抗咬合烧结材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于粉末冶金烧结材料领域，尤其是涉及抗咬合烧结材料及其制备方法和应用。

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。在粉末冶金材料中，用量最大，用途最广的是铁基材料。在机械工作时，两个具有相对运动的零件，形成摩擦副。两零件接触时，在微观上，总是只有局部的接触。在一定的载荷下，真实接触面上的润滑膜等被挤破，两个零件的金属面直接接触，两接触面的原子就会因原子的键合作用而产生粘着（冷焊）,这种现象叫做咬合，在高速运转或重载运转时，咬合现象容易产生。在随后的继续滑动中，粘着点被剪断并转移到一方金属表面，脱落下来便形成磨屑，造成零件表面的擦伤、磨损，甚至出现咬死的现象。所谓咬死，是由于接触面出现严重的粘着（冷焊），导致两个相对运动的零件，在动力未停止的情况下，突然停止相对运动。

另外，机械零件工作时，由于受到力的作用，由于烧结材料存在着空隙，在零件受到挤压时，容易发生塑性变形，零件的尺寸和精度就会降低，因此对材料的使用性能产生影响。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种抗咬合烧结材料及其制备方法和应用，以解决现有技术中烧结材料易磨损和咬合的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种抗咬合烧结材料，包括基体烧结材料，所述基体烧结材料具有孔隙，基体烧结材料的体积孔隙率为7-25%，还包括填充材料，所述填充材料熔渗在基体烧结材料的孔隙中，熔渗的深度≥0.3mm，所述填充材料的成分中聚苯硫醚重量分数≥70%。

进一步方案，所述填充材料还包括聚醚醚酮和/或尼龙。

进一步方案，所述基体烧结材料为铁基烧结材料或铜基烧结材料。

本发明的第二个目的是提供上述抗咬合烧结材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备基体烧结材料：按重量比称取原料，经过混料、压制、烧结，制备得基体烧结材料；

（2）粉体涂覆：通过涂覆方式将填充材料涂覆到基体烧结材料的表面，形成填充材料粉层，得到试样；

（3）熔渗工序：将试样放在310-370℃的温度中，真空或惰性气氛环境下保温，使填充材料熔渗到基体烧结材料的孔隙中，得到抗咬合烧结材料，所述的惰性气氛为氮气或氩气气氛。

进一步方案，所述步骤（2）中填充材料粉层的厚度为0.06-6mm。

进一步方案，所述步骤（1）中原料为铁粉、润滑剂、石墨、粘结剂，铜粉、镍粉、钼粉中的至少一种。

进一步方案，所述步骤（2）中涂覆方式为静电喷涂、液态涂刷或粉片覆盖。

进一步方案，所述步骤（3）中保温的方式为：在惰性气氛或真空环境中保温10-120min。

进一步方案，所述步骤（3）中保温的方式为：先放入真空环境中保温3-100min，然后再冲入惰性气体，继续保温到3-100min。

本发明的第三个目的是提供上述抗咬合烧结材料的一种应用，将上述抗咬合烧结材料用于制成机械零件，提供一种抗咬合烧结机械零件，所述抗咬合烧结机械零件由抗咬合烧结材料经过机械加工工序得到，所述抗咬合烧结机械零件中填充材料的熔渗深度≥0.2mm。

本发明还提供了一种上述抗咬合烧结机械零件的处理方法，所述处理方法是将抗咬合烧结机械零件放置在50-200℃环境中保温处理10-500min。经过上述处理方法能够得到一种抗咬合烧结机械零件产品，所述抗咬合烧结机械零件产品的表面具有凸起的填充材料微峰，所述填充材料微峰由基体烧结材料的空隙向外部延伸，填充材料微峰的高度为0-40um。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明的基体烧结材料的体积孔隙率为7-25%，通过熔渗工序使填充材料熔渗进入基体烧结材料的孔隙中，并使熔渗深度≥0.3mm，这是因为由基体烧结材料制作成零件的过程中，一般还需要机械加工，如果熔渗深度较小，如小于0.3mm，在机械加工中，熔渗层会全部被加工除去或剩余很少，从而没有实际的应用价值。本发明的填充材料中聚苯硫醚的重量分数≥70%，填充材料的膨胀系数大于基体烧结材料的膨胀系数，当填充材料熔渗到基体烧结材料的孔隙中后，由此材料制成的抗咬合烧结机械零件在相对运动产生热量时，填充材料受热膨胀从而溢出到摩擦面，形成填充材料微层，摩擦面的接触面由金属面-金属面改变为金属面-非金属微层，可以阻止摩擦面产生粘着（冷焊），从而提高烧结材料/零件的抗咬合能力。另一方面孔隙内熔渗有填充材料，能够增加材料强度和硬度，从而增加烧结材料/零件的承载能力、耐磨性能、抗变形能力。

