CN106041099A

CN106041099A - 一种高强减摩双层铁基粉末冶金材料及其制备方法

Info

Publication number: CN106041099A
Application number: CN201610475557.XA
Authority: CN
Inventors: 尹延国; 张国涛; 刘振明; 尹利广
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2036-06-23
Also published as: CN106041099B

Abstract

本发明公开了一种高强减摩双层铁基粉末冶金材料及其制备方法，通过在基体中调配致密强化剂，实现基体材料致密高强；通过在表层中调配复合造孔剂，实现表层材料多孔含油，同时使表层满足硬度和耐磨性能要求，维持摩擦副接触界面和润滑状态稳定，制备出一种新型高强减摩双层铁基粉末冶金材料，明显提高铁基粉末冶金材料的承载、耐磨和减摩抗咬合性能。实现高强度与良好润滑特性的有效统一。

Description

一种高强减摩双层铁基粉末冶金材料及其制备方法

一、技术领域

本发明涉及一种铁基粉末冶金材料及其制备方法，具体地说是一种高强减摩双层铁基粉末冶金材料及其制备方法，属于金属材料粉末冶金技术领域。

二、背景技术

铁基粉末冶金材料强度、硬度高，耐磨性能好，已在滑动轴承、汽车零件和液压元件等领域得到广范应用。但随着现代工业的发展，在一些对性能要求较高的场合，铁基粉末冶金零件常出现硬度、强度不足问题，尽管可以通过增加产品密度来改善其力学性能，但材料的孔隙率、含油率随之降低，含油自润滑性能变差，摩擦副表面易发生黏着磨损甚至咬合。双层材料具有类似双金属材料的结构和功能特点，可充分发挥两种复合材料的各自优点，使材料整体获得更加优异的力学和摩擦学性能，延长使用寿命，提升综合经济效益，在工业生产中具有明显应用前景。

CN102913555A提供了一种双层复合粉末冶金含油轴承制造方法，具体结构包括：位于内层的一段或多段粉末冶金层和位于外层的钢套，一段或多段粉末冶金层与钢套烧结在一起。该双层含油轴承采用双层结构，虽然具有良好的耐磨性和较高的承载能力，但由于外层采用钢套，内外层之间界面结合状态较差，轴承运行过程中磨损或受热变形后易发生震荡，从而影响使用寿命。

CN201007319公开了一种粉末冶金双层金属材料含油轴套，其结构包括轴套主体层和表层减摩层，主体层采用贵重金属，具有较高的强度和硬度，减摩层可以减少贵重金属用量，具有良好的减摩性和低噪音，保证了轴套的工作和使用性能。该专利虽然一定程度上提高了轴套承载能力和摩擦学性能，但减摩层强度、硬度低，工作过程中耐磨性能较差，摩擦接触界面和润滑状态不稳定，磨损问题严重。

因此，如何综合平衡铁基粉末冶金材料的力学性能和摩擦学性能，使铁基材料既具有较高强度、硬度，又具有一定含油减摩自润滑性能，同时保证摩擦界面和润滑状态持续稳定，实现力学性能和摩擦学性能的有效统一，是拓展铁基含油材料在复杂工况下应用的关键。

三、发明内容

本发明旨在提供一种高强减摩双层铁基粉末冶金材料及其制备方法，以实现铁基粉末冶金材料力学性能和摩擦学性能的有效统一。

本发明高强减摩双层铁基粉末冶金材料，是由表层材料和基体材料双层结构复合构成，基体材料为致密高强层，用于承载；表层材料为多孔含油层，用于提供润滑，同时表层材料具有一定硬度和耐磨性能，用于维持摩擦界面和润滑状态稳定。表层材料的厚度为双层铁基粉末冶金材料厚度的1/5～3/5。

所述表层材料的原料按质量百分比构成为：还原铁粉75～89％，铜粉8～15％，镍粉0～5％，钼粉0.2～1.0％，石墨粉0.2～1.2％，磷铁粉0.2～1.5％，氢化钛粉1～8％和硬脂酸锌粉0.5～2％。

所述基体材料的原料按质量百分比构成为：还原铁粉88～96％，铜粉1～8％，镍粉0％～5％，钼粉0～1％，石墨粉0.2～1.2％，磷铁粉0.2～1.5％和致密剂0.1～2％。

所述致密剂为COM-XZ5和/或Best-1000，若为两者时，比例任意。

本发明高强减摩双层铁基粉末冶金材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)混料：按配方分别将表层材料的原料和基体材料的原料装入混料器中，以20～40r/min的速度混合0.5～1h，得到表层原料混合料和基体原料混合料；

(2)压制：采用两次装粉一次压制方法，首先将表层原料混合料送入压机的制品模具中刮平预压，压平后再装填基体原料混合料，在600～700MPa压力下压制成生坯；

(3)烧结：将所述生坯置入粉末冶金烧结炉，通入氨分解气氛进行保护，烧结温度为1050～1180℃，烧结时间为2～4小时，得到烧结材料；

(4)浸油：将所述烧结材料进行真空浸油，真空气压值不大于8KPa，油温为80～100℃，浸油时间为0.5～1h，得到高强减摩双层铁基粉末冶金材料。

本发明高强减摩双层铁基粉末冶金材料的表层致密度范围为75～85％，含油率15～25％，基层致密度范围为88～96％。表层硬度为60～75HRB，基层硬度为85～95HRB。

