專利名稱：含硫鐵基高溫自潤滑耐磨合金及其制備方法
技術領域：
本發明公開了一種具有較高機械強度、耐熱性和高溫抗氧化性，并在20～600℃的溫度范圍內具有低摩擦、耐磨損的良好自潤滑特性，適合制做內燃發動機引擎閥座、透平機廢門和高溫機械密封環等高溫機構摩擦學部件的含硫鐵基高溫自潤滑耐磨合金及其制備方法。
新近設計的輕型高效熱引擎和先進推動系統的速度和功率輸出較以前有大幅度提高，迫使其中的摩擦學部件要在更高的溫度下工作。高溫氧化、高的摩擦和劇烈的磨損會導致作為摩擦學部件使用的工程材料很快失效。由于高溫抗氧化性和耐磨性差及自潤滑性與對偶材料匹配性不佳等原因，傳統上作為引擎部件使用的材料已不能滿足新的要求。在其它高溫機構(如化工的高溫過程工藝控制系統和機械密封裝置)中，也存在大量因高溫下潤滑不良，致使部件磨損失效的情況。針對上述問題，申請人已向中國專利局申請了題為含硫自潤滑鎳基合金(CN1101681A)專利，但因原料價格高、材料制做成本較高，使其使用范圍受到限制。與鎳基合金相比，鐵基合金具有價格低廉的優勢。近年來，一些英美專利(如GB2215736、US4836848和US4933008等)相繼公開了借助粉末冶金燒結工藝制造的內燃發動機配氣閥座、廢門襯墊等用鐵基高溫耐磨合金和制備方法。
本發明的一個目的是為輕型高效熱引擎及其它高溫機構的摩擦學部件提供一種具有較高機械強度、耐熱性和高溫抗氧化性，并在20～600℃較寬溫度范圍內呈現低摩擦和良好耐磨性的含硫鐵基高溫自潤滑耐磨合金。本發明的另一個目的是提供該合金的制備方法。
本發明提供的含硫鐵基高溫自潤滑耐磨合金化學成份(質量分數，下同)為Cr:8.0～24％,Mo:6.0～18％,Ni:2.0～6.0％,Cu:1.0～2.0％,S:1.5～5.5％,余量為Fe。該合金主要由合金元素Cr、Mo和Ni等固溶強化的γ-Fe固溶體基體相，ε～Fe3Mo2硬質相，和Cr3S4等硫化物潤滑相構成。
將合金化學成份限制在上述范圍是因為
(1)Cr元素Cr是硫化物形成元素，還能溶入合金基體中起固溶強化作用。添加Cr有利于提高合金的機械強度，耐熱性和高溫抗氧化性，改善合金的摩擦磨損性能。如果Cr的含量低于8.0％，合金的機械強度、耐熱性等提高不大，摩擦磨損性能改善不明顯；若Cr含量高于24％，合金的機械強度、耐熱性等不會再有明顯提高。故Cr的含量應限制在8.0～24％的范圍內。Cr的最佳含量為12～20％。
(2)Mo元素Mo與Fe在合金中ε～Fe3Mo2等金屬間化合物硬質相，還能溶入合金基體中起固溶強化作用。添加Mo能夠提高合金的機械強度、耐熱性和耐磨性。但Mo含量低于6.0％，合金的機械強度、耐熱性和耐磨性的提高不顯著。若Mo含量超18％，合金中就會形成粗大的ε～Fe3Mo2等的枝晶，而使機加工性能等變差。所以，Mo的含量應限定在6.0～18％的范圍，Mo的最佳含量為9.0～14％。
(3)Ni元素Ni能固溶于鐵合金中起固溶強化作用，提高合金的機械強度、耐熱性和耐磨性。Ni的最佳含量為2.0～6.0％。
(4)S元素S的加入是為了在合金中形成Cr3S4等硫化物潤滑相使合金具有自潤滑性，來改善合金的摩擦磨損性能。如果S含量低于1.5％，合金的自潤滑性不顯著，若S含量大于5.5％，合金的沖擊強度過低而影響實際使用。故S含量應限制在1.5～5.5％范圍內。S的最佳含量為2.5～4.0％。
