粒狀材料的冶金組合物、自潤滑燒結產品以及獲得自潤滑燒結產品的方法

專利名稱：粒狀材料的冶金組合物、自潤滑燒結產品以及獲得自潤滑燒結產品的方法
技術領域：
本發明涉及由待燒結的粒狀材料(以金屬或非金屬粉末的形式)的冶金組合物整形(conform)制造成品(工件)及半成品(多種制品)的特定技術，除了在燒結步驟中待形成的產品的金屬結構基體的成分組成外，所述產品還包含處于粒狀形式且可分散在金屬基體中的固體潤滑劑，從而導致形成自潤滑復合產品的顯微組織，其呈現為連續金屬基體并能夠賦予燒結產品低的摩擦系數以及高的機械強度和燒結工件或產品的高硬度。本發明涉及用于從所述組合物通過燒結形成自潤滑復合產品(工件)的所述冶金組合物，以及用于通過粉末冶金獲得所述工件或產品特定替代性工藝或方法。
背景技術：
在機械工程中，存在對于獲取用于如下應用的材料的日益增長的研究所述應用需要例如高機械強度和高耐磨強度與低摩擦系數組合的特性。當前，磨損和腐蝕問題共同帶來金球⑶P的2%到5%的損失；由于缺乏潤滑而損失在地球上產生的全部機械能的約35%，其因摩擦而轉換成熱。除了能量的損失之外，產生的熱由于加熱而影響了機械系統的性能。因此，使機械工件在摩擦下保持低的摩擦系數非常重要，不僅是為了節省能量，還是為了增強了所述工件以及它們于其中操作的機械系統的耐久性，還有助于環境保護。用于減少相對運動中的表面之間的磨損和摩擦的方式是將這些表面保持分隔，在其間插入潤滑層。在可能的潤滑方式中，流體動力(流體潤滑劑)是最常使用的。在流體動力潤滑中，形成使相對運動中的表面完全分隔的油膜。然而應指出，使用流體潤滑劑通常存在問題，如在溫度很高或很低的應用中，在流體潤滑劑可能發生化學反應且流體潤滑劑可能充當污染物的應用中。另外，在從循環停止產生有限潤滑的情況下，或在不可能形成連續油膜的情況下，工件之間發生接觸，從而導致工件的磨損。干式潤滑，也就是使用固體潤滑劑的潤滑，是對于傳統潤滑的替代，因為它通過存在潤滑層而起作用，這抑制了部件表面之間的接觸，而不呈現形成的層破裂。固體潤滑在存在問題的潤滑領域中得到良好接受。它們可以在傳統潤滑劑不能使用的極限溫度下，在高載荷條件下以及在化學反應環境中使用。另外，干式潤滑(固體潤滑劑)是一種環保的清潔選擇。可以以如下形式將固體潤滑劑施用于摩擦對的部件沉積或產生于所述部件的表面上或納入所述部件材料的體積中的膜(或層)的形式、第二相顆粒的形式。當施用特定的膜或層時，且在它們承受磨損的情況下，發生金屬與金屬的接觸，其結果是相對運動的部件之間未受保護的相對表面之間的快速磨損。在這些施用膜或層的情形中，還應考慮更換潤滑劑的難度，以及潤滑劑的氧化和劣化。因此，允許提高材料壽命即部件壽命的更好方法是將固體潤滑劑納入部件的材料組分的體積中，從而以低摩擦系數的復合材料形式形成部件結構。這可以通過由粉末處理材料的工藝來實現，即通過壓實整形粉末混合物，包括壓制、輥壓、擠壓等或通過射壓造型， 然后進行燒結從而獲得連續的復合材料，其通常已為最終的幾何形狀和尺寸(成品)或在幾何形狀和尺寸上與最終產品接近(半成品)。由復合材料通過粉末冶金制成的呈現低摩擦系數的自潤滑機械部件(粉末冶金產品)，例如燒結的自潤滑襯套，已經應用到不同的家庭用具和小型設備中，例如打印機、 電動剃須刀、鉆具、混合器等，所述部件包含形成工件的結構基體的粒狀前體，以及待納入工件的結構基體中的粒狀固體潤滑劑。已知的絕大多數現有技術中結構基體的解決方法是使用青銅、銅、銀及純鐵。將如下用作固體潤滑劑二硫化鉬(Μ0&)、銀(Ag)、聚四氟乙烯 (PTFE)以及二硒化鉬(Mok2)。已生產了主要具有青銅和銅基體的這種類型的自潤滑襯套， 并在許多工程應用中使用了數十年，所述基體包含作為固體潤滑劑顆粒的石墨粉末、硒和二硫化鉬以及低熔點金屬。然而，這些工件不呈現高的機械強度，根據其高的固體潤滑劑顆粒的體積含量 (從25%到40% )，這導致了低程度的基體相的連續性，而該基體相是負責工件的機械強度的顯微組織元素。固體潤滑劑的這種高含量被認為是在如下情形中獲得低摩擦系數所必要的金屬基體的機械性能(強度和硬度)以及顯微組織參數，例如基體內分布的固體潤滑劑顆粒的尺寸以及在形成的復合材料中這些顆粒之間的平均自由路徑，均不是優化的。具有固有的低剪切強度的固體潤滑劑的高體積百分比無助于金屬基體的機械強度。另外，金屬基體的低硬度允許在燒結材料或產品的接觸表面上發生固體潤滑劑顆粒的逐漸阻礙。因此，為了保持足夠低的摩擦系數，在干燥的自潤滑復合材料的組成中傳統地使用高體積百分比的固體潤滑劑。與上面所述的相比，US6890368A公開了部分地不同且更先進的方案，它提出了一種在300°C到600°C的溫度范圍內使用的自潤滑復合材料，其具有足夠的牽引阻力
