一種自潤滑減摩耐磨合金鋼及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種金屬材料及其制備方法，尤其是涉及一種自潤滑減摩耐磨合金鋼 及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 隨著我國國民經(jīng)濟高速發(fā)展和現(xiàn)代化建設的需要，我國正大力發(fā)展高端裝備制 造、航空航天、交通運輸、海洋工程等大型尖端裝備及先進制造業(yè)的自主科研創(chuàng)新，以便打 破國外技術封鎖，發(fā)展形成我國具有自主知識產(chǎn)權、能獨立制造的先進高端裝備所需的高 新技術和新材料。緊密對接國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和政策，大力推進高新技術產(chǎn)業(yè)化，重 點發(fā)展高端裝備制造、航空航天、交通運輸、海洋工程裝備等一批專項工程裝備及關鍵配套 系統(tǒng)，都需要進行大量的技術創(chuàng)新和新材料的研宄開發(fā)。
[0003] 我國正在進行的高端裝備制造、航空航天、交通運輸、海洋工程裝備等的建設涉及 到研制能滿足在高速、潤滑不充分的邊界潤滑或直接干摩擦等極端工礦條件下的導軌與滑 塊組成的運動摩擦副配對新材料的研制開發(fā)。
[0004] 導軌分為直線導軌和圓形導軌，與相配對的滑塊組成運動摩擦副。導軌一般長度 相對較長、位置相對固定。滑塊沿著導軌表面相對運動，形成滑動摩擦。由于特殊極端工礦 條件的限制，導軌只是在安裝初期表面涂抹潤滑油脂，在使用期間，滑塊與導軌之間不再添 加潤滑油脂，這樣導軌與滑塊之間形成潤滑不充分的邊界潤滑條件，滑塊與導軌之間的滑 動摩擦為邊界潤滑或干摩擦。
[0005] 我國從德國進口的某型高端裝備上，導軌是常用的304不銹鋼，滑塊是銅基減摩 板材，導軌與滑塊之間不加潤滑油脂。若要實行該裝備的國產(chǎn)化，就必須解決與304不銹鋼 組成摩擦副的自潤滑減摩耐磨材料的選材。
[0006] 國內某大型水泵廠生產(chǎn)的水泵采用迷宮動靜環(huán)密封，動靜環(huán)均采用304不銹鋼形 成摩擦副，動靜環(huán)之間與含泥沙的水，但使用過程中動靜環(huán)組成的摩擦副粘著磨損嚴重， 影響水泵使用壽命，因而也要采用自潤滑減摩耐磨材料加工的動環(huán)來解決與304不銹鋼靜 環(huán)相匹配的問題。
[0007] 在某些電視塔等高層觀光塔的旋轉導軌、大型旋轉游藝機等的圓形導軌采用常規(guī) 20#鋼、45#鋼等碳素鋼鋼管制作，采用滑輪支撐上面的重量，導軌與滑輪形成摩擦副。由于 其維修安裝安全性考慮，一般導軌與滑輪之間在安裝初期加潤滑油脂，使用期間不再添加 油脂。若導軌與滑輪之間發(fā)生粘著磨損，將帶來極大的安全隱患。也必須采用具有減摩性 能材料加工滑輪，確保安全運行。
[0008] 在高端裝備、航空、海洋運輸工程某些特殊關鍵裝置的導軌的選材一般是合金結 構鋼如40Cr、20CrM〇等，在高溫高速、邊界潤滑或干摩擦條件下，其摩擦副滑塊的選材就需 要選用自潤滑減摩耐磨材料。導軌、滑塊組成摩擦副配對、其選材及生產(chǎn)工藝的需要進行大 量試制、工藝研宄，并對摩擦副減摩材料進行高溫高速、不充分的邊界潤滑摩擦條件下進行 摩擦磨損試驗來驗證導軌、滑塊組成摩擦副配對減摩材料的適用性。
[0009]國內某特殊關鍵裝置采用導軌與滑塊的運動摩擦副。該導軌、滑塊均選用合金鋼。 滑塊承受壓強約〇. 5~IMPa，相對導軌滑動最大速度約80m/s，其壓強與速度的乘積PV值 高達40~80MPa.m/s，遠高于一般邊界潤滑或干摩擦條件下的PV極限；使用的環(huán)境溫度高 達300~400°C。由于裝置處于特定的高溫高速、潤滑不充分的邊界潤滑、PV值大等惡劣工 礦條件，在實際的使用過程中，滑塊與導軌出現(xiàn)拉毛、磨損，嚴重影響該裝置的正常使用。
[0010] 由于導軌相對長度長且固定、不易更換；而滑塊體積相對小、更換相對容易。因而 需要在導軌材料不變的情況下，研制新的自潤滑減摩耐磨材料。因而對導軌與滑塊組成的 摩擦副總的要求為：滑塊相對導軌高速運行后，導軌要求表面光滑、無拉毛、無劃傷且無明 顯磨損；滑塊表面光滑、無拉毛、無劃傷且自身的磨損量要小，以延長滑塊的使用壽命，減少 滑塊更換次數(shù)及節(jié)省經(jīng)費。
[0011] 邊界潤滑是由液體摩擦過渡到干摩擦（摩擦副表面直接接觸）過程之前的臨界狀 態(tài)。邊界潤滑膜是指在邊界潤滑情況下，摩擦界面上存在著一層與介質的性質不同的膜，這 種膜具有良好的潤滑性能，這種潤滑狀態(tài)稱為邊界潤滑。邊界潤滑中起著潤滑作用的膜，稱 為邊界膜（工業(yè)上俗稱潤滑膜）。
[0012] 邊界膜的使用受溫度、速度和負荷（壓強）的影響。在一定的工作條件下，邊界 膜抵抗破裂的能力，叫做邊界膜強度，用PV值表示。在正常的邊界潤滑中，當速度和負荷增 加到某一數(shù)值時，邊界強度達到極限值，邊界膜破裂，此時摩擦副溫度急劇增高，摩擦系數(shù) 和磨損量增大，稱極限PV值，此時摩擦溫度為極限溫度。允許使用的PV值為極限PV值的 1/2 ~1/3〇
