CN100445404C - 宽温带自润滑镍铬合金基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽温带自润滑镍铬合金基复合材料及其制备方法。其各组分及其质量百分含量分别为Ni：36.8～57.6%，Cr：9.2～14.4%，Mo：9.0～15.0%，Al：2.0～6.0%，Ti：3.0～8.0%，B：0.08%，MoS₂：6.0～15.0%，稀土化合物：2.0～8.0%。其制备方法，包括以下步骤：将上述各组分及其质量百分含量的粉末在球磨机或研钵中混合均匀；将混合均匀的粉末冷压成型后放入石墨模具中，在真空热压机上热压成型，即先抽真空至2×10^-5～8×10^-5Pa，充氮气保护，然后升温到1200～1280℃，达到温度后施加正压力12～16MPa，保温保压20～30min。本发明在室温～700℃内具有机械强度高，抗氧化性好等优点，摩擦学性能优良，用于解决各类热引擎和其它高温机构转动和密封部件宽温度范围的润滑问题。

Description

宽温带自润滑镍铬合金基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于自润滑复合材料技术，特别是一种宽温带自润滑镍铬合金基复合材料及其制备方法，解决普通油脂无法实现宽温度范围润滑的问题。

背景技术

轻型高效热引擎和先进推动***的速度和功率输出较以前有大幅度提高，其中的摩擦部件必须在更高的温度下工作。高温氧化、高的摩擦和剧烈的磨损会导致摩擦学部件很快失效，针对上述问题，国内外学者对此进行了大量的研究，取得了许多研究成果。

例如：1989年公开的发明专利CN1034584A选用镍铌合金作基体，加入适量的钼、铁、活性元素硫及稀土化合物，各组分的质量百分比范围为：Nb：5～30％，Fe：2～30％，Si：～8％，稀土化合物：0.1～1％，其中S以FeS的形式加入，采用中频高温冶炼，铸造成型工艺制备。该合金存在较低温度下摩擦系数较高和较高温度时耐磨性及耐热性差等不足。

1993年公布的发明专利CN1073727A在镍基合金中添加石墨与银作润滑相，各组分的质量百分含量为：Ni：47.1％～65.2％，Cr：6.5％～9.0％，W：3.6％～4.0％，Mo：3.6％～4.0％，Al：2.7％～3.7％，Ti：1.5％～2.1％，B：0.007％～0.01％，Ag：5.0％～18.0％，C：5.0％～17％.采用中频励磁感应加热快速热压法制备了自润滑材料，温度升至1050℃～1300℃，热压压力为7.5～28.0MPa，保温保压时间5～20min，该合金在900～1000℃高温条件下具有良好自润滑性能，但室温条件下摩擦系数较高(0.28～0.30)。

1995年公布的发明专利CN1101681A含硫高温自润滑镍基合金，其成分为C：0-1.2％，Cr：0-20％，Mo：8-25％，Co：3-15％，Fe：5-20％，S：2-8％(wt.)，余量为Ni，采用中频感应熔炼，熔模铸造成型的工艺方法制备，其中S以FeS的形式加入，熔炼温度较高，工艺复杂，成本较高。

1999年公布的发明专利CN1220320A含硫铁基高温自润滑合金，化学成分为(质量分数)：Cr：8.0-24.0％，Mo：6.0-18.0％，Ni：2.0-6.0％，Cu：0-2.0％，S：1.5-5.5％，余量为Fe，采用中频感应熔炼、熔模铸造成型工艺制备，与镍基自润滑合金相比，铁基自润滑合金成本较低，但其室温摩擦系数较高(0.30-0.52)。