400MPa)以及低于0.3的摩擦系數。該文獻提出了一種用于獲得低摩擦系數的工件或產品的技術方案，該工件或產品由形成金屬結構基體的粒狀材料混合物燒結而成，該混合物在其體積中包括作為固體潤滑劑顆粒的主要六方氮化硼、石墨或它們的混合物，且聲稱所述材料適合在300°C-60(TC的溫度下使用，具有足夠的牽引阻力(ot> 400MPa)以及小于0.3的摩擦系數。然而，由該粉末混合物的固結獲得的工件或產品在燒結后具有低的機械強度和結構易碎性，所述粉末混合物同時表現為結構基體粉末以及固體潤滑劑粉末，例如六方氮化硼和石墨。上述不足的產生原因是，在從圖IA所示條件到圖IB所示條件下，在待生產的工件或產品的混合與整形(致密化)的步驟中，結構基體10的粉末顆粒之間的固體潤滑劑20 相的不充分的剪切分散。通過剪切，固體潤滑劑20粒狀擴展在結構基體10相的顆粒之間， 并在混合與整形步驟中趨于包圍所述顆粒，所述步驟例如通過壓實，通過粉末壓制，粉末輥壓、粉末擠壓、以及粉末射壓造型進行，這些步驟使所述固體潤滑劑承受超過其低剪切應力的應力，如附圖中的圖IB所示意性地表示。另一方面，在可溶于基體的固體潤滑劑的情況下，結構基體的(粉末的)顆粒之間的固體潤滑劑層的存在并不損壞復合物的金屬結構基體的顆粒之間的燒結頸部的形成。然而，在這種情況下，固體潤滑劑在工件燒結過程中因溶解而失去其潤滑作用，這是因為固體潤滑劑相因溶于基體中而消失。在固體潤滑劑不可溶于結構基體中的情況下，例如六方氮化硼，由于剪切而產生的層21 (見圖1B)損壞了這些顆粒之間的金屬接觸的形成，其在燒結過程中形成復合物的結構基體10 ；這促進復合材料的結構基體10相的連續性程度降低，使該材料和獲得的產品的在結構上易碎。由于上述限制，抑制可溶于結構基體中的潤滑劑的溶解和重組不可溶的固體潤滑劑的技術方案變得必要，所述固體潤滑劑在機械均勻化步驟中以層21的形式分散，在整形 (致密化)步驟中以粒狀材料混合物形式，在燒結過程中以不連續顆粒形式。在不可溶固體潤滑劑顆粒與復合材料的結構基體顆粒混合時產生了與上述類似的情形，固體潤滑劑20具有比構成復合物的結構基體10的材料顆粒(見圖2B)的顆粒尺寸小很多的顆粒尺寸。在這種情況下，固體潤滑劑20的明顯更細小的顆粒趨于在結構基體 10的金屬粉末顆粒之間形成相對連續的層21，即使在燒結之前的加工步驟中沒有剪切應力。固體潤滑劑20的粒狀材料的幾乎連續的層21損壞了金屬結構基體10的顆粒之間的燒結，使最終工件易碎。在不可溶相的情況下，更充分的分散使復合基體的粒狀材料的顆粒以及待分散到基體中的固體潤滑劑顆粒呈現出相同數量級的顆粒尺寸(見圖2A)。由于金屬結構基體10是對于待形成的復合材料賦予機械強度的唯一顯微組織部分，因此所述復合物的金屬基體的連續性程度越高，利用該材料產生的燒結制品或工件的機械強度就越高。為了保持干的自潤滑燒結復合材料的金屬結構基體的高連續性，除了低孔隙率，固體潤滑劑相的低體積百分比也是必要的，因為所述固體潤滑劑無助于材料的機械強度，因而無助于燒結產品的機械強度。因此，需要一種技術方案，既在可溶于基體時抑制潤滑劑的溶解，又在混合物的機械均勻化以及整形(致密化)步驟中過剪切重組固體潤滑劑，導致材料體積中以層21形式的分散，從而損壞復合物的結構基體10的燒結以及連續性程度。固體潤滑劑20應該以均勻分散的不連續顆粒的形式分散在復合材料的體積中，即在金屬結構基體10的顆粒之間規則的平均自由路徑“ λ ”(見圖；3)。這允許提升較高的潤滑劑效率，較高程度的復合物基體的連續性，確保了在燒結過程中形成的自潤滑復合材料的較高機械強度，如圖3所示。制備用于產生自潤滑復合物的組合物，作為構成基體的材料，其具有金屬元素鐵或鐵基合金，并同時具有石墨作為固體潤滑劑，由于鐵基體所致的碳溶解，導致自潤滑燒結復合材料具有的基體可為非常硬且易碎而且摩擦系數高于預期和所需。在高的燒結溫度(超過723°C )下，石墨中的化學元素碳溶于鐵(Y鐵)的面心立方結構或奧氏體鐵基合金的面心立方結構中。因此，含石墨的固體潤滑劑的使用導致碳與鐵在燒結過程中從超過723°C發生不期望的反應，產生具有降低或不具有自潤滑性能的工件，因為石墨的全部或大部分碳不再作為固體潤滑劑操作，而是形成了碳化鐵。所述文獻US6890368提出了用于構成金屬基體的材料的方案，其中為了抑制固體潤滑劑如石墨與鐵基結構基體顆粒之間的相互反應，提供了具有金屬的石墨顆粒涂層，其在高燒結溫度時，使涂覆石墨與鐵基結構基體之間的相互反應的可能性最小化。盡管US6890368給出的方案通過涂履石墨解決了工件燒結過程中石墨固體潤滑劑損失的問題，然而所述涂層抑制石墨擴散從而在使用中(在相對運動摩擦時)在工件工作表面上形成層，從而減少固體潤滑劑的供給，因而使潤滑劑的效率降低。另外，當固體潤滑劑包含六方氮化硼時，僅對石墨進行涂覆并不解決金屬基體的脆性問題，因為在磨機中的機械混合和整形(致密化)步驟中，氮化硼可通過剪切在基體顆粒之間產生膜。