CN108570591B - 铁镍基高温自润滑热作模具材料及其制备方法 - Google Patents

铁镍基高温自润滑热作模具材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁镍基高温自润滑热作模具材料，包括合金基体、固体润滑剂和硬质相，其中，合金基体成分为铁镍基合金粉末，其是以GH2135成分为标准制备而成，固体润滑剂为CaF2，硬质相为Cr2O3，利用球磨机将合金基体、固体润滑剂以及硬质相三相粉末混合均匀，再通过粉末冶金的方法制备得到热作模具。本发明提出的铁镍基高温自润滑热作模具能在无油或少油条件下实现自润滑，同时其制作成本低。

Description

铁镍基高温自润滑热作模具材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料制备技术领域，尤其涉及一种铁镍基高温自润滑热作模具材料及其制备方法。
背景技术
模具在服役时，与成形坯料接触并产生相对运动，引起模具表面的剧烈摩擦，造成接触表面的持续磨损，从而导致模具失效。尤其在高温服役环境下，与热态金属相接触，会引起模腔表层金属受热，同时坯料在型腔内的塑性变形产生相对运动，会在型腔表面产生剧烈的摩擦，使得模具表层材料磨损严重。为了保证模具的使用寿命，润滑是解决模具磨损最有效的措施。
通常在实际生产过程中，液态润滑油脂是常用的润滑剂。但是，在高温高压下，润滑油脂持续蒸发，只有残留部分起到润滑作用。并且在高负荷时，传统润滑油脂的粘性随温度的升高呈指数下降，导致其承载能力下降，润滑油膜遭到破坏，丧失润滑能力，从而导致润滑性能减弱。在此极端环境下，传统润滑油脂已不能适用于成形工艺的要求。同时，这类物质会造成极大的环境污染问题，与绿色制造和可持续发展的理念相违背。在全球环保意识不断增强与环保立法日益严格的大趋势下，发展对环境无污染、可持续发展的现代制造模式是必要的。
采用固体润滑的方法，减少摩擦副的摩擦和磨损是可行的。固体润滑技术是利用固体润滑剂代替润滑油、润滑脂来隔离相互接触的摩擦面，依靠固体润滑剂材料本身或其转移膜的低剪切特性以达到减摩的目的。固体润滑剂的应用已经具有很长的历史，石墨、二硫化钼、铅盐、金属粉末和其他固体物质都较好地在工业中得到了应用。相比液体润滑油脂，固体润滑剂具有承载能力高、高温化学稳定性好等优点，具有良好的润滑性能；同时拥有不易挥发、污染小、利用率高等优点，在性能上极大的突破了传统材料的使用极限。固体自润滑材料可根据实际工况的要求设计而成，它一方面具有较高的强度，能够提高接触摩擦副的耐磨性；另一方面又具有自润滑的效果，可以实现无油或少油条件下的润滑，符合绿色制造和可持续发展的理念。
目前，在市场上，热作模具大多采用的是整体模块，整体模块结构简单、使用方便、加工成本低，但是随着金属的进步和成形要求的提高，整体模块的缺点越来越多的暴露出来。比如常见的H13钢制成的整体模块，由于H13钢红硬性差、易磨损，虽然在添加合金成分后整体性能得到提升，但整体模块在发生磨损后需要全部进行更换，不仅造成能源浪费，还会增加生产成本，影响生产顺利进行。
现在也有部分热作模具采用高温固体自润滑材料，主要大致可以分为金属基自润滑复合材料、非金属基自润滑复合材料、自润滑陶瓷复合材料3大类。高温自润滑材料的制备方法主要有表面技术、熔炼铸造法等。表面技术制备涂层工艺简单，但制作出的涂层与基体结合强度不够，在热作模具的服役环境下使用受到限制。熔炼铸造法对于不同材料，存在各成分润湿性差的问题，同时制造成本较高，不适合制备大型模具。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种铁镍基高温自润滑热作模具材料及其制备方法，旨在无油或少油条件下自润滑，同时降低其制作成本。
