一种自润滑铝基复合材料及其制备方法.pdf

一种自润滑铝基复合材料及其制备方法，它涉及一种铝基复合材料及其制备方法。它解决了现有自润滑铝基复合材料在合成中对设备要求较高，成本高，材料性能差以及材料的二次成型和机械加工困难的问题。自润滑铝基复合材料由二硼化钛增强体颗粒、铝颗粒或铝合金颗粒、氮化硼颗粒和基体铝合金制成。制备方法：1.按体积百分比称取原材料；2.将除铝合金外的原材料混合、预成型后，得预制体，将预制体放入模具并加热；3.将铝合金加热至熔融；4.浇铸到模具内，进行压力浸渗；5.冷却后脱模，即得。本发明自润滑铝基复合材料具有良好的强度和弹性模量，低摩擦系数，高耐磨性，而且具有良好的塑性，可实现热加工成型。本发明制备方法简单、易操作、工艺容易控制。

1、  一种自润滑铝基复合材料，其特征在于自润滑铝基复合材料按体积比由10％～40％的二硼化钛增强体颗粒、10％～30％的铝颗粒或铝合金颗粒、5％～10％的氮化硼颗粒和余量的基体铝合金制成；其中二硼化钛增强体颗粒的粒径为0.5～5μm，铝颗粒或铝合金颗粒的粒径为5～10μm，氮化硼颗粒的粒径为0.5～5μm。

2、  根据权利要求1所述的自润滑铝基复合材料，其特征在于自润滑铝基复合材料按体积比由20％～30％的二硼化钛增强体颗粒、15％～25％的铝颗粒或铝合金颗粒、6％～8％的氮化硼颗粒和余量的基体铝合金制成。

3、  根据权利要求1或2所述的自润滑铝基复合材料，其特征在于铝合金颗粒为锻铝或硬铝合金。

4、  根据权利要求1所述的自润滑铝基复合材料，其特征在于基体铝合金为Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si或Al-Zn-Mg。

5、  如权利要求1所述的一种自润滑铝基复合材料的制备方法，其特征在于自润滑铝基复合材料按以下方法进行制备：一、按体积百分比取10％～40％的二硼化钛增强体颗粒、10％～30％的铝颗粒或铝合金颗粒、5％～10％的氮化硼颗粒和余量的基体铝合金；二、将除基体铝合金之外的颗粒状原材料混合，得增强体粉末，然后将增强体粉末在15～40MPa的成型压力条件下，保压20～40s预成型，得预制体，之后放入模具从室温升温到450～600℃；三、将基体铝合金从室温升温到750～850℃，得熔融的基体铝合金溶液；四、将熔融的基体铝合金溶液倒入装有增强体的模具中，然后在压力为25～45MPa的条件下，保压10～20min；五、冷却后脱模，取出铸锭，即为自润滑铝基复合材料；其中步骤一中二硼化钛增强体颗粒的粒径为0.5～5μm，铝颗粒或铝合金颗粒的粒径为5～10μm，氮化硼颗粒的粒径为0.5～5μm。

6、  根据权利要求5所述的一种自润滑铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中成型压力为20～30MPa。

7、  根据权利要求5所述的一种自润滑铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中保压时间为30s。

8、  根据权利要求5所述的一种自润滑铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤四压力为40MPa。

