專利名稱：一種超高硫具有多種復(fù)合自潤滑相的高耐磨合金鑄造材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合金鑄鋼(鐵)材料范疇。它廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械制造、電力、石化設(shè)備等國民經(jīng)濟(jì)重要的軍、民品生產(chǎn)部門。
特別適于在粘著磨損或滑(滾)動(dòng)磨損的工況條件下工作的機(jī)械部件。例如軸瓦、軸套、氣缸套、氣門座、活塞環(huán)、浮動(dòng)軸承、導(dǎo)筒、曲軸、鏈桿、輥輪等。
機(jī)械設(shè)備的活動(dòng)部件失效的原因絕大多數(shù)都是因?yàn)槟Σ?、磨損造成的。據(jù)統(tǒng)計(jì)能源的1/2消耗于磨損，材料的80％失效于磨損。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械設(shè)備中有滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)部分在不同的幾近苛刻的工況條件下，對(duì)磨擦部件的極限允許載荷，滑(滾)動(dòng)速度，工作溫度及長期無故障工作時(shí)間等材料性能要求愈來愈高。在許多情況下，無潤滑磨擦類型已取代油的流體磨擦與邊界磨擦類型。為了解決材料過早失效的嚴(yán)重問題，材料科學(xué)工作者在不斷地開發(fā)新的耐磨材料的同時(shí)也極力地在利用并提高材料本身的自潤滑性能，以期把摩擦系數(shù)及磨損量降至最低值，以此來達(dá)到材料耐磨損的目的。
在國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)中，減磨的耐磨材料幾十年來已有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，主要有以下幾類(1)石墨鋼及含磷和其他合金鑄鐵；2)以有色金屬為基的合金(如巴氏合金等)3)、采用粉末冶金方法生產(chǎn)的減摩材料；4)、經(jīng)表面改性處理的金屬或合金。
對(duì)于1)而言，石墨作為潤滑劑并非在冶煉后凝固時(shí)形成的，而是在鑄件經(jīng)高溫石墨化退火時(shí)形成的。它與其他合金鑄件一樣，強(qiáng)度與塑性指標(biāo)匹配性差且不耐中、高溫。對(duì)于2)而言，雖有一定的減磨性能，但強(qiáng)度差，耐磨性也差且原材料本身昂貴；對(duì)于3)而言，它雖是目前國內(nèi)外生產(chǎn)整體減磨材料的主要方法且有較理想的減磨性能，但由于制造方法本身的局限性，使其產(chǎn)品不致密，多孔隙性無法避免。因此，機(jī)械性能差，極大地限制了它的使用范圍。對(duì)于4)而言，也是目前國內(nèi)外常用的提高材料表面硬度并降低表面摩擦系數(shù)從而達(dá)到材料耐磨的目的方法。如滲碳、低溫滲硫、滲氮、氰化、靜電或熱噴涂等工藝。此方法可以得到良好的基材與滲層材的結(jié)合，使其表面具有較低的摩擦系數(shù)和高的硬度。但為獲得這種效果必須使工件置入有被滲入元素的活性介質(zhì)中且必須在一定的溫度下加熱，保溫后再進(jìn)行熱處理，相應(yīng)設(shè)備必不可少，不但能源消耗大，周期長且工藝復(fù)雜，最為不足是滲層厚度僅在0.1-2.0±m(xù)m范圍內(nèi)。它仍然難以適應(yīng)高溫、快速、重載的工況條件要求。
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)了一種不同于常規(guī)冶煉及熱處理工藝的超高硫含量且具有多種復(fù)合自潤滑相的高耐磨合金鑄造材料，使在相應(yīng)的工況條件下具有良好的綜合性能，最終使材料使用壽命得以提高。根據(jù)這目的，設(shè)計(jì)該合金成分的基本思路是盡量提高材料本身的自潤滑能力，在保證有較高的機(jī)械性能的前提下，以較低的摩擦系數(shù)，以減摩的方式來達(dá)到材料耐磨損的目的。
