專利名稱：鐵基自潤滑耐磨合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵基自潤滑耐磨合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)制造、航空航天、原子能和軍事等領(lǐng)域都對大氣及特殊環(huán)境下的高溫潤滑問題提出了越來越多的迫切需求。高溫下作為摩擦學(xué)部件使用的工程材料要在惡劣的環(huán)境和摩擦學(xué)條件下工作，高溫氧化、高的摩擦和嚴(yán)重的磨損會導(dǎo)致工程材料很快失效。在冶金、能源、建材和石油化工等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，存在高溫、高速、重載和高粉塵等惡劣的工況條件和工作環(huán)境。由于難以注油潤滑或潤滑油脂失效，使機(jī)械設(shè)備維護(hù)困難，經(jīng)常導(dǎo)致軸承等摩擦學(xué)部件失效，致使生產(chǎn)設(shè)備損壞、生產(chǎn)過程中斷，甚至造成生產(chǎn)事故。研究表明，由于受到高溫潤滑問題的困擾，從材料的機(jī)械和摩擦學(xué)綜合性能來看，可供選擇的現(xiàn)成材料還十分有限。因此，迫切需要開發(fā)能抵抗高溫惡劣環(huán)境和摩擦學(xué)條件破壞的新型減摩耐磨材料和探討新的潤滑方法。
利用過渡族金屬元素的硫?qū)倩衔?包括硫化物、硒化物和碲化物，如MoS2、WS2和NbSe2等)的低摩擦特性實現(xiàn)有效潤滑，制備自潤滑材料的方法已為人們所知，并在實際中采用。其中，在鐵基和鎳基合金中加入活性元素S或Se，有選擇地形成某些合金元素和S或Se元素的化合物而使合金具有減摩耐磨自潤滑特性，是制備高溫自潤滑耐磨材料的一種有效方法。
US 3,825,416公開了一種化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為總量5～30％的Ti、Zr、V、Nb、Ta、Mo和W中至少一種合金元素，0.5～5％S或Se，余量為Fe的自潤滑鐵基合金。并指出摩擦系數(shù)的減小明顯是由于合金中形成了非鐵合金元素和S或Se元素的化合物。所以，合金中加入的S或Se元素的量，應(yīng)與非鐵合金元素的量相適應(yīng)。
CN 1082620A、CN 10513370C、和CN1360075等分別公開了在鎳基合金中加入元素S或Se，研制、開發(fā)的具有較高機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性和高溫抗氧化性及良好自潤滑特性的自潤滑鎳-鉻合金、含硫高溫自潤滑鎳基合金和鎳基自潤滑合金。
CN 1049015C公開了一種由鐵、碳、硫及合金元素組成的高硫合金鋼，“其特征在于其中硫含量為0.5～11％”。但該專利在說明書和權(quán)利要求書中，均未明確說明“高硫合金鋼”除元素S以外的其他合金元素(如其所述的C、Mo、或W、Mn)的含量，明顯存在公開不充分的重大缺陷。其權(quán)利要求3“根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所加入的合金元素可以分別是鉬合金、鎢合金、錳合金”的表述，也存在將“合金”與“合金元素”混淆的概念錯誤。
CN 118812A、CN 1271028A和CN 1278563A分別公開了“經(jīng)退火處理的新型耐磨合金鋼”、“鉻鎢硫化物減磨鑄鋼”和“固體自潤滑高耐磨合金鑄件材料”，其共同特征在于材料中含有0～3％不等的元素S，并采用熔融鑄造法制備。
