專利名稱：用于形成自潤滑燒結鋼產品的粒狀材料組合物，自潤滑燒結鋼產品和獲得自潤滑燒結鋼 ...的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及由設計用于燒結的粒狀材料(以金屬和非金屬粉末的形式)的組合物整形(conformed)來制造成品(工件)及半成品(多種制品)的特定技術，除了在燒結步驟中待形成的產品的金屬結構基體的元素組成外，所述產品還包含粒狀形式固態(tài)潤滑劑的前體相，其在燒結步驟中通過分解在金屬基體的體積中產生固態(tài)潤滑劑的析出物，從而導致形成自潤滑產品的顯微組織，該產品呈現(xiàn)為連續(xù)金屬基體并能夠賦予燒結產品低的摩擦系數(shù)以及高的機械強度和燒結工件或產品的高硬度。本發(fā)明涉及在燒結過程中用于“原位” 形成自潤滑材料的所述冶金組合物，涉及由所述組合物獲得的燒結鋼形式的工件或產品， 以及通過粉末冶金獲得所述工件或產品的特定替代性工藝或方法。
背景技術：
鑒于技術發(fā)展的先進階段，對發(fā)展具有高性能的功能性材料存在著需求，這些材料對于每一類特定應用都是具體設計的。在很多機械工程應用領域中，存在著對于同時具有高機械強度、高耐磨強度以及低摩擦系數(shù)的材料的需求。據估算，在行星齒輪中所產生的所有機械能的約35%是都由于潤滑不夠而損失的，并因摩擦轉換成熱。除了能量損失，產生的熱削弱了機械系統(tǒng)的性能(因加熱所致)。 因此，機械工件在摩擦過程下維持低摩擦系數(shù)十分重要，不僅是為了能源經濟性，還是為了提高所述工件和它們在其中運行的機械系統(tǒng)的耐用性，以及由于廢棄材料的減少對環(huán)境保護的貢獻。用于減少相對運動的表面之間的磨損和摩擦的方法是保持上述表面分開，并以潤滑層插入其間。在所有可行的潤滑方式之中，流體力學(流體潤滑劑)最為常用。在液態(tài)潤滑中形成油膜，該油膜將相對運動的表面完全分開。但是，需要指出的是，使用液態(tài)潤滑劑經常是存在問題的，如在非常高或非常低的溫度條件下使用時，或在流體潤滑劑可能發(fā)生化學反應時，和流體潤滑劑可能成為污染物時。而且，在循環(huán)停止所導致的限制潤滑的情況下，或其中不可能形成連續(xù)油膜的情況下，工件之間會發(fā)生接觸，因而導致工件產生磨損。干潤滑，即使用固態(tài)潤滑劑，是對于傳統(tǒng)潤滑的替代，由于其以固態(tài)潤滑層的形式發(fā)揮作用，這阻止了相對表面之間的接觸，但是不存在所形成的潤滑層的破裂。固態(tài)潤滑劑已經在有問題的潤滑劑領域中得到認可。它們可被應用在極端的溫度條件下、高負載條件以及化學反應環(huán)境中，其中不能使用常規(guī)的潤滑劑。此外，干潤滑劑 (固態(tài)潤滑劑)是環(huán)境較清潔的替代品?？梢砸匀缦滦问綄⒐腆w潤滑劑施用于摩擦對的部件沉積或產生于所述部件的表面上或納入所述部件材料的體積中的膜(或層)的形式、第二相顆粒的形式。當施用特定的膜或層時，且在它們承受磨損的情況下，發(fā)生金屬與金屬的接觸，其結果是相對運動的部件之間未受保護的相對表面之間的快速磨損。在這些施用膜或層的情形中，還應考慮更換潤滑劑的難度，以及潤滑劑的氧化和劣化。
因此，允許提高材料壽命即部件壽命的更好方法是將固體潤滑劑納入部件的材料組分的體積中，從而以低摩擦系數(shù)的復合材料形式形成部件結構。這可以通過由粉末處理材料的工藝來實現(xiàn)，即通過壓實整形粉末混合物，包括壓制、輥壓、擠壓等或通過射壓造型， 然后進行燒結從而獲得連續(xù)的復合材料，其通常已為最終的幾何形狀和尺寸(成品)或在幾何形狀和尺寸上與最終產品接近(半成品)。表現(xiàn)出低摩擦系數(shù)的自潤滑機械部件，例如自潤滑襯套(bushing)，是由金屬粉末的粉末冶金技術所制備的，所述金屬粉末形成燒結工件的金屬結構基體，且其混合有固態(tài)潤滑劑粉末。將所述部件應用在家用裝置和小型設備中，例如打印機、電動剃刀、鉆頭、攪拌機等。