一种固体润滑材料及其制备方法

1.本发明涉及固体润滑材料技术领域，尤其涉及一种基于机车轮轨固体润滑棒废料再利用的固体润滑材料及其制备方法。

背景技术：

2.现代轨道交通运输领域中，轮轨摩擦与润滑关系到机车牵引能量消耗、行车安全、轮轨材料消耗及维修成本等。随着列车运行速度的进一步提高，轮轨润滑的问题变得越来越突出。合理有效的轮轨润滑可减少轮轨摩擦，对节能和提高机车牵引效率有重要意义。轮轨润滑技术可分为车载轮缘润滑系统、车载钢轨润滑系统、地面钢轨润滑系统和车载轮缘固体润滑系统。
3.目前已有多篇专利报道了机车轮缘固体润滑材料的制备及应用(u.s.5308516、u.s.5173204、wo90/15123、u.s.20060264336、u.s.20080220997、ep0946693、cn200880009908、cn200980149860、cn202111669142.3)，上述专利虽提及用不饱和树脂为载体制备轮轨用固体润滑棒组合物，确有良好的润滑特性；但由于不饱和聚酯树脂为液相，成型方法多为浇注成型。浇注成型由于模具本身结构的限制，所生产的产品需要进行必要的打磨以满足外观要求，这就产生了一定量的粉尘废料，目前大多将废料当作固废进行处理。
4.模压成型(又称压制成型或压缩成型)是先将粉状，粒状或纤维状的塑料放入成型温度下的模具型腔中，然后闭模并加压而使其成型固化的作业。

技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题在于提供一种固体润滑材料，本技术提供的固体润滑材料具有优异的摩擦学性能。
6.有鉴于此，本技术提供了一种固体润滑材料，包括：
7.机车轮轨固体润滑棒废料
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60～100重量份；
8.粘合组分
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0～10重量份；
9.微纳增强材料
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10～30重量份；
10.所述机车轮轨固体润滑棒废料包括复合磺酸钙润滑脂2～5wt％、不饱和树脂40～70wt％、固化剂1～4wt％、极压抗磨添加剂20～50wt％、摩擦改进剂1～10wt％以及金属粉1～10wt％。
11.优选的，所述粘合组分选自卤代聚酯树脂、环氧乙烯基酯树脂、溴化双酚a环氧乙烯基酯树脂、双酚a环氧乙烯基酯树脂和阻燃溴化环氧乙烯基酯树脂中的一种或多种。
12.优选的，所述微纳增强材料包括纳米碳酸钙、玻璃纤维和碳纤维。
13.优选的，所述纳米碳酸钙、玻璃纤维和碳纤维的质量比为1：(0.5～2)：0.1～0.5)。
14.优选的，所述纳米碳酸钙、玻璃纤维和碳纤维的质量比为1：(0.8～1.5)：(0.3～0.5)。
15.6、根据权利要求1所述的固体润滑材料，其特征在于，所述机车轮轨固体润滑棒废料的含量为70～90重量份。
16.优选的，所述粘合组分的含量为6～10重量份。
17.优选的，所述微纳增强材料的含量为15～25重量份。
18.本技术还提供了所述的固体润滑材料的制备方法，包括以下步骤：
19.按照比例关系将机车轮轨固体润滑棒废料、粘合组分和微纳增强材料混合，得到预混料；
20.将所述预混料模压成型，得到固体润滑材料。
21.优选的，所述模压成型的温度为20～30℃，压力为10～15mpa，保压的时间为0.5～2h。
22.本技术提供了一种固体润滑材料，其包括机车轮轨固体润滑棒废料、粘合组分和微纳增强材料；本技术以机车轮轨固体润滑棒后处理打磨废料为原料，加入粘合组分，提高了废料的粘合强度，解决了废料再利用生产过程中，废料粉末之间空隙率大，粘附强度不足，接触不致密，固体润滑材料力学性能不足的问题；同时，微纳增强材料使固体润滑材料的力学性能进一步加强，硬度提高从而提升其耐磨性能，在实际应用过程中，减磨抗磨性能提高，服役寿命长；进一步的，本技术以纳米碳酸钙、玻璃纤维和碳纤维作为微纳增强材料，不同粒径填料的复配使用，在一定程度上改善了固体润滑材料在使用时的摩擦学性能，在使用时，配合废料再粉末中所含润滑类材料，进一步满足相关设备的润滑需求。