CN 1062029C公開了針對輕型高效熱引擎和先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)等高溫機(jī)構(gòu)的摩擦學(xué)部件研制開發(fā)的含硫鐵基高溫自潤滑耐磨合金及其制備方法。雖然，該合金具有較高機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性和高溫抗氧化性，在20～600℃的溫度范圍內(nèi)具有低摩擦、耐磨損的良好自潤滑特性，并在專利實施中取得了成功，但是，對冶金、能源、建材和石油化工等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的高溫、高速、重載和高粉塵等惡劣工況下工作的易耗損摩擦學(xué)部件(例如高溫軸承、軸套、滑板、密封件和控制閥等)而言，制備采用的原料(如純鐵和金屬鉻等)價格偏高，配方中較昂貴合金元素Mo的含量偏大。另外，采用的熔模鑄造成型方法成本也較高。由于市場上有大量的可利用的廢鋼資源和可供選擇的各種碳含量不同、價格明顯低于金屬鉻的鉻-鐵中間相合金(微碳鉻鐵、中碳鉻鐵、高碳鉻鐵)，采用普通的砂型鑄造成型方法代替熔模鑄造成型方法能夠大幅度降低成本。因此，為降低材料的制造成本，本發(fā)明通過改換原料、調(diào)整配方和改變制備方法等對CN1220320A做了改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是為冶金、能源、建材和石油化工等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域在室溫至600℃溫度范圍內(nèi)工作的金屬熱加工機(jī)械和高溫工藝過程等高溫機(jī)構(gòu)的高溫軸承、導(dǎo)向套、軸瓦、滑板、密封件和控制閥等摩擦學(xué)部件，提供一種具有較高機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性和高溫抗氧化性，并在20～600℃溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)低摩擦、耐磨損良好自潤滑特性的鐵基自潤滑耐磨合金。
本發(fā)明的另一個目的就是提供鐵基自潤滑耐磨合金的制備方法。
本發(fā)明提供的鐵基自潤滑耐磨合金的化學(xué)成分為B0.01～0.06％，C0～0.50％，Si0.10～0.50％，Cr5.0～22％，Ni2.0～6.0％.Mo2.0～8.0％，W0～6.0％，Cu0～1.5％，S0.6～5.5％和少量不可避免的雜質(zhì)，余量為Fe，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計。
鐵基自潤滑耐磨合金采用中頻感應(yīng)熔煉、普通砂型鑄造成型工藝制備。
將合金的化學(xué)成分限制在上述范圍是因為(1)C元素C主要與合金元素W、Mo和Cr作用，形成MC、M23C6和M7C3(M表示W(wǎng)、Mo和Cr等合金元素或其復(fù)合)等型碳化物硬質(zhì)耐磨相，彌散分布在鐵基固溶體基體中提高合金的硬度和耐磨性。對于固溶強(qiáng)化類的自潤滑耐磨鐵基合金，可以不添加C。當(dāng)C含量超過0.50％時，合金的硬度過大，脆性增大，并使機(jī)加工性能變差。所以，C的含量應(yīng)限制在0～0.50％的范圍內(nèi)。
(2)Cr元素Cr是硫化物形成元素，也能與元素C作用，形成MC、M23C6和M7C3(M表示W(wǎng)、Mo和Cr等合金元素或其復(fù)合)等型彌散分布的碳化物硬質(zhì)耐磨相，還能溶入合金基體中起固溶強(qiáng)化作用。添加Cr有利于提高合金的機(jī)械強(qiáng)度，耐熱性和高溫抗氧化性，改善合金的摩擦磨損性能。如果Cr的含量低于5.0％，合金的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性等提高不顯著，摩擦磨損性能改善不明顯；若Cr含量高于22％，合金的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性等不會再有明顯提高。故Cr的含量應(yīng)限制在5.0～22％的范圍內(nèi)。