(5)Cu元素Cu的加入能明顯提高合金熔體的流動性，從而改善合金的鑄造工藝性能。其最佳含量為1.0～2.0％。
本發明的合金優選成份為Cr:12～20％,Mo:9.0～14％,Ni:2.0～6.0％,Cu:1.0～2.0％,S:2.5～4.0％,余量為Fe。
含硫鐵基高溫自潤滑耐磨合金采用中頻感應熔煉、鑄造成型工藝制備，具體制備方法依次包括如下步驟1、備料。選用純鐵、金屬鉻、電解鎳、鉬鐵(Mo含量55％)，硫化亞鐵(化學純)及電解銅等為原料。制備前按比例稱取原料，待用。
2、熔煉。合金熔煉在中頻感應爐中進行。
1)先將純鐵、鉬鐵、金屬鉻和電解鎳等放入爐內加熱至熔化2)再加入硫化亞鐵。待化清后將合金熔體的溫度控制在1360～1420℃，保溫一定時間(按每熔煉1kg合金保溫1～2分鐘，以熔煉合金的量來確定)；
3)保溫結束后，加入電解銅。然后用大功率加熱使合金熔體過熱。最后，將其溫度控制在1380～1460℃的澆注溫度。
3、鑄造。
1)殼型預熱。將事先加工、焙燒好的熔模鑄造殼型預熱至400～800℃，待用；2)澆注。將達到1380～1460℃過熱溫度的合金熔體平穩、連續地澆注于預熱好的殼型中；3)隨預熱爐自然冷卻后，打破殼型，即得合金鑄坯。
本發明采用的中頻感應熔煉、熔模鑄造成型工藝能方便、快捷地完成合金制備。具有合金組分燒損小，成份易控制及熔煉與成型一次完成等特點。
具有上述化學成份，并通過上述制備方法制得的含硫鐵基高溫自潤滑耐磨合金的物理機械性能和摩擦磨損性能如表1、2所示。
表1含硫鐵基高溫自潤滑耐磨合金的物理機械性能
表2含硫鎳基高溫自潤滑耐磨合金的摩擦系數和磨損率
注摩擦系數和磨損率是在銷盤式高溫摩擦試驗機上與自身配副時測得。
本發明的含硫鐵基高溫自潤滑耐磨合金適合制做內燃機引擎閥座、透平機廢門和高溫機械密封環及其它高溫機構的摩擦學部件。
實施例1化學成份為Cr:12％,Mo:9.0％,Ni:2.0％,Cu:1.0％,S:2.5％，余量為Fe的含硫鐵基高溫自潤滑耐磨合金經如下工藝過程制備(以制做3kg的合金鑄坯為例)(A)分別稱取金屬鉻塊0.65kg，鉬鐵塊0.86kg，電解鎳塊0.11kg，硫化亞鐵0.17kg，電解銅片0.05kg，純鐵塊3.35kg；(B)先將純鐵塊、金屬鉻塊、鉬鐵塊、電解鎳塊加入中頻感應爐中熔化，然后加入硫化亞鐵。待化清后，將合金熔體的溫度控制在1370-1400℃保溫8分鐘；(C)保溫結束后，加入電解銅片并加大功率加熱，使合金熔體達到1450℃的過熱溫度，隨即將其澆注入已預熱至600℃的熔模鑄造殼型中。(D)自然冷卻后，打破殼型即得合金鑄坯。具有上述化學成份、經上述制備方法制得的含硫鐵基高溫自潤滑耐磨合金主要由合金元素Cr、Mo和Ni等固溶強化的γ-Fe基固溶體基體相和ε-Fe3Mo2硬質相及Cr3S4等硫化物潤滑相構成。該合金的密度為7.63g/cm3，硬度為HRC36，沖擊強度為0.71×105J/m2，抗壓強度20℃時為935MPa,500℃時為583MPa；與淬火高速鋼(W18Cr4V)及合金自身配副滑動，在20～600℃溫度范圍內的摩擦系數為0.34-0.26，磨損率為1.96～5.08×10-14m3/(N·m)。
