CN1360082A - 整体自润滑耐磨复合材料 - Google Patents

Abstract

一种整体自润滑耐磨复合材料,其组分为C0.35－3.2%,Si0.8－1.6%,Mn0.8－1.4%,S1.0－5.0%,Cr0.5－3.5%,Mo0.2－0.9%,W0.2－0.8%,稀土元素0.1－0.2%,Al0.6－0.9%,V0.1－0.2%,Ti≤0.2%,P≤0.05%,其余为Fe;有时为了调整材料的铸造性能或机械性能,可加入适量的Cu元素和/或Ni元素;该复合材料具有优良的自润滑性能及良好的机械性能,适于制造要求高的自润滑及高耐磨工况条件下工作的零部件,而且该复合材料生产工艺简单,加工出的零部件一般不用热处理,无须特殊设备,制造成本低。

Description

整体自润滑耐磨复合材料

本发明涉及铸造合金材料领域，尤其涉及一种本身具有优良的自润滑性能和良好的机械性能，适宜制作工况比较恶劣、对耐磨性有很高要求的机械另部件的整体自润滑耐磨复合材料。

在国内外现有技术中，自润滑耐磨材料或复合耐磨材料主要有以下几种：①石墨钢，其石墨并非是在冶炼后凝固时形成，而是在铸件于高温石墨化退火时所获得的；②含磷和其它合金铸铁；③以有色金属为基的合金；④采用粉末冶金方法所制备的耐磨材料，该方法是将一种或几种有一定粒度并有一定形状的金属粉末与改善耐摩性能的固体粉末添加剂经混合均匀后再压制烧结成型的；⑤经过表面改性处理提高了表面硬度的材料，所述的改性处理比如是渗碳、渗氮、氰化、低温渗硫等方法。上述材料，虽然可以通过冶炼或烧结后的热处理方法获得一定的耐磨擦性能，但它们的机械性能较低，适用范围窄，有的材料成本昂贵，难以广泛使用；而依靠表面处理工艺来获得耐磨性能，不但在生产过程中能源消耗大、生产周期长，而且生产工艺复杂，还需要相应的成套设备，而且难以控制产品质量的一致性，特别是采用表面处理的方式所获得的耐磨材料，仅仅在其表面具有很薄的一个耐磨擦层，这就决定了靠这种方式获得的耐磨性材料不可能有长的使用寿命。

本发明的目的是，提供一种与上面所述各种传统加工方法所获得的耐磨材料完全不同的整体自润滑耐磨材料，并且该整体自润滑耐磨材料使用常规设备即可生产，工序流程少，工艺简单，生产成本低，使用寿命长。

本发明整体自润滑耐磨复合材料合金元素的组成(含量按重量计)为：C 0.35-3.2％，Si 0.8-1.6％，Mn 0.8-1.4，S 1.0-5.0％，Cr 0.5-3.5％，Mo 0.2-0.9％，W 0.2-0.8％，稀土元素0.1-0.2％，Al 0.6-0.9％，V 0.1-0.2％，Ti≤0.2％，P≤0.05％，其余为Fe。

为改善铸造时钢液的流动性及提高材料的屈服点，可在材料中加入适当的Cu元素，但在不改变其他元素含量的前提，所加入Cu的含量应控制在≤0.6％；另外钢中还可加入适当的Ni元素，以提高钢的淬透性及抗疲劳性能，减小缺口敏感性，降低钢的脆化转变温度，当钢中含有少量的Ni时，可以提高材料的屈强比，同时在材料强度相同的情况下，可使C元素的含量适当降低，这有助于提高材料的韧性，但Ni与S结合，在晶界上生成NiS网状组织时，将导致热脆，因此如果添加Ni元素，应将其含量控制在≤0.8％。因此，本发明另一种整体自润滑耐磨复合材料合金元素的组成(含量按重量计)为：C 0.35-3.2％，Si 0.8-1.6％，Mn 0.8-1.4，S 1.0-5.0％，Cr 0.5-3.5％，Mo 0.2-0.9％，W 0.2-0.8％，稀土元素0.1-0.2％，Al 0.6-0.9％，V 0.1-0.2％，Ti≤0.2％，Ni≤0.8％，Cu≤0.6％，P≤0.05％，其余为Fe。

