CN116770163A - 低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料及其制备方法 - Google Patents

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CN116770163A CN202310782133.8A CN202310782133A CN116770163A CN 116770163 A CN116770163 A CN 116770163A CN 202310782133 A CN202310782133 A CN 202310782133A CN 116770163 A CN116770163 A CN 116770163A
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Abstract

本发明公开了低摩擦系数双相铁‑球墨系金属材料，按质量百分比包括以下组分:C：3.5％～3.8％、Si：2.3％～2.8％、Mn：≤0.6％、S：≤0.02％、Mg：0.02％～0.04％、Re：0.02％～0.04％，余量为Fe；以上各原料含量的总和为100％。本发明低摩擦系数双相铁‑球墨系金属材料制备方法，其特征在于，选择取材部位，采用热处理工艺，选择热处理工艺参数，获得最佳比例及分布的铁素体和马氏体两相组织；通过将水平连铸型材取材位置选取与后续热处理调控基体组织结合的手段，充分发挥了铁‑球墨系金属中石墨球在摩擦磨损过程中的自润滑作用，解决了现有技术中存在的摩擦系数高，服役寿命短的问题。

Description

低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料及其制备方法
技术领域
本发明属于油气田压裂装备技术领域，具体涉及低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料，还涉及上述低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法。
背景技术
随着机械制造业的快速发展，精密传动零部件在机械装备上的使用数量越来越多，其精度要求也越来越高、服役装配间隙要求越来越小，传统的油脂润已经难以满足其服役条件，发展固体自润滑材料迫切需求。现有固体自润滑材料种类虽多，例如二硫化钼、二硫化钨、聚四氟乙烯等，但能单独作为结构件材料使用并满足其力学性能服役要求的唯铁-球墨系金属材料。
铁-球墨系金属可视为一类特殊的复合材料，由类似于钢的基体组织和球状石墨两部分组成。由于石墨呈球形分布于基体组织中，因此极大消减了石墨对基体的割裂作用。在此基础之上，通过适当热处理调性，铁-球墨系金属力学性能可与铸钢相媲美。另外，由于基体中石墨的存在，赋予了铁-球墨系金属自润滑性能。
目前，等温淬态铁-球墨系金属应用非常广泛。铁-石墨系金属经等温淬火热处理后可获得以球状石墨分布于高碳残余奥氏体及针状铁素体为基体的复合组织，其具备一定的强韧性及耐磨性，因此可被广泛应用于制作轴套、齿轮及曲轴等耐磨传动结构件。但在实际使用过程中发现，等温淬火态传动件在保证高耐磨性能的前提下，组织硬度整体偏高，摩擦磨损过程中石墨在摩擦副表面沿面铺展并形成连续的润滑膜层受限，导致摩擦系数较高，并且在服役过程中产生了摩擦力较大，造成传动系产生统剧烈的震动及严重的磨损，大大降低了传动件的服役寿命。
发明内容
本发明的目的一个是提供低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料，解决了现有技术中存在的摩擦系数高，服役寿命短的问题。
本发明的目的另一个是提供低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法。
本发明所采用的一种技术方案是，低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料，按质量百分比包括以下组分:C：3.5％～3.8％、Si：2.3％～2.8％、Mn：≤0.6％、S：≤0.02％、Mg：0.02％～0.04％、Re：0.02％～0.04％，余量为Fe；以上各原料含量的总和为100％。
本发明所采用的另一种技术方案是，
