CN102392199B - 一种节材型耐热减摩自润滑材料 - Google Patents

Abstract

一种节材型耐热减摩自润滑材料，属于金属自润滑摩擦材料技术领域。特别适用于在300℃-1050℃环境条件下制造服役零部件。该材料的化学成分质量百分数为：C0.75-0.95％，Si0.6-0.8％，Mn1.5-2.5％，Cr6.5-9.5％，Mo0.55-0.65％，Cu0.65-0.75％，Al2.5-3.5％，S0.25-0.45％，N0.05-0.10，B0.05-0.10％，V0.10-0.20％，RE0.05-0.15％，P≤0.015％，RE为Ce、Y等。P在0.015％以下，Ni≤0.3％，余量为Fe。优点在于，该自润滑摩擦材料与现用材料和技术相比成本低、耐热区间广泛，具有较高的高温强硬性、抗热疲劳性和减摩耐磨性，具有高温抗氧化性能和耐工业湿热气氛腐蚀性能，使用中开裂掉块倾向低、磨料磨损小、使用寿命长。

Description

一种节材型耐热减摩自润滑材料

技术领域

本发明属于金属自润滑摩擦材料技术领域，特别是提供了一种节材型耐热减摩自润滑材料。该自润滑材料适用于冶金、矿山、煤炭、机电、石化、机械等领域中制造金属对磨装置(如轧辊表面耐磨层、叶轮表面耐磨层、轴套类件、生产线各类支撑滑块、导位件等)和用于其他种类的金属滑动摩擦零部件整体或表面材料，特别适用于制造在宽温域环境条件下(300℃-1050℃)服役的摩擦学零部件制品。

背景技术

在我国现代工业生产现场，金属材料制作的支撑摩擦零部件很少具有减摩和自润滑功能；目前在工业生产领域中磨损磨蚀是造成能源和材料消耗的重要原因之一，而在不同的磨损类型中，粘着磨损又是占据比例最大的一类。常温环境下各种设备、备件运行中均采用润滑油来降低粘着磨损，但在中、高温环境条件下运行的设备、备件，润滑油会失去其润滑冷却效果，因而造成机械零部件中金属材料的快速磨损消耗；同时工件在高温运行中与支撑、转动摩擦零部件表面直接接触，造成工件划伤；由于零部件使用中表面裂纹与掉块更加重了对工件的损伤，造成其后的质量事故；随着工矿温度、湿度的提高，接触磨损与氧化烧蚀情况更为严重。

在现代工业生产过程中，高端材料的生产对在线使用的支撑、转动摩擦零部件提出了更高的要求；目前使用的材料普遍存在高温强硬度低、耐磨性差；高温抗氧化、抗疲劳性差，当环境条件不能满足该类零部件保持常温状态下的运转条件时(如润滑油失效、粉尘污染、水冷却系统失效等)，就会造成零部件在高温、重载时的加速磨损和氧化腐蚀失效。近年来，开发出的一些高成本高温合金材料只能满足小批量高端新材料生产；而在大批量生产中由于高温合金材料中Co、Ni、W、Mo等贵金属元素含量高，制造成本也较高，而在高温下使用时其自身的强度低、耐热疲劳性能差，减摩自润滑性低、耐磨寿命短等原因，也降低了该类高温合金材料的应用价值。

本发明采用无Co、Ni、W等贵金属元素添加；充分利用我国自有资源，以较低的合金元素添加；通过优化的成分配比和处理工艺，达到耐高温氧化、耐磨减摩、对磨自润滑等效果，是一种廉价高效的耐热减摩自润滑新材料。

冶金带钢生产夹送辊原用材料QT700，在使用过程中由于带材表面加工突起，在红热状态下与夹送辊面进行剧烈摩擦，接触温度达700℃以上，材料的强硬度下降至HRc15以下，经常在短时间内辊面即出现犁沟，造成带材表面划伤，当进一步轧制加工时形成内部缺陷，严重时可使整批带材报废，给其后的处理和使用带来隐患。现用夹送辊48小时内即需更换，明显增加了生产成本。使用本发明材料160小时后未发现表面犁沟，表明该材料具有较明显的减摩润滑功能。