2005年公布的发明专利CN03147353.9一种含稀土氟化物自润滑镍基合金，选用镍-铬为基体，钼、钨为固溶强化相，稀土氟化物为强化助剂和润滑相，石墨为低温润滑相。各组分的质量百份含量为Cr：12～18％，Mo：12～18％，W：3～5％，Fe：3～5％，Co：1～3％，Si：0.5～1.5％，Mn：0.5～1.5％，稀土氟化物：1～10％，石墨：0～5％，Ni：余量。制备的自润滑合金具有优异的摩擦学性能，可在室温～600℃使用，但仍存在室温耐磨性差的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在室温～700℃宽温度范围内既具有良好的机械强度又具备良好自润滑性能的镍铬合金基复合材料及其制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案：一种宽温带自润滑镍铬合金基复合材料，各组分及其质量百分含量分别为Ni：36.8～57.6％，Cr：9.2～14.4％，Mo：9.0～15.0％，Al：2.0～6.0％，Ti：3.0～8.0％，B：0.08％，MoS₂：6.0～15.0％，稀土化合物：2.0～8.0％。

本发明宽温带自润滑镍铬合金基复合材料的稀土化合物为LaF₃、CeO₂或La₂O₃。

一种宽温带自润滑镍铬合金基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将各组分及其质量百分含量分别为Ni：36.8～57.6％，Cr：9.2～14.4％，Mo：9.0～15.0％，Al：2.0～6.0％，Ti：3.0～8.0％，B：0.08％，MoS₂：6.0～15.0％，稀土化合物：2.0～8.0％的粉末在球磨机或研钵中混合均匀；

(2)将步骤(1)的混合粉末冷压成型后放入石墨模具中，在真空热压机上热压成型，即先抽真空至2×10^-5～8×10^-5Pa，充氮气保护，然后升温到1200～1280℃，达到温度后施加正压力12～16MPa，保温保压20～30min。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)添加MoS₂和稀土化合物的镍铬基自润滑复合材料，具有优良的力学性能(硬度＞HRC40，抗弯强度＞450MPa)，硬度接近同类镍基合金的2倍。同时添加MoS₂和稀土化合物有效的降低了镍铬合金的摩擦系数和磨损率。(2)仅添加固体润滑剂MoS₂的镍基复合材料室温～700℃的摩擦系数为0.28～0.36，磨损率为5.0～16.0×10^-14m³·N^-1·m^-1，而同时添加了MoS₂和LaF₃的镍铬基复合材料室温下的摩擦系数由未添加LaF₃时的0.36降为0.21，降低了40％；高温摩擦系数由未添加LaF₃时的0.28降低为0.11，降低了60％。添加LaF₃后镍铬基合金耐磨性得到大幅度提高，室温磨损率仅为未添加的50％，高温磨损率低于未添加LaF₃合金的一半。添加MoS₂和LaF₃的镍铬合金基复合材料在室温到700℃温度范围内获得接近油脂润滑的效果，在宽温度范围内可部分取代油脂润滑。(3)添加MoS₂和CeO₂的镍铬基自润滑复合材料比发明专利CN03147353.9中报道的含稀土氟化物的镍基合金室温～700℃的摩擦系数低40％，室温磨损率仅为报道的镍基合金的1/4。(4)添加MoS₂和La₂O₃的镍铬合金基自润滑复合材料，在室温～700℃的摩擦系数比未添加La₂O₃的降低了50％，其摩擦系数在0.1～0.2之间，磨损率仅为未添加La₂O₃复合材料的50％，耐磨性提高了一倍。(5)制备的镍铬基复合材料具有机械强度高，抗氧化性好等优点，摩擦学性能优良，用于解决各类热引擎和其它高温机构转动和密封部件宽温度范围的润滑问题。

具体实施方式

实施例1：本发明宽温带自润滑镍铬合金基复合材料组分及其质量百分比为：Ni：36.8％，Cr：11.12％，Mo：15％，Al：6.0％，Ti：8.0％，B：0.08％，MoS₂：15％，LaF₃：8％。其中，Mo除起到固溶强化作用外，其氧化物具有良好的高温润滑作用；Al、Ti生成中间相起弥散强化作用，提高力学性能；稀土氟化物和氧化物起高温润滑作用；加入MoS₂目的是在合金中引入硫元素，热压生成的硫化物在中低温起润滑作用。MoS₂添加量应控制在一定范围内，是因为MoS₂添加量过低，热压后生成的硫化物少，润滑效果不明显；MoS₂含量过高则造成力学性能的大幅度下降，高温磨损率升高。

