CN103160712A - 一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为高温自润滑材料的应用 - Google Patents

一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为高温自润滑材料的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为高温自润滑材料的应用。该金采用电解Ni、金属Al、Cr、Ta以及Ni-B作为原材料，按照NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B的配比，在真空电弧炉中熔炼并浇注。该合金作为机构滑动部件用室温至600°C自润滑材料，对磨件材料为SiC、Si3N4或Al2O3陶瓷材料，载荷为20～115N，滑动速度为0.2～0.45m/s，滑动摩擦方式为销-盘式旋转滑动或往复式滑动。在此工况下，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金具有优异的持久自润滑性能。解决了NiAl基合金常温至200℃的自润滑性能和500℃至600℃的自润滑性能的难题。

Description

一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为高温自润滑材料的应用
技术领域
本发明涉及镍铝基复合材料的高温自润滑应用技术，具体为一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为高温自润滑材料的应用。
背景技术
金属间化合物NiAl是理想的高温结构材料，具有高熔点（1640°C）、高导热率（70～80W/m·K）、低密度（5.86g/cm3）以及优异的抗氧化性能等优点。然而，NiAl由于室温拉伸塑性差、室温断裂抗力低和高温强度不足以及高温蠕变抗力低等问题一直不能广泛的投入实用化。目前NiAl除了作为Ni基和Co基高温合金的涂层材料广泛应用之外，还没有作为高温结构材料和功能材料而得到广泛应用。这是因为人们仅从制备内生和外生复合材料的角度出发，采用固溶强化、第二相强化、氧化物弥散强化(ODS)等方法，提高了NiAl合金的抗高温蠕变性能和室温断裂韧性，但是还难以满足使NiAl基合金同时达到具有足够的室温断裂韧性，可以与高温合金相比拟的蠕变强度，以及2%的室温拉伸塑性的要求。
中国科学院金属研究所与湖南科技大学考虑到摩擦磨损工况下自然的压应力状态，研究了原位内生NiAl-Al2O3-TiC复合材料、NiAl-Cr(Mo)-Ho-Hf共晶合金和NiAl-Cr(Mo)-CrxSy复合材料的摩擦磨损性能。结果发现，室温摩擦磨损工况下，合金的拉伸塑性与硬度、强度、压缩塑性和加工硬化能力相比成为次要的性能指标，其干摩擦磨损受控于塑性变形，具有较好的耐磨损性能；在大气和干摩擦的条件下，合金在700℃～900℃的高温摩擦磨损中可以产生良好的自润滑和耐磨损效果，摩擦系数和磨损率低于Ni基自润滑合金(合金含有W、Mo、Co)，自润滑特性具有持久性。另外，NiAl-Cr(Mo)-CrxSy复合材料在200℃～400℃摩擦表面形成CrxSy润滑膜，产生了自润滑特性，为研制更宽温度范围的NiAl基自润滑材料提供了研究思路。
目前关于NiAl基合金要作为自润滑材料而广泛应用，需主要解决三个问题：①常温至200℃的自润滑性能；②500℃至600℃的自润滑性能；③需解决1000℃的自润滑性能。
发明内容
为克服现有技术中存在的缺陷，一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为高温自润滑材料的应用。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为高温自润滑材料的应用，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为机构滑动部件用室温至600°C自润滑材料，对磨件材料为SiC、Si3N4或Al2O3陶瓷材料。
所述的一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为高温自润滑材料的应用，载荷为20～115N，滑动速度为0.2～0.45m/s，滑动摩擦方式为销-盘式旋转滑动或往复式滑动，应用于室温至600°C大气条件下处于摩擦磨损工况的机构滑动部件。
所述的一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为高温自润滑材料的应用NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B复合材料的摩擦系数为0.23～0.29。
所述的一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为高温自润滑材料的应用，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B复合材料的摩擦表面形成氧化物润滑膜。
所述的一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为高温自润滑材料的应用，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B复合材料的摩擦表面形成的氧化物润滑膜为B的氧化物润滑膜。
本发明的有益效果在于：①本发明NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金组织由NiAl、r、Cr2Ta、TaB和(Ta,Cr)3B2相组成。在摩擦磨损过程中，组织中的TaB和Ta,Cr)3B2相中的B元素在摩擦表面形成B的氧化物润滑膜，由于该润滑膜在擦磨损中具有自修复性能，室温至600°C具有持久自润滑性能。解决了NiAl合金常温至200℃的自润滑性能和500℃至600℃的自润滑性能的难题。②本明NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金可以分别与SiC、Si3N4和Al2O3陶瓷材料配副，用范围比较广。③本发明将NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为自润滑耐磨材料，添加了Ta和Cr作为强化元素的NiAl基合金，合金在室温至600°C的压缩强、塑性与硬度优异，在载荷为压应力的磨损工况下，室温至600°C摩擦磨损能展现出优异的自润滑性能，摩擦系数为0.23～0.29。
附图说明
图1NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金的SEM形貌。
图2NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金的X衍射图谱。