用于結構性基體的大多數(shù)眾所周知的現(xiàn)有技術中使用青銅、銅、銀和純鐵。它們用作固態(tài)潤滑劑二硫化鉬(MoS2)、銀(Ag)、聚四氟乙烯(PTFE)和二硒化鉬(Mok2)。已生產了主要具有青銅和銅基體的這種類型的自潤滑襯套，并在許多工程應用中使用了數(shù)十年，所述基體包含作為固體潤滑劑顆粒的石墨粉末、硒和二硫化鉬以及低熔點金屬。但是，這些部件并未因其高體積含量(25% -40% )的固態(tài)潤滑劑顆粒而表現(xiàn)出高機械強度，這導致低程度的基體相的不連續(xù)性，其是影響工件機械強度的顯微組織因素。在金屬基體的機械性能(強度和硬度)以及顯微組織參數(shù)例如分散在基體中的固態(tài)潤滑劑顆粒尺寸和在所形成的復合材料中的這些顆粒之間的平均自由程沒有為其中工件需要具有高機械強度的應用所優(yōu)化的情況下，認為固態(tài)潤滑劑的高含量對獲得低摩擦系數(shù)是必要的。固態(tài)潤滑劑的高體積分數(shù)(其對于剪切具有固有的低強度)無助于金屬基體的機械強度。此外，固態(tài)潤滑劑顆粒易于剪切以及根據剪切力改變其形狀，所述剪切力發(fā)生在機械均勻化粉末混合物(在混合器中進行)和壓實混合物的過程中，從而更減少所形成的自潤滑復合材料中的金屬結構基體的連續(xù)性。另外，金屬基體的低硬度允許在燒結材料或產品的接觸表面上發(fā)生固體潤滑劑顆粒的逐漸阻礙。因此，為了保持足夠低的摩擦系數(shù)，在干燥的自潤滑復合材料的組成中傳統(tǒng)地使用高體積百分比的固體潤滑劑。與上面所述的相比，US6890368A公開了部分地不同且更先進的方案，它提出了一種在300°C到600°C的溫度范圍內使用的自潤滑復合材料，其具有足夠的牽引阻力 (Rffl ^ 400MPa)以及低于0. 3的摩擦系數(shù)。該文獻提出了一種用于獲得低摩擦系數(shù)的工件或產品的技術方案，該工件或產品由形成金屬結構基體的粒狀材料混合物燒結而成，該混合物在其體積中包括作為固體潤滑劑顆粒的主要六方氮化硼、石墨或它們的混合物，且聲稱所述材料適合在300°C-600°C的溫度下使用，具有足夠的牽引阻力(RmS^OMPa)以及小于0.3的摩擦系數(shù)。如以本發(fā)明的相同申請人的名義于2008年9月12日提交的巴西專利申請(臨時號018080057518)所描述的，由同時存在結構基體粉末和固態(tài)潤滑劑粉末例如為六方氮化硼和石墨的粉末混合物的合并(consolidation)而獲得的工件或產品，在燒結之后具有低的機械強度和結構脆性。上述缺陷來源于在混合和整形(致密化)待制造的工件或產品的步驟期間，固態(tài)潤滑相在結構基體的粉末顆粒之間的不足的(因剪切)散布(分散)。在混合和整形的步驟期間，通過剪切，固態(tài)潤滑劑在結構基體相的顆粒之間散布，并趨向于包圍所述顆粒，這使得所述固態(tài)潤滑劑承受的應力超過其較低的剪切應力。
另一方面，通過剪切形成的、出現(xiàn)在結構基體的(粉末的)顆粒之間的固態(tài)潤滑層，損害了這些顆粒之間的金屬表面接觸的形成，其中上述顆粒在燒結過程中形成復合材料的結構基體；這促進了復合材料的結構基體相的連續(xù)性程度的降低、所述材料及所獲得的產品結構脆化。這樣的問題可通過上述的現(xiàn)有巴西專利申請中所提及的方法來解決，導致獲得機械強度優(yōu)于現(xiàn)有技術方案的復合材料。但是在與本發(fā)明相同的申請人之前的所述專利申請中，非金屬粒狀固態(tài)潤滑劑， 例如六方氮化硼、石墨或兩者的混合物必須混合到金屬材料(所述金屬材料構成了待燒結復合物制品的結構基體)中，進一步還需要添加至少一種粒狀合金元素，從而在經整形的冶金組合物的燒結步驟中在構成結構基體的粒狀材料和非金屬粒狀固態(tài)潤滑劑之間形成液相，以便使后者在不連續(xù)顆粒中團聚并且避免了非金屬粒狀固態(tài)潤滑劑由于剪切作用在結構基體相中散布、避免在混合和整合(壓實)待制造的部件或制品的步驟期間趨向于包圍它們從而使后者脆化。