由于六方氮化硼的固體潤滑劑的剪切，燒結工件的脆性問題在所述現有技術US文獻中沒有討論， 盡管該文獻考慮到了將壓實和預燒結作為用于造型包含低剪切應力的所述固體潤滑劑的待燒結工件的可能工藝。除了上述缺陷之外，由于使用的材料的作用以及需要將所述固體潤滑劑的預先金屬化處理的操作，因此所述石墨涂覆方案具有高的成本。另外，至今在自潤滑復合材料的工件或產品制造中通常使用的基體類型，并不呈現出抑制固體潤滑劑相的顆粒被基體相快速涂覆所需的硬度，由于工件的工作表面承受的機械力而產生的塑性微變形，因此削弱了通過擴展在工件的所述工作表面上的固體潤滑劑的摩擦層(tribolayer)。該材料的金屬基體需要高度抵抗塑性變形，從而不僅作為承受必要的允許載荷的機械支撐，也抑制工件在操作中(在相對運動的摩擦時)固體潤滑劑顆粒被結構基體的塑性變形覆蓋，抑制固體潤滑劑擴展到工件之間發生相對運動的界面中。

發明內容
因此，本發明的目的是提供由金屬結構基體和非金屬固體潤滑劑形成的復合材料的冶金組合物，其適于通過整形(致密化)和燒結操作制造燒結產品(成品和半成品)，其呈現與高機械強度和高硬度聯合的低摩擦系數。同樣，本發明的目的是提供復合材料的冶金組合物，用于通過整形(致密化)和燒結操作來制造燒結產品(例如上述引用的)，且當應用到基于鐵或鐵基合金的基體時，即使所述基體允許碳在燒結溫度下溶解，其仍無需含碳(來自石墨)的粒狀固體潤滑劑的預先處理。本發明的另一個目的是提供如上提到的組合物，且其能夠以低成本容易地獲得。本發明的又一目的是提供一種通過如下方式獲得的燒結產品通過經由壓制、輥壓、擠壓以及其它，或通過射壓造型的整形，接著對上述確定的組合物進行燒結，且其呈現高度的金屬結構基體的連續性，低的摩擦系數和高的機械強度，通過使用包含例如石墨、六方氮化硼或二者混合物的固體潤滑劑進行。本發明的另一個目的是提供一種通過整形(致密化)和燒結獲得燒結產品的方法，其避免了預先制備所使用的組合物顆粒的需求，從而確保結構基體的連續性以及所得產品的所需摩擦系數和機械強度值。在本發明的第一方面，通過用于制造自潤滑燒結復合產品的復合材料的冶金組合物實現上述目的，通過對所述組合物進行壓實和射壓造型中一種操作來預先整形，該組合物包含如下的混合物確定金屬結構基體的粒狀材料；確定固體潤滑劑的粒狀材料，其在組分混合物的機械均勻化或復合材料的組合物的整形(致密化)時，承受剪切并在形成金屬結構基體的材料顆粒上形成層；以及至少一種確定在燒結過程中能夠形成液相的粒狀合金元素(化學元素)的粒狀材料，通過與復合材料的基體發生反應，從而在燒結過程中允許使以層狀形式存在的固體潤滑劑的有害分布進行改變(reverse)。由粒狀組分混合物的相互擴散以及存在于形成中的材料內的基體材料顆粒上擴展而形成的液相，穿過這些顆粒與附著的固體潤滑劑層之間，將所述固體潤滑劑去除，引起固體潤滑劑團聚成分散于基體材料體積中的不連續顆粒，從而在燒結過程中允許基體相的顆粒材料的連續性。在本發明的另一方面，提供了復合材料的冶金組合物，用于從預先整形(致密化的)的組分以及上述確定的組合物制造燒結產品，該組合物包含以下的混合物確定金屬結構基體(復合物基體)的粒狀材料，以及確定固體潤滑劑的粒狀材料，其在所述粒狀材料的燒結溫度下與金屬結構基體的粒狀材料發生反應；以及至少一種確定合金組分的粒狀材料，它在所述燒結溫度使金屬結構基體(復合物基體)材料的α相穩定。在本發明的另一方面，通過包含金屬結構基體的燒結產品實現上述目的，其通過任何前述組合物獲得并呈現固體潤滑劑的不連續顆粒的分散，該金屬結構基體是連續的， 且具有的固體潤滑劑的量與用于產品形成的所述冶金組合物中的所含量相等。本發明的另一方面，通過用于從上述確定且呈現固體潤滑劑顆粒的分散的冶金組合物獲得燒結產品的方法實現上述目的，所述方法包括如下步驟a_例如在碾磨機/混合器中以預定量機械地混合確定冶金組合物的粒狀材料，并進行均勻化；b_提供獲得的混合物的整形(致密化)，對所述混合物賦予待燒結產品(工件)的形狀；以及C-燒結該預壓實材料。在燒結之前，當通過擠壓或通過射壓造型來進行冶金組合物的整形時，在所述組合物中包含有機粘結劑是必要的，以便在整形階段中對組合物提供流動性。本發明獲得的自潤滑復合材料可以用于制造高機械強度的部件，也就是說，用于制造機械部件，例如傳動裝置、小齒輪、式冠狀物、叉狀物和驅動器、活塞以及用于壓實機的連接桿等，而不僅用于干式自潤滑襯套。高機械性能兼具摩擦性能來源于與基體的機械性能以及為組合物材料設計的顯微組織參數相關的一系列具體需求的應用，它們是基體的硬度和機械強度，分散在基體中的固體潤滑劑顆粒之間的尺寸和平均自由路徑；基體的連續性程度；分散在結構基體中的固體潤滑劑顆粒的體積百分比；以及固體潤滑劑相與基體之間的相對穩定性。


