專利名稱：鉻鎢硫化物減摩鑄鋼的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬基自潤滑復合材料，特別是一種含有Cr3S4、WS2及FeS固體潤滑劑作為分散相的鐵基自潤滑復合材料鉻鎢硫化物減摩鑄鋼。
材料是摩擦學設計的基礎，是近十多年來，摩擦學研究的重點由傳統(tǒng)的潤滑和潤滑系統(tǒng)向材料科學轉移的原因所在，沒有高性能的材料作為保障，就不可能有效地解決現(xiàn)代機械的磨損失效問題。目前被廣泛應用的金屬基自潤滑復合材料，如以鎳基、鈷基、銀基、銅基粉末冶金法制備的自潤滑材料，以添加活性元素硫鑄造法制備的鎳基、鎳鉻基自潤滑材料等，這類材料雖有較好的使用性能，但原材料昂貴，工藝復雜，應用于普通工業(yè)領域受到限制；為此，目前又采用鑄造法制備鐵基自潤滑材料，由于工藝簡單，成本低，使用性能尚可滿足工業(yè)需要，得到應用。如一種“含硫石墨減摩鋼”專利，(CN-1060879A 920506)它是以石墨和硫化錳(MnS)作固體潤滑劑。但石墨的自潤滑性雖較好，而它與金屬表面附著力很差，在大氣壓中使用時，溫度超過454℃即氧化失效，真空中使用摩擦系數(shù)很大(達0.8)。鋼中石墨的形成是靠高溫石墨化退火，時間長，能耗高；MnS在固態(tài)鋼中有兩種晶系結構，即立方、六方，只有六方晶系的層狀結構物具有潤滑性，而立方晶系結構硬而脆，不具有潤滑性，作為減摩材料有不利影響；另一種“高硫合金鋼及生產(chǎn)方法”專利，(CN-1068858A 930210)是以FeS作為固體潤滑劑，實施中還及了MnS、MoS2、WS2固體潤滑劑，但按照該方案MoS2鋼配料，經(jīng)過驗算硫化物的總量高達23.74％，這樣的材料強度韌性是很差的，無實用價值；再有“經(jīng)退火處理的耐磨合金鋼”專利，(CN-1188812A 980729)它是以FeS固體潤滑劑為主要組分，Mo含量很少(0.10％-1.0％)，化合所得MoS2含量低(0.24％-2.5％)，自潤滑性差；MoS2的熔點低(1185℃)，密度小(4.7g/cm3)，對鑄態(tài)組織的致密度及韌性有害，Cr含量低(0.20％-2.00％)，Cr與S形成CrS，在鋼液冷凝結晶過程中起阻礙晶粒長大的作用，由于Cr及S含量低，Cr3S4的形成受到抑制，自潤滑性差，難以得到有效應用。
有雜志《河南冶金》1997年第1期的《金屬硫化物減摩材料的研究》一文中本發(fā)明人公開了下列化學組分及含量(以質(zhì)量分數(shù)計)0.15％-1.20％C， 0.15％-0.40％Si， 0.30％-0.60％Mn，0.50％-1.50％Cr， 0.20％-2.00％W，0.20％-2.00Mo，
0.10％-0.40％V， 0.80％-3.00S，≤0.04％P，余量為鐵。
在此技術方案中，Cr、W、Mo、V加入量很少，其作用僅為改善基體組織的輔助元素。硫化物的主體是FeS。
在上述技術中，均采用了以FeS、MoS2為主要組分的固體潤滑劑，這是一種技術偏見。當然，對于采用化學熱處理方法，使工件表面得到一定厚度的FeS滲層是可行的，因FeS是六方晶系結構，易沿密排面滑移，具有低的剪切強度，滲硫層表面硬度又較低(50-100HV)，因而是優(yōu)良的固體潤滑劑。但是用鑄造法制備以FeS固體潤滑劑為主要組份的摩擦偶件時，就顯然不同了，從理論及實踐中證實，因FeS熔點低(FeS熔點＝1190℃)密度小(FeS密度＝4.6/cm3)，用鑄造法制備冷凝過程中，會造成嚴重的硫化物聚集，分布不均，質(zhì)地疏松多孔，力學性能差，稱之為脆性材料，因而應用范圍小。