面對上述的不足之處，有必要提出一種解決方法其既無需在待燒結的冶金組合物中混合固態(tài)潤滑劑顆粒，也無需在燒結過程中向冶金組合物添加合金元素以在后者中形成液相。發(fā)明概述因此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于形成燒結鋼的粒狀材料組合物，該粒狀材料組合物包含金屬結構基體，該金屬結構基體自身允許(且在燒結過程中)形成自潤滑燒結鋼形式的形式的成品或半成品，所述自潤滑燒結鋼具有結構基體的高度連續(xù)性以及表現(xiàn)出高機械強度和高硬度，并在燒結中產生固態(tài)潤滑劑相的精細分布。同樣，本發(fā)明的另一目的在于提供一種自潤滑燒結鋼產品，其通過粉末的壓實經由壓制、輥壓和其它方法或通過射壓造型繼之以燒結如上所述的組合物而獲得，表現(xiàn)出金屬結構基體的高連續(xù)性程度、低摩擦系數(shù)、高機械強度和高硬度，并具有在燒結中產生的石墨的固態(tài)潤滑劑相的精細分布。本發(fā)明的另一目的還在于提供一種由所述粒狀材料組合物獲得例如上述自潤滑燒結鋼形式的產品的方法，所述方法既不包括在待燒結的冶金組合物中固態(tài)潤滑劑顆粒的預先混合物，也不包括在燒結過程中為了形成液相在冶金組合物中添加合金元素。在本發(fā)明的第一方面，通過用于制造自潤滑燒結鋼形式的產品的粒狀材料組合物實現(xiàn)上述目的，通預先過對所述組合物進行壓實和射壓造型中一種操作來整形，所述組合物包含作為主要粒狀材料的鐵；至少一種粒狀合金元素，該合金元素具有使鐵硬化的功能，并與鐵形成鐵基(ferrous)結構基體；非金屬化合物，即在燒結過程中待于產品中形成石墨的固態(tài)潤滑相的前體。在實施本發(fā)明的方法中，非金屬粒狀化合物是碳化物或碳酸鹽型化合物，其包含使鐵基結構基體中的鐵α相穩(wěn)定的化學元素。在實施本發(fā)明的另一方法中，非金屬粒狀化合物中缺少任何使鐵α相穩(wěn)定的化學元素，因而需要在冶金組合物中包括具有使鐵α相穩(wěn)定功能的另外粒狀合金元素。在本發(fā)明中，在工件或產品的燒結步驟期間通過前體相分解而形成石墨顆粒。作為實施本發(fā)明的前體相的例子，可以引述碳化硅(SiC)、碳化鉬(Mo2C)、碳化鉻(Cr3C2)等。在制備將會構成新復合材料的粉末混合物的步驟中，將細粉末顆粒(優(yōu)選5至25 μ m)形式的碳化物混合到鐵粉末(主要組分)和其它存在于粉末混合物中的合金元素粉末中。為引起鐵基基體中石墨結節(jié)(nodule)的析出以形成自潤滑燒結鋼而最多指定的碳化物是那些在它們的分子式中具有可使鐵α相強烈穩(wěn)定的化學元素的那些碳化物，例如以碳化硅(SiC)形式存在的元素Si。在燒結步驟過程中，即在工件或產品的燒結溫度下，碳化硅 (SiC)分解，且化學元素Si變成了鐵中即鐵基結構基體中的固溶體。隨著SiC分解的進行， 在鐵基基體中，在分解中的SiC顆粒周圍的溶解Si的量增多。如可從鐵-硅平衡相圖中證實的，化學元素Si強烈地使鐵α相穩(wěn)定；在鐵-硅相圖中，α —— (α + γ)循環(huán)的頂點出現(xiàn)在Si為2. 15重量％時(4. 2at% )。因此，在通常于1125°C至1250°C下進行的燒結鋼的燒結過程中，當在分解中的SiC顆粒周圍溶于鐵中的Si濃度達到γ相的溶解度極限時，發(fā)生了由Y相向α相的轉化。在SiC分解過程的初始階段，盡管Si濃度并沒有達到使分解中的SiC顆粒周圍的α相穩(wěn)定所需要的值，但分解所產生的碳也變成固溶體并向基體的內部散布，然而，一旦分解中的SiC粒狀周圍的鐵基基體轉化成α相，那么溶解碳的過程就會中斷，原因在于碳在鐵α相中的溶解度很低(在727°C下最大值為0.022重量％)。因此， 由于碳化物的分解，所釋放的碳形成了石墨結節(jié)，這些石墨結節(jié)被鐵α相層包圍，盡管基體的殘余部分能夠連續(xù)呈現(xiàn)Y相。


