CN111041338A - 一种自润滑-自硬化铁基轴承材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种自润滑‑自硬化铁基轴承材料及其制备方法，一按照质量分数，由以下组分组成：C、3.2％‑3.9％，Si、1.8％‑2.8％，Mn、0.1％‑0.2％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr≤0.6％，Cu≤0.8％，Ni≤1.0％，其他合金元素≤1.0％，余量为Fe，上述各组分的质量百分比之和为100％；所述铁基轴承材料中碳当量为4.3wt.％。本发明制备的铁基轴承材料具有高强度、自润滑和高耐磨特性；本发明制备方法规避了高碳铬轴承钢的锻造和复杂的热处理工序、渗碳轴承钢的表面渗碳工序，显著降低材料的制造成本，有很好的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于轴承材料技术领域，具体涉及一种自润滑-自硬化铁基轴承材料，本发明还涉及一种自润滑-自硬化铁基轴承材料的制备方法。
背景技术
轴承在工作时会承受拉伸、压缩、剪切、弯曲、交变等复杂的高应力作用，因此轴承材料需要具有高强度、高硬度、高耐磨、高接触疲劳强度等性能。采用介质润滑降低材料的磨损率，无法满足高速运转的精密轴承对高精度的要求，因此发展具有自润滑特性的轴承材料至关重要。
目前，轴承材料以高碳铬轴承钢和渗碳轴承钢为主。高碳铬轴承钢服役状态的组织为：回火马氏体及其上均匀分布的细小碳化物，这种组织特征具有高的强韧性，使用时需要介质润滑，缺乏润滑状态下，使用极易出现磨损失效。渗碳轴承钢通过在表面形成一层高碳马氏体硬质层而获得高硬度，但是其也存在着润滑难题。
石墨具有六方晶系的晶体结构，与基础面平行的面间结合力弱，所以其面间容易剪切，亦即摩擦力小，同时能够支持垂直于基础面的负荷，所以承载能力强，摩擦系数小，是固体润滑剂的最佳材料。另外，由于石墨极易渗入紧密吻合的滑动或转动部件间起润滑作用。因此在铁基体中嵌入具有自润滑特性的游离态石墨则是制备具有自润滑特性轴承材料的有效途径之一。此外，钢质轴承材料的使用状态多为淬火态或淬火回火态，往往会存在部分未转变的奥氏体，这种奥氏体组织在接触应力作用下会转变为马氏体，能有效提高材料的硬度。
因此，本发明利用游离态石墨的自润滑特性和残余奥氏体在接触应力作用下的自硬化特性，制备出一种具有自润滑-自硬化的铁石墨系轴承材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种自润滑-自硬化铁基轴承材料，解决了钢质轴承材料润滑性差、硬度低的问题。
本发明的目的还提供一种自润滑-自硬化铁基轴承材料的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，一种自润滑-自硬化铁基轴承材料，按照质量分数，由以下组分组成：C、3.2％-3.9％，Si、1.8％-2.8％，Mn、0.1％-0.2％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr≤0.6％，Cu≤0.8％，Ni≤1.0％，其他合金元素≤1.0％，余量为Fe，上述各组分的质量百分比之和为100％；所述铁基轴承材料中碳当量为4.3wt.％。
本发明的特征在于，
铁基轴承材料强度不低于GCr15轴承钢的强度。
铁基轴承材料的球墨数密度不低于300/mm2。
本发明的另一个技术方案是，一种自润滑-自硬化铁基轴承材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将预设物料在感应炉中熔化，得到铁水；
按照质量分数，预设物料由以下组分组成：C、3.2％-3.9％，Si、1.8％-3.0％，Mn、0.1％-0.2％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr≤0.6％，Cu≤0.8％，Ni≤1.0％，其他合金元素≤1.0％，余量为Fe，上述各组分的质量百分比之和为100％，预设物料的碳当量保持在4.3wt.％；
步骤2，向步骤1中的铁水中加入孕育剂和球化剂，得到熔融态液体；
步骤3，将步骤2的熔融态液体浇注入预热的水平连铸炉的炉膛，通过引晶杆向上进式提拉，随后冷却，获得垂直提拉铸件；
