CN103757550A - 一种自润滑耐磨钢减摩层材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金材料领域，特别涉及柱塞液压泵双金属转子和滑靴用自润滑耐磨减摩层材料及其制备方法，该自润滑耐磨减摩层材料最终产品的化学组成按质量％为：C：0.5-1，Cr：11-13，Ni：8-10，Mo：1.5-2.5，Cu：25-30，MoS₂：3-9，纳米α-Al₂O₃：0.5-1.5，Fe余量；将石墨粉、铬铁粉、钼铁粉、羰基镍粉、二硫化钼粉、纳米α-Al₂O₃粉以及粘结剂与铁粉混合，进行压制和烧结；再进行浸铜。摩擦磨损试验结果表明，本发明自润滑耐磨钢减摩层材料在煤油中的磨损量仅为硅锰黄铜的二十分之一。

Description

一种自润滑耐磨钢减摩层材料及其制备方法

技术领域

本发明属于冶金材料领域，特别涉及一种自润滑耐磨钢减摩层材料及其制备方法。

背景技术

柱塞液压泵内关键摩擦副为：转子和滑靴。它们承受着交变应力、冲击载荷、表面摩擦磨损及介质的化学作用，承担着传力、润滑、密封的功能，工作条件最为恶劣。在新品研制中关键摩擦副的严重磨损或由磨损导致的断裂已成为泵失效的主要原因。

泵的高速、高压化将使关键摩擦副材料的磨损、疲劳问题变得更加突出：高速、高压下摩擦副表面急速升温，接触面更快塑变、软化，粘着磨损与疲劳损伤加剧；同时摩擦副受力幅度与交变频率增大，促使材料过早断裂。

关键摩擦副采用双金属结构，即材料表层与材料基体各用不同材料，这样既满足了摩擦副材料的匹配要求又提高了材料的疲劳强度，它是一种表层摩擦学性能（材料配对相容性、减摩、耐磨性）与基体材料力学性能（强度、韧性、抗疲劳能力）相结合的，解决磨损与疲劳双重问题的最好方案。

但现有的铜-钢双金属转子和滑靴满足不了新一代高压大流量液压泵，特别是煤油泵的要求，主要问题是：

①铜合金减摩层的耐磨性能有限。目前使用最多的减摩层材料是铸造锡青铜ZQSn10-2-3，作为铸造铜合金，不可避免的存在铸造缺陷，如果缺陷出现在工作面，会破坏工作面的表面完整性，极大地降低转子耐磨层的耐磨性能，使得产品达不到预定的寿命要求。铜合金铸造后的致密性影响其耐磨性能，因此，其耐磨性受到铸造技术的制约。而转子和滑靴采用整体Si-Mn黄铜制造，不仅耐磨性能不理想，强度也不够，常常出现柱塞头从球窝拉脱现象。特别是当柱塞泵的液压介质由红油转换为煤油时，便使双金属的铜合金层产生剧烈磨损，甚至出现“剃光头”现象（即双金属上的镀银层和铜层全被磨掉）。转子和滑靴端面铜合金层的严重磨损，使密封面受到破坏，造成泵的内泄增大，容积效率下降，如图1所示。如果铜合金产生的磨屑进入液压系统，则会破坏泵内组件，造成重大故障，大大降低液压泵的使用寿命和可靠性。

②转子的柱塞孔与柱塞配合，这一对摩擦副不宜选用热变形量相差很大的材料，这一点在高温情况下尤为突出。铜-钢双金属转子由于热膨胀系数不同，热变形量相差大，容易出现柱塞抱死故障。如果要保证高温状态足够的变形量，就会导致常温状态转子与柱塞间隙过大，容积效率降低。同时由于热变形量的不同，转子在进行热处理过程中，减摩层容易产生裂纹。

③减摩层铜合金容易产生疲劳磨损，使铜转移到钢基体上，产生粘铜，也即“冷焊”现象，影响摩擦副正常运转。

④由于铜合金的熔点低，扩散焊温度受到限制，加上铜合金本身的强度低（例如，ZQSn10-2-3的σ_b为245MPa），因此，铜-钢双金属摩擦副的结合强度低，常出现端面铜合金层脱落以及柱塞孔铜合金层被拉出的情况。