參照例示本發(fā)明的實施方案的例子的附圖，在下文對本發(fā)明進行說明，其中圖1Α、1Β以及IC相繼且示意地表示了在燒結步驟過程中由混有鐵粉末(基體) 的碳化物顆粒分解所得的顯微組織的演變，圖IA表示了在該過程的初始階段中材料的兩相的顯微組織，其中碳化物顆粒仍然是完整的，也就是說反應還沒有開始，而圖IB表示其中已經出現(xiàn)碳化物部分分解的情況，而圖IC則表示了分解已經完成的情形；圖2示意地顯示了對于固態(tài)潤滑顆?；蚪Y節(jié)在復合材料(以鋼的形式)體積中的分布的所需理想情形(顯微組織模型)，該復合材料具有低摩擦系數(shù)，允許保持該復合材料的基體的高度連續(xù)性；在一種理想情形中，固態(tài)潤滑劑必須為均勻分布在材料體積中的不連續(xù)顆粒或結節(jié)的形式，在顆粒或結節(jié)之間具有規(guī)律的平均自由程“ λ ”；圖3是本發(fā)明的材料在碳化物顆粒分解之后于已燒結狀態(tài)的顯微組織圖，顯示了被由α相形成的清晰層(clear layer)和復合材料基體包圍的石墨結節(jié)；圖4通過在帶有場致發(fā)射槍的掃描電鏡(FEG-SEM)中以高倍數(shù)Q0000X)獲得的圖片顯示了在燒結過程中產生的結節(jié)內部的石墨組織的細節(jié)，其證明了所述結構為納米厚度的石墨表皮或片體形式；圖5以簡圖的形式示意性顯示了在隨后將要進行燒結的工件或產品的形成中的壓實的例子，進行所述壓實以便在待燒結產品的兩個相對面中提供自潤滑層；當在燒結工件的一個或多個面中需要僅一個自潤滑層時，應當使用使用這一方法。圖6A、6B和6C表示其整形是通過由擠壓來進行壓實所獲得的產品的實施例，分別為自潤滑復合材料的棒，自潤滑復合材料的管，以及芯部為金屬合金并涂覆有自潤滑材料外層的棒；以及圖7用簡化圖概略性地示出了后續(xù)待燒結的工件或產品的形成中的壓實的實施例，通過在金屬合金板或帶的相對面上輥壓自潤滑復合材料進行所述壓實。 具體實施方案如前所述，本發(fā)明的目的之一在于提供一種粒狀材料的組合物，可通過壓實(壓制、輥壓)、或者通過擠壓或粉末的射壓造型而將其均勻混合和整形(致密化)，從而其可呈現(xiàn)出要進行燒結操作的規(guī)定的幾何形狀(工件)，以便獲得這樣的產品相比于由現(xiàn)有技術的教導所獲得的產品，其呈現(xiàn)出高的硬度、機械強度和降低的摩擦系數(shù)。本組合物包含在組合物形成中占優(yōu)的主要粒狀金屬材料，以及至少一種具有使占優(yōu)材料硬化的功能的粒狀合金元素，這些組分負責在待燒結的復合產品(鋼的形式)中形成結構基體；和前體粒狀材料，其允許在燒結過程中在分解時獲得固態(tài)潤滑劑結節(jié)。按照本發(fā)明，且如圖2中所示，主要的粒狀金屬材料是確定鐵基結構基體10的鐵， 而用于在燒結過程中通過分解形成固態(tài)潤滑劑的結節(jié)20的前體相基于碳化物或碳酸鹽的化合物，該化合物優(yōu)選由使鐵基結構基體10中的鐵α相穩(wěn)定的化學元素形成。當所采用的前體相在其組成中不含有能夠使鐵基基體10中的鐵α相穩(wěn)定的化學元素時，還應當向本發(fā)明的材料組合物添加足夠量的特定的另外合金元素以使鐵α相穩(wěn)定。具有使鐵基結構基體硬化的功能的合金元素例如確定為選自Cr、M0、C、Si、P、Mn、 和M中的一種，但是應當理解的是，也可以使用在結構基體中發(fā)揮相同作用的其它元素例如V和Cu，以及同時使用多于一種合金元素。應注意的是，本發(fā)明中需要提供合金硬化元素，該合金硬化元素可通過組分之間的相互擴散作用(化學均勻化)而在燒結過程中實現(xiàn)使待形成的鐵基結構基體硬化的功能，但是這一方面不應局限于這里所例舉的合金元素。圖1A、1B、1C以及圖2示意性示出了在燒結過程中，隨著碳化物(SiC)的分解，復合物的顯微組織的演變的幾個步驟。