CN1332264A - 一种超高硫具有多种复合自润滑相的高耐磨合金铸造材料 - Google Patents
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Abstract
一种超高硫具有多种复合自润滑相的高耐磨合金铸造材料,属于合金铸钢(铁)材料领域,适用于粘着磨损或滑(滚)动磨损工况条件下工作的零部件,它以超高S含量,并加入相关量的合金元素,使形成复相的并有一定体积百分数的硫化物,依靠硫化物的优异的自润滑性能来降低摩擦系数,从而达到提高零件使用寿命的目的。
Description
本发明属于合金铸钢(铁)材料范畴。它广泛应用于冶金、机械制造、电力、石化设备等国民经济重要的军、民品生产部门。
特别适于在粘着磨损或滑(滚)动磨损的工况条件下工作的机械部件。例如：轴瓦、轴套、气缸套、气门座、活塞环、浮动轴承、导筒、曲轴、链杆、辊轮等。
机械设备的活动部件失效的原因绝大多数都是因为摩擦、磨损造成的。据统计：能源的1/2消耗于磨损，材料的80％失效于磨损。随着科学技术的进步，机械设备中有滑动或转动部分在不同的几近苛刻的工况条件下，对磨擦部件的极限允许载荷，滑(滚)动速度，工作温度及长期无故障工作时间等材料性能要求愈来愈高。在许多情况下，无润滑磨擦类型已取代油的流体磨擦与边界磨擦类型。为了解决材料过早失效的严重问题，材料科学工作者在不断地开发新的耐磨材料的同时也极力地在利用并提高材料本身的自润滑性能，以期把摩擦系数及磨损量降至最低值，以此来达到材料耐磨损的目的。
在国内外现有技术中，减磨的耐磨材料几十年来已有相当的发展，主要有以下几类：(1)石墨钢及含磷和其他合金铸铁；2)以有色金属为基的合金(如：巴氏合金等)：3)、采用粉末冶金方法生产的减摩材料；4)、经表面改性处理的金属或合金。
对于1)而言，石墨作为润滑剂并非在冶炼后凝固时形成的，而是在铸件经高温石墨化退火时形成的。它与其他合金铸件一样，强度与塑性指标匹配性差且不耐中、高温。对于2)而言，虽有一定的减磨性能，但强度差，耐磨性也差且原材料本身昂贵；对于3)而言，它虽是目前国内外生产整体减磨材料的主要方法且有较理想的减磨性能，但由于制造方法本身的局限性，使其产品不致密，多孔隙性无法避免。因此，机械性能差，极大地限制了它的使用范围。对于4)而言，也是目前国内外常用的提高材料表面硬度并降低表面摩擦系数从而达到材料耐磨的目的方法。如：渗碳、低温渗硫、渗氮、氰化、静电或热喷涂等工艺。此方法可以得到良好的基材与渗层材的结合，使其表面具有较低的摩擦系数和高的硬度。但为获得这种效果必须使工件置入有被渗入元素的活性介质中且必须在一定的温度下加热，保温后再进行热处理，相应设备必不可少，不但能源消耗大，周期长且工艺复杂，最为不足是渗层厚度仅在0.1-2.0±mm范围内。它仍然难以适应高温、快速、重载的工况条件要求。
本发明的目的是：设计了一种不同于常规冶炼及热处理工艺的超高硫含量且具有多种复合自润滑相的高耐磨合金铸造材料，使在相应的工况条件下具有良好的综合性能，最终使材料使用寿命得以提高。根据这目的，设计该合金成分的基本思路是：尽量提高材料本身的自润滑能力，在保证有较高的机械性能的前提下，以较低的摩擦系数，以减摩的方式来达到材料耐磨损的目的。
