CN113351862B - 一种原位造孔与润滑增强的铁基轴承材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位造孔与润滑增强的铁基轴承材料，其配方按质量百分比构成为：铁粉80％～88％，铜粉5％～10％，膨胀石墨粉0.4％～0.8％，镍粉2％～3％，钼酸铵粉2％～4％，硫钼酸铵粉2％～4％，硬脂酸锌粉0.5％～1.2％。本发明铁基轴承材料优选钼酸铵与硫钼酸铵作为复合造孔剂，造孔剂分解造孔的同时能与基体材料反应合成硫化亚铁、硫化铜、二硫化钼等固体润滑组元。因此，本发明铁基轴承材料在摩擦过程中，既有孔隙储油析出的油润滑作用，又有固体润滑组元的固体润滑作用，能确保轴承材料在复杂严苛润滑工况下的优良自润滑性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁基自润滑轴承材料，尤其涉及一种原位造孔与润滑增强的新型铁基轴承材料及其制备方法，属于粉末冶金技术领域。
背景技术
铁基粉末冶金零件具有多孔含油属性、硬度高、耐磨性能好等优点，在自润滑轴承制备中具有广泛应用。轴承在工作时，需要添加润滑油(脂)来满足其对润滑性能的要求。但在苛刻润滑工况下，轴承摩擦界面易发生乏油润滑，影响了轴承的使用寿命与性能。现有铁基轴承材料依靠自身孔隙中含有的润滑油液，在工作过程中润滑油析出形成油膜，起到有效自润滑作用。但随着现代工业的发展，常常要求铁基轴承材料在一些重载工况下工作，孔隙中析出的润滑油又被压入孔隙，使轴承摩擦界面间油量较少，油膜厚度较薄，不能隔开两摩擦零件表面，易发生钢-钢的直接接触，造成轴承严重磨损。因此，如何提高轴承表面的自润滑性能，使其适应更复杂的润滑工况，成为当前轴承材料亟待解决的问题。
中国专利CN112548099 A《一种碳酸氢铵作造孔剂制备近球形孔隙多孔合金的方法》公开的方法是添加碳酸氢铵作造孔剂来制备合金，其得到的材料提高了孔隙率和储油率，但在重载工况下摩擦界面中的保油量不够，润滑性能较差，磨损性能不足。
中国专利CN111014648A《一种含二硫化钼的新型耐磨粉末冶金材料及其制备方法》公开的方法是将二硫化钼粉末作为固体润滑剂加入自润滑材料中，而固体润滑剂与铁基基体材料的界面结合性较差，材料摩擦过程中固体润滑材料易剥落，影响了摩擦性能。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种原位造孔与润滑增强的铁基轴承材料，它在摩擦过程中既有孔隙储油析出的油润滑作用，又有固体润滑组元的固体润滑作用，能确保轴承材料在复杂严苛润滑工况下的优良自润滑性能。本发明同时提供了铁基轴承材料的制备方法。
本发明一种原位造孔与润滑增强的铁基轴承材料，其配方按质量百分比构成为：铁粉80％～88％，铜粉5％～10％，膨胀石墨粉0.4％～0.8％，镍粉2％～3％，钼酸铵粉2％～4％，硫钼酸铵粉2％～4％，硬脂酸锌粉0.5％～1.2％。
其中，膨胀石墨粉的粒度为70μm～100μm，钼酸铵粉((NH4)2MoO4)与硫钼酸铵粉((NH4)2MoS4)的粒度为30μm～60μm。
其中，钼酸铵粉与硫钼酸铵粉在材料烧结过程中起复合造孔剂作用，造孔剂分解后原位造孔的孔隙直径为10μm～50μm，孔隙率为14％～20％。
其中，复合造孔剂分解的产物中，MoO3和MoS2具有固体润滑作用；部分MoO3、MoS2被还原成钼单质和硫单质：Mo具有固溶强化作用，硫单质与基体材料中的Fe、Cu等生成FeS、CuS等具有固体润滑功能的硫化物材料。
其中，材料的含油率12～19％，材料硬度为75HRB～85HRB。
本发明原位造孔与润滑增强的铁基轴承材料，其制备方法包括如下步骤：