[0013]滑塊與導軌作相對運功，形成一對滑動摩擦副?；瑒幽Σ恋氖c導軌承受的壓 強P和相對速度V有關。限制PV在于控制溫升，防止邊界膜破裂，產(chǎn)生膠合。
[0014]我國在自潤滑材料的研發(fā)方面也進行了大量工作。主要是采用粉末冶金的方法研 發(fā)的金屬基自潤滑材料、高分子復合材料等。
[0015]國內外已有米用鐵基、鎮(zhèn)基、銅基添加自潤滑兀素MoS2、BaF2、CaF2、石墨、Ag等固體 潤滑劑，用粉末冶金方法制造的自潤滑材料，但其結合強度、抗拉強度等力學性能低，在極 端工礦條件下的自潤滑材料自身磨損量大，不能滿足高速條件下的摩擦副配對的選材。而 在鐵基、鎳基、銅基加SiC、SiN等自潤滑陶瓷粉末，其自身的耐磨性好，但對磨件的磨損量 大。
[0016] 表1列出了在不同供油條件下，含油自潤滑軸承滑動摩擦副使用的許用PV值。在 不充分供油、靠軸承的自潤滑，許用PV值只有1. 4~1. 6MPa.m/s.即使采用壓力供油、供油 充分且冷卻條件好，許用PV值只有40MPa.m/s且要求有良好的供油系統(tǒng)。
[0017] 表1、不同供油條件下的允許用PV值（含油軸承）
【主權項】
1. 一種自潤滑減摩耐磨合金鋼，其特征在于，該合金鋼的化學元素按重量百分比為：C 0? 16 ~0? 40%，Si彡 0? 50%，Mn0? 40 ~0? 80%，S彡 0? 02%，P彡 0? 02%，Cr0? 85 ~ I. 65%，Mo0? 95 ~2. 20%，V彡 0? 15%，Sn0? 32 ~0? 80%，Sb0? 02 ~0? 16%，復合稀土 < 0. 35%，余量為Fe。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種自潤滑減摩耐磨合金鋼，其特征在于，所述的復合稀土 為Ce與La。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種自潤滑減摩耐磨合金鋼，其特征在于，所述的自潤滑減 摩耐磨合金鋼的抗拉強度大于900MPa，屈服強度大于800MPa，硬度HRC30~40 ;所述的自 潤滑減摩耐磨合金鋼具有自潤滑減摩耐磨性能：進行高溫高速磨損試驗，其磨損速率小于 1. 25ym/s、表面光滑且對磨件無明顯磨損、表面光滑。
4. 一種如權利要求1所述的自潤滑減摩耐磨合金鋼的制備方法，其特征在于，包括以 下步驟： 將爐料按要求配比的數(shù)量，在真空感應爐中按工藝要求進行熔煉，熔化溫度范圍為 1450°C~1580°C;再經(jīng)電渣重熔精煉后，通過熱加工工序成型，熱加工溫度范圍為1180°C~ 850°C;并經(jīng)熱處理加工工序后得到自潤滑減摩耐磨合金鋼。
5. 根據(jù)權利要求4所述的一種自潤滑減摩耐磨合金鋼的制備方法，其特征在于，所述 的爐料包括碳、純鐵、鉬鐵、猛鐵、絡鐵、f凡鐵、Sn合金、Sb合金及復合稀土。
6. 根據(jù)權利要求4所述的一種自潤滑減摩耐磨合金鋼的制備方法，其特征在于，所述 的熱加工工序包括鍛造和軋制加工。
7. 根據(jù)權利要求4所述的一種自潤滑減摩耐磨合金鋼的制備方法，其特征在于，所述 的熱處理加工工序包括退火、預處理、淬火與回火工序。
8. 根據(jù)權利要求7所述的一種自潤滑減摩耐磨合金鋼的制備方法，其特征在于，所述 的退火處理溫度為845~865°C，預處理溫度為880~1050°C，淬火溫度為850~960°C，回 火溫度為500°C~680°C。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種自潤滑減摩耐磨合金鋼及其制造方法，該合金鋼的化學元素按重量百分比為：C 0.16～0.40％，Si≤0.50％，Mn 0.40～0.80％，S≤0.02％，P≤0.02％，Cr 0.85～1.65％，Mo 0.95～2.20％，V≤0.15％，Sn 0.32～0.80％，Sb 0.02～0.16％，復合稀土≤0.35％，余量為Fe，復合稀土為Ce與La。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有優(yōu)異的自潤滑、減摩、耐磨等綜合性能，在高溫高速、干摩擦或潤滑不充分等邊界潤滑極端工礦條件下，與對磨件進行摩擦磨損試驗結果顯示，本發(fā)明鋼與對磨件表面光滑、不拉毛，具有自潤滑減摩性能；本發(fā)明鋼具有磨損速率低等特點，耐磨性能優(yōu)越，適用于高溫高速極端工礦條件下運動的滑動摩擦副配對材料的選用。
【IPC分類】C21D8-00, C22C38-60
【公開號】CN104818437
【申請?zhí)枴緾N201510139994
【發(fā)明人】黃春波, 黃林根, 薛春
【申請人】上海材料研究所
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年3月27日