阅读说明：本技术 一种自润滑不锈钢及其制备方法 (Self-lubricating stainless steel and preparation method thereof ) 是由 陈强 解志文 高旭 郭锋 陈永君 邢志辉 于 2019-09-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种自润滑不锈钢及其制备方法,自润滑不锈钢是采用不锈钢粉末和纳米金属固体润滑相为原料,经热压烧结工艺制得,纳米金属固体润滑相采用二硫化钼或二硫化钨。其制备方法步骤包括：将不锈钢粉末和纳米金属固体润滑相按比例混合；将混合料置于热压烧结炉内,加热至1120-1160℃,并在1030-1060℃时开始加压,加压至18-20Mpa；保温保压55-65min；保温保压结束后自然冷却至580-620℃,同时保持压力在9-11Mpa,待温度降至580-620℃以下后关闭压力,继续自然冷却至90-110℃以下后将制得的自润滑不锈钢从炉中取出。本发明自润滑不锈钢兼具耐腐蚀和耐磨损的优点,无需在不锈钢表再沉积耐磨涂层,为不锈钢耐磨损设计提供了新的思路,对不锈钢零部件的工程应用具有重要的推动作用。(The invention discloses a self-lubricating stainless steel and a preparation method thereof, wherein the self-lubricating stainless steel is prepared by adopting stainless steel powder and a nano metal solid lubricating phase as raw materials through a hot-pressing sintering process, and the nano metal solid lubricating phase adopts molybdenum disulfide or tungsten disulfide. The preparation method comprises the following steps: mixing stainless steel powder and a nano metal solid lubricating phase according to a proportion; placing the mixture in a hot-pressing sintering furnace, heating to 1120-1160 ℃, starting pressurizing at 1030-1060 ℃, and pressurizing to 18-20 Mpa; keeping the temperature and the pressure for 55-65 min; naturally cooling to 580-620 ℃ after the heat preservation and pressure maintaining are finished, simultaneously keeping the pressure at 9-11Mpa, closing the pressure after the temperature is reduced to 580-620 ℃, continuously naturally cooling to below 90-110 ℃, and taking the prepared self-lubricating stainless steel out of the furnace. The self-lubricating stainless steel has the advantages of corrosion resistance and wear resistance, a wear-resistant coating does not need to be deposited on the surface of the stainless steel, a new thought is provided for the wear-resistant design of the stainless steel, and an important promotion effect is achieved on the engineering application of stainless steel parts.)

一种自润滑不锈钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及自润滑金属材料，具体涉及一种自润滑不锈钢及其制备方法。

背景技术

不锈钢材料是制造芯轴、轴承等关键装备零部件的重要材料之一，广泛应用于航空航天、船舶、工程机械等领域，可在-60℃～300℃的环境下工作，经常面临高速重载摩擦工况，在极端环境下，由于不锈钢材料自身特点，会引发轴承早期失效。奥氏体不锈钢因其无磁性、无相变、高耐腐蚀性可满足航空航天领域对高低温、辐射、腐蚀等环境要求，其应用越来越广泛。然而，奥氏体不锈钢因其硬度较低，耐磨性不能满足工作要求，如何解决其耐磨性问题是当前奥氏体不锈钢工业应用中面临的关键技术难题。

目前，通常是采用提高金属材料硬度和降低摩擦系数的方法来提高其耐磨性，但对于奥氏体不锈钢而言：即使采用热处理强化也无法提高其耐磨性；虽然在奥氏体不锈钢接触面上涂润滑油可以降低摩擦系数，但在高温高压、腐蚀性等条件下，存在磨损快使用时间短等不足；虽然在不锈钢基体上嵌入固体润滑剂制成自润滑轴瓦具有结构紧凑、结合牢固、耐高温性、抗压性好和延长摩擦副寿命的优点，但缺陷是制造复杂、摩擦系数不稳定、抗腐蚀性差且裸露的基体层容易划伤对摩面；虽然采用塑料和烧结铜粉自润滑耐磨复合材料制成轴瓦具有机械强度高、耐热性好、自润滑等优点，但不锈钢与塑料结合性差，塑料蠕变特性会导致不锈钢与塑料容易剥离，影响其使用寿命。

