[发明专利]一种铜基石墨复合润滑密封材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种铜基石墨复合润滑密封材料的制备方法，是先将石墨颗粒埋入铬粉中，置于真空烧结炉中进行热处理，得到表面具有碳化铬层的石墨颗粒；再将聚乙烯醇溶液均匀喷洒在具有碳化铬层的石墨颗粒表面，然后与铜粉或铜合金粉混合均匀，使石墨颗粒表面包覆铜粉或铜合金粉体得复合颗粒；最后将复合颗粒干压成型后经排胶、热压烧结得到复合材料。本发明制备的铜基石墨复合润滑密封材料中，石墨颗粒作为润滑相组元在基体铜或铜合金材料中呈非均一的、团簇颗粒分布；基体材料形成三维贯通的网状骨架结构；石墨颗粒与铜或铜合金基体通过碳化铬界面相，提高基体和石墨颗粒的结合强度，进而提升材料整体力学性能及可靠性。

技术领域

本发明涉及一种铜基石墨复合润滑密封材料及其制备方法，主要用于机械装备的滑动轴承、轴瓦、衬套以及动密封环等部件的加工。

技术背景

石墨因其特殊的片层分子结构和优异的自润滑性能和高温抗氧化性（空气中450℃以上才开始缓慢氧化），与其他固体润滑材料相比，是一种非常理想的宽温域（-180℃液氧环境~450℃高温大气环境）润滑剂，尤其在复杂环境下石墨可表现出更好的润滑性能。由于石墨具有很高的熔点，难以烧结致密化，通常作为固体润滑添加剂形成复合材料来制备具有润滑特性的结构件来实现有效的润滑特性，常见的有金属基石墨复合材料、聚合物基石墨复合材料和陶瓷基石墨复合材料。石墨复合材料已广泛应用于机械装备的滑动轴承、轴瓦、衬套以及动密封环等部件。但石墨材料具有低的热导系数，滑动部件高速运转时易产生大的摩擦温升；而且传统的石墨复合材料制品机械强度低、冲击韧性差，导致构件的可靠性低。

现有技术（wear 372-373（2017）130-138）公开了一种铜石墨自润滑复合材料，以铜合金作为基体相，石墨作为固体润滑剂均匀分散在基体相中，该材料表现出良好的自润滑性能和抗磨损性能。由于石墨相类似于缺陷，破坏了铜基体的连续性，材料的抗冲击韧性以及导热性能没有明显的改善。专利文献CN108396169A报道了一种铜基石墨复合密封材料，其中石墨在基体材料中呈非均一的、团簇颗粒分布，这样使得铜基体形成一个连贯的整体，实现优异的抗冲击性能和导热性能，还能保证必要的强度和复合材料表面的有效润滑。但该材料通过粉末冶金方法制备，由于铜和石墨密度相差太大，制备过程中难以准确控制石墨颗粒的分布，且基体含量过多，密度较大；同时，石墨颗粒与铜及其合金的界面结合强度较弱，材料整体力学性能及可靠性较差。

发明内容

为克服上述现有技术中的缺陷，进一步提高石墨颗粒与铜基体相的结合强度，本发明提供一种具有更高力学性能和服役可靠性的铜基石墨复合润滑密封材料及其制备方法。

一、铜基石墨复合润滑密封材料的制备

本发明铜基石墨复合润滑密封材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备碳化铬界面相：将石墨颗粒埋入铬粉中，置于真空烧结炉中进行热处理：处理温度为800~1000℃，时间为0.5~2 h，然后除去未反应的铬粉，得到表面具有碳化铬层的石墨颗粒。热处理温度为800~1000℃，时间为0.5~2 h。热处理过程中石墨颗粒与周围的铬粉反应生成碳化铬（Cr₇C₃）。碳化铬的反应生成量可通过控制热处理温度和时长调节。图1为热处理后石墨颗粒的XRD谱图，证实了热处理过程反应生成了碳化铬。

本发明采用的石墨颗粒为纯石墨颗粒，也可以是高强石墨颗粒，可通过市售高强石墨块经过破碎筛分得到。石墨颗粒大小为0.1~0.8mm。

（2）附着铜合金基体：将质量百分数0.5~2%PVA（聚乙烯醇）溶液均匀喷洒在步骤（1）得到的具有碳化铬层的石墨颗粒表面，然后与铜粉或铜合金粉混合均匀，使石墨颗粒表面粘接一层混合粉体，并去除多余未粘结的粉体，得到复合颗粒。附着金属的含量可通过控制PVA溶液的喷洒量和重复次数来控制，从而调控复合材料中石墨颗粒与铜或铜合金的比例。复合颗粒中，石墨颗粒（含碳化铬层）的体积含量控制在30~ 65%。