低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法，选择取材部位，采用热处理工艺，选择热处理工艺参数，获得最佳比例及分布的铁素体和马氏体两相组织。
本发明的特点还在于，
低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、称取预设成分物料置于中频感应炉中并熔炼为铁水；
步骤2、将步骤1熔炼好的铁水倒入提前加入球化剂和孕育剂的浇包中，将所得液体注入提前预热的水平连铸炉膛内，按照水平连铸工艺方法，冷却凝固，获得Φ180mm的圆柱形水平连铸型材；
步骤3、选取球墨密度高的部位取材；
步骤4、将所取材料进行奥氏体化，铁素体沿奥氏体和球墨界面析出，获得铁素体和马氏体两相组成的基体组织，即低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料。
步骤1中预设成分为C：3.5％～3.8％、Si：2.3％～2.8％、Mn：≤0.6％、S：≤0.02％、P：≤0.02％、Mg：0.02％～0.04％、Re：0.02％～0.04％，余量为Fe；以上各原料含量的总和为100％。
步骤1中材料预设成分总碳当量保持在4.3wt.％。
步骤2中对石墨进行球化和孕育，球化剂为步骤1得到的熔融态硅铁金属液质量的1.0％～1.5％，孕育剂为步骤1得到的熔融态稀土镁金属液质量的1.1％～2.0％；
步骤3中对步骤2所获得的圆柱状铸态水平连铸型材从心部到边缘石墨密度进行表征，并选取石墨密度最高的部位取材，球墨密度不低于300/mm2。
步骤4中将步骤3所取材料在马弗炉中进行奥氏体化，奥氏体化温度为900℃，保温时间为90min；然后随炉冷却至两相区α+γ进行保温，双相区α+γ温度范围：770-850℃，保温时间选为180min，使得铁素体沿奥氏体和球墨界面充分析出，两相区保温结束后直接进行室温油淬，获得由适当例及分布的铁素体和马氏体两相组成的基体组织。
步骤4中双相区保温温度优选为800℃。
本发明的有益效果是：本发明还存在以下优点：
1)由于本发明取材部位选择为圆柱形水平连铸型材的边缘部位，因此保证了铸态所用铁-球墨系金属材料中球墨密度高(不低于300/mm2)，这为后续摩擦磨损过程中续连石墨润滑膜的形成奠基了基础。
(2)由于本发明在两相区保温时，铁素体优先沿球墨和奥氏体界面析出，因此双相区保温油淬后，可获得球墨周围分布软相铁素体及球墨间分布硬相马氏体的独特组织；
(3)由于本发明步骤4选取了合适的热处理工艺参数，获得了适当比例(50％铁素体+50％马氏体)及分布的双相铁-球墨系金属组织。其中，软相铁素体沿球墨周围分布，摩擦磨损过程中球墨易被拖出并形成连续石墨润滑膜，起到大幅降低摩擦系数的效果，而球墨间分布有硬相马氏体，提供材料一定的耐磨性。
附图说明
图1是本发明实施例1中铁-球墨系金属的铸态组织SEM图；
图2是本发明实施例1中所制备低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料SEM图；
图3是本发明实施例1中摩擦磨损表面激光共聚焦图；
图4是本发明实施例1中所制备的低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料在不同载荷下与传统铁-球墨系金属摩擦系数对比图。
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。
本发明低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料，按质量百分比包括以下组分:C：3.5％～3.8％、Si：2.3％～2.8％、Mn：≤0.6％、S：≤0.02％、Mg：0.02％～0.04％、Re：0.02％～0.04％，余量为Fe；以上各原料含量的总和为100％；
本发明低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法，选择取材部位，采用热处理工艺，选择热处理工艺参数，获得最佳比例及分布的铁素体和马氏体两相组织，具体按照以下步骤实施：
步骤1、称取预设成分物料置于中频感应炉中并熔炼为铁水；
预设成分为C：3.5％～3.8％、Si：2.3％～2.8％、Mn：≤0.6％、S：≤0.02％、P：≤0.02％、Mg：0.02％～0.04％、Re：0.02％～0.04％，余量为Fe；以上各原料含量的总和为100％；材料预设成分总碳当量保持在4.3wt.％。
