专利名称：一种耐热耐磨自润滑材料的制作方法
技术领域：
本发明属于金属自润滑材料领域，此自润滑材料适用于冶金、矿山、机械等领域中制造轴承、轴瓦、轴套和其他种类的滑动摩擦部件，特别适用于制造在高温条件下(350℃-800℃)服役零部件所使用的耐热耐磨自润滑材料。
背景技术：
在冶金、机械、矿山等行业中服役的工业零部件往往由于温度高、载荷重、粉尘污染和氧化严重大大影响了其使用周期，特别是在一些高温润滑油(脂)添加困难，冷却装置失效和检修维护不利的部位，由于耐磨件的磨损会直接影响到连续生产作业效率和产品质量。
现在冶金、机械、矿山等行业中用于制造轴承类耐磨件的材料主要有GCr15轴承钢、粉末冶金材料和高硫合金钢材料(化学成分详见表2)。其中GCr15是目前制作轴承(瓦、套)等耐磨件使用最普遍的轴承钢材料。但该材料由于必须采用油脂润滑的方式进行润滑，当工况温度使耐磨件自身温度达到高于润滑油脂炭化点温度时，润滑油发生炭化，形成大量炭化颗粒，摩擦体表面由边界(或流体)摩擦方式改变为磨料磨损方式，摩擦系数迅速增加，导致耐磨件运转失效。而表2中介绍的粉末冶金材料制作的轴承耐磨件适用于环境温度500℃以下使用，在现用GCr15材料轴承相同的使用部位，该类材料在短期使用时具有自润滑性能(摩擦系数低)，但在重载工作条件下使用该类材料制作的耐磨件会很快出现磨损量增加，摩擦间隙超量，由于受力不均导致耐磨件被压溃失效；在高温工作条件下，该材料制造的耐磨件中MoS2等固体润滑剂析出后无法得到连续补充，高温润滑性能下降，表面因加速氧化进入干摩擦，故该类材料使用寿命较短。据有关文献介绍的另一种高硫合金钢(主要成份详见表2)，当用于GCr15材料制造的耐磨件相同使用部位时，其自身形成的高硫硫化物能够作为固体润滑剂，有较明显的降低材料摩擦系数作用，但该类材料轴承在重载条件下表面固体润滑膜不连续，磨损间隙很快超过使用设计值；在高温条件下使用时，表面易被氧化，造成摩擦系数增大；另外使用该类材料制作耐磨件需要较大的初始设计公差和运转启动功率，不适用于制造精密耐磨轴承件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种更耐热，且具有较高高温强硬度、优良的耐磨和减摩性能、高温抗氧化性能和耐工业气体(CO2、SO2等)腐蚀性能，使用寿命长的自润滑材料。
根据上述目的，本发明的技术方案为本发明材料是设计了一种不同于常规铸铁，而是含有多种高温强化相、耐磨相、减摩相元素并具有高温自润滑功能的耐热、耐磨合金铸造材料，其在恶劣的工况条件下具有优良的综合性能，最终达到提高材料使用寿命的目的。根据这一目的设计该合金的基本思路是通过强化基础相，加入微量合金元素，提高材料自身的在高温条件下的强度；在保证高温强度的条件下通过减摩元素添加，降低材料的摩擦系数而达到材料耐磨损的目的。
根据上述目的和技术方案，本发明自润滑材料的具体化学成分组成(重量％)为C 2.6-3.3％，S 0.35-0.49％，Si 0.5-1.0％，Cr 18-35％，Mo 0.8-1.5％，Cu 0.8-1.2％，Al 1.5-5.0％，V 0.1-0.25％，B 0.05-0.15％，RE 0.008-0.08％，P≤0.3％，Ni≤0.3％，Mn≤0.3％，余为铁；其中Cr/C重量比为5.5-10。
本发明另外的技术方案为Cr/C重量比为5.8-7。
上述各元素的化学依据为C(W％，下同)和Cr是决定该材料组织和性能的主要元素，研究表明在M23C7、M7C3、M3C几种类型的碳化物中，M7C3型碳化物为(密排六方点阵，呈条状分布)具有较高的基体强硬度和抗磨能力。M3C型碳化物成网状分布，弱化晶界，硬度较低，使材料的抗磨性能和韧性随之下降。而M23C7型碳化物一般可以形成基体中的硬化相，但在摩擦过程中，易于从基体中剥落。因此为了使该材料形成的耐磨相(碳化物)主要为M7C3型，Cr/C重量比应控制在5.8-7之间，并且控制M3C型(渗碳体型碳化物)的增多，M3C通常将随Cr量降低而逐渐增加。
