CN1100161C - 铬钨硫化物减摩铸钢 - Google Patents

Abstract

本发明是一种金属基自润滑复合材料铬钨硫化物减摩铸钢，是在钢液中加入铬铁、钨铁及硫化铁，高温下形成Cr₃S₄、WS₂、FeS固体润滑剂的铁基自润滑复合减摩铸钢，化学组分是：0.30%-0.95%C，0.45%-0.75%Si，0.35%-0.50%Mn，2.10%-5.00%Cr，2.50%-4.00%W， 3.10%-4.50%S，0-3.00%Ni ，≤0.05%P，0-3.00%Co；余量为铁；经冶炼铸造成型铸件，退火热处理机械加工后用于摩擦偶合件，具有良好的减摩、耐磨、耐高温、抗冲击性能，较低的生产成本，用于替代昂贵的铜合金及滚动轴承等部件，延长使用寿命1-3倍，有较好的经济效益和社会效益。

Description

铬钨硫化物减摩铸钢

本发明涉及金属基自润滑复合材料，特别是一种含有Cr₃S₄、WS₂及FeS固体润滑剂作为分散相的铁基自润滑复合材料铬钨硫化物减摩铸钢。

材料是摩擦学设计的基础，是近十多年来，摩擦学研究的重点由传统的润滑和润滑系统向材料科学转移的原因所在，没有高性能的材料作为保障，就不可能有效地解决现代机械的磨损失效问题。目前被广泛应用的金属基自润滑复合材料，如以镍基、钴基、银基、铜基粉末冶金法制备的自润滑材料，以添加活性元素硫铸造法制备的镍基、镍铬基自润滑材料等，这类材料虽有较好的使用性能，但原材料昂贵，工艺复杂，应用于普通工业领域受到限制；为此，目前又采用铸造法制备铁基自润滑材料，由于工艺简单，成本低，使用性能尚可满足工业需要，得到应用。如一种“含硫石墨减摩钢”专利，(CN-1060879A 920506)它是以石墨和硫化锰(MnS)作固体润滑剂。但石墨的自润滑性虽较好，而它与金属表面附着力很差，在大气压中使用时，温度超过454℃即氧化失效，真空中使用摩擦系数很大(达0.8)。钢中石墨的形成是靠高温石墨化退火，时间长，能耗高；MnS在固态钢中有两种晶系结构，即立方、六方，只有六方晶系的层状结构物具有润滑性，而立方晶系结构硬而脆，不具有润滑性，作为减摩材料有不利影响；

另一种“高硫合金钢及生产方法”专利，(CN-1068858A 930210)是以FeS作为固体润滑剂，实施中还涉及了MnS、MoS₂、WS₂固体润滑剂，但按照该方案MoS₂钢配料，经过验算硫化物的总量高达23.74％，这样的材料强度韧性是很差的，无实用价值；

再有“经退火处理的耐磨合金钢”专利，(CN-1188812A 980729)它是以FeS固体润滑剂为主要组分，Mo含量很少(0.10％-1.0％)，化合所得MoS₂含量低(0.24％-2.5％)，自润滑性差；MoS₂的熔点低(1185℃)，密度小(4.7g/cm³)，对铸态组织的致密度及韧性有害，Cr含量低(0.20％-2.00％)Cr与S形成CrS，在钢液冷凝结晶过程中起阻碍晶粒长大的作用，由于Cr及S含量低，Cr₃S₄的形成受到抑制，自润滑性差，难以得到有效应用。

在杂志《河南冶金》1997年第1期的《金属硫化物减摩材料的研究》一文中本发明人公开了下列化学组分及含量(以质量分数计)：

0.15％-1.20％C，  0.15％-0.40％Si，   0.30％-0.60％Mn，

0.50％-1.50％Cr.  0.20％-2.00％W，    0.20％-2.00％Mo，

0.10％-0.40％V，  0.80％-3.00％S，    ≤0.04％P，余量为铁。

在此技术方案中，Cr、W、Mo、V加入量很少，其作用仅为改善基体组织的辅助元素。硫化物的主体是FeS。

在上述技术中，均采用了以FeS、MoS₂为主要组分的固体润滑剂，这是一种技术偏见。当然，对于采用化学热处理方法，使工件表面得到一定厚度的FeS渗层是可行的，因FeS是六方晶系结构，易沿密排面滑移，具有低的剪切强度，渗硫层表面硬度又较低(50-100HV)，因而是优良的固体润滑剂。但是用铸造法制备以FeS固体润滑剂为主要组份的摩擦偶件时，就显然不同了，从理论及实践中证实，因FeS熔点低(FeS熔点＝1190℃)密度小(FeS密度＝4.6/cm³)，用铸造法制备冷凝过程中，会造成严重的硫化物聚集，分布不均，质地疏松多孔，力学性能差，称之为脆性材料，因而应用范围小。