本發(fā)明的目的在于針對上述情況用常規(guī)冶練及鑄造法，制備一種鉻鎢硫化物減摩鑄鋼，以解決對生產(chǎn)中復合材料的需要問題。
本發(fā)明的目的是這樣來實現(xiàn)的，選用高熔點、高密度的Cr3S4、WS3(Cr3S4、WS2熔點分別是1550℃、1480℃、WS2密度7.5g/cm3)固體潤滑劑，在鋼液中加入鉻鐵、鎢鐵及硫化鐵，在高溫下形成Cr3S4(硫化鉻)、WS2(硫化鎢)及FeS(硫化鐵)固體潤滑劑的鐵基自潤復合鉻鎢硫化物減摩鑄鋼，其組份是(以質(zhì)量分數(shù)計)0.30％-0.95％C， 0.45％-0.75％Si， 0.35％-0.50％Mn，2.10％-5.00％Cr，2.50％-4.00％W，3.10％-4.50％S，≤0.05％P，余量為鐵。
所得硫化物組分及含量(以質(zhì)量分數(shù)計)是3.60％-9.10％Cr3S4，3.40％-5.40％WS2，1.00％-2.00％FeS。
本發(fā)明鋼材具有減摩性良好，不易磨損，強度高，韌性好，應用面廣，因其硫的化學性質(zhì)活潑，幾乎能與所有金屬元素直接化合，鋼液中加入硫化鐵或工業(yè)硫，硫即以單原子狀態(tài)存在于鋼液中，硫與金屬元素化合生成硫化物時，其親合率以下列順序遞增Si Co Ni Fe W Mo Cr VMn Ti Zr，按此冶金熔體化學反應規(guī)律，Cr W元素先于Fe形成Cr3S4、WS2固體潤滑劑，冷凝后以一定數(shù)量、形態(tài)均勻分布于基體組織中，鐵基體起支撐負荷和粘結作用，固體潤滑劑起減摩作用，組成具有良好抗粘著和抗咬合磨損的鐵基自潤滑復合材料。
以下結合實施例對本發(fā)明作詳細說明。
本發(fā)明按組分0.30％-0.95％C， 0.45％-0.75％Si， 0.35％-0.50％Mn，2.10％-5.00％Cr，2.50％-4.00％W，3.10％-4.50％S，≤0.05％P，余量為鐵，選取配料，采用中頻感應電爐冶練，按常規(guī)冶練及鑄造澆鑄成形鑄件，經(jīng)退火處理后加工成軸瓦、軸套等摩擦偶合件。為了增加鑄鋼的抗拉強度，在實際生產(chǎn)中，其化學組分中還可加有0-3.00％Ni、0-3.00％Co。
實施例11、原材料技術條件化學成分(以質(zhì)量分數(shù)計)生鐵 4.5％C，0.80％Si，0.20％Mn，0.05％P，0.05％S，廢鋼0.20％C，0.30％Si，0.50％Mn，0.04％P，0.05％S，鎢鐵合金75.0％W，0.05％C，鉻鐵合金65.0％Cr，5.0％C，硫 化 鐵30.0％S，0.05C％及常用硅鐵、錳鐵合金等。
2、技術措施A、配料設計的化學組分及含量(以質(zhì)量分數(shù)計)0.80％C，0.60％Si，0.40Mn，0.04％P，4.00％S，3.00％Cr，3.00％W，余量為鐵。
B、設計的硫化物組分及含量(以質(zhì)量分數(shù)計)計算式1Cr3S4=156+128128×[S]%=2.22×[S]%]]>[S]%=128×3.00%Cr156=2.46%]]>Cr3S4＝2.22×2.46％＝5.46％式中156、128為鉻、硫的摩爾質(zhì)量，[S]％為鋼中硫的質(zhì)量分數(shù)。計算式2Ws2=183+6464×[S]%=3.86×[S]%]]>[S]%=64×3%W183=1.05%]]>WS2＝3.86×1.05％＝4.05％式中183、64為鎢、硫的摩爾質(zhì)量，[S]％為鋼中硫的質(zhì)量分數(shù)。計算式3FeS=56+3232×[S]%=2.74×[S]%]]>[S]％＝4.00-(2.46％+1.05％)＝0.49FeS＝2.74×0.49＝1.34％式中56、32為鐵、硫的摩爾質(zhì)量，[S]％為鋼中硫的質(zhì)量分數(shù)。