步骤2、将步骤1熔炼好的铁水倒入提前加入球化剂和孕育剂的浇包中，将所得液体注入提前预热的水平连铸炉膛内，按照水平连铸工艺方法，冷却凝固，获得Φ180mm的圆柱形水平连铸型材；
对石墨进行球化和孕育，球化剂为步骤1得到的熔融态硅铁金属液质量的1.0％～1.5％，孕育剂为步骤1得到的熔融态稀土镁金属液质量的1.1％～2.0％；
步骤3、选取球墨密度高的部位取材；
对步骤2所获得的圆柱状铸态水平连铸型材从心部到边缘石墨密度进行表征，并选取石墨密度最高的部位取材，球墨密度不低于300/mm2；
步骤4、将所取材料进行奥氏体化，铁素体沿奥氏体和球墨界面析出，获得铁素体和马氏体两相组成的基体组织，即低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料。
将步骤3所取材料在马弗炉中进行奥氏体化，奥氏体化温度为900℃，保温时间为90min；然后随炉冷却至两相区温度(α+γ)进行保温，双相区α+γ温度范围：770-850℃，保温时间选为180min，使得铁素体沿奥氏体和球墨界面充分析出，两相区保温结束后直接进行室温油淬，获得由适当例及分布的铁素体和马氏体两相组成的基体组织；
双相区保温温度优选为800℃。
本发明低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法，铁-球墨系金属摩擦系数主要由两因素决定，一方面取决于组织中石墨球的密度，这是保证摩擦磨损过程中形成连续性石墨膜的基础；另一方面则决定于基体组织状态和分布，其决定了摩擦磨损过程中石墨润滑膜形成的难易程度。因此想要获得低摩擦系数铁-球墨系金属，需在一定球墨密度的基础之上，调控并获得合适基体组织与之匹配，使其在摩擦磨损过程中能够保证连续石墨润滑膜的形成，从而最大程度发挥铁-球墨系金属中石墨的自润滑作用，降低传动件服役过程中的摩擦系数。
实施例1
本发明低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法，具体按照以下步骤实施:
步骤1、按照质量百分比称取以下原料：C：3.5％、Si：2.3％、Mn：0.3％、S：≤0.02％、P：≤0.02％、Mg：0.02％～0.04％、Re：0.02％～0.04％，余量为Fe，并且原料含量的总和为100％的物料放入感应中频感应炉中并熔炼为铁水。
步骤2、按照水平连铸工艺方法，将步骤1中熔炼好的铁水倒入提前加入为铁水质量1.0％的75#硅铁球化剂和为铁水质量1.2％稀土镁孕育剂的浇包中，对石墨进行球化和孕育，并将所得液体注入提前预热的水平连铸炉膛内，冷却凝固，铸态形貌如图1所示，获得Φ180mm的圆柱形水平连铸型材；
步骤3、对所获得的圆柱状铸态水平连铸型材从心部到边缘石墨密度进行表征，并选取石墨密度最高的部位取材，保证所取铸态球铁材料球墨密度不低于300/mm2；
步骤4、将所取材料在马弗炉中900℃加热并保温90min进行奥氏体化，然后随炉冷却至两相区温度780℃保温60min，使得铁素体沿奥氏体和球墨界面充分析出，两相区保温结束后直接进行室温油淬，如图2所示，获得由适当例及分布的铁素体和马氏体两相组成的基体组织；
步骤5、获得双相基体组织铁-球墨系金属，对双相铁-球墨系金属摩擦系数进行测量，如图3所示，本发明的铁-球墨系金属摩擦系数总体低于传统材料摩擦系数；对磨损表面石墨润滑膜进行表征，如图4所示，表面平滑。
实施例2
本发明低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法，具体按照以下步骤实施:
步骤1、按照质量百分比称取以下原料：C：3.2％、Si：2.4％、Mn：0.4％、S：≤0.02％、P:≤0.02％、Mg：0.02％～0.04％、Re：0.02％～0.04％，余量为Fe,并且原料含量的总和为100％的物料放入感应中频感应炉中并熔炼为铁水。
步骤2、按照水平连铸工艺方法，将步骤1中熔炼好的铁水倒入提前加入为铁水质量1.2％的75#硅铁球化剂和为铁水质量1.3％稀土镁孕育剂的浇包中，对石墨进行球化和孕育，并将所得液体注入提前预热的水平连铸炉膛内，冷却凝固，获得Φ180mm的圆柱形水平连铸型材，；
步骤3、对所获得的圆柱状铸态水平连铸型材从心部到边缘石墨密度进行表征，并选取石墨密度最高的部位取材，保证所取铸态球铁材料球墨密度不低于300/mm2；
