铁镍基高温自润滑热作模具材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铁镍基高温自润滑热作模具材料，包括合金基体、固体润滑剂和硬质相，其中，合金基体成分为铁镍基合金粉末，其是以GH2135成分为标准制备而成，固体润滑剂为CaF2，硬质相为Cr2O3，利用球磨机将合金基体、固体润滑剂以及硬质相三相粉末混合均匀，再通过粉末冶金的方法制备得到热作模具。本发明专利技术提出的铁镍基高温自润滑热作模具能在无油或少油条件下实现自润滑，同时其制作成本低。

【技术实现步骤摘要】
铁镍基高温自润滑热作模具材料及其制备方法
本专利技术涉及金属材料制备
，尤其涉及一种铁镍基高温自润滑热作模具材料及其制备方法。
技术介绍
模具在服役时，与成形坯料接触并产生相对运动，引起模具表面的剧烈摩擦，造成接触表面的持续磨损，从而导致模具失效。尤其在高温服役环境下，与热态金属相接触，会引起模腔表层金属受热，同时坯料在型腔内的塑性变形产生相对运动，会在型腔表面产生剧烈的摩擦，使得模具表层材料磨损严重。为了保证模具的使用寿命，润滑是解决模具磨损最有效的措施。通常在实际生产过程中，液态润滑油脂是常用的润滑剂。但是，在高温高压下，润滑油脂持续蒸发，只有残留部分起到润滑作用。并且在高负荷时，传统润滑油脂的粘性随温度的升高呈指数下降，导致其承载能力下降，润滑油膜遭到破坏，丧失润滑能力，从而导致润滑性能减弱。在此极端环境下，传统润滑油脂已不能适用于成形工艺的要求。同时，这类物质会造成极大的环境污染问题，与绿色制造和可持续发展的理念相违背。在全球环保意识不断增强与环保立法日益严格的大趋势下，发展对环境无污染、可持续发展的现代制造模式是必要的。采用固体润滑的方法，减少摩擦副的摩擦和磨损是可行的。固体润滑技术是利用固体润滑剂代替润滑油、润滑脂来隔离相互接触的摩擦面，依靠固体润滑剂材料本身或其转移膜的低剪切特性以达到减摩的目的。固体润滑剂的应用已经具有很长的历史，石墨、二硫化钼、铅盐、金属粉末和其他固体物质都较好地在工业中得到了应用。相比液体润滑油脂，固体润滑剂具有承载能力高、高温化学稳定性好等优点，具有良好的润滑性能；同时拥有不易挥发、污染小、利用率高等优点，在性能上极大的突破了传统材料的使用极限。固体自润滑材料可根据实际工况的要求设计而成，它一方面具有较高的强度，能够提高接触摩擦副的耐磨性；另一方面又具有自润滑的效果，可以实现无油或少油条件下的润滑，符合绿色制造和可持续发展的理念。目前，在市场上，热作模具大多采用的是整体模块，整体模块结构简单、使用方便、加工成本低，但是随着金属的进步和成形要求的提高，整体模块的缺点越来越多的暴露出来。比如常见的H13钢制成的整体模块，由于H13钢红硬性差、易磨损，虽然在添加合金成分后整体性能得到提升，但整体模块在发生磨损后需要全部进行更换，不仅造成能源浪费，还会增加生产成本，影响生产顺利进行。现在也有部分热作模具采用高温固体自润滑材料，主要大致可以分为金属基自润滑复合材料、非金属基自润滑复合材料、自润滑陶瓷复合材料3大类。高温自润滑材料的制备方法主要有表面技术、熔炼铸造法等。表面技术制备涂层工艺简单，但制作出的涂层与基体结合强度不够，在热作模具的服役环境下使用受到限制。熔炼铸造法对于不同材料，存在各成分润湿性差的问题，同时制造成本较高，不适合制备大型模具。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种铁镍基高温自润滑热作模具材料及其制备方法，旨在无油或少油条件下自润滑，同时降低其制作成本。为实现上述目的，本专利技术提供一种铁镍基高温自润滑热作模具材料，包括合金基体、固体润滑剂和硬质相，其中，合金基体成分为铁镍基合金粉末，其是以GH2135成分为标准制备而成，固体润滑剂为CaF2，硬质相为Cr2O3，利用球磨机将合金基体、固体润滑剂以及硬质相三相粉末混合均匀，再通过粉末冶金的方法制备得到热作模具。优选地，所述合金基体的质量分数为60%-90%，固体润滑剂的质量分数为5%-15%，硬质相的质量分数为10%-30%。优选地，GH2135是性能良好的高温合金，GH2135其成分的质量分数，C：0.08、Cr：14-16、Ni：33-36、W：1.7-2.2、Mo：1.7-2.2、Al：2.2-2.8、Ti：2.1-2.5、Fe余量。本专利技术进一步提出一种基于上述的铁镍基高温自润滑热作模具材料的制备方法，包括以下步骤：合金粉末制备：采用机械合金化的方法制备铁镍基合金粉末；混粉：将铁镍基合金粉末、硬质相和固体润滑放入球磨罐中，充入氩气保护，通过球磨机混料得到复合粉末；压制：将复合粉末放入一定形状和尺寸的模具中，在压力机上进行压制，得到一定形状和尺寸的压坯；烧结：将压坯放入真空炉中烧结得到铁镍基高温自润滑材料。优选地，采用机械合金化的方法制备铁镍基合金粉末时，将C粉、Cr粉、Ni粉、Mo粉、Ti粉和Fe粉配制成混合粉末后，将混合粉末放入不锈钢罐中并充入氩气保护，以球料比20:1，球磨转速250r/min,在球磨机球磨一段时间后，再添加2%硬脂酸锌球磨2h，得到铁镍基合金粉末。将合金粉末、硬质相和固体润滑剂置于不锈钢罐中，以6:1/7:1的球料比，以200r/min在球磨机中球磨5h~10h,得到铁镍基自润滑复合粉末。优选地，将压坯放入真空炉中烧结时，真空度为10-2pa，温度1300℃-1350℃，保温2h-3h。本专利技术的有益效果如下：1.本专利技术制备了铁镍基自润滑模具材料，无需润滑系统，便可实现抗磨减摩的效果。同时，避免了传统润滑油脂对环境的污染，实现清洁化生产，是一种高效的绿色材料；2.本专利技术采用机械合金化工艺制备铁镍基合金粉末，该工艺应用成熟，工艺条件简单，成本低、操作程序连续可调，且产品晶粒细小、可在室温下实现合金化。3.基体采用铁镍基合金粉末，该体系以高温合金GH2135为基础而设计，具有优良的高温性能。该体系避免了稀有金属Ni的使用，有效减少材料成本。同时在制备过程中添加硬质相Cr2O3，大大提高了材料的耐磨性；4.采用粉末冶金工艺制备自润滑材料，制备工艺简单，能够有效保留不同相的原始特性，改善复合材料内部润湿性不足的问题。可以生产出复杂零件，在后续精加工中，可以减少制品的切削量，节约原材料，以较低的成本生产出高性能的高温自润滑材料。附图说明图1为本专利技术铁镍基高温自润滑热作模具材料的制备方法的流程示意图；图2为制备铁镍基高温固体自润滑材料的烧结工艺图；图3为机械合金化48h后粉末的显微形貌；图4为铁镍基高温固体自润滑材料的X射线衍射结果图；图5为铁镍基高温固体自润滑材料的显微形貌；图6为铁镍基高温固体自润滑材料的摩擦系数图；图7为管状类零件热挤压模凹模结构示意图；图8为气门热锻模凹模结构示意图。本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提出一种铁镍基高温自润滑热作模具材料。本优选实施例中，铁镍基高温自润滑热作模具材料，包括合金基体、固体润滑剂和硬质相，其中，合金基体成分为铁镍基合金粉末，其是以GH2135成分为标准制备而成，固体润滑剂为CaF2，硬质相为Cr2O3，利用球磨机将合金基体、固体润滑剂以及硬质相三相粉末混合均匀，再通过粉末冶金的方法制备得到热作模具。具体地，所述合金基体的质量分数为60%-90%，固体润滑剂的质量分数为5%-15%，硬质相的质量分数为10%-30%。硬质相为主要的承载相，当加入的含量较少时，复合材料的力学性能不足；当加入的含量过多时，其必然会影响基体的烧结性能。CaF2作为润滑相，含量的增加促进润滑膜的形成，使摩擦系数降低，但过多的润滑相会降低材料的烧结性能。因此各成分的含量会影响到材料的综合性能，根据工况的需要对含量进行调整。合金基体起支本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁镍基高温自润滑热作模具材料，其特征在于，包括合金基体、固体润滑剂和硬质相，其中，合金基体成分为铁镍基合金粉末，其是以GH2135成分为标准制备而成，固体润滑剂为CaF2，硬质相为Cr2O3，利用球磨机将合金基体、固体润滑剂以及硬质相三相粉末混合均匀，再通过粉末冶金的方法制备得到热作模具。