眾所周知硫化物是一個(gè)良好的固體自潤滑相。也即硫化物基本上可以看作是一種結(jié)構(gòu)潤滑劑，其潤滑能力取決于它們分層的組織結(jié)構(gòu)。一些硫化物，如硫化鉬、硫化鎢、硫化鉻、硫化鐵、硫化鎳、硫化鈦、硫化銅、硫化鋁、高溫變形硫化鋅等均具有密集六方晶體層狀結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐證明正是這種結(jié)構(gòu)最容易分離出諸多滑移面，使其自潤滑性能大大增強(qiáng)。在其成分的設(shè)計(jì)中采用多種硫化物組成的復(fù)合硫化物作為固體自潤滑相且使體積百分?jǐn)?shù)達(dá)到10％±。再者，硫化物可以分為低熔點(diǎn)及高熔點(diǎn)兩大類，Ni，Co，F(xiàn)e，的硫化物熔點(diǎn)較低，它們?cè)谀虝r(shí)最后從鋼液中析出。而Cr、Mo、Zr、V、Ti、W的硫化物等熔點(diǎn)較高且它們與硫的親合力都大于硫與鐵的親合力。因此，采用獨(dú)特的冶煉工藝，可以避免硫化物在晶介上析出而形成網(wǎng)狀組織。鑄件無須熱處理，直接機(jī)加工至成品，避免了“熱脆”的產(chǎn)生。
根據(jù)上述內(nèi)容，本發(fā)明材料所提出的具體化學(xué)成分含量(W％)為C0.30/3.5％Si0.5/1.2％Mn0.5/1.2％S1.2/3.5％Cr0.5/3.0％Mo0.2/0.8％W0.2/0.8％ Ni≤0.2％Cu≤0.6％ Ti≤0.2％ P≤0.04％Re(加入量)0.1/0.2％余Fe本發(fā)明的主要技術(shù)特征是材料的S含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國內(nèi)外現(xiàn)有鋼鐵材料標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的極限值；調(diào)整C和其他加入的合金元素的含量，鐵材料標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的極限值；調(diào)整C和其他加入的合金元素的含量，可以保證各類產(chǎn)品所要求的性能。該材料以整體大幅度提高本身的自潤滑性能來減低由于摩擦、磨損作用對(duì)材料的損耗，從而達(dá)到提高材料使用壽命的目的。
以下根據(jù)各元素在該發(fā)明中的作用進(jìn)行敘述Si和Mn都是鋼中常見元素，它們都是良好的脫氧劑。Si固溶于鐵素體和奧氏體中可以提高強(qiáng)度和硬度。Mn極易生成MnS2，它是良好的固體潤滑劑。它可強(qiáng)化鐵素體和珠光體，從而提高鋼的強(qiáng)度。本發(fā)明將Si和Mn控制在0.5-1.2％范圍內(nèi)。
Cr與Mo都是提高淬透性的元素，從而提高材料整體強(qiáng)度和韌性。Cr具有抗氧化性及耐腐蝕性能，Cr7C3型碳化物可以提高材料的耐磨性。Cr/c比是決定淬透性的主要因素。對(duì)自潤滑減磨材料來說，Cr/c比在1.4-2.9為宜。Cr、Mo的復(fù)合加入更有利于材料綜合性能的提高。CrS2特別是MoS2是一種極好的固體潤滑劑，它們均勻地分布于鋼中，即使有少量分布于晶介上，由于本發(fā)明是鑄造成型，無須熱處理，也避免了熱脆的可能。本發(fā)明把Cr定在0.5-3.0％，把Mo定在0.2-0.8％的范圍。
W在鑄鐵中的作用與Mo相似，它主要提高鋼的回火穩(wěn)定性、紅硬性、熱強(qiáng)性及形成WC提高耐磨性。它與S化合形成WS2也是一種良好的固體潤滑劑。本發(fā)明將W加入量定在0.2-0.8％范圍內(nèi)。
Ti是活潑的金屬元素之一。它和S、C都有極強(qiáng)的親合力，形成的TiS2，這也是一種良好的固體潤滑劑。TiC極其穩(wěn)定，具有高的硬度。TiC微粒有阻止晶粒粗大的作用。Ti雖可以提高鋼的強(qiáng)度，但對(duì)韌性，特別是低溫沖擊韌性不利。故本發(fā)明視其工件對(duì)性能的要求。可以不加或若加也控制在≤0.2％的范圍。