硫化物總量Cr3S4+WS2+FeS＝5.46％+4.05％+1.34％＝10.85％3、裝入量總裝入量154.2千克(含2.70％燒損)其中生鐵13.5千克、廢鋼102千克、鎢鐵6.3千克、鉻鐵7.5千克、硫化鐵21千克、硅鐵0.5千克、猛鐵0.4千克4、冶練及鑄造采用150千克非真空中頻感應電爐冶練，石英砂爐襯，裝料順序玻璃熔劑、生鐵、鎢鐵、廢鋼、鉻鐵，爐料熔清后加錳鐵硅鐵預脫氧，然后加入烘烤干燥的硫化鐵，并提溫精煉，當鋼液溫度達到1550℃-1580℃時加鋁終脫氧后出鋼，包中進行變質(zhì)處理，鋼液在包中鎮(zhèn)靜2-3分鐘澆注。
變質(zhì)處理的目的在于使鋼中金屬硫化物球化、團塊化，減少低熔點硫化物沿晶界網(wǎng)狀分布，進一步改善材料的力學性能，特別是沖擊韌性。
采用砂型鑄造，離心鑄造，EPC消失模負壓鑄造均可，本例采用后者。澆注溫度1450℃-1480℃，負壓0.04-0.06MPa，EPS密度0.018g/cm3，澆注后8小時開箱，清砂后熱處理。
特別提醒的是，冶燒鑄造工藝的核心是高溫精煉，充分脫氧，低溫澆注，快速冷卻，方能得到力學性能及潤滑性能良好的材料。
5、熱處理鑄件需退火處理，以消除鑄造應力，細化基體組織，降低基體硬度，便于切削加工。退火溫度780-820℃保溫3-5小時隨爐緩冷，加熱升溫小于50℃/小時，爐中緩冷降溫小于50℃/小時，爐溫低于300℃出爐空冷。
6、材料組織、性能金相顯微觀察，在粒狀珠光體基體上均勻分布著球狀、團塊狀Cr3S4、WS2及FeS固體潤滑劑。
力學性能檢測硬度180-220HB 抗拉強度≥500MPa沖擊韌性ak≥20J 摩擦系數(shù)0.15-0.20實施例2設計的化學組分及含量(以質(zhì)量分數(shù)計)如下0.40％C，0.60％Si，0.40％Mn，3.00％Cr，3.50％S，0.04％P，余量為鐵；其余技術方案均同實施例1。
根據(jù)摩擦偶件使用條件的差異，當潤滑性能可滿足工況需要時，為了節(jié)約資源，按照上述化學組成，可以單獨使用含Cr不含W或者含W不含Cr的化學組分。
本發(fā)明鋼材與現(xiàn)有材料相比有突出效果1、Cr3S4、WS2固體潤滑劑密度高，熔點高，高熔點金屬硫化物在鋼液凝固過程中，已較早形成固體微粒，均勻分布在晶界上或晶粒內(nèi)部，細化鑄態(tài)組織，減少硫化聚集，得到組織致密，強度高，韌性好的自潤滑復合材料。克服了現(xiàn)有技術稱之為脆性材料的技術難點，經(jīng)檢測，沖擊韌性ak≥20J，是現(xiàn)有技術2-3J的7-10倍，抗拉強度≥500MPa；2、根據(jù)協(xié)同減摩效應，即由于兩種固體潤滑體對金屬表面及其周圍氣氛的活性各不相同，可以相互補充的效應，本技術方案采用兩種以上固體潤滑劑復合使用，比一種單獨使用時摩擦系數(shù)小，自潤滑性能好，經(jīng)檢測摩擦系數(shù)比現(xiàn)有技術降低0.02-0.03；3、Cr3S4、WS2從室溫至500℃具有潤滑性，可作為高溫自潤滑材料。