碳化物量和碳化物类型的控制对该材料的耐磨性能起着至关重要的作用，单纯增加含碳量提高基体碳化物量将使基体中的铬浓度降低，导致材料淬透性下降，淬火后残余奥氏体量增加，碳化物向M3C型结构变化。所以在选择C、Cr含量时，必须同时考虑碳化物量(根据零部件的耐磨性和韧性要求而定)、基体组织的铬浓度和Cr/C比。Cr/C比高的基体Cr浓度也高，当Cr/C比为8-10时，基体中的含铬量约为12％--15％；对于以马氏体为基的合金铸铁脱稳处理前，基体中Cr/C比应保持在5.5以上。本材料在获得以马氏体为基体组织的基础上通过添加强化合金元素在铸态下可以直接获得高性能的耐热、耐磨材料；当将铬含量提高到25％以上，Cr/C比为10时，铸件空冷后可获得含铬15％左右的富铬奥氏体，从而使基体获得优良的耐磨性能、抗冲击韧性和高温抗氧化能力。
通常亚共晶组织是由晶团较小的碳化物和奥氏体组成的基体相，在该材料生产中应避免出现晶团较大的共晶组织和过共晶组织，研究表明在一定范围内含铬量提高时基体组织中晶团直径变小；当铬含量不变时，凝固速率降低，晶团直径增加，材料的抗冲击性能下降，所以在生产过程中应控制Cr/C比，并通过加入复合元素控制凝固速率。当该类材料中出现共晶和过共晶组织时，不利于制造承受较重冲击载荷的零部件。在承受较重载荷的零部件的制造过程中，基体材料中的碳化物量可选在20％至28％之间；在承受高冲击载荷的零部件制作过程中，应再降低碳化物量。当碳化物量达到35％以上时，材料的韧性将会下降。
残余奥氏体是该材料显微组织中的基本组成相之一，一般认为残余奥氏体具有原始硬度低、韧性好、加工硬化能力强等特点，它的相对含量对材料的力学性能和抗磨性有不可忽视的影响，在材料成分设计中可根据不同的工矿条件通过C、Cr和其它合金元素的添加，参照Henin公式(马氏体铸铁Ms点与化学成分的关系)计算和控制残余奥氏体含量。本材料在热处理前可得到15％至38％的残余奥氏体。作为软化相的残余奥氏体，可以缓解外力对基体中碳化物的冲击，延长碳化物发生断裂和脱落的时间，同时可以避免基体与碳化物结合处出现裂纹，因此在工矿条件允许的情况下增加残余奥氏体量可以提高材料的抗冲击磨损。残余奥氏体量占基体的比例直接影响材料基体的硬度。在实际生产过程中材料的原始组织受热至Ms点以上温度冷却时部分残余奥氏体转变为马氏体产生二次硬化作用，提高了基体的硬度和耐磨性。
Mo能够有效的提高材料的淬透性，对于抗磨材料而言，淬透性是材料的重要工艺性质。本发明材料为了改善抗磨能力，在避免产生裂纹的条件下充分硬化，因此添加钼。在该材料的亚共晶组织中，基体的含钼量约为合金总含钼量的10％至25％。钼在该材料中形成钼碳化合物，其主要结构为Mo2C和铁钼金属间化合物。钼碳化合物硬度很高，能有效的提高基体的抗磨料磨损能力。钼还能有效的提高Ms点温度，减少室温中残余奥氏体量。增加含钼量可使空冷获得的马氏体铸件当量厚度增加，这对厚大的铸件具有更高的实用价值。
本发明材料中加入Cu是为了配合Mo元素有效的提高淬透性，并且通过钼铜复合提高基体在高温下的强硬度。研究表明当Cu含量达到0.5％以上至1.0％时，能够细化碳化物颗粒，使其在基体组织中分布更均匀；提高材料的淬透性，即对该材料产生有益影响；铜是减摩材料，能提高材料的自润滑性能，并有效降低磨料磨损程度。当加入量超过1.2％时，对基体显微组织细化作用减弱，随Cu含量增加形成软质相，基体硬度反而下降，将产生不利于抗磨性的作用。
本发明材料中添加Si的目的在于减少铬、钒等合金元素的氧化损失，减小共晶反应温度范围，使共晶碳化物变得较为细小和弥散化；硅使共晶含碳量降低，从而使基体碳化物量增加；Si特别有助于提高马氏体型转变产物的硬度，当亚共晶合金铸铁含硅量提高时，将有助于M7C3型化合物增加。研究表明当含硅量大于1％时，将增加材料的脆性。
