CN111139427B - 铁基烧结硫蒸材料、轴套及其制备方法 - Google Patents

铁基烧结硫蒸材料、轴套及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种铁基烧结硫蒸材料，其材料成分包括Fe、Cu、S，材料表面的显微组织存在有Cu2S，所述的Cu2S的量从材料表层向内部逐渐减小。同时还提供烧结硫蒸材料的制备方法，将原料，经过混料、压制、烧结得烧结材料，再将烧结材料置于高于硫磺熔点的温度中，保温，使硫磺蒸汽进入烧结材料的孔隙中，即得到烧结硫蒸材料。在硫蒸工序中，硫磺蒸汽进入烧结材料的孔隙中，并与孔隙周边的Cu发生反应，生成Cu2S。而Cu2S为减摩组元，可以改善烧结材料的减摩效果，降低摩擦因数。

Description

铁基烧结硫蒸材料、轴套及其制备方法
技术领域
本发明属于粉末冶金烧结材料领域，尤其是涉及铁基烧结硫蒸材料、轴套及其制备方法。
背景技术
粉末冶金工艺作为常见的金属成型方式，具有材料利用率高、可批量模压成形、生产效率高等特点，其产品已经在机械、航空等领域中得到了广泛应用。其中在粉末冶金材料中用量最大、用途最广的是铁基材料。铁基粉末冶金材料的强度和硬度高、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，在一些对摩擦性能要求较高的场合，需要降低铁基粉末冶金材料的摩擦因数，达到减摩效果。如本申请人申请的申请号为201911055196.3的中国专利文献，其公开了一种铁基烧结硫化材料及其制备方法，其通过涂覆方式将硫磺涂覆到烧结材料的表面，然后置于高于硫磺熔点的温度中保温处理。该硫化方法一般适用于摩擦面为平面的产品，如铁基侧板、配油盘。其对于摩擦面为异形面、曲面、圆弧面等，通过喷涂、雾化、筛分等涂覆方式，很难进行均匀的硫化，从而导致减摩效果不理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种铁基烧结硫蒸材料、轴套及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种铁基烧结硫蒸材料，该材料中化学成分包括Fe、Cu、S，其材料表层的显微组织中存在有Cu2S，所述的Cu2S的量从材料表层向内部逐渐减小。
进一步方案，该材料中化学成分Cu的质量百分含量为5-30％。
进一步方案，所述的Cu2S分布于该材料显微组织的孔隙中。
进一步方案，该材料的显微组织还存在Cu相，显微组织的孔隙中还包括S相。
优选的，该材料的显微组织还包括铁素体、奥氏体、珠光体、马氏体、石墨中的一种或几种。
优选的，该材料的化学成分还包括C、Mo、Ni。
本发明的第二个发明目的是提供上述铁基烧结硫蒸材料的制备方法，其包括以下步骤，
(1)制备烧结材料：将原料，经过混料、压制、烧结，制备得烧结材料；
(2)硫蒸工序：将硫磺和烧结材料置于高于硫磺熔点温度的环境中，固态硫磺或/和固态硫磺熔化后形成的液态硫磺不直接与烧结材料接触；硫磺蒸发或/和挥发形成的硫磺蒸汽进入烧结材料的孔隙中即得到硫蒸材料。
进一步方案，所述的硫蒸工序还可以为：将烧结材料置于高于硫磺熔点温度的环境中，然后充入硫磺蒸汽。
进一步方案，所述高于硫磺熔点的温度为118℃-160℃，保温时间为5-200min。
硫蒸工序时，烧结材料吸收硫磺的量为0.2-30g/m2。
本发明所述的硫蒸工序，也适用于铁基侧板、配油盘等摩擦面为平面的产品。
为了防止硫蒸气污染环境和对操作人员健康的影响，硫蒸工序需在独立空间内进行，所述的独立空间为封闭空间，如烘箱、箱式炉；或者气体扩散小的空间，如网带炉。
所述的网带炉，在其中部放置有硫磺，烧结材料由网带炉的一端进，经过中部，从另一端出，对网带炉中部进行加热，使硫磺熔化，形成硫磺蒸汽，并控制网带炉两端的温度不高于80℃。
本发明的第三个发明目的是提供一种轴套，所述轴套使用上述铁基烧结硫蒸材料制成的。
上述轴套的制备方法，包括铁基烧结硫蒸材料的制备，所述铁基烧结硫蒸材料包括制备烧结材料、硫蒸工序，所述硫蒸工序是将硫磺和烧结材料置于高于硫磺熔点温度的独立环境中，固态硫磺或/和固态硫磺熔化后形成的液态硫磺不直接与烧结材料接触；硫磺蒸发或/和挥发形成的硫磺蒸汽进入烧结材料的孔隙中即得到硫蒸材料。
