CN103898399B - 一种高耐磨材料及其制造方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高耐磨材料及其制造方法和应用，按重量百分比计算，其配方含有以下化学成分：C：2.90～3.60%；Si：1.80～3.0%；Mn：0.40～1.00%；S：≤0.15%；P：0.05～0.45%；B：0.01～0.20%；Cu:≤1.0%；Sn：≤0.06%；Sb：≤0.03%；Fe及不可避免的杂质，通过熔炼、孕育、二次孕育、浇铸形成活塞毛坯、粗加工、热处理、精加工等步骤制得，可应用于制备旋转式压缩机用活塞、滑块或曲轴等。本发明的材料制得的活塞、滑块、曲轴成本低，制造成本低廉，并具有高耐磨性。以压缩机活塞为例，在长期运转后，活塞各工作面均无明显磨损，减少了冷媒沿活塞-滑块先端接触面的径向泄露，使压缩机性能安定性、信赖性提高，同时降低了制造成本，扩大了旋转式压缩机用活塞的选材范围。
Description
技术领域
本发明涉及压缩机材料领域，特别是一种高耐磨材料及其制造方法和应用。
背景技术
旋转式压缩机由于其效率高、体积小及重量轻的特点，得到了广泛的应用。现有的旋转式压缩机的泵体一般由滑块1、弹簧2、活塞3、汽缸4、曲轴5及上下轴承组成，如图1所示。作为压缩机泵体的重要部品—活塞3，在曲轴5的带动下进行高速偏心旋转，同时，在弹簧2的推动力下，滑块1的先端面始终与高速偏心旋转的活塞3外圆周面紧密贴合形成摩擦副，该摩擦副为线接触，接触面压极高，且该摩擦副长期处于少油的临界润滑状态，导致其接触部位极易发生磨损。因此，对于活塞材料的选取，需要其具有高硬度、高耐磨性能以及良好的韧度。
目前，旋转式压缩机使用的高耐磨活塞材料主要是高P含量的CrNiMo系合金灰铸铁和粉末冶金件（成分为CrMo合金钢相当），其存在以下问题：
①大量贵合金元素的使用，导致其原材料成本高；
②合金元素的大量加入，需要更高的热处理温度，制造成本高；
③合金元素使淬火后的残留奥氏体数量增加，尺寸安定性差（通常需要增加冷处理工序）；
④以单一、高含量的磷共晶为主要耐磨相，导致脆性加大，裂纹风险高。
发明内容
为克服现有技术中的缺点，本发明的目的是提供一种高耐磨材料，其材料成本低，耐磨性优良
本发明的另一个目的是提供上述高耐磨材料的制造方法，其制造成本低廉。
本发明还有一个目的是将上述高耐磨材料的应用于旋转式压缩机用活塞上。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种高耐磨材料，其特征在于：按重量百分比计算，配方含有以下化学成分：
C：2.90～3.60%；Si：1.80～3.0%；Mn：0.40～1.00%；S：≤0.15%；P：0.05～0.45%；B：0.01～0.20%；Cu:≤1.0%；Sn：≤0.06%；Sb：≤0.03%；Fe及不可避免的杂质。
所述的配方还含有Cr、Ni、Mo中的一种或两种以上混合，其中：Cr：≤1.0%；Mo：≤1.0%；Ni：≤3.0%。
一种高耐磨材料的制造方法，其特征在于包括以下顺序步骤：
（1）熔炼：按上述成分配比混合，在1450℃～1600℃温度范围进行铁水熔炼；
（2）孕育处理：将铁水注入保温炉内，注入同时使用孕育剂进行随流孕育；
（3）二次孕育处理:将铁水由保温炉注入浇铸包，注入时在浇铸包底部放入孕育剂，进行二次孕育处理，保持铁水浇铸温度在1300℃～1540℃；
（4）浇铸形成毛坯。
所述步骤（4）后，还设有步骤（5）热处理：依次进行淬火及回火处理。
所述步骤（2）、步骤（3）中的孕育剂为硅铁或硅钡孕育剂。
所述步骤（5）中的淬火，炉温在800℃～900℃，碳势保持在0.3%～1.2%，保温时间为40min～90min。
所述步骤（5）中的回火，炉温在160℃～300℃，保温60min～120min。
所述步骤（5）中，在淬火之后回火之前，将淬火后的工件进行-40℃以下的深冷处理，保温时间为30min～60min。
