一種鋁合金基固體潤滑復合材料及其制備方法與流程

本發明涉及一種鋁合金基固體潤滑復合材料及其制備方法，該材料在室溫至350oc范圍內具有良好的潤滑性能，在高溫、無油環境下作為自潤滑材料具有良好的應用背景。

背景技術：

鋁合金由于密度低、比強度高、熱膨脹系數低、導熱性好、耐蝕性好等優點，在航空、航天、汽車、船舶等領域獲得了廣泛應用。然而，鋁合金由于摩擦系數大和磨損率高而限制了其在摩擦領域的應用。為了改善鋁合金的摩擦性能，需要在鋁合金基體添加增強相或固體潤滑劑來獲得鋁基復合材料。目前常用的增強相有sic、al2o3，常用的固體潤滑劑包括石墨、mos2和ws2。專利cn105525153a采用60～75%的al，20～30%的硅，5～12%的碳，≤1.0%的鐵，≤2.0%的鎂，≤0.8%的鈦制備了一種碳化硅顆粒增強鋁基復合材料制動盤。專利cn105525161a采用：11～14%的si，4～6%的cu，0.2～1.2%的mg，1～4%的ni，0.01～0.4%的ti，0.05～0.2%的v，0.1～0.3%的mn，0.1～0.3%的zn，0.2～10%的納米氧化鋁（余量為鋁）制備了一種活塞用耐磨超硬鋁合金材料。專利cn101054644在鋁合金基體中分別添加了7～12%的鍍銅石墨、10～18%的鍍銅石墨與鍍銅碳纖維混合物、10～17%的鍍銅石墨與鍍鎳碳纖維混合物制備了一種鋁基自潤滑材料。但是，由于這些鋁基復合材料采用了普通的鋁合金，使得其耐高溫性能較差，不能在高溫環境下使用。

金屬基復合材料的性能取決于基體、增強相和基體與增強相之間的相容性，所以鋁基復合材料的制備選擇合適的鋁合金基體至關重要。目前成熟應用的1系到7系鋁合金，雖然在室溫下具有足夠的強度，但在高溫下強度迅速降低，限制了其應用范圍。為此，新型的al-fe-v-si系列耐熱鋁合金，作為在350oc下能與耐熱鋼和鈦合金相媲美的鋁合金，可以選擇其作為高溫鋁基固體潤滑復合材料最好的基體材料。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種能在室溫至350oc范圍內具有良好潤滑性能的鋁合金基固體潤滑復合材料及其制備方法。

一種鋁合金基固體潤滑復合材料，其特征在于該材料由75～95wt%的耐熱鋁合金和5～25wt%的銅包石墨組成；所述耐熱鋁合金的組成為：8.4～8.9wt%fe，1.1～1.5wt%v，1.7～1.9wt%si，余量為al；所述銅包石墨的組成為：50wt%cu和50wt%c。

如上所述鋁合金基固體潤滑復合材料的制備方法，其特征在于采用熱壓燒結方法制備，具體步驟如下：

將耐熱鋁合金粉末和銅包石墨粉末球磨獲得混合粉末，然后將混合粉末置于真空熱壓燒結爐中進行燒結，所述燒結參數為：真空度10^-2～10^-1pa，升溫速度10～30oc/min，燒結溫度600～650oc，壓力30～40mpa，保溫時間20～40min；燒結完成后復合材料隨爐冷卻至室溫得到鋁合金基自潤滑復合材料。

所述球磨參數為：球料比1～3:1，轉速200～300r/min，球磨時間4～8h，磨罐和磨球為碳化鎢硬質合金，球磨開始前充入氬氣。

采用阿基米德原理測量材料的密度。采用維氏顯微硬度計測試材料的硬度，測試條件為：載荷300g，加載持續時間10s。摩擦磨損性能采用ht–1000高溫摩擦磨損試驗機進行評價，對偶球為al2o3陶瓷，載荷為3n，滑動線速度為0.188m/s，摩擦半徑為5mm，運行時間為30min，測試溫度為25oc、150oc、250oc和350oc。

