CN102202816B - 粒状材料的冶金组合物、自润滑烧结产品以及获得自润滑烧结产品的方法 - Google Patents

粒状材料的冶金组合物、自润滑烧结产品以及获得自润滑烧结产品的方法 Download PDF

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Abstract

冶金组合物，包含：主粒状金属材料，例如铁或镍，以及至少一种用于硬化形成结构基体(10)的金属材料的合金元素；粒状固体润滑剂(20)，例如石墨、六方氮化硼或它们的混合物；以及粒状合金元素，它能够在由压实或射压造型所整形的组合物的烧结过程中形成液相，使固体润滑剂(20)团聚成不连续颗粒形式。该组合物可以包含在烧结过程中稳定α铁基体相的合金组分，以抑制石墨固体润滑剂溶于铁中。本发明还涉及由该组合物获得的自润滑烧结产品，以及获得所述产品的方法。

Description

粒状材料的冶金组合物、自润滑烧结产品以及获得自润滑烧结产品的方法
技术领域
本发明涉及由待烧结的粒状材料(以金属或非金属粉末的形式)的冶金组合物整形(conform)制造成品(工件)及半成品(多种制品)的特定技术，除了在烧结步骤中待形成的产品的金属结构基体的成分组成外，所述产品还包含处于粒状形式且可分散在金属基体中的固体润滑剂，从而导致形成自润滑复合产品的显微组织，其呈现为连续金属基体并能够赋予烧结产品低的摩擦系数以及高的机械强度和烧结工件或产品的高硬度。本发明涉及用于从所述组合物通过烧结形成自润滑复合产品(工件)的所述冶金组合物，以及用于通过粉末冶金获得所述工件或产品特定替代性工艺或方法。
背景技术
在机械工程中，存在对于获取用于如下应用的材料的日益增长的研究：所述应用需要例如高机械强度和高耐磨强度与低摩擦系数组合的特性。
当前，磨损和腐蚀问题共同带来金球GDP的2％到5％的损失；由于缺乏润滑而损失在地球上产生的全部机械能的约35％，其因摩擦而转换成热。除了能量的损失之外，产生的热由于加热而影响了机械系统的性能。因此，使机械工件在摩擦下保持低的摩擦系数非常重要，不仅是为了节省能量，还是为了增强了所述工件以及它们于其中操作的机械系统的耐久性，还有助于环境保护。
用于减少相对运动中的表面之间的磨损和摩擦的方式是将这些表面保持分隔，在其间插入润滑层。在可能的润滑方式中，流体动力(流体润滑剂)是最常使用的。在流体动力润滑中，形成使相对运动中的表面完全分隔的油膜。然而应指出，使用流体润滑剂通常存在问题，如在温度很高或很低的应用中，在流体润滑剂可能发生化学反应且流体润滑剂可能充当污染物的应用中。另外，在从循环停止产生有限润滑的情况下，或在不可能形成连续油膜的情况下，工件之间发生接触，从而导致工件的磨损。
干式润滑，也就是使用固体润滑剂的润滑，是对于传统润滑的替代，因为它通过存在润滑层而起作用，这抑制了部件表面之间的接触，而不呈现形成的层破裂。
固体润滑在存在问题的润滑领域中得到良好接受。它们可以在传统润滑剂不能使用的极限温度下，在高载荷条件下以及在化学反应环境中使用。另外，干式润滑(固体润滑剂)是一种环保的清洁选择。
可以以如下形式将固体润滑剂施用于摩擦对的部件：沉积或产生于所述部件的表面上或纳入所述部件材料的体积中的膜(或层)的形式、第二相颗粒的形式。当施用特定的膜或层时，且在它们承受磨损的情况下，发生金属与金属的接触，其结果是相对运动的部件之间未受保护的相对表面之间的快速磨损。在这些施用膜或层的情形中，还应考虑更换润滑剂的难度，以及润滑剂的氧化和劣化。
因此，允许提高材料寿命即部件寿命的更好方法是将固体润滑剂纳入部件的材料组分的体积中，从而以低摩擦系数的复合材料形式形成部件结构。这可以通过由粉末处理材料的工艺来实现，即通过压实整形粉末混合物，包括压制、辊压、挤压等或通过射压造型，然后进行烧结从而获得连续的复合材料，其通常已为最终的几何形状和尺寸(成品)或在几何形状和尺寸上与最终产品接近(半成品)。
由复合材料通过粉末冶金制成的呈现低摩擦系数的自润滑机械部件(粉末冶金产品)，例如烧结的自润滑衬套，已经应用到不同的家庭用具和小型设备中，例如：打印机、电动剃须刀、钻具、混合器等，所述部件包含形成工件的结构基体的粒状前体，以及待纳入工件的结构基体中的粒状固体润滑剂。已知的绝大多数现有技术中结构基体的解决方法是使用青铜、铜、银及纯铁。将如下用作固体润滑剂：二硫化钼(MoS2)、银(Ag)、聚四氟乙烯(PTFE)以及二硒化钼(MoSe2)。已生产了主要具有青铜和铜基体的这种类型的自润滑衬套，并在许多工程应用中使用了数十年，所述基体包含作为固体润滑剂颗粒的石墨粉末、硒和二硫化钼以及低熔点金属。
