CN103981443A

CN103981443A - 一种含磷石墨铁基粉末冶金减摩材料

Info

Publication number: CN103981443A
Application number: CN201410248582.5A
Authority: CN
Inventors: 焦明华; 陈涛; 田明; 苏柏万; 尹延国; 俞建卫; 马少波
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2034-06-06
Also published as: CN103981443B

Abstract

本发明公开了一种含磷石墨铁基粉末冶金减摩材料。其原料组分为：镀铜鳞片石墨为0.1%~5%，普通石墨粉为0.1%~3.5%，硬脂酸锌0.1%~3%，磷为0.1%~4%，余量为铁粉。经过混粉、压制、烧结步骤制备粉末冶金材料。与现有技术相比，本发明采取了新的混粉造粒方法，避免了粉末材料混合过程中不同质量和密度的粉末偏聚分层的问题，有效的防止了石墨在材料中的偏析；采用了以镀铜鳞片石墨和普通石墨粉混合添加的方式，改善了材料的压制成型性和烧结特性；通过添加磷明显提高了材料硬度以及抗粘着擦伤的性能；总之，本发明改善了铁基粉末冶金复合材料的减摩耐磨特性，并具有成本较低廉、适用范围广的优点。

Description

一种含磷石墨铁基粉末冶金减摩材料

技术领域

本发明属于粉末冶金材料技术领域，具体涉及具有较优的减摩耐磨效果及自润滑性能的含磷石墨铁基粉末冶金材料及制备工艺。

背景技术

铁基烧结自润滑材料因其优良的强度和耐磨性能、后加工材料损耗小及高性价比等优点，已作为铜合金的替代材料在滑动轴承、汽车摩擦副零件和液压元件等领域推广应用，其中铁基齿轮泵侧板就是铁基烧结自润滑材料在液压元件生产中应用的典型范例。但是铁基烧结材料的减摩性能一般不如铜基材料好，特别在贫油和较高温工况，摩擦副表面易发生黏着磨损甚至咬合。尤其是抗黏着性能差，会给机器带来致命伤害，例如叶片泵的配油盘，在过载情况下配油盘与高速旋转叶片的咬合，将会导致整个叶片泵的工作失效。因此，如何提高铁基烧结自润滑材料的抗黏着、耐磨损等性能显得尤为重要。

在黑色金属制造中，加入适当的非金属元素可以起到很好的合金化作用，例如，碳通过固溶及碳化物生成可有效增加铁基材料强度，而游离石墨能起到良好的减摩自润滑效果；磷固溶于铁基材料能提高基体的耐磨性等。但是，在粉末冶金材料中石墨的添加过量会严重影响材料的压制成型性和制品强度，导致添加量受到了限制。

除了材料的配方外，粉末混合工艺对材料的性能也有很大影响。铁粉混合的目的是使原料各个组分充分均匀化，一般加入少量锭子油，使质量较轻的石墨粉等在混合后均匀粘附在铁粉表面，避免不同质量和性质的组分偏聚分层。虽然这样的粉末混合方式已经在生产中普遍使用，但存在严重的不足，即油质挥发后仍引起低密度的粉末漂浮，从而影响材料的压制均匀性和烧结效果，最终影响材料的使用性能。

发明内容

为了提高铁基自润滑材料的抗黏着、耐磨损性能，并改善材料的均质性，本发明提供一种含磷石墨铁基粉末冶金减摩材料及制备工艺。

一种含磷石墨铁基粉末冶金减摩材料由下列重量的原料组成：镀铜鳞片石墨0.1%～5%、普通石墨粉0.1%～3.5%、硬脂酸锌0.1%～3%、磷为0.1%～4%，余量为铁。

具体制备操作步骤如下：

（1）混合

按配方取原料，在3000r/min转速下搅拌混合2～5分钟，加入质量为混合粉料的2%~3%的粘结剂，搅拌1～3分钟得到混合粉粒；混合粉粒过100目筛，得到粉团颗粒，在温度100℃条件下，烘干30分钟，再二次过100目筛，温度100℃条件下，烘干1小时，得到干燥的粉粒；

（2）压制

将粉粒送入压机的制品模具，在600MPa～700MPa压力下压制成毛坯件；

（3）烧结步骤：

将所述毛坯件置入粉末冶金烧结炉，在通入氨分解气的条件下，温度1120℃，烧结3小时，得到含磷石墨铁基粉末冶金减摩材料。

所述镀铜鳞片石墨由鳞片石墨表面均匀镀覆同等质量的铜构成。

所述磷以磷化铁粉形式存在，目数为350目，其主要成分包括20wt%的磷，5wt% 的锰、碳、钛、铝（Mn、C、Ti、Al），75wt%的铁。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1、减摩性较好的软质相石墨在铁基粉末冶金减摩材料中的应用比较普遍，但质量轻的石墨在混合过程中易发生偏析现象，且石墨和铁粉存在界面结合差、石墨对铁合金基体有割裂作用，制约了石墨的用量。石墨含量低时，减摩抗粘着性能不足；石墨含量高时，成型性变差，致使密度、强度、硬度下降。因此，一般的粉末冶金材料中石墨的含量不大于3%。而本发明中利用镀铜鳞片石墨替代部分普通石墨，并利用铜元素在铁基体中的扩渗，来改善包括石墨颗粒在内的添加相与铁基体界面处的结合度。同时，利用铜包裹石墨增加石墨组分的总量，在不影响机械强度的前提下，采取了镀铜鳞片石墨与普通石墨粉共同添加的方式，本发明中石墨含量可高达6%，使粉末冶金材料的减摩性能更稳定；

