CN108893640B - 一种耐高温减摩材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耐高温减摩材料及其制备方法和应用。所述减摩材料由减磨、抗高温氧化、耐磨、减磨稳定性控制、强韧性改善、烧结致密化促进、烧结收缩率控制等七个功能组元组成，含MoS₂和/或WS₂、稀土、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Sn等合金组元。其制备工艺包括组元粉末混合，模压成形，H₂、Ar、N₂交替气氛烧结等三道工序。可以在无外加压力的烧结条件下，最大限度地抑制其烧结膨胀现象，可实现异形制品的大规模高效生产。由于制品表面氮化物、稀土氧硫化合物的形成，其最高有效使用温度可以高达近800℃。其作为一种传输轨道支撑材料使用时，可以满足铝、铜、钢等合金材料高温压力加工对材料制备自动化连续生产的需求。

Description

一种耐高温减摩材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种耐高温减摩材料及其制备方法和应用，属于粉末冶金复合材料技术领域。

背景技术

铝、铜、钢等合金材料高温压力加工自动化连续生产，需要一种耐高温的传输轨道支撑部件。目前常用的支撑部件材料为奥氏体耐热钢。在高温下，这种材料与被传输材料之间存在明显的扩散粘附磨损和摩擦磨损，一方面严重影响被传输材料的表面质量，另一方面也难以满足高速、高效连续生产的需求。为了解决上述问题，需要开发一种耐高温，同时也具有减摩功能的材料。采用这种耐高温减摩材料作为支撑部件，将其与钢件进行镶嵌组合，一方面可有效减小被传输材料与传输支撑材料之间的接触面积，降低传输阻力，提高传输效率，实现高温压力加工自动化连续生产的高速化；另一方面也可有效改善被传输材料的表面质量。

传统的粉末冶金摩擦材料和减摩材料，在烧结过程中容易出现体积膨胀现象，不利于烧结致密化。为了解决上述问题，通常采用热压烧结工艺。显然，该工艺不适合复杂形状制品的生产，而且生产效率低、生产成本高，因而具有很强的局限性。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种面向特定服役环境设计的耐高温减摩材料。

本发明的另一个目的是提供一种面向特定服役环境设计的高效、低成本、适合于复杂形状制品生产的耐高温减摩材料的制备方法，以满足铝、铜、钢等合金材料的高温压力加工对自动化连续生产的需求。

本发明的第三目的是提供一种耐高温减摩材料的应用，包括其在特定服役环境中的应用。

本发明一种耐高温减摩材料，所述耐高温减摩材料由减磨组元、抗高温氧化组元、耐磨组元、减磨组元稳定性控制组元、强韧性改善组元、烧结致密化促进组元以及烧结收缩率控制组元等七个功能组元组成；所述减磨组元为MoS₂和/或WS₂和稀土氧化物，抗高温氧化组元为Cr、Ni和稀土氧化物，耐磨组元为MoS₂和/或WS₂、Mn、Cr和稀土氧化物，减磨组元的稳定性控制组元和烧结致密化促进组元至少为熔点为850～980℃的Cu-Sn和Mn-Sn中间合金中的一种，强韧性改善组元为Fe、Ni和Cu，烧结收缩率控制组元为Fe、Ni、Cu、Sn、Mn和Cr。

作为优选方案，本发明一种耐高温减摩材料，以质量百分比计，总量为100％，包括下述组分：

作为优选方案，本发明一种耐高温减摩材料，所述稀土氧化物优先选用La₂O₃粉末、CeO₂粉末中的至少一种。

采用CSM球-盘式摩擦磨损试验机对本发明所开发的耐高温减摩材料进行摩擦磨损测试，样品为抛光态，测试中对偶摩擦副采用Φ6mm的刚玉球。具体测试参数为：测试模式为往复式滑动，滑动频率为5Hz，振幅为2.5mm，法向载荷5N，滑动次数为20000次，测试时间4000s。测试结果表明，本发明所开发的耐高温减摩材料的室温滑动摩擦系数＜0.35。