在某軋鋼廠260高速線材軋機，鋼坯熱裝(鋼坯溫度700-800℃，瓦體溫度450-500℃)輥道上應用，使用壽命是原滾動軸承的4倍；4、制造工藝簡單，成本低廉(只有銅合金的1/3)，用于替代昂貴的銅合金及滾動軸承等摩擦偶合件，延長使用壽命1-3倍，有較好的經(jīng)濟效益和社會效益；按本發(fā)明試制的軸套，用于某煉鋼廠R6-1200全弧型板坯連鑄機二冷區(qū)輥道上，共運轉137天拉鋼53750噸，使用壽命是銅合金軸瓦的2.5倍；按本發(fā)明試制的軸瓦，用于某廠1200mm疊板軋機傳動接桿架瓦軸瓦，共運轉180天，使用壽命是原鋁青鋼(ZQA19-4)的3倍；按本發(fā)明試制的軸套，用于某軋鋼廠260高速線材軋機鋼坯熱裝輥道上，替代原用3620滾動軸承，使用壽命提高4倍。
本發(fā)明鋼材的減摩機制在于，當摩擦偶件作相對運動時，Cr3S4、WS2及FeS固體潤滑劑逐漸轉移到對偶表面，形成一層固體潤滑脫，以阻止或者減輕對偶金屬微凸體間直接接觸而導致的顯微焊合或粘著磨損。在磨損過程中，摩擦表面在機械力和摩擦熱的作用下會發(fā)生一系列復雜的物理化學變化，上述硫化物會因受熱而氧化，析出活性S原子，活性S原子必然與摩擦面的Fe及Fe的磨屑微粒反應生成FeS，又進一步改善了潤滑條件。由于偶件整個基體均含有硫化物，與表面化學熱處理滲硫層僅有10μm相比較，使用壽命會更長，只要公差配合許可。
權利要求
1.一種鉻鎢硫化物減摩鑄鋼，其特征在于所說的該減摩鑄鋼的化學組分是以質(zhì)量分數(shù)計為0.30％-0.95％C， 0.45％-0.75％Si， 0.35％-0.50％Mn，2.10％-5.00％Cr，2.50％-4.00％W，3.10％-4.50％S，≤0.05％P；余量為鐵；化學組成化合硫化物組成，以質(zhì)量分數(shù)計為3.60％-9.10％Cr3S4；3.40％-5.4％WS2；1.00％-2.00％FeS；
2.根據(jù)權利要求1所述的鉻鎢硫化物減摩鑄鋼，其特征在于所說的化學組分中還加有0-3.00％Ni，0-3.00％Co。
3.根據(jù)權利要求1所述的鉻鎢硫化物減摩鑄鋼，其特征在于所說減摩鑄鋼的化學組分以質(zhì)量分數(shù)計是0.80％C；0.60％S；0.40％Mn；3.00％Cr；3.00％W；4.00％S；≤0.05％P；余量為鐵；化學組分化合硫化物組成以質(zhì)量分數(shù)計是5.46％Cr3S4；4.05％WS2；1.34％FeS。
4.根據(jù)權利要求1所述的鉻鎢硫化物減摩鑄鋼，其特征在于所說減摩鑄鋼的化學組分以質(zhì)量分數(shù)計是0.40％C；0.60％Si； 0.40％Mn； 3.00％Cr；3.50％S≤0.05％P；余量為鐵；化學組成化合硫化物組分以質(zhì)量分數(shù)計是5.46％Cr3S4；2.85％FeS。
5.根據(jù)權利要求1所述的鉻鎢硫化物減摩鑄鋼，其特征在于所說減摩鑄鋼的化學組分以質(zhì)量分數(shù)計是0.60％C； 0.60％Si；0.40％Mn；3.00％W；3.50 S；≤0.05％P；余量為鐵；化學組成化合硫化物組成以質(zhì)量分數(shù)計是4.05％WS2；6.71％FeS
全文摘要
本發(fā)明是一種金屬基自潤滑復合材料鉻鎢硫化物減摩鑄鋼,是在鋼液中加入鉻鐵、鎢鐵及硫化鐵,高溫下形成Cr
文檔編號C22C38/60GK1271028SQ0011450
公開日2000年10月25日 申請日期2000年4月14日 優(yōu)先權日2000年4月14日
發(fā)明者徐澤儒 申請人:徐澤儒