由上述高耐磨材料制得的旋转式压缩机用活塞、滑块或曲轴
包含有上述活塞、滑块或曲轴的旋转式压缩机。
本发明的原材料成本低，通过微合金化技术使合金元素的搭配更合理，降低了对贵合金元素的用量，并具有高耐磨性，P共晶显微硬度为Hv700～800，而含硼碳化物的显微硬度可以达到Hv900～1300之间，同时B加入减少了材料耐磨性对单一磷共晶的依赖，B、P混合硬质相分布更弥散均匀，基体强度高；制造成本低廉，可以使用较低的淬火、回火温度，以及在不增加冷处理工艺的条件下就能使活塞或滑块力学性能、尺寸安定性满足旋转式压缩机使用要求；在不做热处理的情况下的到高耐磨性的曲轴，满足高负荷旋转式压缩机的使用要求。以本发明制得的活塞为例，其耐磨性优良，在长期运转后，活塞各工作面均无明显磨损，减少了冷媒沿活塞-滑块先端接触面的径向泄露，使压缩机性能安定性、信赖性提高，同时降低了制造成本，扩大了旋转式压缩机用活塞的选材范围。
附图说明
图1是现有技术的压缩机泵体剖面图；
图2是本发明实施例1的活塞石墨形态（金相显微镜100×）；
图3是本发明实施例1的活塞金相显微组织（金相显微镜100×）。
具体实施方式
本发明是一种高耐磨材料，按重量百分比计算，配方含有以下化学成分：C：2.90～3.60%；Si：1.80～3.0%；Mn：0.40～1.00%；S：≤0.15%；P：0.05～0.45%；B：0.01～0.20%；Cu:≤1.0%；Sn：≤0.06%；Sb：≤0.03%；Fe及不可避免的杂质。
优选的，所述的配方还含有Cr、Ni、Mo中的一种或两种以上，其中：Cr：≤1.0%；Mo：≤1.0%；Ni：≤3.0%。
上述各化学成分中，Cr、Mo为反石墨化元素，同时Cr、Mo均为碳化物形成元素，可增加铸件中的耐磨相数量；Cu、Ni为促进石墨化元素，还可起到细化组织及增加珠光体数量的作用；Sb、Sn均为增加铸件珠光体数量的元素；B、P可在共晶团的边界形成B-P共晶以及硼碳化物，弥散、均匀的分布在铸件基体上，起到耐磨、抗咬合的作用。为保证铸件性能，需按照比例对各合金进行合理配比使用。
上述高耐磨材料的制造方法，包括以下顺序步骤：
（1）熔炼：按上述成分配比混合，在1450℃～1600℃温度范围进行铁水熔炼。温度范围更优选1550～1600℃，最优选1580℃。
（2）孕育处理：将铁水注入保温炉内，注入同时使用孕育剂进行随流孕育或者冲包孕育。优选的，孕育剂为硅铁或硅钡孕育剂。
（3）二次孕育处理:将铁水由保温炉注入浇铸包，注入时在浇铸包底部放入孕育剂，进行二次孕育处理，保持铁水浇铸温度在1300℃～1540℃。优选的，孕育剂为硅铁或硅钡孕育剂。温度范围更优选1450～1500℃。
（4）浇铸形成毛坯。
（5）粗加工，对毛坯进行端面、外圆面、内圆面及倒角处进行车削加工。
（6）热处理：对粗加工品依次进行淬火及回火处理。对于材料强度、耐磨性要求略低的部件，例如压缩机用曲轴，可以省略热处理工序，对于材料强度、耐磨性要求较低的部件，例如压缩机用的活塞、滑块，则优选增加热处理工序。关于热处理工序，优选的，淬火处理时，炉温在800℃～900℃，碳势保持在0.3%～1.2%，保温时间为40min～90min。回火处理时，炉温在160℃～300℃，保温60min～120min。在淬火之后回火之前，根据合金元素的加入量和淬火后工件的残留奥氏体的数量，可选择进行或者不进行深冷处理。深冷处理是将淬火后的工件进行-40℃以下的处理，保温时间为30min～60min。
（7）精加工，对热处理后工件的端面、外圆面及内圆面进行磨削精加工，然后抛光去毛刺，即可制得所需制品。
上述高耐磨材料可以用于制备活塞、滑块或曲轴，应用于旋转式压缩机上。
下面以旋转式压缩机用的部件为例，通过实施例及附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例的活塞材料的化学成分组成(质量分数%)如下：