然而，这些工件不呈现高的机械强度，根据其高的固体润滑剂颗粒的体积含量(从25％到40％)，这导致了低程度的基体相的连续性，而该基体相是负责工件的机械强度的显微组织元素。固体润滑剂的这种高含量被认为是在如下情形中获得低摩擦系数所必要的：金属基体的机械性能(强度和硬度)以及显微组织参数，例如基体内分布的固体润滑剂颗粒的尺寸以及在形成的复合材料中这些颗粒之间的平均自由路径，均不是优化的。具有固有的低剪切强度的固体润滑剂的高体积百分比无助于金属基体的机械强度。
另外，金属基体的低硬度允许在烧结材料或产品的接触表面上发生固体润滑剂颗粒的逐渐阻碍。因此，为了保持足够低的摩擦系数，在干燥的自润滑复合材料的组成中传统地使用高体积百分比的固体润滑剂。
与上面所述的相比，US6890368A公开了部分地不同且更先进的方案，它提出了一种在300℃到600℃的温度范围内使用的自润滑复合材料，其具有足够的牵引阻力(σt≥400MPa)以及低于0.3的摩擦系数。该文献提出了一种用于获得低摩擦系数的工件或产品的技术方案，该工件或产品由形成金属结构基体的粒状材料混合物烧结而成，该混合物在其体积中包括作为固体润滑剂颗粒的主要六方氮化硼、石墨或它们的混合物，且声称所述材料适合在300℃-600℃的温度下使用，具有足够的牵引阻力(σt≥400MPa)以及小于0.3的摩擦系数。
然而，由该粉末混合物的固结获得的工件或产品在烧结后具有低的机械强度和结构易碎性，所述粉末混合物同时表现为结构基体粉末以及固体润滑剂粉末，例如六方氮化硼和石墨。
上述不足的产生原因是，在从图1A所示条件到图1B所示条件下，在待生产的工件或产品的混合与整形(致密化)的步骤中，结构基体10的粉末颗粒之间的固体润滑剂20相的不充分的剪切分散。通过剪切，固体润滑剂20粒状扩展在结构基体10相的颗粒之间，并在混合与整形步骤中趋于包围所述颗粒，所述步骤例如通过压实，通过粉末压制，粉末辊压、粉末挤压、以及粉末射压造型进行，这些步骤使所述固体润滑剂承受超过其低剪切应力的应力，如附图中的图1B所示意性地表示。
另一方面，在可溶于基体的固体润滑剂的情况下，结构基体的(粉末的)颗粒之间的固体润滑剂层的存在并不损坏复合物的金属结构基体的颗粒之间的烧结颈部的形成。然而，在这种情况下，固体润滑剂在工件烧结过程中因溶解而失去其润滑作用，这是因为固体润滑剂相因溶于基体中而消失。在固体润滑剂不可溶于结构基体中的情况下，例如六方氮化硼，由于剪切而产生的层21(见图1B)损坏了这些颗粒之间的金属接触的形成，其在烧结过程中形成复合物的结构基体10；这促进复合材料的结构基体10相的连续性程度降低，使该材料和获得的产品的在结构上易碎。
由于上述限制，抑制可溶于结构基体中的润滑剂的溶解和重组不可溶的固体润滑剂的技术方案变得必要，所述固体润滑剂在机械均匀化步骤中以层21的形式分散，在整形(致密化)步骤中以粒状材料混合物形式，在烧结过程中以不连续颗粒形式。
在不可溶固体润滑剂颗粒与复合材料的结构基体颗粒混合时产生了与上述类似的情形，固体润滑剂20具有比构成复合物的结构基体10的材料颗粒(见图2B)的颗粒尺寸小很多的颗粒尺寸。在这种情况下，固体润滑剂20的明显更细小的颗粒趋于在结构基体10的金属粉末颗粒之间形成相对连续的层21，即使在烧结之前的加工步骤中没有剪切应力。固体润滑剂20的粒状材料的几乎连续的层21损坏了金属结构基体10的颗粒之间的烧结，使最终工件易碎。在不可溶相的情况下，更充分的分散使复合基体的粒状材料的颗粒以及待分散到基体中的固体润滑剂颗粒呈现出相同数量级的颗粒尺寸(见图2A)。
由于金属结构基体10是对于待形成的复合材料赋予机械强度的唯一显微组织部分，因此所述复合物的金属基体的连续性程度越高，利用该材料产生的烧结制品或工件的机械强度就越高。为了保持干的自润滑烧结复合材料的金属结构基体的高连续性，除了低孔隙率，固体润滑剂相的低体积百分比也是必要的，因为所述固体润滑剂无助于材料的机械强度，因而无助于烧结产品的机械强度。
