CN100366774C - 含有精细分散的析出物的抗粘扣合金 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及含有精细分散的析出物的抗粘扣合金，特别是含有Ni、Cr、Sn、Bi、Mo、Fe、Si和Te的抗粘扣合金，其中基体具有细小的树枝状结构，并且富含Bi的析出物精细地分散在该树枝状结构之间，从而可显著提高抗粘扣性能，并且不损害物理化学性能，如耐腐蚀性和硬度。本发明的抗粘扣合金将非常有助于提高诸如转子、轴、阀和机械封口的各种潮湿机器部件的使用寿命和机械精度。

Description

含有精细分散的析出物的抗粘扣合金
技术领域
本发明涉及含有精细分散的析出物的抗粘扣合金，特别是含有Ni、Cr、Sn、Bi、Mo、Fe、Si和Te的抗粘扣合金，其中基体具有细小的树枝状结构，并且Bi析出物精细分散在该树枝状结构上，从而可显著提高抗粘扣性能和物理化学性能，如耐腐蚀性和硬度。本发明的抗粘扣合金将非常有助于提高诸如转子、轴、阀和机械封口的各种潮湿机器部件的使用寿命和机械精度。
背景技术
抗粘扣合金是指与其他金属接触时能够保持光滑表面的金属，这是因为其具有非常低的摩擦系数，并且可防止由于接触应力而产生的裂纹。所以，抗粘扣合金已广泛应用于具有需要金属-金属频繁接触的潮湿机器部件的工业机器上。
一般使用含铅合金作为抗粘扣合金。但由于铅对健康有害，所以开发并使用不含铅的合金。典型的实例是含有Bi的Ni基体和Cu基体合金[第3,145,099、4,702,887、5,242,657、6,059,901和5,846,483号美国专利]。
特别地，已知Ni-Cr-Sn-Bi基合金适合用作驱动机的转子、轴、阀和其他机械密封部件，这是因为其不含铅并且具有相对良好的抗粘扣性能。但Ni-Cr-Sn-Bi基合金的耐磨性不足。具体而言，当其与不锈钢接触时，其表面被刮伤而变得粗糙。快速磨损过程导致给定材料的使用寿命缩短并损害机械精度，因此其不适合用作各种工业机器的潮湿部件或阀。
决定抗粘扣性能的关键因素是合金组成和显微结构。通常，研究工作集中在改进合金组成上。
发明内容
本发明的发明人付出了极大的努力，通过改变基体结构以获得具有显著提高的抗粘扣性能、耐腐蚀性和硬度的合金。为获得上述的优良抗粘扣性能，基体应具有尽可能小的润滑析出物，并使它们均匀地分散在基体上。最实际的方法是改变合金组成，从而显著提高抗粘扣性能，保持相当良好的物理化学性能。
本发明涉及制造高性能抗粘扣合金的方法，该合金具有显著提高的抗粘扣性能、耐腐蚀性和硬度，该合金用于潮湿的机器部件，如各种机器的转子、轴和机械封口。
附图说明
图1所示为本发明的含Te抗粘扣合金(A)和传统抗粘扣合金(B)的光学显微照片(×50)，比较显微结构和析出物的分散。
图2所示为本发明的含Te抗粘扣合金基体的EPMA相分析结果。
图3所示为白色析出物的EPMA相分析结果。
图4所示为灰色析出物的EPMA相分析结果。
图5所示为本发明的含Te抗粘扣合金(A)和传统抗粘扣合金(B)的光学显微照片，比较与不锈钢接触并旋转给定的时间之后合金表面的状态。
具体实施方式
本发明涉及抗粘扣合金，其含有70至75重量％的Ni、8至14重量％的Cr、3至6重量％的Sn、3至7重量％的Bi、1至4重量％的Mo、少于2.0重量％的(Fe+Si)和1至3重量％的Te，该合金不经热处理即可加以使用。
下面详细阐述本发明。
