Ni-W-Cr系列高温自润滑复合材料及其轴承的制备与摩擦学特性

发布时间：2019-05-13 09:04

【摘要】：高温、真空、重载、腐蚀、放射性等恶劣环境下,无法采用油／脂润滑,固体润滑可解决其摩擦磨损问题。固体润滑大致有三类：1.高分子材料+固体润滑剂的复合材料,其摩擦磨损低,价格低廉,但不耐高温重载；2.薄膜固体润滑材料,可承受重载,摩擦磨损低,膜厚可控,用于精密机械零件。但膜厚有限,极恶劣环境中寿命短；3.以金属或无机材料+固体润滑剂的自润滑复合材料,是整体材料,耐高温重载,寿命长,摩擦磨损低,但基体材料与润滑剂的选择、制备工艺等对其性能影响很大。冶金用自润滑轴承因高温重载、急冷急热、振动、多粉尘等苛刻工况,对轴承材料要求很高,目前常用Fe基,Cu基,Al基等复合材料,但高温强度不够。而Ni、W、Co基复合材料成本太高,难在民用设备中推广。本研究针对该情况,采用镍基高温合金返回料作原料,用水雾化的方法制备合金粉,添加合适的固体润滑剂,可制备出满足高温环境的Ni-W-Cr基系列高温固体自润滑轴承材料。做了以下几点研究并获得相关结果： 1.本文以飞机发动机等高温合金加工废料,成功制备出Ni-W-Cr基水雾化合金粉。通过调整熔炼预热温度、漏包温度、雾化水压、氮气气压及还原工艺参数,研究其对合金粉的物理/化学性能的影响。水雾化时,熔炼温度1200℃,雾化水压15MPa时,可获得更细粒度的Ni-W-Cr合金粉,100目细粉率可达92%；采用N2保护,粉的氧含量降低52%左右,易获得不规则的椎体状雾化颗粒,利于提高复合材料的综合强度。适当的还原工艺参数(还原温度、还原时间、料层厚度和还原气体流量)对合金颗粒团聚、氧还原量、成品粉末性能有较大影响。 2用粉末冶金技术制备含不同润滑系列的Ni-W-Cr基高温自润滑复合材料。测试其力学性能,通过XRD和SEM分析材料的组织结构,用UMT-2摩擦试验机测试其高温摩擦磨损性能。 (1)采用冷压(CP)真空烧结、热压(HP)烧结制备添加不同石墨和二硫化钼含量的Ni-W-Cr基系列复合材料。考察了烧结工艺、环境温度和试验载荷等对自润滑复合材料性能的影响。用HP制备的Ni-W-Cr基自润滑复合材料,其密度可达7.42g/cm3、压缩强度430MPa,性能提高明显。随着烧结温度的提高,密度变大,烧结样品温度达1250℃时,出现过烧现象,1150～1200℃为合适的烧结温度,在烧结过程中,有WC相出现,起弥散强化作用。Ni与Cu及Fe生成无限固溶体,呈网格状,提高了复合材料的强度。MoS2部分分解,与基体的金属骨架相互反应,生成低剪应力的CrxSx+1、WS2和FeS润滑相,改善了复合材料的高温摩擦学性能。随着温度的提高,复合材料的摩擦系数都有所变化。300℃时,随着载荷的增加,复合材料的摩擦系数降低,600℃时,摩擦系数增大缓慢,表现出复合材料高温下较好的承载能力。Ni-W-Cr基复合材料中加入4.5wt.%的MoS2和2.5wt.%鳞片状石墨时,具有较好的润滑协同作用,在摩擦表面发生转移润滑膜,实现复合材料在室温到600℃的宽温度摩擦学性能。复合材料在室温下主要以疲劳磨损为主,高温时则以粘着磨损和氧化磨损为主。 (2)以Ni-W-Cr为基体,适当添加二硫化钨和氧化铅制备自润滑复合材料,真空烧结,获得很低的摩擦系数和磨损率,复合材料生成新的润滑物相如PbWO4、 CrxSx+1。添加5wt.%WS2和4wt.%PbO时,其在高温下摩擦系数和磨损率达到最小值,且摩擦系数随时间变化波动较小,反映了该材料在高温段具有优异的摩擦性能。承受90MPa的载荷时,平均摩擦系数低至f=0.16,且比较稳定。 (3)将Ni-W-Cr合金粉、铜粉与h-BN、石墨按一定比例混合压制,氩气气氛保护,制备出固体自润滑复合材料。实验发现：随着h-BN的增加,复合材料的密度、压溃强度呈下降趋势；随着温度的升高,复合材料的摩擦系数减小,具有宽温度润滑性能,但复合材料磨损率增大明显,高温下以疲劳磨损和粘着磨损为主。 3.针对冶金连铸连轧设备的高温部件(结晶器足辊,拉矫机辊子等),设计关节滑动轴承,并调整轴承的转角和运转间隙,制备Ni-W-Cr系列高温自润滑复合材料滑动轴承,安装在沙钢集团连铸机结晶器足辊上的关节轴承实际应用考量表明：本文所制备的Ni-W-Cr系列高温固体自润滑复合材料轴承,可连续工作4-6个工作周期,具有优异的抗磨减摩性能,径向磨损量只有0.4,mm左右,承载能力高,大大提高了辊子设备的使用寿命,降低了漏钢率和钢坯划伤率,延长了维护周期,提高了经济效益。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB33;TH133.3

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