此外，还可以通过在不锈钢表面沉积涂层来提高其耐磨性，如文献CN109136873A公开的一种耐磨不锈钢复合板材的制备方法，通过在不锈钢板材基体表面复合一层聚合物有机材料，使不锈钢板材具有高强度、自润滑、耐磨损、抗冲击和质量轻的优点；又如文献CN108950455A公开的一种提高奥氏体不锈钢耐磨性和自润滑性的方法，是采用制得的工作层粉料对钢板表面进行等离子束熔覆，工作层熔覆前使用NiAl和TiC组成的金属键化合物进行打底，以增强工作层与钢板之间的结合强度，提高涂层的硬度，最终采用等离子涂覆法制备得到耐磨性以及自润滑性能优异的涂层。采用在不锈钢表面沉积涂层的方法虽然能够提高耐磨性，但当涂层出现一定缺损或磨损后，其耐磨性能便会大幅降低。

发明内容

本发明目的之一在于提供一种整体耐磨性能好的自润滑不锈钢。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种自润滑不锈钢，其特征在于，它是采用不锈钢粉末和纳米金属固体润滑相为原料，经热压烧结工艺制得。

作为优选，所述纳米金属固体润滑相采用二硫化钼(MoS₂)或二硫化钨(WS₂)。

作为优选，所述纳米金属固体润滑相添加量(质量占比)为10％-14％，余量为不锈钢粉末。

作为优选，所述纳米金属固体润滑相粒度不大于1.5μm，纯度大于98.5％。

作为优选，所述不锈钢粉末的粒度不大于20μm，含氧量为500-600ppm。

进一步地，常温环境下，上述自润滑不锈钢的磨损率不大于

(1.58±0.11)×10^-5mm³(N·m)^-1；作为优选，常温环境下，上述自润滑不锈钢的磨损率为(1.58±0.11)×10^-5mm³(N·m)^-1～(2.22±0.31)×10^-5mm³(N·m)^-1。

进一步地，约为300℃的高温环境下，上述自润滑不锈钢的磨损率不大于(5.59±0.11)×10^-5mm³(N·m)^-1；作为优选，约为300℃的高温环境下，上述自润滑不锈钢的磨损率为(5.87±0.26)×10^-5mm³(N·m)^-1～(5.59±0.11)×10^-5mm³(N·m)^-1。

进一步地，常温环境下，上述自润滑不锈钢整体的摩擦系数不大于0.62；作为优选，常温环境下，上述自润滑不锈钢整体的摩擦系数为0.41～0.62。

进一步地，约为300℃的高温环境下，上述自润滑不锈钢整体的摩擦系数不大于0.42；作为优选，约为300℃的高温环境下，上述自润滑不锈钢整体的摩擦系数为0.41～0.42。

进一步地，常温环境下，上述自润滑不锈钢整体的维氏硬度不小于320HV；作为优选，常温环境下，上述自润滑不锈钢整体的维氏硬度为320～350HV。

进一步地，常温环境下，上述自润滑不锈钢整体的纳米硬度不小于5.22±0.135GPa；作为优选，常温环境下，上述自润滑不锈钢整体的纳米硬度为5.22±0.135GPa～5.67±0.165GPa。

本发明目的之二在于提供前述自润滑不锈钢的制备方法。

一种自润滑不锈钢的制备方法，采用热压烧结法制备自润滑不锈钢，热压过程采取氩气保护，步骤包括：将不锈钢粉末和纳米金属固体润滑相按比例混合，得混合料；将混合料置于热压烧结炉内，加热至1120-1160℃，并在1030-1060℃时开始加压，加压至18-20Mpa；保温保压55-65min；保温保压结束后自然冷却至580-620℃，同时保持压力在9-11Mpa，待温度降至580-620℃以下后关闭压力，继续自然冷却至90-110℃以下后将制得的自润滑不锈钢从炉中取出。

作为优选，采用热压烧结法制备自润滑不锈钢，热压过程采取氩气保护，步骤包括：将不锈钢粉末和纳米金属固体润滑相按比例混合，得混合料；将混合料置于热压烧结炉内，加热至1150℃，并在1050℃时开始加压，加压至20Mpa；保温保压60min；保温保压结束后自然冷却至600℃，同时保持压力在10Mpa，待温度降至600℃以下后关闭压力，继续自然冷却至100℃以下后将制得的自润滑不锈钢从炉中取出。