化纤生产搅拌转子叶片表面原用进口高温涂层材料，由于其高钴、钨元素添加，使该材料抗蠕变性差，高温下运行时叶片表面经常出现龟裂和剥落，导致生产效率大幅下降。使用本发明材料制作叶片涂层材料不仅解决了龟裂和剥落问题；在同等工矿条件下提高使用寿命一倍以上，替代了进口材料，大大降低了生产成本。

板卷生产卷板装置原用材料Q345R，由于红热钢坯表面与该装置表面接触时温度高达950℃，造成装置表面材料迅速形成氧化层，随着高温氧化的持续，表面氧化层不断剥落，氧化皮粘连到钢板表面，造成其后加工的质量缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种节材型耐热减摩自润滑材料，是一种资源节约型的耐磨减摩自润滑新材料，实现了成本较低、更适合在较宽温域(300℃-1050℃)环境下使用，具有较高的高温强硬度，优良的耐磨、减摩、高温自润滑、抗高温氧化和抗疲劳蠕变性能，高温热变交换时裂纹、剥落趋势小、使用寿命长。

根据上述目的，本发明整体的技术方案为：它不同于现用的常规耐热材料和高温合金须分温度段进行选材使用，具有宽温域适用性。在宽温域条件下使用时组织、性能稳定。在高温、高湿、高速、负载工矿条件下运转时具有耐磨、减摩润滑、抗氧化、使用寿命长等优良的综合性能，是一种节材型宽温域耐磨自润滑合金材料。

由于目前适用于在高温高湿环境下较长时间工作的材料寥寥无几，而高温合金(高Ni、W、Mo、Co合金)价格昂贵限制了其使用。就耐磨材料而言，高温下的磨料磨损和腐蚀磨损更为严重。由于大部分高温合金不具备表面自润滑性能，在高温高湿环境下无减摩润滑性能，故耐磨性差。低合金高强钢材料由于其合金含量低，造成了其高温下强硬度低、耐磨性能差，当接触温度高于300℃时，此类材料使用寿命较短。本发明材料以我国丰富的矿产资源为主要元素，通过使用较为廉价的合金元素，使其在高温下使用时保持较高的基体强硬度；在摩擦表面形成稳定的减摩润滑金属薄膜，并通过微量元素的添加改善基体在高温下的抗氧化性能和耐磨性能，与现用材料相比降低了磨料磨损量和腐蚀磨损率，从而使现代工业中大量使用的高温摩擦学零部件的使用寿命得以提高。选用的材料以C.Cr.Si.Mn.Fe等元素的合理配比形成基体材料；通过C.Cr.Al.V.Fe的一定比例获得马氏体组织；通过添加Al.Cu.S.Si提高其高温减磨性能和抗氧化性能；添加N、B、V形成弥散型硬质点以提高基体的高温强硬度；通过Mo、Cu在高温下的复合作用提高材料的耐热耐磨性能；添加稀土全面改善材料的组织性能，形成复合稀土组元，提高材料的高温减磨润滑性能；改善材料高温使用时的组织蠕变行为，延长使用寿命；改善材料组织中缺陷的性状，提高基体组织的综合性能。由于本发明材料形成的基体组织具有较高的高温抗氧化性能，铝与硅的添加在高温下能够在材料表面形成连续致密的钝化膜，从而使材料的抗氧化性能得以提高。