本发明的熔渗工序是在真空或者惰性环境中保温进行的，这是因为空气中含有氧气，高温中聚苯硫醚等填充材料会被氧化，而对填充材料的熔渗工序产生不利影响，使填充材料很难熔渗进入基体烧结材料的孔隙中，导致填充材料的熔渗深度较小，而达不到本发明的目的。在真空或者惰性环境中保温能够保证填充材料熔渗进入基体烧结材料的孔隙中，并达到一定的熔渗深度，从而制备得到性能优异的抗咬合烧结材料。

本发明由抗咬合烧结材料制备得到的抗咬合烧结机械零件产品，其表面具有凸起的填充材料微峰，填充材料微峰的高度为0-40um，在工作中，填充材料微峰可以防止摩擦面产生粘着（冷焊），从而提高抗咬合烧结机械零件产品的抗咬合能力。

附图说明

图1为实施例4制备得到的抗咬合烧结材料的金相组织图；

图2为一般铁基烧结材料的金相组织图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

本申请采用的测试方式如下：

1、硬度测试，采用测试标准为gb/t231.1-2009《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》。

2、抗咬合性能测试，采用摩擦磨损试验，使用油循环2l/min，摩擦面为内径为22mm，外径为30mm的圆环面，压力初始压力为800n，增加幅度为400n/min，熔渗表面平磨ra0.4-ra0.8。采用判断咬合发生的条件为：摩擦系数上下持续波动30%，持续时间到3min；或摩擦系数1min之内上升幅度超过60%。

3、抗变形能力测试，采用整形实验，试样为外径40mm，内径20mm，高度6的圆环，整形采用外箍内胀的方式，整形余量为0.05mm，整形压力为550mpa时。观察整形后的高度变化。

4、微峰高度，采用2205型表面粗糙度仪测试，观察表面变化的情况。

5、熔渗深度，采用金相显微镜观察。

实施例1

1、制备基体烧结材料：按重量比铁粉：铜粉：硬脂酸锌：石墨：锭子油=100：3：0.8：0.8：0.09称取原料，进行混料，经过600mpa压制，1090℃烧结，制备得到铁基烧结材料，其孔隙率为7%；

2、粉体涂覆：在铁基烧结材料上通过静电喷涂涂覆厚度为0.06mm的填充材料粉层，得到试样；填充材料为聚苯硫醚；

3、熔渗工序：把试样放入真空气氛中，在310℃下保温120min后随炉冷却，得到抗咬合烧结材料；

制备抗咬合烧结机械零件：对上述抗咬合烧结材料进行机械加工，得到抗咬合烧结机械零件。

制备抗咬合烧结机械零件产品：将上述抗咬合烧结机械零件放置在空气气氛中加热到200℃保温500min，得到抗咬合烧结机械零件产品。

实施例1的测试结果为：铁基烧结材料，即熔渗前，hbw为98-105，发生咬合的压力的2800n、3200n，抗变形能力测试，高度减少0.28-0.30mm；

抗咬合烧结材料，即熔渗后，hbw为110-115；熔渗深度0.3-0.4mm，发生咬合的压力为5400n、5800n；抗变形能力测试，高度减少0.07-0.08mm；

机械加工后得到的抗咬合烧结机械零件的熔渗深度为0.2-0.3mm；

抗咬合烧结机械零件产品的填充材料微峰高度为0-10um。

实施例2

1、制备基体烧结材料：按重量比铁粉：铜粉：镍粉：硬脂酸锌：石墨：锭子油=100：1：1.5：1.5：0.8：0.09称取原料，进行混料，经过550mpa压制、1110℃烧结，制备得到铁基烧结材料，其孔隙率为10%；

2、粉体涂覆：在铁基烧结材料上通过粉片覆盖涂覆厚度为0.3mm的填充材料粉层，得到试样；填充材料为：70%聚苯硫醚+20%尼龙+10%聚醚醚酮；

3、熔渗工序：把试样放入氮气气氛中，在370℃下保温10min后随炉冷却，得到抗咬合烧结材料；

制备抗咬合烧结机械零件：对上述抗咬合烧结材料进行机械加工，得到抗咬合烧结机械零件。

制备抗咬合烧结机械零件产品：将上述抗咬合烧结机械零件放置在空气气氛中加热到200℃保温10min，得到抗咬合烧结机械零件产品。

实施例2的测试结果为：铁基烧结材料，即熔渗前，hbw为88-105，发生咬合的压力的2800n、3200n，抗变形能力测试，高度减少0.30-0.32mm；

抗咬合烧结材料，即熔渗后，hbw为120-130；熔渗深度0.5-0.8mm，发生咬合的压力为5400n、5800n；抗变形能力测试，高度减少0.08-0.09mm；