圖3示出了在燒結之后通過光學顯微鏡獲得的復合材料的顯微組織圖，而圖4則展示了析出石墨的結構，其在結節(jié)內部呈現(xiàn)出具有納米厚度的 “表皮或葉狀物”的形式。這一結構便于在摩擦對的相對運動表面的界面上形成摩擦層，從而提高了固態(tài)潤滑的效率。并行添加其它合金元素促進了燒結操作過程中基體中α相的增加，提高了因混合在材料體積中的碳化物顆粒的分解而產生石墨結節(jié)20的趨勢，其中所述合金元素使將會形成復合物的粉末混合物中的鐵α相穩(wěn)定。使鐵α相穩(wěn)定的合金元素(來自碳化物分解)，除了阻止碳在基體中的溶解(這是由于在分解時它們在顆粒11周圍形成α相層12)，當它們在固溶體中時，還有助于提高基體的硬度；然而，如果由于鐵的固溶體內存在的這些合金元素所達到的硬度增加不充分， 就還應當向粉末混合物中添加其它合金元素，以便在燒結操作過程中溶于基體，以實現(xiàn)應用中所需的硬度和機械強度為目的。因此，在本發(fā)明中，材料的金屬結構基體通過帶有合金元素的固溶體使鐵自動硬化而形成，所述合金元素使鐵α相穩(wěn)定，例如，通過粉末冶金處理材料中由于混合到鐵粉末中的碳化物分解而溶解在鐵基基體中的Si和Mo。除了這些必須存在的穩(wěn)定化合金元素，也可以將其它合金元素添加到粉末混合物中，所述其它合金元素具有如下功能調節(jié)基體的機械強度和硬度，允許達到相對于在燒結過程中產生的干燥自潤滑復合材料的摩擦和機械行為更高的性能。作為在本發(fā)明中有利地使用以提高基體的機械強度和硬度的其它合金元素的例子，除了 Si、Mo和P元素(它們是鐵α相的強穩(wěn)定劑)之外，還可以引述元素Cr、Ni、Mn、W、V和C。至于用到的碳化物的種類，通過如下兩種不同的備選方案形成為在本發(fā)明中通過粉末冶金方法制備產品中所配制的粉末混合物備選方案1 鐵粉末+碳化物粉末顆粒11(以體積百分比彡10%混合)+稱為合金元素的其它化學元素的粉末顆粒，其中碳化物粉末顆粒由使鐵α相穩(wěn)定的化學元素形成， 其在燒結溫度下在分解時產生石墨結節(jié)20，所述其它化學元素的粉末顆粒具有提高鐵基基體10的硬度以及強度的功能；備選方案2 鐵粉末+碳化物粉末顆粒+使鐵α相穩(wěn)定的合金元素粉末(以體積百分比< 10%混合)+其它合金元素，其中碳化物粉末顆粒不是由使鐵α相穩(wěn)定的化學元素形成的；所述使鐵α相穩(wěn)定的合金元素粉末具有使鐵基基體中的α相穩(wěn)定的功能，以便阻止被鐵基基體溶解的碳化物分解而出現(xiàn)的碳；所述其它合金元素的存在用于調整復合物結構基體的機械性能。由于金屬鐵基結構基體10是組合物中賦予待形成的復合材料機械強度唯一的顯微組織元素，因此所述復合物基體連續(xù)性程度越高，由材料制成的燒結制品或工件的機械強度就越高。除了固態(tài)潤滑劑相的低孔率，低體積百分比，還要求干燥自潤滑燒結復合材料的金屬結構基體保持高度連續(xù)性，這是因為固態(tài)潤滑劑相無助于材料的機械強度，因此無助于燒結產品的機械強度。此外，存在于材料體積中的固態(tài)潤滑劑應當以不連續(xù)顆粒或結節(jié)20的形式均勻地分散在體積中，即在鐵基結構基體10的內部具有規(guī)律的平均自由程 “入”(參見圖2、。這允許產生更大的潤滑效率，并且與此同時，保證基體的較高程度的連續(xù)性，這進而保證復合材料的較高機械強度。材料的金屬基體需要有較高的抗塑性變形的能力，這不僅是為了作為必要的負荷能力的機械支持，同時也是為了防止固態(tài)潤滑劑顆粒被結構基體的塑性變形所覆蓋，在工件運轉時(當在相對運動中摩擦時)，防止固態(tài)潤滑劑在應該形成固態(tài)潤滑劑層的界面中散布。按照本發(fā)明，穩(wěn)定鐵α相的附加合金組分確定為選自以下的至少一種元素P、 Si、Co、Cr以及Mo。盡管認為這些元素在燒結溫度(約1125°C至1250°C )下，單獨或聯(lián)合地對穩(wěn)定鐵α相是最適合的，但是應理解，本發(fā)明的觀念在于使鐵α相穩(wěn)定從而減少碳分解，而不在于所采用的合金組分必然是此處所例示的那些。