CN103160709A

CN103160709A - 一种刷密封用高性能合金刷丝及其制备方法

Info

Publication number: CN103160709A
Application number: CN2011104129535A
Authority: CN
Inventors: 徐景杰; 杨中元; 汪礼敏; 张景怀; 马飞; 董小江; 穆艳茹
Original assignee: GRIPM ADVANCED MATERIALS (BEIJING) CO Ltd; Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: GRIPM ADVANCED MATERIALS (BEIJING) CO Ltd; Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2013-06-19

Abstract

本发明公开了属于材料加工领域的一种发动机刷密封用高性能合金刷丝及其制备方法。合金刷丝的成分为：Cr 16～20％；Mo 2.5～3％；Co 8～10％；Fe 1～3％，Ti 0.2～1％；Al 0.4～1.5％；C 0.05～0.1％，Ni余量。该合金刷丝的制备方法为：将原料按质量百分比配料后进行真空熔炼，其中Ti、Al等低密度金属以NiTi、NiAl中间合金的形式加入，Mo以MoFe的形式加入；然后通过锻造轧制成合金棒；再进行多道次的拉拔退火制备成Φ0.08～0.4mm的合金丝。该合金刷丝具有较好的抗高温耐磨性、抗高温耐腐蚀性、抗氧化性和较高的强度。作为发动机刷密封的刷丝材料，可有效提高发动机刷密封的使用寿命和可靠性。

Description

一种刷密封用高性能合金刷丝及其制备方法

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，涉及一种发动机刷密封用高性能合金刷丝及其制备方法。

背景技术

刷密封是一种用于发动机关键部分的空气密封装置，主要由直径为0.08mm～0.3mm左右的金属丝、前板、背板焊接而成的一个环形组件，是空气系统篦齿密封最好的替代结构，其中刷丝是刷密封装置最重要的材料，要求刷丝在使用过程中具有较好的耐磨性、耐腐蚀性和较高的强度。

刷密封可以提高发动机的推力，降低燃油量，因此该项技术受到国内外广泛关注。国外对先进的刷密封用合金丝材料进行了系统的研究工作，也投入了大量的人力和物力，分别研发了用于不同温度(高温、低温)的多种基体的刷丝，如钴基、镍基、铁基等。刷丝的使用温度较高，耐磨性好，刷丝材料的强度较高，使用寿命长。由于国外的技术封锁，国内应用于发动机刷密封的刷丝完全依靠自主研发力量。也先后开发出了几种用于低温(＜400℃)的刷密封刷丝材料，在发动机上得到初步应用，用量也越来越大。但是由于合金丝材料成分的限制，导致刷丝在使用过程中容易磨损，断裂等，影响刷密封的使用寿命。

但是随着发动机刷密封技术的不断进步，对合金刷丝的使用温度和抗高温性能的要求进一步提高，采用的一般合金刷丝在使用中发现磨损率偏高，高温时强度低，影响发动机刷密封的使用寿命和可靠性。因此在现有合金刷丝的基础上进一步开发高性能丝材，提高合金刷丝的使用温度和强度，降低合金刷丝高温摩擦系数、提高耐磨性，对提高刷密封的使用寿命和可靠性具有重要意义。

发明内容

本发明的目的之一是克服现有刷密封合金刷丝磨损率偏高、使用温度较低的不足，提供一种可降低高温摩擦系数、提高使用温度的刷密封用高性能合金刷丝材料。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种刷密封用合金刷丝，该刷丝的成分及其质量百分比如下：Cr为16～20％，Mo为2.5～3％，Co为8～10％，Fe为1～3％，Ti为0.2～1％，Al为0.4～1.5％，C为0.05～0.1％，余量为Ni。

由于所述的Ti、Al等属于低密度金属，真空熔炼时容易漂浮在合金上层而导致合金出现严重的成分偏析，为防止熔炼时成分偏析，将Ti、Al分别以NiTi、NiAl中间合金的形式加入。所述的Mo的熔点偏高，以MoFe的形式加入。所述的Cr、Co、Fe在真空熔炼时以单质的形式加入，所述的C以石墨的形式加入。

本发明的另一目的是提供一种可降低高温摩擦系数、提高使用温度的刷密封用高性能合金刷丝的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种刷密封用合金刷丝的制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)将Cr、Co、C、Ni、MoFe中间合金、NiTi中间合金和NiAl中间合金按照比例配料，其中，各元素所占质量百分比分别为Cr：16～20％，Mo：2.5～3％，Co：8～10％，Fe：1～3％，Ti：0.2～1％，Al：0.4～1.5％，C：0.05～0.1％，余量为Ni；将上述原料在真空熔炼炉内熔炼，浇铸成合金钢锭；