然后由烧结硫蒸材料经过已知的浸油工序和整形工序得到轴套。
本申请与申请号为201911055196.3的中国专利文献相比，对于摩擦面为平面的侧板等产品，可以使用硫蒸工序代替涂敷工序和硫化工序，从而减少工序，节约生产成本。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
烧结材料基体中含有Cu，烧结材料存在着孔隙，硫磺蒸汽进入到烧结材料的孔隙，能够与孔隙周边的Cu发生反应，生成Cu2S。而Cu2S为减摩组元，可以改善烧结材料的减摩效果，降低摩擦因数。
在本发明所述的硫蒸工序条件下，硫磺不会与Fe、Ni、Mo成分发生反应，即也不能形成疏松或层状的组织，不会降低材料的强度和硬度；硫磺与Cu发生反应，生成Cu2S，存在于烧结材料的孔隙中，而未进行反应的硫磺，也存在于烧结材料的孔隙中。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
称料：按重量比称取还原铁粉100份、铜粉10份、石墨0.5份，硬脂酸锌0.6份、锭子油0.05份；
混料：使用双锥混料机，混合均匀；
压制：压制密度为6.6g/cm3的轴套试样；
烧结：在1110℃烧结30min；制备得烧结材料；
硫蒸：将烧结材料和硫磺分开置于温度为118℃的独立环境中，两者不直接接触，保温100min，使硫磺蒸汽进入烧结材料的孔隙中，即得到硫蒸材料，烧结材料吸收硫磺的量为10g/m2。
实施例2
与实施例1不同的是：
硫蒸：将烧结材料和硫磺置于130℃温度中，保温30min，使硫磺蒸汽进入烧结材料的孔隙中，即得到硫蒸材料，烧结材料吸收硫磺的量为5g/m2。
实施例3
称料：按重量比称取还原铁粉100份、铜粉12份、石墨0.7份，硬脂酸锌0.5份、锭子油0.07份；
混料：使用双锥混料机，混合均匀；
压制：压制密度6.8g/cm3的轴套试样；
烧结：在1080℃烧结40min；制备得烧结材料；
硫蒸：将烧结材料和硫磺置于160℃温度中的独立环境中，两者不直接接触，保温5min，使硫磺蒸汽进入烧结材料的孔隙中，即得到硫蒸材料，烧结材料吸收硫磺的量为30g/m2。
实施例4
称料：按重量比称取还原铁粉100份、钼0.5份、镍2份、铜粉13份、石墨0.6份，硬脂酸锌0.6份、锭子油0.05份；
混料：使用双锥混料机，混合均匀；
压制：压制密度6.4g/cm3的轴套试样；
烧结：在1100℃烧结35min；制备得烧结材料；
硫蒸：将烧结材料和硫磺置于140℃温度中的独立环境中，两者不直接接触，保温50min，使硫磺蒸汽进入烧结材料的孔隙中，即得到硫蒸材料，烧结材料吸收硫磺的量为0.2g/m2。
制样：将硫蒸材料制作为试验样块。
对比例1
与实施例1不同的是，没有硫蒸工序。
对比例2
与实施例2不同的是，没有硫蒸工序。
对比例3
与实施例3不同的是，没有硫蒸工序。
对比例4
与实施例4不同的是，没有硫蒸工序。
对比例5
称料：按重量比称取还原铁粉100份、铜粉10份、石墨0.7份，硬脂酸锌0.6份、锭子油0.05份；硫磺粉0.024份；
混料：使用双锥混料机，混合均匀；
压制：压制密度为6.6g/cm3的轴套试样；
烧结：在1100℃烧结30min；制备得烧结材料；
制样：将实施例1-4和对比例1-5所制备的材料经浸油工序和整形工序得到轴套作为试验样块。
以实施例2为例，说明硫蒸工序和硫磺的量。硫蒸时间太短，在10分钟以内，材料表面颜色为烧结色泽，不会出现变色，在20-50分钟，色泽变暗，和申请号为201911055196.3的专利文献中的硫化色泽相似；硫蒸时间过长，如达到300min，轴套表面会出现黑色灰状的物质Cu2S。
铜的密度按照8.96g/cm3，固态硫磺的密度按照2.36g/cm3，Cu2S的密度按照5.65g/cm3，硫磺蒸汽进去孔隙中与铜反应，即2Cu[17.92g(2cm3)]+S[2.36g(1cm3)]＝Cu2S(20.28g)的Cu2S，即生成3.59cm3的Cu2S。反应后体积会增加，反应时间越长，生成的Cu2S的量越多，硫化亚铜就会从孔隙内部往外溢出，在材料表面会出现黑色灰状的物质Cu2S。
