CN108504949A - 一种铁基自润滑耐磨合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁基自润滑耐磨合金材料，以铁基合金为基体，以石墨为润滑相，石墨均匀分布于铁基合金的基体中，铁基合金中含有元素Fe、Mn、Ni和Al。本发明的制备方法，包括以下步骤：(1)称取Fe粉、Mn粉、Ni粉和Al粉混合，进行机械化合金；2)在机械合金粉中加入有机碳源后进行放电等离子烧结，即得到铁基自润滑耐磨合金材料。本发明采用Fe‑Mn‑Ni‑Al合金作为自润滑耐磨合金材料的基体，利用Ni和Al的合金化可促进B2金属间化合物的形成，从而提高耐磨材料的机械性能和热稳定性。

Description

一种铁基自润滑耐磨合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于耐磨材料领域，尤其涉及一种铁基自润滑耐磨合金材料及其制备方法。
背景技术
在极端条件下(如高温，重载，辐射，氧化)，自润滑材料是一种重要的用于取代传统油润滑系统的材料。在自润滑材料中，金属基体自润滑材料由于其具备优异的力学性能而成为在高温环境下服役的重要的自润滑材料之一。
在金属基自润滑材料中，基体相提供了自润滑材料的基本力学性能，Co基和Ni基合金具有良好的力学性能和热稳定性的结合，已被广泛用作自润滑基体材料，高熵合金(HEA)由于其结构简单而被选为自润滑材料的基体，避免了传统合金中产生金属间化合物相的缺点。然而，在这些基体中添加润滑相后材料自润滑及摩擦磨损性能提升，但自润滑耐磨材料成本增高和综合力学性能降低，可能导致严重的工程失效，因此，如何协调自润滑材料的力学性能和磨损性能仍然是一个很大的挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种铁基自润滑耐磨材料及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种铁基自润滑耐磨合金材料，以铁基合金为基体，以石墨为润滑相，所述石墨均匀分布于所述铁基合金的基体中，所述铁基合金中含有元素Fe、Mn、Ni和Al。
上述的铁基自润滑耐磨合金材料，优选的，所述铁基合金包括质量含量为13％-17％的Mn，5％-7％的Ni，8％-12％的Al和余量的Fe。
上述的铁基自润滑耐磨合金材料，优选的，所述铁基合金为Fe-15Mn-6Ni-12Al。
上述的铁基自润滑耐磨合金材料，优选的，所述石墨是由有机碳源经放电等离子烧结后均匀分布于铁基合金中的。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种铁基自润滑耐磨合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取Fe粉、Mn粉、Ni粉和Al粉混合，进行机械化合金；
(2)在步骤(1)后得到的机械合金粉中加入有机碳源后进行放电等离子烧结，即得到铁基自润滑耐磨合金材料。
上述的制备方法，优选的，所述机械化合金过程在球磨罐中进行，球料比为6-10：1，球磨过程中加入硬脂酸作为控制剂，硬脂酸的加入量占合金粉质量的1％-3％，球磨的速度为200-300rpm，每球磨20-25min停止5-10min，总共球磨25-35h。球磨可以使粉末预先进行合金化，且可以通过机械破碎使粉末细化，提高能量输入，提高材料的硬度，进而可以极大的提高材料的耐磨损性能；而且这种方法可以根据自己所需材料的性能添加自润滑相的含量，并结合后续的加入有机碳源后进行放电等离子烧结，使得原位生成的石墨相在铁基合金基体中分布更为均匀；而传统的直接加入石墨来进行熔炼制备耐磨材料，硬度不高，且自润滑相可能会发生悬浮，是无法制备均匀的材料的。
上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，每种金属元素粉末的平均粒径均为20μm。
上述的制备方法，优选的，步骤(2)中，放电等离子烧结过程为：以80-120℃/min的升温速率升至1050-1100℃，然后保温10-20min，最后随炉冷却。
上述的制备方法，优选的，步骤(2)中，所述的有机碳源为石蜡和/或戊糖，有机碳源的加入量占合金粉的2wt.％～4wt.％。