因此，需要一种技术方案，既在可溶于基体时抑制润滑剂的溶解，又在混合物的机械均匀化以及整形(致密化)步骤中过剪切重组固体润滑剂，导致材料体积中以层21形式的分散，从而损坏复合物的结构基体10的烧结以及连续性程度。固体润滑剂20应该以均匀分散的不连续颗粒的形式分散在复合材料的体积中，即在金属结构基体10的颗粒之间规则的平均自由路径“λ”(见图3)。这允许提升较高的润滑剂效率，较高程度的复合物基体的连续性，确保了在烧结过程中形成的自润滑复合材料的较高机械强度，如图3所示。
制备用于产生自润滑复合物的组合物，作为构成基体的材料，其具有金属元素铁或铁基合金，并同时具有石墨作为固体润滑剂，由于铁基体所致的碳溶解，导致自润滑烧结复合材料具有的基体可为非常硬且易碎而且摩擦系数高于预期和所需。
在高的烧结温度(超过723℃)下，石墨中的化学元素碳溶于铁(γ铁)的面心立方结构或奥氏体铁基合金的面心立方结构中。因此，含石墨的固体润滑剂的使用导致碳与铁在烧结过程中从超过723℃发生不期望的反应，产生具有降低或不具有自润滑性能的工件，因为石墨的全部或大部分碳不再作为固体润滑剂操作，而是形成了碳化铁。
所述文献US6890368提出了用于构成金属基体的材料的方案，其中为了抑制固体润滑剂如石墨与铁基结构基体颗粒之间的相互反应，提供了具有金属的石墨颗粒涂层，其在高烧结温度时，使涂覆石墨与铁基结构基体之间的相互反应的可能性最小化。
尽管US6890368给出的方案通过涂履石墨解决了工件烧结过程中石墨固体润滑剂损失的问题，然而所述涂层抑制石墨扩散从而在使用中(在相对运动摩擦时)在工件工作表面上形成层，从而减少固体润滑剂的供给，因而使润滑剂的效率降低。另外，当固体润滑剂包含六方氮化硼时，仅对石墨进行涂覆并不解决金属基体的脆性问题，因为在磨机中的机械混合和整形(致密化)步骤中，氮化硼可通过剪切在基体颗粒之间产生膜。由于六方氮化硼的固体润滑剂的剪切，烧结工件的脆性问题在所述现有技术US文献中没有讨论，尽管该文献考虑到了将压实和预烧结作为用于造型包含低剪切应力的所述固体润滑剂的待烧结工件的可能工艺。
除了上述缺陷之外，由于使用的材料的作用以及需要将所述固体润滑剂的预先金属化处理的操作，因此所述石墨涂覆方案具有高的成本。
另外，至今在自润滑复合材料的工件或产品制造中通常使用的基体类型，并不呈现出抑制固体润滑剂相的颗粒被基体相快速涂覆所需的硬度，由于工件的工作表面承受的机械力而产生的塑性微变形，因此削弱了通过扩展在工件的所述工作表面上的固体润滑剂的摩擦层(tribolayer)。
该材料的金属基体需要高度抵抗塑性变形，从而不仅作为承受必要的允许载荷的机械支撑，也抑制工件在操作中(在相对运动的摩擦时)固体润滑剂颗粒被结构基体的塑性变形覆盖，抑制固体润滑剂扩展到工件之间发生相对运动的界面中。
发明内容
因此，本发明的目的是提供由金属结构基体和非金属固体润滑剂形成的复合材料的冶金组合物，其适于通过整形(致密化)和烧结操作制造烧结产品(成品和半成品)，其呈现与高机械强度和高硬度联合的低摩擦系数。
同样，本发明的目的是提供复合材料的冶金组合物，用于通过整形(致密化)和烧结操作来制造烧结产品(例如上述引用的)，且当应用到基于铁或铁基合金的基体时，即使所述基体允许碳在烧结温度下溶解，其仍无需含碳(来自石墨)的粒状固体润滑剂的预先处理。
本发明的另一个目的是提供如上提到的组合物，且其能够以低成本容易地获得。
本发明的又一目的是提供一种通过如下方式获得的烧结产品：通过经由压制、辊压、挤压以及其它，或通过射压造型的整形，接着对上述确定的组合物进行烧结，且其呈现高度的金属结构基体的连续性，低的摩擦系数和高的机械强度，通过使用包含例如石墨、六方氮化硼或二者混合物的固体润滑剂进行。
本发明的另一个目的是提供一种通过整形(致密化)和烧结获得烧结产品的方法，其避免了预先制备所使用的组合物颗粒的需求，从而确保结构基体的连续性以及所得产品的所需摩擦系数和机械强度值。
在本发明的第一方面，通过用于制造自润滑烧结复合产品的复合材料的冶金组合物实现上述目的，通过对所述组合物进行压实和射压造型中一种操作来预先整形，该组合物包含如下的混合物：确定金属结构基体的粒状材料；确定固体润滑剂的粒状材料，其在组分混合物的机械均匀化或复合材料的组合物的整形(致密化)时，承受剪切并在形成金属结构基体的材料颗粒上形成层；以及至少一种确定在烧结过程中能够形成液相的粒状合金元素(化学元素)的粒状材料，通过与复合材料的基体发生反应，从而在烧结过程中允许使以层状形式存在的固体润滑剂的有害分布进行改变(reverse)。