(3)Mo和WMo和W能固溶于鐵合金基體中起固溶強(qiáng)化作用，也能與元素C作用，形成MC、M23C6和M7C3(M表示W(wǎng)、Mo和Cr等合金元素或其復(fù)合)等型彌散分布的碳化物硬質(zhì)耐磨相，提高合金的強(qiáng)度、耐熱性和耐磨性。Mo含量低于2.0％時，對提高合金的強(qiáng)度、耐磨性和耐熱性的作用不大；含量8.0％時，合金的性能改善不再明顯。與Mo相伴，添加0～6.0％的W更有助于提高合金的強(qiáng)度、耐熱性和耐磨性。
(4)S元素S的加入是為了在合金中形成Cr3S4等硫化物潤滑相使合金具有自潤滑性，改善合金的摩擦磨損性能。如果S含量低于0.6％，合金的自潤滑性不顯著；若S含量大于5.5％，合金的沖擊強(qiáng)度過低而影響實際使用。故S含量應(yīng)限制在0.6～5.5％范圍內(nèi)。S的最佳含量為1.5～4.0％。
(5)Ni元素Ni能固溶于鐵合金中起固溶強(qiáng)化作用，提高合金的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性和耐磨性。Ni的最佳含量為2.0～6.0％。
(6)Si在合金中加入0.10～0.50％的元素Si可提高合金高溫下的強(qiáng)度。Si的最佳含量約為0.30％。
(7)B在合金中加入0.01～0.06％的元素B可以改善晶界形態(tài)，提高合金的持久使用壽命，并顯著改善持久缺口敏感性。
(8)Cu在合金加入元素少量Cu元素能明顯提高合金熔體的流動性，從而改善合金的鑄造工藝性能。其最佳含量約為1.0％。
自潤滑耐磨鎳基合金采用中頻感應(yīng)熔煉、砂型鑄造成型工藝方法制備，具體步驟如下1.配料。選用廢鋼、鉻鐵、鉬鐵、鎢鐵、硅鐵、硼鐵、電解鎳、硫化亞鐵和電解銅及合金澆、冒口為原料。制備前按比例稱取原料，待用(合金澆冒口的用量不大于熔煉合金量的30％)。
2.熔煉。合金熔煉在中頻感應(yīng)爐中進(jìn)行(A)首先，將廢鋼和電解鎳及合金澆、冒口放入爐中加熱熔化；(B)再分別加入鉻鐵、鉬鐵、鎢鐵、硅鐵、硼鐵，繼續(xù)加熱至熔化。待化清后，加入脫氧劑和除氣劑，脫氧、除氣；(C)然后，加入硫化亞鐵，使之熔化。待化清后，將溫度控制在1360～1420℃，保溫15～25分鐘；(D)保溫結(jié)束后，加入電解銅和占熔煉合金量0.10～0.40％的CeO2，加大功率使合金熔體過熱，并將其溫度控制在1450～1510℃的澆注溫度，等待澆注。
3.鑄造(A)砂型準(zhǔn)備。按照所制零部件的幾何形狀和尺寸制作毛坯的砂型；(B)澆注。將達(dá)到1450～1510℃澆注溫度的合金熔體平穩(wěn)、連續(xù)地澆注于準(zhǔn)備好的砂型中；(C)凝固后，在鑄件周圍擁砂保溫，在空氣中緩慢冷卻。打破砂型，去掉澆冒口，即得到合金的鑄坯。
具有上述化學(xué)成分，并通過上述工藝方法制備的鐵基自潤滑耐磨合金的物理-機(jī)械和摩擦磨損性能如表1、2所示。
表1鐵基自潤滑耐磨合金的物理-機(jī)械性能

表2鐵基自潤滑耐磨合金的摩擦磨損性能

注摩擦系數(shù)和磨損率是與淬火高速鋼W18Cr4V及自身配副時測得。
本發(fā)明的特點之一是，本發(fā)明提供的鐵基自潤滑耐磨合金在室溫至600℃寬溫度范圍內(nèi)都呈現(xiàn)低摩擦、耐磨損的良好自潤滑特性。
本發(fā)明的特點之二是，本發(fā)明提供的鐵基自潤滑耐磨合金具有良好的摩擦配伍性，無論與淬火高速鋼Wr18Cr4V及自身配副，都具有摩擦系數(shù)低、自身及對偶磨損均小的良好摩擦學(xué)特性。
本發(fā)明的特點之三是，本發(fā)明提供的鐵基自潤滑耐磨合金既具有低摩擦、耐磨損的良好自潤滑特性，又具有較高機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性。