步骤4，将步骤3获得的垂直提拉铸件放入马弗炉中保温，随后取出迅速淬入盐浴中保温，即得到自润滑-自硬化铁基轴承材料。
本发明的特征还在于，
步骤2中，孕育剂的添加量为步骤1中铁水质量的1.1％-1.5％；球化剂的添加量为步骤1中铁水质量的1.0％-1.8％。
步骤3中冷却的速率以保证凝固过程在伪共晶区进行、能得到且球墨密度不低于300/mm2的铸锭。
步骤4中马弗炉保温的参数为：温度为900℃-1100℃，保温时间1h-2h。
步骤4中盐浴参数为：盐浴温度200℃-400℃、保温时间1h-5h。
步骤4中从马弗炉到盐浴的时间不大于20s。
步骤4中获得的铁基轴承材料强度不低于GCr15轴承钢的强度。
本发明的有益效果是：
(1)本发明制备的铁基轴承材料具有纳米尺度的α相以及碳含量不低于1.5wt.％的γ相，从而保证了其高强度(强度不低于目前使用的轴承钢，如GCr15)；均匀细小的球墨(球墨密度不低于300/mm2)有效的降低了服役过程中的摩擦系数，使其具有自润滑特性；高碳的γ相在接触应力作用下转变为更高硬度的马氏体相，获得不小于100μm的表面硬化层，显著提高其耐磨特性；
(2)本发明制备方法规避了高碳铬轴承钢的锻造和复杂的热处理工序、渗碳轴承钢的表面渗碳工序，显著降低材料的制造成本，有很好的实用价值。
附图说明
图1是本发明实施例5中制备的自润滑--自硬化铁基轴承材料的显微照片图；
图2是本发明实施例5制备的自润滑--自硬化铁基轴承材料经摩擦磨损一定时间后的表面硬度变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种自润滑-自硬化铁基轴承材料，按照质量分数，由以下组分组成：C、3.2％-3.9％，Si、1.8％-2.8％，Mn、0.1％-0.2％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr≤0.6％，Cu≤0.8％，Ni≤1.0％，其他合金元素≤1.0％，余量为Fe，上述各组分的质量百分比之和为100％；铁基轴承材料中碳当量为4.3wt.％。
铁基轴承材料强度不低于GCr15轴承钢的强度；铁基轴承材料的球墨密度不低于300/mm2。
一种自润滑-自硬化铁基轴承材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将预设物料在感应炉中熔化，得到铁水；
按照质量分数，预设物料由以下组分组成：C、3.2％-3.9％，Si、1.8％-3.0％，Mn、0.1％-0.2％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr≤0.6％，Cu≤0.8％，Ni≤1.0％，其他合金元素≤1.0％，余量为Fe，上述各组分的质量百分比之和为100％，预设物料的碳当量保持在4.3wt.％；
步骤2，向步骤1中的铁水中加入孕育剂和球化剂，得到熔融态液体；
孕育剂的添加量为铁水质量的1.1％-1.5％；球化剂的添加量为铁水质量的1.0％-1.8％。加入球化剂和孕育剂的目的是为了促进石墨化，减少白口倾向，改善石墨形态和分布状况，获得球形石墨；
步骤3，将步骤2的熔融态液体浇注入预热的水平连铸炉的炉膛，通过引晶杆向上进式提拉，随后冷却；
据所采用结晶器的壁厚差异控制冷却速率，采用垂直提拉技术采用高的冷却的速率保证了凝固过程在伪共晶区进行、能得到球墨密度不低于300/mm2的铸锭。
步骤4，将步骤3获得的垂直提拉铸件放入马弗炉中保温，随后取出迅速淬入盐浴中并保温，即得到自润滑-自硬化铁基轴承材料。
马弗炉保温的参数为：温度为900℃-1100℃，时间1-2h；其目的是获得碳元素分布均匀且超高碳含量的均一奥氏体组织；
盐浴参数为：盐浴温度200℃-400℃、盐浴保温时间1h-5h；其目的是为了获得纳米级α相和高碳γ相；
从马弗炉到盐浴的时间不大于20s；目的是为了防止固溶在γ相中的碳析出。
实施例1
步骤1，将预设物料在感应炉中熔化，得到铁水；
按照质量分数，预设物料由以下组分组成：C、3.6％，Si、2.1％，Mn、0.1％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr≤0.6％，Cu≤0.8％，Ni≤1.0％，其他合金元素≤1.0％，余量为Fe，上述各组分的质量百分比之和为100％，预设物料的碳当量保持在4.3wt.％；