测试结果表明，本发明所开发的耐高温减摩材料的室温硬度HBW 2.5/187.5为＞115。

高温氧化测试结果表明，当温度＜800℃时，在本发明所开发的耐高温减摩材料的表面能形成致密的保护膜。

本发明一种耐高温减摩材料的制备方法，按设计组分配取MoS₂和/或WS₂粉末、稀土氧化物粉末、Cr源粉末、Mn源粉末、Fe源粉末、Ni源粉末、Cu源粉末、Sn源粉末；然后将配取的粉末混合均匀，经模压成形，交替气氛烧结，得到所述耐高温减摩材料。交替气氛烧结为：依次采用H₂、Ar、N₂气氛进行烧结。

本发明一种耐高温减摩材料的制备方法，

所配取粉末的费氏粒度均≤3.0μm；

当MoS₂和WS₂混合使用时，其优化比例为1:1；

所述稀土氧化物粉末选自La₂O₃粉末、CeO₂粉末中的至少一种；

所述Cr源粉末选自Cr-Cu和Cr-Fe中间合金粉末中的至少一种；

所述Mn源粉末选自Mn-Fe和Mn-Sn中间合金粉末中的至少一种；

所述Fe源粉末选自Fe粉，Cr-Fe和Mn-Fe等中间合金粉末中的至少一种；

所述Ni源粉末为Ni粉；

所述Cu源粉末选自Cu粉，Cu-Sn和Cr-Cu等中间合金粉末中的至少一种；

所述Sn源粉末选自Cu-Sn和Mn-Sn中间合金粉末中的至少一种。

作为优选方案，本发明一种耐高温减摩材料的制备方法，所述Fe粉为羰基Fe粉，所述Ni粉为羰基Ni粉，所述Cu粉为电解Cu粉。

本发明一种耐高温减摩材料的制备方法，

所述Cr-Cu中间合金粉末和Cr-Fe中间合金粉末中Cr的质量分数分别优选为50～70％和50～60％；

所述Mn-Fe中间合金粉末和Mn-Sn中间合金粉末中Mn的质量分数分别优选为70～80％和35～55％；

所述Cu-Sn中间合金粉末中Sn的质量分数为15～25％；

所述Cu-Sn中间合金或Mn-Sn中间合金的添加量为原料粉末总质量的5～8％。

作为优选方案，本发明一种耐高温减摩材料的制备方法，采用V型或三维混合设备对合金组元粉末直接进行混合，混合时间≥15小时，得到混合均匀的混合料；混合料经模压成形得到坯件；所述模压成形工艺包括对不添加成形剂的混合料进行直接成形，控制压制压力为500～700MPa进行压制，得到坯件。

本发明中，可以利用粉末组元中MoS₂和/或WS₂的减摩和自润滑功能，在不添加其它成形剂的条件下，可实现对混合粉末直接进行模压成形。

作为优选方案，本发明一种耐高温减摩材料的制备方法，所述交替气氛烧结工艺是指：第一阶段升温烧结采用氢气气氛；第一阶段保温结束后，第二阶段升温烧结采用氩气气氛；第三阶段烧结采用氮气气氛；其中第一阶段的烧结温度为550～650℃，保温时间为1～3小时；第二阶段的烧结温度为1050～1150℃，保温时间为0.5～1小时；第三阶段的烧结是在第二阶段保温的基础上继续保温1～2小时。在本发明技术开发过程中，尝试了采用单一气氛烧结、分阶段采用2种气氛烧结的方案；但效果均差于上述优化方案。

本发明采用上述工艺制备产品时，产品烧结过程中，烧结膨胀系数＜1.003。

本发明所设计和制备的产品，最高有效使用温度可以高达800℃。

本发明所设计和制备的产品，特别适用于用作传输轨道支撑材料。本发明所设计和制备的产品用作传输轨道支撑材料时，可以满足铝、铜、钢等合金材料高温压力加工对材料制备自动化连续生产的需求。