將在下面通過結合附圖并參考本發明的實施方案的例子來說明本發明，其中圖IA概略性地示出了現有技術的粒狀材料組合物的部分顯微組織，其包含結構基體以及含有六方氮化硼和/或石墨的固體潤滑劑，在承受粒狀材料混合物的機械均勻化以及工件整形(致密化)操作之前，在燒結之前；圖IB類似于圖1A，但示出了相同現有技術的粒狀材料組合物的顯微組織，在均勻化以及整形之后，其中結構基體的顆粒之間形成固體潤滑劑層；圖2A概略性地示出了金屬結構基體的粒狀材料混合物或組合物的部分顯微組織，而粒狀固體潤滑劑的材料具有與金屬結構基體的顆粒尺寸類似的顆粒尺寸(相同的數量級)，有助于后者的連續性程度；圖2B概略性地示出了結構基體的粒狀材料組合物的部分顯微組織，其中固體潤滑劑具有比金屬結構基體的顆粒尺寸小得多的顆粒尺寸，由此顯著更細小的固體潤滑劑顆粒在金屬結構基體的顆粒之間趨于形成相對連續的層，即使在燒結之前的加工步驟中沒有剪切應力；
圖3概咯性地示出了均勻分布的不連續顆粒形式的固體潤滑劑，在本發明的粒狀材料組合物的部分顯微組織中，具有規則的平均自由路徑“ λ ” ；圖4表示結構基體為鐵基合金的自潤滑燒結產品的顯微組織圖，顯示了石墨和六方氮化硼顆粒以及提供在燒結過程中分散于結構基體的粒狀材料中的液體相；圖5用簡化圖概略性地示出后續將燒結的工件或產品的形成中的壓實的實施例， 進行所述壓實以便在待燒結產品的兩個相對面中提供自潤滑層；圖6Α、6Β和6C表示其整形是通過由擠壓來進行壓實所獲得的產品的實施例，分別為自潤滑復合材料的棒，自潤滑復合材料的管，以及芯部為金屬合金并涂覆有自潤滑材料外層的棒；以及圖7用簡化圖概略性地示出了后續待燒結的工件或產品的形成中的壓實的實施例，通過在金屬合金板或帶的相對面上輥壓自潤滑復合材料進行所述壓實。發明描述如上述提到的，本發明的一個目的是提供粒狀材料的冶金組合物，其可以均勻地混合并通過壓實(壓制、輥壓、擠壓)或通過射壓造型來整形(致密化)，使其可表現待承受燒結操作的確定幾何形狀(工件)，以獲得相對于現有技術的教導所獲得的產品呈現出高的硬度、機械強度以及減小的摩擦系數的產品。本冶金組合物包含主粒狀金屬材料，它在組合物的形成中是主要的，以及至少一種粒狀硬化合金元素，這些組分負責在待燒結的復合產品形成結構基體10。根據本發明，主粒狀金屬材料通常為鐵或鎳，從而確定鐵基結構基體或鎳基結構基體。在使用鐵作為主粒狀金屬材料的組合物中，具有硬化基體作用的粒狀硬化合金元素確定為例如選自鉻、鉬、碳、硅、錳和鎳中的至少一種，但是應當理解，可以在結構基體10 中采用相同作用的其它元素。值得注意的是，本發明需要提供可實施將待形成結構基體10 的硬化作用的合金硬化元素，但這方面不應限于此處給出的示例性合金元素。除了形成結構基體10的組分外，本組合物還包含非金屬粒狀固體潤滑劑20，其優選但不限于確定為六方氮化硼、石墨或二者以任何比例的混合物，所述粒狀固體潤滑劑20 的體積百分數占待形成的復合材料體積的約15%或少于15%，所述百分數比現有技術中通常的25%到40%低，實質上有助于結構基體10的較高程度的連續性，從而有助于獲得的燒結產品的較高機械強度。如在現有技術的論述中已提到的，如圖認、讓、2々和28所示，由于在組合物形成中使用的非金屬粒狀固體潤滑劑的低剪切應力，以及后來的燒結復合產品在組合物的粒狀材料的混合步驟中，以及在通過壓實或通過射壓造型的組合物整形步驟中，施加到固體潤滑劑20的應力引起后者在形成結構基體10相的顆粒之間擴展，趨于將它們包圍在膜或層21 中，在粒狀固體潤滑劑20不可溶于結構基體10中的情況下，損壞在形成金屬結構基體10 的顆粒之間的燒結頸部的形成，如發生在六方氮化硼相對于鐵基或鎳基結構基體10那樣。為了避免上述缺陷，本發明的組合物還包含至少一種粒合金元素，它能夠在整形的冶金組合物的燒結溫度下，在形成結構基體10的粒狀材料與粒狀固體潤滑劑20之間形成液相，迫使后者團聚成均勻地分散在結構基體10的材料中的不連續顆粒，如圖3所示。液相的形成及其在粒狀固體潤滑劑20上的作用允許在待得到的燒結復合產品中獲得結構基體10的高度連續性。當本發明的冶金組合物通過壓實而整形并使用鐵基結構基體時，主要粒狀金屬鐵材料優選具有約10 μ m到約90 μ m的平均顆粒尺寸。而具有硬化結構基體10的作用的硬化元素，以及具有形成液相并使粒狀固體潤滑劑20團聚的作用的粒狀合金元素，在通過壓實(致密化)而整形的冶金組合物的燒結過程中，具有小于約45μπι的平均顆粒尺寸。應當理解，主要粒狀金屬鐵材料的平均顆粒尺寸應當優選地比硬化元素以及合金元素的平均顆粒尺寸大。通過壓實或通過射壓造型所整形的上述具有鐵基結構基體10的冶金組合物，當粒狀固體潤滑劑20為在所述鐵基結構基體10內的不可溶的類型時，能夠包括(completed with)硬化元素以及合金元素，例如六方氮化硼，因為在約1125°C到約1250°C的燒結溫度下，粒狀固體潤滑劑20不與形成結構基體10的材料反應。