本发明的目的在于针对上述情况用常规冶炼及铸造法，制备一种铬钨硫化物减摩铸钢，以解决对生产中复合材料的需要问题。

本发明的目的是这样来实现的，选用高熔点、高密度的Cr₃S₄、WS₂(Cr₃S₄、WS₂熔点分别是1550℃、1480℃、WS₂密度7.5g/cm³)固体润滑剂，在钢液中加入铬铁、钨铁及硫化铁，在高温下形成Cr₃S₄(硫化铬)、WS₂(硫化钨)及FeS(硫化铁)固体润滑剂的铁基自润滑复合材料—铬钨硫化物减摩铸钢，其组份是(以质量分数计)：

0.30％-0.95％C，     0.45％-0.75％Si，    0.35％-0.50％Mn，

2.10％-5.00％Cr，    2.50％-4.00％W，     3.10％-4.50％S，

≤0.05％P，余量为铁。

所得硫化物组分及含量(以质量分数计)是：

3.60％-9.10％Cr₃S₄，3.40％-5.40％WS₂，1.00％-2.00％FeS。

本发明铸钢具有减摩性良好，不易磨损，强度高，韧性好，应用面广。因其硫的化学性质活泼，几乎能与所有金属元素直接化合，钢液中加入硫化铁或工业硫，硫即以单原子状态存在于钢液中，硫与金属元素化合生成硫化物时，其亲合力以下列顺序递增：Si Co Ni Fe W Mo Cr VMn Ti Zr，按此冶金熔体化学反应规律，Cr W元素先于Fe形成Cr₃S₄、WS₂固体润滑剂，冷凝后以一定数量、形态均匀分布于基体组织中，铁基体起支撑负荷和粘结作用，固体润滑剂起减摩作用，组成具有良好抗粘着和抗咬合磨损的铁基自润滑复合材料。

以下结合实施例对本发明作详细说明。

本发明按组分：

0.30％-0.95％C，     0.45％-0.75％Si，   0.35％-0.50％Mn，

2.10％-5.00％Cr，    2.50％-4.00％W，    3.10％-4.50％S，

≤0.05％P，余量为铁。选取配料，采用中频感应电炉冶炼，按常规冶炼及铸造浇铸成形铸件，经退火处理后加工成轴瓦、轴套等摩擦偶合件。为了增加铸钢的抗拉强度，在实际生产中，其化学组分中还可加有0-3.00％Ni、0-3.00％Co。

实施例1

1、原材料技术条件：化学成分(以质量分数计)

生    铁： 4.5％C，0.80％Si，0.20％Mn，0.05％P，0.05％S，

废    钢：0.20％C，0.30％Si，0.50％Mn，0.04％P，0.05％S，

钨铁合金：75.0％W，0.05％C，

铬铁合金：65.0％Cr，5.0％C，

硫 化 铁：30.0％S，0.05％C及常用硅铁、锰铁合金等。

2、技术措施：

A、配料设计的化学组分及含量(以质量分数计)

0.80％C，0.60％Si，0.40％Mn，0.04％P，4.00％S，3.00％Cr，3.00％W，余量为铁。

B、设计的硫化物组分及含量(以质量分数计)

计算式1 ${\mathrm{Cr}}_3{S}_4=\frac{156+128}{128}\×\left[S\right]\%=2.22\×\left[S\right]\%$ $\left[S\right]\%=\frac{128\×3.00\%\mathrm{Cr}}{156}=2.46\%$

Cr₃S₄＝2.22×2.46％＝5.46％式中156、128为铬、硫的摩尔质量，[S]％为钢中硫的质量分数。计算式2 ${\mathrm{Ws}}_2=\frac{183+64}{64}\×\left[S\right]\%=3.86\×\left[S\right]\%$ $\left[S\right]\%=\frac{64\×3\%W}{183}=1.05\%$

WS₂＝3.86×1.05％＝4.05％式中183、64为钨、硫的摩尔质量，[S]％为钢中硫的质量分数。计算式3 $\mathrm{FeS}=\frac{56+32}{32}\×\left[S\right]\%=2.74\×\left[S\right]\%$ [S]％＝4.00-(2.46％+1.05％)＝0.49％FeS＝2.74×0.49％＝1.34％

式中56、32为铁、硫的摩尔质量，[S]％为钢中硫的质量分数。

硫化物总量：Cr₃S₄+WS₂+FeS＝5.46％+4.05％+1.34％＝10.85％

3、装入量：

总装入量154.2千克(含2.70％烧损)其中：

生铁13.5千克、废钢102千克、钨铁6.3千克、铬铁7.5千克、硫化铁21千克、硅铁0.5千克、锰铁0.4千克

4、冶练及铸造

采用150千克非真空中频感应电炉冶练，石英砂炉衬，装料顺序：玻璃熔剂、生铁、钨铁、废钢、铬铁，炉料熔清后加锰铁硅铁预脱氧，然后加入烘烤干燥的硫化铁，并提温精炼，当钢液温度达到1550℃-1580℃时加铝终脱氧后出钢，包中进行变质处理钢液在包中镇静2-3分钟浇注。

变质处理的目的在于使钢中金属硫化物球化、团块化，减少低熔点硫化物沿晶界网状分布，进一步改善材料的力学性能，特别是冲击韧性。

采用砂型铸造，离心铸造，EPC消失模负压铸造均可，本例采用后者。浇注温度1450℃-1480℃，负压0.04-0.06MPa，EPS密度0.018g/cm³，浇注后8小时开箱，清砂后热处理。

