本發(fā)明涉及一種石墨碳化硅復(fù)合軸承及其制備方法，屬于非金屬材料成形及其工程應(yīng)用，具體涉及石墨碳化硅復(fù)合軸承快速制造方法，作為自潤(rùn)滑件，應(yīng)用于高速重載和溫差較大的工作環(huán)境。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，為了適應(yīng)高速、高低溫、高負(fù)荷以及腐蝕性環(huán)境對(duì)軸承綜合性能的要求日益提高。傳統(tǒng)軸承材料如金屬合金（鋼、銅合金、鋁合金）、塑料材料（聚四氟乙烯、尼龍、聚甲醛）、陶瓷材料（氧化鋁、氮化硅、碳化硅）等，在這些極端條件下容易出現(xiàn)磨損加劇、潤(rùn)滑失效、熱膨脹導(dǎo)致尺寸穩(wěn)定性下降等問(wèn)題。

2、石墨軸承由于石墨的特殊晶體結(jié)構(gòu)賦予了它良好的自潤(rùn)滑性、低摩擦系數(shù)和良好的熱導(dǎo)性，但石墨的熱膨脹系數(shù)較高，機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性相對(duì)較差。在微觀結(jié)構(gòu)上，當(dāng)石墨在受到剪切或沖擊載荷時(shí)容易發(fā)生層間分離，從而加速磨損；當(dāng)軸承邊緣和應(yīng)力集中區(qū)域熱膨脹不均勻時(shí)，熱應(yīng)力累積會(huì)引起裂紋的形成和擴(kuò)展，影響軸承的穩(wěn)定性和壽命。純碳化硅軸承在實(shí)際應(yīng)用中存在自潤(rùn)滑性能不足的問(wèn)題，尤其是在無(wú)潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑條件惡劣的環(huán)境下，摩擦系數(shù)較大（0.4~0.8），摩擦?xí)r會(huì)產(chǎn)生一些碎屑顆粒，這些碎屑顆粒會(huì)對(duì)摩擦端面造成磨粒磨損，導(dǎo)致磨損加劇。在微觀結(jié)構(gòu)上，碳化硅的晶界較弱，這使得軸承在承受反復(fù)載荷時(shí)更容易發(fā)生疲勞斷裂，這意味著在受到?jīng)_擊或應(yīng)力集中時(shí)，純碳化硅軸承容易發(fā)生裂紋擴(kuò)展甚至斷裂。

3、將石墨與碳化硅按照一定方式復(fù)合，形成石墨碳化硅復(fù)合材料，可以充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自的不足。目前石墨和碳化硅復(fù)合材料常見(jiàn)的制備方法主要有粉末冶金法和石墨基體熔滲法，前者是在制備石墨碳化硅混合粉末基礎(chǔ)上，采取壓制成形、高溫?zé)Y(jié)，先獲得石墨碳化硅陶瓷復(fù)合材料，再通過(guò)機(jī)械切削加工獲得石墨碳化硅復(fù)合軸承；后者是將利用真空壓力熔滲技術(shù)將高純硅粉“引入”到石墨基體內(nèi)部孔隙中，從而獲得石墨碳化硅復(fù)合材料，再通過(guò)機(jī)械切削加工獲得石墨碳化硅復(fù)合軸承。前者由于無(wú)法精確控制陶瓷粉體在石墨粉體中分布狀態(tài)，

4、導(dǎo)致復(fù)合材料穩(wěn)定性欠佳，后者石墨基體孔隙狀態(tài)直接影響硅液熔滲量，同時(shí)碳化硅陶瓷不斷反應(yīng)生成阻礙了后續(xù)硅液進(jìn)入，故熔滲深度較小，碳化硅與石墨基體多為表層復(fù)合。近年來(lái)，浙江大學(xué)提出在碳化硅基體上連續(xù)造孔可以大幅度降低摩擦系數(shù)，然而碳化硅陶瓷基體抗彎強(qiáng)度下降明顯（最低僅185mpa），將氟化石墨復(fù)合其中可以較好地保證陶瓷基體力學(xué)性能，但摩擦系數(shù)偏高。

