CN102497948A - 用于形成自润滑烧结钢产品的粒状材料组合物，自润滑烧结钢产品和获得自润滑烧结钢产品的方法 - Google Patents

Abstract

一种组合物，包括作为主要粒状金属材料的铁；具有使铁基结构基体硬化的至少一种粒状合金元素；以及前体非金属粒状组合物，所述前体通常为碳化物或碳酸盐，其在烧结过程中在分解时产生石墨结节，所述石墨结节的形成是非常有利的：前体化合物本身包含使铁基结构基体的铁α相稳定的化学元素；或者通过另外添加合金元素，所述合金元素包含在组合物中，且具有在烧结过程中使铁α相稳定的化学元素。该组合物可通过压实或将粉末射压造型而整形。本发明的方法可以获得由上述组合物制备的自润滑烧结钢产品。

Description

用于形成自润滑烧结钢产品的粒状材料组合物,自润滑烧结钢产品和获得自润滑烧结钢产品的方法

技术领域

本发明涉及由设计用于烧结的粒状材料(以金属和非金属粉末的形式)的组合物整形(conformed)来制造成品(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元素组成外，所述产品还包含粒状形式固态润滑剂的前体相，其在烧结步骤中通过分解在金属基体的体积中产生固态润滑剂的析出物，从而导致形成自润滑产品的显微组织，该产品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。本发明涉及在烧结过程中用于“原位”形成自润滑材料的所述冶金组合物，涉及由所述组合物获得的烧结钢形式的工件或产品，以及通过粉末冶金获得所述工件或产品的特定替代性工艺或方法。

背景技术

鉴于技术发展的先进阶段，对发展具有高性能的功能性材料存在着需求，这些材料对于每一类特定应用都是具体设计的。在很多机械工程应用领域中，存在着对于同时具有高机械强度、高耐磨强度以及低摩擦系数的材料的需求。

据估算，在行星齿轮中所产生的所有机械能的约35％是都由于润滑不够而损失的，并因摩擦转换成热。除了能量损失，产生的热削弱了机械系统的性能(因加热所致)。因此，机械工件在摩擦过程下维持低摩擦系数十分重要，不仅是为了能源经济性，还是为了提高所述工件和它们在其中运行的机械系统的耐用性，以及由于废弃材料的减少对环境保护的贡献。

用于减少相对运动的表面之间的磨损和摩擦的方法是保持上述表面分开，并以润滑层插入其间。在所有可行的润滑方式之中，流体力学(流体润滑剂)最为常用。在液态润滑中形成油膜，该油膜将相对运动的表面完全分开。但是，需要指出的是，使用液态润滑剂经常是存在问题的，如在非常高或非常低的温度条件下使用时，或在流体润滑剂可能发生化学反应时，和流体润滑剂可能成为污染物时。而且，在循环停止所导致的限制润滑的情况下，或其中不可能形成连续油膜的情况下，工件之间会发生接触，因而导致工件产生磨损。

干润滑，即使用固态润滑剂，是对于传统润滑的替代，由于其以固态润滑层的形式发挥作用，这阻止了相对表面之间的接触，但是不存在所形成的润滑层的破裂。

固态润滑剂已经在有问题的润滑剂领域中得到认可。它们可被应用在极端的温度条件下、高负载条件以及化学反应环境中，其中不能使用常规的润滑剂。此外，干润滑剂(固态润滑剂)是环境较清洁的替代品。

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)。

表现出低摩擦系数的自润滑机械部件，例如自润滑衬套(bushing)，是由金属粉末的粉末冶金技术所制备的，所述金属粉末形成烧结工件的金属结构基体，且其混合有固态润滑剂粉末。将所述部件应用在家用装置和小型设备中，例如打印机、电动剃刀、钻头、搅拌机等。用于结构性基体的大多数众所周知的现有技术中使用青铜、铜、银和纯铁。它们用作固态润滑剂：二硫化钼(MoS₂)、银(Ag)、聚四氟乙烯(PTFE)和二硒化钼(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。

