一种多尺度自润滑碳化钨基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多尺度自润滑碳化钨基复合材料，由多尺度颗粒和以网状结构分布的金属Nb纤维组成，多尺度颗粒分布在金属Nb纤维周围，多尺度颗粒包括微米级WC颗粒，弥散分布的亚微米级NbC颗粒、均匀分布的自润滑相和粘结相，复合材料中微米级WC颗粒的体积分数为60‑80％，自润滑相的体积分数为2.2‑10％，亚微米级NbC颗粒的体积分数为10‑20％，粘结相的体积分数为2‑10％，金属Nb纤维的体积分数为5‑10％，以上各组分的体积百分比之和为100％。本发明专利技术还公开了一种多尺度自润滑碳化钨基复合材料的制备方法，制备的多尺度自润滑碳化钨基复合材料，既有传统自润滑耐磨陶瓷材料高强、耐磨特点，同时具有良好的韧性和损伤容限性能。

【技术实现步骤摘要】
一种多尺度自润滑碳化钨基复合材料及其制备方法
本专利技术属于金属陶瓷复合材料
，涉及一种多尺度自润滑碳化钨基复合材料及其制备方法。
技术介绍
在高温、高磨损、高腐蚀环境等苛刻工况下，要求材料具有高强韧性、高耐磨性、耐腐蚀性。在此条件下，金属陶瓷可作为理想材料。进一步通过在金属陶瓷体系内加入固体润滑介质，制备自润滑金属陶瓷，使其在具有高抗磨损能力下同时具有对摩擦面实现自润滑。目前金属陶瓷耐磨材料在汽车、高铁、高速机械刹车片等方面有着广泛的应用。但是实现自润滑必须在金属陶瓷内存在一定的微孔，作为润滑介质扩散通道。然而，对金属陶瓷而言，其本身断裂韧性就较低，实现自润滑功能必须在材料内部存在微孔结构，这些微孔将增加了材料的孔隙率和裂纹源，微孔结构将进一步恶化材料本身的力学性能。因此，在金属陶瓷材料体系实现自润滑功能的同时，又不降低材料本身的韧性，是制备自润滑金属陶瓷基复合材料的技术难点。因此，制备高强高韧自润滑的金属陶瓷基复合材料对耐磨陶瓷材料的发展有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种多尺度自润滑碳化钨基复合材料，解决了现有金属陶瓷材料韧性差，发生突发性断裂失效频率较高的问题。本专利技术的另一个目的是提供一种多尺度自润滑碳化钨基复合材料的制备方法。本专利技术所采用的第一技术方案是，一种多尺度自润滑碳化钨基复合材料，由基体和以网状结构分布的金属Nb纤维组成，基体包括微米级WC颗粒，弥散分布的亚微米级NbC颗粒、均匀分布的自润滑相和粘结相。本专利技术的技术特征还在于，复合材料中微米级WC颗粒的体积分数为60-80％，自润滑相的体积分数为2.2-10％，亚微米级NbC颗粒的体积分数为10-20％，粘结相的体积分数为2-10％，金属Nb纤维的体积分数为5-10％，以上各组分的体积百分比之和为100％。自润滑相由石墨和MoS2组成，粘结相为Fe。微米级WC颗粒的粒径为20μm-30μm，亚微米级NbC颗粒的粒径为500nm-900nm。金属Nb纤维的直径为300-700μm。本专利技术所采用的第二技术方案是，一种多尺度自润滑碳化钨基复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1，分别称取以下组分:WC颗粒、Fe粉末、Nb粉末、石墨粉和MoS2粉末；步骤2：将步骤1称取的WC颗粒、Fe粉末、Nb粉末、石墨粉和MoS2粉末混合均匀，形成混和粉末；步骤3：向混和粉末中加入石蜡粉，再放入混炼机中进行混料处理，形成均匀物料；步骤4：采用难熔金属Nb纤维预制网状结构，形成难熔金属纤维网；步骤5：初步将混合物料和纤维网在模具内逐层铺放，形成预制体，预制体中纤维网层间距为1mm～5mm；步骤6：将预制体放置于高温模具内，然后装配进高温烧结炉内进行等温热压烧结，最后经过冷却和脱模处理，即得多尺度自润滑碳化钨基复合材料。步骤4中，难熔金属纤维网中纤维的丝径为600μm-1000μm，纤维网中纤维间距为3倍丝径～6倍丝径。步骤6中，等温热压烧结过程中，先将炉温升至500-800℃进行脱脂处理后，再将炉温升至1165-1250℃保温0.2h-2h，随后降温至1100℃保温4-8h，最后冷却至室温。步骤6中，等温热压烧结过程中，高温烧结炉内升温速度为5℃/min～10℃/min，冷却过程中，高温烧结炉内降温速度为2℃/min～5℃/min。步骤6中，1165-1250℃时炉压为5-10MPa，1100℃等温处理过程中的炉压为20-50MPa。本专利技术的有益效果是，由颗粒和以网状分布的金属纤维组成碳化钨基复合材料，不同尺度的颗粒均匀分布在金属纤维周围，颗粒包括微米级WC颗粒，弥散分布的亚微米级NbC颗粒、均匀分布的自润滑相MoS2和粘结相Fe，自润滑相由石墨和MoS2组成，石墨和MoS2具有良好的自润滑效果，基体内微孔为自润滑相提供扩散通道；基体内微米级WC颗粒与亚微米级碳化物颗粒具有较大的尺寸差别，使材料上裂纹在不同物相、尺寸的颗粒之间具有不同的扩展及偏转机制，起到多尺度韧化的作用；金属Nb纤维具有较高的塑形，可以吸收局部过量的残余应力，提供高效纤维韧化作用，使该多尺度自润滑碳化钨基复合材料既有传统自润滑耐磨陶瓷材料高强、耐磨等特点，同时其通过多尺度强韧化与纤维增韧协同作用，大幅提升传统自润滑金属陶瓷材料的韧性，具有良好的损伤容限性能；可广泛应用于刹车盘、耐磨轴套、耐磨管件等耐磨部件，具有广阔的应用前景。附图说明图1是本专利技术多尺度自润滑碳化钨基复合材料局部微观特征组织结构示意图；图2是本专利技术实施例1制备的多尺度自润滑碳化钨基复合材料的截面低倍显微组织图；图3是本专利技术实施例1制备的多尺度自润滑碳化钨基复合材料的截面高倍显微组织图。图中，1.金属Nb纤维，2.亚微米级NbC颗粒，3.粘结相，4.微米级WC颗粒，5.自润滑相。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术一种多尺度自润滑碳化钨基复合材料，参照图1，由基体和以网状结构分布的金属Nb纤维1组成，基体包括微米级WC颗粒4、弥散分布的亚微米级NbC颗粒2、均匀分布的自润滑相5和粘结相3，自润滑相5包括石墨和MoS2，粘结相3为Fe。复合材料中微米级WC颗粒4的体积分数为60-80％，自润滑相5的体积分数为2.2-10％，亚微米级NbC颗粒2的体积分数为10-20％，粘结相3的体积分数为2-10％，金属Nb纤维1的体积分数为5-10％，以上各组分的体积百分比之和为100％。微米级WC颗粒4的粒径为20μm-30μm，亚微米级NbC颗粒2的粒径为500nm-900nm，金属Nb纤维1为难熔金属纤维，熔点较高，金属Nb纤维的直径为300μm-700μm。本专利技术一种多尺度自润滑碳化钨基复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1，分别称取以下组分:WC颗粒、Fe粉末、Nb粉末、石墨粉和MoS2粉末；其中，WC颗粒的质量百分比为53-76％，Fe粉末的质量百分比为3.1-14％，Nb粉末的质量百分比为9.5-19％，石墨粉的质量百分比为0.2-4.5％，MoS2的质量百分比为4.5-13％，以上各组分的质量百分比之和为100％；步骤2：将步骤1称取的WC颗粒、Fe粉末、Nb粉末、石墨粉和MoS2粉末混合均匀，形成混和粉末；步骤3：向步骤2中的混和粉末中加入适量石蜡粉末，放入混料机中进行混料处理，形成均匀物料；其中，石蜡粉末的粒度约为25μm，占混合粉末的质量分数为0.6～0.9wt％。步骤4：采用难熔金属Nb纤维预制纤维网，制成难熔金属Nb纤维网；其中，金属Nb纤维的丝径为600μm-1000μm，纤维网中纤维间距为3倍丝径～6倍丝径；步骤5：将步骤3所得均匀物料和步骤4所制Nb纤维网在模具内逐层铺放，形成预制体，预制体中纤维网层间距大于1mm且小于5mm；步骤6：步骤5中预制体放入热压烧结炉内进行等温本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多尺度自润滑碳化钨基复合材料，其特征在于，由基体和以网状结构分布的金属Nb纤维(1)组成，基体包括微米级WC颗粒(4)，弥散分布的亚微米级NbC颗粒(2)、均匀分布的自润滑相(5)和粘结相(3)。/n