23.另一方面，本技术固体润滑材料以模压方法制备得到，该方法工艺简单，可操作性强，加工综合成本低，且制备的固体润滑材料具有更好的机械加工性能和优异的摩擦学性能。
附图说明
24.图1为本发明对比例1在不同加载力下的摩擦系数-时间曲线图其中，(a)图加载力6n，(b)图加载力12n；
25.图2为本发明实施例1在不同加载力下的摩擦系数-时间曲线图其中，(a)图加载力6n，(b)图加载力12n；
26.图3为本发明实施例2在不同加载力下的摩擦系数-时间曲线图其中，(a)图加载力6n，(b)图加载力12n；
27.图4为本发明实施例3在不同加载力下的摩擦系数-时间曲线图其中，(a)图加载力6n，(b)图加载力12n；
28.图5为本发明实施例4在不同加载力下的摩擦系数-时间曲线图其中，(a)图加载力6n，(b)图加载力12n；
29.图6为本发明实施例5在不同加载力下的摩擦系数-时间曲线图其中，(a)图加载力6n，(b)图加载力12n；
30.图7为本发明实施例6在不同加载力下的摩擦系数-时间曲线图其中，(a)图加载力6n，(b)图加载力12n；
31.图8为本发明实施例1制备的固体润滑棒试样的实物照片。
具体实施方式
32.为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
33.本发明提供了一种固体润滑材料，其引入了机车轮轨固体润滑棒废料，并通过与粘合组分和微纳增强材料配合，有效解决当前机车轮轨固体润滑材料大规模工业化生产过程中所存在的问题，且具有优异的摩擦学性能和转移性能。具体的，本发明实施例公开了一种固体润滑材料，包括：
34.机车轮轨固体润滑棒废料
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60～100重量份；
35.粘合组分
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0～10重量份；
36.微纳增强材料
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10～30重量份；
37.所述机车轮轨固体润滑棒废料包括复合磺酸钙润滑脂2～5wt％、不饱和树脂40～70wt％、固化剂1～4wt％、极压抗磨添加剂20～50wt％、摩擦改进剂1～10wt％以及金属粉1～10wt％。
38.本技术提供的固体润滑材料中的主体材料为机车轮轨固体润滑棒废料，其是机车轮轨固体润滑棒的边角料；其具体包括复合磺酸钙润滑脂2～5wt％、不饱和树脂40～70wt％、固化剂1～4wt％、极压抗磨添加剂20～50wt％、摩擦改进剂1～10wt％以及金属粉1～10wt％。
39.所述复合磺酸钙润滑脂作为一类新型润滑脂，与其他高温润滑脂相比性能十分全面，其本身具有优异的高温性能、抗水性能、极压抗磨性能和防锈性能。复合磺酸钙润滑脂所含的方解石纳米碳酸钙颗粒被磺酸钙胶束所包裹，即其为含有纳米碳酸钙颗粒的胶体体系，利用胶体体系，可以提高纳米二氧化硅的分散性，降低其团聚现象。通过采用上述技术方案，将复合磺酸钙润滑脂作为润滑组分加入到固体润滑棒体系，利用其所含的润滑油及纳米碳酸钙，与其他润滑、抗磨材料配合，具有协同作用，使固体润滑棒兼具润滑脂润滑、固体润滑以及纳米润滑的优势。
40.所述不饱和树脂选自卤代聚酯树脂、环氧乙烯基酯树脂、溴化双酚a环氧乙烯基酯树脂、双酚a环氧乙烯基酯树脂和阻燃溴化环氧乙烯基酯树脂中的一种或多种。本技术以不饱和树脂作为高分子成型材料，相较于热塑性树脂，热固性的不饱和树脂具有强度高、耐磨性好、抗冲击力强的优点，可以提高固体润滑棒的成型性，延长其使用时间。
41.所述固化剂选自环烷酸钴、过氧化甲乙酮、过硫酸钾、偶氮二异和过硫酸铵中的一种或它们的混合。
42.所述极压抗磨添加剂选自二硫化钼、二硫化钨、氮化硼和石墨中的一种或多种。所述极压抗磨添加剂的粒径为300目。