粒狀固體潤滑20與結構基體10 的反應引起前者部分或全部在后者的材料中消失，從而削弱甚至消除了要得到的燒結產品的自潤滑性能。然而，在結構基體10例如為鐵基，且當粒狀固體潤滑劑20至少部分可溶于結構基體10的情況下，在通過壓實或通過射壓造型所整形的冶金組合物的燒結溫度下，例如與石墨或者由石墨與六方氮化硼的混合物所發生的，本發明的冶金組合物還應包括至少一種能夠在冶金組合物的燒結過程中穩定鐵α相的合金組分，從而抑制溶解的發生，并將粒狀固體潤滑劑20結合到鐵的結構基體10中。根據本發明，穩定鐵α相的合金組分確定為選自磷、硅、鈷、鉻和鉬中的至少一種元素。盡管這些元素被認為是最適合在燒結溫度下(約1125°C到約1250°C )在穩定鐵α 相中足以分別或單獨起作用，但應當理解本發明存在穩定鐵α相的概念，而不存在必須使用此處示例的合金組分的事實。優選地，對于具有鐵基結構基體10和至少部分可溶于結構基體10的粒狀固體潤滑劑20(例如由石墨構成或者由石墨與六方氮化硼組成的混合物構成)的組合物，具有硬化結構基體10的作用的粒狀硬化合金元素、具有形成液相并使粒狀固體潤滑劑20團聚的作用的粒狀合金元素、以及具有穩定鐵α相的作用合金組分，確定為例如選自硅的元素， 其含量為冶金組合物重量的約2%到5%，和選自硅、錳和碳的混合物，其含量為冶金組合物重量的約2%到8%。當本發明的冶金組合物由射壓造型所整形并使用鐵基結構基體時，鐵的主粒狀金屬材料優選具有在約1 μ m與約45 μ m之間的顆粒尺寸。同樣的，具有硬化結構基體10的作用的硬化元素，具有形成液相并團聚粒狀固體潤滑劑20的作用的粒狀合金元素，在由射壓造型所整形的冶金組合物與粒狀固體潤滑劑的燒結過程中，呈現出也在約1 μ m與約45 μ m 之間的顆粒尺寸。如所述，冶金組合物的結構基體10可以為鎳基的，并且在這種情況下，任何粒狀固體潤滑劑20 (在此示例為石墨，六方氮化硼或它們以任何比例的混合物)，將在約1125°C 到約1250°C的冶金組合物的燒結溫度下具有不可溶于鎳結構基體10的特性，而無需使用穩定鐵α相的粒狀合金組分。在具有鎳結構基體10的冶金組合物中，所需的具有形成液相并使粒狀固體潤滑劑20團聚的作用的粒狀合金元素，在冶金組合物的燒結過程中，確定為例如選自鉻、磷、硅、鐵、碳、鎂、鈷以及錳中的至少一種元素。當本發明的冶金組合物使用鎳基結構基體10時，鎳的主粒狀金屬材料在通過壓實所整形后呈現出優選在約 ο μ m到約90 μ m之間的平均顆粒尺寸，具有硬化結構基體10 的作用的硬化元素，以及具有形成液相并使粒狀固體潤滑劑20團聚的作用的粒狀合金元素，在燒結通過壓實(致密化)所整形的冶金組合物的過程中，呈現出等于或小于45μπι的平均顆粒尺寸。當組合物的整形由射壓造型進行時，優選鎳的主粒狀金屬材料，以及具有硬化結構基體10的作用的硬化元素，以及具有形成液相作用的粒狀合金元素，呈現出優選在約1 μ m到約45 μ m之間的顆粒尺寸。考慮到具有鎳基結構基體10的冶金組合物，具有硬化鎳基體作用的硬化元素、以及具有形成液相并使粒狀固體潤滑劑20團聚成不連續顆粒的作用的粒狀合金元素，確定為選自于硅、磷和鉻的元素，含量在約2%到約5%之間，或選自于由硅、磷和鉻組成的混合物，其含量占冶金組合物重量的約2%到約8%。當燒結之前的冶金組合物的整形通過擠壓或通過射壓造型進行時，組合物還應當包含優選地選自石蠟和其它蠟、EVA和低熔點聚合物的至少一種有機粘結劑，在通過擠壓而整形時通常占冶金組合物總體積的約15%到約45%，而在通過射壓造型時，為約40%到約 45%。有機粘結劑在整形步驟后從組合物中提取出，例如在整形產品進入燒結步驟之前通過蒸發作用提取。上述冶金組合物，是通過在任何合適的混合器中將預定量的粒狀材料進行混合得到的，選擇所述粒狀材料用于形成組合物以及自潤滑燒結產品的后續獲得。將不同粒狀材料的混合物進行均勻化，并通過整形，即通過壓制、輥壓或擠壓或通過射壓造型進行致密化操作，使得可整形成對于由燒結獲得的產品的所需形狀。在通過射壓造型進行整形的情況下，將包含有機粘結劑的組分混合物在不低于使有機粘結劑熔化的溫度下均勻化，將如此均勻化的混合物進行造粒，以利于其處理、存儲以及提供給射壓機。在組合物的整形之后，將整形的工件進行有機粘結劑的提取步驟，通常通過熱處理進行。接下來，可將均勻化并整形的冶金組合物在約1125°C到約1250°C的溫度下進行燒結步驟。考慮到冶金組合物以及鐵基或鎳基結構基體10包括至少一種具有形成液相作用的粒狀合金元素，其在燒結過程中，通過粒狀合金元素形成所述液相，并促進粒狀固體潤滑劑20團聚成分布于結構基體10的體積內的不連續顆粒。