由粒状组分混合物的相互扩散以及存在于形成中的材料内的基体材料颗粒上扩展而形成的液相，穿过这些颗粒与附着的固体润滑剂层之间，将所述固体润滑剂去除，引起固体润滑剂团聚成分散于基体材料体积中的不连续颗粒，从而在烧结过程中允许基体相的颗粒材料的连续性。
在本发明的另一方面，提供了复合材料的冶金组合物，用于从预先整形(致密化的)的组分以及上述确定的组合物制造烧结产品，该组合物包含以下的混合物：确定金属结构基体(复合物基体)的粒状材料，以及确定固体润滑剂的粒状材料，其在所述粒状材料的烧结温度下与金属结构基体的粒状材料发生反应；以及至少一种确定合金组分的粒状材料，它在所述烧结温度使金属结构基体(复合物基体)材料的α相稳定。
在本发明的另一方面，通过包含金属结构基体的烧结产品实现上述目的，其通过任何前述组合物获得并呈现固体润滑剂的不连续颗粒的分散，该金属结构基体是连续的，且具有的固体润滑剂的量与用于产品形成的所述冶金组合物中的所含量相等。
本发明的另一方面，通过用于从上述确定且呈现固体润滑剂颗粒的分散的冶金组合物获得烧结产品的方法实现上述目的，所述方法包括如下步骤：a-例如在碾磨机/混合器中以预定量机械地混合确定冶金组合物的粒状材料，并进行均匀化；b-提供获得的混合物的整形(致密化)，对所述混合物赋予待烧结产品(工件)的形状；以及c-烧结该预压实材料。
在烧结之前，当通过挤压或通过射压造型来进行冶金组合物的整形时，在所述组合物中包含有机粘结剂是必要的，以便在整形阶段中对组合物提供流动性。
本发明获得的自润滑复合材料可以用于制造高机械强度的部件，也就是说，用于制造机械部件，例如传动装置、小齿轮、式冠状物、叉状物和驱动器、活塞以及用于压实机的连接杆等，而不仅用于干式自润滑衬套。
高机械性能兼具摩擦性能来源于与基体的机械性能以及为组合物材料设计的显微组织参数相关的一系列具体需求的应用，它们是：基体的硬度和机械强度，分散在基体中的固体润滑剂颗粒之间的尺寸和平均自由路径；基体的连续性程度；分散在结构基体中的固体润滑剂颗粒的体积百分比；以及固体润滑剂相与基体之间的相对稳定性。
附图说明
将在下面通过结合附图并参考本发明的实施方案的例子来说明本发明，其中：
图1A概略性地示出了现有技术的粒状材料组合物的部分显微组织，其包含结构基体以及含有六方氮化硼和/或石墨的固体润滑剂，在承受粒状材料混合物的机械均匀化以及工件整形(致密化)操作之前，在烧结之前；
图1B类似于图1A，但示出了相同现有技术的粒状材料组合物的显微组织，在均匀化以及整形之后，其中结构基体的颗粒之间形成固体润滑剂层；
图2A概略性地示出了金属结构基体的粒状材料混合物或组合物的部分显微组织，而粒状固体润滑剂的材料具有与金属结构基体的颗粒尺寸类似的颗粒尺寸(相同的数量级)，有助于后者的连续性程度；
图2B概略性地示出了结构基体的粒状材料组合物的部分显微组织，其中固体润滑剂具有比金属结构基体的颗粒尺寸小得多的颗粒尺寸，由此显著更细小的固体润滑剂颗粒在金属结构基体的颗粒之间趋于形成相对连续的层，即使在烧结之前的加工步骤中没有剪切应力；
图3概咯性地示出了均匀分布的不连续颗粒形式的固体润滑剂，在本发明的粒状材料组合物的部分显微组织中，具有规则的平均自由路径“λ”；
图4表示结构基体为铁基合金的自润滑烧结产品的显微组织图，显示了石墨和六方氮化硼颗粒以及提供在烧结过程中分散于结构基体的粒状材料中的液体相；
图5用简化图概略性地示出后续将烧结的工件或产品的形成中的压实的实施例，进行所述压实以便在待烧结产品的两个相对面中提供自润滑层；
图6A、6B和6C表示其整形是通过由挤压来进行压实所获得的产品的实施例，分别为自润滑复合材料的棒，自润滑复合材料的管，以及芯部为金属合金并涂覆有自润滑材料外层的棒；以及
图7用简化图概略性地示出了后续待烧结的工件或产品的形成中的压实的实施例，通过在金属合金板或带的相对面上辊压自润滑复合材料进行所述压实。
发明描述
如上述提到的，本发明的一个目的是提供粒状材料的冶金组合物，其可以均匀地混合并通过压实(压制、辊压、挤压)或通过射压造型来整形(致密化)，使其可表现待承受烧结操作的确定几何形状(工件)，以获得相对于现有技术的教导所获得的产品呈现出高的硬度、机械强度以及减小的摩擦系数的产品。本冶金组合物包含主粒状金属材料，它在组合物的形成中是主要的，以及至少一种粒状硬化合金元素，这些组分负责在待烧结的复合产品形成结构基体10。
根据本发明，主粒状金属材料通常为铁或镍，从而确定铁基结构基体或镍基结构基体。