由于本发明选用了较为廉价的元素合成材料，除其在高温条件下适用于制作各种高温摩擦学零部件外，还由于其本身的价格低廉使其具有广泛的使用价值和经济效益。

根据上述目的和整体技术方案，本发明具体技术方案为：该材料的化学成分组成(质量％)为：C 0.75-0.95％，Si 0.6-0.8％，Mn 1.5-2.5％，Cr 6.5-9.5％，Mo 0.55-0.65％，Cu 0.65-0.75％，Al 2.5-3.5％，S 0.25-0.45％，V 0.10-0.20％，N 0.05-0.10，B0.05-0.10％，RE 0.05-0.15％，P≤0.015％(P在本材料中为有害元素，应控制其含量区间在0.015％以下)，Ni≤0.3％(本材料为节镍材料，钢种未添加镍；此处标注的为钢冶炼中的残留，一般标注为≤0.3％)，余量为Fe。

Si、Al元素及其化合物(如Al₂O₃，Si₃N₄，SiC)在高温摩擦下生成的表面膜(减摩润滑相)具有的减摩耐磨性能。

所述的RE为以鈰(Ce)、钇(Y)为主的稀土元素，复合稀土化合物的形成及对材料减摩、抗高温裂纹性能的影响。

上述成分组成中各元素的比例关系和主要作用为：

C：元素C主要与元素Cr形成马氏体基体组织。与元素Cr.Si.Mn.V.等作用，形成MC、M₂₃C₆和M₇C₃类(M表示Cr、Si、V等元素或其复合)碳化物硬质耐磨相，经固溶处理后弥散分布在基体组织中以提高合金的硬度和耐磨性。当元素C含量低于0.50％时，随温升材料的高温强硬度递减过快，耐磨性能变差。而当C含量高于基体组织饱和度时析出形成的过量碳化物会导致材料裂纹趋向增加。所以，元素C的含量在该材料中应限制在0.75-0.95％的范围内，固溶强化处理时材料根据强硬度要求不同，元素C含量可控制在上限或下限。

Cr：该材料中元素Cr与元素C作用形成马氏体基体组织，其中部分形成弥散分布的碳化物硬质耐磨相，溶入基体组织中起固溶强化作用。添加元素Cr有利于提高材料的机械强度、高温抗氧化性，改善材料的磨料磨损性能。研究表明：钢中Cr含量低于5％时，合金的机械强度、耐热性、组织稳定性将降低；而元素Cr含量高于24％时，合金的机械强度、耐热性等不会再有明显提高，且增加钢的脆性，造成资源浪费。本着节约资源同时达到材料综合性能要求的原则，该材料中元素Cr含量选择在6.5-9.5％的范围内。固溶强化处理时材料根据强硬度要求不同，元素Cr含量可控制在上限或下限。上限或下限的选择应与元素C含量在该材料中的范围相对应。

元素Cr也是本材料中复合硫化物形成元素，对材料中高温下的自润滑减摩性能有一定贡献。

Si：本发明材料中添加元素Si的目的在于减少铬、钒等合金元素的氧化损失；元素Si有助于M₇C₃型化合物的形成，可提高材料高温下的强硬度，研究表明：元素Si的化合物在高温下能够在材料表面形成具有减摩润滑性质的钝化膜，从而提高材料高温耐磨性，延长使用寿命。但当Si含量大于1.2％时，将增加材料的脆性，降低材料的抗冲击载荷。故本发明材料Si含量控制在0.6-0.8％之间。

Mn：对于钢的组织、工艺性能、力学与物化性能都有明显影响。由于我国资源丰富、价格低廉。选作本材料主要耐磨元素之一。Mn还是本材料中复合硫化物形成元素之一，作为一种固体润滑相，具有优良的自润滑性能。由于Mn是奥氏体形成元素，为保证本材料经处理后得到弥散强化质点的马氏体组织，本发明材料中锰含量设计在1.5-2.5％合理区间之内，与C、N、Cu等元素同适量的元素Cr形成合理配比，获得理想的基体组织。

Mo：元素Mo能固溶于铁合金基体中起强固溶强化作用，也能与元素C作用，形成碳化物硬质耐磨相，提高合金的强度、耐热性和耐磨性，在高温条件下作用更为明显。元素Mo与Cu的复合作用使材料在高温下保持高强热性。由于Mo是贵重金属，在保证相关性能的条件下应控制使用。