當通過壓實來整形本發(fā)明的組合物時，主要粒狀金屬材料(鐵)優(yōu)選地呈現(xiàn)出在約5 μ m至約90 μ m之間的平均顆粒尺寸。進而，具有使結構基體硬化的功能的硬化元素， 以及固態(tài)潤滑劑相(化合物)的前體組分應當呈現(xiàn)出優(yōu)選低于約45 μ m的顆粒尺寸；應進一步理解，主要粒狀金屬材料(即鐵)的平均顆粒尺寸應當總是大于合金元素以及固態(tài)潤滑劑相的前體組分(化合物)的平均顆粒尺寸。當通過射壓造型來整形本發(fā)明的組合物時，主要粒狀金屬材料(鐵)優(yōu)選地呈現(xiàn)出在約5 μ m至約25 μ m之間的顆粒尺寸。同樣地，合金元素以及固態(tài)潤滑相的前體組分 (化合物)優(yōu)選呈現(xiàn)出也在約5 μ m至約25 μ m之間的顆粒尺寸。在燒結之前，當通過擠壓或通過射壓造型來整形組合物時，則所述組合物應當進一步含有至少一種優(yōu)選地選自石蠟和其它蠟、EVA以及低熔點聚合物的有機粘結劑，在通過擠壓進行整形時，這些粘結劑的比例通常為冶金組合物總體積的約15%至約45%，在通過射壓造型進行整形時，則為約40%至45%。在整形步驟之后，在已整形的產品進行燒結步驟之前，例如通過蒸發(fā)從組合物中提取有機粘結劑。通過在任何合適的混合器中混合預定量的選定用于形成組合物的粒狀材料獲得上述組合物，以及用于隨后獲得(obtention)自潤滑燒結產品。通過如下方式將不同的粒狀材料混合物進行均勻化，并進行致密化操作通過壓實即通過壓制或輥壓，或通過粉末的擠壓或射壓而造型，在該操作中獲得的不僅是粉末物質的致密化，還可以通過燒結獲得所要得到產品的形狀。在通過擠壓或射壓而造型粉末來進行整形的情況下，將包含有機粘結劑的組分混合物在不低于有機粘結劑熔化溫度的溫度下均勻化，由此將均勻化的混合物進行造粒以有利于自身的處理、儲備和供給到射壓造型機。在工件的整形之后，通常在兩個步驟中對其進行有機粘結劑的提取，第一步驟是在溶劑(如己烷)中的化學提取工藝，第二步驟是通過熱降解或CD等離子協(xié)助熱方法的提取工藝。使用這里所提議的組合物，可獲得硬度在230HV至700HV的自潤滑燒結工件或產品，且其摩擦系數(shù)μ彡0.15、機械牽引阻力為350至750MPa(取決于存在的合金元素以及使用的工藝參數(shù))，以及具有無定形碳結節(jié)的分散，其具有納米厚度的表層形式的內部結構，這有助于石墨在可移動表面的界面中散布，形成固態(tài)潤滑劑層。圖5、6A、6B、6C和7的目的是例示通過將某些預定量的組合物壓實成任意所需的形狀或與所期望的成品形狀相近的形狀來整形本發(fā)明所述組合物的不同可能性，其可以是所期望獲得的自潤滑燒結成品工件或產品。然而，在大量的應用中，僅在待承受摩擦接觸以及其它相對運動的機械部件或工件的一個或多個表面區(qū)域中，自潤滑特性才是必要的。因此，如圖5所示，所需的自潤滑產品可以由結構基材30組成，該結構基材層優(yōu)選整形成粒狀材料，且在一個或兩個相對面31中接受本發(fā)明的冶金組合物40的表面層41。在示出的實施例中，結構基材30以及組合物40的兩個相對表面層在任何合適的模具M內部通過兩個相對的沖模P壓實，從而形成壓實并整形的復合產品1，隨后將其進行燒結步驟。 在這個實施例中，只有結構基材30的兩個相對面31將呈現(xiàn)出所需的自潤滑性能。圖6A和6B分別示出了通過在合適的擠壓基體(未示出)中擠壓冶金組合物40 來獲得棒2和管3形式的產品。在這種情況下，通過組合物40的壓實的整形在后者的擠壓步驟中進行。然后可對棒2或管3進行燒結步驟，以用于鐵基結構基體10的形成以及結合分散的粒狀固體潤滑劑20的不連續(xù)顆粒。圖6C示出了由復合棒4形成的產品的另一實施例，其包含粒狀材料的結構芯部 35，且在周圍和外部由本發(fā)明組合物40形成的表面層41環(huán)繞。同樣在這種情況下，結構芯部35以及組合物40中的外表面層41的整形和壓實(致密化)是通過復合棒4的兩部分的共擠壓獲得的，然后將該棒進行燒結步驟。當組合物40的壓實通過擠壓進行時，如同例如在圖6A、6B以及6C的棒2、3和4 的形成中所進行的，所述組合物還可以包含從組合物中熱去除的有機粘結劑，在后者的整形之后并在燒結步驟之前，通過任何已知的技術用于所述去除。
