CN1278563A - 固体自润滑高耐磨合金铸件材料 - Google Patents
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Abstract
本发明属于合金铸件材料领域。适用于制造在要求高的自润滑高耐磨工况条件下工作的零部件。本发明合金铸件材料的具体成份为C0.35—3.2%,Si0.8—1.2%,Mn0.5—1.2%,S1.5—3.0%,Cr0.5—3.0%,Mo0.2—0.8%,W0.2—0.6%,Re(加入量)0.1—0.2%,Ni≤0.8%,Cu≤0.6%,Ti≤0.2%,其余为Fe。该合金铸件与现有技术相比较,具有很高的自润滑性及高的耐磨性,而且生产工艺简单,部件使用寿命长和经济、实用的特点。
Description
本发明属于合金铸件材料领域。特别适用于粘着磨损或滑(滚)动疲劳磨损的工况条件下工作的部件。
在国内外现有技术中，对于自润滑耐磨材料或复合自润滑耐磨材料的研究和开发方面主要有以下几种，①石墨钢，这些石墨并非是在冶炼后凝固时形成，而是在铸件于高温石墨化退火时所获得的。②含磷和其他合金铸铁。③以有色金属为基的合金。④采用粉末冶金方法所制备的耐摩擦材料。该方法是将一种或几种有一定粒度并有一定形状的金属粉末与改善磨擦性能的固体粉末添加剂经混合均匀后再压制或烧结成形。⑤采用表面改性处理使表面硬度提高。如渗碳、渗氮、氰化、低温渗硫等方法。上述方法与材料虽然可以通过冶炼或烧结后再进行热处理的方法获得一定的耐摩擦性能，但它们的机械性能较低，使用范围窄，有的材料成本昂贵，难以广泛使用。表面处理工艺不但能源消耗大、生产周期长，而且生产工艺复杂，还要相应的成套设备，且难以控制产品质量的一致性。
本发明的目的是：提出了一种不同于常规工艺处理过的，具有高自润滑耐磨的整体合金铸件材料，使其整体在有相应工况条件下具备较好的机械性能和特别高的自润滑性能并以此来减轻磨损及摩擦的作用，最终使合金铸件材料使用寿命得以提高。根据以上目的该合金铸件材料基本原理是：以提高钢中的S含量来达到提高材料的耐磨性能，同时在加入其它合金元素的基础上，加入适量的稀土以改变或提高该材料的机械性能和力学性能。根据上述内容该发明所提出的高耐磨合金铸件，其特征在于该铸件具体的化学成份含量(重量％)为C0．35-3．2％，Si0．8-1．2％，Mn0．5-1．2％，S1．5-3．0％，Cr0．5-3．0％，Mo0．2-0．8％，W0．2-0．6％，Re(加入量)0．1-0．2％，Ni≤0．8％，Cu≤0．6％，Ti≤0．2％，P≤0．04其余为Fe。根据上述发明内容，本发明合金铸件的主要技术特征是：使材料的S含量比现有技术钢铁材料标准中规定的极限还高达数10甚至数百倍；同时可以根据零部件的性能要求，调整C和其他加入合金元素的含量，以保证产品性能要求；该材料以整体大幅度提高自润滑性能来减低由于摩擦、磨损作用对材料的损耗，从而达到提高材料使用寿命的最终目的。以下根据各元素在该发明中的具体作用进行详细叙述。
Cr是提高淬透性的元素，钢中含有一定量的Cr可以使钢具有一定的抗氧化及耐蚀性能，当Cr含量达3％时，除Cr3C外还出现Cr7C3型碳化物，可以提高材料的耐磨性。Cr／C比是决定淬透性的主要因素，视其材料性能要求而取不同的值：对自润滑耐磨材料来说，Cr／C比在1．4-2．9为宜。本发明中Cr的加入量定为0．5％-3％。
Mo元素也可以提高淬透性，从而提高材料的整体强度和延伸性，对耐磨性也有所提高，特别是有Mn、Cr等元素复合加入时。按“传统理论”S会在晶介上生成硫化钼，使钢产生热脆，增加了锻、轧热加工时的困难。但MoS2又是一种极好的固体润滑剂，在本发明超高S含量中，形成足够的MoS2均匀分布手钢中。本发明铸造成型，无须热处理工序，因此避免了热脆的可能。Mo是一种贵重元素，本发明把Mo含量控制在0．2-0．8％。
W元素在铸件中的作用与Mo相似，但如按重量计则不如Mo显著，它主要提高钢的回火稳定性、红硬性、热强性以及形成特殊的碳化物WC，提高其耐磨性。与Mo一样它形成的WS2也是一种良好的固体润滑剂。W还有减低钢的过热敏感件，为使本发明材料保持一定的韧性，我们把W控制在0．2-0．6％。
Ti元素是极其活泼的金属元素之一，它和S、C都有极强的亲和力，形成的TiS2是一种良好的固体润滑剂。TiC极其稳定，不易分解，具有高的硬度，TiC在钢中只有加热到1000℃以上才能缓慢地溶入固溶体。在未溶入前，TiC微粒就有阻止晶粒粗大的作用，Ti虽在一定的程度上提高钢的强度，但对钢的韧性，特别是低温冲击韧性并不是个有益的元素。因为溶入铁素体中的Ti的脆化作用，会抵消因晶粒细化对冲击韧性所起的有利作用。故本发明视其工件对性能的要求，可以不加Ti元素或控制在≤0．2％。