但是，这些部件并未因其高体积含量(25％-40％)的固态润滑剂颗粒而表现出高机械强度，这导致低程度的基体相的不连续性，其是影响工件机械强度的显微组织因素。在金属基体的机械性能(强度和硬度)以及显微组织参数例如分散在基体中的固态润滑剂颗粒尺寸和在所形成的复合材料中的这些颗粒之间的平均自由程没有为其中工件需要具有高机械强度的应用所优化的情况下，认为固态润滑剂的高含量对获得低摩擦系数是必要的。固态润滑剂的高体积分数(其对于剪切具有固有的低强度)无助于金属基体的机械强度。此外，固态润滑剂颗粒易于剪切以及根据剪切力改变其形状，所述剪切力发生在机械均匀化粉末混合物(在混合器中进行)和压实混合物的过程中，从而更减少所形成的自润滑复合材料中的金属结构基体的连续性。

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(R_m≥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(R_m≥400MPa)以及小于0.3的摩擦系数。

如以本发明的相同申请人的名义于2008年9月12日提交的巴西专利申请(临时号018080057518)所描述的，由同时存在结构基体粉末和固态润滑剂粉末例如为六方氮化硼和石墨的粉末混合物的合并(consolidation)而获得的工件或产品，在烧结之后具有低的机械强度和结构脆性。

上述缺陷来源于：在混合和整形(致密化)待制造的工件或产品的步骤期间，固态润滑相在结构基体的粉末颗粒之间的不足的(因剪切)散布(分散)。在混合和整形的步骤期间，通过剪切，固态润滑剂在结构基体相的颗粒之间散布，并趋向于包围所述颗粒，这使得所述固态润滑剂承受的应力超过其较低的剪切应力。

另一方面，通过剪切形成的、出现在结构基体的(粉末的)颗粒之间的固态润滑层，损害了这些颗粒之间的金属表面接触的形成，其中上述颗粒在烧结过程中形成复合材料的结构基体；这促进了复合材料的结构基体相的连续性程度的降低、所述材料及所获得的产品结构脆化。

这样的问题可通过上述的现有巴西专利申请中所提及的方法来解决，导致获得机械强度优于现有技术方案的复合材料。

但是在与本发明相同的申请人之前的所述专利申请中，非金属粒状固态润滑剂，例如六方氮化硼、石墨或两者的混合物必须混合到金属材料(所述金属材料构成了待烧结复合物制品的结构基体)中，进一步还需要添加至少一种粒状合金元素，从而在经整形的冶金组合物的烧结步骤中在构成结构基体的粒状材料和非金属粒状固态润滑剂之间形成液相，以便使后者在不连续颗粒中团聚并且避免了非金属粒状固态润滑剂由于剪切作用在结构基体相中散布、避免在混合和整合(压实)待制造的部件或制品的步骤期间趋向于包围它们从而使后者脆化。

面对上述的不足之处，有必要提出一种解决方法：其既无需在待烧结的冶金组合物中混合固态润滑剂颗粒，也无需在烧结过程中向冶金组合物添加合金元素以在后者中形成液相。

发明概述

因此，本发明的目的在于提供一种用于形成烧结钢的粒状材料组合物，该粒状材料组合物包含金属结构基体，该金属结构基体自身允许(且在烧结过程中)形成自润滑烧结钢形式的形式的成品或半成品，所述自润滑烧结钢具有结构基体的高度连续性以及表现出高机械强度和高硬度，并在烧结中产生固态润滑剂相的精细分布。

同样，本发明的另一目的在于提供一种自润滑烧结钢产品，其通过粉末的压实经由压制、辊压和其它方法或通过射压造型继之以烧结如上所述的组合物而获得，表现出金属结构基体的高连续性程度、低摩擦系数、高机械强度和高硬度，并具有在烧结中产生的石墨的固态润滑剂相的精细分布。

本发明的另一目的还在于提供一种由所述粒状材料组合物获得例如上述自润滑烧结钢形式的产品的方法，所述方法既不包括在待烧结的冶金组合物中固态润滑剂颗粒的预先混合物，也不包括在烧结过程中为了形成液相在冶金组合物中添加合金元素。

