CN103282681A - 烧结轴承及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种烧结轴承及其制备方法，其中所述方法包括：通过混合金属粉末、凝析石墨和润滑剂而形成混合粉末；通过向所述混合粉末施加压力而形成模制体；通过烧结所述模制体而形成烧结体；以及在油中浸渍所述烧结体的步骤。本发明通过向金属粉末中添加0.01-10重量份的凝析石墨而制得，从而提供优异的耐磨损性、强度和自润滑性。

Description

烧结轴承及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种烧结轴承及其制造方法，更特别地涉及使用作为铁生产中的副产物的凝析石墨的烧结轴承及其制造方法。本申请要求2010年11月29日提交的韩国专利申请No.10-2010-0119557的权益，该申请以全文引用的方式并入本申请。
背景技术
凝析石墨是从炼铁厂中的综合性钢铁制造工艺中所产生的许多副产物中的一种，所述综合性钢铁制造工艺包括高炉工艺、炼铁工艺、炼钢工艺等。
凝析石墨主要在高炉、KR设备、TCC车间、钢渣处理车间等中产生。
发明内容
技术问题
本发明的一个目的在于提供一种烧结轴承及其制造方法，其中将作为铁生产中的副产物的凝析石墨添加至金属粉末中，从而制造耐用性、润滑性等得到改善的烧结轴承。
技术方案
为了实现上述目的，本发明提供一种烧结轴承，其包含金属粉末、凝析石墨和润滑剂。
所述烧结轴承可以其总重量计包含0.01～10重量份的所述凝析石墨、0.01～1.0重量份的所述润滑剂，和余量的所述金属粉末。
所述金属粉末可为选自纯铁体系、铁-铜体系、铁-碳体系、铁-碳-铜体系、青铜体系和铁-碳-铜-镍体系中的一种或多种。
所述凝析石墨可为铁生产的副产物。
本发明提供一种制造烧结轴承的方法，其包括混合金属粉末、凝析石墨和润滑剂，从而形成粉末混合物；向所述粉末混合物施加压力，从而形成模制体；烧结所述模制体，从而形成烧结体；以及采用油浸渍所述烧结体。
所述粉末混合物可以其总重量计包含0.01～10重量份的所述凝析石墨、0.01～1.0重量份的所述润滑剂，和余量的所述金属粉末。
所述金属粉末可为选自纯铁体系、铁-铜体系、铁-碳体系、铁-碳-铜体系、青铜体系和铁-碳-铜-镍体系中的一种或多种。
所述凝析石墨可为具有50目或更小的粒径的粉末形式。
所述凝析石墨在精炼之后可具有90～100%的纯度。
所述润滑剂可为选自硬脂酸锌（C36H70O4Zn）、Acrawax（C38H76N2O2）和Kenolube石蜡中的任意一种或者两种或更多种的混合物。
可通过使所述粉末混合物经受在室温下在50～350MPa的压力下的压制而进行所述模制体的成型。
可以进行所述模制体的成型，使得所述模制体具有5.4～7.0g/cm3的压坯密度。
可在大气压下在850～1300°C下进行所述烧结体的成型。所述烧结体的成型可进行1～6小时。
可在真空中在50～150°C下进行采用油的浸渍。
有益效果
根据本发明，烧结轴承通过向金属粉末中添加0.01～10重量份的凝析石墨而制得，从而表现出优异的耐磨损性、强度和自润滑性。
特别地，在初始操作时，具有优良的滑移性质的凝析石墨能够实现所述烧结轴承的自润滑作用，从而降低了轴承轴心和销之间的摩擦，由此促进了初始操作并显著改善了烧结轴承的耐磨损性。
此外，具有高导热性的凝析石墨能够迅速散发所述烧结轴承的摩擦热，从而最终减少磨耗损失。