进一步地，从室温加热至1150℃的时间控制为80-100min，加压至20Mpa的时间控制为18-23min。

本发明自润滑不锈钢整体力学性能优异，特别是耐磨性能优异，常温环境下，其磨损率为(1.58±0.11)×10^-5mm³(N·m)^-1～(2.22±0.31)×10^-5mm³(N·m)^-1；约为300℃的高温环境下，其磨损率为(5.87±0.26)×10^-5mm³(N·m)^-1～(5.59±0.11)×10^-5mm³(N·m)^-1；本发明自润滑不锈钢整体的维氏硬度可达320～350HV，是普通不锈钢的1.6-1.75倍(普通不锈钢维氏硬度按照较大值200HV计)。

本发明自润滑不锈钢兼具耐腐蚀和耐磨损的优点，无需在不锈钢表再沉积耐磨涂层，为不锈钢耐磨损设计提供了新的思路，对不锈钢零部件的工程应用具有重要的推动作用；本发明自润滑不锈钢制备步骤简单，经济实用，可用于工业化生产。

附图说明

图1为实施例1中自润滑不锈钢的维氏硬度；

图2为实施例1中自润滑不锈钢的载荷-位移曲线；

图3为实施例1中自润滑不锈钢的纳米硬度；

图4为实施例1中自润滑不锈钢的摩擦曲线(常温、5N)，(a)S0、(b)S1、(c)S2、(d)S3；

图5为实施例1中自润滑不锈钢的磨痕形貌(常温、5N)，(a)S0、(b)S1、(c)S2、(d)S3；

图6为实施例1中自润滑不锈钢的磨痕轮廓(常温、5N)，(a)S0、(b)S1、(c)S2、(d)S3；

图7为实施例1中自润滑不锈钢的磨损率(常温、5N)；

图8为实施例1中自润滑不锈钢的摩擦曲线(300℃)，(a)S0、(b)S1、(c)S2、(d)S3；

图9为实施例1中自润滑不锈钢的磨痕形貌(300℃)，(a)S0、(b)S1、(c)S2、(d)S3；

图10为实施例1中自润滑不锈钢的磨痕轮廓(300℃)，(a)S0、(b)S1、(c)S2、(d)S3；

图11为实施例1中自润滑不锈钢的磨损率(300℃)。

图中：S0为熔炼成形316L不锈钢，S1为热压成形316L/二硫化钼-6％不锈钢，S2为热压成形316L/二硫化钼-12％不锈钢，S3为热压成形316L/二硫化钼-18％不锈钢。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但以下实施例的说明只是用于帮助理解本发明的原理及其核心思想，并非对本发明保护范围的限定。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，针对本发明进行的改进也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例1：一种自润滑不锈钢，它是采用不锈钢粉末和纳米金属固体润滑相为原料，经热压烧结工艺制得，其中，不锈钢粉末采用粒度20μm以下的316L不锈钢粉末，含氧量500-600ppm；纳米金属固体润滑相采用粒度1.5μm以下的二硫化钼，纯度大于98.5％，二硫化钼的质量占比为12％。

实施例2：一种自润滑不锈钢，它是采用不锈钢粉末和纳米金属固体润滑相为原料，经热压烧结工艺制得，其中，不锈钢粉末采用粒度20μm以下的316L不锈钢粉末，含氧量500-600ppm；纳米金属固体润滑相采用粒度1.5μm以下的二硫化钼，纯度大于98.5％，二硫化钼的质量占比为6％。

实施例3：一种自润滑不锈钢，它是采用不锈钢粉末和纳米金属固体润滑相为原料，经热压烧结工艺制得，其中，不锈钢粉末采用粒度20μm以下的316L不锈钢粉末，含氧量500-600ppm；纳米金属固体润滑相采用粒度1.5μm以下的二硫化钼，纯度大于98.5％，二硫化钼的质量占比为18％。

对比实施例：采用熔炼形成的316L不锈钢。

实施例1至实施例3中自润滑不锈钢的制备方法，采用热压烧结法制备自润滑不锈钢，热压过程采取氩气保护，步骤包括：将不锈钢粉末和纳米金属固体润滑相按相应比例混合，得混合料；将混合料置于热压烧结炉内，加热至1150℃，从室温加热至1150℃的时间控制为90min，并在1050℃时开始加压，加压至20Mpa，加压至20Mpa的时间控制为20min；保温保压60min；保温保压结束后自然冷却至600℃，同时保持压力在10Mpa，待温度降至600℃以下后关闭压力，继续自然冷却至100℃以下后将制得的自润滑不锈钢从炉中取出，降温过程大概持续5～7小时。