上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，Mn粉的加入量为13-17wt.％、Ni粉的加入量为5-7wt.％、Al粉的加入量为8-12wt.％以及余量的Fe。
Fe-Mn-Ni-Al是一类较为成熟的合金，合金中主要为Fe和Mn元素，合金成本较低，具备优秀的力学性能例如拉伸性能，硬度，抗冲击韧性，且高温摩擦磨损性能优异。但是目前的自润滑体系还没有尝试用Fe-Mn-Ni-Al作为基体来制备高性能的自润滑体系，我们首次选择Fe-Mn-Ni-Al体系作为自润滑的基体，原位生成了自润滑相，获得了一种综合性能优良的自润滑材料。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明采用Fe-Mn-Ni-Al合金作为自润滑耐磨合金材料的基体，利用Ni和Al的合金化可促进B2金属间化合物的形成，从而提高耐磨材料的机械性能和热稳定性。
(2)本发明的铁基自润滑耐磨材料摩擦磨损性能较好，在室温到600℃之间具有稳定的摩擦磨损因数，稳定在0.4，同时还具备优良的耐磨性，磨损量较小，满足工业需求。
(3)本发明采用球磨和放电等离子烧结工艺制备自润滑耐磨合金材料，通过球磨破碎得到近机械合金化的粉末，极大的提高了材料硬度，再通过放电等离子烧结使得制备的自润滑耐磨材料接近全致密的材料，其致密度高达99％，从而增强了产品的综合性能。
(4)本发明的制备方法中加入有机碳源后进行放电等离子烧结，使得原位生成的石墨相在铁基合金基体中分布更为均匀，从而使得本发明的耐磨材料能够更好地协调其自润滑及摩擦磨损性能。
(5)本发明的自润滑耐磨材料以铁基合金为基体，相比于传统的Ni基、Co基以及高熵合金基体来说，综合性能更优，降低了生产成本，适于工业化生产。
附图说明
图1是本发明实施例1的铁基自润滑耐磨合金材料的金相照片。
图2是本发明实施例1中铁基自润滑耐磨合金材料在室温经过摩擦磨损后的扫描电镜照片。
图3是本发明实施例1和2中铁基自润滑耐磨合金材料分别在200、400、600、800℃下经过摩擦磨损实验后的3D表面轮廓。
图4是本发明实施例2中铁基自润滑耐磨合金材料的金相照片。
图5是本发明实施例2中铁基自润滑耐磨合金材料在室温经过摩擦磨损后的扫描电镜照片。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种本发明的铁基自润滑耐磨合金材料，以铁基合金Fe-15Mn-6Ni-12Al为基体相，以石墨为润滑相，石墨均匀分布于铁基合金的基体中，石墨是由石蜡经放电等离子烧结后分布于铁基合金中的，石墨占铁基合金质量的1.8wt.％。
本实施例的铁基自润滑耐磨合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用Fe、Mn、Ni、Al元素粉作为原料(元素粉的平均粒径为20μm)，将原料按Fe-15Mn-6Ni-12Al比例(即Fe粉的加入量为67wt.％，Mn粉的加入量为15wt.％、Ni粉的加入量为6wt.％和Al粉的加入量为12wt.％)称取；
(2)将步骤(1)中称取的各原料和占原料总量2wt.％的硬脂酸加入球磨机中进行球磨，其中，球料比为8：1，然后将球磨罐以250rpm的速度组装在高能量研磨设备上研磨，每运行20分钟后停止研磨过程并使设备停止10分钟，总共球磨30小时；
(3)将步骤(2)球磨后的机械合金粉中加入有2wt.％的石蜡后进行放电等离子烧结，烧结的具体过程为：以100℃/min的升温速率升至1100℃，保温15min后，随炉冷却再取出，即制得铁基自润滑耐磨合金材料。
本实施例制备的铁基自润滑耐磨合金材料的金相照片如图1所示，由图1可知，该耐磨材料由石墨、围绕在石墨周围的奥氏体壳以及奥氏体外的珠光体均匀组成，其中，石墨为球状；该铁基自润滑耐磨合金材料在室温经过摩擦磨损后的扫描电镜照片，如图2所示，由图2可以看出本实施例的铁基自润滑耐磨合金材料摩擦磨损轮廓，可以较为明显的看出摩擦机理主要为黏着磨损，还带有少量的磨粒磨损，在磨痕的边缘有较多的剥离组织。将该自润滑耐磨合金材料分别在200，400，600，800℃下经过高速摩擦磨损实验后的3D表面轮廓见图3所示，由图3可以看出在400℃的时候材料展示出最光洁的表面，随着温度进一步升高，磨痕轮廓变的起伏较大，其磨损轮廓的体积与磨损率相对应，可见，本发明的铁基自润滑耐磨合金材料在中高温度范围内应用具有最好的性能。