因此，通过回收作为铁生产的副产物的凝析石墨，高质量的烧结轴承能够被提供给汽车工业以及多种设备工业，而且其在降低制造成本方面是有利的并且是生态友好的。
附图说明
图1为示出了当初始操作表1的样品时的摩擦系数的曲线图；
图2为示出了当初始操作表2的样品时的摩擦系数的曲线图；
图3为示出了当初始操作表3的样品时的摩擦系数的曲线图；
图4为示出了当初始操作表4的样品时的摩擦系数的曲线图；
图5为示出了取决于添加的凝析石墨的量和样品的密度的变化的实施例1至4中的样品的硬度和磨耗损失的曲线图；
图6为示出了取决于添加的凝析石墨的量的烧结样品的硬度的曲线图；
图7为示出了当初始操作表5的样品时的摩擦系数的曲线图；
图8为示出了基于磨损试验1小时之前和之后的样品的重量差异的磨耗损失的曲线图；以及
图9为示出了取决于添加的凝析石墨的量的烧结样品的硬度的曲线图。
具体实施方式
以下将给出针对本发明的详细描述。
根据本发明，烧结轴承包含金属粉末、凝析石墨和润滑剂。
所述烧结轴承以其总重量计包含0.01～10重量份的所述凝析石墨、0.01～1.0重量份的所述润滑剂，和余量的所述金属。
所述烧结轴承为在汽车、电子产品、工业机械、建筑机械等中用于旋转被固定在预定位置上的轴，并同时支撑所述轴的重量和施加至所述轴的负荷的机械部件。通过向金属粉末中添加凝析石墨来制造所述烧结轴承，以改善耐用性、润滑性等。
凝析石墨为铁生产的副产物。
当烧结时，凝析石墨分散于金属轴承中，由此增加了所述轴承的强度，并充当固体润滑剂以在初始操作时（在此时油未被排出）能够实现自润滑作用。
人造石墨和天然石墨（其不是金属成分而是无机材料）起到干扰和抑制金属轴承的烧结的功能。由于较大的比体积，即使当金属中仅含有一定重量%的粉末形式的上述石墨时，也难以进行轴承的模制和烧结。
然而，凝析石墨具有比典型的人造石墨更高的结晶度，并具有比天然石墨更小的片层厚度。作为分析X-射线衍射的结果，凝析石墨的晶格间隙为
Figure BDA00003419045400041
这与石墨的理论值类似，并且由d(002)面的X-射线衍射带宽计算的结晶度被测定为
另外，凝析石墨具有高的导热性并因此迅速散发所述烧结轴承的摩擦热，增加所述烧结轴承的耐磨损性，并且在初始操作时充当固体润滑剂，从而表现出优越的机械性质。
凝析石墨可包括在炼铁厂中产生的任何凝析石墨，并且可取决于产生位点而含有多种杂质，如铁、铁氧化物、非金属氧化物、灰尘等，因此被捕获和收集的凝析石墨在精炼之后使用。化学精炼处理包括泡沫浮选和酸洗。
优选地，使用可以很容易地经受捕获、收集和精炼，并且具有10%或更高的纯度的凝析石墨。例如，在KR（机械搅拌脱硫）设备及TCC（铁水处理）车间中产生的凝析石墨是特别有用的。在KR设备中产生的凝析石墨具有2.8g/cm3的密度和90～98%的纯度。
在KR设备中产生的凝析石墨包括大的灰尘颗粒和SiO2颗粒，但其纯度高达90%或更高，因此仅进行机械分离工艺（取决于尺寸的分离）而不需要额外的化学精炼处理，从而使其有可能除去大的灰尘颗粒和SiO2颗粒。
在TCC车间中产生的凝析石墨具有大约60%的纯度，并且包括作为杂质的铁和铁氧化物。在TCC车间中产生的凝析石墨优选经受化学精炼处理和分拣，从而将其纯度控制为大约90%或更高。在使用之前，经精炼的凝析石墨被分拣为50目（300μm）或更小的尺寸，并且其回收率为90%或更高。通过分拣分离的大颗粒可通过额外的研磨而重复使用。
这样，使用EPMA（电子探针显微分析仪）分析凝析石墨的纯度和杂质的组成。
