锌合金基镍包石墨自润滑三维网络复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锌合金基镍包石墨自润滑三维网络复合材料及其制备方法，其是将不锈钢丝经粗化等预处理后，在其表面喷涂由无机粘结剂、镍包石墨粉和水组成的混合物，然后将表面喷涂有镍包石墨粉的不锈钢丝经螺旋卷绕制、螺旋卷拉伸、缠绕等处理，制成三维连续的金属橡胶骨架，再将其放入预热的模具中，并倒入含镍包石墨粉的锌合金熔液，经挤压铸造及退火处理，得到所述锌合金基镍包石墨自润滑三维网络复合材料。该复合材料协同利用三维连续结构的金属橡胶对锌合金基体的强化作用和石墨粉的润滑作用，使其不仅具备自润滑性能，且其强度和刚度等机械性能也较锌合金基体得到了明显提升。提升。提升。

【技术实现步骤摘要】
锌合金基镍包石墨自润滑三维网络复合材料的制备方法


[0001]本专利技术属于复合材料
，具体涉及一种锌合金基镍包石墨自润滑三维网络复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]航空航天、舰船和国防工业等高新技术产业的高速发展，对具备自润滑性能和较高机械性能的新型结构材料提出了更高的要求。但是，往往单一金属材料的自润滑性能较差，限制了其在自润滑领域的应用。
[0003]在金属基体中通过一定方式填充或表面镶嵌固体润滑剂，已成为自润滑领域的研究热点，常用的固体润滑剂有石墨、MoS2等，其自润滑性机理为：由复合材料中磨下的石墨被带到摩擦表面上形成连续的固体润滑膜，改善润滑条件。采用软质相石墨等作为自润滑组元，可在金属基体中均匀分布，但其被认为形成的多孔会对基体有割裂作用，造成复合材料的强度降低。因此，除了要求材料具有优异的自润滑性能外，还要求必须具备较高的压缩强度等机械性能。另外，复合材料中作为增强组分的种类可以分为颗粒、纤维和三维连续结构等，纤维作为增强相往往会存在纤维分布不均、团聚等现象，对复合材料的性能存在一定的消极作用。