43.通过采用上述技术方案，二硫化钼、二硫化钨、氮化硼、石墨作为极压抗磨添加剂，可以降低金属材料在高负荷下的磨损，提高其抗磨性能。
44.所述摩擦改进剂选自粉煤灰、有机膨润土、滑石粉、硬脂酸镁、硬脂酸铝和硅酸铝镁中的一种或多种。所述摩擦改进剂的粒径为300目。
45.所述金属粉选自铝粉、锌粉、锡粉、青铜粉、铜粉、银粉和金粉中的一种或多种。所述金属粉的粒径为500目。
46.本技术中，所述机车轮轨固体润滑棒按照本领域技术人员熟知的方法制备，其废料是主料的切割料；本技术将其再次利用，在实现废物再利用的同时还可进一步提高固体润滑材料的性能。
47.在本技术中，粘合组分选自不饱和树脂，其具体选自卤代聚酯树脂、环氧乙烯基酯树脂、溴化双酚a环氧乙烯基酯树脂、双酚a环氧乙烯基酯树脂和阻燃溴化环氧乙烯基酯树脂中的一种或多种。本技术优选以不饱和树脂作为粘合剂，其具有强度高、耐磨性好、抗冲击力强的优点，可以提高固体润滑材料的成型性能，使服役寿命显著提高。
48.所述微纳增强材料包括纳米碳酸钙、玻璃纤维和碳纤维，具体的，所述纳米碳酸钙、玻璃纤维和碳纤维的质量比为1：(0.5～2)：0.1～0.5)，更具体的，所述纳米碳酸钙、玻璃纤维和碳纤维的质量比为1：(0.8～1.5)：(0.3～0.5)。
49.本技术中，所述机车轮轨固体润滑棒废料的含量为70～90重量份，所述粘合组分的含量为6～10重量份，所述微纳增强材料的含量为15～25重量份。
50.在本技术提供的固体润滑材料料中，在玻璃纤维和碳纤维的作用下，纳米碳酸钙能对废料粉体起到牢固的负载作用，不易脱落，从而使固体润滑材料的耐磨性能显著提高，且在摩擦过程中，摩擦热不断积聚，对磨面温度不断上升，磨损表面局部区域产生瞬时高温，对纳米碳酸钙瞬间活化，温度升高使聚醚醚酮的粘度下降，在碳纤维和玻璃纤维的拉力下，纳米碳酸钙不易在外荷载作用下出现偏向移动，从而使得固体润滑材料的摩擦性能均匀。与现有的机车轮缘固体润滑棒废料当作固废处理相比，本发明所公开的废料再利用的固体润滑材料能够显著降低摩擦系数，提高抗磨损性能，降低金属表面的磨损，无污染等特点。
51.本技术还提供了固体润滑材料的制备方法，包括以下步骤：
52.按照比例关系将机车轮轨固体润滑棒废料、粘合组分和微纳增强材料混合，得到预混料；
53.将所述预混料模压成型，得到固体润滑材料。
54.通过采用上述技术方案，将各原料混合充分后，使用模压成型制备固体润滑材料，制成的产品转移性能好，润滑性能优异，制作方法易于操作。
55.在上述制备方法中，所述混合的搅拌转速为800～1000rpm，搅拌时间为15～30min；在此条件下搅拌，能使各原料之间充分均和，降低固体润滑材料表面的孔隙率，减少气孔率，提升致密度。
56.在本技术中，所述模压成型条件为：温度为室温，压力为10～12mpa，保压时间为0.5～2h。
57.通过采用上述制备方法，在室温条件下模压成型，能使微纳增强材料等物质在机车轮轨固体润滑棒废料中分散均匀，呈现三维网络状，形成良好的复合效果。
58.为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的固体润滑材料及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
59.对比例
60.称取100.0g废料粉料置于模具之中，温条件下加压12.0mpa并保持10min，模压成型制备固体润滑材料，顶出并置于120℃烘箱之中烘烤退火处理0.5h并冷却至室温，即可获得轮轨用固体润滑棒产品。
61.实施例1～6
62.称取如表1、表2中配料，经过预混合(搅拌速度900rpm，搅拌25min)后置于模具之中，温条件下加压12.0mpa并保持10min，模压成型制备固体润滑材料，顶出并置于120℃烘箱之中烘烤退火处理0.5h并冷却至室温即可获得轮轨用固体润滑棒产品。
63.表1实施例和对比例配料和硬度数据表
64.项目废料粉料粘合组分增强材料里氏硬度，hld对比例10000343实施例190010341实施例280020409实施例370030442实施例4801010461实施例5701020449实施例6601030478