(2)对合金钢锭进行锻造、轧制，制备成合金棒材；

(3)对合金棒材进行多道次的拉拔-退火，制备成所需尺寸的合金刷丝。

步骤(1)中所述熔炼的优选温度为1600～1800℃。

一种优选的技术方案：步骤(2)中所述锻造之前，为避免钢锭中元素偏析，需要对钢锭进行均匀化退火处理，均匀化退火温度为1100～1250℃，时间为24～48h，所述锻造的温度在930～1200℃之间，所述轧制温度在950～1200℃之间，最后轧制成Φ8～15mm的合金棒材。

一种优选的技术方案，步骤(3)中所述拉拔-退火工艺是按合金丝材尺寸要求每经过几道次的拉拔要进行退火，二者循环进行的。进行拉拔之前要进行表面除污处理，以防止掺入的杂质改变材料的性能。在进行多道次的拉拔之后，要对丝材进行真空退火处理，以消除应力，退火温度一般为750～900℃。此外，在丝材直径小于1mm时，要严格控制丝材变形量与变形速度的匹配关系，一般丝材道次变形量(指相邻两个道次丝材截面积的差与上道次丝材截面积的比值)控制在5％以下。最终制得的合金刷丝的尺寸为Φ0.08～0.4mm。

本发明的有益效果为：本发明制备的高性能合金刷丝具有较好的抗高温耐磨性、抗高温耐腐蚀性、抗氧化性和较高的强度等优点，可以有效提高发动机刷密封的使用寿命和可靠性，该丝材生产工艺可控，可以批量生产。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的合金刷丝的显微照片。

图2是本发明实施例1制备的合金刷丝的宏观断口照片。

图3是本发明实施例1制备的合金刷丝的微观断口照片。

具体实施方式

实施例1

一种刷密封用高性能合金刷丝，该刷丝的成分及其质量百分比为Cr 16％；Mo 2.5％；Co 8％；Fe 2.5％，Ti 0.5％；Al 0.5％；C 0.05％，Ni余量，尺寸为Φ0.1mm。

上述刷密封用高性能合金刷丝的制备方法，该方法步骤如下：

(1)称取Cr锭8kg、Mo50Fe50(其中，Mo的质量百分数为50％，Fe的质量百分数为50％)锭2.5kg、Co锭4kg、Ni50Ti50(其中，Ni的质量百分数为50％，Ti的质量百分数为50％)锭0.5kg、Ni80Al20(其中，Ni的质量百分数为80％，Al的质量百分数为20％)锭1.25kg、石墨0.025kg、Ni锭33.725kg，在真空熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1700℃，浇铸成合金钢锭；

(2)对合金钢锭进行锻造、轧制：

先对合金钢锭进行均匀化退火处理，均匀化退火温度为1120℃，时间为45h。然后对合金钢锭进行锻造，锻造温度为950℃。再进行轧制，轧制温度为1000℃，轧制成Φ10mm的合金棒材。

(3)对合金棒材进行拉拔-退火：

首先采用丙酮对棒材进行超声清洗，除去表面油污，然后装机进行拉拔，每经5-10道次拉拔后要进行真空退火，退火温度为800℃，总共经过40道次的拉拔得到Φ0.1mm的合金刷丝。

该合金丝室温拉伸强度为900MPa，采用碳化铬涂层与其匹配，在0～650℃范围内的磨擦系数为0.24，磨损量大大减少，较原有刷丝使用寿命提高20％以上。图1、2、3分别为本实施例制备的合金刷丝的显微照片、宏观断口照片和微观断口照片。

实施例2

一种刷密封用高性能合金刷丝，该刷丝的成分及其质量百分比为Cr 17％；Mo 2.7％；Co 9％；Fe 2.7％，Ti 0.3％；Al 0.7％；C 0.06％，Ni余量，尺寸为Φ0.2mm。

(1)称取Cr锭8.5kg、Mo50Fe50锭2.7kg、Co锭4.5kg、Ni50Ti50锭0.3kg、Ni80Al20锭1.75kg、石墨0.03kg、Ni锭32.22kg，在真空熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1680℃，浇铸成合金钢锭；

(2)对合金钢锭进行锻造、轧制：

先对合金钢锭进行均匀化退火处理，均匀化退火温度为1150℃，时间为38h。然后对合金钢锭进行锻造，锻造温度为980℃。再进行轧制，轧制温度为1050℃，轧制成Φ10mm的合金棒材。

(3)对合金棒材进行拉拔-退火：

首先采用丙酮对棒材进行超声清洗，除去表面油污，然后装机进行拉拔，每经5-10道次拉拔后要进行真空退火，退火温度为780℃，总共经过35道次的拉拔得到Φ0.2mm的合金刷丝。