9、  根据权利要求5所述的一种自润滑铝基复合材料的制备方法，其特征在于步骤四中保压15min。

一种自润滑铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
自润滑材料分为高分子基、陶瓷基和金属基三大类，只有金属基材料适用于高精度滑动部件。金属基自润滑材料主要有固体润滑剂镶嵌轴承材料、铝硅和金-石墨自润滑复合材料、铁-石墨系含油自润滑复合材料、空间用银基自润滑复合材料、镍合金基自润滑材料、青铜基自润滑复合材料等等
目前，制备的自润滑材料的方法，普遍存在对设备要求较高，成本高，反应物的残留导致材料性能差，例如强度较低、机械性能较差、精度损失大以及材料的二次成型和机械加工困难的问题。
发明内容
本发明为了解决现有的自润滑铝基复合材料在合成中对设备和环境的要求较高，成本高，材料性能差以及材料的二次成型和机械加工困难的问题，而提供的一种自润滑铝基复合材料及其制备方法。
自润滑铝基复合材料按体积比由10％～40％的二硼化钛增强体颗粒、10％～30％的铝颗粒或铝合金颗粒、5％～10％的氮化硼颗粒和余量的基体铝合金制成；其中二硼化钛增强体颗粒的粒径为0.5～5μm，铝颗粒或铝合金颗粒的粒径为5～10μm，氮化硼颗粒的粒径为0.5～5μm。
自润滑铝基复合材料按以下方法进行制备：一、按体积百分比取10％～40％的二硼化钛增强体颗粒、10％～30％的铝颗粒或铝合金颗粒、5％～10％的氮化硼颗粒和余量的基体铝合金；二、将除基体铝合金之外的颗粒状原材料混合，得增强体粉末，然后将增强体粉末在15～40MPa的成型压力条件下，保压20～40s预成型，得预制体，之后放入模具从室温升温到450～600℃；三、将基体铝合金从室温升温到750～850℃，得熔融的基体铝合金溶液；四、将熔融的基体铝合金溶液倒入装有增强体的模具中，然后在压力为25～45MPa的条件下，保压10～20min；五、冷却后脱模，取出铸锭，即为自润滑铝基复合材料；其中二硼化钛增强体颗粒的粒径为0.5～5μm，铝颗粒或铝合金颗粒的粒径为5～10μm，氮化硼颗粒的粒径为0.5～5μm。
本发明自润滑铝基复合材料在合成过程中通过控制增强体粉末的含量来实现颗粒增强体体积分数的控制；由于降低了颗粒增强体的体积分数，同样使得颗粒的分布也更加均匀，二次成型、机械加工也更加容易，并降低了对设备的要求。
摩擦系数的高低决定了自润滑性的好坏，本发明自润滑铝基复合材料的摩擦系数仅为0.1～0.3，磨损量变小，因此本发明材料与材料之间的精度损失也随之变小。
本发明自润滑铝基复合材料与利用原位自生法制备的TiB_2P/Al复合材料相比，由于克服了界面上的有害的金属间化合物的形成，因此，具有较高的强度和延伸率。与高体积分数的TiB_2P/Al复合材料相比，具有良好的塑性，使复合材料的二次热加工成为可能，可大大降低材料的加工成本。
本发明自润滑铝基复合材料的制备方法简单、易操作、工艺容易控制。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式自润滑铝基复合材料按体积比由10％～40％的二硼化钛增强体颗粒、10％～30％的铝颗粒或铝合金颗粒、5％～10％的氮化硼颗粒和余量的基体铝合金制成；其中二硼化钛增强体颗粒的粒径为0.5～5μm，铝颗粒或铝合金颗粒的粒径为5～10μm，氮化硼颗粒的粒径为0.5～5μm。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：自润滑铝基复合材料按体积比由20％～30％的二硼化钛增强体颗粒、15％～25％的铝颗粒或铝合金颗粒、6％～8％的氮化硼颗粒和余量的基体铝合金制成。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：铝合金颗粒为锻铝或硬铝合金。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：基体铝合金为Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si、Al-Zn-Mg。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式中的铝合金也可为其他系列的铝合金。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：自润滑铝基复合材料按体积比由25％的二硼化钛增强体颗粒、7.5％的氮化硼颗粒、20％的铝颗粒和47.5％的基体铝合金制成。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式自润滑铝基复合材料按以下方法进行制备：一、按体积百分比取10％～40％的二硼化钛增强体颗粒、10％～30％的铝颗粒或铝合金颗粒、5％～10％的氮化硼颗粒和余量的基体铝合金；二、将除基体铝合金之外的颗粒状原材料混合，得增强体粉末，然后将增强体粉末在15～40MPa的成型压力条件下，保压20～40s预成型，得预制体，之后放入模具从室温升温到450～600℃；三、将基体铝合金从室温升温到750～850℃，得熔融的基体铝合金溶液；四、将熔融的基体铝合金溶液倒入装有增强体的模具中，然后在压力为25～45MPa的条件下，保压10～20min；五、冷却后脱模，取出铸锭，即为自润滑铝基复合材料；其中步骤一中二硼化钛增强体颗粒的粒径为0.5～5μm，铝颗粒或铝合金颗粒的粒径为5～10μm，氮化硼颗粒的粒径为0.5～5μm。