为实现上述目的，本发明提供一种铁镍基高温自润滑热作模具材料，包括合金基体、固体润滑剂和硬质相，其中，合金基体成分为铁镍基合金粉末，其是以GH2135成分为标准制备而成，固体润滑剂为CaF2，硬质相为Cr2O3，利用球磨机将合金基体、固体润滑剂以及硬质相三相粉末混合均匀，再通过粉末冶金的方法制备得到热作模具。
优选地，所述合金基体的质量分数为60%-90%，固体润滑剂的质量分数为5%-15%，硬质相的质量分数为10%-30%。
优选地，GH2135是性能良好的高温合金，GH2135其成分的质量分数，C：0.08、Cr：14-16、Ni：33-36、W：1.7-2.2、Mo：1.7-2.2、Al：2.2-2.8、Ti：2.1-2.5、Fe余量。
本发明进一步提出一种基于上述的铁镍基高温自润滑热作模具材料的制备方法，包括以下步骤：
合金粉末制备：采用机械合金化的方法制备铁镍基合金粉末；
混粉：将铁镍基合金粉末、硬质相和固体润滑放入球磨罐中，充入氩气保护，通过球磨机混料得到复合粉末；
压制：将复合粉末放入一定形状和尺寸的模具中，在压力机上进行压制，得到一定形状和尺寸的压坯；
烧结：将压坯放入真空炉中烧结得到铁镍基高温自润滑材料。
优选地，采用机械合金化的方法制备铁镍基合金粉末时，将C粉、Cr粉、Ni粉、Mo粉、Ti粉和Fe粉配制成混合粉末后，将混合粉末放入不锈钢罐中并充入氩气保护，以球料比20:1，球磨转速250r/min,在球磨机球磨一段时间后，再添加2%硬脂酸锌球磨2h，得到铁镍基合金粉末。将合金粉末、硬质相和固体润滑剂置于不锈钢罐中，以6:1/7:1的球料比，以200r/min在球磨机中球磨5 h ~10h,得到铁镍基自润滑复合粉末。
优选地，将压坯放入真空炉中烧结时，真空度为10-2pa，温度1300℃-1350℃，保温2h-3h 。
本发明的有益效果如下：
1.本发明制备了铁镍基自润滑模具材料，无需润滑系统，便可实现抗磨减摩的效果。同时，避免了传统润滑油脂对环境的污染，实现清洁化生产，是一种高效的绿色材料；
2.本发明采用机械合金化工艺制备铁镍基合金粉末，该工艺应用成熟，工艺条件简单，成本低、操作程序连续可调，且产品晶粒细小、可在室温下实现合金化。
3.基体采用铁镍基合金粉末，该体系以高温合金GH2135为基础而设计，具有优良的高温性能。该体系避免了稀有金属Ni的使用，有效减少材料成本。同时在制备过程中添加硬质相Cr2O3，大大提高了材料的耐磨性；
4.采用粉末冶金工艺制备自润滑材料，制备工艺简单，能够有效保留不同相的原始特性，改善复合材料内部润湿性不足的问题。可以生产出复杂零件，在后续精加工中，可以减少制品的切削量，节约原材料，以较低的成本生产出高性能的高温自润滑材料。
附图说明
图1为本发明铁镍基高温自润滑热作模具材料的制备方法的流程示意图；
图2为制备铁镍基高温固体自润滑材料的烧结工艺图；
图3为机械合金化48h后粉末的显微形貌；
图4为铁镍基高温固体自润滑材料的X射线衍射结果图；
图5为铁镍基高温固体自润滑材料的显微形貌；
图6为铁镍基高温固体自润滑材料的摩擦系数图；
图7为管状类零件热挤压模凹模结构示意图；
图8为气门热锻模凹模结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出一种铁镍基高温自润滑热作模具材料。