本發明采用上述材料組成和工藝參數制備的鋁合金基固體潤滑復合材料具有以下優點：

本發明的特點之一是，材料密度低、硬度高。

本發明的特點之二是，材料的摩擦系數較低并且穩定，磨損率較低，材料在室溫至350oc范圍內具有良好潤滑性能。

本發明的特點之三是，制備工藝簡單，通過配方和工藝的調整，可以調控材料性能。

鋁合金基固體潤滑復合材料具有密度低、摩擦系數低、磨損率低等特點，而且制備工藝簡單、可控性好，該材料適合在室溫到350℃下使用，作為固體潤滑材料在航空航天和汽車制造領域具有重要的應用前景。

附圖說明

圖1為本發明實施例1制備的鋁合金基固體潤滑復合材料的室溫摩擦曲線。

圖2為本發明實施例2制備的鋁合金基固體潤滑復合材料的室溫摩擦曲線。

圖3為本發明實施例1制備的鋁合金基固體潤滑復合材料350oc下的摩擦曲線。

具體實施方式

實施例1：

按照質量百分比，分別稱取90%的耐熱鋁合金和10%的銅包石墨粉末，其中鋁合金粉末的組成為al-8.5fe-1.3v-1.7si；然后將粉末置于高能球磨機中，充入氬氣，球料比為2:1，在200r/min轉速條件下混合4h得到混合粉末。隨后將混合粉末裝入石墨模具中，置于真空熱壓燒結爐中燒結。燒結參數為：真空度低于5×10^-1pa，升溫速率15oc/min，燒結溫度620oc，壓力35mpa，保溫時間30min。燒結結束后，復合材料隨爐冷卻至室溫得到鋁合金基固體潤滑復合材料。

材料的密度為2.91g/cm³，硬度為56.3hv，復合材料在25oc至350oc溫度范圍內的摩擦系數和磨損率見表1。

表1：實施例1材料與al2o3陶瓷球配副的摩擦系數和磨損率

實施例2：

按照質量百分比，分別稱取85%的耐熱鋁合金和15%的銅包石墨粉末，其中鋁合金粉末的組成為al-8.5fe-1.3v-1.7si；然后將粉末置于高能球磨機中，充入氬氣，球料比為3:1，在250r/min轉速條件下混合4h得到混合粉末。隨后將混合粉末裝入石墨模具中，置于真空熱壓燒結爐中燒結。燒結參數為：真空度低于5×10^-1pa，升溫速率10oc/min，燒結溫度600oc，壓力30mpa，保溫時間30min。燒結結束后，復合材料隨爐冷卻至室溫得到鋁合金基固體潤滑復合材料。

材料的密度為2.911g/cm³，硬度為74.5hv，復合材料在25oc至350oc溫度范圍內的摩擦系數和磨損率見表2。

表2：實施例2材料與al2o3陶瓷球配副的摩擦系數和磨損率

實施例3：

按照質量百分比，分別稱取80%的耐熱鋁合金和20%的銅包石墨粉末，其中鋁合金粉末的組成為al-8.5fe-1.3v-1.7si；然后將粉末置于高能球磨機中，充入氬氣，球料比為3:1，在220r/min轉速條件下混合6h得到混合粉末。隨后將混合粉末裝入石墨模具中，置于真空熱壓燒結爐中燒結。燒結參數為：真空度低于5×10^-1pa，升溫速率10oc/min，燒結溫度610oc，壓力35mpa，保溫時間30min。燒結結束后，復合材料隨爐冷卻至室溫得到鋁合金基固體潤滑復合材料。

材料的密度為2.938g/cm³，硬度為63.8hv，復合材料25oc至350oc溫度范圍內的摩擦系數和磨損率見表3。

表3：實施例3材料與al2o3陶瓷球配副的摩擦系數和磨損率

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