原理和特点

本发明的原理和特点简述于下：(1)利用烧结过程中稀土氧化物与MoS₂和/或WS₂之间的反应较其它合金组元之间的反应具有热力学优势的特定，抑制MoS₂或WS₂与其它合金组元之间的反应；(2)利用稀土氧化物与MoS₂或WS₂之间的反应产物，即稀土氧硫化物的高熔点(高达2000℃左右)和自润滑功能，进一步改善材料的耐高温和减摩、耐磨性能；(3)通过合金成分设计，避免合金体系出现瞬时液相烧结；选择熔点在850～980℃范围内的Cu-Sn或Mn-Sn中间合金，使合金体系出现稳态液相烧结，有效促进烧结致密化，同时抑制MoS₂或WS₂与除稀土氧化物以外的其它合金组元之间的反应，最大限度地保持合金中MoS₂或WS₂和稀土氧硫化物自润滑组元的数量；通过烧结合金体系中液相体积分数的控制，有效防止合金的烧结变形；(4)通过液相烧结和Fe、Ni、Cu、Sn、Cr、Mn之间的相互扩散及其合金化作用，在没有外加机械压力的条件下，最大限度地抑制减摩材料烧结过程中容易出现的烧结膨胀现象；由于烧结过程中无需外加机械压力，显著提高减摩材料制品的生产效率，同时也使形状复杂的异形减摩材料制品的生产成为可能；(5)依据组元间反应的热力学条件，先后采用氢气、氩气和氮气等烧结气氛，最大限度地保证了烧结过程中先后出现粉末表面氧化物的还原、合金的烧结致密化以及难以还原的Cr、Mn氧化物和部分金属态Cr、Mn，尤其是制品表层的金属态Cr、Mn转变为耐高温、高硬度、低摩擦系数的氮化铬和氮化锰，最大限度地发挥合金组元的作用与功能；(6)优化后的方案，采用羰基Fe粉和羰基Ni粉，一方面有利于改善粉末混合的均匀性和粉末的成形性能，另一方面利用其中的微量碳，实现对Fe、Ni、Cu基体组元的强化。GB/T 7160–2008羰基镍粉标准中规定，FNiTQ–101等级的羰基Ni粉末中C≤0.2％，充分说明羰基粉末含微量C是由其工艺过程特性所决定的。(7)经过成分优选后的Cr-Cu和Cr-Fe中间合金的熔点在1500～1600℃之间，明显低于Cr的熔点(～1863℃)，可以降低Cr源粉末的制备成本；经过成分优选后的Mn-Fe合金具有较好的耐磨性。

综上所述，本发明所提供的一种耐高温减摩材料及其制备方法，可以在无外加机械压力的烧结条件下，最大限度地抑制减摩材的烧结膨胀现象，可实现异形减摩材料制品的大规模高效生产；由于制品表面氮化物、稀土氧硫化合物的形成，这种减摩材料的最高有效使用温度可以高达近800℃。

附图说明

图1是实施例2所制备的合金在750℃保温1h氧化条件下，合金表面的扫描电镜照片。

图2是对比例2所制备的合金在750℃保温1h氧化条件下，合金表面的扫描电镜照片。

由图1可知，合金表面生成了致密的氧化膜。这种氧化膜的存在，有利于对基体的保护。

由图2可知，合金表面生成的氧化膜出现了疏松和部分脱落。这种氧化膜的存在，不利于对基体的保护。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

按照下表中的成分比例和粉末原料进行配料：

上表中Cr-45Fe中Fe质量分数为45％，Mn-25Fe中Fe质量分数为25％，Cu-20Sn中Sn质量分数为20％，下同。

将上表中的八种合金组元粉末分别倒入V型混料器中，混合24小时；将出料后的混合粉末直接进行模压成形，成形压力为500MPa。将压坯放入烧结炉内烧结，烧结工艺如下：由室温升温至550℃，采用氢气气氛，保温时间为3小时，保温结束后转为氩气气氛；在氩气气氛中继续升温至1150℃，保温时间为0.5小时，保温结束后将氩气转换为氮气，继续保温1.5小时，随后随炉冷却至室温。测量烧结后的产品平均高度为21.93mm，烧结前压坯的平均高度为21.89mm，烧结膨胀系数为1.002。合金的室温硬度为119HBW 2.5/187.5。

