CN116786816A - 一种轴承滚动体用合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及轴承滚动体制备技术领域，公开了一种轴承滚动体用合金材料及其制备方法，包括以下重量份的原料：Fe粉末90‑120份、Ni粉末1.5‑2.5份、Mo粉末0.2‑0.8份、Cu粉末1.0‑3.0份、C粉末0.3‑0.8份、纳米陶瓷粉末0.5‑1.2份、氧化铝纤维粉末0.3‑1.0份、碳纳米管0.3‑0.8份、润滑剂3‑10份，本发明在烧结过程中，通过加入一定量的Cu和C，利用铜在烧结时产生液相而使基体膨胀的特性，来抵消C烧结而带来的收缩，使基体的烧结收缩率达到最小而且稳定，通过将纳米尺寸的陶瓷颗粒氧化钛、氧化铝纤维增强材料以及碳纳米管与金属基体材料相结合，嵌入到金属基体中，可以提高复合材料的硬度、耐磨性和高温性能，使得轴承滚动体的耐磨性能大幅度提高。
Description
技术领域
本发明涉及轴承滚动体制备技术领域，具体为一种轴承滚动体用合金材料及其制备方法。
背景技术
轴承是当代机械设备中一种重要零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。其中滚动轴承已经标准化、系列化，但与滑动轴承相比它的径向尺寸、振动和噪声较大，价格也较高。滚动轴承一般由外圈、内圈、滚动体和保持架四部分组成，而滚动体作为轴承结构的一部分具有非常显著的作用。
轴承滚动体是滚动轴承中的核心元件，由于它的存在，相对运动表面间才有滚动摩擦。滚动体的种类有球、圆柱滚子、圆锥滚子、滚针等。 滚动轴承的滚动体主要有钢球和滚子两种。
在一些应用场合中，滚动轴承由于缺乏润滑、存在污染颗粒、腐蚀、摆动运行等原因会造成其材料的大量损失（磨损）。而磨损反过来又会对轴承的运行产生不利影响，导致预紧力减少，甚至可能会引发灾难性的后果。滚动体直接影响到轴承的使用性能和寿命情况，磨损作为滚动体最为常见的问题，滚动体的耐磨性能直接影响到轴承的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轴承滚动体用合金材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种轴承滚动体用合金材料，包括以下重量份的原料：Fe粉末90-120份、Ni粉末1.5-2.5份、Mo粉末0.2-0.8份、Cu粉末1.0-3.0份、C粉末0.3-0.8份、纳米陶瓷粉末0.5-1.2份、氧化铝纤维粉末0.3-1.0份、碳纳米管0.3-0.8份、润滑剂3-10份。
作为本发明的进一步说明，包括以下重量份的原料：Fe粉末90份、Ni粉末1.5份、Mo粉末0.2份、Cu粉末1.0份、C粉末0.3份、纳米陶瓷粉末0.5份、氧化铝纤维粉末0.3份、碳纳米管0.3份、润滑剂3份。
作为本发明的进一步说明，包括以下重量份的原料：Fe粉末105份、Ni粉末2.0份、Mo粉末0.5份、Cu粉末2.0份、C粉末0.6份、纳米陶瓷粉末0.8份、氧化铝纤维粉末0.6份、碳纳米管0.6份、润滑剂6份。
作为本发明的进一步说明，包括以下重量份的原料：包括以下重量份的原料：Fe粉末120份、Ni粉末2.5份、Mo粉末0.8份、Cu粉末3.0份、C粉末0.8份、纳米陶瓷粉末1.2份、氧化铝纤维粉末1.0份、碳纳米管0.8份、润滑剂10份。
作为本发明的进一步说明，所述润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、微粉蜡、酰胺类复合蜡任一种。
作为本发明的进一步说明，所述纳米陶瓷粉末为氧化钛粉末。
一种轴承滚动体用合金材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：混料，将Fe粉末、Ni粉末、Mo粉末、Cu粉末、C粉末份按配方重量份混合，并使其均匀化制成坯粉；
S2：将称取好的纳米陶瓷粉末、氧化铝纤维粉末、碳纳米管加入到坯粉中继续混合，混合过程中加入分多次加入润滑剂；
S3：成形，将混合均匀的混料，装入压模中，压制成具有一定形状、尺寸和密度的型坯；
S4：烧结，成型后的型坯放入热等静压设备中进行热等静压烧结，在热等静压设备中，将型坯放入模具中，并施加高压和高温，保持压力和温度一段时间，以促进粉末颗粒之间的结合和烧结过程；
S5：后处理，烧结后的半成品冷却至室温后，根据设计要求进行后续加工处理，包括：精整、浸油、机加工、热处理；