本發(fā)明的特點之四是，本發(fā)明提供的鐵基自潤滑耐磨合金適合制做在大氣環(huán)境中、20～600℃溫度范圍內(nèi)工作的金屬熱加工機(jī)械和高溫工藝過程等高溫機(jī)構(gòu)的高溫軸承、導(dǎo)向套、滑塊、軸套、滑板、密封件和控制閥等摩擦學(xué)部件，具有廣泛的應(yīng)用前景。
本發(fā)明的特點之五是，本發(fā)明提供的中頻感應(yīng)熔煉、砂型鑄造成型的制備方法，能夠方便、快捷地制備合金，具有合金組分燒損小，成分容易控制，合金熔煉與成型一次完成等特點。熔煉中CeO2的加入，能改善合金的鑄造性能和合金中硫化物的分布形態(tài)，有利于提高合金的強(qiáng)度和沖擊韌性。
本發(fā)明通過有目的地設(shè)計合金的化學(xué)成分和工藝參數(shù)控制，利用在鐵基合金中加入活性元素S，在熔煉過程與Cr等合金元素形成具有減摩潤滑作用的硫化物保留在合金中，改善摩擦磨損性能，使合金具有自潤滑特性，是本發(fā)明的另一個主要特點。
鐵基自潤滑耐磨合金采用中頻感應(yīng)熔煉、鑄造成型工藝制備。該合金具有較高機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性和高溫抗氧化性，并在20～600℃溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)低摩擦、耐磨損的良好自潤滑特性，適合制作冶金、能源、建材和石油化工等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的在大氣環(huán)境中、室溫至600℃溫度范圍內(nèi)工作的金屬熱加工機(jī)械和高溫工藝過程設(shè)備等高溫機(jī)構(gòu)的高溫軸承、軸套、滑板、軸瓦、密封件和控制閥等摩擦學(xué)部件，具有廣泛的應(yīng)用前景。
具體實施例方式
實施例1采用中頻感應(yīng)熔煉、砂型鑄造成型方法制備的化學(xué)成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)為B0.02％，C0.30％，Si0.30％，Cr12％，Ni2.0％，Mo4.0％，Cu1.0％，S3.0％和少量不可避免的雜質(zhì)，余量為Fe的鐵基自潤滑耐磨合金，密度為7.96g/cm3，硬度為HRC42，沖擊強(qiáng)度為0.43×105J/m2，抗壓強(qiáng)度20℃時為1064MPa，600℃時為532MPa，與淬火高速鋼W18Cr4V及自身配副，在20～600℃溫度范圍內(nèi)摩擦系數(shù)為0.38～0.20，磨損率為0.71～4.28×10-14m3/N·m。用該合金制做的高溫軸承，代替軋機(jī)鋼坯輸送輥道5220、5224、3514和3516等軸承，使用壽命可提高7倍以上。
實施例2采用中頻感應(yīng)熔煉、砂型鑄造成型方法制備的化學(xué)成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)為B0.03％，C0.20％，Si0.30％，Cr14％，Ni5.0％，Mo5.0％，W5.0％，Cu1.0％，S2.6～3.2％和少量不可避免的雜質(zhì)，余量為Fe的鐵基自潤滑耐磨合金，密度密度為7.82g/cm3，硬度為HRC48，沖擊強(qiáng)度為0.40×105J/m2；抗壓強(qiáng)度20℃時為1124MPa，600℃時為552MPa，與淬火高速鋼W18Cr4V及自身配副，在20～600℃溫度范圍內(nèi)摩擦系數(shù)為0.34～0.19，磨損率為0.51～3.74×10-14m3/N·m。用該合金制做的高溫軸承代替連鑄機(jī)鋼坯輸送輥道和拉矯機(jī)317、3136和3524等軸承，在潤滑脂不能正常保證供給的情況下，使用壽命可提高10倍以上。
