一种M50-Sn-Ag-Cu微孔流道自润滑复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种M50‑Sn‑Ag‑Cu微孔流道自润滑复合材料，主要以航空主轴轴承材料M50钢为基体材料，以Sn‑Ag‑Cu为润滑相，微孔流道由润滑相排布形成，以微孔流道结构为润滑相实现润滑的结构形式。M50‑Sn‑Ag‑Cu微孔流道自润滑复合材料由Sn‑Ag‑Cu球形粉末及M50球形粉末采用3D打印制备而成。本发明专利技术所述M50‑Sn‑Ag‑Cu微孔流道自润滑复合材料，具有较低的摩擦系数与磨损率，可以有效提高M50轴承钢的摩擦学性能，且制备方法简便，制备过程中工艺参数容易控制，且在一定程度上实现润滑行为的可控，可以制造出复杂机械零部件，对自润滑材料的工业化应用具有重要意义。

A self-lubricating composite material of M50-Sn-Ag-Cu micro-porous runner and its preparation method

The present invention relates to a self-lubricating composite material for micro-porous runner of M50 Sn Ag Cu, which mainly takes M50 steel as matrix material, Sn Ag Cu as lubricating phase, micro-porous runner is formed by the arrangement of lubricating phases, and micro-porous runner structure as lubricating phase to realize lubrication. M50 Sn Ag Cu micro-porous runner self-lubricating composite material is prepared by 3D printing of Sn Ag Cu spherical powder and M50 spherical powder. The M50 Sn Ag Cu micro-porous runner self-lubricating composite material of the invention has low friction coefficient and wear rate, can effectively improve the tribological properties of M50 bearing steel, and the preparation method is simple, the process parameters are easy to control, and to a certain extent, the lubrication behavior can be controlled, the complex mechanical parts can be manufactured, and the self-lubricating materials can be industrialized. Application is of great significance.