至此，寻找减摩、耐磨、焊接性好、能适应热处理要求的减摩层材料已成为研制双金属零件的关键。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种能够满足液压泵双金属转子和滑靴性能要求，具备良好的自润滑、耐磨、耐粘着性能的自润滑耐磨钢减摩层材料。

本发明的另一目的是提供一种自润滑耐磨钢减摩层材料的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种自润滑耐磨钢减摩层材料，该材料最终产品的化学组成按质量％为：C：0.5-1，Cr：11-13，Ni：8-10，Mo：1.5-2.5，Cu：25-30，MoS₂：3-9，纳米α-Al₂O₃：0.5-1.5，Fe余量；

该自润滑耐磨钢减摩层材料通过以下方法制备：将石墨粉、铬铁粉、钼铁粉、羰基镍粉、二硫化钼粉、纳米α-Al₂O₃粉以及粘结剂与铁粉混合，进行压制和烧结；再进行浸铜。

制备自润滑耐磨钢减摩层材料的工艺为：将混合粉加入粘结剂，粘结剂的加入量为其余混合粉总重量的1-2%，原料混合时间为1-2h；混合后装入钢模中，在液压机上进行压制，压制压力为400-600MPa，然后将压坯装入烧舟，在氢气净化炉或真空炉中进行烧结，烧结温度为1100-1150℃，烧结时间为1-2h；所制得的烧结材料在氢气净化炉或真空炉内进行浸铜，浸铜温度为1100-1150℃，浸铜时间为1-2h。

所述粘结剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、石蜡、树脂中的任一种或一种以上。

一种自润滑耐磨钢减摩层材料的制备方法，其中，

将石墨粉、铬铁粉、钼铁粉、羰基镍粉、二硫化钼粉、纳米α-Al₂O₃粉以及粘结剂与铁粉混合，进行压制和烧结；再进行浸铜，制得自润滑耐磨钢减摩层材料；得到自润滑耐磨减摩层材料最终产品的化学组成按质量％为：C：0.5-1，Cr：11-13，Ni：8-10，Mo：1.5-2.5，Cu：25-30，MoS₂：3-9，纳米α-Al₂O₃：0.5-1.5，Fe余量。

粘结剂的加入量为其余混合粉总重量的1-2%，原料混合时间为1-2h；混合后装入钢模中，在液压机上进行压制，压制压力为400-600MPa，然后将压坯装入烧舟，在氢气净化炉或真空炉中进行烧结，烧结温度为1100-1150℃，烧结时间为1-2h；所制得的烧结材料在氢气净化炉或真空炉内进行浸铜，浸铜温度为1100-1150℃，浸铜时间为1-2h。

所述粘结剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、石蜡、树脂中的任一种或一种以上。

Cr以铬铁合金形式加入，Mo以钼铁合金形式加入，Cu以浸铜方式加入，其余成分均以粉末形式加入。

本发明的有益效果在于：

本发明的自润滑耐磨钢减摩层材料具有以下特点：

①耐磨损。

由于材料中具有铜合金所不具备的耐磨成分，如Mo、Cr、C等与Fe形成的耐磨合金，并且通过渗铜提高了其密度和强度，通过添加MoS₂提高了其润滑性能，通过添加纳米氧化铝提高了其硬度，因此其耐磨性优于铜合金。

②不粘着。

由于自润滑耐磨钢中含有自润滑物质，特别是含有纳米α-Al₂O₃，因此，可防止粘着的发生。在干磨试验中，硅锰黄铜试验不到1分钟便发生严重粘着，对磨材料表面已变成黄色；而自润滑耐磨钢试验1小时也没有材料转移的发生，说明该材料具有良好的抗粘着性能。

③防抱死。

由于自润滑耐磨钢具备钢的基本化学元素，减摩层与对磨钢属于同类型材料，其热膨胀系数与柱塞钢也基本相同，这就解决了不同类型材料热变形不相同的矛盾，防止柱塞抱死的故障发生。

③双金属结合强度高。

铜-钢双金属结构不可采用焊接材料，焊接温度不能超过850℃，焊接强度低；而钢-钢双金属结构则可采用焊接材料，且允许1100℃以上的焊接温度，确保了减摩层与钢基体的高性能连接，焊接强度高。