采用CSM球-盘式摩擦磨损试验机对上述工艺制备的合金样品进行摩擦磨损测试。样品为抛光态，测试中对偶摩擦副采用Φ6mm的刚玉球。具体测试参数为：测试模式为往复式滑动，滑动频率为5Hz，振幅为2.5mm，法向载荷5N，滑动次数为20000次，测试时间4000s。测试结果表明，合金的室温滑动摩擦系数为0.30。

对比例1：

按照下表中的成分比例和粉末原料进行配料：

按照与实施例1完全相同的混合、成形和烧结工艺制备合金。测量烧结后的产品平均高度为22.79mm，烧结前压坯的平均高度为21.90mm，烧结膨胀系数为1.041。合金的室温硬度为103HBW 2.5/187.5。

按照实施例1所述球-盘式摩擦磨损试验方法进行测试，结果表明，合金的室温滑动摩擦系数为0.48。

实施例2：

按照下表中的成分比例和粉末原料进行配料：

上表中Cr-40Cu中Cu质量分数为40％，Mn-50Sn中Sn质量分数为50％，下同。

将上表中的八种合金组元粉末分别倒入三维混合设备中，混合15小时；将出料后的混合粉末直接进行模压成形，成形压力为700MPa。将压坯放入烧结炉内烧结，烧结工艺如下：由室温升温至600℃，采用氢气气氛，保温时间为2小时，保温结束后转为氩气气氛；在氩气气氛中继续升温至1100℃，保温时间为1小时，保温结束后将氩气转换为氮气，继续保温1小时，随后随炉冷却至室温。测量烧结后的产品平均高度为21.89mm，烧结前压坯的平均高度为21.87mm，烧结膨胀系数为1.001。合金的室温硬度为120HBW 2.5/187.5。

按照实施例1所述球-盘式摩擦磨损试验方法进行测试，结果表明，合金的室温滑动摩擦系数为0.32。

以5℃/min的升温速率将合金样品升温至750℃，保温1h。观察结果表明，未出现表面氧化层与基体的分离现象。分析结果表明，合金的氧化增重率为3.22％。扫描电镜观察结果表明，合金表面生成了致密的保护膜，见图2。

对比例2：

按照下表中的成分比例和粉末原料进行配料：

按照与实施例2完全相同的混合、成形和烧结工艺制备合金。测量烧结后的产品平均高度为22.80mm，烧结前压坯的平均高度为21.89mm，烧结膨胀系数为1.042。合金的室温硬度为108HBW 2.5/187.5。

按照实施例1所述球-盘式摩擦磨损试验方法进行测试，结果表明，合金的室温滑动摩擦系数为0.52。

以5℃/min的升温速率将合金样品升温至750℃，保温1h。观察结果表明，未出现表面氧化层与基体的分离现象。分析结果表明，氧化增重率为4.51％。扫描电镜观察结果表明，合金表面的氧化膜不致密，而且出现了部分脱落，见图2。

实施例3：

按照下表中的成分比例和粉末原料进行配料：

将上表中的九种合金组元粉末分别倒入三维混合设备中，混合20小时；将出料后的混合粉末直接进行模压成形，成形压力为600MPa。将压坯放入烧结炉内烧结，烧结工艺如下：由室温升温至650℃，采用氢气气氛，保温时间为1小时，保温结束后转为氩气气氛；在氩气气氛中继续升温至1050℃，保温时间为1小时，保温结束后将氩气转换为氮气，继续保温2小时，随后随炉冷却至室温。测量烧结后的产品平均高度为21.92mm，烧结前压坯的平均高度为21.89mm，烧结膨胀系数为1.001。合金的室温硬度为121HBW 2.5/187.5。

按照实施例1所述球-盘式摩擦磨损试验方法进行测试，结果表明，合金的室温滑动摩擦系数为0.31。

Claims (8)

