CN102888535A

CN102888535A - 一种耐磨镍钛基合金及其制备方法

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Publication number: CN102888535A
Application number: CN2011102059400A
Authority: CN
Inventors: 林海峰; 曹继敏; 杨华斌; 毛江虹; 罗斌莉; 杨宏进; 薛飒; 牛中杰
Original assignee: XI'AN SAITE METAL MATERIAL DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: XI'AN SAITE METAL MATERIAL DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2013-01-23

Abstract

本发明为一种耐磨镍钛基合金及其制备方法。本发明涉及一种具有高硬度、低密度、无磁性、优良耐磨性和耐蚀性的镍钛基合金的组分构成及其制备方法。该镍钛基合金的特征在于该合金主要由Ni、Ti、Al、V、Ce五种元素组成，按重量百分比为：Ni：57％-63％、V：2％-4％、Al：0.5％-2.5％、Ce：0.5％-1.5％、Ti：余量。该合金制备方法的特征是采用海绵钛、电解镍、99.9％的Ce粉为原料，经感应熔炼炉熔炼成铸锭。经锻造、轧制、热处理等加工工序制造出本发明的合金。固溶时效态该合金硬度Hv＝580～620。

Description

一种耐磨镍钛基合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有高硬度、优良耐磨性和耐蚀性的镍钛基合金及其制备方法。具体地说，是一种Ni-Ti-Al-V-Ce合金及其制备方法。

背景技术

高速轴承材料是高铁、高客、风电工程、航空、航天等重大技术装备的关键材料及零部件，轴承材料应具有高抗塑变能力，高硬度，耐磨性，轴承制品要有很好的旋转精度、尺寸精度和稳定性，以及长的接触疲劳寿命和良好的机械加工性能。传统的轴承材料，如M50、E52100、不锈钢440C等，由于具有高的硬度、易于制造和良好的摩擦学性能而广泛使用，但由于这些材料及其合金存在一些缺点：

1、轴承钢多为过共析钢，有相当数量的碳化物，这些碳化物颗粒大小及分布状态，对轴承的耐磨性及疲劳寿命都有很重要的影响。在应用上表现为轴承的稳定性较差。

2、铁基合金的耐腐蚀性差，不利于在复杂环境中长时间服役，提高了设备部件更换、维修费用。

3、高速运行下，因材料的磁性导致大的偏向力。

由于钛具有低密度、高强度、耐腐蚀、无磁性、工作区宽、加工成形性好等诸多特点，成为无可替代的新型结构材料和重要的工程机械材料。广泛应用于新能源、航空航天及军工等领域。作为铁路机车及轨道交通用高速轴承材料，高硬度抗磨损钛合金成为一个研发热点，其中，美国Glenn Research Center，Cleveland，Ohio报道的NiTi60合金因具有很高的硬度和优良耐磨性，而备受关注。

发明内容

本发明是在NiTi60合金的基础上，适当降低重金属Ni合金元素的含量，加入一定的Al、V合金元素和微量稀土Ce，在保持NiTi60合金各项性能的同时还具有高硬度、抗磨损等特性。该镍钛基合金的特征在于该合金主要由Ni、Ti、Al、V、Ce五种元素组成，按重量百分比为：Ni：57％-63％、V：2％-4％、Al：0.5％-2.5％、Ce：0.5％-1.5％、Ti余量(包括不可避免的杂质)。

本发明合金成分设计的主要原则为：

1、金属间化合物60NiTi，含有60％的镍和40％的钛，具有(B2)CsCl晶体结构，同时含有离子键和原子比为3∶2的共价键，提高了材料的稳定性。相对于陶瓷TiC、TiO2，B2型NiTi具有较少的共价键，表现为良好的韧性、导电性、化学反应。但相对于金属钛合金，Ni与Ti之间的共价键具有方向性，结合力很强，表现为陶瓷一样的耐磨性。

2、稀土元素Ce的添加作用：细化晶粒，提高强度、硬度；强化粘结相Ni，提高合金的耐磨性；脱O、溶H作用，降低合金的含氢量和针孔率。

3、Al、V的添加作用：有助于形成第二相颗粒，起到颗粒强化的作用，有效提高合金的硬度。

4、本发明的目的还在于其经济性。本发明的耐磨镍钛合金，相对于NiTi60合金，一方面，用低价的Al、V代替了部分Ni元素，使合金材料的制备成本降低。

本发明涉及的合金制备方法，包括以下步骤：

1、采用真空感应熔炼方法获得成分均匀的Ni-Ti-Al-V-Ce合金。

2、熔炼获得Ni-Ti-Al-V-Ce合金铸锭，在800℃～1000℃温度范围进行热加工处理。

3、经上述处理的Ni-Ti-Al-V-Ce合金，进行固溶时效处理，获得各种规格棒材。

步骤1中，稀土元素Ce以粉末形式加入，Al、V以中间合金形式加入。

步骤1中，首先将海绵钛、电解镍、铝钒合金、Ce粉按一定比例均匀配置成合金料，合金料经压制、焊接成电极杆，再经真空感应熔炼成铸锭。

步骤2中，所述热加工处理包括锻造、轧制，其变形量为60％～90％；开坯锻造温度900℃-1000℃；轧制温度800℃-900℃。

步骤3中，所述固溶时效处理，其固溶温度800℃-900℃，保温时间0.5-1小时，采用水淬或空冷；时效处理在加热温度300℃-450℃下进行，保温时间4-12小时，空冷。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1、该发明合金经过适当加工处理后，硬度高、特有的自润滑效应，耐磨性好，使其成为独特的轴承材料。

