专利名称：一种高温长寿自润滑耐磨合金材料的制作方法
技术领域：
本发明属于高温金属自润滑材料领域，特别涉及一种高温长寿自润滑耐磨合金材料。主要适用于在高温环境条件下(650℃-1050℃)服役的零部件制品，例如在冶金、矿山、煤炭、机电、石化、机械等领域中制造滑动、导位装置(板、尖、块、管)、轴承(瓦、套)类和其他种类的滑动摩擦部件。
背景技术：
在现有技术中，磨损磨蚀是目前造成工业领域中能源和材料消耗的重要原因之一，而在不同的磨损类型中，粘着磨损又是占据比例最大的一类磨损。在常温环境下的各种设备、备件运行均采用润滑油来降低粘着磨损，但在中、高温的条件下运行的设备、备件，润滑油会失去其润滑冷却效果，从而导致摩擦件表面直接接触，造成工件划伤而快速磨损；另外添加的润滑油会在高温条件下瞬间碳化形成的碳化颗粒会附着或进入工件表层会直接影响产品质量。特别是在一些润滑油添加困难或不允许添加油脂润滑的部位，高温接触磨损与烧蚀情况更为严重。而且现有的摩擦零部件普遍存在高温强度低、耐磨性差、不耐高温氧化的缺点，因此具有耐高温、耐磨的自润滑材料的研制与推广越来越受到科研人员的重视。
由于目前适用于在高温环境下(1000℃以上)较长时工作的材料寥寥无几，而耐高温合金(高Ni、W、Mo合金)价格昂贵限制了其广泛使用。例如在CN1034584A和CN1101681A文献中，介绍的高温自润滑镍基合金具有较好的润滑性能和力学性能，但该材料存在的主要缺点是在高温下使用时其材料自身的强度明显降低和耐热性变差等，另外该合金材料成分中Co、Mo、Ni、W等贵金属元素含量较高，材料的制造成本也较高，因此降低了该合金材料的应用价值。CN1101681A公开了一种含硫高温自润滑Ni基合金材料，其特征是“主要用于各类热引擎及高温机构滑动和密封部件，可用于内燃发动机、气缸衬套阀座”，采用了贵金属Co、Mo、Ni、W等，属于镍基高温合金材料。由于Co、Mo、Ni、W等贵金属价格昂贵，影响了推广使用。CN1614058A公开了一种易切削高温自润滑耐磨合金材料，属于Ni、Al中间强化相高温合金，其中镍含量高达60％以上，使用温度范围在200-900℃，耐粘着磨损的易切削合金材料设计中以Ni3Al为基础相，价格高昂。
CN1644749A公开的铁基高温自润滑合金和CN1062029C公开了“含硫铁基高温合金”，二者化学成分相近，前者硬质相由以W为主的化合物组成，而后者由以Mo为主的化合物组成，二者用途相似，主要以CrNiMow作为强化元素，以硫化物作为润滑组元，使用温度小于600℃。但铁基耐磨合金不适用在环境温度超过450℃时的高温氧化条件下使用，尤其当环境湿度大于60％会发生严重的氧化锈蚀。
由于大部分高温合金不具备表面自润滑性能，而与高温磨损无补；而低合金高强材料由于其合金含量低，造成了其高温下高强性能低、耐磨性能差，当环境温度高于650℃时，此类材料使用寿命较短。例如某钢厂的一些生产实例冶金生产过程中高速线材粗轧导位装置原用材料ZG70Cr14Ni，加热炉出坯温度在1150℃以上，由于红热钢坯表面与该材料装置表面接触温度达1050℃，造成导位表面迅速形成氧化层，随着高温氧化的持续，表面氧化层不断剥落，装置表面出现凹凸不平的局部烧蚀坑；由于该高温抗蠕变形差，材料出现裂纹。以上情况的出现，当线材通过时均会造成表面划痕，进一步轧制加工时形成内部缺陷，严重时使整批线材报废。
冶金高速线材生产线精轧导位装置原用材料ZG2Cr13，由于与轧制线材的接触温度达960℃以上，ZG2Cr13材料导管的使用寿命平均过钢量3000吨，由于高温腐蚀磨损，导管内壁在线材高速通过时形成磨蚀沟后，在轧件表面形成划痕。
冶金棒材生产输送导辊原使用材料ZG270-500，在使用过程中由于棒材表面加工突起，在红热状态下与传送辊面进行剧烈摩擦，该材料耐热性差，且本身不具有自润滑性能，当接触温度达600℃时，材料的强硬度下降至HRc20以下，经常在短时间内导辊辊面即出现犁沟，造成棒材表面的划伤，给其后的处理和使用带来隐患。传送辊报废频繁也明显提高了生产成本。