Cu：本材料中加入少量元素Cu能明显提高钢液的流动性，从而改善材料的铸造工艺性能；其最佳含量约为0.6-1.0％。同时，元素Cu在高温时参与表面钝化膜的形成过程，形成高温润滑相。

Al：在Cr、Al系合金材料中，当铬大于13％以上时，形成以Cr₂O₃为主的氧化膜，具有较高的抗氧化性；当元素Al含量大于4％时，高温氧化膜主要由Al₂O₃组成；如果Cr、Al综合使用，则可降低两者含量并能更好的发挥其抗高温氧化作用。在高温条件下合金表面形成致密的铝氧化薄膜，与基体金属牢固结合，并可与基体金属一起变形，起到对基体的保护作用。Al具有比Cr更大程度的形成高致密性和抗热氧化膜的能力，因此，在本发明的合金中添加Al可以使Cr的抗氧化能力得到极大的提高。本合金材料中形成的三硫化二铝复合稀土硫化物，作为一种固体润滑相，在高温下能使材料的减摩性能大大提高，摩擦系数降低，从而延长了材料在高温下的摩擦使用周期。

S：S是本发明材料中的一个重要添加元素。近年来的一些研究表明，硫化物是一种优良的固体自润滑相，本发明材料中的硫化物是以硫化钼、铁为基的多元硫化物，包含硫化铬(Cr₃S₄)、硫化钒(VS)、三硫化二铝(Al₂S₃)等复合稀土硫化物，作为一种固体润滑相，具有优良的自润滑性能，特别是在高温下形成摩擦偶之间的微细金属粒子润滑颗粒能使材料的减摩性能大大提高，摩擦系数降低，从而延长了材料的耐磨使用周期。本材料中确定的硫含量为0.25％至0.45％，冶炼过程和试验数据表明当本材料硫含量大于0.5％且铸件冷却方式不当时，铸造组织中会出现沿晶界裂纹，直接影响零部件的机械性能。

V：V是MC(N)型析出的重要元素，即V(C、N)。具有提高高温强度的作用。当元素V含量小于0.005％时析出量少；而当钢中元素V含量大于0.5％时，致使晶粒粗大。元素V对晶界组织的钉扎作用，提高了钢的高温蠕变强度。本发明V含量控制在0.15-0.20％之间。

B：本材料中加入少量元素B可以改善晶界形态，提高合金的持久使用寿命，并显著改善裂纹敏感性。添加微量元素B可形成基体中的陶瓷质点，提高基体硬度，有关资料介绍加入0.01-0.06％的B即具有强烈的强化晶界的作用，可有效抑制高温下晶界的过度长大，提高材料的高温耐磨性。在奥氏体基体中加入B可提高材料的抗蠕变性能，持久强度。本发明元素B的添加量为0.05-0.10％，用以提高基体中B化物质点的比重及高温强硬性。

Re(鈰、钇等)：稀土元素可以明显改善钢的流动性，净化晶界，改变钢中夹杂物的形态。加入稀土可降低Cr₂O₃的挥发性，使其变成稳定的(Cr、Re)₂O₃膜，提高钢的耐热性。混合稀土的加入可提高650℃以上时的持久强度和抗蠕变强度；本合金材料中复合稀土硫化物的形成使合金具有高温减磨、耐磨与自润滑特征。

N：N具有细化晶粒，提高抗蠕变和高温强度的作用，但当N含量超过0.1％时时会使析出物粗大化，降低钢的强度和韧性。本发明N含量控制为0.01-0.10％。

P：本钢中严格控制有害元素P含量，由于钢中的P有弱化晶界，降低高温强度等特征，故将其控制在0.015％以下的范围内。

Ni是贵重且稀有的金属，为了降低材料的成本，使制作的零部件更经济适用，本发明材料中未添加镍，所标镍含量为炼钢过程所选材料中的残余镍含量。

本发明材料与现用材料和技术相比具有成本低、性价比高，宽温域适用性强，且具有稳定的高温强硬度，优良的耐磨性能和减摩性能、高温抗氧化性能和抗疲劳蠕变性能，使用寿命长等优点。