C：3.15；Si：2.3；Mn：0.8；S：≤0.15；P：0.25；B：0.08；Cu:0.4；Sn：0.02；Sb：0.01，其余为Fe及不可避免的杂质。
（1）按以上化学成分配比的材料，使用中频电炉熔化成铁水，熔化温度控制在1450℃～1600℃，本实施例中为：1580℃。
（2）将铁水注入保温炉内，浇入的同时使用硅铁或者硅钡孕育剂进行随流孕育处理；
（3）将铁水由保温炉注入浇铸包，注入时进行二次孕育处理；保持铁水浇铸温度在：1300℃～1540℃，本实施例中为1470℃。
（4）将铁水由浇铸包浇入砂型模具型腔，铁水经过冷却、凝固形成活塞毛坯。
（5）对活塞毛坯进行端面、外圆面、内圆面及倒角处进行车削加工。
（6）进行淬火、深冷及回火处理，具体工艺为：
淬火温度：860±10℃，保温时间：70min，碳势：0.8%，油冷；
深冷温度：－50℃，时间：60min；
回火温度：180±10℃，保温时间：90min，空冷。
（7）对热处理后活塞的端面、外圆面及内圆面进行磨削精加工，然后抛光去毛刺，即可制造得到合格的旋转式压缩机用活塞。
活塞经过步骤（6）处理后硬度范围在HRC46～HRC56，显微组织为：石墨呈均匀的片状分布，形态为“A”型或“A”型+少量“D”型（如图2）；基体为细小针状马氏体以及少量的残留奥氏体，在共晶团的边界上分布有均匀弥散，呈断续、网状分布的磷共晶和硼碳化物（如图3）。所得活塞的耐磨性优良。
实施例2
本实施例的活塞材料的化学成分组成(质量分数%)如下：
C：3.2；Si：2.4；Mn：0.6；S：≤0.15；P：0.25；B：0.08；Cu:0.4；Sn：0.02；Sb：0.01；Cr：0.4，其余为Fe及不可避免的杂质。
制备方法同实施例1。所得活塞的耐磨性优良。
实施例3
本实施例的活塞材料的化学成分组成(质量分数%)如下：
C：3.2；Si：2.5；Mn：0.6；S：≤0.15；P：0.25；B：0.10；Cu:0.6；Sn：0.02；Sb：0.01；Mo：0.2，其余为Fe及不可避免的杂质。
制备方法同实施例1。所得活塞的耐磨性优良。
实施例4
本实施例的活塞材料的化学成分组成(质量分数%)如下：
C：3.2；Si：2.4；Mn：0.6；S：≤0.15；P：0.25；B：0.10；Cu:0.3；Sn：0.02；Sb：0.01；Ni：0.4，其余为Fe及不可避免的杂质。
制备方法同实施例1。所得活塞的耐磨性优良。
实施例5
本实施例的活塞材料的化学成分组成(质量分数%)如下：
C：3.2；Si：2.5；Mn：0.8；S：≤0.15；P：0.25；B：0.08；Cu:0.3；Cr：0.6，Mo：0.2，其余为Fe及不可避免的杂质。
制备方法同实施例1。所得活塞的耐磨性优良。
实施例6
本实施例的活塞材料的化学成分组成(质量分数%)如下：
C：3.2；Si：2.5；Mn：0.8；S：≤0.15；P：0.25；B：0.10；Cu:0.3；Cr：0.5，Mo：0.2，Ni：0.3，其余为Fe及不可避免的杂质。
制备方法同实施例1。所得活塞的耐磨性优良。
实施例7（不进行深冷处理）
本实施例的活塞材料的化学成分组成(质量分数%)如下：
C：3.25；Si：2.4；Mn：0.75；S：≤0.15；P：0.25；B：0.08；Cu:0.2；Cr：0.5，Mo：0.25，Ni：0.25
（1）按以上化学成分配比的材料，使用中频电炉熔化成铁水，熔化温度控制在1450℃～1600℃，本实施例中为：1580℃。
（2）将铁水注入保温炉内，浇入的同时使用硅铁或者硅钡孕育剂进行随流孕育处理；
（3）将铁水由保温炉注入浇铸包，注入时进行二次孕育处理；保持铁水浇铸温度在：1300℃～1540℃，本实施例中为1470℃。
（4）将铁水由浇铸包浇入砂型模具型腔，铁水经过冷却、凝固形成活塞毛坯。
（5）对活塞毛坯进行端面、外圆面、内圆面及倒角处进行车削加工。
（6）进行淬火及回火处理，具体工艺为：
