本發(fā)明涉及一種抗磨減摩材料，特別是涉及一種鈦合金抗磨減摩用含氧化物自潤(rùn)滑納米混合材料。

背景技術(shù)：

鈦合金具有低密度、高比強(qiáng)度以及優(yōu)異的耐熱性、耐蝕性、低溫性能和生物相容性，在航天航空、化工、石油、汽車、海洋工程和醫(yī)療等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。然而，鈦合金公認(rèn)的極差的滑動(dòng)磨損性能往往限制了其在摩擦磨損方面的應(yīng)用。表面處理是提高鈦合金摩擦磨損性能的一種普遍的改性方法，可是表面改性存在工藝復(fù)雜、成本高、能源消耗大和環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題，較薄的表面改性層僅在低載時(shí)有抗磨作用，而厚的涂層在高載、高速和高溫等嚴(yán)酷工況下會(huì)因應(yīng)力或熱應(yīng)力導(dǎo)致層內(nèi)出現(xiàn)裂紋而剝落失效。此外，在鈦合金構(gòu)件表面涂抹潤(rùn)滑油、脂等介質(zhì)也是一種常用的處理方式，但在嚴(yán)酷工況下，高的環(huán)境溫度或摩擦熱易造成潤(rùn)滑油、脂摩擦燃燒，潤(rùn)滑摩擦再次變?yōu)楦苫瑒?dòng)摩擦。因此，現(xiàn)有的表面改性或涂抹潤(rùn)滑油、脂等介質(zhì)并不能滿足鈦合金基于方便、價(jià)廉、環(huán)保理念的嚴(yán)酷工況下的應(yīng)用要求。

如果在鈦合金滑動(dòng)界面直接添加固態(tài)抗磨劑和減摩劑，可促進(jìn)鈦合金表面形成含抗磨劑和減摩劑的摩擦層，從而保護(hù)鈦合金基體，避免金屬-金屬接觸，顯著改善鈦合金在嚴(yán)酷工況下的摩擦磨損性能。該方法成本低廉，可控性強(qiáng)，節(jié)能環(huán)保。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是基于上述問(wèn)題，提出一種鈦合金抗磨減摩用含氧化物自潤(rùn)滑納米混合材料。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種鈦合金抗磨減摩用含氧化物自潤(rùn)滑納米混合材料，其特征在于：按重量百分比計(jì)，包含抗磨劑33-83％，減摩劑17-67％。其中抗磨劑為10-50nm的三氧化二鐵納米顆粒，減摩劑為由膨脹石墨液相剝離制得的2-10nm厚的多層石墨烯。將兩種納米材料混合攪拌均勻后按0.2-0.4mg/mm²的添加量直接添加到鈦合金構(gòu)件滑動(dòng)界面即可。

本發(fā)明所述的抗磨減摩納米混合材料，在滑動(dòng)過(guò)程中容易在鈦合金構(gòu)件表面吸附并經(jīng)壓實(shí)燒結(jié)形成雙層摩擦層，其中下層為主要含三氧化二鐵摩擦層，具有良好的承載能力；上層為主要含多層石墨烯摩擦層，多層石墨烯因其超薄的片層結(jié)構(gòu)且層間結(jié)合力較弱，在摩擦剪切力作用下層與層之間易發(fā)生滑動(dòng)，而具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，可顯著降低摩擦系數(shù)，減少摩擦噪聲。另外，它具有價(jià)廉易得的優(yōu)點(diǎn)，且只需添加極少的量就可使得嚴(yán)酷滑動(dòng)工況下服役的鈦合金構(gòu)件的摩擦磨損性能得以顯著提高。

附圖說(shuō)明

圖1為未添加與添加抗磨減摩納米混合材料時(shí)TC11合金隨載荷變化的磨損量。

圖2為未添加與添加實(shí)施例4時(shí)TC11合金磨損表面的XRD圖譜。

圖3為添加實(shí)施例4時(shí)TC11合金磨損表面形貌。

圖4為添加實(shí)施例4時(shí)TC11合金磨損剖面形貌。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

抗磨減摩納米混合材料按重量百分比計(jì)，包含10nm的三氧化二鐵33％，9nm厚的多層石墨烯67％，攪拌均勻后按0.4mg/mm²(單位滑動(dòng)界面上的添加量)添加至TC11合金摩擦界面。