【技术特征摘要】
1.一种铁镍基高温自润滑热作模具材料，其特征在于，包括合金基体、固体润滑剂和硬质相，其中，合金基体成分为铁镍基合金粉末，其是以GH2135成分为标准制备而成，固体润滑剂为CaF2，硬质相为Cr2O3，利用球磨机将合金基体、固体润滑剂以及硬质相三相粉末混合均匀，再通过粉末冶金的方法制备得到热作模具。2.如权利要求1所述的铁镍基高温自润滑热作模具材料，其特征在于，所述合金基体的质量分数为60%-90%，固体润滑剂的质量分数为5%-15%，硬质相的质量分数为10%-30%。3.如权利要求1所述的铁镍基高温自润滑热作模具材料，其特征在于，GH2135是性能良好的高温合金，GH2135其成分的质量分数，C：0.08、Cr：14-16、Ni：33-36、W：1.7-2.2、Mo：1.7-2.2、Al：2.2-2.8、Ti：2.1-2.5、Fe余量。4.一种基于权利要求1或2所述的铁镍基高温自润滑热作模具材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：合金粉末制备：采用机械合金化的方法制备铁镍基合金粉末；混粉：将铁镍基合金粉末、硬质相和固...

【专利技术属性】
技术研发人员：王华君，周春杨，姚振华，燕松山，李梦璐，杨浩，曾鲜，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42