CN1029524C - 高温耐磨镍铝基合金 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高温耐磨镍铝基合金。主要适用于高温耐磨或结构材料。合金的化学成分为(原子%)：Al15～16.5%，Zr1.0～2.5%，Cr7.5～8.5%，Mn0.4～0.6%，Ti0.8～1.0%，B0.2～0.5%，C0.4～0.6%，余为Ni。本发明不仅具有良好的室温和高温塑性，而且具有较高的高温强度、硬度和高温抗氧化能力，同时，加工成形性能优良，高温下耐磨性能好，可用作炉底辊、轧辊及其它高温结构材料。

Description

本发明属于以Ni3Al为基的合金。主要适用于中高温耐磨或结构材料。
Ni3Al是一种金属间化合物，过去一直做为镍基合金的一种高温强化相得以应用。有的高温合金中Ni3Al的V/V分数已超过70%。多晶的Ni3Al的最大缺点是室温下很脆。
Ni3Al基合金是近几年发展起来的金属化合物结构材料。由于该类合金的金属原子间是以化合物方式键合的，因此，既有陶瓷材料耐蚀、耐磨等特点，又有金属材料所特有的易加工成型等性能，但室温塑性差。
在现有技术中，为了提高Ni3Al基合金的室温塑性及中、高温强度，除了加少量B外，还先后试验了加入Cr、Zr。B能显著改善Ni3A基合金的室温塑性，加入一定量的Cr不仅可改善600～800℃温度区间的动态塑性，还可提高该温度区间的抗氧化能力，Zr可提高室温塑性和高温强度。即使如此，这些合金距离工业性应用所要求的综合性能仍有一定距离。特别是作为中高温耐磨材料，其室温硬度和中高温硬度均都不足。例如，现有的Ni3Al基合金IC-218LZr、IC-50、IC-221M的室温强度仍很低，室温硬度仅为HRC28～32，加工硬化后强度小于HRC45（Material Science&Engineering A153（1992），712～721）。另外，这些合金的高温塑性，高温强度及高温加工性能都较差（US5006308、US4731221）。
本发明的目的在于提供一种既有良好的室温和高温塑性，又有较高的高温强度和高温抗氧化能力的高温耐磨Ni3Al基合金。
针对上述目的，本发明的主要技术方案是在现有的加Cr、Zr、B的Ni3Al基合金的基础上，添加Mn、Ti、C元素，以便进一步提高合金的在室温和高温下的强度及塑性，以及高温抗氧化性能和加工成型性能。
为此，本发明高温耐磨Ni3Al基合金的化学成分（原子%）为：Al15.0～16.5%，Zr1.0～2.5%，Cr7.5～8.5%，Mn0.4～0.6%，Ti0.8～1.0%，B0.2～0.5%，C0.4～0.6%，余为Ni。
在上述成分中，Cr是提高合金高温塑性和高温抗氧化能力的主要合金元素，其含量为8%左右时较为合适;B的作用仍是改善室温塑性，较佳的B含量范围为0.2～0.5%;加入1.0～2.5%的Zr能显著提高室温塑性及高温强度;B和Zr的复合作用可获得更佳的效果;Mn的主要作用是细化晶粒，提高强度等综合力学性能，其含量以0.4～0.6%为宜;加入Ti的作用，一方面是做为Al的替代元素，与Ni形成Ni3Ai强化基体，另一方面，部分Ti与加入的C形成TiC硬质点，提高高温硬度及高温耐磨性。
本发明合金可采用非真空或真空感应炉冶炼，采用精密铸造直接铸造成型，或冷轧成型。也可采用离心浇注的方法成型。
在上述的成分范围内，本发明Ni3Al基合金的室温拉伸强度可达1000MPa以上，600℃温度的抗拉强度仍在800MPa以上，室温下的延伸率δ≥25%，600℃温度下的延伸率δ仍在20%以上，600℃温度下的高温强度（经加工硬化）仍大于HV400。室温硬度（经加工硬化）在HV500以上。本发明还具有较大的加工硬化系数以及大于1100℃的再结晶温度，因而具有优异的耐磨性能。
与现有技术相比，本发明合金不仅在室温下具有良好的硬度、强度及塑性，而且在600℃-800℃高温下，仍具有较高的硬度、强度和塑性。是一种有前途的中高温耐磨材料及结构材料。
实施例
根据所述的化学成分，在真空感应炉上冶炼了5炉本发明Ni3Al基合金，其具体化学成分如表1所述。经浇铸成型后，分别取样经表面加工硬化，进行不同温度下的硬度试验。拉伸试样制成前经固溶处理。拉伸试验以及磨损试验所得结果分别列于表2和表3。
为了对比，在相同条件下还分别冶炼了一炉对比合金和一炉冷硬铸铁（对比合金2）。其化学成分及有关性能也分别于表1、表2和表3。（表1、2、3见文后）
表1    本发明合金及对比合金的化学成分（原子%）
炉号    Al    Cr    Zr    B    Mn    C    Ti    Ni
1    16.2    7.8    2.0    0.5    0.54    0.50    0.9    余
2    15.0    7.5    1.8    0.4    0.58    0.55    1.0    余
本发明    3    16.5    8.2    1.5    0.4    0.45    0.40    0.85    余
4    16.4    8.4    1.3    0.3    0.50    0.43    0.85    余
5    15.5    7.8    1.5    0.2    0.46    0.50    0.92    余
对比合金1    18.0    8.0    2.0    0.1    余
对比合金2    -    0.278    -    Si    Cu    Fe
0.858    0.438    13.65    0.15    余
表2    本发明合金及对比合金的硬度及拉伸性能
硬度（HV）    拉伸性能
炉号    试验温度℃    室温    600℃
200 400 600 700 σ、MPa σp2MPa δ% σp2MPa σ，MPa δ%
1    528    505    422    420    1050    595    30.6    940    730    25.4
2    520    516    418    423    1020    580    35.0    950    720    22.5
本发明  3  517  501    401    403    1010    585    28.2    900    760  30.2
4    1120    570    27.2    890    701    28.6
5    1100    560    26.5    870    690    22.8
对比合金1    344    308    302    288
对比合金2    611    539    346    186
注：本发明合金与对比合金1在进行硬度试验前进行了加工硬化处理，对比合金2未做表面加工硬化处理。
表3    本发明合金与冷硬铸铁的抗磨损性能
合金 600℃磨损失重（g/M2·h） 800℃磨损失重（g/M2·h）
本发明合金炉号1    74    85
对比合金2    450    220
注：磨擦副为低碳钢和试验合金。

Claims (1)

1、一种高温耐磨镍铝基合金，其特征在于合金的化学成分(原子%)为：A115.0～16.5%，Zr1.0～2.5%，Cr7.5～8.5%，Mn0.4～0.6%，Ti0.8～1.0%，B0.2～0.5%，C0.4～0.6%，余为Ni。
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