有機粘結劑可以例如是選自石蠟和其它蠟、EVA以及低熔點聚合物中的任一種。圖7也示意性地表示了另一種獲得燒結鋼形式的復合產品的方法，展示了一個或多個具有自潤滑特性的表面區(qū)域。在這個實施例中，待獲取的產品5具有形成為粒狀材料的結構基材30，其已預先整型為帶材形式，注意，在結構基材30的至少一個相對面上，以連續(xù)帶材的形式，輥壓成本發(fā)明的組合物40的表面層41。然后，將復合產品5進行燒結步驟。盡管通過可能組合物的一些例子并結合不同的結構基材層來公開了本發(fā)明是的， 但應當理解的是，這樣的組合物和結合可能進行的變形對本領域的技術人員來說是清楚的，而不偏離本發(fā)明在結構基體中控制固體潤滑劑的不連續(xù)顆粒分散、以及在燒結步驟過程中所述固體潤滑劑可能趨于溶于所述基體的思想，如結合本發(fā)明說明書的權利要求定義的。
權利要求
1.一種用于形成燒結鋼形式的自潤滑產品的粒狀材料組合物，其通過壓實或粉末射壓來整形，其特征在于該組合物包括作為主要粒狀金屬材料的鐵；至少一種合金元素顆粒， 該合金元素顆粒具有使鐵硬化的功能，從而與其形成鐵基結構基體；以及非金屬化合物，在燒結過程中要在復合產品中形成的石墨固態(tài)潤滑劑相的前體。
2.如權利要求1所述的組合物，特征在于，所述非金屬粒狀化合物，石墨的固態(tài)潤滑劑相的前體，是碳化物或碳酸鹽型化合物，且其在組成中包含使鐵基結構基體的鐵α相穩(wěn)定的化學元素。
3.如權利要求2所述的組合物，特征在于，使鐵α相穩(wěn)定的化學元素選自碳化硅、碳化鉬和碳化鉻。
4.如權利要求1所述的組合物，特征在于，還包括另外粒狀合金元素，當非金屬粒狀化合物是碳化物或碳酸鹽，且其組成中缺少使鐵基基體的鐵α相穩(wěn)定的任何化學元素時，所述另外粒狀合金元素使鐵α相穩(wěn)定。
5.如權利要求4所述的組合物，其特征在于使鐵基結構基體的鐵α相穩(wěn)定的所述另外粒狀合金元素是選自硅、磷、鉬和鉻中的至少一種元素。
6.如權利要求2、3、4或5中任一項所述的組合物，特征在于，非金屬粒狀化合物，石墨的固態(tài)潤滑劑相的前體，其在待整形的粒狀材料冶金組合物中所占的體積百分數(shù)優(yōu)選低于約 10%。
7.如權利要求1、2、3、4、5或6中任一項所述的組合物，特征在于，具有使鐵基結構基體的鐵硬化的功能的粒狀合金元素確定為選自鎳、鉻、鉬、釩、錳、銅、硅、磷和碳中的至少一種。
8.如權利要求1-7中任意一項所述的組合物，所述組合物通過粉末壓實(壓制、輥壓、 雙重壓制或壓實)被整形，特征在于，主要粒狀金屬材料(鐵粉末)的顆粒呈現(xiàn)出在約5μπι 至約90 μ m之間的平均尺寸，具有使鐵硬化的功能的粒狀合金元素的顆粒以及非金屬粒狀化合物的顆粒均呈現(xiàn)出小于約45 μ m的尺寸，所述非金屬粒狀化合物為固態(tài)潤滑劑相的前體。
9.如權利要求8所述的組合物，特征在于，主要粒狀金屬材料即鐵的平均顆粒尺寸大于粒狀合金元素和非金屬顆?；衔?，固態(tài)潤滑相前體的顆粒尺寸。
10.如權利要求1-7中任一項所述的組合物，所述組合物通過擠壓或射壓造型被整形， 特征在于，鐵形式的主要粒狀金屬材料，以及粒狀合金元素和非金屬粒狀化合物均呈現(xiàn)出在約5 μ m至約25 μ m之間的顆粒尺寸。
11.如權利要求10所述的組合物，特征在于，其以冶金組合物總體積的約40%至約 45 %的比例包含選自石蠟和其它蠟、EVA以及低熔點聚合體中的有機粘結劑體系。
