CN109402435A - 一种镍铝基宽温域自润滑合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镍铝基宽温域自润滑合金，是以高温力学性能和抗氧化性能均优异的Ni3Al作为基体，通过添加合金元素Mo提高材料的高温强度，添加合金元素Cr提高材料的中温脆性，添加软金属Ag改善材料的室温韧性；其宽温域润滑性能来自于在中低温时软金属Ag的润滑作用，高温摩擦过程中通过摩擦化学反应生成的钼酸银和铬酸银及其低共熔物所形成的固液润滑。本发明制备的高温自润滑合金组织结构良好，具有良好的宽温域（室温到900℃）润滑抗磨性能，耐热性好，氧化稳定性高，作为轴承和密封等高温运动系统部件的加工材料具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种全金属化的高温自润滑材料，尤其涉及一种镍铝基宽温域自润滑合金，用于加工高温轴承等高温运动系统部件。
背景技术
高温润滑是热力机械传动机构的关键保障技术之一。机械系统的高温润滑性能直接关系到其可靠性、稳定性、能效性和耐久性。超出300℃，常规的润滑油、润滑脂、聚合物基自润滑复合材料已经不能满足使用要求，高温固体润滑材料具有更高的使用温度。高端装备制造和尖端技术工业对高性能高温固体润滑材料与技术具有巨大的需求。
Ni3Al金属间化合物为长程有序金属间化合物，在低温下其结构为有序排列，在一定的温度范围内，屈服强度随温度的升高而升高。Ni3Al基金属间化合物具有高熔点、低密度和良好的抗氧化性等性能，是最有希望的金属间化合物高温结构材料。目前已在高温领域获得应用，如高温模具、切割工具、抗氧化涂层、高温轴承、气体涡轮发动机中的活塞和阀门等各种部件。以Ni3Al金属间化合物作为基体材料而设计制备的高温固体润滑材料在高温润滑领域具有重要的应用前景。
关于镍铝基高温自润滑复合材料已有专利公开报道。中国专利CN102102155A公开了一种镍铝/石墨的自润滑材料，与Al3O3配副时，25℃摩擦系数在0.31~0.37，600℃摩擦系数在0.42~0.48，高温时摩擦系数较高，更高温度的摩擦磨损性能并未报道。中国专利CN101463439B公开了一种镍铝金属间化合物基高温自润滑复合材料的制备方法，与Si3N4配副时，室温至1000℃的摩擦系数小于0.35。中国专利CN103752819A公开了一种镍铝/二硫化钨/纳米石墨烯的自润滑材料的室温摩擦学性能，而对高温摩擦学性能无报道。
然而，在长期的服役中，机械部件将经受温度变化与应力交变，疲劳磨损是其主要的失效形式之一，基于全金属化设计的高温自润滑合金较复合材料更具优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镍铝基宽温域自润滑合金及其制备方法。
（一）镍铝基宽温域自润滑合金的制备
本发明的镍铝基宽温域自润滑合金的组分，包括以下质量百分含量的金属元素：Ni3Al：45~92%，Mo：1~20%，Cr：2~15%，Ag：5~20%。
镍铝基宽温域自润滑合金的制备，将Ni3Al、Mo、Cr、Ag的粉末物料在球磨机中干混合，得到Ni3Al-Mo-Cr-Ag合金化粉末；然后将Ni3Al-Mo-Cr-Ag合金化粉末装入石墨模具，置于真空热压烧结炉中进行热压成型烧结，烧结完成后炉冷至室温，得到块体Ni3Al-Mo-Cr-Ag高温自润滑合金。
球磨机中干混合工艺中，磨球为碳化钨（WC）球，球料比为2:1~8:1；转速为200~400r/min，时间为6~12小时。
真空热压烧结炉中进行热压成型烧结工艺中，升温速率为10~20℃/min，真空度为10-2~10-1Pa，烧结温度为1000~1200℃，烧结压力为20~40MPa，烧结时间为20~60min。
（二）镍铝基宽温域自润滑合金的结构
图1为王水腐蚀后的镍铝基宽温域自润滑合金的扫描电镜组织图。如图所示，γ΄相为灰色的连续相，白色的Ag相均匀分布于γ΄基体相中，被腐蚀的凹坑处为γ相。说明制备的镍铝基宽温域自润滑合金由γ΄相（Ni3Al金属间化合物相）、γ相（Ni-Cr与Ni-Mo相）以及软金属Ag相组成。
（三）镍铝基宽温域自润滑合金的性能
1、硬度测试
测试方法：采用显微硬度计测试材料的硬度，测定条件为，载荷300g，加载持续时间10s。
测试结果：自润滑合金的显微维氏硬度为2.8~3.5GPa。
2、摩擦磨损试验
测试方法：在HT-1000球盘接触式高温摩擦磨损试验机上进行的，盘为本发明的合金材料，尺寸为18.5×18.5mm3，对偶为Φ6mm的Si3N4球。载荷10N，滑动速率0.2m/s，旋转半径5mm，运行时间30分钟。测试温度为室温、400、800和1000℃。
测试结果：高温自润滑复合材料的摩擦系数和磨损率见表1：
另外，高温自润滑复合材料的各项性能可以通过调整材料组分来调控。
