润滑耐磨梯度材料LGM及其制造技术

啊豪 · 发表于 2011-7-13 23:58:25

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什么是润滑耐磨梯度材料 LGM（Lubrication Gradient Material）——
经过等离子体辉光放电制造技术将硫化物（MS）和氧化物（MO）渗入金属零件，MS与MO在金属中的浓度从表面到内部逐步降低，如同下楼梯由上至下逐步降低，故称梯度材料LGM。LGM在表面具有优良润滑和耐磨性能，而心部又保持了金属材料固有的强韧性；LGM克服了均质材料、复合材料和渗层材料的缺陷，此种梯度分布极大的提高了零件综合机械性能。
LGM及其制造技术—原始创新(详见《机械工程材料》杂志2001年第10期P33-35)
LGM是“具有良好润滑耐磨的金属基复合梯度材料，其制备方法和用途”国际发明专利的简称。国际专利申请已经公布，国际公布号：WO99/24632。专利申请人：张昕辉、张弋飞；世界知识产权组织国际局PCT检索报告表明：这是一种全新的材料和全新的制造方法。已经取得美国专利权US6,468,679，并进入中国、，欧洲，日本等国家实质审查阶段。这项专利的申请人张弋飞高工同时也是低温离子渗硫专利发明人，离子渗硫专利获得中国、欧洲、日本等七国专利权（表1）。《润滑耐磨梯度材料LGM与低温离子渗硫技术》2000年通过了国家机械工业局的鉴定，中国科学院院士、中国工程院院士为首的鉴定委员会认定：成果达到国际先进水平！
表1  LGM专利与低温离子渗硫专利介绍
授权或申请国家
授权或申请号
具有良好润滑耐磨的金属基复合梯度材料，其制备方法和用途
润滑耐磨梯度材料LGM
中国、美国，欧洲（英国、德国、法国、瑞典、意大利），日本
取得美国专利权;其它国家进入实审阶段
金属零件表面形成硫化物的方法及设备
低温离子渗硫
真空等离子渗硫
中国,日本,欧洲（英国,法国,意大利,德国瑞典）
JP1508879
EP0218916
CN85106828.6
LGM应用领域
润滑耐磨梯度材料LGM专利可以应用到钢、铁，铜、钛、镍、钴、钼及其合金、硬质合金等金属及各种形状、各种用途的零件上，涵盖了机械、冶金、纺织、汽车等多个领域，见表2
表2 LGM应用范围
汽车、摩托车、农用车；起重、挖掘、运输等工程机械；热轧机、冷轧机、高速线材轧机、连铸机等冶金机械；减速机、柱塞泵、油泵、叶片泵、滑片泵等液压机械传动等关键零件
缸套、活塞环、凸轮轴、齿轮、蜗轮、蜗杆、传动链、定子、转子、叶片、纺纱机用钢领、罗拉、工具、模具、油泵油嘴、配流盘；生产线用各种测量头、芯轴等
创新的高附加值LGM工业产品
LGM滑动轴承：较铜合金、巴氏合金，耐磨性提高3~6倍；
45钢LGM轴承：达到GCr15轴承标准；价格低
LGM汽车轮毂轴承：已通过桑塔纳汽车制造厂1000小时寿命实验。
LGM轧辊轴承：使用寿命提高一倍以上。
LGM干摩擦轴承：超过世界先进水平、国外轴承公司没有的产品，我们能批量供应。
LGM工模具：刀具（高速钢、硬质合金）、多种模具、辊环、轧辊寿命长1~10倍。
LGM精密齿轮、曲轴、液压件、气动件、缸套、活塞环：
LGM汽车减震器：
LGM制造技术
针对分属于不同行业、不同使用条件各类零件，根据企业生产的定型产品，从该产品材料、冷热加工工艺、产品尺寸及精度、用途、实际工作状况等五个方面进行综合分析评测后，制订出该产品LGM工艺的最佳参数值、特定工艺装备（或产品专用设备）及生产流程；
图1 LGM零件生产工艺流程
第二道清洗
液清洗
离子轰击清洗
工件放入真空室
零件 LGM
合成
LGM零件生产工艺流程：已经清洗过的零件按照工艺码放在真空室阴极板中；用真空泵抽到工作真空度时，在零件上加高电压产生辉光放电，零件被高能量密度等离子体覆盖，表面再次被离子轰击清洗；按工艺参数通入LGM专用硫和氧气氛产生物理化学反应，零件达工艺温度后保温一段时间从真空炉取出，经过检验、涂覆及再检测的工序，制造出LGM产品。
LGM特点与性能
对于钢、铁、铜、钛、镍、钴、钼等及合金,钢铁的渗碳、渗氮、碳氮共渗等材料制造的零件都可得到润滑耐磨梯度材料LGM。LGM制造技术用于机械零件后：