實(shí)施例2

抗磨減摩納米混合材料按重量百分比計(jì)，包含50nm的三氧化二鐵50％，3nm厚的多層石墨烯50％，攪拌均勻后按0.2mg/mm²的添加量添加至TC11合金摩擦界面。

實(shí)施例3

抗磨減摩納米混合材料按重量百分比計(jì)，包含30nm的三氧化二鐵67％，6nm厚的多層石墨烯33％，攪拌均勻后按0.3mg/mm²的添加量添加至TC11合金摩擦界面。

實(shí)施例4

抗磨減摩納米混合材料按重量百分比計(jì)，包含30nm的三氧化二鐵75％，6nm厚的多層石墨烯25％，攪拌均勻后按0.3mg/mm²的添加量添加至TC11合金摩擦界面。

實(shí)施例5

抗磨減摩納米混合材料按重量百分比計(jì)，包含30nm的三氧化二鐵80％，6nm厚的多層石墨烯20％，攪拌均勻后按0.3mg/mm²的添加量添加至TC11合金摩擦界面。

實(shí)施例6

抗磨減摩納米混合材料按重量百分比計(jì)，包含30nm的三氧化二鐵83％，6nm厚的多層石墨烯17％，攪拌均勻后按0.3mg/mm²的添加量添加至TC11合金摩擦界面。

采用MPX-2000型盤銷式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)評(píng)估本發(fā)明制得的抗磨減摩納米混合材料對(duì)TC11合金干滑動(dòng)摩擦磨損性能的影響，并與未添加抗磨減摩納米混合材料時(shí)TC11合金的磨損量進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)規(guī)范確定如下：銷試樣為Φ5×23mm²的TC11合金；盤試樣為Φ34×10mm²的GCr15軸承鋼，硬度為50HRC；滑動(dòng)速度為0.5m/s；轉(zhuǎn)數(shù)為10000轉(zhuǎn)；載荷為20、60、100、120N?；瑒?dòng)開(kāi)始前，按單位滑動(dòng)面積的添加量計(jì)，將0.2-0.4mg/mm²實(shí)施例1-6的抗磨減摩納米混合材料添加至TC11合金/GCr15鋼滑動(dòng)界面。

測(cè)試結(jié)果如附圖1-4所示。由附圖1可知，當(dāng)未添加抗磨減摩納米混合材料時(shí)，TC11合金的磨損量隨載荷增加而不斷增大，此時(shí)發(fā)生嚴(yán)重磨損。而當(dāng)添加0.2-0.4mg/mm²實(shí)施例1-6的抗磨減摩納米混合材料時(shí)，TC11合金的磨損量在20-100N下幾乎為0，此時(shí)發(fā)生輕微磨損，表明添加實(shí)施例1-6的抗磨減摩納米混合材料使得TC11合金的耐磨性得以顯著提高。在120N下，添加實(shí)施例1、2、6的抗磨減摩納米混合材料時(shí)的TC11合金磨損量快速增大，添加實(shí)施例3的抗磨減摩納米混合材料時(shí)的TC11合金磨損量輕微增大，而添加實(shí)施例4、5的抗磨減摩納米混合材料時(shí)的TC11合金磨損量仍然接近0。這就表明實(shí)施例4、5制得的鈦合金抗磨減摩用含氧化物自潤(rùn)滑納米混合材料為最優(yōu)實(shí)施例。

由附圖2-4可知，當(dāng)添加本發(fā)明制得的抗磨減摩納米混合材料時(shí)，在滑動(dòng)過(guò)程中，TC11合金表面易形成同時(shí)含抗磨劑和減摩劑的雙層摩擦層。其中下層為主要含三氧化二鐵摩擦層(Fe₂O₃-predominated tribo-layer)，上層為主要含多層石墨烯摩擦層(MLG-predominated tribo-layer)，兩層摩擦層分別起承載和潤(rùn)滑的作用。這樣的摩擦層可保護(hù)鈦合金基體，避免金屬-金屬接觸。因此，極少量的抗磨減摩納米混合材料即可使鈦合金在滑動(dòng)過(guò)程中承受高的載荷，耐磨性明顯得以提高，并且可顯著降低摩擦系數(shù)，減少摩擦噪聲。