众所周知：硫化物是一个良好的固体自润滑相。也即：硫化物基本上可以看作是一种结构润滑剂，其润滑能力取决于它们分层的组织结构。一些硫化物，如：硫化钼、硫化钨、硫化铬、硫化铁、硫化镍、硫化钛、硫化铜、硫化铝、高温变形硫化锌等均具有密集六方晶体层状结构。实验和实践证明：正是这种结构最容易分离出诸多滑移面，使其自润滑性能大大增强。在其成分的设计中采用多种硫化物组成的复合硫化物作为固体自润滑相且使体积百分数达到10％±。再者，硫化物可以分为低熔点及高熔点两大类，Ni，Co，Fe，的硫化物熔点较低，它们在凝固时最后从钢液中析出。而Cr、Mo、Zr、V、Ti、W的硫化物等熔点较高且它们与硫的亲合力都大于硫与铁的亲合力。因此，采用独特的冶炼工艺，可以避免硫化物在晶介上析出而形成网状组织。铸件无须热处理，直接机加工至成品，避免了“热脆”的产生。
根据上述内容，本发明材料所提出的具体化学成分含量(W％)为：C0.30/3.5％ Si0.5/1.2％ Mn0.5/1.2％ S1.2/3.5％Cr0.5/3.0％ Mo0.2/0.8％ W0.2/0.8％ Ni≤0.2％Cu≤0.6％ Ti≤0.2％ P≤0.04％Re(加入量)0.1/0.2％余Fe
本发明的主要技术特征是：材料的S含量远远超过国内外现有钢铁材料标准中规定的极限值；调整C和其他加入的合金元素的含量，铁材料标准中规定的极限值；调整C和其他加入的合金元素的含量，可以保证各类产品所要求的性能。该材料以整体大幅度提高本身的自润滑性能来减低由于摩擦、磨损作用对材料的损耗，从而达到提高材料使用寿命的目的。
以下根据各元素在该发明中的作用进行叙述：
Si和Mn：都是钢中常见元素，它们都是良好的脱氧剂。Si固溶于铁素体和奥氏体中可以提高强度和硬度。Mn极易生成MnS2，它是良好的固体润滑剂。它可强化铁素体和珠光体，从而提高钢的强度。本发明将Si和Mn控制在0.5-1.2％范围内。
Cr与Mo：都是提高淬透性的元素，从而提高材料整体强度和韧性。Cr具有抗氧化性及耐腐蚀性能，Cr7C3型碳化物可以提高材料的耐磨性。Cr/c比是决定淬透性的主要因素。对自润滑减磨材料来说，Cr/c比在1.4-2.9为宜。Cr、Mo的复合加入更有利于材料综合性能的提高。CrS2特别是MoS2是一种极好的固体润滑剂，它们均匀地分布于钢中，即使有少量分布于晶介上，由于本发明是铸造成型，无须热处理，也避免了热脆的可能。本发明把Cr定在0.5-3.0％，把Mo定在0.2-0.8％的范围。
W：在铸铁中的作用与Mo相似，它主要提高钢的回火稳定性、红硬性、热强性及形成WC提高耐磨性。它与S化合形成WS2也是一种良好的固体润滑剂。本发明将W加入量定在0.2-0.8％范围内。
Ti：是活泼的金属元素之一。它和S、C都有极强的亲合力，形成的TiS2，这也是一种良好的固体润滑剂。TiC极其稳定，具有高的硬度。TiC微粒有阻止晶粒粗大的作用。Ti虽可以提高钢的强度，但对韧性，特别是低温冲击韧性不利。故本发明视其工件对性能的要求。可以不加或若加也控制在≤0.2％的范围。
Ni和Cu：Ni元素提高淬透性及疲劳阻力，减少缺口敏感性，降低钢脆化转变温度，钢中含少量Ni，屈服强度可提高。但Ni与S结合，形成低熔点NiS2易于在晶介上形成网状而产生热脆。钢中含Cu量低时，作用与Ni相似，它还可以改善钢液流动性，但过多会造成污染。故本发明视工件性能要求，一般将Ni控制在≤0.2％，不加Cu若加也控制在≤0.6％范围。
Re元素是一种有效变质剂，它可以细化晶粒，净化晶介，改变钢中夹杂物形态和分布，对提高韧性，抗弯强度等都有益。过多加入会污染铸件，本发明把Re元素加入量控制在0.1-0.2％范围。
P元素增加钢的脆性，尤其是低温脆性，又造成元素严重偏析，本发明要求愈低愈好，一般控制在≤0.04％。