步骤2，向步骤1中的铁水中加入孕育剂和球化剂，得到熔融态液体；孕育剂的添加量为铁水质量的1.1％；球化剂的添加量为铁水质量的1.0％；
步骤3，将步骤2的熔融态液体浇注入预热的水平连铸炉的炉膛，通过引晶杆向上进式提拉，随后冷却，获得垂直提拉铸件；
步骤4，将步骤3获得的垂直提拉铸件放入马弗炉保温，随后取出在不大于20s时间内迅速淬入盐浴中并保温，得到自润滑-自硬化铁基轴承材料。
马弗炉保温的参数为：温度为1000℃，时间1.5h；
盐浴参数为：盐浴温度200℃、盐浴保温时间5h。
实施例2
步骤1，将预设物料在感应炉中熔化，得到铁水；
按照质量分数，预设物料由以下组分组成：C、3.2％，Si、3.0％，Mn、0.1％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr≤0.6％，Cu≤0.8％，Ni≤1.0％，其他合金元素≤1.0％，余量为Fe，上述各组分的质量百分比之和为100％，预设物料的碳当量保持在4.3wt.％；
步骤2，向步骤1中的铁水中加入孕育剂和球化剂，得到熔融态液体；孕育剂的添加量为铁水质量的1.2％；球化剂的添加量为铁水质量的1.3％；
步骤3，将步骤2的熔融态液体浇注入预热的水平连铸炉的炉膛，通过引晶杆向上进式提拉，随后冷却，获得垂直提拉铸件；
步骤4，将步骤3获得的垂直提拉铸件放入马弗炉保温，随后取出在不大于20s时间内迅速淬入盐浴中并保温，得到自润滑-自硬化铁基轴承材料。
马弗炉保温的参数为：温度为1000℃，时间1h；
盐浴参数为：盐浴温度300℃、盐浴保温时间3h。
实施例3
步骤1，将预设物料在感应炉中熔化，得到铁水；
按照质量分数，预设物料由以下组分组成：C、3.2％，Si、3.0％，Mn、0.1％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr≤0.6％，Cu≤0.8％，Ni≤1.0％，其他合金元素≤1.0％，余量为Fe，上述各组分的质量百分比之和为100％，预设物料的碳当量保持在4.3wt.％；
步骤2，向步骤1中的铁水中加入孕育剂和球化剂，得到熔融态液体；孕育剂的添加量为铁水质量的1.3％；球化剂的添加量为铁水质量的1.5％；
步骤3，将步骤2的熔融态液体浇注入预热的水平连铸炉的炉膛，通过引晶杆向上进式提拉，随后冷却，获得垂直提拉铸件；
步骤4，将步骤3获得的垂直提拉铸件放入马弗炉保温，随后取出在不大于20s时间内迅速淬入盐浴中并保温，得到自润滑-自硬化铁基轴承材料。
马弗炉保温的参数为：温度为900℃，时间2h；
盐浴参数为：盐浴温度200℃、盐浴保温时间4h。
实施例4
步骤1，将预设物料在感应炉中熔化，得到铁水；
按照质量分数，预设物料由以下组分组成：C、3.2％，Si、3.0％，Mn、0.1％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr≤0.6％，Cu≤0.8％，Ni≤1.0％，其他合金元素≤1.0％，余量为Fe，上述各组分的质量百分比之和为100％，预设物料的碳当量保持在4.3wt.％；
步骤2，向步骤1中的铁水中加入孕育剂和球化剂，得到熔融态液体；孕育剂的添加量为铁水质量的1.4％；球化剂的添加量为铁水质量的1.6％；
步骤3，将步骤2的熔融态液体浇注入预热的水平连铸炉的炉膛，通过引晶杆向上进式提拉，随后冷却，获得垂直提拉铸件；
步骤4，将步骤3获得的垂直提拉铸件放入马弗炉保温，随后取出在不大于20s时间内迅速淬入盐浴中并保温，得到自润滑-自硬化铁基轴承材料。
马弗炉保温的参数为：温度为1100℃，时间1h；
盐浴参数为：盐浴温度300℃、盐浴保温时间3h。
实施例5
步骤1，将预设物料在感应炉中熔化，得到铁水；
按照质量分数，预设物料由以下组分组成：C、3.2％，Si、3.0％，Mn、0.1％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr≤0.6％，Cu≤0.8％，Ni≤1.0％，其他合金元素≤1.0％，余量为Fe，上述各组分的质量百分比之和为100％，预设物料的碳当量保持在4.3wt.％；
步骤2，向步骤1中的铁水中加入孕育剂和球化剂，得到熔融态液体；孕育剂的添加量为铁水质量的1.5％；球化剂的添加量为铁水质量的1.8％；