實施例3化學(xué)成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)為B0.02％，Si0.30％，Cr10％，Ni3.0％，Mo6.0％，W5.0％，Cu1.0％，S1.8～2.2％和少量不可避免的雜質(zhì)，余量為Fe的鐵基自潤滑耐磨合金，密度密度為8.08g/cm3，硬度為HRC38，沖擊強(qiáng)度為0.56×105J/m2，與淬火高速鋼W18Cr4V及自身配副，在20～600℃溫度范圍內(nèi)摩擦系數(shù)為0.42～0.24，磨損率為0.64～5.18×10-14m3/N·m。用該合金制做的軸瓦和導(dǎo)襯板，代替混鐵爐和燒結(jié)機(jī)使用的銅瓦及400噸熱剪機(jī)使用的合金鑄鐵導(dǎo)襯板，在無潤滑的情況下，使用壽命分別可提高5倍以上。
實施例4化學(xué)成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)為B0.04％，C0.20％，Si0.30％，Cr14％，Ni2.0％，Mo6.0％，W4.0％，Cu1.0％，S2.8～3.4％和少量不可避免的雜質(zhì)，余量為Fe的鐵基自潤滑耐磨合金，密度密度為8.12g/cm3，硬度為HRC42，沖擊強(qiáng)度為0.32×105J/m2，抗壓強(qiáng)度20℃時為994MPa，600℃時為523MPa，與淬火高速鋼W18Cr4V及自身配副在20～600℃溫度范圍內(nèi)摩擦系數(shù)為0.32～0.22，磨損率為0.64～5.18×10-14m3/N·m。用該合金制做的軸套，代替各類冷床升降機(jī)構(gòu)使用的銅套，在高溫和冷卻水的交替作用和無法有效潤滑的惡劣的工況下，可免除對冷床擺動梁升降高度進(jìn)行調(diào)整，使用壽命延長15倍以上。
實施例5化學(xué)成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)為B0.02％，C0.20％，Si0.30％，Cr16％，Ni2.0％，Mo5.0％，W6.0％，Cu1.0％，S3.0％和少量不可避免的雜質(zhì)，余量為Fe的鐵基自潤滑耐磨合金，密度密度為7.82g/cm3，硬度為HRC46，沖擊強(qiáng)度為0.46×105J/m2，抗壓強(qiáng)度20℃時為1054MPa，600℃時為560MPa，與淬火高速鋼W18Cr4V及自身配副在20～600℃溫度范圍內(nèi)摩擦系數(shù)為0.32～0.20，磨損率為0.52～4.24×10-14m3/N·m。該合金適用于制做在600℃溫度以下工作的各種高溫工藝過程設(shè)備等高溫機(jī)構(gòu)的滑動與動密封部件。
權(quán)利要求
1.一種鐵基自潤滑耐磨合金，其特征是化學(xué)成分為B0.01～0.06％，C0～0.50％，Si0.10～0.50％，Cr5.0～22％，Ni2.0～6.0％，Mo2.0～8.0％，W0～6.0％，Cu0～1.5％，S0.6～5.5％和少量不可避免的雜質(zhì)，余量為Fe，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計。
2.如權(quán)利要求1所述的鐵基自潤滑耐磨合金，其特征是合金化學(xué)成分為B0.03％，C0.30％，Si0.30％，Cr12％，Ni2.0％，Mo4.0％，Cu1.0％，S3.0％和少量不可避免的雜質(zhì)，余量為Fe，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計。
3.如權(quán)利要求1所述的鐵基自潤滑耐磨合金，其特征是合金化學(xué)成分為B0.03％，C0.30％，Si0.30％，Cr14％，Ni3.0％，Mo5.0％，W5.0％，Cu1.0％，S2.6～3.2％和少量不可避免的雜質(zhì)，余量為Fe，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計。