(1)混料：按配方将配比后的原料粉末装入球磨机混粉罐，在氩气气氛中混合1h～3h，混粉球料比5：1，转速200r/min；
(2)压制：将处理好的材料送入压机的制品模具中，在600MPa～700MPa压力下压制成生坯；
(3)烧结：在加压烧结炉中于氢气气氛保护下，烧结后得到烧结材料；烧结温度为1050℃～1180℃，烧结时间为2小时；
(4)浸油：将所述烧结材料进行真空浸油，真空气压值不大于8KPa,浸油时间为0.5h～1h。
本发明铁基轴承材料烧结过程中，钼酸铵与硫钼酸铵相关的化学反应方程式为：
从上面可以看出，钼酸铵与硫钼酸铵的作用为：一、在材料配方中起到复合造孔剂作用：材料烧结过程中，钼酸铵在500℃～550℃左右分解生成氨气，硫钼酸铵在850℃～940℃左右分解生成硫化氢；由于复合造孔剂能在较宽温度区间内分解，可有效防止先生成的孔隙在烧结后期闭合；气体逸出后在造孔剂占据的原有位置自生孔隙结构，孔隙直径范围为10μm～50μm，孔隙率范围为14％～20％；二、在材料配方中起到固体润滑剂作用：钼酸铵分解的另一产物为MoO3、硫钼酸铵分解的另一产物为MoS2，MoO3和MoS2在工业生产中常作为优良的固体润滑剂；三、提高轴承材料的烧结强度：材料烧结的氢气气氛中，部分MoO3、MoS2被还原成钼单质和硫单质；Mo具有固溶强化作用，单质钼固溶于基体铁中，强化铁基轴承材料的烧结过程，阻止三氧化二铁的形成，提高轴承材料的烧结强度，使材料的致密度为80％～88％，材料的硬度为75HRB～85HRB；四、提高轴承材料的自润滑特性：单质硫与基体材料中的Fe、Cu等生成FeS、CuS等具有固体润滑功能的硫化物材料，提高轴承材料的自润滑特性。
与已有铁基轴承材料相比，本发明铁基轴承材料的有益效果为：
1、本发明铁基轴承材料优选钼酸铵与硫钼酸铵作为复合造孔剂，造孔剂材料分解造孔的同时原位反应自生二硫化钼、三氧化钼、硫化亚铁、硫化铜等固体润滑组元，固体润滑组元与孔隙中储存的润滑油协作作用，实现液-固协同润滑效果；2、本发明铁基轴承材料中的固体润滑组元是由原位合成反应生成，避免了传统外加润滑剂粉末方式所得材料界面结合强度差的缺陷；同时，复合造孔剂分解产物钼的固溶强化作用，提高了铁基轴承材料的力学强度；3、本发明铁基轴承材料在轻载工况下利用孔隙储油析出提供油液自润滑效果，在重载工况下即使析出的油液被压入孔隙，轴承材料中原位自生的固体润滑组元可起到有效润滑补充，与润滑油一起参与润滑过程，实现液-固协同自润滑效果，克服了传统铁基轴承材料在重载工况下的乏油润滑和严重摩擦磨损现象。
总之，本发明铁基轴承材料通过优选复合造孔剂，使其制备过程中具有原位造孔功能，材料的含油率为12～19％；同时，制备得到的铁基轴承材料中包含未被还原的MoO3、MoS2和原位反应合成的FeS、CuS等固体润滑剂。这样，铁基轴承材料在摩擦过程中固体润滑剂协同作用，在摩擦表面形成一层固体润滑薄膜，防止金属与金属之间的直接接触，提高轴承材料的摩擦磨损性能。因此，本发明铁基轴承材料在摩擦过程中，既有孔隙储油析出的油润滑效果，又有固体润滑组元的固体润滑作用，能确保轴承材料在复杂严苛润滑工况下的优良自润滑性能。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1
本实施例中原位造孔与润滑增强的铁基轴承材料按每百克添加量构成为：铁粉85g，铜粉7g，膨胀石墨粉0.6g，镍粉2.6g，钼酸铵粉2g，硫钼酸铵粉2g，硬脂酸锌粉0.8g。
本发明原位造孔与润滑增强的铁基轴承材料，其制备方法包括如下步骤：
(1)混料：按配方将配比后的原料粉末装入球磨机混粉罐，在氩气气氛中混合2h，混粉球料比5：1，转速200r/min；(2)压制：将处理好的材料送入压机的制品模具中，在650MPa压力下压制成生坯；(3)烧结：在加压烧结炉中于氢气气氛保护下，烧结后得到烧结材料；烧结温度为1140℃，烧结时间为2小时；(4)浸油：将所述烧结材料进行真空浸油，真空气压值不大于8KPa,浸油时间为1h。