【技术实现步骤摘要】
一种M50-Sn-Ag-Cu微孔流道自润滑复合材料及其制备方法
本专利技术涉及一种M50-Sn-Ag-Cu微孔流道自润滑复合材料及其制备方法，属于固体自润滑复合材料领域。
技术介绍
M50高温轴承钢具有较高的高温尺寸稳定性、高温硬度、高温接触疲劳性能等多项优良特性，是世界范围内各个国家航空发动机主轴轴承的主要用钢。随着随着现代航空产业的快速发展，迫切需要重载、高速、高可靠性的航空发动机。航空发动机主轴轴承是整个航空发动机关键部件之一，直接关系到航空发动机的使用性能。众所周知，高温条件下摩擦磨损是造成航空发动机主轴轴承服役寿命降低的主要因素之一。因此，研发具有优异减摩耐磨性能的M50复合材料对于提高航空发动机主轴轴承使用寿命具有重要意义。固体自润滑技术是解决金属材料摩擦磨损问题最常用和最有效的手段。刘佐民等研究M50钢摩擦磨损机理转变的临界温度，研究结果表明，M50钢在摩擦磨损过程中，存在一个临界温度，此温度之下，M50钢的磨损量随温度的上升而增大，摩擦系数几乎保持恒定，超过此温度后，由于界面金属膜的呈现，磨损率迅速下降。Essa等研究了以WS2和ZnO为润滑相的M50基自润滑材料的摩擦学性能，研究结果表明，WS2和ZnO可以使M50钢在宽温域内具备良好的减摩耐磨性能。Liu等研究了在高温阶段以MoS2为润滑相的M50基自润滑材料的摩擦学性能，结果表明，所添加MoS2与新生成的FeS共同在摩擦过程中起到减摩耐磨的作用，以致使M50自润滑材料保持一个较低的摩擦系数与磨损率。但是以上研究所用材料均是通过粉末冶金技术制备，以润滑相与M50基体材料机械混合烧结而成。此制备工艺存在以下两方面的不足：一是，制备过程中存在较大热量梯度分布，影响了材料组织结构均匀性，并且润滑剂与基体材料的机械混合在提高润滑性能的基础上也会降低材料的机械性能；二是，材料成形还需要专用模具，使得金属基自润滑材料的研究仍停留在小块体材料实验分析阶段，无法实现自润滑复合材料在工业复杂零部件中的应用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种M50-Sn-Ag-Cu微孔流道自润滑复合材料及其制备方法，主要以航空主轴轴承材料M50钢为基体材料，以Sn-Ag-Cu合金为润滑相，以微孔流道结构为润滑相实现润滑的结构形式，采用3D打印技术制备M50-Sn-Ag-Cu微孔流道自润滑复合材料，此复合材料具有优良的减摩耐磨特性，且制备方法简便可行，为实现M50基自润滑材料的工程应用提供了良好的实践基础。本专利技术为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：一种M50-Sn-Ag-Cu微孔流道自润滑复合材料，主要包括基体材料、润滑相以及微孔流道结构，它以M50钢为基体材料，以Sn-Ag-Cu合金为润滑相，微孔流道由润滑相排布形成，以微孔流道结构为润滑相实现润滑的结构形式。按上述方案，所述微孔流道为若干个，均采用环形排布形式；每环微孔流道以轴向延伸的正弦波形成环形状，各环正弦波振幅均相等，正弦波的每个波峰处为微孔流道出口，且所述微孔流道出口分布于复合材料和外界的对磨表面。按上述方案，所述微孔流道的结构参数为：每个微孔流道的直径范围300μm～500μm，正弦波的振幅在3-5mm范围内，相邻两环微孔流道的间距相等，均在600-1000μm范围内。按上述方案，所述基体材料M50钢主要包括元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe等。优选地，本专利技术中所述基体材料M50钢中各元素按质量百分比计为：C0.75-0.85％，Mn≤0.35％，Si≤0.35％，Ni≤0.20％，Cr3.75-4.25％，Cu≤0.20％，Mo4.00-4.50％，V0.90-1.10％，以及余量的Fe。最优选地，本专利技术所述基体材料M50钢中元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe质量比比值为0.80：0.30：0.30：0.15：4.20：0.15：4.10：0.90：89.10。按上述方案，所述润滑相Sn-Ag-Cu合金中元素Sn、Ag、Cu的质量比值为(50-60)：(40-30)：5。本专利技术所述M50-Ag-TiC自润滑复合材料，它由Sn-Ag-Cu合金球形粉末及M50球形粉末采用3D打印制备而成。其中，所述M50球形粉末由C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe等元素组成，其制备方法包括如下步骤：1)根据M50钢的组成元素及其含量，称取其组成元素的单质粉末，作为基体材料的原料，然后混合均匀，得到初始配料；2)将步骤1)所得初始配料在真空或惰性气氛下进行熔化，得到熔液；3)将熔液进行雾化，雾化所得熔滴冷却凝固后形成球形粉末，即为M50球形粉末。按上述方案，步骤1)中M50钢中，各组成元素的单质粉末为C粉、Mn粉、Si粉、Ni粉、Cr粉、Cu粉、Mo粉、V粉和Fe粉，粉末粒径均为30μm～55μm。上述方案中，步骤1)中的粉末混合，采用振动混料，其中，振动频率为40～50Hz，振动力为10500～11500N，振荡时间为20～30min；步骤2)中所述熔化的温度为1150～1250℃；步骤3)所得M50球形粉末进行筛分，粒径优选控制在55～100μm范围内；熔化与雾化的工艺条件为：预先抽至真空，真空度小于0.06MPa，含氧量<100ppm。其中，所述Sn-Ag-Cu合金球形粉末，其制备方法包括如下步骤：(1)根据Sn-Ag-Cu合金的组成元素及其含量，称取其组成元素的单质粉末，作为原料，混合均匀后，得到初始配料；(2)将步骤(1)所得初始配料在真空或惰性气氛下进行熔化，得到熔液；(3)将熔液进行雾化，雾化所得熔滴冷却凝固后形成球形粉末，即为Sn-Ag-Cu合金球形粉末。上述方案中，步骤(1)Sn-Ag-Cu合金中，各组成元素的单质粉末为Sn粉、Ag粉和Cu粉，粉末粒径均为20μm～35μm。上述方案中，步骤(1)中的粉末混合，采用振动混料，其中，振动频率为40～50Hz，振动力为10500～11500N，振荡时间为20～30min；步骤(2)中所述熔化的温度为300～400℃；步骤(3)所得Sn-Ag-Cu合金球形粉末进行筛分，粒径优选控制在30～60μm范围内；熔化与雾化的工艺条件为：预先抽至真空，真空度小于0.06MPa，含氧量<100ppm。上述M50-Sn-Ag-Cu微孔流道自润滑复合材料的制备方法，它是采用Sn-Ag-Cu球形粉末及M50球形粉末，根据设置的微孔流道结构采用变换粉末料筒送粉的方式，经3D打印制备得到M50-Sn-Ag-Cu微孔流道自润滑复合材料。其中，3D打印工艺参数：M50球形粉末采用激光功率为1750W～1850W，扫描速度为950～1050mm/min，层厚为0.05～0.15mm，送粉率为5～15g/min等打印参数；Sn-Ag-Cu球形粉末采用激光功率为1300W～1500W，扫描速度为800～1000mm/min，层厚为0.05～0.15mm，送粉率为5～15g/min等打印参数。本专利技术所得M50-Sn-Ag-Cu微孔流道自润滑复合材料在摩擦磨损过程中体现出优良的摩擦学性能，摩擦系数较小，平均值约0.18～0.32；磨损率也较小，约为5.95～9.16×10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种M50‑Sn‑Ag‑Cu微孔流道自润滑复合材料，其特征在于它主要包括基体材料、润滑相以及微孔流道结构，它以M50钢为基体材料，以Sn‑Ag‑Cu为润滑相，微孔流道由润滑相排布形成，以微孔流道结构为润滑相实现润滑的结构形式。