在使用铁作为主粒状金属材料的组合物中，具有硬化基体作用的粒状硬化合金元素确定为例如选自铬、钼、碳、硅、锰和镍中的至少一种，但是应当理解，可以在结构基体10中采用相同作用的其它元素。值得注意的是，本发明需要提供可实施将待形成结构基体10的硬化作用的合金硬化元素，但这方面不应限于此处给出的示例性合金元素。
除了形成结构基体10的组分外，本组合物还包含非金属粒状固体润滑剂20，其优选但不限于确定为六方氮化硼、石墨或二者以任何比例的混合物，所述粒状固体润滑剂20的体积百分数占待形成的复合材料体积的约15％或少于15％，所述百分数比现有技术中通常的25％到40％低，实质上有助于结构基体10的较高程度的连续性，从而有助于获得的烧结产品的较高机械强度。
如在现有技术的论述中已提到的，如图1A、1B、2A和2B所示，由于在组合物形成中使用的非金属粒状固体润滑剂的低剪切应力，以及后来的烧结复合产品在组合物的粒状材料的混合步骤中，以及在通过压实或通过射压造型的组合物整形步骤中，施加到固体润滑剂20的应力引起后者在形成结构基体10相的颗粒之间扩展，趋于将它们包围在膜或层21中，在粒状固体润滑剂20不可溶于结构基体10中的情况下，损坏在形成金属结构基体10的颗粒之间的烧结颈部的形成，如发生在六方氮化硼相对于铁基或镍基结构基体10那样。
为了避免上述缺陷，本发明的组合物还包含至少一种粒合金元素，它能够在整形的冶金组合物的烧结温度下，在形成结构基体10的粒状材料与粒状固体润滑剂20之间形成液相，迫使后者团聚成均匀地分散在结构基体10的材料中的不连续颗粒，如图3所示。液相的形成及其在粒状固体润滑剂20上的作用允许在待得到的烧结复合产品中获得结构基体10的高度连续性。
当本发明的冶金组合物通过压实而整形并使用铁基结构基体时，主要粒状金属铁材料优选具有约10μm到约90μm的平均颗粒尺寸。而具有硬化结构基体10的作用的硬化元素，以及具有形成液相并使粒状固体润滑剂20团聚的作用的粒状合金元素，在通过压实(致密化)而整形的冶金组合物的烧结过程中，具有小于约45μm的平均颗粒尺寸。应当理解，主要粒状金属铁材料的平均颗粒尺寸应当优选地比硬化元素以及合金元素的平均颗粒尺寸大。
通过压实或通过射压造型所整形的上述具有铁基结构基体10的冶金组合物，当粒状固体润滑剂20为在所述铁基结构基体10内的不可溶的类型时，能够包括(completedwith)硬化元素以及合金元素，例如六方氮化硼，因为在约1125℃到约1250℃的烧结温度下，粒状固体润滑剂20不与形成结构基体10的材料反应。粒状固体润滑20与结构基体10的反应引起前者部分或全部在后者的材料中消失，从而削弱甚至消除了要得到的烧结产品的自润滑性能。
然而，在结构基体10例如为铁基，且当粒状固体润滑剂20至少部分可溶于结构基体10的情况下，在通过压实或通过射压造型所整形的冶金组合物的烧结温度下，例如与石墨或者由石墨与六方氮化硼的混合物所发生的，本发明的冶金组合物还应包括至少一种能够在冶金组合物的烧结过程中稳定铁α相的合金组分，从而抑制溶解的发生，并将粒状固体润滑剂20结合到铁的结构基体10中。
根据本发明，稳定铁α相的合金组分确定为选自磷、硅、钴、铬和钼中的至少一种元素。尽管这些元素被认为是最适合在烧结温度下(约1125℃到约1250℃)在稳定铁α相中足以分别或单独起作用，但应当理解本发明存在稳定铁α相的概念，而不存在必须使用此处示例的合金组分的事实。
优选地，对于具有铁基结构基体10和至少部分可溶于结构基体10的粒状固体润滑剂20(例如由石墨构成或者由石墨与六方氮化硼组成的混合物构成)的组合物，具有硬化结构基体10的作用的粒状硬化合金元素、具有形成液相并使粒状固体润滑剂20团聚的作用的粒状合金元素、以及具有稳定铁α相的作用合金组分，确定为例如选自硅的元素，其含量为冶金组合物重量的约2％到5％，和选自硅、锰和碳的混合物，其含量为冶金组合物重量的约2％到8％。
当本发明的冶金组合物由射压造型所整形并使用铁基结构基体时，铁的主粒状金属材料优选具有在约1μm与约45μm之间的颗粒尺寸。同样的，具有硬化结构基体10的作用的硬化元素，具有形成液相并团聚粒状固体润滑剂20的作用的粒状合金元素，在由射压造型所整形的冶金组合物与粒状固体润滑剂的烧结过程中，呈现出也在约1μm与约45μm之间的颗粒尺寸。