板坯加热炉出钢机托臂装置中的托轮组件和同步轴轴承座在使用中采用了锡青铜复合材料轴套，由于现场热辐射温度达750℃以上，油脂润滑无法正常进行，致使锡青铜复合材料轴套在短期内磨损严重，造成传动轴不水平，出现上下跳动合左右剧烈摆动，严重影响生产过程和安全。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、更耐高温，且具有较高的高温强、硬度，优良的耐磨性能和减摩性能、高温抗氧化性能和耐工业气体腐蚀性能，使用寿命长的高温长寿自润滑耐磨合金材料。
根据上述目的，本发明整体的技术方案为它不同于现用的常规耐热钢，具有更高的耐热性能、抗湿热氧化腐蚀性能，高温条件下组织、性能稳定。在高温、高速、负载工矿条件下运转时具有减磨、耐磨、使用寿命长等优良的综合性能，是一种新型高温长寿自润滑耐磨合金材料。
本发明材料通过使用较为廉价的合金元素，高温下使用时保持较高的基体强硬度；在摩擦表面形成稳定的润滑薄膜，并通过微量元素的添加改善基体在高温下的减磨性能和抗氧化性能，与现用材料相比降低了磨料磨损和腐蚀磨损率，从而使现代工业中大量使用的高温摩擦学零部件的使用寿命得以提高。选用的材料以Cr.Mn.Fe元素的合理配比形成基体材料；通过Mn、C、N、Cu与Cr的一定比例获得奥氏体化组织；通过添加Cu.S提高其高温减磨性能；添加N、B、V以提高基体的高温强度；通过Cr、Al、Mo、Cu在高温下的复合作用提高材料的耐热耐磨性能；添加稀土改善钢的组织性能，形成复合稀土减磨组元，提高材料的高温润滑性能。由于本发明材料形成的机体组织具有较高的高温抗氧化性能，铝与硅的添加在高温下能够在材料表面形成致密的钝化膜，从而提高抗氧化性能，形成一种新的抗高温氧化钢种。
由于本发明选用了较为廉价的元素合成材料，除其在高温条件下适用于制作各种高温摩擦学零部件外，还由于其本身的价格低廉使其具有广泛的使用价值和经济效益。
根据上述目的和整体的技术方案，本发明具体的技术方案为该高温长寿自润滑材料的化学成分组成(质量％)为C 0.35-0.45％，Si 0.9-1.2％，Mn 6.5-8.0％，Cr 15-16.5％，Mo 0.35-0.45％，Cu 0.8-1.2％，Al 4.5-5.5％，S 0.25-0.45％，N 0.01-0.10，V 0.15-0.20％，B 0.05-0.15％，RE 0.01-0.15％，P≤0.025％，Ni≤0.3％，余为Fe。
上述成分组成中各元素的比例关系和主要作用为C元素C主要与合金元素Cr、Mo、V等作用，形成MC、M23C6和M7C3(M表示Cr、Mo、V等元素或其复合)等碳化物硬质耐磨相，弥散分布在铁基固溶体基体中以提高合金的硬度和耐磨性。当元素C含量超过0.50％时，合金的硬度过大，脆性增加，并使机加工性能变差。所以，元素C的含量应限制在0.35-0.45％的范围内，固溶强化合金材料根据强硬度要求不同，元素C含量可控制在上限或下限。
Cr该材料中元素Cr与元素C作用，形成弥散分布的碳化物硬质耐磨相，并溶入合金基体中起固溶强化作用。添加元素Cr有利于提高合金的机械强度，耐热性和高温抗氧化性，改善合金的磨料磨损性能。研究表明钢中Cr含量低于12％时，合金的机械强度、耐热性、组织稳定性将降低；而元素Cr含量高于24％时，合金的机械强度、耐热性等不会再有明显提高，且增加钢的脆性，并造成资源浪费。故该材料中元素Cr含量限制在15-16.5％的范围内。元素Cr是硫化物形成元素，对材料中高温下的自润滑性能有一定贡献。
Mo元素Mo能固溶于铁合金基体中起强固溶强化作用，也能与元素C作用，形成碳化物硬质耐磨相，提高合金的强度、耐热性和耐磨性，在高温条件下作用更为明显。元素Mo与Cu的复合作用使合金在高温下保持高强热性。由于Mo是贵重金属，在保证相关性能的条件下应控制使用。
SS是本发明材料中的一个重要添加元素。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)、三硫化二铝(Al2S3)和复合稀土硫化物，作为一种固体润滑相，具有优良的自润滑性能，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0.25％至0.45％，冶炼过程和试验数据表明当本材料硫含量大于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。