以0.01～10重量份的量（以烧结轴承的总重量计）含有凝析石墨。如果凝析石墨的量以烧结轴承的总重量计小于0.01重量份，则烧结轴承的强度改善及其自润滑作用是不明显的。相反，如果凝析石墨的量超过10重量份，则烧结轴承的强度可增加，但是烧结性可能由于过量的凝析石墨而劣化，从而不利地降低耐磨损性。
优选以0.5～5.0重量份的量（以烧结轴承的总重量计）含有凝析石墨，以提高烧结轴承的强度，并改善自润滑作用和烧结性。凝析石墨的量如上所述受到限制的原因在于，取决于金属粉末组成使用超过5.0重量份的凝析石墨可能导致不利地降低耐磨损性的劣化的烧结性。
金属粉末为选自纯铁体系、铁-铜体系、铁-碳体系、铁-碳-铜体系、青铜体系和铁-碳-铜-镍体系中的任意一种或者两种或更多种的混合物。所述金属粉末为烧结轴承的主要成分，并且使用纯金属或金属合金以确保机械强度，如耐磨损性、硬度等。
润滑剂在润滑轴承中发挥作用。以0.01～1.0重量份的量（以烧结轴承的总重量计）使用所述润滑剂。当润滑剂的用量落入上述范围内时，不会降低强度并且可表现出润滑效果。
润滑剂可为选自硬脂酸锌（C36H70O4Zn）、Acrawax（C38H76N2O2）和Kenolube石蜡中的任意一种或者两种或更多种的混合物。
制造所述烧结轴承的方法包括混合金属粉末、凝析石墨和润滑剂，从而形成粉末混合物；向所述粉末混合物施加压力，从而形成模制体；烧结所述模制体，从而形成烧结体；以及采用油浸渍所述烧结体。
当形成粉末混合物时，金属粉末与凝析石墨和润滑剂混合，从而获得粉末混合物。以0.01～10重量份的量（以粉末混合物的总重量计）含有凝析石墨，以0.01～1.0重量份的量（以粉末混合物的总重量计）含有润滑剂，并且余量为金属粉末。
使用凝析石墨的原因在于，包含于凝析石墨中的具有极高结晶度的高质量片状石墨被回收，因此精炼凝析石墨以使用具有90%或更高的纯度的凝析石墨。如果凝析石墨的纯度小于90%，则烧结轴承的耐磨损性、润滑性和强度的改善是不明显的。
当烧结时，使用具有50目或更小的粒径的粉末形式的凝析石墨以促进碳的分散。为此，使用具有50目（300μm）筛孔尺寸的筛子分拣经精炼的凝析石墨。目为表示筛子的筛孔或粒径的单位。
金属粉末为选自纯铁体系、铁-铜体系、铁-碳体系、铁-碳-铜体系、青铜体系和铁-碳-铜-镍体系中的任意一种或者两种或更多种的混合物。
润滑剂可为选自硬脂酸锌（C36H70O4Zn）、Acrawax（C38H76N2O2）和Kenolube石蜡中的任意一种或者两种或更多种的混合物。
当形成粉末混合物时，使用超级混合器或高速混合器进行混合工艺，混合速率可设定为50～100rpm，并且混合时间可设定为1～120分钟，以完成均匀的混合。
当形成模制体时，使用10～30吨的压机将施加至粉末混合物的压力设定为50～350MPa，并进行在室温下的压制，由此获得具有5.4～7.0g/cm3的压坯密度和相对于总体积比例10～30体积%的内部孔隙度的模制体。
如果所述压力小于50MPa，则不形成模制体。相反，如果所述压力超过350MPa，则所得烧结体的内部孔隙率显著减小，使得难以采用油来浸渍烧结体。此外，如果压坯密度小于5.4g/cm3，则不形成模制体。相反，如果密度超过7.0g/cm3，则孔隙率可能会降低，使得不可能采用油来浸渍烧结体。
模制体可在大气压下在850～1300°C下烧结1～6小时。当烧结模制体时，凝析石墨分散于烧结体中，使得烧结体得以加强，从而提高强度。