特别提醒的是，冶炼铸造工艺的核心是高温精炼，充分脱氧，低温浇注，快速冷却，方能得到力学性能及润滑性能良好的材料。

5、热处理

铸件需退火处理，以消除铸造应力，细化基体组织，降低基体硬度，便于切削加工。退火温度：780-820℃保温3-5小时随炉缓冷，加热升温小于50℃/小时，炉中缓冷降温小于50℃/小时，炉温低于300℃出炉空冷。

6、材料组织、性能

金相显微观察，在粒状珠光体基体上均匀分布着球状、团块状Cr₃S₄、WS₂及FeS固体润滑剂。

力学性能检测

硬度180-220HB      抗拉强度≥500MPa

冲击韧性a_k≥20J    摩擦系数0.15-0.20

实施例2

设计的化学组分及含量(以质量分数计)如下：

0.40％C，0.60％Si，0.40％Mn，3.00％Cr，3.50％S，0.04％P，余量为铁；其余技术方案均同实施例1。

根据摩擦偶件使用条件的差异，当润滑性能可满足工况需要时，为了节约资源，按照上述化学组成，可以单独使用含Cr不含W或者含W不含Cr的化学组分。

本发明铸钢与现有材料相比有突出效果：

1、Cr₃S₄、WS₂固体润滑剂密度高，熔点高，高熔点金属硫化物在钢液凝固过程中，已较早形成固体微粒，均匀分布在晶界上或晶粒内部，细化铸态组织，减少硫化物聚集，得到组织致密，强度高，韧性好的自润滑复合材料。克服了现有技术称之为脆性材料的技术难点，经检测，冲击韧性a_k≥20J，是现有技术2-3J的7-10倍，抗拉强度≥500MPa；

2、根据协同减摩效应，即由于两种固体润滑剂对金属表面及其周围气氛的活性各不相同，可以相互补充的效应，本技术方案采用两种以上固体润滑剂复合使用，比一种单独使用时摩擦系数小，自润滑性能好，经检测摩擦系数比现有技术降低0.02-0.03；

3、Cr₃S₄、WS₂从室温至500℃具有润滑性，可作为高温自润滑材料。在某轧钢厂260高速线材轧机，钢坯热装(钢坯温度700-800℃，瓦体温度450-500℃)辊道上应用，使用寿命是原滚动轴承的4倍；

4、制造工艺简单，成本低廉(只有铜合金的1/3)，用于替代昂贵的铜合金及滚动轴承等摩擦偶合件，延长使用寿命1-3倍，有较好的经济效益和社会效益；

按本发明试制的轴套，用于某炼钢厂R6-1200全弧型板坯连铸机二冷区辊道上，共运转137天拉钢53750吨，使用寿命是铜合金轴瓦的2.5倍；

按本发明试制的轴瓦，用于某厂1200mm叠板轧机传动接杆架瓦轴瓦，共运转180天，使用寿命是原铝青钢(ZQA19-4)的3倍；

按本发明试制的轴套，用于某轧钢厂260高速线材轧机钢坯热装辊道上，替代原用3620滚动轴承，使用寿命提高4倍。

本发明铸钢的减摩机制在于，当摩擦偶件作相对运动时，Cr₃S₄、WS₂及FeS固体润滑剂逐渐转移到对偶表面，形成一层固体润滑膜，以阻止或者减轻对偶金属微凸体间直接接触而导致的显微焊合或粘着磨损。在磨损过程中，摩擦表面在机械力和摩擦热的作用下会发生一系列复杂的物理化学变化，上述硫化物会因受热而氧化，析出活性S原子，活性S原子必然与摩擦面的Fe及Fe的磨屑微粒反应生成FeS，又进一步改善了润滑条件。由于偶件整个基体均含有硫化物，与表面化学热处理渗硫层仅有10μm相比较，使用寿命会更长，只要公差配合许可。

Claims (3)

1、一种铬钨硫化物减摩铸钢，其特征在于所说的该减摩铸钢的化学组分是以质量分数计为：

0.30％-0.95％C，     0.45％-0.75％Si，   0.35％-0.50％Mn，

2.10％-5.00％Cr，    2.50％-4.00％W，    3.10％-4.50％S，

≤0.05％P，余量为铁；

化学组成化合硫化物组成，以质量分数计为：

3.60％-9.10％Cr₃S₄，3.40％-5.4％WS₂，1.00％-2.00％FeS。

2、根据权利要求1所述的铬钨硫化物减摩铸钢，其特征在于所说的化学组分中还加有0-3.00％Ni，0-3.00％Co。

3、根据权利要求1所述的铬钨硫化物减摩铸钢，其特征在于所说减摩铸钢的化学组分以质量分数计是：

0.80％C，0.60％Si，0.40％Mn，3.00％Cr，3.00％W，4.00％S ，≤0.05％P，余量为铁；

化学组成化合硫化物组成以质量分数计是：5.46％Cr₃S₄，4.05％WS₂，1.34％FeS。