本优选实施例中，铁镍基高温自润滑热作模具材料，包括合金基体、固体润滑剂和硬质相，其中，合金基体成分为铁镍基合金粉末，其是以GH2135成分为标准制备而成，固体润滑剂为CaF2，硬质相为Cr2O3，利用球磨机将合金基体、固体润滑剂以及硬质相三相粉末混合均匀，再通过粉末冶金的方法制备得到热作模具。
具体地，所述合金基体的质量分数为60%-90%，固体润滑剂的质量分数为5%-15%，硬质相的质量分数为10%-30%。硬质相为主要的承载相，当加入的含量较少时，复合材料的力学性能不足；当加入的含量过多时，其必然会影响基体的烧结性能。CaF2作为润滑相，含量的增加促进润滑膜的形成，使摩擦系数降低，但过多的润滑相会降低材料的烧结性能。因此各成分的含量会影响到材料的综合性能，根据工况的需要对含量进行调整。
合金基体起支撑负荷的作用，常用的合金基体一般采用铁基、镍基、钴基合金以及难熔金属如W、Mo等。GH2135是我国自行研制的铁镍基高温合金，除疲劳性能稍低外其余性能已达到和超过了镍基合金gh33的水平。合金具有良好的热加工塑性，实践证明该合金比较成熟，使用温度为500-1000℃，适合用于制备热作模具。GH2135是性能良好的高温合金，其成分的质量分数（wt/%），C：0.08、Cr：14-16、Ni：33-36、W：1.7-2.2、Mo：1.7-2.2、Al：2.2-2.8、Ti：2.1-2.5、Fe余量。
氟化物具有高的化学和热稳定性，在加到复合材料中仍能保持着自己的原始性能。研究表明，CaF2和BaF2在500℃开始具有润滑特性，在高温下它们具有相当高的抗氧化能力，可以使用至900℃仍不发生氧化失效。含氟化物(CaF2或BaF2)的材料，可以保证在无润滑、重载、高温(>500℃)下长期工作。
固体润滑剂的加入影响合金基体的烧结，往往导致材料的强硬度大大下降。为了保证材料具有良好的耐磨性，本热作模具加入硬质相来提升耐磨性，本实施例中采用Cr2O3，其不仅是一种耐磨相，在高温下其作为氧化物也具有一定的润滑作用。
本发明的有益效果如下：
1.本发明制备了铁镍基自润滑模具材料，无需润滑系统，便可实现抗磨减摩的效果。同时，避免了传统润滑油脂对环境的污染，实现清洁化生产，是一种高效的绿色材料；
2.本发明采用机械合金化工艺制备铁镍基合金粉末，该工艺应用成熟，工艺条件简单，成本低、操作程序连续可调，且产品晶粒细小、可在室温下实现合金化。
3.基体采用铁镍基合金粉末，该体系以高温合金GH2135为基础而设计，具有优良的高温性能。该体系避免了稀有金属Ni的使用，有效减少材料成本。同时在制备过程中添加硬质相Cr2O3，大大提高了材料的耐磨性；
4.采用粉末冶金工艺制备自润滑材料，制备工艺简单，能够有效保留不同相的原始特性，改善复合材料内部润湿性不足的问题。可以生产出复杂零件，在后续精加工中，可以减少制品的切削量，节约原材料，以较低的成本生产出高性能的高温自润滑材料。
本发明进一步提出一种铁镍基高温自润滑热作模具材料的制备方法。
参照图1至图7，一种基于上述的铁镍基高温自润滑热作模具材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S10，采用机械合金化的方法制备铁镍基合金粉末；
步骤S20，将铁镍基合金粉末、硬质相和固体润滑放入球磨罐中，充入氩气保护，通过球磨机混料得到复合粉末；
步骤S30，将复合粉末放入一定形状和尺寸的模具中，在压力机上进行压制，得到一定形状和尺寸的压坯；
步骤S40，将压坯放入真空炉中烧结得到铁镍基高温自润滑材料（烧结工艺参照图1）。
