专利名称：铁基自润滑耐磨合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铁基自润滑耐磨合金及其制备方法。
背景技术：
随着科学技术的发展，现代工业制造、航空航天、原子能和军事等领域都对大气及特殊环境下的高温润滑问题提出了越来越多的迫切需求。高温下作为摩擦学部件使用的工程材料要在恶劣的环境和摩擦学条件下工作，高温氧化、高的摩擦和严重的磨损会导致工程材料很快失效。在冶金、能源、建材和石油化工等工业生产领域，存在高温、高速、重载和高粉尘等恶劣的工况条件和工作环境。由于难以注油润滑或润滑油脂失效，使机械设备维护困难，经常导致轴承等摩擦学部件失效，致使生产设备损坏、生产过程中断，甚至造成生产事故。研究表明，由于受到高温润滑问题的困扰，从材料的机械和摩擦学综合性能来看，可供选择的现成材料还十分有限。因此，迫切需要开发能抵抗高温恶劣环境和摩擦学条件破坏的新型减摩耐磨材料和探讨新的润滑方法。
利用过渡族金属元素的硫属化合物(包括硫化物、硒化物和碲化物，如MoS2、WS2和NbSe2等)的低摩擦特性实现有效润滑，制备自润滑材料的方法已为人们所知，并在实际中采用。其中，在铁基和镍基合金中加入活性元素S或Se，有选择地形成某些合金元素和S或Se元素的化合物而使合金具有减摩耐磨自润滑特性，是制备高温自润滑耐磨材料的一种有效方法。
US 3,825,416公开了一种化学成分(质量分数，下同)为总量5～30％的Ti、Zr、V、Nb、Ta、Mo和W中至少一种合金元素，0.5～5％S或Se，余量为Fe的自润滑铁基合金。并指出摩擦系数的减小明显是由于合金中形成了非铁合金元素和S或Se元素的化合物。所以，合金中加入的S或Se元素的量，应与非铁合金元素的量相适应。
CN 1082620A、CN 10513370C、和CN1360075等分别公开了在镍基合金中加入元素S或Se，研制、开发的具有较高机械强度、耐热性和高温抗氧化性及良好自润滑特性的自润滑镍-铬合金、含硫高温自润滑镍基合金和镍基自润滑合金。
CN 1049015C公开了一种由铁、碳、硫及合金元素组成的高硫合金钢，“其特征在于其中硫含量为0.5～11％”。但该专利在说明书和权利要求书中，均未明确说明“高硫合金钢”除元素S以外的其他合金元素(如其所述的C、Mo、或W、Mn)的含量，明显存在公开不充分的重大缺陷。其权利要求3“根据权利要求2所述的方法，其特征在于所加入的合金元素可以分别是钼合金、钨合金、锰合金”的表述，也存在将“合金”与“合金元素”混淆的概念错误。
CN 118812A、CN 1271028A和CN 1278563A分别公开了“经退火处理的新型耐磨合金钢”、“铬钨硫化物减磨铸钢”和“固体自润滑高耐磨合金铸件材料”，其共同特征在于材料中含有0～3％不等的元素S，并采用熔融铸造法制备。
CN 1062029C公开了针对轻型高效热引擎和先进推进系统等高温机构的摩擦学部件研制开发的含硫铁基高温自润滑耐磨合金及其制备方法。虽然，该合金具有较高机械强度、耐热性和高温抗氧化性，在20～600℃的温度范围内具有低摩擦、耐磨损的良好自润滑特性，并在专利实施中取得了成功，但是，对冶金、能源、建材和石油化工等工业生产领域的高温、高速、重载和高粉尘等恶劣工况下工作的易耗损摩擦学部件(例如高温轴承、轴套、滑板、密封件和控制阀等)而言，制备采用的原料(如纯铁和金属铬等)价格偏高，配方中较昂贵合金元素Mo的含量偏大。另外，采用的熔模铸造成型方法成本也较高。由于市场上有大量的可利用的废钢资源和可供选择的各种碳含量不同、价格明显低于金属铬的铬-铁中间相合金(微碳铬铁、中碳铬铁、高碳铬铁)，采用普通的砂型铸造成型方法代替熔模铸造成型方法能够大幅度降低成本。因此，为降低材料的制造成本，本发明通过改换原料、调整配方和改变制备方法等对CN1220320A做了改进。