2、不含磷的材料表观硬度仅74HRB左右，加入0.1wt%磷后硬度值可提高近20%，并随着含磷的增加不断增大。说明本发明中磷的加入明显提高粉末冶金材料硬度以及摩擦过程中抗粘着擦伤的性能，改善了粉末冶金材料的耐磨特性和承载能力，对于提高粉末冶金材料的减摩、抗粘着特性也有促进作用；

3、在制备工艺上区分于普通方法的是：本发明采取了一种新的粘结剂混粉方式，有效的解决了粉末材料混合及使用过程中不同质量和密度的粉末偏聚分层的问题；

4、本发明含磷石墨铁基粉末冶金减摩材料与普通的铁基粉末冶金材料相比，明显提高了材料的抗粘着擦伤的性能和减摩自润滑特性，提供了一种经济实用的铁基粉末冶金新材料。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地说明。

实施例1

配方如下：所述的铁基粉末中，按重量分为计量单位，所述的镀铜鳞片石墨为4%，普通石墨粉为0.5%，硬脂酸锌1%，磷为0.1%，余量为铁粉。

具体制备操作步骤如下：

（1）混合

按配方取原料，在3000r/min转速下搅拌混合3分钟，加入质量为混合粉料的2%~3%的粘结剂，搅拌2分钟得到混合粉粒；混合粉粒过100目筛，得到粉团颗粒，在温度100℃条件，烘干30分钟，再二次过100目筛，温度100℃条件下，烘干1小时，得到干燥的粉粒；粘结剂为环氧树脂、聚乙烯醇缩醛和乙醇按体积比1：1：10配制；

（2）压制

将粉粒送入压机的制品模具，在650MPa压力下压制成毛坯件；

（3）烧结步骤：

将所述毛坯件置入粉末冶金烧结炉，在通入氨分解气的条件下，温度1120℃下，烧结3小时，得到含磷石墨铁基粉末冶金减摩材料；该材料的密度为6.729g/cm³、硬度为88HRB、摩擦系数为0.114、磨痕深度为0.012mm、摩擦温升为93℃。其中摩擦磨损试验在端面摩擦磨损试验机上进行，压力4.5MPa，线速度1m/s，浸油30分钟试验。

试验结果中，摩擦系数与摩擦温升小表示材料的减摩性能好，磨损量低表示其耐磨。由表1看出，本实施例配方粉末冶金材料具有较好的减摩、耐磨、抗粘着性能。

实施例2

本发明所述粉末冶金配方如下：所述的铁基粉末中，按重量分为计量单位，所述的镀铜鳞片石墨为3%，普通石墨粉为0.4%，硬脂酸锌0.8%，磷为0.2%，余量为铁粉。制备方法和操作步骤与实施例1相同；该材料的密度为6.676g/cm³、硬度为91HRB、摩擦系数为0.083、磨痕深度为0.006mm、摩擦温升为86℃。结果表明本实施例配方材料密度稍有降低，但比实施例1具有更好的减摩耐磨性能。

实施例3

本发明所述粉末冶金配方如下：所述的铁基粉末中，按重量分为计量单位，所述的镀铜鳞片石墨为4%，普通石墨粉为1%，硬脂酸锌1.5%，磷为0.3%，余量为铁粉。制备方法和操作步骤与实施例1相同；该材料的密度为6.677g/cm³、硬度为96HRB、摩擦系数为0.075、磨痕深度为0.0038mm、摩擦温升为69℃。相对于实施例1、2来说，本实施例配方粉末冶金材料的减摩、耐磨、抗粘着性能明显更好。

实施例4

本发明所述粉末冶金配方如下：所述的铁基粉末中，按重量分为计量单位，所述的镀铜鳞片石墨为4%，普通石墨粉为0.5%，硬脂酸锌1%，磷为0.4%，余量为铁粉。制备方法和操作步骤与实施例1相同，该材料的密度为6.639g/cm³、硬度为97HRB、摩擦系数为0.099、磨痕深度为0.003mm、摩擦温升为98℃。与性能较优的实施例3相比，本实施例配方粉末冶金材料的摩擦系数稍大，但耐磨性优。

表1 含磷粉末冶金减摩材料的性能对比

由表1可见，为了性能对比，采用相同的方法还对不含磷的普通铁基粉末冶金材料进行了实验检测，普通铁基粉末冶金材料的密度为6.741g/cm³、硬度为74HRB、摩擦系数为0.121、磨痕深度为0.016mm、摩擦温升为110℃。与普通不含磷铁基粉末冶金材料相比，本发明材料硬度明显提高，密度稍有降低。从摩擦磨损性能上看，本发明材料的减摩耐磨性能均优于普通不含磷铁基粉末冶金材料。

当然，根据实际需要，本发明所述粉末冶金配方在上述的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。

Claims

1.一种含磷石墨铁基粉末冶金减摩材料，其特征在于：所述含磷石墨铁基粉末冶金减摩材料由下列重量的原料组成：镀铜鳞片石墨0.1%～5%、普通石墨粉0.1%～3.5%、硬脂酸锌0.1%～3%、磷为0.1%～4%，余量为铁；

具体制备操作步骤如下：

（1）混合

（2）压制

（3）烧结步骤：

2.根据权利要求1所述的一种含磷石墨铁基粉末冶金减摩材料，其特征在于：所述镀铜鳞片石墨由鳞片石墨表面均匀镀覆同等质量的铜构成。

3.根据权利要求1所述的一种含磷石墨铁基粉末冶金减摩材料，其特征在于：所述磷以磷化铁粉形式存在，目数为350目，其主要成分包括20wt%的磷，5wt% 的锰、碳、钛、铝，75wt%的铁。

4.根据权利要求1所述的一种含磷石墨铁基粉末冶金减摩材料，其特征在于：所述粘结剂为环氧树脂、聚乙烯醇缩醛和乙醇按体积比1：1：10配制。