在本发明的第一方面，通过用于制造自润滑烧结钢形式的产品的粒状材料组合物实现上述目的，通预先过对所述组合物进行压实和射压造型中一种操作来整形，所述组合物包含：作为主要粒状材料的铁；至少一种粒状合金元素，该合金元素具有使铁硬化的功能，并与铁形成铁基(ferrous)结构基体；非金属化合物，即在烧结过程中待于产品中形成石墨的固态润滑相的前体。

在实施本发明的方法中，非金属粒状化合物是碳化物或碳酸盐型化合物，其包含使铁基结构基体中的铁α相稳定的化学元素。在实施本发明的另一方法中，非金属粒状化合物中缺少任何使铁α相稳定的化学元素，因而需要在冶金组合物中包括具有使铁α相稳定功能的另外粒状合金元素。

在本发明中，在工件或产品的烧结步骤期间通过前体相分解而形成石墨颗粒。作为实施本发明的前体相的例子，可以引述：碳化硅(SiC)、碳化钼(Mo₂C)、碳化铬(Cr₃C₂)等。在制备将会构成新复合材料的粉末混合物的步骤中，将细粉末颗粒(优选5至25μm)形式的碳化物混合到铁粉末(主要组分)和其它存在于粉末混合物中的合金元素粉末中。为引起铁基基体中石墨结节(nodule)的析出以形成自润滑烧结钢而最多指定的碳化物是那些在它们的分子式中具有可使铁α相强烈稳定的化学元素的那些碳化物，例如以碳化硅(SiC)形式存在的元素Si。在烧结步骤过程中，即在工件或产品的烧结温度下，碳化硅(SiC)分解，且化学元素Si变成了铁中即铁基结构基体中的固溶体。随着SiC分解的进行，在铁基基体中，在分解中的SiC颗粒周围的溶解Si的量增多。如可从铁-硅平衡相图中证实的，化学元素Si强烈地使铁α相稳定；在铁-硅相图中，α←→(α+γ)循环的顶点出现在Si为2.15重量％时(4.2at％)。因此，在通常于1125℃至1250℃下进行的烧结钢的烧结过程中，当在分解中的SiC颗粒周围溶于铁中的Si浓度达到γ相的溶解度极限时，发生了由γ相向α相的转化。在SiC分解过程的初始阶段，尽管Si浓度并没有达到使分解中的SiC颗粒周围的α相稳定所需要的值，但分解所产生的碳也变成固溶体并向基体的内部散布，然而，一旦分解中的SiC粒状周围的铁基基体转化成α相，那么溶解碳的过程就会中断，原因在于碳在铁α相中的溶解度很低(在727℃下最大值为0.022重量％)。因此，由于碳化物的分解，所释放的碳形成了石墨结节，这些石墨结节被铁α相层包围，尽管基体的残余部分能够连续呈现γ相。

附图说明

参照例示本发明的实施方案的例子的附图，在下文对本发明进行说明，其中：

图1A、1B以及1C相继且示意地表示了在烧结步骤过程中由混有铁粉末(基体)的碳化物颗粒分解所得的显微组织的演变，图1A表示了在该过程的初始阶段中材料的两相的显微组织，其中碳化物颗粒仍然是完整的，也就是说反应还没有开始，而图1B表示其中已经出现碳化物部分分解的情况，而图1C则表示了分解已经完成的情形；

图2示意地显示了对于固态润滑颗粒或结节在复合材料(以钢的形式)体积中的分布的所需理想情形(显微组织模型)，该复合材料具有低摩擦系数，允许保持该复合材料的基体的高度连续性；在一种理想情形中，固态润滑剂必须为均匀分布在材料体积中的不连续颗粒或结节的形式，在颗粒或结节之间具有规律的平均自由程“λ”；