S6：得到成品轴承滚动体。
作为本发明的进一步说明，S1中，混料时加入大量的酒精，并同时伴以球磨，提高混料均匀程度，增加组分间的接触面积，改善烧结性能。
作为本发明的进一步说明，球磨过程包括将混合粉末放入清洗干净的球磨罐中，并在球磨罐中抽真空并充入氩气惰性气体，使用氧化铝球作为球磨介质，球径为10mm、6mm和3mm，球料比为10：1，在250r/min的条件下进行球磨，持续2小时。
作为本发明的进一步说明，S4中烧结压力范围为100 MPa至500 MPa，温度范围为1000℃至1500℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过热等静压烧结，对轴承滚动体的合金材料进行制备，可以在较短的时间内实现高温高压下的烧结过程，有助于提高材料的致密性和结合强度。热等静压烧结过程中，高温高压的作用下，粉末颗粒之间的结合更加牢固。这导致了更高的结合强度和材料的致密性，提高了复合材料的力学性能和耐磨性；
此外在铁基粉末烧结过程中会出现收缩或者膨胀的现象，使得烧结后的尺寸难以精准，本发明在烧结过程中，通过加入一定量的Cu和C，利用铜在烧结时产生液相而使基体膨胀的特性，来抵消C烧结而带来的收缩，使基体的烧结收缩率达到最小而且稳定。
通过将纳米尺寸的陶瓷颗粒氧化钛、氧化铝纤维增强材料以及碳纳米管与金属基体材料相结合，嵌入到金属基体中，可以提高复合材料的硬度、耐磨性和高温性能，使得轴承滚动体的耐磨性能大幅度提高。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一：本发明提供一种技术方案：一种轴承滚动体用合金材料，包括以下重量份的原料：Fe粉末90-120份、Ni粉末1.5-2.5份、Mo粉末0.2-0.8份、Cu粉末1.0-3.0份、C粉末0.3-0.8份、纳米陶瓷粉末0.5-1.2份、氧化铝纤维粉末0.3-1.0份、碳纳米管0.3-0.8份、润滑剂3-10份。
所述润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、微粉蜡、酰胺类复合蜡任一种，所述纳米陶瓷粉末为氧化钛粉末。
在铁基粉末烧结过程中会出现收缩或者膨胀的现象，使得烧结后的尺寸难以精准，对于只有固相烧结的铁基材料，烧结时随着烧结温度的升高以及烧结时间的延长，一方面由于铁粉颗粒接触处的铁原子不断扩散，铁粉颗粒的结合面积不断增大；随着烧结颈的长大颗粒间距的缩小，颗粒间原来相互连通的孔隙逐渐收缩形成闭孔并球化；伴随着孔隙的大量消失，烧结体体积缩小，出现宏观的收缩现象。另一方面，由于压坯在成形过程中，铁粉颗粒通过机械啮合联接并在受压后变形，因此烧结时颗粒要发生再结晶和晶粒长大。在颗粒的接触点或接触面上开始形核，随着烧结温度的升高和烧结时间的延长，形核的晶体不断长大，而且彼此相互接触形成晶界，在晶体长大的同时，通过晶界的移动、颗粒间的孔隙数量减少及孔隙的球化，使整个烧结体的体积收缩。当烧结过程存在液相时，在有液相的区域,由孔隙或凹面所产生的毛细管应力使铁粉颗粒相互靠拢，加速了烧结体的收缩。
烧结体在烧结过程中产生膨胀的原因是：一是由于压坯在低温升温阶段，随着温度的升高压坯在内应力消除过程中膨胀，当成形压力过大或压坯密度过高时这种膨胀现象就更加明显，当烧结体高温烧结后的收缩量小于内应力消除所产生的膨胀量时，宏观上就体现了烧结过程的膨胀。
本发明在烧结过程中，通过加入一定量的Cu和C，利用铜在烧结时产生液相而使基体膨胀的特性，来抵消C烧结而带来的收缩，使基体的烧结收缩率达到最小而且稳定。此外，热等静压烧结通常在较短的时间内完成，能够减少收缩。
通过将纳米尺寸的陶瓷颗粒氧化钛、氧化铝纤维增强材料以及碳纳米管与金属基体材料相结合，嵌入到金属基体中，可以提高复合材料的硬度、耐磨性和高温性能，使得轴承滚动体的耐磨性能大幅度提高。
实施例二：本发明提供一种技术方案：一种轴承滚动体用合金材料，包括以下重量份的原料：Fe粉末90份、Ni粉末1.5份、Mo粉末0.2份、Cu粉末1.0份、C粉末0.3份、纳米陶瓷粉末0.5份、氧化铝纤维粉末0.3份、碳纳米管0.3份、润滑剂3份。所述润滑剂为硬脂酸锌，所述纳米陶瓷粉末为氧化钛粉末。
实施例三：本发明提供一种技术方案：一种轴承滚动体用合金材料，包括以下重量份的原料：Fe粉末105份、Ni粉末2.0份、Mo粉末0.5份、Cu粉末2.0份、C粉末0.6份、纳米陶瓷粉末0.8份、氧化铝纤维粉末0.6份、碳纳米管0.6份、润滑剂6份。所述润滑剂为硬脂酸锌，所述纳米陶瓷粉末为氧化钛粉末。