将上述组分及其质量百分比的金属粉末在球磨机上混合均匀，球磨时间20min，转速200r/min。先将混合粉末在钢模中冷压成型，然后将样品装入石墨模具中，在日本产FVPHP-R-10型富士真空热压机上热压成型，先抽真空至2×10^-5Pa，充氮气保护，然后升温到1200～1240℃，达到温度后施加正压力16MPa，保温保压30min。采用阿基米德法测复合材料的密度，三点弯曲法测抗弯强度。制备的复合材料密度为7.14g·cm^-3，硬度为HRC41.6，抗弯强度450MPa。在MG2000高温摩擦磨损试验机上测试摩擦磨损性能，采用销盘式配副方式。如表1所示，与氧化铝对摩时室温到700℃温度范围内摩擦系数为0.11～0.22，磨损率在10^-14m³·N^-1·m^-1数量级。该合金机械性能优良，在宽温度范围内具有较低的摩擦系数，适合制作内燃机引擎阀座和高温机械密封环。

表1添加MoS₂和LaF₃复合材料的摩擦学性能

实施例2：本发明宽温带自润滑镍铬合金基复合材料组分及其质量百分比为：Ni：52.72％，Cr：9.2％，Mo：9％，Al：2.0％，Ti：8.0％，B：0.08％，MoS₂：15％，LaF₃：4％。将上述组分及其质量百分比的粉末在球磨机上混合均匀，球磨时间20min，转速150r/min.将粉末充分混合后先在钢模中冷压成Φ45mm×15mm的盘状，然后将盘状试样一次装入石墨模具内，每两个试样之间用石墨片隔开，用日本产FVPHP-R-10型富士真空热压机热压成型。先抽真空至2×10^-5Pa，充氮气保护，然后升温到1240～1280℃，达到温度后施加正压力12MPa，保温保压20min。采用阿基米德法测复合材料的密度，三点弯曲法测抗弯强度，采用销盘式摩擦磨损试验。该合金的密度为7.16g·cm^-3，硬度为HRC42.1，抗弯强度477MPa。如表2所示，复合材料室温～700℃时摩擦系数为0.15～0.25，磨损率为2.1～12.5×10^-14m³·N^-1·m^-1，适合应用于内燃机的转动及密封部件。

表2添加MoS₂和LaF₃复合材料的摩擦学性能

实施例3：本发明宽温带自润滑镍铬合金基复合材料组分及其质量百分比为：Ni：57.6％，Cr：14.4％，Mo：14.92％，Al：2.0％，Ti：3.0％，B：0.08％，MoS₂：6％，LaF₃：2％。将上述组分及其质量百分比的金属粉末在球磨机上混合均匀，球磨时间20min，转速150r/min.将粉末充分混合后先在钢模中冷压成Φ45mm×15mm的盘状，然后将盘状试样一次装入石墨模具内，每两个试样之间用石墨片隔开，用日本产FVPHP-R-10型富士真空热压机热压成型。先抽真空至8×10^-5Pa，充氮气保护，然后升温到1240～1280℃，达到温度后施加正压力16MPa，保温保压20min。采用阿基米德法测复合材料的密度，三点弯曲法测抗弯强度，采用销盘式摩擦磨损试验。该合金的密度为7.30g·cm^-3，硬度为HRC42.7，抗弯强度536MPa。与氧化铝对摩时，室温～700℃时摩擦系数为0.19～0.29，磨损率为2.1～12.5×10^-14m³·N^-1·m^-1，适合应用于航空发动机的转动及密封部件。