发明内容
本发明的一个目的是为冶金、能源、建材和石油化工等工业生产领域在室温至600℃温度范围内工作的金属热加工机械和高温工艺过程等高温机构的高温轴承、导向套、轴瓦、滑板、密封件和控制阀等摩擦学部件，提供一种具有较高机械强度、耐热性和高温抗氧化性，并在20～600℃温度范围内呈现低摩擦、耐磨损良好自润滑特性的铁基自润滑耐磨合金。
本发明的另一个目的就是提供铁基自润滑耐磨合金的制备方法。
本发明提供的铁基自润滑耐磨合金的化学成分为B0.01～0.06％，C0～0.50％，Si0.10～0.50％，Cr5.0～22％，Ni2.0～6.0％.Mo2.0～8.0％，W0～6.0％，Cu0～1.5％，S0.6～5.5％和少量不可避免的杂质，余量为Fe，以质量分数计。
铁基自润滑耐磨合金采用中频感应熔炼、普通砂型铸造成型工艺制备。
将合金的化学成分限制在上述范围是因为(1)C元素C主要与合金元素W、Mo和Cr作用，形成MC、M23C6和M7C3(M表示W、Mo和Cr等合金元素或其复合)等型碳化物硬质耐磨相，弥散分布在铁基固溶体基体中提高合金的硬度和耐磨性。对于固溶强化类的自润滑耐磨铁基合金，可以不添加C。当C含量超过0.50％时，合金的硬度过大，脆性增大，并使机加工性能变差。所以，C的含量应限制在0～0.50％的范围内。
(2)Cr元素Cr是硫化物形成元素，也能与元素C作用，形成MC、M23C6和M7C3(M表示W、Mo和Cr等合金元素或其复合)等型弥散分布的碳化物硬质耐磨相，还能溶入合金基体中起固溶强化作用。添加Cr有利于提高合金的机械强度，耐热性和高温抗氧化性，改善合金的摩擦磨损性能。如果Cr的含量低于5.0％，合金的机械强度、耐热性等提高不显著，摩擦磨损性能改善不明显；若Cr含量高于22％，合金的机械强度、耐热性等不会再有明显提高。故Cr的含量应限制在5.0～22％的范围内。
(3)Mo和WMo和W能固溶于铁合金基体中起固溶强化作用，也能与元素C作用，形成MC、M23C6和M7C3(M表示W、Mo和Cr等合金元素或其复合)等型弥散分布的碳化物硬质耐磨相，提高合金的强度、耐热性和耐磨性。Mo含量低于2.0％时，对提高合金的强度、耐磨性和耐热性的作用不大；含量8.0％时，合金的性能改善不再明显。与Mo相伴，添加0～6.0％的W更有助于提高合金的强度、耐热性和耐磨性。
(4)S元素S的加入是为了在合金中形成Cr3S4等硫化物润滑相使合金具有自润滑性，改善合金的摩擦磨损性能。如果S含量低于0.6％，合金的自润滑性不显著；若S含量大于5.5％，合金的冲击强度过低而影响实际使用。故S含量应限制在0.6～5.5％范围内。S的最佳含量为1.5～4.0％。
(5)Ni元素Ni能固溶于铁合金中起固溶强化作用，提高合金的机械强度、耐热性和耐磨性。Ni的最佳含量为2.0～6.0％。
(6)Si在合金中加入0.10～0.50％的元素Si可提高合金高温下的强度。Si的最佳含量约为0.30％。
(7)B在合金中加入0.01～0.06％的元素B可以改善晶界形态，提高合金的持久使用寿命，并显著改善持久缺口敏感性。
(8)Cu在合金加入元素少量Cu元素能明显提高合金熔体的流动性，从而改善合金的铸造工艺性能。其最佳含量约为1.0％。