如所述，冶金组合物的结构基体10可以为镍基的，并且在这种情况下，任何粒状固体润滑剂20(在此示例为石墨，六方氮化硼或它们以任何比例的混合物)，将在约1125℃到约1250℃的冶金组合物的烧结温度下具有不可溶于镍结构基体10的特性，而无需使用稳定铁α相的粒状合金组分。
在具有镍结构基体10的冶金组合物中，所需的具有形成液相并使粒状固体润滑剂20团聚的作用的粒状合金元素，在冶金组合物的烧结过程中，确定为例如选自铬、磷、硅、铁、碳、镁、钴以及锰中的至少一种元素。
当本发明的冶金组合物使用镍基结构基体10时，镍的主粒状金属材料在通过压实所整形后呈现出优选在约10μm到约90μm之间的平均颗粒尺寸，具有硬化结构基体10的作用的硬化元素，以及具有形成液相并使粒状固体润滑剂20团聚的作用的粒状合金元素，在烧结通过压实(致密化)所整形的冶金组合物的过程中，呈现出等于或小于45μm的平均颗粒尺寸。当组合物的整形由射压造型进行时，优选镍的主粒状金属材料，以及具有硬化结构基体10的作用的硬化元素，以及具有形成液相作用的粒状合金元素，呈现出优选在约1μm到约45μm之间的颗粒尺寸。
考虑到具有镍基结构基体10的冶金组合物，具有硬化镍基体作用的硬化元素、以及具有形成液相并使粒状固体润滑剂20团聚成不连续颗粒的作用的粒状合金元素，确定为选自于硅、磷和铬的元素，含量在约2％到约5％之间，或选自于由硅、磷和铬组成的混合物，其含量占冶金组合物重量的约2％到约8％。
当烧结之前的冶金组合物的整形通过挤压或通过射压造型进行时，组合物还应当包含优选地选自石蜡和其它蜡、EVA和低熔点聚合物的至少一种有机粘结剂，在通过挤压而整形时通常占冶金组合物总体积的约15％到约45％，而在通过射压造型时，为约40％到约45％。有机粘结剂在整形步骤后从组合物中提取出，例如在整形产品进入烧结步骤之前通过蒸发作用提取。
上述冶金组合物，是通过在任何合适的混合器中将预定量的粒状材料进行混合得到的，选择所述粒状材料用于形成组合物以及自润滑烧结产品的后续获得。
将不同粒状材料的混合物进行均匀化，并通过整形，即通过压制、辊压或挤压或通过射压造型进行致密化操作，使得可整形成对于由烧结获得的产品的所需形状。
在通过射压造型进行整形的情况下，将包含有机粘结剂的组分混合物在不低于使有机粘结剂熔化的温度下均匀化，将如此均匀化的混合物进行造粒，以利于其处理、存储以及提供给射压机。
在组合物的整形之后，将整形的工件进行有机粘结剂的提取步骤，通常通过热处理进行。
接下来，可将均匀化并整形的冶金组合物在约1125℃到约1250℃的温度下进行烧结步骤。考虑到冶金组合物以及铁基或镍基结构基体10包括至少一种具有形成液相作用的粒状合金元素，其在烧结过程中，通过粒状合金元素形成所述液相，并促进粒状固体润滑剂20团聚成分布于结构基体10的体积内的不连续颗粒。
当冶金组合物包含至少部分可溶于铁基结构基体中的粒状固体润滑剂时，如其与石墨及其与立方氮化硼的混合物所发生的，均匀化并整形的冶金组合物还包含至少一种上面已确定的合金组分，它能够在冶金组合物的烧结步骤中，稳定结构基体10的铁α相，抑制确定为石墨的部分固体润滑剂在铁结构基体中的溶解。
采用此处提出的冶金组合物，可从不需要对非金属粒状固体润滑剂进行预处理的粒状材料中获得自润滑烧结工件或产品，所述工件或产品呈现出：在使用铁基结构基体10的情况下，硬度HV≥230，摩擦系数μ≤0.15，机械牵引阻力σt≥450MPa，且对于由压实来整形的产品，固体润滑剂20的不连续颗粒的分散，其平均颗粒尺寸为在约10μm到约60μm之间，对于由射压造型来整形的产品则在约2μm到约20μm之间；并且，在镍基结构基体10的情况下，硬度HV≥240，摩擦系数μ≤0.20，机械牵引阻力σt≥350MPa，且对于由压实来整形的产品，固体润滑剂20的不连续颗粒的分散，其平均颗粒尺寸在约10μm到约60μm之间，对于由射压造型来整形的产品则在约2μm到约20μm之间。
附图中的图5、6A、6B、6C以及7提出了旨在例示通过压实特定的预定量冶金组合物成任何所需的形状来整形本冶金组合物的不同可能性，它可以是希望获得的自润滑的烧结最终工件或产品，或是接近所需的最终形状的形状。
然而，在大量的应用中，仅在待承受摩擦接触以及其它相对运动的机械部件或工件的一个或多个表面区域中，自润滑特性才是必要的。
