含硫铁基高温自润滑耐磨合金及其制备方法

摘要

本发明公开一种含硫铁基高温自润滑耐磨合金及其制备方法。含硫铁基高温自润滑耐磨合金的化学成分(质量分数)为Cr:8.0－24%,Mo:6.0－18%,Ni:2.0－6.0%,Cu:0－2.0%,S:1.5－5.5%,余量为Fe,采用中频感应熔炼、熔模铸造成型工艺制备。合金的密度为7.24－7.96g/cm3,硬度为HRC35－45。该合金具有良好的机械强度,耐热性及高温抗氧化性,并在20－600℃的温度范围内呈现低摩擦、耐磨损且不损伤对偶的摩擦学特性,适合制做内燃机引擎阀座、透平机废门和高温机械密封环及其它高温机构的摩擦学部件。

说明书

本发明公开了一种具有较高机械强度、耐热性和高温抗氧化性，并在20～600℃的温度范围内具有低摩擦、耐磨损的良好自润滑特性，适合制做内燃发动机引擎阀座、透平机废门和高温机械密封环等高温机构摩擦学部件的含硫铁基高温自润滑耐磨合金及其制备方法。

新近设计的轻型高效热引擎和先进推动系统的速度和功率输出较以前有大幅度提高，迫使其中的摩擦学部件要在更高的温度下工作。高温氧化、高的摩擦和剧烈的磨损会导致作为摩擦学部件使用的工程材料很快失效。由于高温抗氧化性和耐磨性差及自润滑性与对偶材料匹配性不佳等原因，传统上作为引擎部件使用的材料已不能满足新的要求。在其它高温机构(如化工的高温过程工艺控制系统和机械密封装置)中，也存在大量因高温下润滑不良，致使部件磨损失效的情况。针对上述问题，申请人已向中国专利局申请了题为含硫自润滑镍基合金(CN1101681A)专利，但因原料价格高、材料制做成本较高，使其使用范围受到限制。与镍基合金相比，铁基合金具有价格低廉的优势。近年来，一些英美专利(如GB2215736、US4836848和US4933008等)相继公开了借助粉末冶金烧结工艺制造的内燃发动机配气阀座、废门衬垫等用铁基高温耐磨合金和制备方法。

本发明的一个目的是为轻型高效热引擎及其它高温机构的摩擦学部件提供一种具有较高机械强度、耐热性和高温抗氧化性，并在20～600℃较宽温度范围内呈现低摩擦和良好耐磨性的含硫铁基高温自润滑耐磨合金。本发明的另一个目的是提供该合金的制备方法。

本发明提供的含硫铁基高温自润滑耐磨合金化学成份(质量分数，下同)为Cr:8.0～24％,Mo:6.0～18％,Ni:2.0～6.0％,Cu:1.0～2.0％,S:1.5～5.5％,余量为Fe。该合金主要由合金元素Cr、Mo和Ni等固溶强化的γ-Fe固溶体基体相，ε～Fe₃Mo₂硬质相，和Cr₃S₄等硫化物润滑相构成。

将合金化学成份限制在上述范围是因为：

(1)Cr：元素Cr是硫化物形成元素，还能溶入合金基体中起固溶强化作用。添加Cr有利于提高合金的机械强度，耐热性和高温抗氧化性，改善合金的摩擦磨损性能。如果Cr的含量低于8.0％，合金的机械强度、耐热性等提高不大，摩擦磨损性能改善不明显；若Cr含量高于24％，合金的机械强度、耐热性等不会再有明显提高。故Cr的含量应限制在8.0～24％的范围内。Cr的最佳含量为12～20％。

(2)Mo：元素Mo与Fe在合金中ε～Fe₃Mo₂等金属间化合物硬质相，还能溶入合金基体中起固溶强化作用。添加Mo能够提高合金的机械强度、耐热性和耐磨性。但Mo含量低于6.0％，合金的机械强度、耐热性和耐磨性的提高不显著。若Mo含量超18％，合金中就会形成粗大的ε～Fe₃Mo₂等的枝晶，而使机加工性能等变差。所以，Mo的含量应限定在6.0～18％的范围，Mo的最佳含量为9.0～14％。

(3)Ni：元素Ni能固溶于铁合金中起固溶强化作用，提高合金的机械强度、耐热性和耐磨性。Ni的最佳含量为2.0～6.0％。

(4)S：元素S的加入是为了在合金中形成Cr₃S₄等硫化物润滑相使合金具有自润滑性，来改善合金的摩擦磨损性能。如果S含量低于1.5％，合金的自润滑性不显著，若S含量大于5.5％，合金的冲击强度过低而影响实际使用。故S含量应限制在1.5～5.5％范围内。S的最佳含量为2.5～4.0％。