12.—種自潤滑燒結鋼形式的產品，其由如權利要求1-11中任意一項所述的粒狀材料組合物獲得，并在燒結之前進行整形，特征在于，其呈現(xiàn)出在230HV至700HV之間的硬度， 彡0. 15的摩擦系數(shù)μ，以及在350至900MPa之間的牽引阻力。
13.如權利要求12所述的產品，特征在于，特征在于其確定了至少一個與結構基材 (30)結合的所述冶金組合物GO)的表面層Gl)。
14.如權利要求13所述的產品，特征在于，在粒狀材料中確定與冶金組合物00)的表面層Gl) —起燒結的結構基材(30)。
15.如權拉要求14所述的產品，特征在于，結構基材(30)為板或帶的形式，其相對面中的至少一個與所述冶金組合物GO)的表面層Gl)結合。
16.如權利要求14所述的產品，特征在于，結構基材(30)為復合棒的結構芯部 (35)的形式，其在周圍和外部與所述冶金組合物GO)的表面層Gl)結合。
17.一種由權利要求8或9所述的粒狀材料組合物獲得燒結鋼形式的自潤滑產品的方法，其特征在于包括以下步驟-以預定的量對粒狀材料進行混合，這確定冶金組合物； -對粒狀材料混合物進行均勻化；-對粒狀材料混合物進行壓實，以對混合物提供待燒結產品的形狀； -在約1125°C到約1250°C的溫度下對壓實并整形的混合物進行燒結，在燒結過程中， 由結構基體體積中前體化合物的分解形成石墨結節(jié)。
18.如權利要求17所述的方法，特征在于將確定冶金組合物00)的粒狀材料混合物進行壓實的步驟包括將冶金組合物GO)輥壓成待后續(xù)燒結的板或帶的形式。
19.如權利要求17所述的方法，特征在于將確定冶金組合物00)的粒狀材料混合物進行壓實的步驟包括在結構基材(30)的至少一個相對面上輥壓冶金組合物，該結構基材為粒狀材料的板或帶的形式，與形成結構基體(10)的主粒狀金屬材料相容。
20.如權利要求18或19所述的方法，特征在于，在燒結粒狀材料之后，還包括冷軋板材或帶材的另外步驟，用以減少殘余孔隙，之后進行最終退火。
21.如權利要求18或19所述的方法，特征在于，將確定冶金組合物00)的粒狀材料混合物進行壓實的步驟包括以由棒材( 和管材C3)確定的形狀中的一種形狀進行擠壓。
22.如權利要求17所述的方法，特征在于，將確定冶金組合物00)的粒狀材料混合物進行壓實的步驟，包括將該組合物擠壓成在粒狀材料棒狀的結構芯部(35)周圍的襯套(42)的形式，所述材料與形成結構基體(10)的主要粒狀金屬材料相容，從而形成復合棒 ⑷。
23.如權利要求21或22所述的方法，特征在于，所述組合物00)包含在燒結步驟前要從產品中熱去除的有機粘結劑。
24.一種由權利要求10或11所述的粒狀材料組合物獲得燒結鋼形式的自潤滑產品的方法，其特征在于包括以下步驟-以預定量混合粒狀材料，這確定冶金組合物；-在不低于有機粘結劑熔化溫度的溫度下將粒狀材料混合物均勻化；-對組合物造粒以便于其處理、儲存和供應給射壓造型機；-將所述粒狀材料混合物射壓造型，從而給混合物提供待燒結產品的形狀的；-從已造型的工件中提取出有機粘結劑；以及-在約1125°C至約1250°C的溫度下燒結由粉末整形所獲得的工件。
全文摘要
一種組合物，包括作為主要粒狀金屬材料的鐵；具有使鐵基結構基體硬化的至少一種粒狀合金元素；以及前體非金屬粒狀組合物，所述前體通常為碳化物或碳酸鹽，其在燒結過程中在分解時產生石墨結節(jié)，所述石墨結節(jié)的形成是非常有利的前體化合物本身包含使鐵基結構基體的鐵α相穩(wěn)定的化學元素；或者通過另外添加合金元素，所述合金元素包含在組合物中，且具有在燒結過程中使鐵α相穩(wěn)定的化學元素。該組合物可通過壓實或將粉末射壓造型而整形。本發(fā)明的方法可以獲得由上述組合物制備的自潤滑燒結鋼產品。
文檔編號B22F3/10GK102497948SQ200980155592
公開日2012年6月13日 申請日期2009年12月9日 優(yōu)先權日2008年12月15日
發(fā)明者A·N·克雷恩, C·賓德, R·賓德, W·瑞斯托朱尼爾 申請人:盧帕技術私人控股公司, 圣卡塔琳娜州聯(lián)邦大學, 惠而浦股份有限公司