本发明的抗粘扣合金的主要成分Ni和Cr影响热膨胀性和耐腐蚀性。富含Bi的化合物沉积于基体中并产生抗粘扣作用。Sn用作分散剂，帮助Bi析出物均匀分散在基体上。Mo影响抗粘扣合金的强度。并且，本发明的特征成分Te作为晶粒细化剂形成基体的细小树枝状结构，从而在树枝状结构的空隙间精细分散富含Bi的析出物，这显著提高了抗粘扣性能。
仅当合金组成满足上述条件时，抗粘扣合金才能具有本发明所述的性能。
图1所示为本发明的含Te抗粘扣合金(A)和不含Te的传统抗粘扣合金(B)的光学显微照片(×50)，比较显微结构和析出物的分散状态。本发明的合金具有细小的树枝状结构，而传统合金的基体由具有粗晶粒尺寸的等轴晶粒组成。而且，本发明合金的Bi析出物(黑点)精细且均匀地以小间隔分布，而传统合金的析出物扩散式地分布，并以六边形大粒度地生长。当析出物的含量相等时，若抗粘扣析出物精细地分布，则对于本发明而言，当与其他金属接触时，它们均匀地涂覆在合金表面上，从而提高了抗粘扣作用。所以，摩擦系数下降。而且解决了表面刮落粘扣问题，避免了抗粘扣合金与其他金属的粘连或粘附。
图2所示为本发明的含Te抗粘扣合金基体的EPMA相分析结果。图3所示为白色析出物的EPMA相分析结果。图4所示为灰色析出物的EPMA相分析结果。图2显示了合金成分Ni、Cr、Sn和Mo的各个峰。图3和图4显示了Bi和Sn的峰，这表明Bi和Sn形成了析出物，并且促进抗粘扣作用。
图5所示为本发明的含Te抗粘扣合金(A)和传统的抗粘扣合金(B)的光学显微照片，比较粘扣实验之后合金表面的状态。本发明的合金具有相对光滑的磨损表面，而传统的Bi抗粘扣合金具有相对明显的刮痕，所以表明其对粘扣压力更敏感。
本发明的抗粘扣合金具有光滑的磨损表面，这是因为在枝晶臂之间均匀分布着细小的Bi析出物，如图1所示，并在磨损过程中覆盖合金表面，从而提供抗粘扣作用。
以如下方式制备本发明的抗粘扣合金。首先熔化具有高熔点的Ni、Cr和Mo，在形成熔体之后加入易蒸发的Sn、Bi和Te，以降低蒸发损失。具体而言，建议以Sn-Bi母合金或Te-Bi母合金的形式添加Bi，这是因为直接加入Bi会产生黄色烟雾。可使用电阻炉或高频炉作为熔炼炉。考虑到合金组成的均匀性，建议使用配备有搅拌器的高频炉。而且，在空气中熔融的情况下，需使用脱氧剂和脱气剂。本发明的合金无需额外的热处理即可加以使用。
下面通过实施例更详细地阐明本发明。但以下实施例仅用于理解本发明，并不限制本发明的保护范围。
实施例
于Ar气氛中，在1550℃的高频感应熔炼炉中熔融具有如表1所示组成的100千克金属，并铸造成合金样品。
表1
  抗粘扣合金样品的组成(重量％)
  金属元素   Ni   Cr   Sn   Mo   Bi   Te   Fe   Si
  本发明的合金   72.4   12.5   4.5   3.0   5.0   1.2   1.2   0.2
  对照组的合金   73.6   12.5   4.5   3.0   5.0   0   1.2   0.2
图1所示为本发明合金和传统抗粘扣合金的光学显微照片，比较显微结构和析出物的分散状态，而图2至4所示为EPMA相分析结果。
测试实施例
以如下方式测定本发明合金和对照组合金的物理化学性能，包括磨损率、耐腐蚀性和硬度。
1、粘扣测试之后的表面状态
依据ASTM G-99实施磨损测试，以观察接触和移动样品的表面磨损状态。将由直径为2mm的针处理过的合金样品与以100rpm的转速旋转的圆盘(不锈钢316)以20千克的负载摩擦60分钟。然后观察样品的磨损表面。