在Cr、Al系合金材料中，当Al含量大于4％时，高温氧化膜主要由Al2O3组成；当铬大于15％以上时，则形成以Cr2O3为主的氧化膜，也具有较高的抗氧化性，如果Cr、Al综合使用，则能更好的发挥其抗氧化作用。在高温条件下(800℃)合金表面形成坚固的铝氧化薄膜，与基体金属牢固结合，并可与基体金属一起变形，起到对基体的保护作用。铝具有比铬更大程度的形成高致密性和抗热氧化膜的能力，因此，在本发明的合金中添加少量的铝可以使铬的抗氧化能力得到极大的提高，等量铝的作用相当于10倍铬的作用。
添加微量元素V有利于生成V2C和VC等二次强化沉淀相，提高材料的抗磨性。在高温下二次强化沉淀相对材料晶界的钉扎作用可有效提高材料高温强硬度。添加V还可以替代Cr形成复合碳化物，从而增加基体中的含铬量。
添加微量元素B可形成基体中的陶瓷质点，提高基体硬度，有关资料介绍硼具有强烈的强化晶界的作用，可有效抑制高温下晶界的过度长大，提高材料的高温耐磨性。
添加微量元素Re可明显改善材料中夹杂物的形状，本发明材料中稀土元素的添加可使复合稀土硫化物呈球状，有利于形成减摩相。稀土能够促使片状马氏体向板条马氏体转变。稀土可细化材料的初生晶粒，改善晶界处有害元素的富集状况，使材料获得较致密的细晶组织；稀土还可净化钢液并改善其流动性，从而提高铸件的质量。
Mn是强烈的奥氏体形成元素，本发明材料为了获得马氏体基体组织，将锰含量控制在0.3％以下。锰的加入会促使σ相析出；锰是本发明材料中形成有害夹杂物的主要元素，在高温重载条件下，易形成裂纹源。锰含量的增加会降低材料的抗氧化性能和高温气体腐蚀性能。由于锰的加入与钢中的S形成MnS有害夹杂物，并消耗钢中为提高减摩润滑加入的S元素，所以本发明材料中控制锰的加入。
Ni是贵重且稀有的金属，为了降低材料的成本，使制作的零部件更经济适用，本发明材料中镍含量为炼钢所选材料中的残余镍含量。
S是本发明材料中的一个重要添加元素。一般认为材料中应严格控制硫与硫化物，因为硫与硫化物会对材料的机械、力学及其它性能产生不利影响；但S也是易切削钢中的主要添加元素，由于S的作用使其加工表面具有自润滑性。近年来的一些研究表明，硫化物是一种优良的固体自润滑相，本材料研究中通过S的加入形成MoS2及复合稀土硫化物，其密集六方晶体层状结构可作为一种固体自润滑相，具有优良的自润滑能力，特别是在高温下形成摩擦偶之间的微细金属粒子润滑颗粒能使材料的减摩性能大大提高，摩擦系数降低，从而延长了材料的耐磨使用周期。本材料中确定的硫含量为0.35％至0.49％，冶炼过程和试验数据表明当钢中硫含量大于0.5％且铸件冷却方式不当时铸造组织中会出现沿晶界裂纹，直接影响零部件的机械性能。本发明材料中的硫化物是以硫化钼、铁为基的多元硫化物，包含硫化铬(Cr3S4)、硫化钒(VS)和三硫化二铝(Al2S3)等，其不同组织结构分别对材料的减摩、耐磨性能的影响有待于进一步深入地研究。
本发明材料的冶炼工艺与常规铸铁冶炼工艺相类似，包括配料、冶炼和铸造三个部分。在500公斤感应炉中进行材料冶炼并浇铸成型。本材料可根据轴承及耐磨件的设计直接铸模成型。冶炼的主料顺序为生铁—废钢—铬铁—钼铁—电解铜—硅铁—电解铝及插铝脱氧，包内硫、稀土处理。出炉温度1550-1560℃；浇铸温度1450-1460℃；控制浇铸速度。浇铸结束后，保温5至8小时后开模。铸造金相组织为马氏体+碳化物+残余奥氏体，HRC≥50。