65.表2实施例和对比例具体成分数据表
[0066][0067]
表2中，车间切割废料即为机车轮轨固体润滑棒的切割废料，其由溴化双酚a环氧乙烯基酯树脂44.78wt％、二硫化钼44.78％、铜粉2.24wt％、硅酸铝镁2.24wt％、复合磺酸钙润滑脂4.93wt％、过氧化甲乙酮1.12wt％制备的机车轮缘固体润滑棒切割制得。
[0068]
将对比例1及实施例1～6制备的固体润滑棒产品加工成12.2mm*12.2mm*5.0mm的实验块体，采用经gpm-30滚动接触疲劳试验机以机车用实际轮轨材料加工主试件和陪试件点接触试轮综合评价其摩擦学性能，具体过程如下：将被测试样和陪试样安装在试验机的试样安装位置并加载固体润滑材料，加载力6n和12n，主试件的转速均为500转/分，主试样与陪试样保持约10％的滑差率；10分钟后撤除固体润滑材料，待摩擦系数升高至主试件与陪试件干摩擦摩擦系数时，停止试验，试验曲线参见图1～7，实验结果如下：
[0069]
对于对比例1，由图1可知，润滑块体加载力为6n时，在加载阶段摩擦系数出现先下降后上升的趋势，摩擦系数最小在0.17左右，撤除润滑块以后其摩擦系数逐渐上升，直至干
摩擦状态用时大约750s；加载力为12n时，在加载阶段摩擦系数维持在0.35以上，且整体呈现上升趋势，撤除润滑块以后其摩擦系数迅速上升，直至干摩擦状态用时大约170s。
[0070]
对于实施例1，由图2可知，加载力为6n时，在加载阶段摩擦系数维持在0.38～0.68之间，呈现先下降后上升的趋势，撤除润滑块以后其摩擦系数迅速上升，直至干摩擦状态用时大约80s；加载力为12n时，在加载阶段摩擦系数维持在0.18～0.21之间，撤除润滑块以后其摩擦系数逐渐上升，直至干摩擦状态用时大约310s。
[0071]
对于实施例2，由图3可知，润滑块体加载力为6n时，在加载阶段摩擦系数维持在0.4～0.6之间，且整体呈现上升趋势，撤除润滑块以后其摩擦系数逐渐上升，直至干摩擦状态用时大约200s；加载力为12n时，在加载阶段摩擦系数出现先下降后上升的趋势，摩擦系数最小在0.21左右，在220s至600s之间摩擦系数维持在0.5～0.6之间，撤除润滑块以后其摩擦系数迅速上升，直至干摩擦状态用时大约100s。
[0072]
对于实施例3，由图4可知，润滑块体加载力为6n时，在加载阶段摩擦系数维持在0.42～0.65之间，且整体呈现上升趋势，撤除润滑块以后其摩擦系数迅速上升，直至干摩擦状态用时大约80s；加载力为12n时，在加载阶段摩擦系数出现先下降后上升再下降的趋势，摩擦系数最小在0.28左右，最大在0.62左右，撤除润滑块以后其摩擦系数迅速上升，直至干摩擦状态用时大约70s。
[0073]
对于实施例4，由图5可知，加载力为6n时，在加载阶段摩擦系数在0.30左右，撤除润滑块以后其摩擦系数出现先上升后下降的趋势，上升阶段摩擦系数维持在0.35左右，总共可以维持460s的时间；加载力为12n时，在加载阶段摩擦系数在0.12～0.18之间，撤除润滑块以后其摩擦系数出现先升后降的趋势，总共可以维持950s的时间。
[0074]
对于实施例5，由图6可知，加载力为6n时，在加载阶段摩擦系数维持在0.2～0.45之间，整体呈现上升趋势，撤除润滑块以后其摩擦系数逐渐上升，直至干摩擦状态用时大约680s；加载力为12n时，在加载阶段摩擦系数维持在0.38～0.60之间，呈现先下降后上升的趋势，撤除润滑块以后其摩擦系数逐渐上升，直至干摩擦状态用时大约100s。
[0075]
对于实施例6，由图7可知，加载力为6n时，在加载阶段摩擦系数维持在0.42～0.70之间，整体呈现上升趋势，未撤除润滑块前其摩擦系数已经达到干摩擦状态；加载力为12n时，在加载阶段摩擦系数维持在0.35～0.62之间，呈现先下降后上升的趋势，撤除润滑块以后其摩擦系数迅速上升，直至干摩擦状态用时大约50s。
[0076]
模压法制备固体润滑材料，磨损性能如表3所示；
[0077]