图3是本发明的材料在碳化物颗粒分解之后于已烧结状态的显微组织图，显示了被由α相形成的清晰层(clear layer)和复合材料基体包围的石墨结节；

图4通过在带有场致发射枪的扫描电镜(FEG-SEM)中以高倍数(20000X)获得的图片显示了在烧结过程中产生的结节内部的石墨组织的细节，其证明了所述结构为纳米厚度的石墨表皮或片体形式；

图5以简图的形式示意性显示了在随后将要进行烧结的工件或产品的形成中的压实的例子，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；当在烧结工件的一个或多个面中需要仅一个自润滑层时，应当使用使用这一方法。

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。

具体实施方案

如前所述，本发明的目的之一在于提供一种粒状材料的组合物，可通过压实(压制、辊压)、或者通过挤压或粉末的射压造型而将其均匀混合和整形(致密化)，从而其可呈现出要进行烧结操作的规定的几何形状(工件)，以便获得这样的产品：相比于由现有技术的教导所获得的产品，其呈现出高的硬度、机械强度和降低的摩擦系数。本组合物包含：在组合物形成中占优的主要粒状金属材料，以及至少一种具有使占优材料硬化的功能的粒状合金元素，这些组分负责在待烧结的复合产品(钢的形式)中形成结构基体；和前体粒状材料，其允许在烧结过程中在分解时获得固态润滑剂结节。

按照本发明，且如图2中所示，主要的粒状金属材料是确定铁基结构基体10的铁，而用于在烧结过程中通过分解形成固态润滑剂的结节20的前体相基于碳化物或碳酸盐的化合物，该化合物优选由使铁基结构基体10中的铁α相稳定的化学元素形成。当所采用的前体相在其组成中不含有能够使铁基基体10中的铁α相稳定的化学元素时，还应当向本发明的材料组合物添加足够量的特定的另外合金元素以使铁α相稳定。

具有使铁基结构基体硬化的功能的合金元素例如确定为选自Cr、Mo、C、Si、P、Mn、和Ni中的一种，但是应当理解的是，也可以使用在结构基体中发挥相同作用的其它元素例如V和Cu，以及同时使用多于一种合金元素。应注意的是，本发明中需要提供合金硬化元素，该合金硬化元素可通过组分之间的相互扩散作用(化学均匀化)而在烧结过程中实现使待形成的铁基结构基体硬化的功能，但是这一方面不应局限于这里所例举的合金元素。

图1A、1B、1C以及图2示意性示出了在烧结过程中，随着碳化物(SiC)的分解，复合物的显微组织的演变的几个步骤。图3示出了在烧结之后通过光学显微镜获得的复合材料的显微组织图，而图4则展示了析出石墨的结构，其在结节内部呈现出具有纳米厚度的“表皮或叶状物”的形式。这一结构便于在摩擦对的相对运动表面的界面上形成摩擦层，从而提高了固态润滑的效率。

并行添加其它合金元素促进了烧结操作过程中基体中α相的增加，提高了因混合在材料体积中的碳化物颗粒的分解而产生石墨结节20的趋势，其中所述合金元素使将会形成复合物的粉末混合物中的铁α相稳定。

使铁α相稳定的合金元素(来自碳化物分解)，除了阻止碳在基体中的溶解(这是由于在分解时它们在颗粒11周围形成α相层12)，当它们在固溶体中时，还有助于提高基体的硬度；然而，如果由于铁的固溶体内存在的这些合金元素所达到的硬度增加不充分，就还应当向粉末混合物中添加其它合金元素，以便在烧结操作过程中溶于基体，以实现应用中所需的硬度和机械强度为目的。

因此，在本发明中，材料的金属结构基体通过带有合金元素的固溶体使铁自动硬化而形成，所述合金元素使铁α相稳定，例如，通过粉末冶金处理材料中由于混合到铁粉末中的碳化物分解而溶解在铁基基体中的Si和Mo。

