一种高强减摩双层铁基粉末冶金材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种高强减摩双层铁基粉末冶金材料及其制备方法，通过在基体中调配致密强化剂，实现基体材料致密高强；通过在表层中调配复合造孔剂，实现表层材料多孔含油，同时使表层满足硬度和耐磨性能要求，维持摩擦副接触界面和润滑状态稳定，制备出一种新型高强减摩双层铁基粉末冶金材料，明显提高铁基粉末冶金材料的承载、耐磨和减摩抗咬合性能。实现高强度与良好润滑特性的有效统一。
【专利说明】
一种高强减摩双层铁基粉末冶金材料及其制备方法 一、
技术领域
[0001] 本发明涉及一种铁基粉末冶金材料及其制备方法，具体地说是一种高强减摩双层 铁基粉末冶金材料及其制备方法，属于金属材料粉末冶金技术领域。 二、
【背景技术】
[0002] 铁基粉末冶金材料强度、硬度高，耐磨性能好，已在滑动轴承、汽车零件和液压元 件等领域得到广范应用。但随着现代工业的发展，在一些对性能要求较高的场合，铁基粉末 冶金零件常出现硬度、强度不足问题，尽管可以通过增加产品密度来改善其力学性能，但材 料的孔隙率、含油率随之降低，含油自润滑性能变差，摩擦副表面易发生黏着磨损甚至咬 合。双层材料具有类似双金属材料的结构和功能特点，可充分发挥两种复合材料的各自优 点，使材料整体获得更加优异的力学和摩擦学性能，延长使用寿命，提升综合经济效益，在 工业生产中具有明显应用前景。
[0003] CN102913555A提供了一种双层复合粉末冶金含油轴承制造方法，具体结构包括： 位于内层的一段或多段粉末冶金层和位于外层的钢套，一段或多段粉末冶金层与钢套烧结 在一起。该双层含油轴承采用双层结构，虽然具有良好的耐磨性和较高的承载能力，但由于 外层采用钢套，内外层之间界面结合状态较差，轴承运行过程中磨损或受热变形后易发生 震荡，从而影响使用寿命。
[0004] CN201007319公开了一种粉末冶金双层金属材料含油轴套，其结构包括轴套主体 层和表层减摩层，主体层采用贵重金属，具有较高的强度和硬度，减摩层可以减少贵重金属 用量，具有良好的减摩性和低噪音，保证了轴套的工作和使用性能。该专利虽然一定程度上 提高了轴套承载能力和摩擦学性能，但减摩层强度、硬度低，工作过程中耐磨性能较差，摩 擦接触界面和润滑状态不稳定，磨损问题严重。
[0005] 因此，如何综合平衡铁基粉末冶金材料的力学性能和摩擦学性能，使铁基材料既 具有较高强度、硬度，又具有一定含油减摩自润滑性能，同时保证摩擦界面和润滑状态持续 稳定，实现力学性能和摩擦学性能的有效统一，是拓展铁基含油材料在复杂工况下应用的 关键。 三、
【发明内容】
[0006]本发明旨在提供一种尚强减摩双层铁基粉末冶金材料及其制备方法，以实现铁基 粉末冶金材料力学性能和摩擦学性能的有效统一。
[0007] 本发明高强减摩双层铁基粉末冶金材料，是由表层材料和基体材料双层结构复合 构成，基体材料为致密高强层，用于承载;表层材料为多孔含油层，用于提供润滑，同时表层 材料具有一定硬度和耐磨性能，用于维持摩擦界面和润滑状态稳定。表层材料的厚度为双 层铁基粉末冶金材料厚度的1/5~3/5。
[0008] 所述表层材料的原料按质量百分比构成为：还原铁粉75~89%，铜粉8~15%，镍 粉0~5 %，钼粉0.2~1.0 %，石墨粉0.2~1.2 %，磷铁粉0.2~1.5 %，氢化钛粉1~8 %和硬 脂酸锌粉0.5~2 %。
[0009]所述基体材料的原料按质量百分比构成为:还原铁粉88~96%，铜粉1~8%，镍粉 0%~5%，钼粉0~1 %，石墨粉0.2~1.2%，磷铁粉0.2~1.5%和致密剂0.1~2%。
[0010] 所述致密剂为C0M-XZ5和/或Best-1000,若为两者时，比例任意。
[0011] 本发明高强减摩双层铁基粉末冶金材料的制备方法，包括如下步骤：