机械加工后得到的抗咬合烧结机械零件的熔渗深度为0.4-0.7mm；

抗咬合烧结机械零件产品的填充材料微峰高度为0-15um。

实施例3

1、制备基体烧结材料：按重量比铁粉：钼粉：硬脂酸锌：石墨：锭子油=100：0.5：1.0：0.8:0.09称取原料，进行混料，经过550mpa压制，1100℃烧结，制备得到铁基烧结材料，其孔隙率为18%；

2、粉体涂覆：在铁基烧结材料上通过液态涂刷涂覆厚度为0.55mm的填充材料粉层，得到试样；填充材料为：95%聚苯硫醚+5%聚醚醚酮；所述液态涂刷使用的涂料为60%酒精+50填充材料；

3、熔渗工序：把试样放入氩气气氛中，在350℃下保温30min后随炉冷却，得到抗咬合烧结材料；

制备抗咬合烧结机械零件：对上述抗咬合烧结材料进行机械加工，得到抗咬合烧结机械零件。

制备抗咬合烧结机械零件产品：将上述抗咬合烧结机械零件放置在空气气氛中加热到50℃保温500min，得到抗咬合烧结机械零件产品。

实施例3的测试结果为：铁基烧结材料，即熔渗前，hbw为80-100，发生咬合的压力的3200n、3600n，抗变形能力测试，高度减少0.30-0.32mm；

抗咬合烧结材料，即熔渗后，hbw为120-130；熔渗深度1.5-2.0mm，发生咬合的压力为5400n、5800n；抗变形能力测试，高度减少0.08-0.09mm；

机械加工后得到的抗咬合烧结机械零件的熔渗深度为1.3-1.8mm；

抗咬合烧结机械零件产品的填充材料微峰高度为0-30um。

实施例4

1、制备基体烧结材料：按重量比铁粉：铜粉：硬脂酸锌：石墨：锭子油=100：2：1.5：0.8:0.09称取原料，进行混料,经过500mpa压制，1110℃烧结，制备得到铁基烧结材料，其孔隙率为25%；

2、粉体涂覆：在铁基烧结材料上通过粉片覆盖涂覆厚度为3mm的填充材料粉层，得到试样；填充材料为：90%聚苯硫醚+10%尼龙；

3、熔渗工序：把试样放入真空气氛中，在330℃下保温100min，然后再冲入氩气气体，继续保温3min后随炉冷却，得到抗咬合烧结材料。

制备抗咬合烧结机械零件：对上述抗咬合烧结材料进行机械加工，得到抗咬合烧结机械零件。

制备抗咬合烧结机械零件产品：将上述抗咬合烧结机械零件放置在空气气氛中加热到150℃保温30min，得到抗咬合烧结机械零件产品。

实施例4的测试结果为：铁基烧结材料，即熔渗前，hbw为80-95，发生咬合的压力的3200n、3600n，抗变形能力测试，高度减少0.32-0.34mm；

抗咬合烧结材料，即熔渗后，hbw为105-125；熔渗深度5.3-5.8mm，发生咬合的压力为5400n、5800n；抗变形能力测试，高度减少0.09-0.10mm；

机械加工后得到的抗咬合烧结机械零件的熔渗深度为5.1-5.6mm；

抗咬合烧结机械零件产品的填充材料微峰高度为0-40um，抗咬合烧结机械零件产品发生咬合的压力为6200n、6600n；可知抗咬合烧结机械零件产品发生咬合的压力大于抗咬合烧结材料，说明抗咬合烧结机械零件表面的填充材料微峰，能够改善材料性能，提高其抗咬合能力。

图1为本实施例制备得到的抗咬合烧结材料的金相组织照片，为便于分析，我们引用图2（来源于任颂赞等主编的《钢铁金相图谱》中的图5-23）来说明填充材料的熔渗现象，图2为一般铁基烧结材料的金相组织图，图2中黑色为空隙；而从图1可以看出由浅灰色代替了图2中的黑色，在金相显微镜下，凹下去的地方或者反光能力差的物质，在图像上表现为灰暗区域。填充材料的反光能力不如金属材料，但耐腐蚀性较好，当填充材料填充空隙后，在图1中即表现为浅灰色区域。因此可知，本发明通过熔渗工序成功将填充材料引入基体烧结材料的孔隙中，制得性能优异的抗咬合烧结材料。