當冶金組合物包含至少部分可溶于鐵基結構基體中的粒狀固體潤滑劑時，如其與石墨及其與立方氮化硼的混合物所發生的，均勻化并整形的冶金組合物還包含至少一種上面已確定的合金組分，它能夠在冶金組合物的燒結步驟中，穩定結構基體10的鐵α相，抑制確定為石墨的部分固體潤滑劑在鐵結構基體中的溶解。采用此處提出的冶金組合物，可從不需要對非金屬粒狀固體潤滑劑進行預處理的粒狀材料中獲得自潤滑燒結工件或產品，所述工件或產品呈現出在使用鐵基結構基體10 的情況下，硬度HV彡230，摩擦系數μ彡0. 15，機械牽引阻力σ t彡450MPa，且對于由壓實來整形的產品，固體潤滑劑20的不連續顆粒的分散，其平均顆粒尺寸為在約10 μ m到約 60 μ m之間，對于由射壓造型來整形的產品則在約2 μ m到約20 μ m之間；并且，在鎳基結構基體10的情況下，硬度HV彡M0，摩擦系數μ彡0. 20，機械牽引阻力σ t彡350MPa，且對于由壓實來整形的產品，固體潤滑劑20的不連續顆粒的分散，其平均顆粒尺寸在約ΙΟμπι 到約60 μ m之間，對于由射壓造型來整形的產品則在約2 μ m到約20 μ m之間。附圖中的圖5、6A、6B、6C以及7提出了旨在例示通過壓實特定的預定量冶金組合物成任何所需的形狀來整形本冶金組合物的不同可能性，它可以是希望獲得的自潤滑的燒結最終工件或產品，或是接近所需的最終形狀的形狀。然而，在大量的應用中，僅在待承受摩擦接觸以及其它相對運動的機械部件或工件的一個或多個表面區域中，自潤滑特性才是必要的。因此，如圖5所示，所需的自潤滑產品可以由結構基材30組成，該結構基材層優選整形成粒狀材料，且在一個或兩個相對面31中接受本發明的冶金組合物40的表面層41。 在示出的實施例中，結構基材30以及冶金組合物40的兩個相對表面層在任何合適的模具 M內通過兩個相對的沖模P壓實，從而形成壓實并整形的復合產品1，隨后將其進行燒結步驟。在這個實施例中，只有結構基材30的兩個相對面31將呈現出所需的自潤滑性能。圖6A和6B分別示出了通過在合適的擠壓基體(未示出)中擠壓冶金組合物40 來獲得棒2和管3形式的產品。在這種情況下，通過冶金組合物40的壓實的整形在后者的擠壓步驟中進行。然后可對棒2或管3進行燒結步驟，以用于鐵基或鎳基結構基體10的形成以及結合分散的粒狀固體潤滑劑20的不連續顆粒，如圖3和4所示。圖6C示出了由復合棒4形成的產品的另一實施例，其包含粒狀材料的結構芯部 35，且在周圍和外部由本發明冶金組合物40形成的表面層41環繞。同樣在這種情況下，結構芯部35以及冶金組合物40中的外表面層41的整形和壓實(致密化)是通過復合棒4 的兩部分的共擠壓獲得的，然后將該棒進行燒結步驟。當冶金組合物20的壓實通過擠壓進行時，如同例如在圖6A、6B以及6C的棒2、3和 4的形成中所進行的，所述組合物還可以包含從組合物中熱去除的有機粘結劑，在后者的整形之后并燒結步驟之前，通過任何已知的技術用于所述去除。有機粘結劑可以例如是選自石蠟和其它蠟、EVA以及低熔點聚合物中的任一種。圖7也示意性地表示了另一種獲得燒結復合產品的方法，展示了一個或多個具有自潤滑特性的表面區域。在這個實施例中，待獲取的產品5具有由粒狀材料形成的結構基材30，其已預先整形為帶材形式，注意，在結構基材30(以連續帶材的形式)的至少一個相對面上輥壓成本發明的冶金組合物40的表面層41。然后，將復合產品5進行燒結步驟。盡管在此公開的本發明是通過冶金組合物結合不同的結構層的一些實施例來展示的，但應當理解的是，這樣的組合物和結合可能進行的變形對本領域的技術人員來說是清楚的，而不偏離本發明在結構基體中控制不連續顆粒形式的固體潤滑劑分布、以及在燒結步驟過程中所述固體潤滑劑可能趨于溶于所述基體的思想，如附于本發明說明書的權利要求定義的。
權利要求
1.粒狀材料的冶金組合物，用于形成整形并燒結的自潤滑復合產品，特征在于其包含主粒狀金屬材料，以主要的化學元素的形式，以及至少一種硬化元素，它在待燒結的復合產品中形成結構基體(10)；非金屬粒狀固體潤滑劑00)；以及至少一種粒狀合金元素，其在整形冶金組合物的燒結過程中能夠在形成結構基體(10)的粒狀材料與粒狀固體潤滑劑 (20)之間形成液相，從而使后者團聚成不連續的顆粒。
2.如權利要求1所述的組合物，特征在于粒狀固體潤滑劑00)占的體積百分比小于或等于待形成的復合材料的體積的約15%。
3.如權利要求1或2所述的組合物，特征在于主粒狀金屬材料是鐵，具有在燒結過程中形成液相以使粒狀固體潤滑劑團聚的作用的粒狀合金元素確定為選自鎳、錳、銅、硅、磷和碳的元素中的至少一種。
4.如權利要求3所述的組合物，特征在于，具有硬化鐵基體的作用的粒狀合金材料確定為選自鉻、鉬、碳、硅、錳和鎳的元素中的至少一種。