实施例四：本发明提供一种技术方案：一种轴承滚动体用合金材料，包括以下重量份的原料：Fe粉末120份、Ni粉末2.5份、Mo粉末0.8份、Cu粉末3.0份、C粉末0.8份、纳米陶瓷粉末1.2份、氧化铝纤维粉末1.0份、碳纳米管0.8份、润滑剂10份。所述润滑剂为硬脂酸锌，所述纳米陶瓷粉末为氧化钛粉末。
实施例五：一种轴承滚动体用合金材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：混料，将Fe粉末、Ni粉末、Mo粉末、Cu粉末、C粉末份按配方重量份混合，并使其均匀化制成坯粉；S1中，混料时加入大量的酒精，并同时伴以球磨，提高混料均匀程度，增加组分间的接触面积，改善烧结性能，球磨过程包括将混合粉末放入清洗干净的球磨罐中，并在球磨罐中抽真空并充入氩气惰性气体，使用氧化铝球作为球磨介质，球径为10mm、6mm和3mm，球料比为10：1，在250r/min的条件下进行球磨，持续2小时；
S2：将称取好的纳米陶瓷粉末、氧化铝纤维粉末、碳纳米管加入到坯粉中继续混合，混合过程中加入分多次加入润滑剂；
S3：成形，将混合均匀的混料，装入压模中，压制成具有一定形状、尺寸和密度的型坯；
S4：烧结，成型后的型坯放入热等静压设备中进行热等静压烧结，在热等静压设备中，将型坯放入模具中，并施加高压和高温，保持压力和温度一段时间，以促进粉末颗粒之间的结合和烧结过程；烧结压力范围为100 MPa至500 MPa，温度范围为1000℃至1500℃；
S5：后处理，烧结后的半成品冷却至室温后，根据设计要求进行后续加工处理，包括：精整、浸油、机加工、热处理；
S6：得到成品轴承滚动体。
本发明通过热等静压烧结，对轴承滚动体的合金材料进行制备，可以在较短的时间内实现高温高压下的烧结过程，有助于提高材料的致密性和结合强度。热等静压烧结过程中，高温高压的作用下，粉末颗粒之间的结合更加牢固。这导致了更高的结合强度和材料的致密性，提高了复合材料的力学性能和耐磨性。
实施例六：对实施例二、三、四轴承滚动体合金材料配方，采用实施例五的制备方法制得的轴承滚动体进行磨损性能和强度测试；
采用现有的铁基轴承滚动体作为对比例，现有的铁基轴承滚动体化学成分如下表所示：
实验方法和实验步骤如下：
(1)选取若干样品，并在实验前对实施例二、三、四和对比例的若干样品，加工成相同的大小；
(2)磨损性能测试时前应在超声波清洗机里用无水酒精对试样进行清洗10分钟，然后用电吹风吹干；
(3)磨损性能实验前后要用电子分析天平对试样称重，为保证测量精度应等开机15分钟后再进行测量，每组测量3次取平均值。
测试结果如下表所示：
表一：强度测试结果：
| 硬度（HRC） | 弯曲强度（MPa） | 屈服强度（MPa） | 抗拉强度（MPa） | |
| 对比例 | 57 | 587 | 518 | 861 |
| 实施例二 | 65 | 636 | 583 | 931 |
| 实施例三 | 64 | 641 | 596 | 940 |
| 实施例四 | 64 | 635 | 587 | 933 |
表二：试样磨损性能测试结果：
| 载荷（N） | 速度（r/min） | 润滑油种类 | 摩擦系数 | 磨前称重（g） | 磨后称重（g） | 磨损量（mg） | |
| 对比例 | 12 | 600 | FV50S | 0.0278 | 49.1186 | 49.1143 | 4.3 |
| 实施例二 | 12 | 600 | FV50S | 0.0148 | 48.7273 | 48.7268 | 0.5 |
| 实施例三 | 12 | 600 | FV50S | 0.0161 | 49.8259 | 49.8252 | 0.7 |
| 实施例四 | 12 | 600 | FV50S | 0.0153 | 49.6543 | 49.6539 | 0.4 |
由上述表格数据能够看出，本发明实施例二、三、四，采用特殊的合金材料配方，配合热等静压烧结技术，使得滚动体表面能够形成致密的结合层，使得摩擦系数大幅度减少，强度增加，磨损量大幅度降低，提高了轴承滚动体的强度和耐磨性能。
实施例七：对实施例二、三、四轴承滚动体合金材料配方，采用实施例五的S2制备方法制得的轴承滚动体型坯料进行收缩率测试，采用现有的铁基轴承滚动体作为对比例，对比例配方与实施例六中的对比例成分相同，实验方法和实验步骤如下：