性能检测

对实施例1、实施例2、实施例3的自润滑钢和对比实施例中的普通不锈钢进行维氏硬度、载荷-位移曲线、纳米硬度及常温与高温(300℃)摩擦曲线、磨痕形貌、磨痕轮廓形貌、磨损率测试，结果如图1-11所示。其中，硬度采用HV-1000型显微硬度仪，将样品表面进行抛光处理，在样品表面较平整处取15个测试点，进行测量并求其平均值，得到最终结果。加载力是10N，保压时间是12s。纳米硬度借助纳米压痕仪(G200-2)测量，采用连续自动加载模式，自动记录并计算材料表面硬度。每个样品测量20个点，并取平均值。摩擦磨损实验借助MS-T300摩擦磨损试验机测量材料表面常温摩擦磨损性能。对磨球采用Si₃N₄陶瓷球，硬度1600Gpa，直径6mm，实验参数：载荷3N，旋转速度300rap/min，测试半径5mm，测试时间60min。高温实验部分采用HT-1000型高温摩擦磨损试验机。对磨球采用Si₃N₄陶瓷球，硬度1600Gpa，直径6.34mm。常温部分选用5N载荷，旋转速度300rap/min，测试半径4mm，测试时间30min。高温实验部分选用5N载荷，旋转速度300rap/min，测试半径4mm，测试时间30min。常温/高温摩擦磨损实验过后，使用Alpha-step台阶仪测量磨痕二维轮廓曲线，得到样品的磨痕宽度及深度数据，并计算磨损量。采用基恩士VHX-5000数字显微镜，观察摩擦磨损表面形貌及特征。

由图1可知：随着二硫化钼添加量的增加，自润滑不锈钢硬度呈现轻微上升趋势，普通316不锈钢维氏硬度约245HV，样品S1维氏硬度约320HV，样品S2维氏硬度325HV，样品S3维氏硬度达到350HV。

由图2可知：在2000nm压痕位移深度范围内，样品S0所需压力载荷约310mN，样品S1所需压入载荷约350mN，样品S2所需压入载荷约350mN，而样品S3所需压入载荷约390mN，表明随着二硫化钼添加量的增加，自润滑不锈钢纳米力学性能得到进一步提升。

由图3可知：样品S0纳米硬度约4.42±0.143GPa，样品S1纳米硬度约5.24±0.285GPa，样品S2纳米硬度约5.22±0.135GPa，样品S3的纳米硬度约5.67±0.165GPa，热压过程与二硫化钼润滑相的添加可提高材料力学性能，随着润滑二硫化钼增加，力学性能提升。

由图4可知：样品S0摩擦过程不平稳且噪音大，其摩擦系数约0.65左右，样品S1摩擦系数随摩擦行程增加而逐渐趋于平稳值0.61，随着材料中二硫化钼含量增加，样品S2表现最低的摩擦系数约0.41，摩擦过程平稳且噪声小，随着二硫化钼掺杂量增加，材料摩擦性能得到明显改善，样品S2摩擦过程稳定且噪音较小，进一步增加二硫化钼掺杂量，材料摩擦性能降低，样品S3的摩擦系数增至0.62左右。

由图5可知：样品S0呈现剧烈磨损特征，磨痕表面粗糙并粘着大量磨屑，代表典型粘着磨损失效，通过掺杂二硫化钼显著改善材料的摩擦磨损特性，样品S1表面摩擦损伤程度减轻，磨痕表面粘附磨屑减少且光滑程度增加。随着掺杂二硫化钼含量增加，样品S2磨痕表面的光整度提高，粘着磨屑减少，随掺杂二硫化钼量进一步增加，样品S3磨痕表面粘附磨屑较少，证实其抗摩减磨能力不同于样品S0。显然，掺杂二硫化钼可改善复合材料抗摩减磨特性，随着二硫化钼含量增加，材料粘着磨损程度得到不同程度的缓解。

由图6可知：样品S0磨痕轮廓波动剧烈，其最深达11.2μm，证实材料摩擦过程与摩擦副发生剧烈磨损。掺杂二硫化钼后材料磨痕轮廓波动减轻，样品S1磨痕轮廓波动减弱，其最大深度约8.2μm，随掺杂二硫化钼含量增加，样品S2磨痕轮廓表面光洁平整，表现非常优良的抗磨损能力，其磨痕轮廓最大深度约4.0μm，随掺杂二硫化钼材料含量进一步增加，样品S3磨痕轮廓更加平滑且波动降低非常显著，其最大磨痕深度约3.7μm，显然，二硫化钼显著改善了材料摩擦磨损特性。