5.如權利要求3或4中任一項所述的組合物，所述組合物通過壓實進行整形，特征在于鐵的主粒狀金屬材料呈現出約10 μ m與約90 μ m之間的平均顆粒尺寸，具有硬化結構基體 (10)的作用的硬化元素，以及具有形成液相并且使粒狀固體潤滑劑團聚的作用的粒狀合金元素，在通過壓實進行整形的冶金組合物的燒結過程中，呈現出小于約45 μ m的平均顆粒尺寸。
6.如權利要求3或4中任一項所述的組合物，通過射壓造型對該組合物整形，特征在于其還包含有機粘結劑，且其中鐵的主粒狀金屬材料、硬化元素、形成液相的粒狀合金元素、 以及粒狀固體潤滑劑呈現出在約1 μ m與約45 μ m之間的平均顆粒尺寸。
7.如權利要求3，4，5或6中任一項所述的組合物，其特征在于粒狀固體潤滑劑00)是六方氮化硼。
8.如權利要求3，4，5或6中任一項所述的組合物，其使用在冶金組合物的燒結溫度下至少部分可溶于結構鐵基體的粒狀固體潤滑劑(20)，特征在于它還包含至少一種合金組分，所述合金組分能夠在冶金組合物的燒結過程中穩定鐵α相，并抑制粒狀固體潤滑劑在鐵中的溶解。
9.如權利要求8所述的組合物，特征在于粒狀固體潤滑劑是石墨或者由任意比例的石墨和六方氮化硼組成的混合物，穩定鐵α相的合金組分確定為選自磷、硅、鈷、鉻和鉬的元素中的至少一種。
10.如權利要求9所述的組合物，特征在于，具有硬化復合物的結構基體的作用的合金元素；具有形成液相并且使固體潤滑劑團聚的作用的粒狀合金元素；以及具有穩定鐵α相的作用的合金組分，確定為選自含量為冶金組合物重量的約2%到約5%的硅，以及選自含量為冶金組合物重量的約2%到約8%的由硅、錳和碳組成的混合物。
11.如權利要求1或2中任一項所述的組合物，特征在于主要的主粒狀金屬材料是鎳， 粒狀固體潤滑劑選自石墨、六方氮化硼或二者以任意比例的混合物，具有形成液相以使粒狀固體潤滑劑在燒結過程中團聚的作用的粒狀合金元素確定為選自鉻、磷、硅、鐵、碳、鎂、 鈷以及錳的元素中的至少一種。
12.如權利要求11所述的組合物，通過壓實整形，且特征在于鎳的主粒狀金屬材料呈現出在約10 μ m與約90 μ m之間的平均顆粒尺寸，具有硬化基體的作用的硬化元素，以及具有形成液相并在通過壓實所整形的冶金組合物的燒結過程中使粒狀固體潤滑劑團聚的作用的粒狀合金元素，均呈現出等于或小于約45 μ m的平均顆粒尺寸。
13.如權利要求11所述的組合物，通過射壓造型進行整形，特征在于其還包含有機粘結劑，并且鎳的主粒狀金屬材料、硬化元素、形成液相的粒狀合金元素、以及粒狀固體潤滑劑呈現出約1 μ m與約45 μ m之間的平均顆粒尺寸。
14.如權利要求11，12或13中任一項所述的組合物，特征在于，具有硬化鎳基體的作用的粒狀硬化合金元素，具有形成液相并且使固體潤滑劑團聚成不連續顆粒的作用的粒狀合金元素，確定為選自含量為冶金組合物重量的約2%到約5%的硅、磷和鉻的元素，或選自含量為冶金組合物重量的約2%到約8%的由硅、磷和鉻組成的混合物。
15.如權利要求6或13中任一項所述的組合物，特征在于有機粘結劑選自石蠟和其它蠟、EVA以及低熔點聚合物，比例為冶金組合物總體積的約40%到約45%。
16.自潤滑燒結產品，由如權利要求3至10中任一項確定的粒狀材料的冶金組合物 (40)獲得，該冶金組合物在燒結前進行整形，特征在于其呈現出硬度HV ≥ 230，摩擦系數 μ ≤ 0. 15，以及牽引阻力O τ≥450MPa
17.自潤滑燒結產品，由如權利要求11至14中任一項確定的粒狀材料的冶金組合物 (40)獲得，該冶金組合物在燒結前進行整形，特征在于其呈現出硬度HV ≥240，摩擦系數 μ≤0. 20，以及彎曲斷裂強度σ τ≥350MPa。
18.如權利要求16或17中任一項所述的自潤滑燒結產品，通過壓實進行整形，特征在于，它包含結構基體(10)，其中分散有平均顆粒尺寸在約10 μ m與約60 μ m之間的固體潤滑劑00)的不連續顆粒。
19.如權利要求16或17中任一項所述的自潤滑燒結產品，通過射壓造型進行整形，特征在于，它包含結構基體(10)，其中分散有固體潤滑劑00)的不連續顆粒，所述顆粒具有在約2 μ m與約20 μ m之間的平均顆粒尺寸。
20.如權利要求16，17或18中任一項所述的自潤滑燒結產品，特征在于其確定了至少一個與結構基材(30)結合的所述冶金組合物GO)的表面層Gl)。
21.如權利要求18所述的自潤滑燒結產品，其特征在于在粒狀材料中確定與冶金組合物GO)的表面層Gl) —起燒結的結構基材(30)。
22.如權利要求21所述的自潤滑燒結產品，其特征在于結構基材(30)為板或帶的形式，其相對面中的至少一個與所述冶金組合物GO)的表面層Gl)結合。
23.如權利要求21所述的自潤滑燒結產品，特征在于結構基材(30)為復合棒(4)的結構芯部(35)的形式，其在周圍和外部與所述冶金組合物GO)的表面層Gl)結合。