Ni和CuNi元素提高淬透性及疲勞阻力，減少缺口敏感性，降低鋼脆化轉(zhuǎn)變溫度，鋼中含少量Ni，屈服強(qiáng)度可提高。但Ni與S結(jié)合，形成低熔點(diǎn)NiS2易于在晶介上形成網(wǎng)狀而產(chǎn)生熱脆。鋼中含Cu量低時(shí)，作用與Ni相似，它還可以改善鋼液流動(dòng)性，但過多會(huì)造成污染。故本發(fā)明視工件性能要求，一般將Ni控制在≤0.2％，不加Cu若加也控制在≤0.6％范圍。
Re元素是一種有效變質(zhì)劑，它可以細(xì)化晶粒，凈化晶介，改變鋼中夾雜物形態(tài)和分布，對(duì)提高韌性，抗彎強(qiáng)度等都有益。過多加入會(huì)污染鑄件，本發(fā)明把Re元素加入量控制在0.1-0.2％范圍。
P元素增加鋼的脆性，尤其是低溫脆性，又造成元素嚴(yán)重偏析，本發(fā)明要求愈低愈好，一般控制在≤0.04％。
S是本發(fā)明合金鑄件中的關(guān)鍵元素?！皞鹘y(tǒng)觀念”從來都視S為有害元素，應(yīng)最大限度地降低其含量。但也不能絕對(duì)化。如鋼中含S在0.15-0.3％時(shí)，鋼的切削性能大幅度得以提高；使材料表面低溫滲S，材料表面就具有自潤滑性了。S與某些元素形成硫化物的親合力依以下順序而遞增Si，Co，Ni，F(xiàn)e，W，Mo，Al，Cr，V，Nb，Mn，Ti，Zr。硫化物是一種優(yōu)良的固體潤滑劑，它把兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面間的摩擦轉(zhuǎn)變成硫化物層與層之間的具有極低摩擦系數(shù)的磨擦。硫化物對(duì)金屬有較強(qiáng)的附著性能，一般摩擦不易引起剝落。另外硫化物在其塑變時(shí)易于填平金屬表面凹凸不平之處，以避免在摩擦?xí)r相對(duì)運(yùn)動(dòng)中金屬間相互接觸而產(chǎn)生的粘著破壞；硫化物抗壓性能高，甚至在2100Mpa高壓下金屬表面也不會(huì)產(chǎn)生咬死或熔接。在冶煉時(shí)，使鋼液早期就穩(wěn)定地形成大量復(fù)合型硫化物并使不進(jìn)入渣相，再根據(jù)工件性能要求加入不同量的C元素，使與其它加入的合金元素形成碳化物。合金鑄件的強(qiáng)度主要由碳含量決定，有S存在時(shí)，C的燒損減少，S有助于形成穩(wěn)定的細(xì)小、分散的珠光體組織，以保證基體材料有較高的耐磨性能。在有金屬硫化物的情況下，在無潤滑磨擦?xí)r，摩擦系數(shù)降低1/2以上。本發(fā)明把C含量定在0.3-3.5％，S含量定在1.2-3.5％范圍內(nèi)。
根據(jù)上述理由，按規(guī)定在冶煉時(shí)加入各種合金元素，可得到一種十分新穎的具有高自潤滑性能的減摩合金鑄造材料。
本發(fā)明材料可以采用高頻、中頻感應(yīng)電爐或電弧爐冶煉，但爐襯必須是非堿性的。
本發(fā)明材料的冶煉工藝特征是1)、加料順序酸或中性渣料→FeCr，F(xiàn)eMo，F(xiàn)eW→廢鋼料→高S合金→生鐵或廢鋼→變質(zhì)劑
2)、脫氧制度當(dāng)鋼液中含氧量高時(shí)，將會(huì)形成氧和硫的復(fù)合夾雜物，從而使材料失去自潤滑性。因此，徹底脫氧是冶煉關(guān)鍵之一。本發(fā)明采用強(qiáng)化脫氧制度。當(dāng)鋼料化清、溫度適當(dāng)、渣正常時(shí)插Al并攪拌進(jìn)行預(yù)脫氧；過一段時(shí)間后加入FeMn，F(xiàn)eSi和鋁石灰進(jìn)行輔助脫氧；當(dāng)冶煉正常，達(dá)到出鋼溫度1560-1580℃時(shí)，插Al按1kg/T計(jì)進(jìn)行終脫氧。
3)、造渣制度冶煉過程中爐內(nèi)鋼水液面應(yīng)始終保持稀薄渣復(fù)蓋?；搴髴?yīng)除掉氧化渣，插Al脫氧，再造新渣，出鋼前除渣干凈，僅留一層稀薄渣。
