1～15份。本發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，可滿足高溫高速軸承的需要。
文檔編號C22C29/10GK101845580SQ20101019559
公開日2010年9月29日 申請日期2010年6月9日 優先權日2010年6月9日
發明者王華彬 申請人:無錫愛斯特陶瓷復合材料有限公司