一种自润滑复合材料及其应用、复合减摩层及其制备方法

本发明涉及摩擦副减摩，尤其涉及一种自润滑复合材料及其应用、复合减摩层及其制备方法。

背景技术：

1、高压柱塞泵是发动机的心脏，柱塞副的往复运动就像心脏的收缩一样为发动机提供血液和能量。柱塞泵有三大摩擦副，分别是柱塞副、滑靴副、配流盘摩擦副，这些摩擦副的摩擦学性能直接影响柱塞泵的性能。

2、传统工艺是在三大摩擦副表面扩散焊一层锡青铜减摩层，避免钢/钢直接摩擦。但是，锡青铜与钢的摩擦存在以下缺陷：第一，锡青铜与钢的磨损形式为磨粒磨损，在摩擦过程中有大量的磨屑产生，这些磨屑在钢与锡青铜之间反复挤压，形成硬质颗粒，对锡青铜造成更严重的磨损，导致柱塞副卡死等故障。第二，锡青铜与钢的摩擦系数为0.4～0.6，摩擦系数高导致摩擦发热量大、摩擦功大，一方面导致柱塞泵转速无法提升，另一方面容易导致锡青铜受热膨胀卡死。第三，在摩擦过程中，锡青铜减摩层容易与柱塞体发生冷焊，冷焊的发生有三个基础条件，(1)新鲜表面，摩擦过程中，表面氧化层脱落即会露出新鲜表面；(2)一定的温度，摩擦热可导致局部温升；(3)压力，柱塞运动产生压力。在这些条件都满足的情况下，锡青铜中的cu和钢中的fe会生成cufe金属间化合物，从而产生冷焊，影响柱塞泵的可靠性和稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种自润滑复合材料及其应用、复合减摩层及其制备方法，将本发明提供的自润滑复合材料作为柱塞副的减摩层，可以提高柱塞泵工作的可靠性和稳定性。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种自润滑复合材料，以质量百分含量计，包括聚酰胺酰亚胺85～95％、石墨4～14.9％和二氧化硅粉末0.1～1％。

4、优选的，所述石墨的粒径为2～75μm；所述二氧化硅粉末的粒径为20～100nm；所述聚酰胺酰亚胺的粒径≤75μm。

5、本发明提供了上述方案所述自润滑复合材料在摩擦副减摩层中的应用。

6、本发明提供了一种复合减摩层，包括依次层叠附着于柱塞缸体表面的铜结合层、锡青铜三维网络层和自润滑涂层；所述自润滑涂层与所述锡青铜三维网络层互相嵌合；所述自润滑涂层由上述方案所述的自润滑复合材料形成。

7、优选的，所述铜结合层的厚度为10～15μm；所述锡青铜三维网络层的厚度为0.1～0.3mm；所述自润滑涂层的厚度为0.1～0.3mm。

8、本发明提供了上述方案所述复合减摩层的制备方法，包括以下步骤：

9、在柱塞缸体内表面镀铜，形成铜结合层，得到第一柱塞缸体；

10、向所述第一柱塞缸体内填充满锡青铜粉末，进行第一烧结，形成锡青铜三维网络结构；将所述锡青铜三维网络结构加工至目标厚度，形成锡青铜三维网络层，得到第二柱塞缸体；

11、在所述第二柱塞缸体中心放置聚四氟乙烯芯杆，所述聚四氟乙烯芯杆与锡青铜三维网络层之间留出环形空间，将自润滑复合材料填充至所述环形空间，对聚四氟乙烯芯杆和自润滑复合材料同时施加轴向压力，第二烧结，在所述第二烧结过程中所述自润滑复合材料进入锡青铜三维网络层的空隙中与锡青铜三维网络层形成嵌合，去除聚四氟乙烯芯杆，形成自润滑涂层，得到所述复合减摩层。

12、优选的，所述锡青铜粉末为球形，粒度为60～200μm。

13、优选的，所述第一烧结的温度为760～800℃，保温时间为1～3h。

14、优选的，所述轴向压力为30～70mpa。

15、优选的，所述第二烧结的温度为360～380℃，保温时间为1～3h。

16、本发明提供了一种自润滑复合材料，以质量百分含量计，包括聚酰胺酰亚胺85～95％、石墨4～14.9％和二氧化硅粉末0.1～1％。聚酰胺酰亚胺(pai)具有良好的力学性能、耐磨性和耐刮削性能；石墨为固体润滑剂具有良好的润滑性能；sio2为增强剂，在摩擦过程中会形成摩擦面亚表层富集，对摩擦面有增强效应，将本发明的自润滑复合材料用于摩擦副的减摩层，可可大幅降低缸体与柱塞体的摩擦系数，减少摩擦热，同时pai与钢不会发生冷焊，从根本上提高了柱塞泵的可靠性和稳定性。