1、制作试棒四组，实施例二、实施例三、实施例四和对比例，试棒尺寸为φ20×20mm，压制密度为6.9g/cm3；
2、试棒在网带式铁基烧结炉中、在氮基气氛的保护下、1080℃烧结 1h，测试试棒烧结收缩率的变化情况。
测试结果如下表所示：
| 试棒尺寸（mm） | 试棒密度（g/cm3） | 烧结收缩率（%） | |
| 对比例 | φ20×20 | 6.9 | -0.20 |
| 实施例二 | φ20×20 | 6.9 | 0.01 |
| 实施例三 | φ20×20 | 6.9 | 0.01 |
| 实施例四 | φ20×20 | 6.9 | 0.02 |
由上表数据能够看出，在烧结过程中，通过加入一定量的Cu和C，利用铜在烧结时产生液相而使基体膨胀的特性，来抵消C烧结而带来的收缩，使基体的烧结收缩率达到最小而且稳定，使得本发明配方制得的试棒收缩率趋近于0，能够满足轴承滚动体精度的要求。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种轴承滚动体用合金材料，其特征在于：包括以下重量份的原料：Fe粉末90-120份、Ni粉末1.5-2.5份、Mo粉末0.2-0.8份、Cu粉末1.0-3.0份、C粉末0.3-0.8份、纳米陶瓷粉末0.5-1.2份、氧化铝纤维粉末0.3-1.0份、碳纳米管0.3-0.8份、润滑剂3-10份。
2.根据权利要求1所述的一种轴承滚动体用合金材料，其特征在于：包括以下重量份的原料：Fe粉末90份、Ni粉末1.5份、Mo粉末0.2份、Cu粉末1.0份、C粉末0.3份、纳米陶瓷粉末0.5份、氧化铝纤维粉末0.3份、碳纳米管0.3份、润滑剂3份。
3.根据权利要求1所述的一种轴承滚动体用合金材料，其特征在于：包括以下重量份的原料：Fe粉末105份、Ni粉末2.0份、Mo粉末0.5份、Cu粉末2.0份、C粉末0.6份、纳米陶瓷粉末0.8份、氧化铝纤维粉末0.6份、碳纳米管0.6份、润滑剂6份。
4.根据权利要求1所述的一种轴承滚动体用合金材料，其特征在于：包括以下重量份的原料：Fe粉末120份、Ni粉末2.5份、Mo粉末0.8份、Cu粉末3.0份、C粉末0.8份、纳米陶瓷粉末1.2份、氧化铝纤维粉末1.0份、碳纳米管0.8份、润滑剂10份。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种轴承滚动体用合金材料，其特征在于：所述润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、微粉蜡、酰胺类复合蜡任一种。
6.根据权利要求1-4任一所述的一种轴承滚动体用合金材料，其特征在于：所述纳米陶瓷粉末为氧化钛粉末。
7.根据权利要求1所述的一种轴承滚动体用合金材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：混料，将Fe粉末、Ni粉末、Mo粉末、Cu粉末、C粉末份按配方重量份混合，并使其均匀化制成坯粉；
S2：将称取好的纳米陶瓷粉末、氧化铝纤维粉末、碳纳米管加入到坯粉中继续混合，混合过程中加入分多次加入润滑剂；
S3：成形，将混合均匀的混料，装入压模中，压制成具有一定形状、尺寸和密度的型坯；
S4：烧结，成型后的型坯放入热等静压设备中进行热等静压烧结，在热等静压设备中，将型坯放入模具中，并施加高压和高温，保持压力和温度一段时间，以促进粉末颗粒之间的结合和烧结过程；
S5：后处理，烧结后的半成品冷却至室温后，根据设计要求进行后续加工处理，包括：精整、浸油、机加工、热处理；
S6：得到成品轴承滚动体。
8.根据权利要求7所述的一种轴承滚动体用合金材料的制备方法，其特征在于：S1中，混料时加入大量的酒精，并同时伴以球磨，提高混料均匀程度，增加组分间的接触面积，改善烧结性能。
9.根据权利要求8所述的一种轴承滚动体用合金材料的制备方法，其特征在于：球磨过程包括将混合粉末放入清洗干净的球磨罐中，并在球磨罐中抽真空并充入氩气惰性气体，使用氧化铝球作为球磨介质，球径为10mm、6mm和3mm，球料比为10：1，在250r/min的条件下进行球磨，持续2小时。
10.根据权利要求7所述的一种轴承滚动体用合金材料的制备方法，其特征在于：S4中烧结压力范围为100 MPa至500 MPa，温度范围为1000℃至1500℃。
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