烧结温度850°C对应于能够形成烧结体的最低温度，并且没有必要使用超过1300°C的高温。如果烧结时间少于1小时，则烧结效果会变得不明显。相反，如果烧结时间超过6小时，则烧结体的内部孔隙率可能会由于过度烧结而降低。
由于烧结，烧结轴承在其内部具有孔隙，并且采用油浸渍烧结轴承的孔隙，从而增加烧结轴承的强度。在50～150°C下在真空中进行采用油的浸渍。
当采用油浸渍时，如果温度低于50°C，则没有油流动性，使得不可能进行浸渍。相反，如果温度高于150°C，则可能会发生油成分的变形。
根据本发明的制造烧结轴承的方法能够重复利用废弃的凝析石墨，因此是生态友好的，并且能够使烧结轴承的耐磨损性提高，并使自润滑性得到确保。
通过下列实施例可获得对本发明的更好理解，所述实施例为了说明而给出，而不应当被解释为限制本发明。
<实施例1>
将作为纯铁粉末的NC100.24粉末、具有300μm或更小的粒径的凝析石墨粉末和作为润滑剂的硬脂酸锌混合，从而制备如下表1的粉末混合物。作为参考，NC100.24为可得自Hoganas的纯铁粉末的商品名。
使用高速混合器以100rpm的旋转速率进行混合10分钟。使用20吨的压机使所制得的粉末混合物在室温下经受压制，从而获得盘状的具有5.6g/cm3的压坯密度的耐磨损性测试样品。
盘状样品在1000°C下烧结3小时。
如下表1显示了实施例1的样品的组成。
[表1]
Figure BDA00003419045400071
图1示出了在表1的样品初始操作时的摩擦系数（在图1中，KG表示凝析石墨）。
从表1和图1中可以清楚地看出，当凝析石墨以3.0重量%的量添加时，最大初始摩擦系数为0.088，这低于当添加的凝析石墨的量为0、0.5和1.0重量%时的最大初始摩擦系数，因此表现出样品在初始操作时的低磨损。
虽然未在图1中显示，但是当凝析石墨的量为6.0重量%时，容易出现样品的磨损，从而不利地劣化样品的烧结性。
<实施例2>
将作为纯铁粉末的NC100.24粉末、具有300μm或更小的粒径的凝析石墨粉末和作为润滑剂的硬脂酸锌混合，从而制备如下表2的粉末混合物。
使用高速混合器以100rpm的旋转速率进行混合10分钟。使用20吨的压机使所制得的粉末混合物在室温下经受压制，从而获得盘状的具有6.0g/cm3的压坯密度的耐磨损性测试样品。
盘状样品在1000°C下烧结3小时。
如下表2显示了实施例2的样品的组成。
[表2]
Figure BDA00003419045400081
图2示出了表2的样品在初始操作时的摩擦系数。
从表2和图2中可以清楚地看出，样品在初始操作时的摩擦系数随着添加的凝析石墨的量的增加而成比例地降低。当添加的凝析石墨的量为3.0重量%时，最大初始摩擦系数为0.059，这低于当添加的凝析石墨的量为0、0.5和1.0重量%时的最大初始摩擦系数，因此表现出样品在初始操作时的低磨损。
虽然未在图2中展示，但是当凝析石墨的量为6.0重量%时，容易出现样品的磨损，从而不利地劣化样品的烧结性。
<实施例3>
将作为纯铁粉末的NC100.24粉末、具有300μm或更小的粒径的凝析石墨粉末和作为润滑剂的硬脂酸锌混合，从而制备如下表3的粉末混合物。
使用高速混合器以100rpm的旋转速率进行混合10分钟。使用20吨的压机使所制得的粉末混合物在室温下经受压制，从而获得盘状的具有6.4g/cm3的压坯密度的耐磨损性测试样品。盘状样品在1000°C下烧结3小时。如下表3显示了实施例3的样品的组成。[表3]
Figure BDA00003419045400091