步骤4、将所取材料在马弗炉中900℃加热并保温90min进行奥氏体化，然后随炉冷却至两相区温度800℃保温60min，使得铁素体沿奥氏体和球墨界面充分析出，两相区保温结束后直接进行室温油淬，获得由最佳例及分布的铁素体和马氏体两相组成的基体组织；
步骤5、获得双相基体组织铁-球墨系金属，对双相铁-球墨系金属摩擦系数进行测量，对磨损表面石墨润滑膜进行表征。
实施例3
本发明低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法，具体按照以下步骤实施:
步骤1、按照质量百分比称取以下原料：C：3.4％、Si：2.6％、Mn：0.3％、S：≤0.02％、P:≤0.02％、Mg：0.02％～0.04％、Re：0.02％～0.04％，余量为Fe,并且原料含量的总和为100％的物料放入感应中频感应炉中并熔炼为铁水。
步骤2、按照水平连铸工艺方法，将步骤1中熔炼好的铁水倒入提前加入为铁水质量1.3％的75#硅铁球化剂和为铁水质量1.5％稀土镁孕育剂的浇包中，对石墨进行球化和孕育，并将所得液体注入提前预热的水平连铸炉膛内，冷却凝固，获得Φ180mm的圆柱形水平连铸型材；
步骤3、对所获得的圆柱状铸态水平连铸型材从心部到边缘石墨密度进行表征，并选取石墨密度最高的部位取材，保证所取铸态球铁材料球墨密度不低于300/mm2；
步骤4、将所取材料在马弗炉中900℃加热并保温90min进行奥氏体化，然后随炉冷却至两相区温度800℃保温180min，使得铁素体沿奥氏体和球墨界面充分析出，两相区保温结束后直接进行室温油淬，获得适当比例及分布的铁素体和马氏体两相基体组织；
步骤5、获得双相基体组织铁-球墨系金属，对双相铁-球墨系金属摩擦系数进行测量，对磨损表面石墨润滑膜进行表征。
实施例4
本发明低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法，具体按照以下步骤实施:
步骤1、按照质量百分比称取以下原料：C：3.3％、Si：2.5％、Mn：0.5％、S：≤0.02％、P:≤0.02％、Mg：0.02％～0.04％、Re：0.02％～0.04％，余量为Fe,并且原料含量的总和为100％的物料放入感应中频感应炉中并熔炼为铁水。
步骤2、按照水平连铸工艺方法，将步骤1中熔炼好的铁水倒入提前加入为铁水质量1.3％的75#硅铁球化剂和为铁水质量1.4％稀土镁孕育剂的浇包中，对石墨进行球化和孕育，并将所得液体注入提前预热的水平连铸炉膛内，冷却凝固，获得Φ180mm的圆柱形水平连铸型材；
步骤3、对所获得的圆柱状铸态水平连铸型材从心部到边缘石墨密度进行表征，并选取石墨密度最高的部位取材，保证所取铸态球铁材料球墨密度不低于300/mm2；
步骤4、将所取材料在马弗炉中900℃加热并保温90min进行奥氏体化，然后随炉冷却至两相区温度805℃保温30min，使得铁素体沿奥氏体和球墨界面充分析出，两相区保温结束后直接进行室温油淬，获得由适当例及分布的铁素体和马氏体两相组成的基体组织；
步骤5、获得双相基体组织铁-球墨系金属，对双相铁-球墨系金属摩擦系数进行测量，对磨损表面石墨润滑膜进行表征。
实施例5
本发明低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法，具体按照以下步骤实施:
步骤1、按照质量百分比称取以下原料：C：3.5％、Si：2.4％、Mn：0.4％、S：≤0.02％、P:≤0.02％、Mg：0.02％～0.04％、Re：0.02％～0.04％，余量为Fe,并且原料含量的总和为100％的物料放入感应中频感应炉中并熔炼为铁水。
步骤2、按照水平连铸工艺方法，将步骤1中熔炼好的铁水倒入提前加入为铁水质量1.4％的75#硅铁球化剂和为铁水质量1.6％稀土镁孕育剂的浇包中，对石墨进行球化和孕育，并将所得液体注入提前预热的水平连铸炉膛内，冷却凝固，获得Φ180mm的圆柱形水平连铸型材；
步骤3、对所获得的圆柱状铸态水平连铸型材从心部到边缘石墨密度进行表征，并选取石墨密度最高的部位取材，保证所取铸态球铁材料球墨密度不低于300/mm2；
步骤4、将所取材料在马弗炉中900℃加热并保温90min进行奥氏体化，然后随炉冷却至两相区温度820℃保温30min，使得铁素体沿奥氏体和球墨界面充分析出，两相区保温结束后直接进行室温油淬，获得由适当例及分布的铁素体和马氏体两相组成的基体组织；