除了这些必须存在的稳定化合金元素，也可以将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：调节基体的机械强度和硬度，允许达到相对于在烧结过程中产生的干燥自润滑复合材料的摩擦和机械行为更高的性能。作为在本发明中有利地使用以提高基体的机械强度和硬度的其它合金元素的例子，除了Si、Mo和P元素(它们是铁α相的强稳定剂)之外，还可以引述元素Cr、Ni、Mn、W、V和C。

至于用到的碳化物的种类，通过如下两种不同的备选方案形成为在本发明中通过粉末冶金方法制备产品中所配制的粉末混合物：

备选方案1：铁粉末+碳化物粉末颗粒11(以体积百分比≤10％混合)+称为合金元素的其它化学元素的粉末颗粒，其中碳化物粉末颗粒由使铁α相稳定的化学元素形成，其在烧结温度下在分解时产生石墨结节20，所述其它化学元素的粉末颗粒具有提高铁基基体10的硬度以及强度的功能；

备选方案2：铁粉末+碳化物粉末颗粒+使铁α相稳定的合金元素粉末(以体积百分比≤10％混合)+其它合金元素，其中碳化物粉末颗粒不是由使铁α相稳定的化学元素形成的；所述使铁α相稳定的合金元素粉末具有使铁基基体中的α相稳定的功能，以便阻止被铁基基体溶解的碳化物分解而出现的碳；所述其它合金元素的存在用于调整复合物结构基体的机械性能。

由于金属铁基结构基体10是组合物中赋予待形成的复合材料机械强度唯一的显微组织元素，因此所述复合物基体连续性程度越高，由材料制成的烧结制品或工件的机械强度就越高。除了固态润滑剂相的低孔率，低体积百分比，还要求干燥自润滑烧结复合材料的金属结构基体保持高度连续性，这是因为固态润滑剂相无助于材料的机械强度，因此无助于烧结产品的机械强度。此外，存在于材料体积中的固态润滑剂应当以不连续颗粒或结节20的形式均匀地分散在体积中，即在铁基结构基体10的内部具有规律的平均自由程“λ”(参见图2)。这允许产生更大的润滑效率，并且与此同时，保证基体的较高程度的连续性，这进而保证复合材料的较高机械强度。

材料的金属基体需要有较高的抗塑性变形的能力，这不仅是为了作为必要的负荷能力的机械支持，同时也是为了防止固态润滑剂颗粒被结构基体的塑性变形所覆盖，在工件运转时(当在相对运动中摩擦时)，防止固态润滑剂在应该形成固态润滑剂层的界面中散布。

按照本发明，稳定铁α相的附加合金组分确定为选自以下的至少一种元素：P、Si、Co、Cr以及Mo。尽管认为这些元素在烧结温度(约1125℃至1250℃)下，单独或联合地对稳定铁α相是最适合的，但是应理解，本发明的观念在于使铁α相稳定从而减少碳分解，而不在于所采用的合金组分必然是此处所例示的那些。

当通过压实来整形本发明的组合物时，主要粒状金属材料(铁)优选地呈现出在约5μm至约90μm之间的平均颗粒尺寸。进而，具有使结构基体硬化的功能的硬化元素，以及固态润滑剂相(化合物)的前体组分应当呈现出优选低于约45μm的颗粒尺寸；应进一步理解，主要粒状金属材料(即铁)的平均颗粒尺寸应当总是大于合金元素以及固态润滑剂相的前体组分(化合物)的平均颗粒尺寸。

当通过射压造型来整形本发明的组合物时，主要粒状金属材料(铁)优选地呈现出在约5μm至约25μm之间的颗粒尺寸。同样地，合金元素以及固态润滑相的前体组分(化合物)优选呈现出也在约5μm至约25μm之间的颗粒尺寸。

在烧结之前，当通过挤压或通过射压造型来整形组合物时，则所述组合物应当进一步含有至少一种优选地选自石蜡和其它蜡、EVA以及低熔点聚合物的有机粘结剂，在通过挤压进行整形时，这些粘结剂的比例通常为冶金组合物总体积的约15％至约45％，在通过射压造型进行整形时，则为约40％至45％。在整形步骤之后，在已整形的产品进行烧结步骤之前，例如通过蒸发从组合物中提取有机粘结剂。