图3示出了表3中的样品在初始操作时的摩擦系数。
从表3和图3中可以清楚地看出，样品在初始操作时的摩擦系数随着添加的凝析石墨的量的增加而成比例地降低。当添加的凝析石墨的量为3.0重量%时，最大初始摩擦系数为0.086，这低于当添加的凝析石墨的量为0、0.5和1.0重量%时的最大初始摩擦系数，因此表现出样品在初始操作时的低磨损。
虽然未在图3中展示，但是当凝析石墨的量为6.0重量%时，容易出现样品的磨损，从而不利地劣化样品的烧结性。
<实施例4>
将作为纯铁粉末的NC100.24粉末、具有300μm或更小的粒径的凝析石墨粉末和作为润滑剂的硬脂酸锌混合，从而制备如下表4中的粉末混合物。
使用高速混合器以100rpm的旋转速率进行混合10分钟。使用20吨的压机使所制得的粉末混合物在室温下经受压制，从而获得盘状的具有6.8g/cm3的压坯密度的耐磨损性测试样品。
盘状样品在1000°C下烧结3小时。
如下表4显示了实施例4的样品的组成。
[表4]
Figure BDA00003419045400101
图4示出了表4的样品在初始操作时的摩擦系数。
从表4和图4中可以清楚地看出，当添加的凝析石墨的量为3.0重量%时，最大初始摩擦系数为0.094，这低于当添加的凝析石墨的量为0、0.5和1.0重量%时的最大初始摩擦系数，因此表现出样品在初始操作时的低磨损。
虽然未在图4中展示，但是当凝析石墨的量为6.0重量%时，容易出现样品的磨损，从而不利地劣化样品的烧结性。
图5示出了取决于添加的凝析石墨的量和样品的密度的变化的实施例1至4的样品的硬度和磨耗损失。
在图5中，描述了基于磨损试验1小时之前和之后的样品的重量差异的磨耗损失。
如图5所示，含有0.5～3.0重量%的凝析石墨的样品比不含凝析石墨的样品的磨耗损失低。当添加的凝析石墨的量为3.0重量%时，磨耗损失为0.049～0.067g，在所有的密度条件下这被评价为是最低的。
图6示出了取决于添加的凝析石墨的量的烧结样品的硬度
如图6所示，样品的硬度随着添加的凝析石墨的量的增加而成比例地增加。这是因为碳与纯铁基样品中的凝析石墨的量的增加成比例地分散于纯铁基中间合金中，因此提高了样品的强度。
<实施例5>
将作为纯铁粉末的NC100.24粉末、包含纯铁-25重量%铜粉末的DMH粉末、具有300μm或更小的粒径的凝析石墨粉末和作为润滑剂的硬脂酸锌混合，从而制备如下表5中的粉末混合物。
使用高速混合器以100rpm的旋转速率进行混合10分钟。使用20吨的压机使所制得的粉末混合物在室温下经受压制，从而获得盘状的具有6.0g/cm3的压坯密度的耐磨损性测试样品。
盘状样品在1000°C下烧结3小时。
如下表5显示了实施例5的样品的组成。
[表5]
图7示出了表5的样品在初始操作时的摩擦系数。
从表5和图7中可以清楚地看出，当添加的凝析石墨的量为2.0重量%时，最大初始摩擦系数为0.063，这低于当添加的凝析石墨的量为0、1.0、3.0和4.0重量%时的最大初始摩擦系数，因此表现出样品在初始操作时的低磨损。
当比较实施例1至4的纯铁基样品和实施例5的铁-铜基样品中的凝析石墨的量时，添加的凝析石墨的量应该取决于金属粉末的组成而适当调节。
图8示出了基于磨损试验1小时之前和之后的样品的重量差异的磨耗损失。
如图8所示，当将2重量%的凝析石墨添加至铁-铜基合金中时，磨耗损失为0.038g，这被评价为是最低的，然后磨耗损失随着凝析石墨的量的增加而成比例地增加。
图9示出了取决于添加的凝析石墨的量的烧结样品的硬度。