4.如權(quán)利要求1所述的鐵基自潤滑耐磨合金，其特征是合金化學(xué)成分為B0.02％，Si0.30％，Cr10％，Ni3.0％，Mo6.0％，W5.0％，Cu1.0％，S1.8～2.2％和少量不可避免的雜質(zhì)，余量為Fe，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計。
5.如權(quán)利要求1所述的鐵基自潤滑耐磨合金，其特征是合金化學(xué)成分為B0.02％，C0.20％，Si0.30％，Cr14％，Ni2.0％，Mo6.0％，W4.0％，Cu1.0％，S2.8～3.4％和少量不可避免的雜質(zhì)，余量為Fe，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計。
6.如權(quán)利要求1所述的鐵基自潤滑耐磨合金，其特征是合金化學(xué)成分為B0.02％，C0.20％，Si0.30％，Cr16％，Ni2.0％，Mo5.0％，W6.0％，Cu1.0％，S3.0％和少量不可避免的雜質(zhì)，余量為Fe，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計。
7.如權(quán)利要求1所述鐵基自潤滑耐磨合金的制備方法，該包括配料、熔煉、鑄造三個步驟，其特征在于(1)配料選用廢鋼、鉻鐵、鉬鐵、鎢鐵、硅鐵、硼鐵、電解鎳、硫化亞鐵和電解銅及合金澆、冒口為原料；制備前按比例稱取原料，待用，其中合金澆、冒口的用量不大于熔煉合金量的30％；(2)熔煉合金熔煉在中頻感應(yīng)爐中進(jìn)行(A)首先，將廢鋼和電解鎳及合金澆、冒口放入爐中加熱熔化；(B)再分別加入鉻鐵、鉬鐵、鎢鐵、硅鐵、硼鐵，繼續(xù)加熱至熔化，待化清后，加入脫氧劑和除氣劑，脫氧、除氣；(C)然后，加入硫化亞鐵，使之熔化，待化清后，將溫度控制在1360～1420℃，保溫15～25分鐘；(D)保溫結(jié)束后，加入電解銅和占熔煉合金量0.10～0.40％的CeO2，使合金熔體過熱，并將其溫度控制在1450～1510℃的澆注溫度，等待澆注；(3)鑄造(A)砂型準(zhǔn)備按照所制零部件的幾何形狀和尺寸制備制作毛坯的砂型；(B)澆注；將達(dá)到1450～1510℃澆注溫度的合金熔體連續(xù)澆注于準(zhǔn)備好的砂型中；(C)凝固后，在鑄件周圍擁砂保溫，在空氣中緩慢冷卻；打破砂型，去掉澆、冒口，即得到合金的鑄坯。
全文摘要
本發(fā)明公開一種鐵基自潤滑耐磨合金及其制備方法。鐵基自潤滑耐磨合金采用中頻感應(yīng)熔煉、鑄造成型工藝制備。該合金具有較高機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性和高溫抗氧化性，并在20～600℃溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)低摩擦、耐磨損的良好自潤滑特性，適合制作冶金、能源、建材和石油化工等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的在大氣環(huán)境中、室溫至600℃溫度范圍內(nèi)工作的金屬熱加工機(jī)械和高溫工藝過程設(shè)備等高溫機(jī)構(gòu)的高溫軸承、軸套、滑板、軸瓦、密封件和控制閥等摩擦學(xué)部件，具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號C22C38/54GK1644749SQ20041009021
公開日2005年7月27日 申請日期2004年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月26日
發(fā)明者劉近朱, 趙鳳華, 趙鳳歧 申請人:中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所, 安陽市豐華福利機(jī)械廠