5、綜上所述，針對(duì)現(xiàn)有石墨碳化硅復(fù)合軸承的制備工藝難以控制石墨含量及其分布狀態(tài)，以及難以控制多孔石墨骨架預(yù)制體中孔隙的大小、形狀和分布狀態(tài)，目前缺乏有效的工藝方法，實(shí)現(xiàn)既保證良好自潤(rùn)滑效果，又提高石墨碳化硅復(fù)合軸承力學(xué)性能的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種石墨碳化硅復(fù)合軸承及其制備方法，其基本過(guò)程如下：首先，在制備混合粉末的基礎(chǔ)上利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)快速制備多孔石墨骨架素坯。其次，由于多孔石墨骨架素坯孔隙率較高、力學(xué)性能較差，故對(duì)其進(jìn)行二次固化、真空壓力浸漬和碳化處理，從而得到具有一定強(qiáng)度和較高開(kāi)氣孔率的多孔石墨骨架預(yù)制體。然后，將多孔石墨骨架預(yù)制體用高純硅粉和碳化硼粉末包埋后放入石墨坩堝中，再將石墨坩堝蓋上蓋子一起放入真空燒結(jié)爐中。通過(guò)高溫熔融滲硅，使高純硅粉與多孔石墨骨架預(yù)制體中的樹(shù)脂碳發(fā)生原位燒結(jié)反應(yīng)，使得碳化硅復(fù)合其中。最后，對(duì)石墨碳化硅復(fù)合軸承坯體進(jìn)行磨削加工處理，以確保石墨碳化硅復(fù)合軸承的尺寸精度、結(jié)構(gòu)精度和表面質(zhì)量，具體工藝流程如圖1所示。

2、采取以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的：

3、（1）通過(guò)調(diào)整混合粉末中各粉末的含量以及制備過(guò)程中各項(xiàng)工藝的參數(shù)，不僅使軸承中的石墨含量得以提高，而且還提升了混合效率，增強(qiáng)了激光燒結(jié)混合粉末時(shí)的粘附力與穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了石墨碳化硅復(fù)合軸承各項(xiàng)性能的相互平衡。

4、（2）所述多孔石墨骨架素坯是利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（sls）獲取的。通過(guò)調(diào)整激光工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)多孔石墨骨架素坯中孔隙結(jié)構(gòu)的可控調(diào)節(jié)，這為后續(xù)的真空壓力浸漬和高溫熔融滲硅提供了理想的孔隙結(jié)構(gòu)，提高了軸承的致密度和力學(xué)性能。

5、（3）所述混合粉末配方中加入中間相碳微球粉末（mcmb），這有助于提升混合粉末中各組分的相容性與分散性，進(jìn)而提高混合粉末的整體燒結(jié)性能。中間相碳微球粉末在經(jīng)過(guò)碳化處理后會(huì)發(fā)生自收縮反應(yīng)，該反應(yīng)能夠降低氣孔率，提高了多孔石墨骨架素坯的密度和熱導(dǎo)率。

6、（4）將多孔石墨骨架預(yù)制體用高純硅粉和碳化硼粉末包埋后，放入真空燒結(jié)爐中，通過(guò)高溫熔融滲硅生成穩(wěn)定的碳化硅，石墨與碳化硅復(fù)合形成三維連續(xù)互穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不僅增強(qiáng)了軸承的力學(xué)性能，而且降低了軸承的摩擦系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了良好的自潤(rùn)滑效果。

7、本發(fā)明提供的方法在快速制備石墨碳化硅復(fù)合軸承的同時(shí)，研究中間相碳微球粉末的含量對(duì)石墨碳化硅復(fù)合軸承各項(xiàng)性能的影響，實(shí)現(xiàn)了石墨碳化硅復(fù)合軸承各項(xiàng)性能的可控調(diào)節(jié)。相較于傳統(tǒng)制造工藝，該方法的生產(chǎn)工藝較為簡(jiǎn)單，具有快速高效、成本低的特點(diǎn)，適合大規(guī)模生產(chǎn)。所制備的石墨碳化硅復(fù)合軸承具備耐磨、承載能力強(qiáng)、潤(rùn)滑效果好等優(yōu)點(diǎn)，適用于高速重載和高低溫的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合。

8、一種石墨碳化硅復(fù)合軸承及其制備方法包括以下具體步驟：

9、（1）混合粉末制備：將石墨粉末、中間相碳微球粉末、熱固性酚醛樹(shù)脂粉末、高純硅粉混均，得到混合粉末；

10、（2）多孔石墨骨架素坯成形：將上述混合粉末經(jīng)選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)，通過(guò)3d打印獲得多孔石墨骨架素坯；