(5)Cu：元素Cu的加入能明显提高合金熔体的流动性，从而改善合金的铸造工艺性能。其最佳含量为1.0～2.0％。

本发明的合金优选成份为：Cr:12～20％,Mo:9.0～14％,Ni:2.0～6.0％,Cu:1.0～2.0％,S:2.5～4.0％,余量为Fe。

含硫铁基高温自润滑耐磨合金采用中频感应熔炼、铸造成型工艺制备，具体制备方法依次包括如下步骤：

1、备料。选用纯铁、金属铬、电解镍、钼铁(Mo含量55％)，硫化亚铁(化学纯)及电解铜等为原料。制备前按比例称取原料，待用。

2、熔炼。合金熔炼在中频感应炉中进行。

1)先将纯铁、钼铁、金属铬和电解镍等放入炉内加热至熔化：

2)再加入硫化亚铁。待化清后将合金熔体的温度控制在1360～1420℃，保温一定时间(按每熔炼1kg合金保温1～2分钟，以熔炼合金的量来确定)；

3)保温结束后，加入电解铜。然后用大功率加热使合金熔体过热。最后，将其温度控制在1380～1460℃的浇注温度。

3、铸造。

1)壳型预热。将事先加工、焙烧好的熔模铸造壳型预热至400～800℃，待用；

2)浇注。将达到1380～1460℃过热温度的合金熔体平稳、连续地浇注于预热好的壳型中；

3)随预热炉自然冷却后，打破壳型，即得合金铸坯。

本发明采用的中频感应熔炼、熔模铸造成型工艺能方便、快捷地完成合金制备。具有合金组分烧损小，成份易控制及熔炼与成型一次完成等特点。

具有上述化学成份，并通过上述制备方法制得的含硫铁基高温自润滑耐磨合金的物理机械性能和摩擦磨损性能如表1、2所示。

            表1含硫铁基高温自润滑耐磨合金的物理机械性能

密度g/cm³ 硬度 HRC热膨胀系数μm/(m·K)冲击强度×10⁵,J/m²抗压强度MPa 20℃600℃7.24～7.96 35～45 14.0～15.8 0.32～0.94 842～1160 424～570

             表2含硫镍基高温自润滑耐磨合金的摩擦系数和磨损率

    温度℃    摩擦系数磨损率×10^-14,m³/(N·m)    20    0.30～0.52    0.63～2.28    300    0.26～0.35    0.46～3.63    600    0.22～0.30    0.78～4.32注：摩擦系数和磨损率是在销盘式高温摩擦试验机上与自身配副时测得。

本发明的含硫铁基高温自润滑耐磨合金适合制做内燃机引擎阀座、透平机废门和高温机械密封环及其它高温机构的摩擦学部件。

实施例1化学成份为：Cr:12％,Mo:9.0％,Ni:2.0％,Cu:1.0％,S:2.5％，余量为Fe的含硫铁基高温自润滑耐磨合金经如下工艺过程制备(以制做3kg的合金铸坯为例)：(A)分别称取金属铬块0.65kg，钼铁块0.86kg，电解镍块0.11kg，硫化亚铁0.17kg，电解铜片0.05kg，纯铁块3.35kg；(B)先将纯铁块、金属铬块、钼铁块、电解镍块加入中频感应炉中熔化，然后加入硫化亚铁。待化清后，将合金熔体的温度控制在1370-1400℃保温8分钟；(C)保温结束后，加入电解铜片并加大功率加热，使合金熔体达到1450℃的过热温度，随即将其浇注入已预热至600℃的熔模铸造壳型中。(D)自然冷却后，打破壳型即得合金铸坯。具有上述化学成份、经上述制备方法制得的含硫铁基高温自润滑耐磨合金主要由合金元素Cr、Mo和Ni等固溶强化的γ-Fe基固溶体基体相和ε-Fe₃Mo₂硬质相及Cr₃S₄等硫化物润滑相构成。该合金的密度为7.63g/cm³，硬度为HRC36，冲击强度为0.71×10⁵J/m²，抗压强度20℃时为935MPa,500℃时为583MPa；与淬火高速钢(W₁₈Cr₄V)及合金自身配副滑动，在20～600℃温度范围内的摩擦系数为0.34-0.26，磨损率为1.96～5.08×10^-14m³/(N·m)。

实施例2按前述工艺方法制备的化学成份为Cr:16％,Mo:12％,Ni:4.0％,Cu:2.0％,S:3.5％,余量为Fe的含硫铁基高温自润滑耐磨合金，主要由合金元素Cr、Mo和Ni等固溶强化的γ-Fe固溶体基体相，ε～Fe₃Mo₂硬质相及Cr₃S₄等硫化物润滑相构成。该合金的密度为77.6g/cm³，硬度为HRC40,热膨胀系数为14.6μm/(m·K)，冲击强度为0.59×10⁵J/m²，抗压强度20℃时为963MPa,600时为452MPa,与淬火高钢(W₁₈Cr₄V)及合金自身配副滑动，在20-600℃温度范围内，摩擦系数为0.42-0.22，磨损率为0.68～3.18×10^-14m³/(N·m)。与硬质合金YWN8和司太立合金Stellite 6配副滑动，在300～600℃，具有低而稳定的摩擦系数(0.30～0.25)和很高的耐磨性(磨损率为0.32～0.61×10^-14m³/(N·m))。该合金适用于制做内燃发动机引擎阀座、透平机废门衬垫及石油化工装置中的热油泵机械密封环等高温机构的摩擦学部件。

实施例3按前述工艺方法制备的化学成份为Cr:20％,Mo:14％,Ni:6.0％,Cu:2.0％,S:4.0％,余量为Fe的含硫铁基高温自润滑耐磨合金，主要出合金元素Cr、Mo和Ni等固溶强化的γ-Fe固溶体基体相，ε～Fe₃Mo₂硬质相及Cr₃S₄等硫化物润滑相构成。该合金的密度为7.72g/cm³，硬度为HRC42，冲击强度为0.42×10⁵J/m²，抗压强度20℃时为868MPa,600℃时为433MPa,与淬火高钢(W₁₈Cr₄V)及合金自身配副滑动，在20～600℃温度范围内，摩擦系数为0.45～0.25，磨损率为1.17～3.68×10^-14m²/(N·m)。