本发明通过在基体中调配致密强化剂，增强粉体流动，减少贵重合金组元，在降低原料成本的前提下，实现基体材料致密高强，满足高强、高承载需求；通过在表层中复合造孔剂调配(添加氢化钛和硬脂酸锌)，实现表层材料孔隙率适中、孔隙相互贯通并提高表面开孔孔隙，以存储较多液体润滑剂，并利于供给摩擦表面，实现较好减摩效果，同时氢化钛分解产生单质钛，与表层材料中的石墨发生原位合成反应，生成硬度较高的碳化钛颗粒，使表层不因孔隙率过高而大幅度降低硬度，表层承载后不发生大塑性变形，满足表层硬度和耐磨性能要求，维持摩擦副接触界面和润滑状态稳定。依此可制备结构、性能可调控的双层铁基粉末冶金材料，工作过程中，致密高强的基体具有较高的承载能力，用于承载，多孔含油的表层具有较高的储油性能，用于提供润滑，同时表层中反应生成的硬质相，可用于保证摩擦副接触界面和润滑状态稳定持续，进而实现高强度与良好润滑特性的有效统一。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在以下方面：

1、本发明提出一种新型双层铁基粉末冶金材料，材料由致密基体和多孔表层复合组成，由于采用粉末冶金工艺，层间界面结合状态良好。致密高强的基体，具有较高承载能力，多孔含油的表层，储油润滑性能突出，材料整体能实现高强度与良好润滑特性的有效统一。

2、本发明的材料表层通过复合造孔剂调配，一定程度上提高材料表面开孔孔隙率，实现表层材料孔隙率适中、孔隙相互贯通并提高表面开孔孔隙，以存储较多液体润滑剂，并利于供给摩擦表面，实现较好减摩效果，同时在表层生成硬质颗粒相，使表层不致因孔隙率过高而降低硬度，承载后不发生大塑性变形，满足表层硬度和耐磨性能要求，有效保证摩擦副接触表面间润滑状态稳定持续。

3、本发明通过在基层中调配致密强化剂，能增强粉体流动，减少贵重合金组元，在降低原料成本的前提下，实现基体材料致密高强，满足高强、高承载性能需求。

四、具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地说明。

实施例1：

本实施例中高强减摩双层铁基粉末冶金材料，是由表层材料和基体材料复合构成，表层材料的厚度为双层铁基粉末冶金材料厚度的1/5。

表层材料的原料按质量百分比构成为：还原铁粉5.04g(84％)，铜粉0.6g(10％)，镍粉0.15g(2.5％)，钼粉0.03g(0.5％)，石墨粉0.03g(0.5％)，磷铁粉0.03g(0.5％)，氢化钛粉0.06g(1％)和硬脂酸锌粉0.06g(1％)。

基体材料的原料按质量百分比构成为：还原铁粉21.6g(90％)，铜粉1.2g(5％)，镍粉0.6g(2.5％)，钼粉0.12g(0.5％)，石墨粉0.12g(0.5％)，磷铁粉0.12g(0.5％)和致密剂COM-XZ5 0.24g(1％)。

本实施例中高强减摩双层铁基粉末冶金材料的制备方法如下：

(1)混料：按配方分别将表层材料的原料和基体材料的原料装入混料器中，以40r/min的速度混合0.5h，得到表层原料混合料和基体原料混合料；

(2)压制：采用两次装粉一次压制方法，首先将表层原料混合料送入压机的制品模具中刮平预压，压平后再装填基体原料混合料，在650MPa压力下压制成生坯；

(3)烧结：将所述生坯置入粉末冶金烧结炉，通入氨分解气氛进行保护，烧结温度为1100℃，烧结时间为3小时，得到烧结材料；

(4)浸油：将所述烧结材料进行真空浸油，真空气压值不大于8KPa，油温为100℃，浸油时间为0.5h，得到高强减摩双层铁基粉末冶金材料。

本实施例得到双层铁基含油材料，表层致密度约为82％，含油率18％，基层致密度为90％。表层硬度为66HRB，基层硬度为89HRB。将所得双层铁基含油材料在HDM-10型端面摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，转速设置为735r/min，实验载荷为120kg，上试样材料是硬度为52HRC的40Cr，实验过程中不额外添加润滑油。摩擦磨损实验后，摩擦系数为0.093、磨痕深度为0.009mm。

实施例2：

本实施例中高强减摩双层铁基粉末冶金材料，是由表层材料和基体材料复合构成，表层材料的厚度为双层铁基粉末冶金材料厚度的2/5。

表层材料的原料按质量百分比构成为：还原铁粉9.84g(82％)，铜粉1.2g(10％)，镍粉0.3g(2.5％)，钼粉0.06g(0.5％)，石墨粉0.06g(0.5％)，磷铁粉0.06g(0.5％)，氢化钛粉0.36g(3％)和硬脂酸锌粉0.12g(1％)。