该合金丝室温拉伸强度为920MPa，采用碳化铬涂层与其匹配，在0～650℃范围内的磨擦系数为0.242，磨损量大大减少，较原有刷丝使用寿命提高20％以上。

实施例3

一种刷密封用高性能合金刷丝，该刷丝的成分及其质量百分比为Cr 18.5％；Mo 2.8％；Co 8.5％；Fe 2.8％，Ti 0.8％；Al 1.0％；C 0.08％，Ni余量，尺寸为Φ0.25mm。

(1)称取Cr锭9.25kg、Mo50Fe50锭2.8kg、Co锭4.25kg、Ni50Ti50锭0.8kg、Ni80Al20锭2.5kg、石墨0.04kg、Ni锭30.36kg，在真空熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1750℃，浇铸成合金钢锭；

(2)对合金钢锭进行锻造、轧制：

先对合金钢锭进行均匀化退火处理，均匀化退火温度为1200℃，时间为30h。然后对合金钢锭进行锻造，锻造温度为1000℃。再进行轧制，轧制温度为1100℃，轧制成Φ10mm的合金棒材。

(3)对合金棒材进行拉拔-退火：

首先采用丙酮对棒材进行超声清洗，除去表面油污，然后装机进行拉拔，每经5-10道次拉拔后要进行真空退火，退火温度为850℃，总共经过30道次的拉拔得到Φ0.25mm的合金丝。

该合金丝室温拉伸强度为930MPa，采用碳化铬涂层与其匹配，在0～650℃范围内的磨擦系数为0.23，磨损量大大减少，较原有刷丝使用寿命提高25％以上。

实施例4

一种刷密封用高性能合金刷丝，该刷丝的成分及其质量百分比为Cr 20％；Mo 3％；Co 9.5％；Fe 3％，Ti 0.8％；Al 1.2％；C 0.09％，Ni余量，尺寸为Φ0.3mm。

(1)称取Cr锭10kg、Mo50Fe50锭3kg、Co锭4.75kg、Ni50Ti50锭0.8kg、Ni80Al20锭3kg、石墨0.045kg、Ni锭28.405kg，在真空熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1800℃，浇铸成合金钢锭；

(2)对合金钢锭进行锻造、轧制：

先对合金钢锭进行均匀化退火处理，均匀化退火温度为1200℃，时间为24h。然后对合金钢锭进行锻造，锻造温度为1180℃。再进行轧制，轧制温度为1150℃，轧制成Φ10mm的合金棒材。

(3)对合金棒材进行拉拔-退火：

首先采用丙酮对棒材进行超声清洗，除去表面油污，然后装机进行拉拔，每经5-10道次拉拔后要进行真空退火，退火温度为880℃，总共经过25道次的拉拔得到Φ0.3mm的合金丝。

该合金丝室温拉伸强度为950MPa，采用碳化铬涂层与其匹配，在0～650℃范围内的磨擦系数为0.225，磨损量大大减少，较原有刷丝使用寿命提高25％以上。

Claims

1.一种刷密封用合金刷丝，其特征在于：该合金刷丝的成分及其质量百分比如下：Cr为16～20％，Mo为2.5～3％，Co为8～10％，Fe为1～3％，Ti为0.2～1％，Al为0.4～1.5％，C为0.05～0.1％，余量为Ni。

2.一种刷密封用合金刷丝的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)以Cr、Co、石墨、Ni、MoFe中间合金、NiTi中间合金和NiAl中间合金为原料，其中，各元素所占质量百分比分别为Cr：16～20％，Mo：2.5～3％，Co：8～10％，Fe：1～3％，Ti：0.2～1％，Al：0.4～1.5％，C：0.05～0.1％，余量为Ni；将上述原料在真空熔炼炉内熔炼，浇铸成合金钢锭；

(2)对合金钢锭进行锻造、轧制，制备成合金棒材；

(3)对合金棒材进行多道次的拉拔-退火，制备成合金刷丝。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述熔炼的温度为1600～1800℃。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中在锻造之前，对钢锭进行均匀化退火处理，均匀化退火温度为1100～1250℃，时间为24～48h。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述锻造的温度在930～1200℃之间。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述轧制的温度在950～1200℃之间，轧制成Φ8～15mm的合金棒材。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述拉拔-退火工艺进行拉拔之前要进行表面除污处理。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述拉拔-退火工艺，进行5-10道次的拉拔之后要进行真空退火，退火温度为750～900℃。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中制得的合金刷丝的尺寸为Φ0.08～0.4mm。