本实施例制备的铁基自润滑耐磨合金材料的各项性能测试结果见表1。
实施例2：
与实施例1的区别仅在于：有机碳源为戊糖，其添加量为3wt.％，机械化合金过程的球料比为6：1，硬脂酸的加入量占合金粉质量的1％，球磨的速度为200rpm，每球磨25分钟停止5分钟，总共球磨25h，其余参数均和实施例1相同。
本实施例制备的铁基自润滑耐磨合金材料的金相照片如图4所示，由图4可知，该耐磨材料由石墨、围绕在石墨周围的奥氏体壳以及奥氏体外的珠光体均匀组成，其中，石墨为网格状；该铁基自润滑耐磨合金材料在室温经过摩擦磨损后的扫描电镜照片，如图5所示，本实施例制备的自润滑耐磨材料的摩擦磨损轮廓，可以较为明显的看出摩擦机理主要为黏着磨损，还带有少量的磨粒磨损，磨痕均匀，在磨痕的两侧无明显的剥离，显示出随着润滑相的含量增加，材料的磨损形貌变的优良，摩擦磨损性能也较好相对应。将该自润滑耐磨合金材料分别在200，400，600，800℃下经过摩擦磨损实验后的3D表面轮廓见图3所示，在较高温度下，如800℃，磨痕的长度明显比实施例1要宽，说明在高温下，自润滑相逐渐失效(600℃以上氧化加剧失效)，由于加入了较多自润滑相，导致基体性能较差，磨损性能下降，而在较低温度，则比实施例1展现出更好的摩擦磨损性能。
表1本发明实施例1和2的铁基自润滑耐磨合金材料与现有技术中高熵自润滑合金的各
项力学性能测试结果
从表1的实验结果可以看出，本发明的铁基自润滑材料的力学性能远高于现有技术中的Co基或Ni基自润滑高熵合金，且本发明的铁基自润滑材料中由于没有Co、Ni等价格昂贵的高温稳定元素，价格更为便宜。
表2本发明实施例1和2的铁基粉末冶金摩擦材料摩擦磨损性能测试结果
由表1和表2的实验结果可以看出，本发明的铁基自润滑耐磨合金材料具有优异的力学性能，且摩擦磨损性能较好。

Claims (10)

1.一种铁基自润滑耐磨合金材料，其特征在于，以铁基合金为基体，以石墨为润滑相，所述石墨均匀分布于所述铁基合金的基体中，所述铁基合金中含有元素Fe、Mn、Ni和Al。
2.如权利要求1所述的铁基自润滑耐磨合金材料，其特征在于，所述铁基合金包括质量含量为13％-17％的Mn，5％-7％的Ni，8％-12％的Al和余量的Fe。
3.如权利要求1所述的铁基自润滑耐磨合金材料，其特征在于，所述铁基合金为Fe-15Mn-6Ni-12Al。
4.如权利要求1所述的铁基自润滑耐磨合金材料，其特征在于，所述石墨是由有机碳源经放电等离子烧结后均匀分布于铁基合金中的。
5.一种铁基自润滑耐磨合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)称取Fe粉、Mn粉、Ni粉和Al粉混合，进行机械化合金；
(2)在步骤(1)后得到的机械合金粉中加入有机碳源后进行放电等离子烧结，即得到铁基自润滑耐磨合金材料。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述机械化合金过程在球磨罐中进行，球料比为6-10：1，球磨过程中加入硬脂酸作为控制剂，硬脂酸的加入量占合金粉质量的1％-3％，球磨的速度为200-300rpm，每球磨20-25min停止5-10min，总共球磨25-35h。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，每种金属元素粉末的平均粒径均为20μm。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，放电等离子烧结过程为：以80-120℃/min的升温速率升至1050-1100℃，然后保温10-20min，最后随炉冷却。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的有机碳源为石蜡和/或戊糖，有机碳源的加入量占合金粉的2wt.％～4wt.％。
10.如权利要求5-9任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，Mn粉的加入量为13-17wt.％、Ni粉的加入量为5-7wt.％、Al粉的加入量为8-12wt.％以及余量的Fe。
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