本实施例得到的原位造孔与润滑增强的铁基轴承材料：含油率14％、材料硬度为82HRB。将得到的铁基轴承材料在HDM-10型端面摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，上试样材料是硬度为52HRC的40Cr，实验过程中不额外添加润滑油，转速设置为735r/min。实验载荷分别为500N、2000N，摩擦磨损实验后，相对应地，两种载荷下的平均摩擦系数分别为0.075、0.112，磨痕深度分别为0.007mm、0.023mm。
实施例2
本实施例中原位造孔与润滑增强的铁基轴承材料按每百克添加量构成为：铁粉84g，铜粉6g，膨胀石墨粉0.6g，镍粉2.6g，钼酸铵粉3g，硫钼酸铵粉3g，硬脂酸锌粉0.8g。
本实施例材料的制备方法同实施例一。
本实施例得到的原位造孔与润滑增强的铁基轴承材料：含油率15％、材料硬度为80HRB。将得至的铁基轴承材料在HDM-10型端面摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，上试样材料是硬度为52HRC的40Cr，实验过程中不额外添加润滑油，转速设置为735r/min。实验载荷分别为500N、2000N，摩擦磨损实验后，相对应地，两种载荷下的平均摩擦系数分别为0.068、0.092，磨痕深度为0.006mm、0.020mm。
实施例3
本实施例中原位造孔与润滑增强的铁基轴承材料按每百克添加量构成为：铁粉82g，铜粉6g，膨胀石墨粉0.6g，镍粉2.6g，钼酸铵粉4g，硫钼酸铵粉4g，硬脂酸锌粉0.8g。
本实施例材料的制备方法同实施例一。
本实施例得到的原位造孔与润滑增强的铁基轴承材料：含油率18％、材料硬度为76HRB。将得到的铁基轴承材料在HDM-10型端面摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，上试样材料是硬度为52HRC的40Cr，实验过程中不额外添加润滑油，转速设置为735r/min。实验载荷分别为500N、2000N，摩擦磨损实验后，相对应地，两种载荷下的平均摩擦系数分别为0.047、0.119，磨痕深度为0.004mm、0.028mm。
实施例4
本实施例中原位造孔与润滑增强的铁基轴承材料按每百克添加量构成为：铁粉81g，铜粉8g，膨胀石墨粉0.4g，镍粉2g，钼酸铵粉4g，硫钼酸铵粉4g，硬脂酸锌粉0.6g。
本实施例材料的制备方法同实施例一。
本实施例得到的原位造孔与润滑增强的铁基轴承材料：含油率16％、材料硬度为79HRB。将得到的铁基轴承材料在HDM-10型端面摩擦磨损试验机进行摩擦磨损实验，上试样材料是硬度为52HRC的40Cr，实验过程中不额外添加润滑油，转速设置为735r/min。实验载荷分别为500N、2000N，摩擦磨损实验后，相对应地，两种载荷下的平均摩擦系数分别为0.056、0.104，磨痕深度为0.005mm、0.022mm。
表1为本发明上述四个实施例得到的铁基轴承材料与市场上现有的普通铁基轴承材料的性能对照表。其中，普通铁基轴承材料进行摩擦磨损实验的条件与前面实施例中的实验条件相同。
表1铁基轴承材料性能对比
由表1可见，与普通铁基轴承材料相比，本发明所述铁基轴承材料的含油率和硬度均有不同程度提高，摩擦磨损性能(摩擦系数、磨痕深度)明显改善：
一、与普通铁基轴承材料的含油率相比，实施例1、实施例2、实施例3、实施例4四种材料的含油率分别提高了17％、25％、50％、33％。
二、与普通铁基轴承材料的硬度相比，实施例1、实施例2、实施例3、实施例4四种材料的硬度分别提高了9％、7％、1％、5％。