11、（3）二次固化：對(duì)多孔石墨骨架素坯加熱進(jìn)行二次固化，提高多孔石墨骨架素坯的抗彎強(qiáng)度；

12、（4）真空壓力浸漬：將二次固化后的多孔石墨骨架素坯經(jīng)真空壓力浸漬，提高多孔石墨骨架素坯的致密度；

13、（5）碳化：在氮?dú)獗Ｗo(hù)下對(duì)多孔石墨骨架素坯進(jìn)行碳化處理，獲得多孔石墨骨架預(yù)制體；

14、（6）高溫融熔滲硅：將多孔石墨骨架預(yù)制體用高純硅粉和碳化硼粉末包埋后，在真空及加熱條件下進(jìn)行高溫熔融滲硅，得到石墨碳化硅復(fù)合軸承坯體；

15、（7）磨削加工：對(duì)石墨碳化硅復(fù)合軸承進(jìn)行磨削加工，得到石墨碳化硅復(fù)合軸承。

16、優(yōu)選的，所述步驟（1）中混合粉末制備過(guò)程為：首先，將適量的石墨粉末、中間相碳微球粉末、熱固性酚醛樹(shù)脂粉末、高純硅粉與酚醛樹(shù)脂溶液混合均勻；其次，通過(guò)熱風(fēng)干燥除去其中乙醇溶液，并進(jìn)行破碎處理；最后，對(duì)破碎后的混合粉末進(jìn)行篩分，獲得一定粒度分布范圍的混合粉末。

17、所述步驟（1）中的制備混合粉末的粉末配方為：石墨粉末質(zhì)量占比30wt%~50wt%，粒徑為150目~500目；中間相碳微球粉末質(zhì)量占比10wt%~40wt%，粒徑為150目~500目；熱固性酚醛樹(shù)脂粉末質(zhì)量占比20wt%~30wt%，粒徑為200目~1000目；高純硅粉質(zhì)量占比5wt%~10wt%，粒徑為200目~1000目。

18、在一些實(shí)施例中，所述步驟（1）中的混合工藝為：將制備混合粉末的粉末配方、酚醛樹(shù)脂溶液（密度為1.2g/cm3、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、粘度為600mpa~1500mpa）和乙醇溶液（密度為0.789g/cm3~0.791g/cm3、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.7%）按7:3:9的比例加入混碾機(jī)中，混合時(shí)間為1h~2h；然后，將混合后的粉末放入熱風(fēng)干燥箱中，干燥溫度為60℃~90℃，干燥時(shí)間為1h~2h；再將干燥后的粉末倒入破碎機(jī)中，轉(zhuǎn)速為30000~32000r/min，粉碎時(shí)間為5min~8min；最后，將破碎后的粉末倒入150目篩網(wǎng)中篩分，取其篩下物，再倒入1000目篩網(wǎng)中篩分，取其篩上物，混合粉末粒度分布在150目~1000目之間，獲得制備多孔石墨骨架素坯的混合粉末。

19、優(yōu)選的，所述選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)是在選擇性激光燒結(jié)成形設(shè)備中進(jìn)行的。

20、選擇性激光燒結(jié)工藝參數(shù)為：預(yù)熱溫度為40℃~45℃；激光功率為17w~21w；掃描速率為1000mm·s-1~2000mm·s-1；掃描間距為0.05mm~0.1mm；分層厚度為0.1mm~0.2mm，獲得多孔石墨骨架素坯。

21、優(yōu)選的，所述步驟（3）中的二次固化工藝為：將多孔石墨骨架素坯放入溫度為160℃~180℃固化爐中，保溫時(shí)間為0.5h~1h。

22、優(yōu)選的，所述步驟（4）中的真空壓力浸漬工藝為：將多孔石墨骨架素坯放入真空壓力浸漬爐中，抽真空度至-0.1mpa以下，然后引入液態(tài)酚醛樹(shù)脂（密度為1.2g/cm3、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、粘度為600mpa~1500mpa）作為浸漬劑，使多孔石墨骨架素坯被完全浸沒(méi)，再充氮?dú)饧訅褐?.3mpa~0.5mpa，同時(shí)將真空壓力浸漬爐外夾套升溫至150℃~160℃，浸漬釜內(nèi)升溫至90℃~100℃，浸漬時(shí)間為0.25h~0.5h。