本发明整体自润滑耐磨复合材料中各种元素所起的作用如下：

Cr是提高淬透性的元素，钢中含有一定量的Cr还可以使钢具有一定的抗氧化及耐蚀性能，当其含量达到3％时，除生成Cr₃C外还产生Cr₇C₃碳化物，可以提高材料的耐磨性；Cr/C的值是决定淬透性的主要因素，要根据对材料性能不同的要求而取不同的值，对于本发明自润滑材料，Cr/C的值以1-1.1为宜。

Mo元素可以提高钢的淬透性，提高材料的整体强度和延展性，对耐磨性也有所提高，特别是当Mo、Cr等元素复合加入的情况下；按传统理论S会在晶界上生成硫化钼，使钢产生热脆，增加了锻、轧热加工的困难，但MoS₂又是一种极好的固体润滑剂，由于本发明的材料含超高量的S，所以能形成足够的均匀分布在材料中MoS₂。由于本发明的材料经铸造成型，无须热处理，因此可避免热产生脆的情况。

W元素在铸件中的作用与Mo相似，它主要提高材料的回火稳定性、红透性、热强性，降低钢的过热敏感性，以及形成特殊的碳化物WC，从而提高材料的耐磨性；同时，W与S形成的WS₂也是一种良好的固体润滑剂。

Ti元素是极其活泼的金属元素之一，它同S、C都有极强的亲和力，与S形成的TiS₂是一种良好的固体润滑剂，其与C形成的TiC非常稳定，不易分解，具有极高的硬度，TiC在钢中只有加热到1000℃以上才缓慢地溶入固溶体，在未溶入前，TiC微粒就有阻止晶粒长大的作用，Ti虽然在一定程度上可提高钢的强度，但对钢的韧性有不良影响，因此，加入的Ti元素的含量应控制在≤0.2％。

稀土元素是一种有效的变质剂，它可以细化晶粒、净化晶界、改变钢中夹杂物的形态和分布，对提高韧性、抗弯强度、硬度都有好处，它是一种提高材料综合性能的元素。实践证明稀土元素中的Re提高材料综合性能的效果更好。Si是钢中常见元素，作为合金元素其加入量一般不应低于0.8％，它固溶于铁素体和奥氏体中，提高材料的强度和硬度，同时它还是一种脱氧剂。

Mn也是钢中常见元素，它对提高钢的淬透性作用很强，利用它强化铁素体及细化珠光体，提高钢的强度，它还是良好的脱氧剂，另外Mn极易与S生成MnS₂，MnS₂也是一种固体润滑剂。

V元素是强化碳化物形成元素，它能降低淬透性及二次硬化，细化晶粒，提高低温冲击韧性，其与C形成的V₄C₃是碳化物中最硬最耐磨的化合物，它与S形成的VS₂是良好的润滑剂，当C/V＞7.5时，可提高热强性并具有防止晶间腐蚀的作用。

Al元素是良好的脱氧剂，在钢中的作用与Cr相似，有细化晶粒提高强度及抗氧化耐腐蚀作用。

S是本发明整体自润滑耐磨复合材料中的关键元素，S在该材料中形成的化合物如：FeS、MoS₂、WS₂、TiS₂、MnS₂、VS₂等都是良好的润滑剂，在材料中加入足够的S元素及其它相应的元素，形成足够的FeS、MoS₂、WS₂、TiS₂、MnS₂、VS₂等硫化物，通过晶相分析可知，本发明材料中形成的这些硫化物组织呈球状均匀分布在晶粒中，未聚集在晶界，从而使得整个材料成为具有良好自润滑性能的耐磨材料。当材料中S含量小于1.0％时，形成的硫化物不够，达不到预期效果，当S含量大于5.0％时，理论上是可以的，但未进行实验，从理论上讲，含硫量(按重量)从0.45％到11.5％均可以。