17、本发明提供了一种复合减摩层，包括依次层叠附着于柱塞缸体表面的铜结合层、锡青铜三维网络层和自润滑涂层；所述自润滑涂层与所述锡青铜三维网络层互相嵌合；所述自润滑涂层由上述方案所述的自润滑复合材料形成。在本发明中，所述铜结合层可以增强缸体与锡青铜三维网络层的粘结强度；锡青铜层呈三维网络结构，与自润滑涂层互相嵌合，提高了自润滑涂层的结合强度，本发明的复合减摩层与柱塞缸的结合强度高，在柱塞压缩过程中既能耐受柱塞的往复摩擦，也能承受油液的高压冲刷，而且，在工作时，自润滑涂层与柱塞体接触，具有润滑性能好的特点。

18、本发明提供了上述方案所述复合减摩层的制备方法，由于pai复合粉末(即自润滑复合材料)必须在高温熔融以及加压状态才能进入锡青铜三维网状结构，形成嵌合关系，而复合粉末在柱塞体环形内壁是无法直接用液压机加压的，所以复合粉末的成型就是本发明的难点及关键点。聚四氟乙烯(ptfe)的膨胀系数约是钢材的10倍，在360℃产生很大的膨胀体积，本发明利用限位烧结的方法，通过限制ptfe的轴向膨胀，将轴向压力转变为ptfe对pai复合粉末的径向压缩，从而实现peek与锡青铜的物理嵌合。

技术特征：

1.一种自润滑复合材料，其特征在于，以质量百分含量计，包括聚酰胺酰亚胺85～95％、石墨4～14.9％和二氧化硅粉末0.1～1％。

2.根据权利要求1所述的自润滑复合材料，其特征在于，所述石墨的粒径为2～75μm；所述二氧化硅粉末的粒径为20～100nm；所述聚酰胺酰亚胺的粒径≤75μm。

3.权利要求1或2所述自润滑复合材料在摩擦副减摩层中的应用。

4.一种复合减摩层，其特征在于，包括依次层叠附着于柱塞缸体表面的铜结合层、锡青铜三维网络层和自润滑涂层；所述自润滑涂层与所述锡青铜三维网络层互相嵌合；所述自润滑涂层由权利要求1或2所述的自润滑复合材料形成。

5.根据权利要求4所述的复合减摩层，其特征在于，所述铜结合层的厚度为10～15μm；所述锡青铜三维网络层的厚度为0.1～0.3mm；所述自润滑涂层的厚度为0.1～0.3mm。

6.权利要求4或5所述复合减摩层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述锡青铜粉末为球形，粒度为60～200μm。

8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述第一烧结的温度为760～800℃，保温时间为1～3h。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述轴向压力为30～70mpa。

10.根据权利要求6或9所述的制备方法，其特征在于，所述第二烧结的温度为360～380℃，保温时间为1～3h。

技术总结
本发明提供了一种自润滑复合材料及其应用、复合减摩层及其制备方法，涉及摩擦副减摩技术领域。以质量百分含量计，本发明提供的自润滑复合材料包括聚酰胺酰亚胺85～95％、石墨4～14.9％和二氧化硅粉末0.1～1％。聚酰胺酰亚胺(PAI)具有良好的力学性能、耐磨性和耐刮削性能；石墨为固体润滑剂具有良好的润滑性能；SiO<subgt;2</subgt;为增强剂，在摩擦过程中会形成摩擦面亚表层富集，对摩擦面有增强效应，将本发明的自润滑复合材料用于摩擦副的减摩层，可可大幅降低缸体与柱塞体的摩擦系数，减少摩擦热，同时PAI与钢不会发生冷焊，从根本上提高了柱塞泵的可靠性和稳定性。

技术研发人员：杨丽君,赵普,杨蕊,王齐华,王廷梅
受保护的技术使用者：中国科学院兰州化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15