步骤S10中，采用机械合金化的方法制备铁镍基合金粉末时，将C粉、Cr粉、Ni粉、Mo粉、Ti粉和Fe粉配制成混合粉末后，将混合粉末放入不锈钢罐中并充入氩气保护，以球料比20:1，球磨转速250r/min,在球磨机球磨一段时间（48h）后，再添加2%硬脂酸锌球磨2h，得到铁镍基合金粉末。
具体地，按质量百分比将0.1%~0.2%的C粉（纯度大于99.9%），14%~16%的Cr粉（纯度大于99.95%），33%~36%的Ni粉（纯度大于99.5%），3.4%~4.4%的Mo粉（纯度大于99%），4.1%~5.3%的Ti粉（纯度大于99 %）和40%~41%的Fe粉（纯度大于99.9%）配制成混合粉末。
步骤S20中，将合金粉末、硬质相和固体润滑剂置于不锈钢罐中并充入氩气保护，以6:1/7:1的球料比，以200r/min在球磨机中球磨5 h ~10h,得到铁镍基自润滑复合粉末。混粉的目的是为了使不同粉末相混合均匀，过低的球料比导致各相混合不均，而过高的球料比会降低粉末的出粉率。根据理论知识与实验结果，混粉时球料比取6:1/7:1效果良好。球磨速度与球磨时间的设置同样是为了使粉末混合均匀，过低的速度与时间，粉末混合效果不佳，过高则造成粉末的污染与浪费。
步骤S40中，将压坯放入真空炉中烧结时，真空度为10-2pa，温度1300℃-1350℃，保温2h-3h。烧结温度过低，试样烧结不完全，烧结试样孔隙多且致密度低，材料性能未达到要求；而烧结温度过高，晶粒明显长大，影响材料的性能，同时会出现“过烧”现象。根据分析软件的计算和实验结果的观察，在1300℃~1350℃温度区间，样品孔隙数量较少，且试样的宏观性能良好。
由图3可以看出，经过48h球磨后的粉末合金化程度高，粉末呈等轴粒状且粉末均匀分布，这都有助于烧结的进行，获得性能更好的烧结材料。由图5可以看出，经烧结的材料，烧结致密性好，孔隙较少，烧结材料的力学性能与材料的致密性有关，致密性越高，性能越好。由图6可以看出，铁镍基高温自润滑热作模具的摩擦系数在0.3左右，在热作模具钢中属于较低的摩擦系数，能够体现出本材料的润滑效果。
以下以两个实施例为例具体进行说明本制备方法。
实施例1
参照图7，用于管状类零件的热挤压模凹模时，其制备方法如下。
（1）制备铁镍基高温自润滑材料
① 机械合金化。按质量百分比将0.1%~0.2%的C粉（纯度大于99.9%），14%~16%的Cr粉（纯度大于99.95%），33%~36%的Ni粉（纯度大于99.5%），3.4%~4.4%的Mo粉（纯度大于99%），4.1%~5.3%的Ti粉（纯度大于99 %）和40%~41%的Fe粉（纯度大于99.9%）配制成混合粉末。将粉末放入不锈钢罐中并充入氩气保护，以球料比20:1，球磨机转速250r/min进行球磨48h，之后再加入2%硬脂酸锌球磨2h，得到铁镍基合金粉末。
② 球磨混料。将步骤①制得的合金粉末（84%）、硬质相Cr2O3（10%）和固体润滑剂CaF2（6%）放入球磨罐并充入氩气保护，以球料比6:1/7:1，球磨机转速200r/min混料5h~10h，得到复合粉末。
③ 压制。将步骤②制得的复合粉末放入一定形状和尺寸的模具中，在压力机上进行压制，压力为400-600MPa，得到一定形状和尺寸的压坯；
④ 真空烧结。将步骤③制得的压坯放入真空炉中烧结，真空度为10-2pa，温度1300℃-1350℃，保温2h-3h。
利用维氏硬度计测量该材料的硬度值，施加压力为10g，持续时间为10s，每个样品测试不同区域的10个数值，取平均值，材料硬度达到200.5HV。
通过高温摩擦磨损试验机，测试得出材料的摩擦系数约为0.36，相比未添加固体润滑剂的材料，摩擦系能得到了提升。
（2）后续精整加工，并进行组装。