[0012] (1)混料:按配方分别将表层材料的原料和基体材料的原料装入混料器中，以20~ 40r/min的速度混合0.5~Ih，得到表层原料混合料和基体原料混合料；
[0013] (2)压制:采用两次装粉一次压制方法，首先将表层原料混合料送入压机的制品模 具中刮平预压，压平后再装填基体原料混合料，在600~700MPa压力下压制成生坯；
[0014] (3)烧结:将所述生坯置入粉末冶金烧结炉，通入氨分解气氛进行保护，烧结温度 为1050~1180°C，烧结时间为2~4小时，得到烧结材料；
[0015] (4)浸油:将所述烧结材料进行真空浸油，真空气压值不大于8KPa，油温为80~100 °C，浸油时间为0.5~Ih，得到高强减摩双层铁基粉末冶金材料。
[0016] 本发明高强减摩双层铁基粉末冶金材料的表层致密度范围为75~85%，含油率15 ~25%，基层致密度范围为88~96%。表层硬度为60~75HRB，基层硬度为85~95HRB。
[0017] 本发明通过在基体中调配致密强化剂，增强粉体流动，减少贵重合金组元，在降低 原料成本的前提下，实现基体材料致密高强，满足高强、高承载需求;通过在表层中复合造 孔剂调配(添加氢化钛和硬脂酸锌），实现表层材料孔隙率适中、孔隙相互贯通并提高表面 开孔孔隙，以存储较多液体润滑剂，并利于供给摩擦表面，实现较好减摩效果，同时氢化钛 分解产生单质钛，与表层材料中的石墨发生原位合成反应，生成硬度较高的碳化钛颗粒，使 表层不因孔隙率过高而大幅度降低硬度，表层承载后不发生大塑性变形，满足表层硬度和 耐磨性能要求，维持摩擦副接触界面和润滑状态稳定。依此可制备结构、性能可调控的双层 铁基粉末冶金材料，工作过程中，致密高强的基体具有较高的承载能力，用于承载，多孔含 油的表层具有较高的储油性能，用于提供润滑，同时表层中反应生成的硬质相，可用于保证 摩擦副接触界面和润滑状态稳定持续，进而实现高强度与良好润滑特性的有效统一。
[0018] 与已有技术相比，本发明的有益效果体现在以下方面：
[0019] 1、本发明提出一种新型双层铁基粉末冶金材料，材料由致密基体和多孔表层复合 组成，由于采用粉末冶金工艺，层间界面结合状态良好。致密高强的基体，具有较高承载能 力，多孔含油的表层，储油润滑性能突出，材料整体能实现高强度与良好润滑特性的有效统 〇
[0020] 2、本发明的材料表层通过复合造孔剂调配，一定程度上提高材料表面开孔孔隙 率，实现表层材料孔隙率适中、孔隙相互贯通并提高表面开孔孔隙，以存储较多液体润滑 剂，并利于供给摩擦表面，实现较好减摩效果，同时在表层生成硬质颗粒相，使表层不致因 孔隙率过高而降低硬度，承载后不发生大塑性变形，满足表层硬度和耐磨性能要求，有效保 证摩擦副接触表面间润滑状态稳定持续。
[0021] 3、本发明通过在基层中调配致密强化剂，能增强粉体流动，减少贵重合金组元，在 降低原料成本的前提下，实现基体材料致密高强，满足高强、高承载性能需求。 四、【具体实施方式】
[0022]下面结合实施例，对本发明作进一步地说明。
[0023] 实施例1:
[0024]本实施例中高强减摩双层铁基粉末冶金材料，是由表层材料和基体材料复合构 成，表层材料的厚度为双层铁基粉末冶金材料厚度的1/5。
[0025]表层材料的原料按质量百分比构成为:还原铁粉5.04g(84% )，铜粉0.6g(10% )， 镍粉 0.15g(2.5%)，钼粉 0.03g(0.5%)，石墨粉 0.03g(0.5%)，磷铁粉 0.03g(0.5%)，氢化 钛粉0.06g( 1 % )和硬脂酸锌粉0.06g( 1 % )。
[0026]基体材料的原料按质量百分比构成为:还原铁粉21.6g(90%)，铜粉1.2g(5%)，镍 粉0.68(2.5%)，钼粉0.128(0.5%)，石墨粉0.128(0.5%)，磷铁粉0.128(0.5%)和致密剂 C0M-XZ5 0.24g(l%)〇