2、该发明合金的密度为6.7g/cm³，相对传统轴承钢具有更高的比强度、比刚度。

3、该发明合金，具有优良的耐腐蚀性，适用于酸、碱等腐蚀较强的环境。

4、稀土元素的加入，使合金的组织更加均匀、细化，材料表现出良好的尺寸稳定性和结构性能。

5、该发明合金无磁性，高速运行不产生离心力。

6、该发明合金由于低价元素的加入，使合金的成本大大降低，具有很高的性价比。

具体实施方式

一种耐磨镍钛基合金及其制备方法，其特征在于该合金主要由Ti、Ni、Al、V、Ce五种元素组成，按重量百分比为：Ni：57％-63％、V：2％-4％、Al：0.5％-2.5％、Ce：0.5％-1.5％、Ti：余量(包括不可避免的杂质)。其中杂质元素总含量≤0.10％，并且碳≤0.015％，氮≤0.005％，氢≤0.001％，氧≤0.03％。采用海绵钛、电解镍、99.9％的Ce粉为原料，通过压制、焊接制备合金成分均匀分布电极杆，经感应熔炼炉熔炼成铸锭。然后经锻造、轧制、热处理等加工工序制造出本发明的合金。开坯锻造在加热温度900℃-1000℃下进行；轧制加热温度在800℃-900℃下进行。固溶温度800℃-900℃，保温时间0.5-1小时，采用水淬或空冷；时效处理在加热温度300℃-450℃下进行，保温时间4-12小时，空冷。

本发明的钛合金的应用可以是板、棒、丝、管，以及这些材料的机加制品。

实施例1：

采用1级海绵钛、电解镍、AlV合金颗粒和Ce粉为原料，按表1名义成分配制三种成分的合金料。

表1合金的成分配比

序号	名义成分(重量百分比wt％)
		1	Ti-57Ni-4V-2.5Al-1Ce
2	Ti-59Ni-4V-2.5Al-1Ce
		3	Ti-63Ni-4V-2.5Al-1Ce

合金料经混料后压制成电极块，用氩弧焊接方法将电极块焊接成熔炼用电极。在感应熔炼炉中熔炼成Φ90的钛合金铸锭。熔炼真空度为2×10^-2Pa，熔炼电压为250-260伏，熔炼电流为90-100安培。铸锭在800℃入炉，加热到900℃保温1h后，直接拔长锻造。一火次锻成45×45的方棒。热轧在250横列式轧机上进行，热轧工艺为800℃保温40min后，由45×45的方棒直接轧制出Φ8.0的线材。

该线材经800℃/30min/WC固溶处理后三种成分材料的性能见表2：

表2合金固溶处理后的力学性能

序号	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	延伸率/％	断面收缩率/％
					1	682	450	11	62
2	690	455	10	60
					3	700	460	9	58

从表2可以看出三种合金材料都具有良好的加工性能。

实施例2：

合金线材的制备方法同上，合金线材经800℃/30min/WC+350℃/240min/AC固溶时效处理后，三种合金的Hv硬度分别达到586、600、608。磨损试验在MM-200摩擦磨损试验机上进行。润滑条件为干摩擦，试验过程中条形试件静止不动，被测试材料为Ti-55Ni-2V-1Al-0.5Ce合金和NiTi60合金，滚轮试件为Cr4Mo4V。转速为200/min，负荷250N，每个试样所加载荷及试验结果如表1所示，磨损时间为8h。用感量为0.1mg的分析天平称量试件磨损前后的质量，两者的差即为磨损量。

表1Ti-55Ni-2V-1Al-0.5Ce合金和NiTi60合金材料的磨损试验结果

摩擦试验表明，三种成分合金都具有非常好的抗磨损能力，可应用于制备耐磨轴承制品。

实施例3：

采用纯金属元素为原料，按名义成分Ti-57Ni-4V-2.5Al-1Ce、Ti-59Ni-4V-2.5Al-1Ce、Ti-63Ni-4V-2.5Al-1Ce(Wt％)配制合金料。经真空感应炉熔炼，得到均匀的合金锭。经均匀化处理后该合金锭锻造成棒坯，再轧制成棒材。该棒材经900℃/30min/WC处理后，合金硬度Hv分别为350、360和362，该合金经400℃/240min/AC处理后，三种成分合金的HV硬度分别达到535、550和580。

Claims

1.一种耐磨镍钛基合金及其制备方法，其特征在于该合金主要由Ni、Ti、Al、V、Ce五种元素组成，按重量百分比为：Ni：57％-63％、V：2％-4％、Al：0.5％-2.5％。Ce：0.5％-1.5％，Ti：余量(包括不可避免的杂质)。其中杂质元素总含量≤0.10％，并且碳≤0.015％，氮≤0.005％，氢≤0.001％，氧≤0.03％。

2.根据权利要求1所述的一种耐磨镍钛基合金及其制备方法，其特征在于：该合金的硬度(586≤Hv≤608)，并且耐磨、无磁、耐蚀、比强度高。

3.根据权利要求1所述的一种耐磨镍钛基合金及其制备方法，其特征在于：其合金元素中，铝元素、钒元素以铝钒合金形式加入。

4.根据权利要求1所述的一种耐磨镍钛基合金及其制备方法，开坯锻造温度900℃-1000℃；轧制温度800℃-900℃，固溶处理温度800℃-900℃，保温时间0.5-1小时，水淬；时效处理在加热温度300℃-450℃下进行，保温时间4-12小时，空冷。