自润滑耐磨镍基合金采用中频感应熔炼、砂型铸造成型工艺方法制备，具体步骤如下1.配料。选用废钢、铬铁、钼铁、钨铁、硅铁、硼铁、电解镍、硫化亚铁和电解铜及合金浇、冒口为原料。制备前按比例称取原料，待用(合金浇冒口的用量不大于熔炼合金量的30％)。
2.熔炼。合金熔炼在中频感应炉中进行(A)首先，将废钢和电解镍及合金浇、冒口放入炉中加热熔化；(B)再分别加入铬铁、钼铁、钨铁、硅铁、硼铁，继续加热至熔化。待化清后，加入脱氧剂和除气剂，脱氧、除气；(C)然后，加入硫化亚铁，使之熔化。待化清后，将温度控制在1360～1420℃，保温15～25分钟；(D)保温结束后，加入电解铜和占熔炼合金量0.10～0.40％的CeO2，加大功率使合金熔体过热，并将其温度控制在1450～1510℃的浇注温度，等待浇注。
3.铸造(A)砂型准备。按照所制零部件的几何形状和尺寸制作毛坯的砂型；(B)浇注。将达到1450～1510℃浇注温度的合金熔体平稳、连续地浇注于准备好的砂型中；(C)凝固后，在铸件周围拥砂保温，在空气中缓慢冷却。打破砂型，去掉浇冒口，即得到合金的铸坯。
具有上述化学成分，并通过上述工艺方法制备的铁基自润滑耐磨合金的物理-机械和摩擦磨损性能如表1、2所示。
表1铁基自润滑耐磨合金的物理-机械性能
表2铁基自润滑耐磨合金的摩擦磨损性能
注摩擦系数和磨损率是与淬火高速钢W18Cr4V及自身配副时测得。
本发明的特点之一是，本发明提供的铁基自润滑耐磨合金在室温至600℃宽温度范围内都呈现低摩擦、耐磨损的良好自润滑特性。
本发明的特点之二是，本发明提供的铁基自润滑耐磨合金具有良好的摩擦配伍性，无论与淬火高速钢Wr18Cr4V及自身配副，都具有摩擦系数低、自身及对偶磨损均小的良好摩擦学特性。
本发明的特点之三是，本发明提供的铁基自润滑耐磨合金既具有低摩擦、耐磨损的良好自润滑特性，又具有较高机械强度和耐热性。
本发明的特点之四是，本发明提供的铁基自润滑耐磨合金适合制做在大气环境中、20～600℃温度范围内工作的金属热加工机械和高温工艺过程等高温机构的高温轴承、导向套、滑块、轴套、滑板、密封件和控制阀等摩擦学部件，具有广泛的应用前景。
本发明的特点之五是，本发明提供的中频感应熔炼、砂型铸造成型的制备方法，能够方便、快捷地制备合金，具有合金组分烧损小，成分容易控制，合金熔炼与成型一次完成等特点。熔炼中CeO2的加入，能改善合金的铸造性能和合金中硫化物的分布形态，有利于提高合金的强度和冲击韧性。
本发明通过有目的地设计合金的化学成分和工艺参数控制，利用在铁基合金中加入活性元素S，在熔炼过程与Cr等合金元素形成具有减摩润滑作用的硫化物保留在合金中，改善摩擦磨损性能，使合金具有自润滑特性，是本发明的另一个主要特点。
铁基自润滑耐磨合金采用中频感应熔炼、铸造成型工艺制备。该合金具有较高机械强度、耐热性和高温抗氧化性，并在20～600℃温度范围内呈现低摩擦、耐磨损的良好自润滑特性，适合制作冶金、能源、建材和石油化工等工业生产领域的在大气环境中、室温至600℃温度范围内工作的金属热加工机械和高温工艺过程设备等高温机构的高温轴承、轴套、滑板、轴瓦、密封件和控制阀等摩擦学部件，具有广泛的应用前景。
具体实施例方式