A）保证零件尺寸精度 B）提高表面光洁度
LGM材料的硫化物及氧化物呈梯度分布，梯度层最高达200微米（0.2毫米）。
常温、油脂润滑状态下摩擦系数降低1/3~2/3
常温、油脂润滑状态下LGM零件耐磨性能高2~9倍；通过LGM滚动轴承四球试验的对比数据表明，LGM钢球磨损面积减少55.7%；在高负荷下磨损面积减少83%。无法用油脂润滑而干摩擦运行的机械零件（如轴承）采用LGM后，干摩擦耐磨性能达到200倍以上。
硫化物和氧化物均能耐1200℃高温：在高温下耐磨性与润滑性能更好，而二硫化钼只能用到400℃（MoS2在300℃甚至更低的温度即开始分解氧化）
LGM零件具有高的疲劳性能：如接触疲劳、弯曲疲劳等
LGM材料具有一定防蚀能力，尤其是钢铁材料。
LGM是绿色环保技术。
LGM解决真空设备工业化生产的难题
在工业化生产过程中，零件加热是通过辐射、气体流动、炉内导体导热等三种方式使温度均匀的；而在真空中，气体稀薄（气体含量仅有大气环境的万分之一），几乎不存在气体流动传热；又由于零件温度低（在200℃左右），辐射很少，且不存在导体传热的环境，所以在低温、真空的工业设备中零件均温是个难题。以真空回火炉为例：炉内工作区的最高温度是700℃，最低工作温度是350℃。工作时循环通入氮气（作用：保护气氛、气体流动），炉内分别安装加热风扇和冷却风扇，用在工件加热及冷却阶段，强制对流以保证工件的温度均匀。如果工作温度低于350℃，整个工作区的温度均匀性无法保证。对于LGM工业化生产，采用了专有生产工艺及设备，如在LGM-500型设备中一次装入1万件出油阀座进行LGM生产，工作温度只有150℃，整个工艺流程和零件检验都经过客户严格审核，最终达到了满意的结果。
LGM工业化生产应用实例
在十余年的研发过程中，LGM走过了实验室——中间试验——大规模工业化生产三个阶段，并在实践中解决了低温条件下（150℃）硫氧大原子渗入金属；真空及低温条件下数万只零件的均温；外型尺寸差异悬殊的零件混合装炉处理等困扰行业的难题，为LGM推向市场铺平了道路。
2000年5月，伟森轴承有限公司做为第一家获得LGM专利许可的企业投入生产，主要包括LGM冶金轧辊承、LGM轧机专用导位轴承等系列21种型号的产品，供应京津、河北、河南、江苏、湖北、湖南等省轧钢企业。 l  无锡威孚集团威孚吉大新材料公司经一年多的试验，用LGM45钢取代GCr15钢制造出油阀座（柴油机喷油泵零件）已经获得成功，可靠性对比试验已经通过2500小时（JB/751171.1标准）。分别将GCr15钢和LGM45钢两种材料出油阀座装在济南和南昌两地的公交车及邮政车上使用，共装车6辆，平均每月行程5000km；自2000年10月起运行，未发现出油阀偶件任何故障。而45钢价格较GCr15钢低，LGM的生产成本很低，批量生产将明显降低产品成本，具有可观的经济效益。日前，该公司获得润滑耐磨梯度材料LGM专利普通许可及成套生产技术，两台LGM-500型成套设备已经投入使用；该设备标准装炉量达到10000件，最大日处理能力为3万件。这是该技术首次应用到AW系列喷油泵零件中，增加了同类零件的技术含量与产品附加值，同时也印证了LGM更适用于精密及关键零部件。（详见第八次全国热处理大会论文集）
l  LGM硬质合金轧辊（辊环）在首钢线材厂一条生产线（共9架次）通过工业化生产试验，LGM辊环使用周期是普通硬质合金辊环的1.5倍。（详见《轧钢》杂志2001年第4期P61）
表3  开发出LGM新产品
LGM轧机轴承、导位轴承等各类轴承
寿命延长30%-100%；已经投入生产
LGM柴油机喷油泵零件（包括AW泵出油阀座、VE泵端面凸轮、PW泵拉杆、A泵及AW型柱塞偶件等产品零件和风磨套管、风磨芯轴、气动锥度量头、针阀体内腔量具等工装）
投入批量化生产
部分零件实现用LGM45钢替代轴承钢；实际应用寿命提高2-10倍；在无锡投入生产
LGM硬质合金辊环
使用周期延长1.5倍
LGM汽车减震器
寿命提高50%以上
文章关键词：润滑耐磨梯度材料 LGM

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