④热处理性能好。

自润滑耐磨钢具有钢的基本性质，适合与各类钢一起进行热处理。自润滑耐磨钢与钢基体热变形相差小，结合强度高，热处理过程不会产生裂纹等缺陷。

⑤硬度高。

铜基减摩层材料只具备布氏硬度，在研磨工艺研磨砂容易进入铜合金中；自润滑耐磨钢则具有HRC20以上的洛氏硬度，可防止研磨砂的进入，还有利提高摩擦副材料的耐磨性能。

附图说明

图1为在煤油介质条件下，本发明自润滑耐磨钢减摩层材料的磨损形貌示意图；

图2为在煤油介质条件下，硅锰黄铜材料磨损形貌的示意图；

图3为本发明自润滑耐磨钢减摩层材料的磨损深度示意图；

图4为硅锰黄铜材料的磨损深度示意图；

图5为本发明图3为减摩层材料的摩擦磨损试验后样品形态示意图；

图6为硅锰黄铜材料摩擦磨损试验后样品形态示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

一种自润滑耐磨钢减摩层材料，其化学组成按重量％为：C：0.5-1，Cr：11-13，Ni：8-10，Mo：1.5-2.5，Cu：25-30，MoS₂：3-9，纳米α-Al₂O₃：0.5-1.5，Fe余量。其中，Cr以铬铁合金形式加入，Mo以钼铁合金形式加入，Cu以浸铜方式加入，其余成分均以粉末形式加入。

本发明自润滑耐磨钢减摩层材料以铁为基体，原料铁粉采用200目的还原铁粉。铁粉中加入石墨，石墨采用200目耐磨石墨，石墨与铁反应可生成Fe₃C，提高材料的耐磨性能；未与铁反应的石墨以游离碳形式存在，可起到润滑作用。

铬和钼以预合金形式加入，是为了使铬铁合金和钼铁合金在基体中以硬质相存在，以提高材料的耐磨性能。

铜采用浸铜方式加入，一方面可提高材料的密度，从而提高材料的机械强度；另一方面可使铜的加入量提高到25-30%，材料可获得优异的导热性。此外，铜属于软金属，有利提高材料的润滑性能。

材料中加入镍，一方面可提高材料的机械强度，另一方面可提高材料的耐热性能。

材料中加入二硫化钼，可使材料具备足够的自润滑性能。随着二硫化钼添加量的增加，材料的机械强度得到提高，但延伸率下降。因此，其最高添加量限定在9％。

材料中加入纳米α-Al₂O₃，主要目的是提高材料的耐粘着性能，因为α-纳米Al₂O₃具有圆形光滑的表面和小尺寸效应，可将对磨材料抛光，改善表面接触状态，防止粘着的发生；同时由于α-纳米Al₂O₃具有较高的硬度，可提高材料的耐磨性能。

首先，将石墨粉、铬铁粉、钼铁粉、羰基镍粉、二硫化钼粉、纳米α-Al₂O₃粉以及粘结剂与铁粉混合，进行压制和烧结；再进行浸铜，制得自润滑耐磨钢减摩层材料。

其中，混合粉的化学组成按重量％为：C：0.5-1，Cr：11-13，Ni：9-11，Mo：1.5-2.5，Cu：25-30，MoS₂：3-9，纳米α-Al₂O₃：0.5-1.5，Fe余量。粘结剂的加入量为1-2%。上述原料中粘结剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、石蜡、树脂中的任一种或一种以上。

原料混合时间为1-2h。混合后装入钢模中，在液压机上进行压制，压制压力为400-600MPa，然后将压坯装入烧舟，在氢气净化炉或真空炉中进行烧结，烧结温度为1100-1150℃，烧结时间为1-2h。所制得的烧结材料在氢气净化炉或真空炉内进行浸铜，浸铜温度为1100-1150℃，浸铜时间为1-2h，最终制得自润滑耐磨钢减摩层材料。