淬火温度：860±10℃，保温时间：70min，碳势：0.8%，油冷；
回火温度：260±10℃，保温时间：90min，空冷。
（7）对热处理后活塞的的端面、外圆面及内圆面进行磨削精加工，然后抛光去毛刺，即可制造得到合格的旋转式压缩机用活塞。
本实施例中，在淬火之后回火之前，根据合金元素的加入量和淬火后工件的残留奥氏体的数量，可以不进行深冷处理，本实施例活塞中残留奥氏体在压缩机运转条件下具有稳定性，保证尺寸精度不会在长期使用中发生变化，但相对实施例1硬度会有HRC1～2度的下降，而金相组织则几乎没有差异，只有在高倍率下（X2000的SEM显微镜），才能观察到实施例7组织的马氏体针叶间有白色的残留奥氏体。按实施例7制得的活塞在-60℃以下保持1小时，尺寸变化小于2μm，尺寸安定性好。其匹配的压缩机在经过1000小时寿命试验后，磨耗量约为1μm左右，耐磨性优良。
实施例8
本实施例的曲轴材料的化学成分组成(质量分数%)同实施例1，如下：
C：3.15；Si：2.3；Mn：0.8；S：≤0.15；P：0.25；B：0.08；Cu:0.4；Sn：0.02；Sb：0.01，其余为Fe及不可避免的杂质。
（1）按以上化学成分配比的材料，使用中频电炉熔化成铁水，熔化温度控制在1450℃～1600℃，本实施例中为：1580℃。
（2）将铁水注入保温炉内，浇入的同时使用硅铁或者硅钡孕育剂进行随流孕育处理；
（3）将铁水由保温炉注入浇铸包，注入时进行二次孕育处理；保持铁水浇铸温度在：1300℃～1540℃，本实施例中为1470℃。
（4）将铁水由浇铸包浇入砂型模具型腔，铁水经过冷却、凝固形成曲轴毛坯。
（5）对曲轴毛坯进行外表面及倒角处进行车削加工。
（6）对曲轴的外表面进行磨削精加工，然后抛光去毛刺，即可制造得到合格的旋转式压缩机用曲轴，其耐磨性优良，符合压缩机用要求。
Claims (9)
1.一种高耐磨材料，其特征在于：按重量百分比计算，配方由以下化学成分组成：C：2.90～3.60％；Si：1.80～3.0％；Mn：0.40～1.00％；S：≤0.15％；P：0.05～0.45％；B：0.01～0.20％；Cu:≤1.0％；Sn：≤0.06％；Sb：≤0.03％；Cr、Ni、Mo中的一种或两种以上，其中：Cr：≤1.0％；Mo：≤1.0％；Ni：≤3.0％；余量为Fe及不可避免的杂质。
2.权利要求1所述高耐磨材料的制造方法，其特征在于包括以下顺序步骤：
(1)熔炼：按成分配比混合，在1450℃～1600℃温度范围进行铁水熔炼；
(2)孕育处理：将铁水注入保温炉内，注入同时使用孕育剂进行随流孕育；
(3)二次孕育处理:将铁水由保温炉注入浇铸包，注入时在浇铸包底部放入孕育剂，进行二次孕育处理，保持铁水浇铸温度在1300℃～1540℃；
(4)浇铸形成毛坯。
3.根据权利要求2所述的高耐磨材料的制造方法，其特征在于：所述步骤(4)后，还设有步骤(5)热处理：依次进行淬火及回火处理。
4.根据权利要求2所述的高耐磨材料的制造方法，其特征在于：所述步骤(2)、步骤(3)中的孕育剂为硅铁或硅钡孕育剂。
5.根据权利要求3所述的高耐磨材料的制造方法，其特征在于：所述步骤(5)中的淬火，炉温在800℃～900℃，碳势保持在0.3％～1.2％，保温时间为40min～90min。
6.根据权利要求3所述的高耐磨材料的制造方法，其特征在于：所述步骤(5)中的回火，炉温在160℃～300℃，保温60min～120min。
7.根据权利要求3所述的高耐磨材料的制造方法，其特征在于：所述步骤(5)中，在淬火之后回火之前，将淬火后的工件进行-40℃以下的深冷处理，保温时间为30min～60min。
8.由权利要求1所述高耐磨材料制得的旋转式压缩机用活塞、滑块或曲轴。
9.包含有权利要求8所述活塞、滑块或曲轴中至少一种的旋转式压缩机。
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