C元素可在合金中形成WC、Cr₃C(Cr₇C₃)、TiC、MoC等众多的高熔点碳化物硬质相。

本发明打破了钢铁冶金行业长期以来对S元素的作用的认识，在合金材料中将S元素的含量提高到超过现有钢铁标准所限定的最高值几十到上百倍的程度，使冶炼出来的合金材料产生了意想不到的效果，创造出了材料本身整体均具有良好的自润滑性能并能够保证机械性能要求的耐磨复合材料，解决了长期以来人们只能在材料表面解决润滑性能、而不能兼顾使用寿命的状况，在耐磨材料的研究方面开创了一个新的局面，随着本发明整体自润滑耐磨复合材料的产生，必将极大地推动机械领域在另部件润滑方面的进步，并将产生巨大的社会及经济效益。

根据本发明的设计思想具体实施的情况如下：

用通用的中频感应炉，将除S之外的所述合金成分以通用的方法熔化，最后加入用粉末冶金方法制成的含硫的中间合金，出钢温度为1520-1560℃，镇静2-3分钟，然后浇注成试件。

试件的化学成分列于表1，表2为用作对比的现有技术中几种耐磨材料的化学成分，表3为表1中各试件的机械性能，表4为表3中用于对比的各种材料的机械性能。表1    (各元素含量按重量百分比计)表2    (各元素含量按重量百分比计)表31.表中比磨损量是在负荷160N、转速18万转下的数据；2.表中耐磨性能台架实验参数是在耐磨实验机MM201，转速为6万转的条件下测试的；3.试件加工工序为：冶炼——铸造——机加成型。表4

石墨钢	405	1	1	185	-	0.15	20.106	-
									38CrMoAl	780	1	70	450	-	0.107	-	-
巴氏合金Sn基	11	6	2-3	35	-	-	-	-
									铜基合金	25	20	1	135	0.0136	-	52.812	-
减摩材料Fe基	溃压强度185	3-6	1	138	-	-	-	-
									减摩材料Cu基	溃压强度160	3-6	1	35	-	-	-	-

注：1.石墨钢状态为760℃淬火，退火；2.38CrMoAl状态为重熔后940℃淬火，回火640℃，表面渗氮；3.巴氏合金与铜基合金均为一般熔炼铸造；4.两种减摩材料均为粉末冶金烧结成型。

用于对比的几种材料中，石墨钢需要热处理才能达到一定的性能；38CrMoAl需要重熔精练，然后热处理，才能达到使用性能；巴氏合金与铜基合金两种材料价格昂贵，制造出的另部件成本很高；另外两种材料均为粉末冶金，另部件由其压制烧结成型，虽然有一定的自润滑性，但由于其自身的多孔性特点，使其机械性能比较差。

通过比较可以得知，本发明的整体自润滑耐磨复合材料首先具有优良的自润滑性能，所谓的“整体”是指材料从内到外都具有同样的组成，不象经表面处理材料那样，仅在外面有一层耐磨材料，本发明的材料同时具有良好的机械性能，而且生产工艺简单，制造成本低，是克服现有技术中在润滑方面所存在的问题的理想材料。

Claims (4)

1.一种整体自润滑耐磨复合材料，其组成为(重量％)，C 0.35-3.2％，Si 0.8-1.6％，Mn 0.8-1.4，S 1.0-5.0％，Cr 0.5-3.5％，Mo 0.2-0.9％，W 0.2-0.8％，稀土元素0.1-0.2％，Al 0.6-0.9％，V 0.1-0.2％，Ti≤0.2％，P≤0.05％，其余为Fe。

2.根据权利要求1所述的整体自润滑耐磨复合材料，其特征是，所述的稀土元素为铼元素。

3.一种整体自润滑耐磨复合材料，其组成为(重量％)，C 0.35-3.2％，Si 0.8-1.6％，Mn 0.8-1.4，S 1.0-5.0％，Cr 0.5-3.5％，Mo 0.2-0.9％，W 0.2-0.8％，稀土元素0.1-0.2％，Al 0.6-0.9％，V 0.1-0.2％，Ti≤0.2％，Ni≤0.8％，Cu≤0.6％，P≤0.05％，其余为Fe。

4.根据权利要求3所述的整体自润滑耐磨复合材料，其特征是，所述的稀土元素为铼元素。