24.由權利要求1至5以及11和12中任一項所述的粒狀材料的冶金組合物獲得自潤滑燒結產品的方法，特征在于它包括步驟-以預定的量對粒狀材料進行混合，這確定冶金組合物；-對粒狀材料混合物進行均勻化；-對粒狀材料混合物進行壓實，以對混合物提供待燒結產品的形狀；-在約1125°C到約1250°C的溫度下對壓實并整形的混合物進行燒結，在燒結過程中與粒狀合金元素形成液相，從而促進固體潤滑劑的團聚成分散在結構基體的體積中的不連續顆粒。
25.由權利要求8至10中任一項所限定的粒狀材料的冶金組合物獲得自潤滑燒結產品的方法，其特征在于它包括步驟-以預定的量對粒狀材料進行混合，這確定冶金組合物； -對粒狀材料混合物進行均勻化；-壓實粒狀材料混合物，以對混合物提供待燒結產品的形狀；和 -在約1125°C到約1250°C的溫度下對所述壓實并整形的混合物進行燒結，在燒結過程中與粒狀合金元素形成液相，從而促進固體潤滑劑的團聚成分散在結構基體的體積中的不連續顆粒，并穩定結構基體的鐵α相，以抑制確定為石墨的固體潤滑劑部分溶于鐵結構基體中。
26.如權利要求M或25中任一項所述的方法，特征在于確定冶金組合物00)的粒狀材料混合物進行壓實的步驟包括將冶金組合物GO)輥壓成待后續燒結的板或帶的形式。
27.如權利要求M或25中任一項所述的方法，特征在于確定冶金組合物00)的將粒狀材料混合物進行壓實的步驟包括在結構基材(30)的至少一個相對面上輥壓冶金組合物，該結構基材為粒狀材料的板或帶的形式，與形成結構基體(10)的主粒狀金屬材料相容。
28.如權利要求沈或27中任一項所述的方法，特征在于在粒狀材料的燒結之后，它還包括將板或帶進行冷軋的附加步驟，用于降低殘余孔隙率。
29.如權利要求M或25中任一項所述的方法，特征在于確定冶金組合物00)的將粒狀材料混合物進行壓實的步驟包括以由棒材( 和管材C3)確定的形狀中的一種形狀進行擠壓。
30.如權利要求M或25中任一項所述的方法，特征在于確定冶金組合物00)的粒狀材料混合物進行壓實的步驟包括圍繞著粒狀材料棒形式的結構芯部(35)共擠壓表面層 (41)形式的冶金組合物，所述粒狀材料棒與形成結構基體(10)的主粒狀金屬材料相容，從而形成復合棒(4)。
31.如權利要求四和30中任一項所述的方法，特征在于冶金組合物G0)包含在燒結步驟之前要從產品熱去除的有機粘結劑。
32.由權利要求6或13中任一項所述的粒狀材料的冶金組合物獲得自潤滑燒結產品的方法，所述冶金組合物包含不可溶于結構基體的固體潤滑劑，特征在于它包括步驟-以預定的量對粒狀材料進行混合，這確定冶金組合物； -在不低于有機粘結劑熔化溫度的溫度下，對粒狀材料混合物進行均勻化； -對該組合物進行造粒，以便于其處理、存儲以及供給到射壓機中； -對粒狀材料混合物進行射壓造型，從而給混合物提供待燒結產品的形狀； -從造型的工件中提取有機粘結劑；以及-在約1125°C到約1250°C的溫度下對經整形的混合物進行燒結，在燒結過程中與粒狀合金元素形成液相，從而促進固體潤滑劑的團聚成分散在結構基體體積中的不連續顆粒。
33.由引用權利要求6的情況下的權利要求8所確定的粒狀材料的冶金組合物獲得自潤滑燒結產品的方法，特征在于它包括步驟-以預定的量對粒狀材料進行混合，這確定冶金組合物； -在不低于有機粘結劑熔化溫度的溫度下，對粒狀材料混合物進行均勻化；-對該組合物進行造粒，以便于其處理、存儲以及供給到射壓機中； -對粒狀材料混合物進行射壓造型，從而給混合物提供待燒結產品的形狀； -從造型的工件中提取有機粘結劑；以及-在約1125°C到約1250°C的溫度下對經整形的混合物進行燒結，在燒結過程中與粒狀合金元素形成液相，從而促進固體潤滑劑的團聚成分散在結構基體體積中的不連續顆粒， 并穩定結構基體的鐵α相，以抑制確定為石墨的固體潤滑劑部分溶于鐵結構基體中。
全文摘要
冶金組合物，包含主粒狀金屬材料，例如鐵或鎳，以及至少一種用于硬化形成結構基體(10)的金屬材料的合金元素；粒狀固體潤滑劑(20)，例如石墨、六方氮化硼或它們的混合物；以及粒狀合金元素，它能夠在由壓實或射壓造型所整形的組合物的燒結過程中形成液相，使固體潤滑劑(20)團聚成不連續顆粒形式。該組合物可以包含在燒結過程中穩定α鐵基體相的合金組分，以抑制石墨固體潤滑劑溶于鐵中。本發明還涉及由該組合物獲得的自潤滑燒結產品，以及獲得所述產品的方法。
文檔編號B22F1/00GK102202816SQ200980135814
公開日2011年9月28日 申請日期2009年9月9日 優先權日2008年9月12日
發明者A·N·克雷恩, C·賓德, G·哈梅斯, M·L·帕魯克爾, R·賓德, W·瑞斯登朱尼爾 申請人:盧帕技術私人控股公司, 圣卡塔琳娜州聯邦大學, 惠而浦股份有限公司