通过在任何合适的混合器中混合预定量的选定用于形成组合物的粒状材料获得上述组合物，以及用于随后获得(obtention)自润滑烧结产品。

通过如下方式将不同的粒状材料混合物进行均匀化，并进行致密化操作：通过压实即通过压制或辊压，或通过粉末的挤压或射压而造型，在该操作中获得的不仅是粉末物质的致密化，还可以通过烧结获得所要得到产品的形状。

在通过挤压或射压而造型粉末来进行整形的情况下，将包含有机粘结剂的组分混合物在不低于有机粘结剂熔化温度的温度下均匀化，由此将均匀化的混合物进行造粒以有利于自身的处理、储备和供给到射压造型机。

在工件的整形之后，通常在两个步骤中对其进行有机粘结剂的提取，第一步骤是在溶剂(如己烷)中的化学提取工艺，第二步骤是通过热降解或CD等离子协助热方法的提取工艺。

使用这里所提议的组合物，可获得硬度在230HV至700HV的自润滑烧结工件或产品，且其摩擦系数μ≤0.15、机械牵引阻力为350至750MPa(取决于存在的合金元素以及使用的工艺参数)，以及具有无定形碳结节的分散，其具有纳米厚度的表层形式的内部结构，这有助于石墨在可移动表面的界面中散布，形成固态润滑剂层。

图5、6A、6B、6C和7的目的是例示通过将某些预定量的组合物压实成任意所需的形状或与所期望的成品形状相近的形状来整形本发明所述组合物的不同可能性，其可以是所期望获得的自润滑烧结成品工件或产品。

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以及组合物40的两个相对表面层在任何合适的模具M内部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。

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。

当组合物40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在烧结步骤之前，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钢形式的复合产品的方法，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具有形成为粒状材料的结构基材30，其已预先整型为带材形式，注意，在结构基材30的至少一个相对面上，以连续带材的形式，辊压成本发明的组合物40的表面层41。然后，将复合产品5进行烧结步骤。

尽管通过可能组合物的一些例子并结合不同的结构基材层来公开了本发明是的，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固体润滑剂的不连续颗粒分散、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，如结合本发明说明书的权利要求定义的。

Claims (24)

1.一种用于形成烧结钢形式的自润滑产品的粒状材料组合物，其通过压实或粉末射压来整形，其特征在于该组合物包括：作为主要粒状金属材料的铁；至少一种合金元素颗粒，该合金元素颗粒具有使铁硬化的功能，从而与其形成铁基结构基体；以及非金属化合物，在烧结过程中要在复合产品中形成的石墨固态润滑剂相的前体。

2.如权利要求1所述的组合物，特征在于，所述非金属粒状化合物，石墨的固态润滑剂相的前体，是碳化物或碳酸盐型化合物，且其在组成中包含使铁基结构基体的铁α相稳定的化学元素。

3.如权利要求2所述的组合物，特征在于，使铁α相稳定的化学元素选自碳化硅、碳化钼和碳化铬。

4.如权利要求1所述的组合物，特征在于，还包括另外粒状合金元素，当非金属粒状化合物是碳化物或碳酸盐，且其组成中缺少使铁基基体的铁α相稳定的任何化学元素时，所述另外粒状合金元素使铁α相稳定。

5.如权利要求4所述的组合物，其特征在于使铁基结构基体的铁α相稳定的所述另外粒状合金元素是选自硅、磷、钼和铬中的至少一种元素。

6.如权利要求2、3、4或5中任一项所述的组合物，特征在于，非金属粒状化合物，石墨的固态润滑剂相的前体，其在待整形的粒状材料冶金组合物中所占的体积百分数优选低于约10％。

7.如权利要求1、2、3、4、5或6中任一项所述的组合物，特征在于，具有使铁基结构基体的铁硬化的功能的粒状合金元素确定为选自镍、铬、钼、钒、锰、铜、硅、磷和碳中的至少一种。