步骤5、获得双相基体组织铁-球墨系金属，对双相铁-球墨系金属摩擦系数进行测量，对磨损表面石墨润滑膜进行表征。
本发明低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法，通过合适的热处理工艺及调整热处理工艺参数，在球铁中引入了铁素体/马氏体双相基体组织，该组织中两相分布比较特殊，软相铁素体沿球墨周围分布，硬相马氏体则主要分布于石墨球之间。摩擦磨损过程中，在摩擦力作用下，石墨球容易从软相铁素体中被拖出并在磨损表面形成石墨润滑膜，从而充分的发挥了铁-球墨系金属中石墨的自润滑作用，而球墨间分布的马氏体，则起到了耐磨作用，最终制备出了一种摩擦系数极低的铁-球墨系金属，这也为铁-球墨系金属在自润滑件方面应用提供了实际指导。

Claims (9)

1.低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料，其特征在于，按质量百分比包括以下组分:C：3.5％～3.8％、Si：2.3％～2.8％、Mn：≤0.6％、S：≤0.02％、Mg：0.02％～0.04％、Re：0.02％～0.04％，余量为Fe；以上各原料含量的总和为100％。
2.低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法，其特征在于，选择取材部位，采用热处理工艺，选择热处理工艺参数，获得最佳比例及分布的铁素体和马氏体两相组织。
3.根据权利要求2所述的低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、称取预设成分物料置于中频感应炉中并熔炼为铁水；
步骤2、将步骤1熔炼好的铁水倒入提前加入球化剂和孕育剂的浇包中，将所得液体注入提前预热的水平连铸炉膛内，按照水平连铸工艺方法，冷却凝固，获得Φ180mm的圆柱形水平连铸型材；
步骤3、选取球墨密度高的部位取材；
步骤4、将所取材料进行奥氏体化，铁素体沿奥氏体和球墨界面析出，获得铁素体和马氏体两相组成的基体组织，即低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料。
4.根据权利要求3所述的低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法，其特征在于，所述步骤1中预设成分为C：3.5％～3.8％、Si：2.3％～2.8％、Mn：≤0.6％、S：≤0.02％、P：≤0.02％、Mg：0.02％～0.04％、Re：0.02％～0.04％，余量为Fe；以上各原料含量的总和为100％。
5.根据权利要求4所述的低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法，其特征在于，所述步骤1中材料预设成分总碳当量保持在4.3wt.％。
6.根据权利要求5所述的低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法，其特征在于，所述步骤2中对石墨进行球化和孕育，球化剂为步骤1得到的熔融态硅铁金属液质量的1.0％～1.5％，孕育剂为步骤1得到的熔融态稀土镁金属液质量的1.1％～2.0％。
7.根据权利要求6所述的低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法，其特征在于，所述步骤3中对步骤2所获得的圆柱状铸态水平连铸型材从心部到边缘石墨密度进行表征，并选取石墨密度最高的部位取材，球墨密度不低于300/mm2。
8.根据权利要求7所述的低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法，其特征在于，所述步骤4中将步骤3所取材料在马弗炉中进行奥氏体化，奥氏体化温度为900℃，保温时间为90min；然后随炉冷却至两相区α+γ进行保温，双相区α+γ温度范围：770-850℃，保温时间选为180min，使得铁素体沿奥氏体和球墨界面充分析出，两相区保温结束后直接进行室温油淬，获得由适当例及分布的铁素体和马氏体两相组成的基体组织。
9.根据权利要求8所述的低摩擦系数双相铁-球墨系金属材料制备方法，其特征在于，所述步骤4中双相区保温温度优选为800℃。
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