23、優(yōu)選的，所述步驟（5）中的碳化工藝為：將浸漬后的多孔石墨骨架素坯放入真空碳化爐中，抽真空度至-0.2mpa以下，然后通入惰性氣體氮?dú)?，進(jìn)行升溫碳化，第一階段：30℃~200℃，升溫速度為50-100℃/h；第二階段：200℃~600℃，升溫速度為30-60℃/h；第三階段：以100-150℃/h?升溫速度升至800℃，保溫時(shí)間為1-2h，然后隨爐冷卻到室溫并取出，獲得多孔石墨骨架預(yù)制體。

24、上述升溫條件中，30℃~200℃是指從30℃升溫至200℃；200℃~600℃是指從200℃升溫至600℃。

25、優(yōu)選的，所述步驟（6）中高純硅粉與碳化硼粉末的質(zhì)量比為10-15:1。

26、其中，高純硅粉粒徑為200目~1000目，純度為99.5%；碳化硼粉末粒徑為200目~1000目。

27、在一些實(shí)施例中，所述的高溫熔融滲硅是在石墨坩堝中進(jìn)行的。

28、高溫融熔滲硅步驟中，經(jīng)抽真空度至-0.1mpa以下，并升高溫度進(jìn)行高溫熔滲，第一階段：30℃~1400℃，升溫速度為200-400℃/h；第二階段：1500℃~1600℃，升溫速度為50-100℃/h；保溫時(shí)間為1h~2h，然后隨爐冷卻到室溫取出，獲得石墨碳化硅復(fù)合軸承坯體。

29、上述升溫條件中，30℃~1400℃是指從30℃升溫至1400℃；1500℃~1600℃是指從1500℃升溫至1600℃。

30、所述步驟（7）中的磨削工藝為：使用轉(zhuǎn)速為150r/min~200r/min、粒度為200目~300目、硬度為k級(jí)的砂輪對(duì)石墨碳化硅復(fù)合軸承坯體進(jìn)行磨削加工處理。保證石墨碳化硅復(fù)合軸承的尺寸精度、結(jié)構(gòu)精度以及表面質(zhì)量。

31、采用上述技術(shù)方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

32、1.本發(fā)明采用濕混工藝將多種粉末均勻混合，經(jīng)過(guò)混碾、干燥、破碎、篩分等步驟得到用于制備多孔石墨骨架素坯的混合粉末，混合粉末中各成分均勻分布，這有助于后續(xù)工藝的順利進(jìn)行并保證石墨碳化硅復(fù)合軸承的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了石墨碳化硅復(fù)合軸承各項(xiàng)性能的相互平衡。

33、2.本發(fā)明利用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)快速制備多孔石墨骨架素坯，能夠制造出任意復(fù)雜的軸承幾何形狀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在制備過(guò)程中無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)，這簡(jiǎn)化了成形工藝，提高了材料利用率和生產(chǎn)效率。

34、3.本發(fā)明通過(guò)二次固化、真空壓力浸漬、碳化等工藝步驟，提高了多孔石墨骨架素坯的強(qiáng)度、致密度，獲得多孔石墨骨架預(yù)制體。通過(guò)精確控制各個(gè)步驟的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軸承結(jié)構(gòu)與性能的可控調(diào)節(jié)。

35、4.本發(fā)明通過(guò)高溫熔融滲硅使高純硅粉與多孔石墨骨架預(yù)制體中的樹(shù)脂碳發(fā)生原位燒結(jié)反應(yīng)生成穩(wěn)定的碳化硅，石墨與碳化硅復(fù)合形成三維連續(xù)互穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不僅提高了軸承的力學(xué)性能和自潤(rùn)滑性能，還增強(qiáng)了其耐高溫性、耐腐蝕性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性，使得軸承能夠在惡劣的工作環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，滿(mǎn)足了在惡劣工況條件下的工業(yè)應(yīng)用需求。

36、采用本發(fā)明制備方法所制備的石墨碳化硅復(fù)合軸承，在保證維氏硬度4.1~5.4gpa；磨損率1.20×10-6~3.85×10-6mm3/nm；摩擦系數(shù)0.15~0.3；熱膨脹系數(shù)3.0×10-6~5.0×10-6m/k的條件下，實(shí)現(xiàn)密度2.5~3.2g/cm3；抗彎強(qiáng)度190~320?mpa；抗壓強(qiáng)度350~420mpa；熱導(dǎo)率140~170w/m·k。