实施例：

采用本发明材料具体化学组成成分和制备工艺，制得试样3批。表1为本发明样品具体化学组成成份（重量%）；表2为制备本发明样品的工艺参数；表3本发明样品的性能。

表1本发明摩擦材料具体化学组成成份（重量%）

表2制备本发明样品的工艺参数

表3本发明样品性能

采用上述表1中所示的批号为2的具体化学组成成份和表2中所示的批号为2的工艺参数，制得自润滑耐磨钢减摩层材料。为了进行对比，该材料与经过固溶时效处理的硅锰黄铜（HMn60-3-1-0.75）一起进行了摩擦磨损试验。试验条件如下：

试验设备：FALEX-6摩擦磨损试验机；主轴速度：400ypm；润滑条件：航空煤油；试验温度：室温22℃；试验载荷：100LBS；接触形式：面接触（盘-盘）；试验时间：120min。

磨损形貌和磨损深度采用三维白光干涉表面形貌仪（PhaseshiftMicro XAM-3D）进行检测。试验结果如表4和图1-图4所示，摩擦磨损试验后的样品形态如图5-6所示。

上述试验结果表明，在同一试验条件下，本发明自润滑耐磨钢减摩层材料的磨损量只有硅锰黄铜的二十分之一。

表4试验数据

Claims (7)

1.一种自润滑耐磨钢减摩层材料，其特征在于：该材料最终产品的化学组成按质量％为：C：0.5-1，Cr：11-13，Ni：8-10，Mo：1.5-2.5，Cu：25-30，MoS₂：3-9，纳米α-Al₂O₃：0.5-1.5，Fe余量；

该自润滑耐磨钢减摩层材料通过以下方法制备：将石墨粉、铬铁粉、钼铁粉、羰基镍粉、二硫化钼粉、纳米α-Al₂O₃粉以及粘结剂与铁粉混合，进行压制和烧结；再进行浸铜。

2.根据权利要求1所述的自润滑耐磨钢减摩层材料，其特征在于：制备自润滑耐磨钢减摩层材料的工艺为：将混合粉加入粘结剂，粘结剂的加入量为其余混合粉总重量的1-2%，原料混合时间为1-2h；混合后装入钢模中，在液压机上进行压制，压制压力为400-600MPa，然后将压坯装入烧舟，在氢气净化炉或真空炉中进行烧结，烧结温度为1100-1150℃，烧结时间为1-2h；所制得的烧结材料在氢气净化炉或真空炉内进行浸铜，浸铜温度为1100-1150℃，浸铜时间为1-2h。

3.根据权利要求1所述的自润滑耐磨钢减摩层材料，其特征在于：所述粘结剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、石蜡、树脂中的任一种或一种以上。

4.一种如权利要求1所述的自润滑耐磨钢减摩层材料的制备方法，其特征在于：

将石墨粉、铬铁粉、钼铁粉、羰基镍粉、二硫化钼粉、纳米α-Al₂O₃粉以及粘结剂与铁粉混合，进行压制和烧结；再进行浸铜，制得自润滑耐磨钢减摩层材料；得到自润滑耐磨减摩层材料最终产品的化学组成按质量％为：C：0.5-1，Cr：11-13，Ni：8-10，Mo：1.5-2.5，Cu：25-30，MoS₂：3-9，纳米α-Al₂O₃：0.5-1.5，Fe余量。

5.根据权利要求4所述的自润滑耐磨钢减摩层材料的制备方法，其特征在于：粘结剂的加入量为其余混合粉总重量的1-2%，原料混合时间为1-2h；混合后装入钢模中，在液压机上进行压制，压制压力为400-600MPa，然后将压坯装入烧舟，在氢气净化炉或真空炉中进行烧结，烧结温度为1100-1150℃，烧结时间为1-2h；所制得的烧结材料在氢气净化炉或真空炉内进行浸铜，浸铜温度为1100-1150℃，浸铜时间为1-2h。

6.根据权利要求4所述的自润滑耐磨钢减摩层材料的制备方法，其特征在于：所述粘结剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、石蜡、树脂中的任一种或一种以上。

7.根据权利要求4所述的自润滑耐磨钢减摩层材料，其特征在于：Cr以铬铁合金形式加入，Mo以钼铁合金形式加入，Cu以浸铜方式加入，其余成分均以粉末形式加入。

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