4)、出鋼澆注出鋼前在包內(nèi)鎮(zhèn)靜2-3分鐘，澆溫控制在1480℃左右為宜。澆時(shí)擋渣引氣良好。澆注時(shí)應(yīng)按“低溫快澆，快速冷卻”為原則并補(bǔ)澆充分。澆后30分鐘松開葙卡，1小時(shí)后可開葙出件。其他按一般鑄造工藝規(guī)范操作即可。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較的特點(diǎn)是采用普通的生產(chǎn)設(shè)備，運(yùn)用特殊的生產(chǎn)冶煉工藝，生產(chǎn)出具有高自潤滑性能的減磨材料；鑄件無須進(jìn)行熱處理，僅經(jīng)機(jī)加工成型。該發(fā)明材料在同樣的工況條件下使用，其效果明顯優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的材料。
實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的化學(xué)成分，在500kg中頻感應(yīng)爐中冶煉了三爐次，具體成分見表I。其中1#-3#是本發(fā)明材料各爐次化學(xué)分析結(jié)果。4#-9#是與本發(fā)明實(shí)施例相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的材料化學(xué)成分。
本發(fā)明材料及現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)材料的化學(xué)成分 (W)％ 表1
本發(fā)明材料與現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)材料性能對(duì)比
以上材料有的可用通常熔煉方法生產(chǎn)，但要通過熱處理才能達(dá)到一定的性能(如4)；有的還須用重熔的方法精煉，然后通過熱處理、表面處理才能達(dá)到使用性能要求，(如5)；有的原材料本身昂貴，雖具有一定的自潤滑性，但成本太高(如 6、7)；有的材料是用粉末冶金方法生產(chǎn)的。由于方法本身的局限性，使機(jī)械性能差(如8、9)顯見本發(fā)明材料(如1、2、3)與現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)材料比較具有良好的綜合的機(jī)械性能，且生產(chǎn)工藝簡單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。
權(quán)利要求
1.一種超高硫具有多種復(fù)合自潤滑相的高耐磨合金鑄造材料，其特征在于該材料的具體化學(xué)成份，特別是超高S含量(W％)C0.30-3.5％Si0.5-1.20％Mn0.5-1.2％S1.2-3.5％ Cr0.5-3.0％ Mo0.2-0.8％W0.2-0.8％ Ni≤0.2％ Cu≤0.6％Ti≤0.2％ P≤0.04％ Re(加入量)0.1-0.2％余為Fe
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高硫具有多種復(fù)合自潤滑相的高耐磨合金鑄造材料，其特征在于它的獨(dú)特的冶煉工藝，冶煉早期加入足量的含S合金，使其生成大量、穩(wěn)定的高熔點(diǎn)硫化物相；冶煉操作中的強(qiáng)化脫氧工藝至關(guān)重要。
全文摘要
一種超高硫具有多種復(fù)合自潤滑相的高耐磨合金鑄造材料,屬于合金鑄鋼(鐵)材料領(lǐng)域,適用于粘著磨損或滑(滾)動(dòng)磨損工況條件下工作的零部件,它以超高S含量,并加入相關(guān)量的合金元素,使形成復(fù)相的并有一定體積百分?jǐn)?shù)的硫化物,依靠硫化物的優(yōu)異的自潤滑性能來降低摩擦系數(shù),從而達(dá)到提高零件使用壽命的目的。
文檔編號(hào)C22C38/60GK1332264SQ01120590
公開日2002年1月23日 申請(qǐng)日期2001年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月25日
發(fā)明者李喜林, 楊濤 申請(qǐng)人:李喜林, 楊濤