Si本发明材料中添加元素Si的目的在于减少铬、钒等合金元素的氧化损失，提高合金高温下的强度。元素Si将有助于M7C3型化合物增加。本材料研究表明当含硅量大于1.2％时，将增加材料的脆性，降低材料的冲击载荷。故控制在0.9-1.2％之间。
B在合金中加入元素B可以改善晶界形态，提高合金的持久使用寿命，并显著改善裂纹敏感性。添加微量元素B可形成基体中的陶瓷质点，提高基体硬度，有关资料介绍加入0.01-0.06％的B即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。在奥氏体基体中加入B可提高材料的抗蠕变性能，持久强度。本发明元素B的添加量为0.05-0.15％，用以提高基体中B化物质点的比重及高温强硬性。
Cu在合金中加入少量元素Cu能明显提高钢液的流动性，从而改善合金的铸造工艺性能；其最佳含量约为1.0％。同时，元素Cu在高温时参与摩擦表面膜的形成过程，形成高温润滑相。
MnMn作为奥氏体形成元素，是节Ni钢的主要形成元素，同元素Cr作用形成奥氏体化组织。本发明设计含量在6.5-8.0％之间，与C、N、Cu等元素同适量的元素Cr添加使用时可使基体获得理想的奥氏体化组织。锰对于钢的组织、工艺性能、力学与物化性能都有明显影响。由于资源丰富、价格低廉，选作本材料主要抗磨、减磨元素之一。Mn还是本合金材料中复合硫化物形成元素之一，作为一种固体润滑相，具有优良的自润滑性能。
Re(铈、钇等)稀土元素可以明显改善钢的流动性，净化晶界，改变钢中夹杂物的形态。加入稀土可降低Cr2O3的挥发性，使其变成稳定的(Cr、Re)2O3膜，提高钢的耐热性。混合稀土的加入可提高650℃以上时的持久强度和抗蠕变强度；本合金材料中复合稀土硫化物的形成使合金具有高温减磨、耐磨与自润滑特征(复合稀土硫化物形态照片1)。
VV是MC(N)型析出的重要元素，即V(C、N)。具有提高高温强度的作用。当元素V含量小于0.005％时析出量少；而当钢中元素V含量大于0.5％时，致使晶粒粗大。元素V对晶界组织的钉扎作用，提高了钢的高温蠕变强度。本发明V含量控制在0.15-0.20％之间。
Al在Cr、Al系合金材料中，当铬大于15％以上时，形成以Cr2O3为主的氧化膜，具有较高的抗氧化性；当元素Al含量大于4％时，高温氧化膜主要由Al2O3组成；如果Cr、Al综合使用，则能更好的发挥其抗氧化作用。在高温(1000℃)条件下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。Al具有比Cr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Al可以使Cr的抗氧化能力得到极大的提高。本合金材料中形成的三硫化二铝复合硫化物，作为一种固体润滑相，在高温下能使材料的减摩性能大大提高，摩擦系数降低，从而延长了材料在高温下的摩擦使用周期。
N与C、Mn、Cu等元素同适量的元素Cr添加使用时可使基体获得理想的奥氏体化组织。N具有细化晶粒，提高抗蠕变和高温强度的作用，但当N含量超过0.1％时时会使析出物粗大化，降低钢的强度和韧性。本发明N含量为0.01-0.10％。
P本钢中严格控制有害元素P含量，由于钢中的P有弱化晶界，降低高温强度等特征，故将其控制在小于0.025％。
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。
本发明自润滑材料与现用材料和技术相比具有成本低、更耐高温，且具有较高的高温强、硬度，优良的耐磨性能和减摩性能、高温抗氧化性能和耐工业气体腐蚀性能，使用寿命长的优点。上述优点具体如下本发明材料的抗压强度20℃时为1180-1360MPa，600℃时为665-720MPa，与自身配副在销盘式高温摩擦机上测得的摩擦系数20-600℃时为0.26-0.15之间，磨损率为0.43-1.86*10-14M3/N.m，其润滑方式为摩擦副表面接触滑动摩擦；由于接触摩擦，表面形成由微小金属颗粒组成的连续亚微米级薄膜，实现表面过渡润滑过程(高温下使用后的摩擦表面照片2)。该合金材料硬度为HRc40-46。