实施例5

1、制备基体烧结材料：按重量比铜粉：硬脂酸锌：石墨=100：1：0.4称取原料，进行混料，经过500mpa压制，920℃烧结，制备得到铜基烧结材料，其孔隙率为25%；

2、粉体涂覆：在铜基烧结材料上涂覆厚度为6mm的填充材料粉层，得到试样；填充材料为：90%聚苯硫醚+10%尼龙；

3、熔渗工序：把试样放入氩气气氛中，在320℃下保温110min后随炉冷却，得到抗咬合烧结材料。

实施例5的测试结果为：铜基烧结材料，即熔渗前，hbw为30-40，发生咬合的压力的2800n、3200n，抗变形能力测试，高度减少0.40-0.45mm；

抗咬合烧结材料，即熔渗后，hbw为50-60；熔渗深度3.2-3.8mm，发生咬合的压力为4600n、5000n；抗变形能力测试，高度减少0.15-0.20mm。

实施例6

1、制备基体烧结材料：按重量比铜粉：硬脂酸锌：铁粉=100：1：0.4称取原料，进行混料，经过550mpa压制，920℃烧结，制备得到铜基烧结材料，其孔隙率为15%；

2、粉体涂覆：在铜基烧结材料上涂覆厚度为1mm的填充材料粉层，得到试样；填充材料为：90%聚苯硫醚+10%尼龙；

3、熔渗工序：把试样放入真空气氛中，在360℃下保温100min，然后再冲入氮气气体，继续保温到3min后随炉冷却，得到抗咬合烧结材料；

制备抗咬合烧结机械零件：对上述抗咬合烧结材料进行机械加工，得到抗咬合烧结机械零件。

制备抗咬合烧结机械零件产品：将上述抗咬合烧结机械零件放置在空气气氛中加热到150℃保温30min，得到抗咬合烧结机械零件产品。

实施例6的测试结果为：铜基烧结材料，即熔渗前，hbw为35-45，发生咬合的压力的2800n、3200n，抗变形能力测试，高度减少0.37-0.40mm；

抗咬合烧结材料，即熔渗后，hbw为50-65；熔渗深度2.5-2.7mm，发生咬合的压力为4600n、5000n；抗变形能力测试，高度减少0.11-0.14mm；

机械加工后得到的抗咬合烧结机械零件的熔渗深度为2.3-2.5mm；

抗咬合烧结机械零件产品的填充材料微峰高度为0-33um。

对比例1

对比例1与实施例2不同的是，熔渗工序中的气氛为空气。

对比例1的测试结果为：抗咬合烧结材料，即熔渗后，hbw为93-107；熔渗深度0.05-0.10mm，抗变形能力测试，高度减少0.28-0.29mm，机械加工后熔渗深度剩余0mm。

对比例2

对比例1与实施例2不同的是，熔渗工序中的气氛为氮气和氢气，氢气的体积比占20%。

对比例2的测试结果为：抗咬合烧结材料，即熔渗后，hbw为90-106；熔渗深度0.15-0.20mm，熔渗时，发现有黄色物质产生，抗变形能力测试，高度减少0.29-0.31mm；发生咬合的压力的3200n、3600n。

对比例3

对比例1与实施例2不同的是，填充材料为：100%聚醚醚酮。

对比例1的测试结果为：抗咬合烧结材料，即熔渗后，hbw为93-107；熔渗深度0.05-0.10mm，抗变形能力测试，高度减少0.28-0.29mm，机械加工后熔渗深度剩余0mm。

由上述实施例可知，经过硬度测试、抗咬合性能测试和抗变形能力测试，可知经过熔渗工序后，得到的抗咬合烧结材料的硬度、承载能力、抗变形能力得到明显改善，表现出优异的抗咬合性能。这是因为填充材料熔渗进入基体烧结材料的孔隙后，当其受热膨胀后能够溢出到摩擦面，形成填充材料微层，摩擦面的接触面由金属面-金属面改变为金属面-非金属微层，可以阻止摩擦面产生粘着（冷焊），从而提高烧结材料/零件的抗咬合能力。另一方面孔隙内熔渗有填充材料，能够增加材料强度和硬度，从而增加烧结材料/零件的承载能力、耐磨性能、抗变形能力。

从对比例1和对比例2数据可以看出，熔渗的环境对填充材料的熔渗深度影响显著，当在空气或是氮气和氢气的混合气氛中熔渗时，填充材料的熔渗深度极小，当经过机械加工后，所得到的抗咬合烧结机械零件的熔渗层会全部被加工除去或剩余很少，从而没有实际的应用价值。从对比例3可知，当填充材料为聚醚醚酮，而不含聚苯硫醚时，填充材料的熔渗深度也较小，试验效果不理想。

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。