S：是本发明合金铸件中的关键元素。“传统观念”从来都视S为有害元素，应最大限度地降低其含量。但也不能绝对化。如：钢中含S在0.15-0.3％时，钢的切削性能大幅度得以提高；使材料表面低温渗S，材料表面就具有自润滑性了。S与某些元素形成硫化物的亲合力依以下顺序而递增：Si，Co，Ni，Fe，W，Mo，Al，Cr，V，Nb，Mn，Ti，Zr。硫化物是一种优良的固体润滑剂，它把两相对运动的物体表面间的摩擦转变成硫化物层与层之间的具有极低摩擦系数的磨擦。硫化物对金属有较强的附着性能，一般摩擦不易引起剥落。另外：硫化物在其塑变时易于填平金属表面凹凸不平之处，以避免在摩擦时相对运动中金属间相互接触而产生的粘着破坏；硫化物抗压性能高，甚至在2100Mpa高压下金属表面也不会产生咬死或熔接。在冶炼时，使钢液早期就稳定地形成大量复合型硫化物并使不进入渣相，再根据工件性能要求加入不同量的C元素，使与其它加入的合金元素形成碳化物。合金铸件的强度主要由碳含量决定，有S存在时，C的烧损减少，S有助于形成稳定的细小、分散的珠光体组织，以保证基体材料有较高的耐磨性能。在有金属硫化物的情况下，在无润滑磨擦时，摩擦系数降低1/2以上。本发明把C含量定在0.3-3.5％，S含量定在1.2-3.5％范围内。
根据上述理由，按规定在冶炼时加入各种合金元素，可得到一种十分新颖的具有高自润滑性能的减摩合金铸造材料。
本发明材料可以采用高频、中频感应电炉或电弧炉冶炼，但炉衬必须是非碱性的。
本发明材料的冶炼工艺特征是：
1)、加料顺序：
酸或中性渣料→FeCr，FeMo，FeW→废钢料→高S合金→生铁或废钢→变质剂
2)、脱氧制度：
当钢液中含氧量高时，将会形成氧和硫的复合夹杂物，从而使材料失去自润滑性。因此，彻底脱氧是冶炼关键之一。本发明采用强化脱氧制度。当钢料化清、温度适当、渣正常时插Al并搅拌进行预脱氧；过一段时间后加入FeMn，FeSi和铝石灰进行辅助脱氧；当冶炼正常，达到出钢温度1560-1580℃时，插Al按1kg/T计进行终脱氧。
3)、造渣制度：
冶炼过程中炉内钢水液面应始终保持稀薄渣复盖。化清后应除掉氧化渣，插Al脱氧，再造新渣，出钢前除渣干净，仅留一层稀薄渣。
4)、出钢浇注：
出钢前在包内镇静2-3分钟，浇温控制在1480℃左右为宜。浇时挡渣引气良好。浇注时应按“低温快浇，快速冷却”为原则并补浇充分。浇后30分钟松开葙卡，1小时后可开葙出件。其他按一般铸造工艺规范操作即可。
本发明与现有技术相比较的特点是：采用普通的生产设备，运用特殊的生产冶炼工艺，生产出具有高自润滑性能的减磨材料；铸件无须进行热处理，仅经机加工成型。该发明材料在同样的工况条件下使用，其效果明显优于现有技术生产的材料。
实施例：
根据本发明设计的化学成分，在500kg中频感应炉中冶炼了三炉次，具体成分见表I。其中1#-3#是本发明材料各炉次化学分析结果。4#-9#是与本发明实施例相关的现有技术生产的材料化学成分。
本发明材料及现有相关技术材料的化学成分 (W)％ 表1
| 序号 | 材料 | C | Si | Mn | S | Cr | Mo | W | Ni | Ti | Cu | P | Re | Fe | |||
| 123 | 本发明 | 0.651.152.8 | 0.860.901.22 | 0.540.710.80 | 1.801.342.8 | 1.330.882.03 | 0.620.280.81 | 0.620.360.41 | ≤0.2 | ≤0.2 | ≤0.6 | ≤0.04 | 0.050.040.06 | 余余余 | |||
| 4 | 石墨钢 | 1.35 | 0.8 | 0.45 | 0.02 | 0.03 | 余 | ||||||||||
| 5 | 38CrMoAl | 0.40 | 0.35 | 0.55 | 0.03 | 1.50 | 0.20 | 0.20 | 加A | 0.95 | 0.03 | 余 | |||||