基体材料的原料按质量百分比构成为：还原铁粉16.78g(93.2％)，铜粉0.9g(5％)，镍粉0g(0％)，钼粉0.04g(0.2％)，石墨粉0.09g(0.5％)，磷铁粉0.09g(0.5％)和致密剂Best-1000 0.11g(0.6％)。

本实施例的制备方法同实施例1。

本实施例得到双层铁基含油材料，表层致密度约为79％，含油率21％，基层致密度约为92％。表层硬度约为71HRB，基层硬度约为93HRB。采用实施例1中所述摩擦实验工况，摩擦磨损实验后，摩擦系数为0.081、磨痕深度为0.007mm。

实施例3：

本实施例中高强减摩双层铁基粉末冶金材料，是由表层材料和基体材料复合构成，表层材料的厚度为双层铁基粉末冶金材料厚度的3/5。

表层材料的原料按质量百分比构成为：还原铁粉14.4g(80％)，铜粉1.8g(10％)，镍粉0.45g(2.5％)，钼粉0.09g(0.5％)，石墨粉0.09g(0.5％)，磷铁粉0.09g(0.5％)，氢化钛粉0.9g(5％)和硬脂酸锌粉0.18g(1％)。

基体材料的原料按质量百分比构成为：还原铁粉11.17g(93.1％)，铜粉0.6g(5％)，镍粉0g(0％)，钼粉0.02g(0.2％)，石墨粉0.06g(0.5％)，磷铁粉0.06g(0.5％)和致密剂COM-XZ5 0.04g(0.3％)和Best-1000 0.05g(0.4％)。

本实施例的制备方法同实施例1。

本实施例得到双层铁基含油材料，表层致密度约为77％，含油率23％，基层致密度约为94％。表层硬度约为73HRB，基层硬度约为94HRB。采用实施例1中所述摩擦实验工况，摩擦磨损实验后，摩擦系数为0.068、磨痕深度为0.005mm。

由表1可见，与普通单层铁基烧结材料相比，实施例1～3中各复层铁基含油材料的表层含油率、基体致密度和硬度均高于单层材料含油率、致密度和硬度，且摩擦磨损性能明显改善。与实施例1相比，实施例3增加造孔剂氢化钛粉含量增加到5％，并添加0.3％COM-XZ5和0.4％Best-1000作为致密剂，表层含油率和硬度升高幅度分别为28％和11％，基层致密度和硬度分别升高4.4％和5.6％，摩擦系数和磨痕深度分别降低27％和44％。

表1双层铁基含油材料性能对比

本发明公开了一种新型高强减摩双层铁基粉末冶金材料。通过在基体中调配致密强化剂，增强粉体流动，实现基体材料致密高强，满足高强、高承载需求；通过在表层中复合造孔剂调配，实现表层材料孔隙率适中、孔隙相互贯通并提高表面开孔孔隙，以存储较多液体润滑剂，并利于供给摩擦表面，实现较好减摩效果，同时使表层满足硬度和耐磨性能要求，维持摩擦副接触界面和润滑状态稳定，制备一种新型高强减摩双层铁基粉末冶金材料，明显提高铁基粉末冶金材料的承载、耐磨和减摩抗咬合性能。实现高强度与良好润滑特性的有效统一。当然，根据实际需要，本发明所述详细制备工艺在上述范围还可以包含更多的实施例，本发明并不限于上述具体的实施例。

Claims

1.一种高强减摩双层铁基粉末冶金材料，其特征在于：是由表层材料和基体材料双层结构复合构成，表层材料的厚度为双层铁基粉末冶金材料厚度的1/5～3/5；

所述表层材料的原料按质量百分比构成为：还原铁粉75～89％，铜粉8～15％，镍粉0～5％，钼粉0.2～1.0％，石墨粉0.2～1.2％，磷铁粉0.2～1.5％，氢化钛粉1～8％和硬脂酸锌粉0.5～2％；

2.根据权利要求1所述的高强减摩双层铁基粉末冶金材料，其特征在于：

所述高强减摩双层铁基粉末冶金材料的表层致密度为75～85％，含油率15～25％，基层致密度为88～96％；表层硬度为60～75HRB，基层硬度为85～95HRB。

3.根据权利要求1所述的高强减摩双层铁基粉末冶金材料，其特征在于：

所述致密剂为COM-XZ5和/或Best-1000。

4.一种权利要求1所述的高强减摩双层铁基粉末冶金材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(3)烧结：将所述生坯置入粉末冶金烧结炉，通入氨分解气氛进行保护，烧结后得到烧结材料；

(4)浸油：将所述烧结材料进行真空浸油，得到高强减摩双层铁基粉末冶金材料。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：

烧结温度为1050～1180℃，烧结时间为2～4小时。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：

真空浸油的油温为80～100℃，浸油时间为0.5～1h，真空气压值不大于8KPa。