Ni元素提高钢的淬透性及疲劳抗力、减少缺口敏感性，降低钢的脆化转变温度，钢中含有少量Ni，屈服比可以提高，当强度相同时，含碳量可以降低，因而韧性有所提高，但Ni与S结合，在晶介上生成NiS网状组织而发生热脆。本发明将Ni控制在≤0．8％。
Cu在钢中的某些作用，在含量低时与Ni相似，微量的Cu对提高屈服点很有效，Cu还可改善钢液的流动性，但过高含量会造成铸件污染。在本发明中视其工件性能要求一般不加或少加，若加也控制在≤0．6％。
Re元素是一种有效的变质剂，它可以细化晶粒、净化晶介、改变钢中夹杂物的形态和分布，对提高韧性、抗弯强度、硬度都有益处，它是一种提高综合性能的元素。当加入量过少时，效果不明显，但过多时则又会造成非金属夹杂物污染，本发明把Re元素的加入量控制在0．1-0．2％。
Si是钢中常见元素，作为合金元素加入一般不应低于0．8％，它固溶于铁素体和奥氏体中提高其强度和硬度。但若超过1．2％，将使韧性大幅度降低。它也是一种脱氧剂。在本发明中将Si控制在0．8-1．2％范围内。
Mn也是钢中常见元素，它的提高淬透性作用很强，在普通低合金钢中，利用它强化铁素体和细化珠光体，从而提高钢的强度。它是良好的脱氧剂，又极易于生成MnS2。也是一种同体润滑剂本发明材料把Mn含量控制在0．5-1．2范围内。
P元素增加钢的脆性，尤其是低温脆性，又是造成严重偏斜的元素，故在本发明中仍是要求愈低愈好。我们控制在≤0．04％。
S是本发明合金铸件材料中的关键元素。“传统观念”从来都视硫为钢铁材料中的有害元素，应尽量降低在钢铁材料中的含量，但也不能绝对化，如：钢中含S在0．15-0．3％时钢就变得易切削了。另外，低温渗S技术就是使材料表面形成FeS，材料就变得具有自润滑，耐磨性能也提高了。
除FeS外，MoS2，WS2，TiS2，MnS2等都是良好的固体润滑剂，而且S和钢中某些元素的亲和力远远大于和Fe的亲和力。这些元素与S形成硫化物的倾向依以下顺序而递增：Si，Co，Ni，Fe，W，Mo，Al，Cr，V，Nb，Mn，Ti，Zr。在冶炼时可使钢液中优先稳定地形成这些硫化物并不使进入渣相，这就可以完整地、均匀地使它们存在于合金铸件中，形成诸多的良好的具有自润滑作用的相。再根据工件不同要求加入不同量的C元素，使与其它加入的合金元素形成碳化物，合金铸件的强度主要是由碳的含量来决定，在本发明中C含量定为0．35-3．2％。
C可以在合金铸件中形成WC，Cr3C(Cr7C3)，TiC和MoC等诸多的高熔点碳化物硬质相。
本发明与现有技术相比较是具有自润滑性能好和耐磨性能高，工件的使用寿命长，生产设备无需特殊炉型，冶炼工艺简单，对合金铸件无需再进行热处理，仅需用陶瓷刀具进行精加工即可。该发明为自润滑高耐磨整体材料，在同样条件下使用，其效果明显优于现有技术材料。并且经济、实用。
实施例：
根据本发明合金铸件的具体化学成份，我们在中频感应炉中，冶炼了6炉次。其出钢温度为1450℃-1480℃，镇静3分钟后，分别浇注成拉伸、冲击、硬度、线膨胀系数、磨损试验的试样。
发明的具体实施方式：
根据本材料的具体化学成分，在500kg中频感应炉中冶炼了六炉次，对比材料的化学成分均见表1。其中1#-6#是本发明材料的各炉次化学成分。7#-12#是与本发明实施例相关的现有技术的材料的化学成分，其中7#为石墨钢，8#为38CrM6Al，9#为巴氏合金，10#为铜基合金，11#为Fe基减摩材料，12#为Cu基减摩材料。
本发明材料及与现有相关技术材料的化学成分 (重量％) 表1
| 序号 | 材料 | C | Si | Mn | S | Cr | Mo | W | Ni | Ti | Cu | Al | P | S | Re | Fe |
| 1 | 本发明材料 | 0.39 | 1.0 | 0.8 | 1.7 | 0.5 | 0.3 | 0.4 | - | - | - | 0.05 | 余 | |||
| 2 | 0.65 | 0.8 | 1.1 | 2.0 | 1.5 | 0.4 | 0.4 | 0.2 | 0.1 | - | 0.03 | 余 | ||||
| 3 | 0.85 | 1.0 | 0.9 | 2.3 | 2.0 | 0.5 | 0.3 | - | 0.1 | 0.2 | 0.02 | 余 | ||||
| 4 | 1.15 | 1.2 | 1.2 | 2.5 | 2.5 | 0.7 | 0.6 | - | - | 0.3 | 0.04 | 余 | ||||
| 5 | 1.65 | 1.0 | 0.9 | 2.6 | 2.6 | 0.8 | 0.5 | 0.2 | - | - | 0.04 | 余 | ||||
| 6 | 2.8 | 1.7 | 1.0 | 2.8 | 2.8 | 0.8 | 0.6 | - | - | 0.6 | 0.05 | 余 | ||||
| 7 | 石墨钢 | 1.35 | 0.8 | 0.45 | 0.03 | 0.02 | ||||||||||