步骤3，将步骤2的熔融态液体浇注入预热的水平连铸炉的炉膛，通过引晶杆向上进式提拉，随后冷却，获得垂直提拉铸件；
步骤4，将步骤3获得的垂直提拉铸件放入马弗炉保温，随后取出在不大于20s时间内迅速淬入盐浴中并保温，得到自润滑-自硬化铁基轴承材料。
马弗炉保温的参数为：温度为950℃，时间2h；
盐浴参数为：盐浴温度350℃、盐浴保温时间2h。
如图1所示，为实施例5获得的自润滑-自硬化铁基轴承材料的显微组织图，从图1中可知，制备的材料由高细密的球墨及纳米α相和高碳γ相组成；如图2所示，可以得到在1500g接触应力作用1h后所得到的表面硬度变化，从曲线可以看出，表面相比于基体硬度提高不低于150HV。
由上可知，本发明制备方法规避了高碳铬轴承钢的锻造和复杂的热处理工序、渗碳轴承钢的表面渗碳工序，显著降低材料的制造成本；制备的材料具有高强度、自润滑性且耐磨性显著提高。
Claims (10)
1.一种自润滑-自硬化铁基轴承材料，其特征在于，按照质量分数，由以下组分组成：C、3.2％-3.9％，Si、1.8％-2.8％，Mn、0.1％-0.2％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr≤0.6％，Cu≤0.8％，Ni≤1.0％，其他合金元素≤1.0％，余量为Fe，上述各组分的质量百分比之和为100％；所述铁基轴承材料中碳当量为4.3wt.％。
2.根据权利要求1所述的一种自润滑-自硬化铁基轴承材料，其特征在于，所述铁基轴承材料强度不低于GCr15轴承钢的强度。
3.根据权利要求1所述的一种自润滑-自硬化铁基轴承材料，其特征在于，所述铁基轴承材料的球墨密度不低于300/mm2。
4.如权利要求1-3任一所述的一种自润滑-自硬化铁基轴承材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将预设物料在感应炉中熔化，得到铁水；
按照质量分数，所述预设物料由以下组分组成：C、3.2％-3.9％，Si、1.8％-3.0％，Mn、0.1％-0.2％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr≤0.6％，Cu≤0.8％，Ni≤1.0％，其他合金元素≤1.0％，余量为Fe，上述各组分的质量百分比之和为100％，所述预设物料的碳当量保持在4.3wt.％；
步骤2，向步骤1中的铁水中加入孕育剂和球化剂，得到熔融态液体；
步骤3，将步骤2的熔融态液体浇注入预热的水平连铸炉的炉膛，通过引晶杆向上进式提拉，随后冷却，获得垂直提拉铸件；
步骤4，将步骤3得到的垂直提拉铸件放入马弗炉保温，随后取出迅速淬入盐浴中并保温，得到自润滑-自硬化铁基轴承材料。
5.根据权利要求4所述的一种自润滑-自硬化铁基轴承材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述孕育剂的添加量为步骤1中铁水质量的1.1％-1.5％；所述球化剂的添加量为步骤1中铁水质量的1.0％-1.8％。
6.根据权利要求4所述的一种自润滑-自硬化铁基轴承材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中冷却的速率以保证凝固过程在伪共晶区进行、能得到且球墨密度不低于300/mm2的铸锭。
7.根据权利要求4所述的一种自润滑-自硬化铁基轴承材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中马弗炉保温的参数为：温度为900℃-1100℃，时间1h-2h。
8.根据权利要求4所述的一种自润滑-自硬化铁基轴承材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中盐浴参数为：盐浴温度200℃-400℃、盐浴保温时间1h-5h。
9.根据权利要求4所述的一种自润滑-自硬化铁基轴承材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中从马弗炉到盐浴的时间不大于20s。
10.根据权利要求4所述的一种自润滑-自硬化铁基轴承材料的制备方法，其特征在于，步骤5中所述铁基轴承材料强度不低于GCr15轴承钢的强度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200421 |