轴套的外直径为65mm，内直径为49.3mm，高度为35mm，烧结后的干密度为6.58g/cm2，轴套重量为324.6g，硫蒸面为轴套在内圆面(5420.81mm2)、外圆面(7147.12mm2)、上端面(1409.40mm2)，总的表面积为13977.33mm2，烧结材料吸收硫磺的量为5g/m2，即为69.9mg。
表1实施例/对比例的摩擦因数
Figure BDA0002366894410000051
本申请中摩擦因数的测试方式为：参考标准GB/T12444-2006《金属材料磨损试验方法试环-试块滑动磨损试验》，采用圆环试样和试块试验进行测试，圆环试样符合GB/T12444-2006的要求，试块试样带有圆弧面，圆弧面直径为49.3±0.01mm，圆弧面的弦高为0.5±0.01mm，摩擦面为圆环外圆周面和试块圆弧面，加载力为20Kg，转速为400r/min，滴油润滑，滴油量每分钟3-5滴。由于摩擦磨损试验一般分散性较大，本申请同一组别的实施例/对比例，做6次重复试验，试验结果取平均值，保留三位有效数字。每次试验时长102min，从10min开始记录数值，分别每隔10min记录一次。从表1中可得出，本申请制备的烧结硫蒸材料因增加了硫蒸工序，从而能显著改善烧结材料的减摩效果，降低其摩擦因数。
硬度检测的为烧结材料(对比例)和烧结硫蒸材料(实施例)的硬度检测标准为GBT9097.1-2002《烧结金属材料(不包括硬质合金)表观硬度的测定第一部分：截面硬度基本均匀的材料》，检测6点，计算平均值，对比例和实施例相差较小。说明本发明中硫蒸工序不影响烧结材料的硬度。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对实施案例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施案例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铁基烧结硫蒸材料，其特征在于：该材料中化学成分包括Fe、Cu、S，其材料表层的显微组织中存在有Cu2S，所述的Cu2S的量从材料表层向内部逐渐减小；
其制备方法包括以下步骤：
(1)制备烧结材料：将原料，经过混料、压制、烧结，制备得烧结材料；
(2)硫蒸工序：将硫磺和烧结材料置于高于硫磺熔点温度的环境中，固态硫磺或/和固态硫磺熔化后形成的液态硫磺不直接与烧结材料接触；硫磺蒸发或/和挥发形成的硫磺蒸汽进入烧结材料的孔隙中即得到硫蒸材料。
2.根据权利要求1所述的铁基烧结硫蒸材料，其特征在于：该材料中化学成分Cu的质量百分含量为5-30％。
3.根据权利要求1所述的铁基烧结硫蒸材料，其特征在于：所述的Cu2S分布于该材料显微组织的孔隙中。
4.根据权利要求1所述的铁基烧结硫蒸材料，其特征在于：该材料的显微组织还存在Cu相，显微组织的孔隙中还包括S相。
5.根据权利要求1所述的铁基烧结硫蒸材料，其特征在于：所述的硫蒸工序还可以为：将烧结材料置于高于硫磺熔点温度的环境中，然后充入硫磺蒸汽。
6.根据权利要求1所述的铁基烧结硫蒸材料，其特征在于：所述高于硫磺熔点的温度为118℃-160℃，保温时间为5-200min。
7.根据权利要求1所述的铁基烧结硫蒸材料，其特征在于：所述烧结材料吸收硫磺的量为0.2-30g/m2。
8.一种轴套，其特征在于：所述轴套使用如权利要求1-7之一的铁基烧结硫蒸材料制成的。
9.如权利要求8所述轴套的制备方法，其特征在于：包括铁基烧结硫蒸材料的制备，所述铁基烧结硫蒸材料包括制备烧结材料、硫蒸工序，所述硫蒸工序是将硫磺和烧结材料置于高于硫磺熔点温度的独立环境中，固态硫磺或/和固态硫磺熔化后形成的液态硫磺不直接与烧结材料接触；硫磺蒸发或/和挥发形成的硫磺蒸汽进入烧结材料的孔隙中即得到硫蒸材料。
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