本发明材料的抗压强度20℃时为1450-1630MPa，500℃时为665-730MPa，与自身配副在销盘式高温摩擦机上测得的摩擦系数20-500℃时为0.12-0.25之间，磨损率为0.30-1.52*10^-14M³/N.m，其润滑方式为摩擦副表面接触滑动摩擦，表面形成由微小金属颗粒组成的连续亚微米级薄膜，实现表面过渡润滑过程。该材料室温硬度为HRc56--60。

本发明采用中频感应炉熔炼，模铸成型的制备方法，能够便利快捷的制作本材料。该方法具有控制简便、烧损程度低、材料熔炼与工件成型一次完成等特点。本发明材料的冶炼主料添加顺序为：生铁-回炉钢料-铬铁-锰铁-纯铜-硅铁-电解铝-钒铁-氮化铬铁，冶炼使用硅脱氧，钢包内稀土、硫处理。出炉温度1520-1550℃，浇铸温度1360-1430℃，浇铸结束后保温10小时以上开模。可采用水平连铸直接拉制焊丝；也可冶炼后通过雾化制粉制作合金粉末，用于钢材表面涂覆。

具体实施方式

根据本发明材料的化学成分和冶炼加工工艺制备了三批耐磨减摩自润滑新材料，并将本发明材料制造成高温部位相关摩擦零部件与现用材料(选择现常用材料3种)零部件进行使用性能对比。其中，表1为本发明实施例的化学组成成分表(质量％)，表2为现有技术中材料的主要化学成分表。上述列表中序号GAE01-03#为本发明实施例.XNE01-03#为性能对比材料。

实施例1：根据本发明设计的材料化学成分共制备了三种耐磨减摩不锈自润滑新材料。，并根据现场不同用途所使用的现有材料进行了试验对比。GAE01材料具体化学成分见表1。该材料抗压强度在20℃时为1450MPa，500℃时665MPa，室温硬度为HRc56，摩擦系数20℃时0.12，500℃时0.25。将该材料用于冶金带钢生产夹送辊与原用材料QT700(具体化学成分见表二XNE01)相比较，其使用条件和性能见表三。

实施例2：GAE02材料具体化学成分见表1。该材料抗压强度20℃时为1580MPa，500℃时720MPa，室温硬度为HRc60，摩擦系数20℃时0.15，500℃时0.22。将该材料用于化纤生产搅拌转子叶片表面与原用进口高温涂层材料(具体化学成分见表二XNE02)相比较，使用条件和性能见表三。

实施例3：GAE03材料具体化学成分见表一。该材料抗压强度20℃时为1630MPa，500℃时730MPa，室温硬度为HRc60，摩擦系数20℃时0.17，500℃时0.24。将该材料用于冶金板卷生产卷曲装置与原用材料Q345R(具体化学成分见表二XNE03)相比较，其使用条件和性能见表三。

表1本发明实施例的化学成分表(质量％)

注：冶炼成分中Ni＜0.30为残量，控制P＜0.025。

表2现有技术中材料主要化学成分表

表3本发明实施例制备的零部件与对比材料零部件工业现场使用性能对比

Claims (1)

1.一种节材型耐热减摩自润滑材料，其特征在于，该材料的化学成分质量百分数为：C 0.75-0.95%， Si 0.6-0.8%，Mn 1.5-2.5%，Cr6.5-9.5%，Mo 0.55-0.65%，Cu 0.65-0.75%，Al 2.5-3.5%，S 0.25-0.45%，N 0.05-0.10%， V 0.10-0.20%，B 0.05-0.10%，RE0.05-0.15%， P≤0.015%，Ni ≤0.3%，余量为Fe；

所述的RE为以铈、钇为主的稀土元素。