因此，如图5所示，所需的自润滑产品可以由结构基材30组成，该结构基材层优选整形成粒状材料，且在一个或两个相对面31中接受本发明的冶金组合物40的表面层41。在示出的实施例中，结构基材30以及冶金组合物40的两个相对表面层在任何合适的模具M内通过两个相对的冲模P压实，从而形成压实并整形的复合产品1，随后将其进行烧结步骤。在这个实施例中，只有结构基材30的两个相对面31将呈现出所需的自润滑性能。
图6A和6B分别示出了通过在合适的挤压基体(未示出)中挤压冶金组合物40来获得棒2和管3形式的产品。在这种情况下，通过冶金组合物40的压实的整形在后者的挤压步骤中进行。然后可对棒2或管3进行烧结步骤，以用于铁基或镍基结构基体10的形成以及结合分散的粒状固体润滑剂20的不连续颗粒，如图3和4所示。
图6C示出了由复合棒4形成的产品的另一实施例，其包含粒状材料的结构芯部35，且在周围和外部由本发明冶金组合物40形成的表面层41环绕。同样在这种情况下，结构芯部35以及冶金组合物40中的外表面层41的整形和压实(致密化)是通过复合棒4的两部分的共挤压获得的，然后将该棒进行烧结步骤。
当冶金组合物20的压实通过挤压进行时，如同例如在图6A、6B以及6C的棒2、3和4的形成中所进行的，所述组合物还可以包含从组合物中热去除的有机粘结剂，在后者的整形之后并烧结步骤之前，通过任何已知的技术用于所述去除。
有机粘结剂可以例如是选自石蜡和其它蜡、EVA以及低熔点聚合物中的任一种。
图7也示意性地表示了另一种获得烧结复合产品的方法，展示了一个或多个具有自润滑特性的表面区域。在这个实施例中，待获取的产品5具有由粒状材料形成的结构基材30，其已预先整形为带材形式，注意，在结构基材30(以连续带材的形式)的至少一个相对面上辊压成本发明的冶金组合物40的表面层41。然后，将复合产品5进行烧结步骤。
尽管在此公开的本发明是通过冶金组合物结合不同的结构层的一些实施例来展示的，但应当理解的是，这样的组合物和结合可能进行的变形对本领域的技术人员来说是清楚的，而不偏离本发明在结构基体中控制不连续颗粒形式的固体润滑剂分布、以及在烧结步骤过程中所述固体润滑剂可能趋于溶于所述基体的思想，如附于本发明说明书的权利要求定义的。

Claims (14)

1.粒状材料的冶金组合物，用于形成整形并烧结的自润滑复合产品，特征在于：其包含：主粒状金属材料，以主要的化学元素的形式，其中主粒状金属材料是铁，以及至少一种粒状硬化合金元素，它在待烧结的复合产品中形成结构基体(10)，其中粒状硬化合金元素具有硬化结构基体(10)的作用；至少部分溶于结构基体中的非金属粒状固体润滑剂(20)，其中粒状固体润滑剂(20)是由石墨和六方氮化硼构成的混合物；具有使铁α相稳定的功能的合金组分；以及至少一种粒状合金元素，其在整形冶金组合物的烧结过程中能够在形成结构基体(10)的粒状材料与粒状固体润滑剂(20)之间形成液相，从而使后者团聚成不连续的颗粒，其中粒状固体润滑剂(20)占的体积百分比小于或等于待形成的复合材料的体积的15％，粒状硬化元素、粒状合金元素和合金组分确定为硅，含量为冶金组合物的2-5重量％。
2.如权利要求1所述的组合物，所述组合物通过压实进行整形，特征在于铁的主粒状金属材料呈现出10μm与90μm之间的平均颗粒尺寸；具有硬化结构基体(10)的作用的硬化元素以及具有形成液相并且使粒状固体润滑剂团聚的作用的粒状合金元素，在通过压实进行整形的冶金组合物的烧结过程中，呈现出小于45μm的平均颗粒尺寸。
3.如权利要求1所述的组合物，通过射压造型对该组合物整形，特征在于其还包含有机粘结剂，且其中铁的主粒状金属材料、硬化元素、形成液相的粒状合金元素、以及粒状固体润滑剂呈现出在1μm与45μm之间的平均颗粒尺寸。
4.粒状材料的冶金组合物，用于形成整形并烧结的自润滑复合产品，特征在于：其包含：主粒状金属材料，以主要的化学元素的形式，其中主粒状金属材料是镍；以及至少一种粒状硬化合金元素，它在待烧结的复合产品中形成结构基体(10)，其中粒状硬化合金元素具有硬化结构基体(10)的作用；非金属粒状固体润滑剂(20)，其选自石墨、六方氮化硼或二者以任意比例的混合物；以及至少一种粒状合金元素，其在整形冶金组合物的烧结过程中能够在形成结构基体(10)的粒状材料与粒状固体润滑剂(20)之间形成液相，从而使后者团聚成不连续的颗粒，具有形成液相以使粒状固体润滑剂在烧结过程中团聚的作用的粒状合金元素确定为选自铬、磷、硅、铁、碳、镁、钴以及锰的元素中的至少一种，其中粒状固体润滑剂(20)占的体积百分比小于或等于待形成的复合材料的体积的15％。