技术实现思路

[0004]针对以上所述问题，本专利技术提供了一种锌合金基镍包石墨自润滑三维网络复合材料及其制备方法。本专利技术协同利用三维连续结构金属橡胶对锌合金基体的强化和石墨粉的润滑作用，使制备的复合材料不仅具备自润滑性能，且其强度和刚度等机械性能较锌合金基体得到了明显提升。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种锌合金基镍包石墨自润滑三维网络复合材料，其制备方法包括以下步骤：1）使用粒度为80~120 μm的石英砂对不锈钢丝表面进行喷砂粗化处理，然后清洗，干燥；2）将无机粘结剂、镍包石墨粉混合，并加水配成混合物；3）将所得混合物喷涂于步骤1）处理后的不锈钢丝表面，然后进行加热处理，再随炉冷却；4）将表面喷涂有镍包石墨粉的不锈钢丝经螺旋卷绕制、螺旋卷拉伸、缠绕、模压、清洗、干燥，制成三维连续的金属橡胶骨架；5）将锌合金加热熔化后，保温0.5~1h，然后加入镍包石墨粉搅拌混合，得锌合金熔液；6）将步骤4）所得三维连续的金属橡胶骨架放入预热的模具中，并倒入步骤5）所得锌合金熔液，加压进行挤压铸造，空气冷却后进行退火处理，随炉冷却即得所述锌合金基镍包石墨自润滑三维网络复合材料。
[0006]其中所用镍包石墨粉是将石墨粉经前处理后，采用化学镀的方式在其表面包裹镍而制得；其具体是将石墨经除油、粗化、敏化、活化、还原、干燥等步骤进行前处理后，按20~30 g/L的量加入浓度为25~35 g/L的硫酸镍溶液中，于80~90℃反应1h，然后于80~90℃干燥1~2h制得。所得镍包石墨粉的粒度为350~450目（粒径为43 μm~33 μm）。本专利技术通过化学镀的方法在石墨粉表面镀上一层镍，以解决石墨粉与锌合金的界面结合问题。
[0007]所述前处理各步骤具体操作如下：
①
除油：将6501净洗剂、TX
‑
10与石墨粉按体积百分比10~25:10~25:80~50混合，充分搅拌后静置除油10~20 min；
②
粗化：将除油后的石墨粉采用50 wt%~63 wt%的硝酸溶液浸泡处理10~15 min；
③
敏化：将15~25 g/L的SnCl2·
2H2O溶液和30~40 mL/L的HCl溶液按体积百分比20~30：80~70混合后，将其于常温下与粗化后的石墨粉混合反应10~15 min；
④
活化：将0.2~0.4 g/L的PdCl2溶液和4~8 mL/L的HCl溶液按体积百分比10~15:90~85混合后，将其于常温下与敏化后的石墨粉混合反应10~15 min；
⑤
还原：将活化后的石墨粉加入到10~30 g/L的NaH2PO2·
H2O溶液中，充分混合以去除Sn
2+
；
⑥
干燥：在50~80℃条件下烘干30~60 min。
[0008]进一步地，步骤1）所述不锈钢丝的丝径为0.3 mm。
[0009]进一步地，步骤2）中所用无机粘结剂、镍包石墨粉与水的重量比为2~3:2~3:1。
[0010]进一步地，步骤3）喷涂时的喷枪压力为0.1~0.4 MPa；所述加热处理采用程序加热，其具体是先加热至80~100 ℃，保温1.5~2 h，再升温至150 ℃，保温1.5~2 h。
[0011]进一步地，步骤4）螺旋卷拉伸后的螺距与螺旋卷的直径之比为1:1；所述缠绕是以相对于芯轴60
°
的角度铺放；经模压后所得金属橡胶骨架为圆柱形，其直径为Φ20~Φ60 mm，高为10~40 mm；所述清洗具体采用超声波清洗，其时间为15~30 min；所述干燥的温度为50~80 ℃，时间为3~6 h。
[0012]进一步地，步骤5）中所用锌合金为ZA8型，其熔化温度为450~600 ℃；所用锌合金与镍包石墨粉的重量百分比为80~95:5~20；所述搅拌的温度为450~600 ℃，时间为0.5~1.5 h。
[0013]进一步地，步骤6）中先将模具预热至450~600 ℃；所用金属橡胶骨架与锌合金熔液的质量比为3~15:20~30。所述挤压铸造的压力为30~60 MPa，挤压速度为0.5~5 mm/ min；所述退火处理的温度为250~300 ℃，时间为0.5~1 h。
[0014]较现有技术相比，本专利技术主要具有以下优点：（1）本专利技术在基体材料中同时引入了强化组元和自润滑组元。区别于常规采用颗粒、纤维、晶须形式的强化组元可能在基体中出现分布不均、团聚等现象，本专利技术采用三维连续结构的金属橡胶作为强化组元，其与锌合金基体在三维空间上连续并相互贯穿，能够很好地传递与分散各相之间的应力，阻止裂纹的扩展，进而提高复合材料的力学性能。
[0015]（2）本专利技术在不锈钢丝表面喷涂无机粘结剂与镍包石墨粉的混合物，可使金属橡胶骨架与石墨具备较高的结合强度，同时无机粘结剂还具有抗高温能力和较低的密度，有助于轻量化生产。
[0016]（3）本专利技术在不锈钢丝表面喷涂镍包石墨粉的同时，还在熔化的锌合金中添加适
量镍包石墨粉，以使所得复合材料具备更出色的自润滑性能。
[0017]（4）本专利技术采用的挤压铸造技术工艺简单、生产成本低，更容易获得良好稳定的自润滑复合材料。
附图说明
[0018]图1为本专利技术镍包石墨粉的制备工序流程图。
[0019]图2为本专利技术复合材料的制备工艺流程图。
[0020]图3为本专利技术经挤压铸造制备复合材料的工艺流程图。
[0021]图4为本专利技术复合材料在工作时的自润滑示意图。
[0022]图5为实施例1所制备复合材料的横截面图（A）及轴切面图（B）。
[0023]图6为实施例1所制备复合材料压缩后的断口截面图。
[0024]图7为ZA8锌合金及实施例1、2所制备复合材料的压缩应力
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锌合金基镍包石墨自润滑三维网络复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1）对不锈钢丝表面进行粗化处理，然后清洗，干燥；2）将无机粘结剂、镍包石墨粉混合，并加水配成混合物；3）将所得混合物喷涂于步骤1）处理后的不锈钢丝表面，然后进行加热处理，再随炉冷却；4）将表面喷涂有镍包石墨粉的不锈钢丝经螺旋卷绕制、螺旋卷拉伸、缠绕、模压、清洗、干燥，制成三维连续的金属橡胶骨架；5）将锌合金加热熔化后，保温0.5~1h，然后加入镍包石墨粉搅拌混合，得锌合金熔液；6）将步骤4）所得三维连续的金属橡胶骨架放入预热的模具中，并倒入步骤5）所得锌合金熔液，加压进行挤压铸造，空气冷却后进行退火处理，随炉冷却即得所述锌合金基镍包石墨自润滑三维网络复合材料；其中所用镍包石墨粉是将石墨粉经前处理后，采用化学镀的方式在其表面包裹镍而制得，所得镍包石墨粉的粒度为350~450目。2. 根据权利要求1所述的一种锌合金基镍包石墨自润滑三维网络复合材料的制备方法，其特征在于：所述镍包石墨粉的具体制备方法是将石墨粉经除油、粗化、敏化、活化、还原、干燥后，按20~30 g/L的量加入浓度为25~35 g/L的硫酸镍溶液中，于80~90℃反应1h，然后进行干燥。3. 根据权利要求1所述的一种锌合金基镍包石墨自润滑三维网络复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1）所述不锈钢丝的丝径为0.3 mm。4.根据权利要求1所述的一种锌合金...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖福强，胡安琼，吴乙万，白鸿柏，周毅，吴恺斌，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：