| 6 | 巴氏合金(6K) | Sn85 | Sb11 | Cu4 | Zn | Pb | Ni | ||||||||||
| 7 | 铜基合金(Sn-渗C，10-2) | 4 | 91 | 3 | 2 | 微 | |||||||||||
| 8 | 减摩材料(Fe基) | Fe96 | C2 | 加入MoS2 2.0 | |||||||||||||
| 9 | 减摩材料(Cu基) | Cu88 | C5.5 | Pb3.5 | Cr1.0 | Fe1.0 | 加入MoS2，2.5 | ||||||||||
本发明材料与现有相关技术材料性能对比
| 序号 | 材料 | σb(Mpa) | δ5(％) | akJ/cm2 | HB | 线膨胀系数(a×10-6mm/mm·℃) | 摩擦系数(f) | 工作温度(℃) | 备 注 |
| 123 | 本发明材料 | 420540620 | 643 | 9.06.54.5 | 320345380 | 10.412.8212.64 | 0.080.090.11 | -600 | 一般熔炼、铸态 |
| 4 | 石墨钢 | 405 | - | - | 185 | - | 0.22-0.26 | - | 一般熔炼760℃淬火态 |
| 5 | 38CrMoAl | 840 | 23 | ＞18.5 | 350 | 12.3 | 0.16-0.21 | - | 重熔后940℃水或油淬，740℃×60分钟回火，油冷 |
| 6 | 巴氏合金(6K) | 91.8 | - | - | 30 | - | 0.004 | 80-100 | 一般熔炼 |
| 7 | 铜基合金(Sn-渗C，10-2) | 153 | - | - | 68 | - | 0.06-0.005 | 60-80 | 一般熔炼 |
| 8 | 减摩材料(Fe基) | 溃压强度100-220 | 5-13 | 35-80 | 78 | - | 0.01 | 70-80 | 粉末冶金烧结法 |
| 9 | 减摩材料(Cu基) | 95-140 | 1-3 | - | 65-82 | - | 0.01-0.04 | 70-80 | 粉末冶金烧结法 |
以上材料有的可用通常熔炼方法生产，但要通过热处理才能达到一定的性能(如4)；有的还须用重熔的方法精炼，然后通过热处理、表面处理才能达到使用性能要求，(如5)；有的原材料本身昂贵，虽具有一定的自润滑性，但成本太高(如 6、7)；有的材料是用粉末冶金方法生产的。由于方法本身的局限性，使机械性能差(如8、9)
显见本发明材料(如1、2、3)与现有相关技术材料比较具有良好的综合的机械性能，且生产工艺简单、经济、实用。
Claims (2)
1、一种超高硫具有多种复合自润滑相的高耐磨合金铸造材料，其特征在于：该材料的具体化学成份，特别是超高S含量(W％)：
C0.30-3.5％ Si0.5-1.20％ Mn0.5-1.2％
S1.2-3.5％ Cr0.5-3.0％ Mo0.2-0.8％
W0.2-0.8％ Ni≤0.2％ Cu≤0.6％
Ti≤0.2％ P≤0.04％ Re(加入量)0.1-0.2％
余为Fe
2、根据权利要求1所述的一种超高硫具有多种复合自润滑相的高耐磨合金铸造材料，其特征在于：它的独特的冶炼工艺，冶炼早期加入足量的含S合金，使其生成大量、稳定的高熔点硫化物相；冶炼操作中的强化脱氧工艺至关重要。
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