综上所述，本发明以高温力学性能和抗氧化性能均优异的Ni3Al作为基体，通过添加合金元素Mo提高材料的高温强度，添加合金元素Cr提高材料的中温脆性，添加软金属Ag改善材料的室温韧性；其宽温域润滑性能来自于在中低温时软金属Ag的润滑作用，高温摩擦过程中通过摩擦化学反应生成的钼酸银和铬酸银及其低共熔物所形成的固液润滑。本发明制备的高温自润滑合金组织结构良好，具有良好的宽温域（室温到900℃）润滑抗磨性能，耐热性好，氧化稳定性高，作为轴承和密封等高温运动系统部件的加工材料具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明制备的镍铝基宽温域自润滑合金的扫描电镜组织图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明镍铝基宽温域自润滑合金的制备方法和性能做进一步说明。
实施例1
按照质量百分数Ni3Al粉末75%、Mo粉末10%、Cr粉末5%、Ag粉末10%称取粉末材料；将粉末材料置于行星式球磨机中干混合，转速为250r/min，球料比为8:1，磨球为WC球，球磨时间为6小时，获得混合均匀的Ni3Al-Mo-Cr-Ag混合粉末。然后将该混合粉末装入涂有BN的石墨模具中，放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，炉腔真空度为10-2~10-1Pa，升温速率为12℃/min，烧结温度为1100℃，烧结压力为35MPa，烧结时间为60min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到致密的Ni3Al-10%Mo-Cr5%-10%Ag高温自润滑复合材料。
经测试，材料的显微维氏硬度为3.5GPa，摩擦系数和磨损率如表2所示：
实施例2
按照质量百分数70%Ni3Al粉末，8%Mo粉末，10%Cr粉末，12%Ag粉末，分别称取粉末材料；将其置于行星式球磨机中干混合，转速为200r/min，球料比为6:1，磨球为WC球，球磨时间为8小时，获得混合均匀的Ni3Al-Mo-Cr-Ag混合粉末。将该混合粉末装入涂有BN的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，炉腔真空度为10-2~10-1Pa，升温速率为15℃/min，烧结温度为1150℃，烧结压力为30MPa，烧结时间为20min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到致密的Ni3Al-8%Mo-10%Cr-12%Ag高温自润滑复合材料。
经测试，材料的显微维氏硬度为3.4GPa，摩擦系数和磨损率如表3所示：
实施例3
按照质量百分数75%Ni3Al粉末，8%Mo粉末，7%Cr粉末，20%Ag粉末，分别称取粉末材料，将其置于行星式球磨机中干混合，转速为300r/min，球料比为4:1，磨球为WC球，球磨时间为8小时，获得混合均匀的Ni3Al-Mo-Cr-Ag混合粉末。将该混合粉末装入涂有BN的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，炉腔真空度为10-2~10-1Pa，升温速率为15℃/min，烧结温度为1050℃，烧结压力为30MPa，烧结时间为30min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到致密的Ni3Al-8%Mo-7%Cr-20%Ag高温自润滑复合材料。
经测试，材料的显微维氏硬度为2.8GPa，摩擦系数和磨损率如表4所示：
Claims (4)
1.一种镍铝基宽温域自润滑合金，包括以下质量百分含量的金属元素：Ni3Al：45~92%，Mo：1~20%，Cr：2~15%，Ag：5~20%。
2.如权利要求1所述镍铝基宽温域自润滑合金的制备方法，是将Ni3Al、Mo、Cr、Ag的粉末物料在球磨机中干混合，得到Ni3Al-Mo-Cr-Ag合金化粉末；然后将Ni3Al-Mo-Cr-Ag合金化粉末装入石墨模具，置于真空热压烧结炉中进行热压成型烧结，烧结完成后炉冷至室温，得到块体Ni3Al-Mo-Cr-Ag高温自润滑合金。
3.如权利要求2所述镍铝基宽温域自润滑合金的制备方法，其特征在于：球磨机中干混合工艺中，磨球为碳化钨球，球料比为2:1~8:1；转速为200~400r/min，时间为6~12小时。
4.如权利要求2所述镍铝基宽温域自润滑合金的制备方法，其特征在于：热压成型烧结工艺中，升温速率为10~20℃/min，真空度为10-2~10-1Pa，烧结温度为1000~1200℃，烧结压力为20~40MPa，烧结时间为20~60min。
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