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六的不同点是：步骤一中按体积百分比取20％～30％的二硼化钛增强体颗粒、15％～25％的铝颗粒或铝合金颗粒、6％～8％的氮化硼颗粒和余量的基体铝合金。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六的不同点是：步骤二中成型压力为20～30MPa。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六的不同点是：步骤二中保压时间为30s。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六的不同点是：步骤二中从室温升温到500～550℃。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式六的不同点是：步骤二中升温到525℃。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式六的不同点是：步骤三中将基体铝合金从室温升温到800℃。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式六的不同点是：步骤四中压力为40MPa。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式六的不同点是：步骤四中保压15min。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式十五：本实施方式自润滑铝基复合材料按以下方法进行制备：一、按体积百分比取10％的二硼化钛增强体颗粒、10％的氮化硼颗粒和30％的铝颗粒混合，得增强体粉末；二、将增强体粉末在20MPa的成型压力条件下，保压30s预成型，得预制体，之后放入模具从室温升温到525℃；三、将50％的基体铝合金升温到850℃，得熔融的基体铝合金溶液；四、将熔融的基体铝合金溶液倒入装有增强体的模具中，然后在压力为25MPa的条件下，保压20min；五、冷却后脱模，取出铸锭，即为自润滑铝基复合材料；其中二硼化钛增强体颗粒的粒径为1μm，铝颗粒粒径为5μm。
本实施方式是采用销盘式磨损试验机在滑动速度为0.4m/s，载荷为50g，滑动距离为2000m，在大气条件下与GCr15轴承钢对磨时测得的摩擦系数为为0.22，自身对磨的摩擦系数为0.13，磨损量为0.0010g，时效处理后的弹性模量为95Gpa，拉伸强度为320Mpa，延伸率为6.8％。
具体实施方式十六：本实施方式自润滑铝基复合材料按以下方法进行制备：一、按体积百分比取25％的二硼化钛增强体颗粒、7.5％的氮化硼颗粒和20％的铝颗粒混合，得增强体粉末；二、将增强体粉末在40MPa的成型压力条件下，保压20s预成型，得预制体，之后放入模具从室温升温到450℃；三、将47.5％的基体铝合金升温到800℃，得熔融的基体铝合金溶液；四、将熔融的基体铝合金溶液倒入装有增强体的模具中，然后在压力为45MPa的条件下，保压15min；五、冷却后脱模，取出铸锭，即为自润滑铝基复合材料；二硼化钛增强体颗粒的粒径为3μm，铝颗粒粒径为7μm。
本实施方式是采用销盘式磨损试验机在滑动速度为0.4m/s，载荷为50g，滑动距离为2000m，在大气条件下与GCr15轴承钢对磨时测得的摩擦系数为为0.19，自身对磨的摩擦系数为0.10，磨损量为0.0006g，时效处理后的弹性模量为125GPa，拉伸强度为447MPa，延伸率为5.3％。
具体实施方式十七：本实施方式自润滑铝基复合材料按以下方法进行制备：一、按体积百分比取40％的二硼化钛增强体颗粒、5％的氮化硼颗粒和10％的铝颗粒混合，得增强体粉末；二、将增强体粉末在30MPa的成型压力条件下，保压30s预成型，得预制体，之后放入模具从室温升温到450℃；三、将45％的基体铝合金升温到800℃，得熔融的基体铝合金溶液；四、将熔融的基体铝合金溶液倒入装有增强体的模具中，然后在压力为45MPa的条件下，保压15min；五、冷却后脱模，取出铸锭，即为自润滑铝基复合材料；二硼化钛增强体颗粒的粒径为3μm，铝颗粒粒径为7μm。
本实施方式是采用销盘式磨损试验机在滑动速度为0.4m/s，载荷为50g，滑动距离为2000m，在大气条件下与GCr15轴承钢对磨时测得的摩擦系数为0.16，自身对磨的摩擦系数为0.07，磨损量为0.0002g，时效处理后的弹性模量为180Gpa，拉伸强度为545Mpa，延伸率3.1％。