【技术特征摘要】
1.一种M50-Sn-Ag-Cu微孔流道自润滑复合材料，其特征在于它主要包括基体材料、润滑相以及微孔流道结构，它以M50钢为基体材料，以Sn-Ag-Cu为润滑相，微孔流道由润滑相排布形成，以微孔流道结构为润滑相实现润滑的结构形式。2.根据权利要求1所述的一种M50-Sn-Ag-Cu微孔流道自润滑复合材料，其特征在于所述微孔流道为若干个，均采用环形排布形式；每环微孔流道以轴向延伸的正弦波形成环形状，各环正弦波振幅均相等，正弦波的每个波峰处为微孔流道出口，且所述微孔流道出口分布于复合材料和外界的对磨表面。3.根据权利要求1所述的一种M50-Sn-Ag-Cu微孔流道自润滑复合材料，其特征在于所述微孔流道的结构参数为：每个微孔流道的直径范围300μm～500μm，正弦波的振幅在3-5mm范围内；相邻两环微孔流道的间距相等，均在600-1000μm范围内。4.权利要求1所述的一种M50-Sn-Ag-Cu微孔流道自润滑复合材料的制备方法，其特征在于它以Sn-Ag-Cu球形粉末及M50球形粉末为原料，根据设置的微孔流道的结构参数，采用变换原料粉末料筒送粉，经3D打印制备得到M50-Sn-Ag-Cu微孔流道自润滑复合材料。5.根据权利要求4所述的一种M50-Sn-Ag-Cu微孔流道自润滑复合材料的制备方法，其特征在于所述M50球形粉末粒径为55～100μm；Sn-Ag-Cu球形粉末粒径为30～60μm。6.根据权利要求4所述的一种M50-Sn-Ag-Cu微孔流道自润滑复合材料的制备方法，其特征在于所述M50球形粉末的制备方法包括如下步骤：1)根据M50钢的组成元素及其含量，称取其组成元素的单质粉末，作为基体材料的原料；将原料混合，得到初始配料；2)将步骤1)所得初始配料在真空或惰...

【专利技术属性】
技术研发人员：史晓亮，刘锡尧，黄玉春，邓骁斌，闫昭，薛冰，章桥新，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42