實施例2按前述工藝方法制備的化學成份為Cr:16％,Mo:12％,Ni:4.0％,Cu:2.0％,S:3.5％,余量為Fe的含硫鐵基高溫自潤滑耐磨合金，主要由合金元素Cr、Mo和Ni等固溶強化的γ-Fe固溶體基體相，ε～Fe3Mo2硬質相及Cr3S4等硫化物潤滑相構成。該合金的密度為77.6g/cm3，硬度為HRC40,熱膨脹系數為14.6μm/(m·K)，沖擊強度為0.59×105J/m2，抗壓強度20℃時為963MPa,600時為452MPa,與淬火高鋼(W18Cr4V)及合金自身配副滑動，在20-600℃溫度范圍內，摩擦系數為0.42-0.22，磨損率為0.68～3.18×10-14m3/(N·m)。與硬質合金YWN8和司太立合金Stellite 6配副滑動，在300～600℃，具有低而穩定的摩擦系數(0.30～0.25)和很高的耐磨性(磨損率為0.32～0.61×10-14m3/(N·m))。該合金適用于制做內燃發動機引擎閥座、透平機廢門襯墊及石油化工裝置中的熱油泵機械密封環等高溫機構的摩擦學部件。
實施例3按前述工藝方法制備的化學成份為Cr:20％,Mo:14％,Ni:6.0％,Cu:2.0％,S:4.0％,余量為Fe的含硫鐵基高溫自潤滑耐磨合金，主要出合金元素Cr、Mo和Ni等固溶強化的γ-Fe固溶體基體相，ε～Fe3Mo2硬質相及Cr3S4等硫化物潤滑相構成。該合金的密度為7.72g/cm3，硬度為HRC42，沖擊強度為0.42×105J/m2，抗壓強度20℃時為868MPa,600℃時為433MPa,與淬火高鋼(W18Cr4V)及合金自身配副滑動，在20～600℃溫度范圍內，摩擦系數為0.45～0.25，磨損率為1.17～3.68×10-14m2/(N·m)。
權利要求
1.一種含硫鐵基高溫自潤滑耐磨合金的化學成份為(質量分數)Cr8.0～24％,Mo6.0～18.0％,Ni2.0～6.0％,Cu1.0～2.0,S1.5～5.5,余量為Fe。
2.如權利要求1所述一種含硫鐵基高溫自潤滑耐磨合金的化學成份為Cr12～20％,Mo9.0～14％,Ni2.0～6.0％,Cu1.0～2.0％,S2.5～4.0％，余量為Fe。
3.如權利要求1或2所述含硫鐵基高溫自潤滑耐磨合金的制備方法依次包括備料、熔煉、鑄造三個步驟，其特征在于熔煉時將純鐵、鉬鐵、金屬鉻、電解鎳等加入中頻感應熔煉爐中加熱熔化，再加入硫化亞鐵，待化清后將合金熔體的溫度控制在1360～1420℃保溫一定時間，按每熔煉1kg合金保溫1～2分鐘，以所熔煉合金的量來確定，隨后加入電解銅，并使之熔化；鑄造時將過熱溫度為1380～1460℃的合金熔體連續平穩地澆注預熱至400～800℃的熔煉模鑄造殼形中。
全文摘要
本發明公開一種含硫鐵基高溫自潤滑耐磨合金及其制備方法。含硫鐵基高溫自潤滑耐磨合金的化學成分(質量分數)為Cr:8.0－24%,Mo:6.0－18%,Ni:2.0－6.0%,Cu:0－2.0%,S:1.5－5.5%,余量為Fe,采用中頻感應熔煉、熔模鑄造成型工藝制備。合金的密度為7.24－7.96g/cm
文檔編號C22C38/60GK1220320SQ9812572
公開日1999年6月23日 申請日期1998年12月11日 優先權日1998年12月11日
發明者劉近朱, 高金堂, 毛紹蘭, 劉維民 申請人:中國科學院蘭州化學物理研究所