实施例1采用中频感应熔炼、砂型铸造成型方法制备的化学成分(以质量分数计)为B0.02％，C0.30％，Si0.30％，Cr12％，Ni2.0％，Mo4.0％，Cu1.0％，S3.0％和少量不可避免的杂质，余量为Fe的铁基自润滑耐磨合金，密度为7.96g/cm3，硬度为HRC42，冲击强度为0.43×105J/m2，抗压强度20℃时为1064MPa，600℃时为532MPa，与淬火高速钢W18Cr4V及自身配副，在20～600℃温度范围内摩擦系数为0.38～0.20，磨损率为0.71～4.28×10-14m3/N·m。用该合金制做的高温轴承，代替轧机钢坯输送辊道5220、5224、3514和3516等轴承，使用寿命可提高7倍以上。
实施例2采用中频感应熔炼、砂型铸造成型方法制备的化学成分(以质量分数计)为B0.03％，C0.20％，Si0.30％，Cr14％，Ni5.0％，Mo5.0％，W5.0％，Cu1.0％，S2.6～3.2％和少量不可避免的杂质，余量为Fe的铁基自润滑耐磨合金，密度密度为7.82g/cm3，硬度为HRC48，冲击强度为0.40×105J/m2；抗压强度20℃时为1124MPa，600℃时为552MPa，与淬火高速钢W18Cr4V及自身配副，在20～600℃温度范围内摩擦系数为0.34～0.19，磨损率为0.51～3.74×10-14m3/N·m。用该合金制做的高温轴承代替连铸机钢坯输送辊道和拉矫机317、3136和3524等轴承，在润滑脂不能正常保证供给的情况下，使用寿命可提高10倍以上。
实施例3化学成分(以质量分数计)为B0.02％，Si0.30％，Cr10％，Ni3.0％，Mo6.0％，W5.0％，Cu1.0％，S1.8～2.2％和少量不可避免的杂质，余量为Fe的铁基自润滑耐磨合金，密度密度为8.08g/cm3，硬度为HRC38，冲击强度为0.56×105J/m2，与淬火高速钢W18Cr4V及自身配副，在20～600℃温度范围内摩擦系数为0.42～0.24，磨损率为0.64～5.18×10-14m3/N·m。用该合金制做的轴瓦和导衬板，代替混铁炉和烧结机使用的铜瓦及400吨热剪机使用的合金铸铁导衬板，在无润滑的情况下，使用寿命分别可提高5倍以上。
实施例4化学成分(以质量分数计)为B0.04％，C0.20％，Si0.30％，Cr14％，Ni2.0％，Mo6.0％，W4.0％，Cu1.0％，S2.8～3.4％和少量不可避免的杂质，余量为Fe的铁基自润滑耐磨合金，密度密度为8.12g/cm3，硬度为HRC42，冲击强度为0.32×105J/m2，抗压强度20℃时为994MPa，600℃时为523MPa，与淬火高速钢W18Cr4V及自身配副在20～600℃温度范围内摩擦系数为0.32～0.22，磨损率为0.64～5.18×10-14m3/N·m。用该合金制做的轴套，代替各类冷床升降机构使用的铜套，在高温和冷却水的交替作用和无法有效润滑的恶劣的工况下，可免除对冷床摆动梁升降高度进行调整，使用寿命延长15倍以上。
实施例5化学成分(以质量分数计)为B0.02％，C0.20％，Si0.30％，Cr16％，Ni2.0％，Mo5.0％，W6.0％，Cu1.0％，S3.0％和少量不可避免的杂质，余量为Fe的铁基自润滑耐磨合金，密度密度为7.82g/cm3，硬度为HRC46，冲击强度为0.46×105J/m2，抗压强度20℃时为1054MPa，600℃时为560MPa，与淬火高速钢W18Cr4V及自身配副在20～600℃温度范围内摩擦系数为0.32～0.20，磨损率为0.52～4.24×10-14m3/N·m。该合金适用于制做在600℃温度以下工作的各种高温工艺过程设备等高温机构的滑动与动密封部件。
权利要求
1.一种铁基自润滑耐磨合金，其特征是化学成分为B0.01～0.06％，C0～0.50％，Si0.10～0.50％，Cr5.0～22％，Ni2.0～6.0％，Mo2.0～8.0％，W0～6.0％，Cu0～1.5％，S0.6～5.5％和少量不可避免的杂质，余量为Fe，以质量分数计。