【技术特征摘要】
1.一种多尺度自润滑碳化钨基复合材料，其特征在于，由基体和以网状结构分布的金属Nb纤维(1)组成，基体包括微米级WC颗粒(4)，弥散分布的亚微米级NbC颗粒(2)、均匀分布的自润滑相(5)和粘结相(3)。


2.根据权利要求1所述的一种多尺度自润滑碳化钨基复合材料，其特征在于，所述复合材料中微米级WC颗粒(4)的体积分数为60-80％，自润滑相(5)的体积分数为2.2-10％，亚微米级NbC颗粒(2)的体积分数为10-20％，粘结相(3)的体积分数为2-10％，金属Nb纤维(1)的体积分数为5-10％，以上各组分的体积百分比之和为100％。


3.根据权利要求2所述的一种多尺度自润滑碳化钨基复合材料，其特征在于，所述自润滑相(5)由石墨和MoS2组成，粘结相(3)为Fe。


4.根据权利要求2所述的一种多尺度自润滑碳化钨基复合材料，其特征在于，所述微米级WC颗粒(4)的粒径为20μm-30μm，亚微米级NbC颗粒(2)的粒径为500nm-900nm。


5.根据权利要求1所述的一种多尺度自润滑碳化钨基复合材料，其特征在于，所述金属Nb纤维(1)的直径为300-700μm。


6.一种多尺度自润滑碳化钨基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，分别称取以下组分:WC颗粒、Fe粉末、Nb粉末、石墨粉和MoS2粉末；
步骤2：将步骤1称取的WC颗粒、Fe粉末、Nb粉末、石墨粉和MoS2粉末混合均匀，形成混和粉末；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟黎声，朱建雷，赵梓源，许云华，梁淑华，邹军涛，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61