由图7可知：样品S0的磨损率约为(2.99±0.13)×10^-5mm3(N·m)^-1，随着掺杂二硫化钼含量增加，材料的磨损率降低，样品S1的磨损率降至(2.54±0.24)×10^-5mm³(N·m)^-1，当掺杂二硫化钼含量为12％时，样品S2磨损率最低约(1.58±0.11)×10^-5mm³(N·m)^-1，进一步增加掺杂二硫化钼含量，样品S3的磨损率增至(2.22±0.31)×10^-5mm³(N·m)^-1。根据摩擦曲线、磨痕形貌与磨损率等数据表征结果，二硫化钼含量对材料摩擦性能产生重要影响，当掺杂二硫化钼含量为12％时，材料表现更佳的抗摩擦磨损能力。

由图8可知：300℃高温环境下样品S0摩擦系数约0.42左右，而随着掺杂二硫化钼含量增加，复合材料的高温摩擦系数略有降低，样品S1的高温摩擦系数降低至约0.41左右，随着材料中掺杂二硫化钼含量增加，样品S2的高温摩擦系数维持在0.42左右，进一步增加二硫化钼掺杂量，样品S3的摩擦系数略有上升，其数值约0.51左右，显然，高温环境下复合材料摩擦系数波动区间较小且区分不明显。

由图9可知：300℃高温摩擦环境下，样品S0磨痕表面粘着磨屑数量降低，其磨损形貌不同于常温下的粘着磨损特征，表明其磨损形式发生转变。此外，掺杂二硫化钼复合材料的磨损形貌也发生明显变化，样品S1和S2磨痕表面均粘附少量磨屑，相比之下，样品S2磨痕表面光滑光整，其表面粘着磨屑较少。300℃高温磨痕形貌证实材料高温环境下其摩擦磨损特性差异化趋势正逐步弱化。

由图10可知：样品S0磨痕轮廓波动剧烈，其最深达14.8μm，证实材料摩擦过程与摩擦副发生剧烈磨损。掺杂二硫化钼后材料磨痕轮廓波动减轻，样品S1磨痕轮廓波动减弱，其最大深度约13.6μm，随掺杂二硫化钼含量增加，样品S2磨痕轮廓表面光洁平整，表现非常优良的抗磨损能力，其磨痕轮廓最大深度约10.4μm，随掺杂二硫化钼材料含量进一步增加，样品S3磨痕轮廓更加平滑且波动降低非常显著，其最大磨痕深度约16.1μm，显然，二硫化钼的添加显著改善了材料摩擦磨损特性。

由图11可知：样品S0的磨损率约为(6.22+0.29)×10^-5mm³(N·m)^-1，随着掺杂二硫化钼含量的增加，材料的磨损率降低，样品S1的磨损率降至(5.87±0.26)×10^-5mm³(N·m)^-1，当掺杂二硫化钼含量为12％时，样品S2磨损率最低约(5.59±0.11)×10^-5mm³(N·m)^-1，进一步增加掺杂二硫化钼含量，样品S3的磨损率增至(7.57±0.12)×10^-5mm³(N·m)^-1。根据摩擦曲线、磨痕形貌与磨损率等数据表征结果，随着添加的二硫化钼不断增加对材料摩擦性能产生重要影响，因此300℃条件下当掺杂二硫化钼含量为12％时，材料表现更佳的抗摩擦磨损能力。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，事实上，本发明中不锈钢的种类包括但不限于316L不锈钢、304不锈钢、321不锈钢、310不锈钢，添加的纳米金属固体润滑相也可以是二硫化钨；本发明参数也不限于实施例中所公开数值，事实上只要工艺参数满足如下：添加10-14％的二硫化钼，热压过程采取惰性气体保护，从室温升温80-100min至1120-1160℃，并在1030-1060℃时开始加压，加压至18-20Mpa，这个过程大约18-23min，保温保压55-65min，保温保压结束后自然冷却至580-620℃，同时保持压力在9-11Mpa，温度降至580-620℃以下，关闭压力，继续自然冷却至90-110℃以下，可将材料从炉中取出(降温过程大概持续5～7小时)时均满足要求。