| 8 | 38CrMoAl | 0.40 | 0.35 | 0.55 | 1.50 | 0.20 | - | 0.2 | - | - | 0.95 | 0.03 | 0.03 | |||
| 9 | 巴氏合金(Sn基) | Sn85 | Sb11 | Cu4 | Zn | Pb | Ni | |||||||||
| 10 | 铜基合金 | 4 | 91 | 3 | 2 | 微 | ||||||||||
| 11 | 减摩材料Fe基 | Fe96 | C2 | 加入MoS2 2.0 | ||||||||||||
| 12 | 减摩材料Cu基 | Cu88 | C5.5 | Pb Cr Fe3.5 1.0 1.0 | 加入MoS2 2.5 | |||||||||||
本发明材料与现有相关技术材料性能对比 表2
| 序号 | 材料 | σb(Mpa) | δ5(％) | ak(J/cm2 | HB | 线膨胀系数(×10-6mm/mm·℃) | 摩擦系数(f) | 比磨损量(×10-6mm3/N.mm2) | 抗氧化温度(℃) | 备注 |
| 1 | 本发明材料 | 380 | 6 | 7.5 | 280 | 10.2 | 0.08 | 7.26 | 600-800 | 比磨损量是在 负 荷160N,转 速18万转下数据 |
| 2 | 420 | 5 | 6.0 | 320 | 10.4 | 0.11 | 5.4 | 600-800 | ||
| 3 | 540 | 4 | 5.5 | 347 | 12.59 | 0.09 | 3 | 600-800 | ||
| 4 | 420 | 3 | 4.3 | 360 | 12.82 | 0.08 | 2.6 | 600-800 | ||
| 5 | 570 | 3 | 3.4 | 355 | 12.34 | 0.10 | 2.2 | 600-800 | ||
| 6 | 620 | 3 | 3.0 | 380 | 12.64 | 0.11 | 1.5 | 600-800 | ||
| 7 | 石墨钢 | 405 | - | - | 185 | - | - | - | - | 760℃淬火，退火状态 |
| 8 | 38CrMoAl | 880 | - | 70 | 450 | - | - | - | - | 重熔后940℃淬火，同火640℃状态，表面深N |
| 9 | 巴氏合金(Sn基) | 11 | 6 | - | 35 | - | - | - | - | 一般熔炼 |
| 10 | 铜基合金 | 25 | 20 | - | 85 | - | - | - | - | 一般熔炼 |
| 11 | 减摩材料Fe基 | 溃压强度(Mpa)185 | - | - | 78 | - | - | - | - | 粉末冶金烧结法 |
| 12 | 减摩材料Cu基 | 溃压强度(Mpa)160 | - | - | 35 | - | - | - | - | 粉末冶金烧结法 |
以上材料有的可用通常熔炼方法生产，但要通过热处理才能达到一定的性能(如1)；有的还须用重熔的方法精炼，然后表面渗氮(如2)；才能达到使用性能，有的原材料本身昂贵，虽具有一定的自润滑性，但成本太高(如3、4)；有的材料是用粉末冶金方法压制、烧结成型，由于方法本身的局限性虽有一定的自润滑性，但由于多孔性难以避免，使机械性能差(如5、6)。
显见本发明材料与现有相关技术材料相比较具有良好的机械性能，且生产工艺简单、经济、实用。
Claims (1)
1．一种固体自润滑高耐磨合金铸件材料，其特征在于该材料的具体化学成份为(重量％)C0．35-3．2％，Si0．8-1．2％，Mn0．5-1．2％，S1．5-3．0％，Cr0．5-3．0％，Mo0．2-0．8％，W0.2-0．6％，Re(加入量)0．1-0．2％，Ni≤0．8％，Cu≤0．6％，Ti≤0．2％，其余为Fe。
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Legal Events
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Applicant after: Gao Fuchi Applicant after: Li Xilin Applicant before: Gao Fuchi |
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Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: GAO FUCHI TO: GAO FUCHI; LI XILIN |
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