[0027] 本实施例中高强减摩双层铁基粉末冶金材料的制备方法如下：
[0028] (1)混料:按配方分别将表层材料的原料和基体材料的原料装入混料器中，以40r/ min的速度混合0.5h，得到表层原料混合料和基体原料混合料；
[0029] (2)压制:采用两次装粉一次压制方法，首先将表层原料混合料送入压机的制品模 具中刮平预压，压平后再装填基体原料混合料，在650MPa压力下压制成生坯；
[0030] (3)烧结:将所述生坯置入粉末冶金烧结炉，通入氨分解气氛进行保护，烧结温度 为1100°C，烧结时间为3小时，得到烧结材料；
[0031] (4)浸油：将所述烧结材料进行真空浸油，真空气压值不大于8KPa，油温为100°C， 浸油时间为〇. 5h，得到高强减摩双层铁基粉末冶金材料。
[0032] 本实施例得到双层铁基含油材料，表层致密度约为82%，含油率18%，基层致密度 为90%。表层硬度为66HRB，基层硬度为89HRB。将所得双层铁基含油材料在HDM-10型端面摩 擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，转速设置为735r/min，实验载荷为120kg，上试样材料是 硬度为52HRC的40Cr，实验过程中不额外添加润滑油。摩擦磨损实验后，摩擦系数为0.093、 磨痕深度为〇. 〇〇9mm。
[0033] 实施例2:
[0034] 本实施例中高强减摩双层铁基粉末冶金材料，是由表层材料和基体材料复合构 成，表层材料的厚度为双层铁基粉末冶金材料厚度的2/5。
[0035]表层材料的原料按质量百分比构成为:还原铁粉9.84g(82%)，铜粉1.2g(10%)， 镍粉 〇.3g(2.5%)，钼粉 0.06g(0.5%)，石墨粉 0.06g(0.5%)，磷铁粉 0.06g(0.5%)，氢化钛 粉0.36g(3 % )和硬脂酸锌粉0.12g(1 % )。
[0036]基体材料的原料按质量百分比构成为：还原铁粉16.7 8g (9 3.2 % )，铜粉0.9 g (5%)，镍粉(^(0%)，钼粉0.048(0.2%)，石墨粉0.098(0.5%)，磷铁粉0.098(0.5%)和致 密剂Best-1000 0.11g(0.6%)。
[0037] 本实施例的制备方法同实施例1。
[0038] 本实施例得到双层铁基含油材料，表层致密度约为79%，含油率21 %，基层致密度 约为92%。表层硬度约为71HRB，基层硬度约为93HRB。采用实施例1中所述摩擦实验工况，摩 擦磨损实验后，摩擦系数为0.081、磨痕深度为0.007mm。
[0039] 实施例3:
[0040] 本实施例中高强减摩双层铁基粉末冶金材料，是由表层材料和基体材料复合构 成，表层材料的厚度为双层铁基粉末冶金材料厚度的3/5。
[0041] 表层材料的原料按质量百分比构成为:还原铁粉14.4g(80%)，铜粉1.8g(10%)， 镍粉 0.458(2.5%)，钼粉0.098(0.5%)，石墨粉0.098(0.5%)，磷铁粉0.098(0.5%)，氢化 钛粉〇.9g(5%)和硬脂酸锌粉0.18g(l%)。
[0042] 基体材料的原料按质量百分比构成为：还原铁粉11.17g(93.1%)，铜粉0.6g (5%)，镍粉(^(0%)，钼粉0.028(0.2%)，石墨粉0.068(0.5%)，磷铁粉0.068(0.5%)和致 密剂0^25 0.048(0.3%)和868卜1000 0.058(0.4%)。
[0043]本实施例的制备方法同实施例1。
[0044] 本实施例得到双层铁基含油材料，表层致密度约为77%，含油率23%，基层致密度 约为94%。表层硬度约为73HRB，基层硬度约为94HRB。采用实施例1中所述摩擦实验工况，摩 擦磨损实验后，摩擦系数为0.068、磨痕深度为0.005_。