三、与普通铁基轴承材料的摩擦系数相比，500N时，实施例1、实施例2、实施例3、实施例4四种材料的摩擦系数分别降低了9％、17％、43％、32％；2000N时，实施例1、实施例2、实施例3、实施例4四种材料的摩擦系数分别降低了10％、26％、5％、17％。
四、与普通铁基轴承材料的磨痕深度相比，500N时，实施例1、实施例2、实施例3、实施例4四种材料的磨痕深度分别降低了22％、33％、56％、44％；2000N时，实施例1、实施例2、实施例3、实施例4四种材料的磨痕深度分别降低了28％、38％、13％、31％。
本发明通过优选复合造孔剂，其在制备过程中受热分解成气体，实现材料原位造孔功能，同时，造孔剂分解的别的产物与轴承基体材料反应合成固体润滑成分，工作时利用孔隙储油析出提供油液自润滑效果，重载工况时即使油液被压入孔隙，轴承材料中原位自生的固体润滑组元可起到有效润滑补充，与润滑油一起参与润滑过程，实现液-固协同自润滑效果，拓宽了轴承材料的使用范围，提升综合经济效益。当然，根据实际需要，本发明所述铁基轴承材料在上述范围还可以包含更多的实施例，本发明并不限于上述具体的实施例。
Claims (9)
1.一种原位造孔与润滑增强的铁基轴承材料，其特征是：材料配方按质量百分比构成为：铁粉80％～88％，铜粉5％～10％，膨胀石墨粉0.4％～0.8％，镍粉2％～3％，钼酸铵粉2％～4％，硫钼酸铵粉2％～4％，硬脂酸锌粉0.5％～1.2％。
2.根据权利要求1所述的铁基轴承材料，其特征是：材料配方按质量百分比构成优选为：铁粉85％，铜粉7％，膨胀石墨粉0.6％，镍粉2.6％，钼酸铵粉2％，硫钼酸铵粉2％，硬脂酸锌粉0.8％。
3.根据权利要求1所述的铁基轴承材料，其特征是：材料配方按质量百分比构成优选为：铁粉84％，铜粉6％，膨胀石墨粉0.6％，镍粉2.6％，钼酸铵粉3％，硫钼酸铵粉3％，硬脂酸锌粉0.8％。
4.根据权利要求1所述的铁基轴承材料，其特征是：材料配方按质量百分比构成优选为：铁粉82％，铜粉6％，膨胀石墨粉0.6％，镍粉2.6％，钼酸铵粉4％，硫钼酸铵粉4％，硬脂酸锌粉0.8％。
5.根据权利要求1所述的铁基轴承材料，其特征是：材料配方按质量百分比构成优选为：铁粉81％，铜粉8％，膨胀石墨粉0.4％，镍粉2％，钼酸铵粉4％，硫钼酸铵粉4％，硬脂酸锌粉0.6％。
6.根据权利要求1-5任一所述的铁基轴承材料，其特征是：膨胀石墨粉的粒度为70μm～100μm，钼酸铵粉((NH4)2MoO4)与硫钼酸铵粉((NH4)2MoS4)的粒度为30μm～60μm。
7.根据权利要求1-5任一所述的铁基轴承材料，其特征是：钼酸铵粉与硫钼酸铵粉在材料烧结过程中起复合造孔剂作用，造孔剂分解后原位造孔的孔隙直径为10μm～50μm，孔隙率为14％～20％。
8.根据权利要求1所述的铁基轴承材料，其特征在于：所述材料的含油率12～19％，材料硬度为75HRB～85HRB。
9.权利要求1-8任一所述的铁基轴承材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)混料：按配方将配比后的原料粉末装入球磨机混粉罐，在氩气气氛中混合1h～3h，混粉球料比5：1，转速200r/min；
(2)压制：将处理好的材料送入压机的制品模具中，在600MPa～700MPa压力下压制成生坯；
(3)烧结：在加压烧结炉中于氢气气氛保护下，烧结后得到烧结材料；烧结温度为1050℃～1180℃，烧结时间为2小时；
(4)浸油：将所述烧结材料进行真空浸油，真空气压值不大于8KPa,浸油时间为0.5h～1h。
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