如图9所示，样品的硬度随着铁-铜基合金中凝析石墨的量的增加而成比例地增加。这是因为随着添加至铁-铜基合金中的凝析石墨的量增加，凝析石墨的碳分散于铁-铜基中间合金中，因此提高了样品的强度。
因此，在铁-铜基烧结轴承中，当以2.0重量%的量含有凝析石墨时，不但初始润滑性优越，而且提高强度和减少磨耗损失的效果也优越。
由此，当制造烧结轴承时，以0.01～10重量份的量添加凝析石墨，从而提高烧结轴承的耐磨损性并赋予润滑性，产生具有高耐久性的烧结轴承。
本发明的范围并不限于上述实施例，而是如所附权利要求中所公开进行限定，并且本领域技术人员将会理解在不偏离权利要求书中所述的范围下，各种修改和调整是可能的。
工业实用性
本发明能够提供一种用于汽车工业和各种装备工业的高质量的烧结轴承。由于作为铁生产的副产物的凝析石墨在制造所述烧结轴承时能够被回收，因此本发明的方法在降低制造成本方面是有利的，并且是生态友好的。

Claims (15)

1.一种烧结轴承，其包含金属粉末、凝析石墨和润滑剂。
2.根据权利要求1所述的烧结轴承，其以其总重量计包含0.01～10重量份的凝析石墨、0.01～1.0重量份的润滑剂，和余量的金属粉末。
3.根据权利要求1或2所述的烧结轴承，其中所述金属粉末为选自纯铁体系、铁-铜体系、铁-碳体系、铁-碳-铜体系、青铜体系和铁-碳-铜-镍体系中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的烧结轴承，其中所述凝析石墨为铁生产的副产物。
5.一种制造烧结轴承的方法，其包括：
混合金属粉末、凝析石墨和润滑剂，从而形成粉末混合物；
向所述粉末混合物施加压力，从而形成模制体；
烧结所述模制体，从而形成烧结体；以及
采用油浸渍所述烧结体。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述粉末混合物以其总重量计包含0.01～10重量份的所述凝析石墨、0.01～1.0重量份的所述润滑剂，和余量的所述金属粉末。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中所述金属粉末为选自纯铁体系、铁-铜体系、铁-碳体系、铁-碳-铜体系、青铜体系和铁-碳-铜-镍体系中的一种或多种。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述凝析石墨为具有50目或更小的粒径的粉末形式。
9.根据权利要求5所述的方法，其中所述凝析石墨在精炼之后具有90～100%的纯度。
10.根据权利要求5所述的方法，其中所述润滑剂为选自硬脂酸锌（C36H70O4Zn）、Acrawax（C38H76N2O2）和Kenolube石蜡中的任意一种或者两种或更多种的混合物。
11.根据权利要求5所述的方法，其中通过使所述粉末混合物经受在室温下在50～350MPa的压力下的压制而进行所述模制体的成型。
12.根据权利要求5所述的方法，其中进行所述模制体的成型，使得所述模制体具有5.4～7.0g/cm3的压坯密度。
13.根据权利要求5所述的方法，其中在大气压下在850～1300°C下进行所述烧结体的成型。
14.根据权利要求5所述的方法，其中所述烧结体的成型进行1～6小时。
15.根据权利要求5所述的方法，其中在真空中在50～150°C下进行采用油的浸渍。
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