[0045] 由表1可见，与普通单层铁基烧结材料相比，实施例1~3中各复层铁基含油材料的 表层含油率、基体致密度和硬度均高于单层材料含油率、致密度和硬度，且摩擦磨损性能明 显改善。与实施例1相比，实施例3增加造孔剂氢化钛粉含量增加到5%，并添加0.3%C0M-XZ5和0.4%Be St-1000作为致密剂，表层含油率和硬度升高幅度分别为28%和11%，基层致 密度和硬度分别升高4.4%和5.6%，摩擦系数和磨痕深度分别降低27%和44%。
[0046] 表1双层铁基含油材料性能对比
[0048]本发明公开了一种新型高强减摩双层铁基粉末冶金材料。通过在基体中调配致密 强化剂，增强粉体流动，实现基体材料致密高强，满足高强、高承载需求;通过在表层中复合 造孔剂调配，实现表层材料孔隙率适中、孔隙相互贯通并提高表面开孔孔隙，以存储较多液 体润滑剂，并利于供给摩擦表面，实现较好减摩效果，同时使表层满足硬度和耐磨性能要 求，维持摩擦副接触界面和润滑状态稳定，制备一种新型高强减摩双层铁基粉末冶金材料， 明显提高铁基粉末冶金材料的承载、耐磨和减摩抗咬合性能。实现高强度与良好润滑特性 的有效统一。当然，根据实际需要，本发明所述详细制备工艺在上述范围还可以包含更多的 实施例，本发明并不限于上述具体的实施例。
【主权项】
1. 一种高强减摩双层铁基粉末冶金材料，其特征在于：是由表层材料和基体材料双层 结构复合构成，表层材料的厚度为双层铁基粉末冶金材料厚度的1/5~3/5; 所述表层材料的原料按质量百分比构成为:还原铁粉75~89%，铜粉8~15%，镍粉0~ 5 %，钼粉0.2~1.0 %，石墨粉0.2~1.2 %，磷铁粉0.2~1.5 %，氢化钛粉1~8 %和硬脂酸锌 粉0.5~2 % ; 所述基体材料的原料按质量百分比构成为:还原铁粉88~96%，铜粉1~8%，镍粉0% ~5 %，钼粉0~1 %，石墨粉0.2~1.2 %，磷铁粉0.2~1.5 %和致密剂0.1~2 %。2. 根据权利要求1所述的高强减摩双层铁基粉末冶金材料，其特征在于： 所述高强减摩双层铁基粉末冶金材料的表层致密度为75~85%，含油率15~25%，基 层致密度为88~96 % ;表层硬度为60~75HRB，基层硬度为85~95HRB。3. 根据权利要求1所述的高强减摩双层铁基粉末冶金材料，其特征在于： 所述致密剂为COM-XZ5和/或Best-1000。4. 一种权利要求1所述的高强减摩双层铁基粉末冶金材料的制备方法，其特征在于包 括如下步骤： (1) 混料:按配方分别将表层材料的原料和基体材料的原料装入混料器中，以20~40r/ min的速度混合0.5~lh，得到表层原料混合料和基体原料混合料； (2) 压制:采用两次装粉一次压制方法，首先将表层原料混合料送入压机的制品模具中 刮平预压，压平后再装填基体原料混合料，在600~700MPa压力下压制成生坯； (3) 烧结:将所述生坯置入粉末冶金烧结炉，通入氨分解气氛进行保护，烧结后得到烧 结材料； (4) 浸油:将所述烧结材料进行真空浸油，得到高强减摩双层铁基粉末冶金材料。5. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于： 烧结温度为1050~1180°C，烧结时间为2~4小时。6. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于： 真空浸油的油温为80~100°C，浸油时间为0.5~lh，真空气压值不大于8KPa。
【文档编号】B22F1/00GK106041099SQ201610475557
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】尹延国, 张国涛, 刘振明, 尹利广
【申请人】合肥工业大学