5.如权利要求4所述的组合物，通过压实整形，且特征在于镍的主粒状金属材料呈现出在10μm与90μm之间的平均颗粒尺寸；具有硬化基体的作用的硬化元素以及具有形成液相并在通过压实所整形的冶金组合物的烧结过程中使粒状固体润滑剂团聚的作用的粒状合金元素，均呈现出等于或小于45μm的平均颗粒尺寸。
6.如权利要求4所述的组合物，通过射压造型进行整形，特征在于其还包含有机粘结剂，并且镍的主粒状金属材料、硬化元素、形成液相的粒状合金元素、以及粒状固体润滑剂呈现出1μm与45μm之间的平均颗粒尺寸。
7.如权利要求4，5或6中任一项所述的组合物，特征在于，具有硬化镍基体的作用的粒状硬化合金元素和具有形成液相并且使固体润滑剂团聚成不连续颗粒的作用的粒状合金元素，确定为选自含量为冶金组合物重量的2％到5％的硅、磷和铬的元素或选自含量为冶金组合物重量的2％到8％的由硅、磷和铬组成的混合物。
8.如权利要求3所述的组合物，特征在于有机粘结剂选自石蜡和其它蜡以及低熔点聚合物，比例为冶金组合物总体积的40％到45％。
9.如权利要求8所述的组合物，特征在于，所述低熔点聚合物包含EVA。
10.由权利要求1或2所述的粒状材料的冶金组合物获得自润滑烧结产品的方法，特征在于它包括步骤：
-以预定的量对粒状材料进行混合，这确定冶金组合物；
-对粒状材料混合物进行均匀化；
-对粒状材料混合物进行压实，以对混合物提供待烧结产品的形状；
-在1125℃到1250℃的温度下对压实并整形的混合物进行烧结，在烧结过程中与粒状合金元素形成液相，从而促进固体润滑剂团聚成分散在结构基体的体积中的不连续颗粒。
11.由权利要求1所限定的粒状材料的冶金组合物获得自润滑烧结产品的方法，其特征在于它包括步骤：
-以预定的量对粒状材料进行混合，这确定冶金组合物；
-对粒状材料混合物进行均匀化；
-压实粒状材料混合物，以对混合物提供待烧结产品的形状；和
-在1125℃到1250℃的温度下对所述压实并整形的混合物进行烧结，在烧结过程中与粒状合金元素形成液相，从而促进固体润滑剂团聚成分散在结构基体的体积中的不连续颗粒，并稳定结构基体的铁α相，以抑制确定为石墨的固体润滑剂部分溶于铁结构基体中。
12.如权利要求10或11中任一项所述的方法，特征在于确定冶金组合物(40)的粒状材料混合物进行压实的步骤包括如下过程中的一种：将冶金组合物(40)辊压成待后续烧结的板或带的形式；在结构基材(30)的至少一个相对面上辊压冶金组合物，该结构基材为粒状材料的板或带的形式，与形成结构基体(10)的主粒状金属材料相容；以由棒材(2)和管材(3)确定的形状中的一种形状进行挤压；和围绕着粒状材料捧形式的结构芯部(35)共挤压表面层(41)形式的冶金组合物，所述粒状材料棒与形成结构基体(10)的主粒状金属材料相容，从而形成复合棒(4)。
13.由权利要求3-9中任一项所述的粒状材料的冶金组合物获得自润滑烧结产品的方法，所述冶金组合物包含不可溶于结构基体的固体润滑剂，特征在于它包括步骤：
-以预定的量对粒状材料进行混合，这确定冶金组合物；
-在不低于有机粘结剂熔化温度的温度下，对粒状材料混合物进行均匀化；
-对该组合物进行造粒，以便于其处理、存储以及供给到射压机中；
-对粒状材料混合物进行射压造型，从而给混合物提供待烧结产品的形状；
-从造型的工件中提取有机粘结剂；以及
-在1125℃到1250℃的温度下对经整形的混合物进行烧结，在烧结过程中与粒状合金元素形成液相，从而促进固体润滑剂团聚成分散在结构基体体积中的不连续颗粒。
14.由权利要求3-9中任一项所确定的粒状材料的冶金组合物获得自润滑烧结产品的方法，特征在于它包括步骤：
-以预定的量对粒状材料进行混合，这确定冶金组合物；
-在不低于有机粘结剂熔化温度的温度下，对粒状材料混合物进行均匀化；
-对该组合物进行造粒，以便于其处理、存储以及供给到射压机中；
-对粒状材料混合物进行射压造型，从而给混合物提供待烧结产品的形状；
-从造型的工件中提取有机粘结剂；以及
-在1125℃到1250℃的温度下对经整形的混合物进行烧结，在烧结过程中与粒状合金元素形成液相，从而促进固体润滑剂团聚成分散在结构基体体积中的不连续颗粒，并稳定结构基体的铁α相，以抑制确定为石墨的固体润滑剂部分溶于铁结构基体中。
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