1.一种耐高温减摩材料，其特征在于：所述耐高温减摩材料由减磨组元、抗高温氧化组元、耐磨组元、减磨组元稳定性控制组元、强韧性改善组元、烧结致密化促进组元以及烧结收缩率控制组元七个功能组元组成；所述减磨组元为MoS₂和/或WS₂和稀土氧化物，抗高温氧化组元为Cr、Ni和稀土氧化物，耐磨组元为MoS₂和/或WS₂、Mn、Cr和稀土氧化物，减磨组元的稳定性控制组元和烧结致密化促进组元至少为熔点为850～980℃的Cu-Sn和Mn-Sn中间合金中的一种，强韧性改善组元为Fe、Ni和Cu，烧结收缩率控制组元为Fe、Ni、Cu、Sn、Mn和Cr；

所述耐高温减摩材料以质量百分比计，总量为100％，包括下述组分：

2.一种如权利要求1所述耐高温减摩材料的制备方法，其特征在于：按设计组分配取MoS₂和/或WS₂粉末、稀土氧化物粉末、Cr 源粉末、Mn源粉末、Fe源粉末、Ni源粉末、Cu源粉末、Sn源粉末；然后将配取的粉末混合均匀，经模压成形，交替气氛烧结，得到所述耐高温减摩材料。

3.根据权利要求2所述的一种耐高温减摩材料的制备方法，其特征在于：

所述所有粉末原料的费氏粒度均≤3.0μm；

当MoS₂和WS₂混合使用时，其优化比例为1:1；

所述稀土氧化物粉末选自La₂O₃粉末、CeO₂粉末中的至少一种；

所述Cr源粉末选自Cr-Cu和Cr-Fe中间合金粉末中的至少一种；

所述Mn源粉末选自Mn-Fe和Mn-Sn中间合金粉末中的至少一种；

所述Fe源粉末选自Fe粉，Cr-Fe中间合金粉末、Mn-Fe中间合金粉末中的至少一种；

所述Ni源粉末为Ni粉；

所述Cu源粉末选自Cu粉、Cu-Sn中间合金粉末、Cr-Cu中间合金粉末中的至少一种；

所述Sn源粉末选自Cu-Sn中间合金粉末、Mn-Sn中间合金粉末中的至少一种。

4.根据权利要求2～3任意一项所述的一种耐高温减摩材料的制备方法，其特征在于：

所述Fe粉为羰基Fe粉；所述Ni粉为羰基Ni粉；所述Cu粉为电解Cu粉。

5.根据权利要求2～3任意一项所述的一种耐高温减摩材料的制备方法，其特征在于：

所述Cr-Cu中间合金粉末和Cr-Fe中间合金粉末中Cr的质量分数分别为50～70％和50～60％；

所述Mn-Fe中间合金粉末和Mn-Sn中间合金粉末中Mn的质量分数分别为70～80％和35～55％；

所述Cu-Sn中间合金粉末中Sn的质量分数为15～25％；

所述Cu-Sn中间合金或Mn-Sn中间合金的添加量为原料粉末总质量的5～8％。

6.根据权利要求2所述的一种耐高温减摩材料的制备方法，其特征在于：采用V型或三维混合设备对合金组元粉末直接进行混合，混合时间≥15小时，得到混合均匀的混合料；混合料经模压成形得到坯件；所述模压成形工艺包括对不添加成形剂的混合料进行直接成形，控制压制压力为500～700MPa进行压制，得到坯件。

7.根据权利要求2所述的一种耐高温减摩材料的制备方法，其特征在于；所述交替气氛烧结工艺是指：第一阶段升温烧结采用氢气气氛；第一阶段保温结束后，第二阶段升温烧结采用氩气气氛；第三阶段烧结采用氮气气氛；其中第一阶段的烧结温度为550～650℃，保温时间为1～3小时；第二阶段的烧结温度为1050～1150℃，保温时间为0.5～1小时；第三阶段的烧结是在第二阶段保温的基础上继续保温1～2小时。

8.一种如权利要求1所述耐高温减摩材料的应用；其特征在于：所述耐高温减摩材料的应用包括将其用作金属材料高温压力加工传输轨道支撑材料。