表3模压法制备块体gpm-30测试数据汇总
[0078]
[0079][0080]
按照对比例和实施例中的方法，将固体润滑材料制成5*8*24mm的试条，按照以下方法检测固体润滑材料的性能，将检测结果记录于表4中：
[0081]
1、密度：按照gb/t1033.1-2008《塑料非泡沫塑料密度的测定第1部分：浸渍法、液体比重瓶法和滴定法》进行检测；
[0082]
2、硬度；按照里氏硬度，hld的检测方法进行；
[0083]
表4固体润滑材料的性能检测结果数据表
[0084]
项目外观(目测)密度(g/cm3)里氏硬度，hld对比例表面平整的黑固体1.85343实施例1表面平整的黑固体1.90341实施例2表面平整的黑固体1.93409实施例3表面平整的黑固体1.95442实施例4表面平整的黑固体1.83449实施例5表面平整的黑固体1.88461实施例6表面平整的黑固体1.92478
[0085]
图8为上述实施例1制备的固体润滑棒试块实物照片，由图可以看出，固体润滑棒表面光滑。
[0086]
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
[0087]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：

1.一种固体润滑材料，包括：机车轮轨固体润滑棒废料
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60～100重量份；粘合组分
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0～10重量份；微纳增强材料
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10～30重量份；所述机车轮轨固体润滑棒废料包括复合磺酸钙润滑脂2～5wt％、不饱和树脂40～70wt％、固化剂1～4wt％、极压抗磨添加剂20～50wt％、摩擦改进剂1～10wt％以及金属粉1～10wt％。2.根据权利要求1所述的固体润滑材料，其特征在于，所述粘合组分选自卤代聚酯树脂、环氧乙烯基酯树脂、溴化双酚a环氧乙烯基酯树脂、双酚a环氧乙烯基酯树脂和阻燃溴化环氧乙烯基酯树脂中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的固体润滑材料，其特征在于，所述微纳增强材料包括纳米碳酸钙、玻璃纤维和碳纤维。4.根据权利要求3所述的固体润滑材料，其特征在于，所述纳米碳酸钙、玻璃纤维和碳纤维的质量比为1：(0.5～2)：0.1～0.5)。5.根据权利要求3或4所述的固体润滑材料，其特征在于，所述纳米碳酸钙、玻璃纤维和碳纤维的质量比为1：(0.8～1.5)：(0.3～0.5)。6.根据权利要求1所述的固体润滑材料，其特征在于，所述机车轮轨固体润滑棒废料的含量为70～90重量份。7.根据权利要求1所述的固体润滑材料，其特征在于，所述粘合组分的含量为6～10重量份。8.根据权利要求1所述的固体润滑材料，其特征在于，所述微纳增强材料的含量为15～25重量份。9.权利要求1所述的固体润滑材料的制备方法，包括以下步骤：按照比例关系将机车轮轨固体润滑棒废料、粘合组分和微纳增强材料混合，得到预混料；将所述预混料模压成型，得到固体润滑材料。10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述模压成型的温度为20～30℃，压力为10～15mpa，保压的时间为0.5～2h。

技术总结

本发明提供了一种固体润滑材料，包括：机车轮轨固体润滑棒废料60～100重量份，粘合组分0～10重量份，微纳增强材料10～30重量份。本申请还提供了固体润滑材料的制备方法。本申请提供的固体润滑材料可以有效解决当前机车轮轨固体润滑材料大规模工业化生产过程中所存在的问题，且制备的固体润滑材料其具有以下优点：机械性能较稳定，模具的维护费用较低，制品的收缩率小且重复性较好，生产率高，便于实现专业化和自动化生产，成本低廉。成本低廉。