本发明耐热耐磨自润滑材料与现有技术相比更耐热且具有较高高温强硬度、优良的耐磨和减摩性能，高温抗氧化性能和耐工业气体(CO2、SO2等)腐蚀性能，使用寿命长的优点。具体如下本发明材料是在生铁中合理的加入了C和Cr(根据不同工矿条件确定不同的Cr/C比)，形成基体材料；利用Mo/Cu的复合作用和添加V提高基体材料的高温强硬度；控制碳化物类型以保证基体材料在不同温度区间的强硬度和耐磨性。通过调整C、Cr及其它元素的比例，控制残余奥氏体的含量以保证材料的强硬度和抗冲击性能。通过添加S形成的硫化物(Cr3S4、VS、Al2S3)和复合稀土硫化物，作为减摩相改善材料的润滑性能，降低由于摩擦磨损对材料的损耗；通过添加Al、Cu提高材料的高温强硬度和抗氧化性能，同时作为减摩材料降低高温磨料磨损程度，提高材料的使用寿命；通过添加B和Re强化材料晶界，抑制材料在高温下晶粒的过度长大，从而保证材料的高温性能稳定，形成的复合稀土硫化物有利于提高材料高温下的减摩性能；由于材料中S的添加，为避免形成过多的MnS夹杂物，本发明材料将Mn含量控制在0.3％以下；Ni资源稀少而价格昂贵，为了降低材料的成本，使制作的零部件更经济适用，本发明材料的镍含量为炼钢中所选材料中的残余镍含量。
具体实施例方式
根据本发明的化学成分组成和与常规铸铁冶炼工艺相似的冶炼工艺包括配料、冶炼和铸造三个部分。在500公斤感应炉中进行材料冶炼并浇铸成型。本材料可根据轴承及耐磨件的设计直接铸模成型。冶炼的主料顺序为生铁—废钢—铬铁—钼铁—电解铜—硅铁—电解铝及插铝脱氧，包内硫、稀土处理。出炉温度1550-1560℃；浇铸温度1450-1460℃；控制浇铸速度。浇铸结束后，保温5至8小时后开模(铸造金相组织为马氏体+碳化物+残余奥氏体)制备了5批自润滑材料。同时为了对比方便，将本发明材料制造的轴承与GCr15材料制造的轴承、典型粉末冶金材料制造的轴承和高硫合金钢制造的轴承在工业机械设备中的使用情况进行对比。其中，表1为本发明实施例的化学组成成分表(重量％)，表2为现有技术中材料的主要化学组成成分表(重量％)，表3为本发明材料性能实施例和现有技术材料相关性能对比表，表4为本发明实施例制备的轴承与其他材料制备的轴承工业现场使用情况对比表。上述列表中序号1-5#为本发明实施例，6-8#为现有技术材料对比例。
表1 本发明实施例的化学组成成分表(重量％)
表2 现有技术中材料主要化学成分表
表3 本发明自润滑材料性能实施例和现有技术材料相关性能对比表
表4 本发明实施例制备的轴承与其他类型轴承工业现场使用情况对比表
权利要求
1.一种耐热耐磨自润滑材料，其特征在于该自润滑材料的具体化学成分组成重量％为C 2.6-3.3％，S 0.35-0.49％，Si 0.5-1.0％，Cr 18-35％，Mo 0.8-1.5％，Cu 0.8-1.2％，Al 1.5-5.0％，V 0.1-0.25％，B 0.05-0.15％，RE 0.008-0.08％，P≤0.3％，Ni≤0.3％，Mn≤0.3％，余为铁；其中Cr/C重量比为5.5-10。
2.根据权利要求1所述的耐热耐磨自润滑材料，其特征在于Cr/C重量比为5.8-7。
全文摘要
本发明属于金属自润滑材料领域，此自润滑材料适用于冶金、矿山、机械等领域中制造轴承、轴瓦、轴套和其他种类的滑动摩擦部件，特别适用于制造在高温条件下(350℃－800℃)服役零部件所使用的的耐热耐磨自润滑材料。该自润滑材料的具体化学成分组成重量％为C 2.6－3.3％，S 0.35－0.49％，Si 0.5－1.0％，Cr 18－35％，Mo 0.8－1.5％，Cu 0.8－1.2％，Al 1.5－5.0％，V 0.1－0.25％，B 0.05－0.15％，RE 0.008－0.08％，P≤0.3％，Ni≤0.3％，Mn≤0.3％，余为铁；其中Cr/C重量比为5.5－10。本发明自润滑材料与现有技术相比更耐热，且具有较高高温强硬度、优良的耐磨和减摩性能、高温抗氧化性能和耐工业气体(CO
文档编号F16C33/12GK1818117SQ200610057539
公开日2006年8月16日 申请日期2006年3月14日 优先权日2006年3月14日
发明者林生, 李翔, 麻三清, 王吉航 申请人:钢铁研究总院