实施例2
参照图8，用于气门热锻模凹模时，本实施例与实施例1不同之处在于：
自润滑材料制备的含量分别为，合金粉末（72%）、硬质相Cr2O3（20%）和固体润滑剂CaF2（8%）。
利用维氏硬度计测量该材料的硬度值，施加压力为10g，持续时间为10s，每个样品测试不同区域的10个数值，取平均值，材料硬度达到312.4HV。
通过高温摩擦磨损试验机，测试得出材料的摩擦系数约为0.3，相比未添加固体润滑剂的材料，摩擦系能得到了提升。
本发明提出的铁镍基高温自润滑热作模具材料的制备方法，通过粉末冶金的方法制备具有高强度的固体自润滑材料，粉末冶金法工艺简单，制作成本低，可充分利用各材料的性能，解决各材料润湿性不够的问题，生产出高精度的零件，节约原材料。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种铁镍基高温自润滑热作模具材料，其特征在于，包括合金基体、固体润滑剂和硬质相，其中，合金基体成分为铁镍基合金粉末，其是以GH2135主要成分为标准制备而成，铁镍基合金粉末为C粉、Cr粉、Ni粉、Mo粉、Ti粉和Fe粉配制而成，固体润滑剂为CaF2，硬质相为Cr2O3，利用球磨机将合金基体、固体润滑剂以及硬质相三相粉末混合均匀，再通过粉末冶金的方法制备得到热作模具；所述合金基体的质量分数为60%-90%，固体润滑剂的质量分数为5%-15%，硬质相的质量分数为10%-30%。
2.如权利要求1所述的铁镍基高温自润滑热作模具材料，其特征在于，GH2135其成分的质量分数，C：0.08、Cr：14-16、Ni：33-36、W：1.7-2.2、Mo：1.7-2.2、Al：2.2-2.8、Ti：2.1-2.5、Fe余量。
3.一种基于权利要求1或2所述的铁镍基高温自润滑热作模具材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
合金粉末制备：采用机械合金化的方法制备铁镍基合金粉末；
混粉：将铁镍基合金粉末、硬质相和固体润滑剂放入球磨罐中，充入氩气保护，通过球磨机混料得到复合粉末；
压制：将复合粉末放入一定形状和尺寸的模具中，在压力机上进行压制，得到一定形状和尺寸的压坯；
烧结：将压坯放入真空炉中烧结得到铁镍基高温自润滑材料。
4.如权利要求3所述的铁镍基高温自润滑热作模具材料的制备方法，其特征在于，采用机械合金化的方法制备铁镍基合金粉末时，将C粉、Cr粉、Ni粉、Mo粉、Ti粉和Fe粉配制成混合粉末后，将混合粉末放入不锈钢罐中并充入氩气保护，以20:1的球料比，250r/min的球磨转速,在球磨机球磨一段时间后，再添加2%硬脂酸锌球磨2h，得到铁镍基合金粉末。
5.如权利要求3所述的铁镍基高温自润滑热作模具材料的制备方法，其特征在于，混料时，将合金粉末、硬质相和固体润滑剂置于不锈钢罐中并充入氩气保护，以6:1到7:1的球料比，以200r/min的球磨转速在球磨机中球磨5 h ~10h,得到铁镍基自润滑复合粉末。
6.如权利要求3所述的铁镍基高温自润滑热作模具材料的制备方法，其特征在于，将压坯放入真空炉中烧结时，真空度为10-2pa，温度1300℃-1350℃，保温2h-3h。
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CN101078071A (zh) * 2006-05-26 2007-11-28 南京理工大学 宽温带自润滑镍铬合金基复合材料及其制备方法
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