本发明采用与现有技术相似的制备方法本发明采用中频感应炉熔炼，模铸成型的制备方法，能够便利快捷的制作本材料。该方法具有控制简便、烧损程度低、材料熔炼与工件成型一次完成等特点。本发明材料的冶炼主料添加顺序为生铁—回炉钢料—铬铁—锰铁—纯铜—硅铁—电解铝—钒铁—氮化铬铁及硅脱氧，钢包内稀土、硫处理。出炉温度1530-1560℃，浇铸温度1380-1430℃，浇铸结束后保温8-10小时以后开模。
图1为含有Al2O3/MnS的硫化物形态图。
图2为复合稀土硫化物形态图。
图3为高温摩擦部件使用后的摩擦表面图。
具体实施例方式
根据本发明材料的化学成分和冶炼加工工艺制备了4批自润滑合金材料，并将本发明材料制造成高温部位相关摩擦部件与现用材料(选择常用材料4种)部件进行使用性能对比。其中，表1为本发明实施例的化学组成成分表(质量％)，表2为现有技术中材料的主要化学成分表。上述列表中序号ZH01-04#为本发明实施例.DB1-4#为性能对比材料。
实施例1根据本发明设计的高温长寿自润滑材料共制备了四种合金材料，并根据现场不同用途所使用的现有材料进行了试验对比。ZH01材料具体化学成分见表1。该材料抗压强度在20℃时为1180MPa，600℃时665MPa，室温硬度为HRc40，摩擦系数20℃时0.21，600℃时0.16。将该材料用于冶金工业棒材热轧机传送辊材料与ZG270-500材料(具体化学成分见表2DB-1)相比较，使用条件和性能见表3。
实施例2ZH02材料具体化学成分见表1。该材料抗压强度20℃时为1230MPa，600℃时697MPa，室温硬度为HRc42，摩擦系数20℃时0.24，600℃时0.17。将该材料用于冶金高温线材生产线精轧导位管与ZG2Cr13材料(具体化学成分见表2DB-3)导位管相比较，使用条件和性能见表3。
实施例3ZH03材料具体化学成分见表1。该材料抗压强度20℃时为1360MPa，600℃时720MPa，室温硬度为HRc46，摩擦系数20℃时0.20，600℃时0.15。将该材料用于冶金粗轧机进口端导位装置与ZG70Cr14Ni材料(具体化学成分见表2DB-2)导位装置相比较，使用条件和性能见表2。
实施例4ZH04材料具体化学成分见表1。该材料抗压强度20℃时为1280MPa，600℃时686MPa，室温硬度为HRc44，摩擦系数20℃时0.26，600℃时0.18。将该材料用于冶金板坯步进式加热炉出钢机托轮组件和同步轴套与原用材料锡青铜复合材料(具体化学成分见表2DB-4)组件轴套相比较，使用条件和性能见表3。使用本发明材料制作的组件和轴套与现场托臂轴相配用，由于高温自润滑效果，辊、套间磨损小，提高了机械运转精度，使传动轴水平平稳运行，保证了生产需要和安全。
表1本发明实施例的化学成分表(质量％)
注冶炼成分中Ni＜0.30，P＜0.025。
表2现有技术中材料主要化学成分表
表3本发明实施例制备的高温部件与对比材料部件工业现场使用性能对比表
权利要求
1.一种高温长寿自润滑耐磨合金材料，其特征在于该自润滑材料的具体化学成分组成(质量％)为C 0.35-0.45％，Si 0.9-1.2％，Mn 6.5-8.0％，Cr 15-16.5％，Mo 0.35-0.45％，Cu 0.8-1.2％，Al 4.5-5.5％，S 0.25-0.45％，N 0.01-0.10％，V 0.15-0.20％，B 0.05-0.15％，RE 0.01-0.15％，P≤0.025％，Ni≤0.3％，余为铁。
全文摘要
本发明属于高温金属自润滑材料领域，特别涉及一种高温长寿自润滑耐磨合金材料。该自润滑材料的具体化学成分组成(质量％)为C 0.35－0.45％，Si 0.9－1.2％，Mn 6.5－8.0％，Cr 15－16.5％，Mo 0.35－0.45％，Cu 0.8－1.2％，Al 4.5－5.5％，S 0.25－0.45％，N 0.01－0.10％，V 0.15－0.20％，B 0.05－0.15％，RE 0.01－0.15％，P≤0.025％，Ni≤0.3％，余为铁。本发明自润滑材料与现有技术相比具有成本低、更耐高温，且具有较高的高温强、硬度，优良的耐磨性能和减摩性能、高温抗氧化性能和耐工业气体腐蚀性能，使用寿命长的优点。
文档编号C22C38/58GK101067185SQ200710100038
公开日2007年11月7日 申请日期2007年6月5日 优先权日2007年6月5日
发明者林生, 李翔, 徐晓春, 麻三清, 夏速萍 申请人:钢铁研究总院