2.如权利要求1所述的铁基自润滑耐磨合金，其特征是合金化学成分为B0.03％，C0.30％，Si0.30％，Cr12％，Ni2.0％，Mo4.0％，Cu1.0％，S3.0％和少量不可避免的杂质，余量为Fe，以质量分数计。
3.如权利要求1所述的铁基自润滑耐磨合金，其特征是合金化学成分为B0.03％，C0.30％，Si0.30％，Cr14％，Ni3.0％，Mo5.0％，W5.0％，Cu1.0％，S2.6～3.2％和少量不可避免的杂质，余量为Fe，以质量分数计。
4.如权利要求1所述的铁基自润滑耐磨合金，其特征是合金化学成分为B0.02％，Si0.30％，Cr10％，Ni3.0％，Mo6.0％，W5.0％，Cu1.0％，S1.8～2.2％和少量不可避免的杂质，余量为Fe，以质量分数计。
5.如权利要求1所述的铁基自润滑耐磨合金，其特征是合金化学成分为B0.02％，C0.20％，Si0.30％，Cr14％，Ni2.0％，Mo6.0％，W4.0％，Cu1.0％，S2.8～3.4％和少量不可避免的杂质，余量为Fe，以质量分数计。
6.如权利要求1所述的铁基自润滑耐磨合金，其特征是合金化学成分为B0.02％，C0.20％，Si0.30％，Cr16％，Ni2.0％，Mo5.0％，W6.0％，Cu1.0％，S3.0％和少量不可避免的杂质，余量为Fe，以质量分数计。
7.如权利要求1所述铁基自润滑耐磨合金的制备方法，该包括配料、熔炼、铸造三个步骤，其特征在于(1)配料选用废钢、铬铁、钼铁、钨铁、硅铁、硼铁、电解镍、硫化亚铁和电解铜及合金浇、冒口为原料；制备前按比例称取原料，待用，其中合金浇、冒口的用量不大于熔炼合金量的30％；(2)熔炼合金熔炼在中频感应炉中进行(A)首先，将废钢和电解镍及合金浇、冒口放入炉中加热熔化；(B)再分别加入铬铁、钼铁、钨铁、硅铁、硼铁，继续加热至熔化，待化清后，加入脱氧剂和除气剂，脱氧、除气；(C)然后，加入硫化亚铁，使之熔化，待化清后，将温度控制在1360～1420℃，保温15～25分钟；(D)保温结束后，加入电解铜和占熔炼合金量0.10～0.40％的CeO2，使合金熔体过热，并将其温度控制在1450～1510℃的浇注温度，等待浇注；(3)铸造(A)砂型准备按照所制零部件的几何形状和尺寸制备制作毛坯的砂型；(B)浇注；将达到1450～1510℃浇注温度的合金熔体连续浇注于准备好的砂型中；(C)凝固后，在铸件周围拥砂保温，在空气中缓慢冷却；打破砂型，去掉浇、冒口，即得到合金的铸坯。
全文摘要
本发明公开一种铁基自润滑耐磨合金及其制备方法。铁基自润滑耐磨合金采用中频感应熔炼、铸造成型工艺制备。该合金具有较高机械强度、耐热性和高温抗氧化性，并在20～600℃温度范围内呈现低摩擦、耐磨损的良好自润滑特性，适合制作冶金、能源、建材和石油化工等工业生产领域的在大气环境中、室温至600℃温度范围内工作的金属热加工机械和高温工艺过程设备等高温机构的高温轴承、轴套、滑板、轴瓦、密封件和控制阀等摩擦学部件，具有广泛的应用前景。
文档编号C22C38/54GK1644749SQ20041009021
公开日2005年7月27日 申请日期2004年10月26日 优先权日2004年10月26日
发明者刘近朱, 赵凤华, 赵凤歧 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所, 安阳市丰华福利机械厂