8.如权利要求1-7中任意一项所述的组合物，所述组合物通过粉末压实(压制、辊压、双重压制或压实)被整形，特征在于，主要粒状金属材料(铁粉末)的颗粒呈现出在约5μm至约90μm之间的平均尺寸，具有使铁硬化的功能的粒状合金元素的颗粒以及非金属粒状化合物的颗粒均呈现出小于约45μm的尺寸，所述非金属粒状化合物为固态润滑剂相的前体。

9.如权利要求8所述的组合物，特征在于，主要粒状金属材料即铁的平均颗粒尺寸大于粒状合金元素和非金属颗粒化合物，固态润滑相前体的颗粒尺寸。

10.如权利要求1-7中任一项所述的组合物，所述组合物通过挤压或射压造型被整形，特征在于，铁形式的主要粒状金属材料，以及粒状合金元素和非金属粒状化合物均呈现出在约5μm至约25μm之间的颗粒尺寸。

11.如权利要求10所述的组合物，特征在于，其以冶金组合物总体积的约40％至约45％的比例包含选自石蜡和其它蜡、EVA以及低熔点聚合体中的有机粘结剂体系。

12.一种自润滑烧结钢形式的产品，其由如权利要求1-11中任意一项所述的粒状材料组合物获得，并在烧结之前进行整形，特征在于，其呈现出在230HV至700HV之间的硬度，≤0.15的摩擦系数μ，以及在350至900MPa之间的牵引阻力。

13.如权利要求12所述的产品，特征在于，特征在于其确定了至少一个与结构基材(30)结合的所述冶金组合物(40)的表面层(41)。

14.如权利要求13所述的产品，特征在于，在粒状材料中确定与冶金组合物(40)的表面层(41)一起烧结的结构基材(30)。

15.如权拉要求14所述的产品，特征在于，结构基材(30)为板或带的形式，其相对面中的至少一个与所述冶金组合物(40)的表面层(41)结合。

16.如权利要求14所述的产品，特征在于，结构基材(30)为复合棒(4)的结构芯部(35)的形式，其在周围和外部与所述冶金组合物(40)的表面层(41)结合。

17.一种由权利要求8或9所述的粒状材料组合物获得烧结钢形式的自润滑产品的方法，其特征在于包括以下步骤：

-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；

-在约1125℃到约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，由结构基体体积中前体化合物的分解形成石墨结节。

18.如权利要求17所述的方法，特征在于将确定冶金组合物(40)的粒状材料混合物进行压实的步骤包括将冶金组合物(40)辊压成待后续烧结的板或带的形式。

19.如权利要求17所述的方法，特征在于将确定冶金组合物(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。

20.如权利要求18或19所述的方法，特征在于，在烧结粒状材料之后，还包括冷轧板材或带材的另外步骤，用以减少残余孔隙，之后进行最终退火。

21.如权利要求18或19所述的方法，特征在于，将确定冶金组合物(40)的粒状材料混合物进行压实的步骤包括以由棒材(2)和管材(3)确定的形状中的一种形状进行挤压。

22.如权利要求17所述的方法，特征在于，将确定冶金组合物(40)的粒状材料混合物进行压实的步骤，包括将该组合物挤压成在粒状材料棒状的结构芯部(35)周围的衬套(42)的形式，所述材料与形成结构基体(10)的主要粒状金属材料相容，从而形成复合棒(4)。

23.如权利要求21或22所述的方法，特征在于，所述组合物(40)包含在烧结步骤前要从产品中热去除的有机粘结剂。

24.一种由权利要求10或11所述的粒状材料组合物获得烧结钢形式的自润滑产品的方法，其特征在于包括以下步骤：

-以预定量混合粒状材料，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将粒状材料混合物均匀化；

-对组合物造粒以便于其处理、储存和供应给射压造型机；

-将所述粒状材料混合物射压造型，从而给混合物提供待烧结产品的形状的；

-从已造型的工件中提取出有机粘结剂；以及

-在约1125℃至约1250℃的温度下烧结由粉末整形所获得的工件。

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