如图5所示，对照组合金的表面上存在磨损。而本发明的合金具有非常光滑的表面，这证明其具有优良的抗粘扣性能。
2、磨损率的评价
在磨损测试之后，以各种合金的重量损失为基准测定其磨损率。结果如以下的表2所示。本发明合金的磨损率低于对照组合金。
表2
  磨损率的评价
  分类   本发明合金   对照组合金
  实验前   91.33克   91.50克
  实验后   91.27克   91.25克
  磨损率   0.06克/小时   0.25克/小时
3、腐蚀测试
将本发明的合金用于化学机器和食品加工机器以及工业机器中，其应具有耐酸性。为测试耐酸性，将各种合金样品浸渍在强硫酸、强盐酸和强硝酸溶液中，在50℃下保持360小时，测定其腐蚀率。结果如以下的表3所示。在硫酸溶液中，本发明合金和对照组合金具有可比较的腐蚀率。但在盐酸和硝酸溶液中，本发明合金的腐蚀率明显低于对照组合金，所以其具有优良的耐酸性。
表3
  磨损率的评价
  分类   本发明合金   对照组合金
  98％H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>   1.6790克/年   1.5038克/年
  36％HCl   7.1053克/年   13.4076克/年
  60％HNO<sub>3</sub>   4.5844克/年   6.5408克/年
4、硬度测试
因为本发明合金需要用于潮湿的结构机器部件上，如转子和轴，所以合金应具有一定的硬度。依据标准方法测定Vickers硬度。如以下的表4所示，本发明合金与对照组合金相比，具有可比较的或更优的硬度。看上去这是由于细小结构以及细小析出物的均匀分布而产生的钉扎效应。
表4
 硬度测量
 分类   本发明合金   对照组合金
 Vickers硬度   149   138
如上所述，本发明涉及具有新组成的抗粘扣合金，其中将Te添加到传统的Ni-Cr基合金中。添加Te使其具有细小的树枝状结构，而非传统合金的粒状结构。而且，抗粘扣性的Bi析出物均匀地分布在传统合金的晶界上，而含有Te且富含Bi的细小析出物均匀地分布在本发明的树枝状结构之间。因为在磨损过程中析出物均匀地覆盖合金表面，从而使合金避免了粘扣现象或表面划痕。而且，由于降低了其摩擦系数，而使磨损率降低并使材料的使用寿命延长。此外，本发明合金具有令人满意的物理化学性能，如耐腐蚀性和硬度，如测试实施例所示。
因此，本发明的抗粘扣合金可用于潮湿的机器部件中，如转子、轴和阀，以取代传统合金，并且显著地延长了使用寿命，并提高了机械精度。
使用优选的具体实施方案对本发明进行了描述，但本领域技术人员应当可以理解其各种变化和替换可由此实现，而不背离如所附权利要求书阐明的本发明的精神和范围。

Claims (3)

1.抗粘扣合金，其包含70至75重量％的Ni、8至14重量％的Cr、3至7重量％的Bi、3至6重量％的Sn、1至4重量％的Mo、少于2重量％的(Fe+Si)和1至3重量％的Te，该合金不经热处理即可加以使用，其中所述抗粘扣合金的基体具有细小的树枝状结构，从而使富含Bi的细小析出物均匀地分散在所述树枝状结构的空隙中。
2.根据权利要求3所述的抗粘扣合金，其中当所述合金与其他金属接触时，所述富含Bi的析出物覆盖合金表面。
3.根据权利要求1所述的抗粘扣合金，其中所述抗粘扣合金用作潮湿机器的部件。
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