表3添加MoS₂和LaF₃复合材料的摩擦学性能

实施例4：本发明宽温带自润滑镍铬合金基复合材料组分及其质量百分比为：Ni：52.72％，Cr：9.2％，Mo：9％，Al：2.0％，Ti：8.0％，B：0.08％，MoS₂：15％，CeO₂：4％。其中Ni金属粉末粒度小于45μm，纯度大于96％，Mo粉粒度20μm，MoS₂粉末粒度30μm。将上述组分及其质量百分比的粉末在球磨机上混合，球磨时间20min，转速200r/min.将粉末充分混合后先在钢模中冷压成Φ45mm×15mm的盘状，然后将盘状试样一次装入石墨模具内，每两个试样之间用石墨片隔开，用日本产FVPHP-R-10型富士真空热压机热压成型。先抽真空至5×10^-5Pa，充氮气保护，然后升温到1240～1280℃，达到温度后施加正压力12MPa，保温保压20min。采用阿基米德法测复合材料的密度，三点弯曲法测抗弯强度，采用销盘式摩擦磨损试验。本发明复合材料的密度为7.26g·cm^-3，硬度HRC48，抗弯强度590MPa，摩擦学性能如表3所示：

表4添加MoS₂和CeO₂复合材料的摩擦学性能

实施例5：本发明宽温带自润滑镍铬合金基复合材料组分及其质量百分比为：Ni：52.72％；Cr：9.2％；Mo：9％；Al：2.0％；Ti：8.0％；B：0.08％；MoS₂：15％；La₂O₃：4％。其中Ni金属粉末粒度小于45μm，纯度大于96％，Mo粉粒度20μm，MoS₂粉末粒度30μm。将上述组分及其质量百分比的粉末在球磨机上混合，球磨时间20min，转速200r/min.将粉末充分混合后先在钢模中冷压成Φ45mm×15mm的盘状，然后将盘状试样一次装入石墨模具内，每两个试样之间用石墨片隔开，用日本产FVPHP-R-10型富士真空热压机热压成型。先抽真空至5×10^-5Pa，充氮气保护，然后升温到1240～1280℃，达到温度后施加正压力12MPa，保温保压30min。采用阿基米德法测复合材料的密度，三点弯曲法测抗弯强度，采用销盘式摩擦磨损试验机。本发明复合材料的密度为7.22g·m^-3，硬度HRC48.7，抗弯强度482MPa，室温～700℃的摩擦系数和磨损率如表5所示，在该温度段摩擦系数在0.11～0.20，实现了室温～700℃宽温带自润滑，适合应用于高温发动机的机械密封部件。

表5添加MoS₂和La₂O₃复合材料的摩擦学性能

Claims (3)

1、一种宽温带自润滑镍铬合金基复合材料，其特征在于：各组分及其质量百分含量分别为Ni：36.8～57.6％，Cr：9.2～14.4％，Mo：9.0～15.0％，Al：2.0～6.0％，Ti：3.0～8.0％，B：0.08％，MoS₂：6.0～15.0％，稀土化合物：2.0～8.0％。

2、根据权利要求1所述的宽温带自润滑镍铬合金基复合材料，其特征在于：稀土化合物为LaF₃、CeO₂或La₂O₃。

3、一种制备权利要求1或2所述的宽温带自润滑镍铬合金基复合材料的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将各组分及其质量百分含量分别为Ni：36.8～57.6％，Cr：9.2～14.4％，Mo：9.0～15.0％，Al：2.0～6.0％，Ti：3.0～8.0％，B：0.08％，MoS₂：6.0～15.0％，稀土化合物：2.0～8.0％的粉末在球磨机或研钵中混合均匀；

(2)将步骤(1)的混合粉末冷压成型后放入石墨模具中，在真空热压机上热压成型，即先抽真空至2×10^-5～8×10^-5Pa，充氮气保护，然后升温到1200～1280℃，达到温度后施加正压力12～16MPa，保温保压20～30min。