图3室温下CNiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦系数变化趋势。
图4室温下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦表面润滑膜形貌。
图5100℃下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦系数变化趋势。
图6100℃下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦表面润滑膜形貌。
图7200℃下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦系数变化趋势。
图8200℃下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦表面润滑膜形貌。
图9300℃下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦系数变化趋势。
图10300℃下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦表面润滑膜形貌。
图11400℃下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦系数变化趋势。
图12400℃下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦表面润滑膜形貌。
图13500℃下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦系数变化趋势。
图14500℃下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦表面润滑膜形貌。
图15600℃下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦系数变化趋势。
图16600℃下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦表面润滑膜形貌。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
本发明的实际应用方法按如下步骤实施：
1、将NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金块体样品固定在下试样夹具上，陶瓷球固定在上试样夹具上，置于加热电炉内升温，升温速度为20°C/分钟，温度升到设定温度后，保温2min，加载，上试样轴带动陶瓷球转动开始摩擦磨损。常温～400°C采用HSR-2M型高速往复摩擦磨损试验机测试摩擦磨损性能，500～600°C采用HT-1000型高温销-盘旋转滑动摩擦磨损试验机测试摩擦磨损性能。
2、载荷为20～115N，滑动速率为0.2～0.45m/s，摩擦磨损实验温度为室温～600°C，大气下干摩擦。
表1为在不同温度下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金的摩擦系数，为0.23～0.29。
表1不同温度下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金的摩擦系数
温度 常温 100℃ 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 600℃
NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B 0.27 0.25 0.25 0.24 0.29 0.23 0.29
NiAl-2.5Ta-7.5Cr 0.36 0.34 0.41 0.43 0.45 0.48 0.52
实施例1
本实施例磨损温度为室温，对磨件为SiC陶瓷，载荷为45N，滑动速率为0.3m/s，磨损时间为10min，滑行距离为180m。将NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金块体样品固定在下试样夹具上，SiC陶瓷材料固定在上试样夹具上，加载，上试样轴带动SiC球试样高速往复开始摩擦磨损。
如图2所示，实施例1中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦系数随磨损实验的进行，磨损5s后，摩擦系数基本达到稳定状态，测得平均摩擦系数为0.25。
如图3所示，实施例1中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦表面形貌可以看出摩擦表面形成了较平整、较光滑、完整的润滑膜，润滑膜有少量的剥落特征。
实施例2
本实施例磨损温度为100°C，对磨件为Si3N4陶瓷，载荷为80N，滑动速率为0.2m/s，磨损时间为10min，滑行距离为120m。将NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金块体样品固定在下试样夹具上，Si3N4陶瓷材料固定在上试样夹具上，置于加热电炉内，加热温度为100°C，升温速度为20°C/分钟，温度升到100°C后，保温2min，加载，上试样轴带动Si3N4球试样高速往复开始摩擦磨损，停机后在空气中冷却至室温。
如图4所示，实施例2中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦系数随磨损实验的进行，磨损5s后，摩擦系数降至0.25附近，并保持稳定，测得平均摩擦系数为0.25。
如图5所示，实施例2中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦表面形貌可以看出摩擦表面形成了平整、光滑、完整的氧化物润滑膜，润滑膜有点状和少量块状的剥落特征。
实施例3
本实施例磨损温度为200°C，对磨件为Si3N4陶瓷，载荷为115N，滑动速率为0.45m/s，磨损时间为10min，滑行距离为270m。将NiAl-2.5Ta-7.5Cr-4B合金块体样品固定在下试样夹具上，Si3N4陶瓷球固定在上试样夹具上，置于加热电炉内，加热温度为200°C，升温速度为20°C/分钟，温度升到200°C后，保温2min，加载，上试样轴带动Si3N4陶瓷球高速往复开始摩擦磨损，停机后在空气中冷却至室温。
如图6所示，实施例3中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-4B合金摩擦系数随磨损实验的进行，磨损5s后，摩擦系数降至0.24附近，并基本保持稳定，测得平均摩擦系数为0.24。
如图7所示，实施例3中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦表面形貌可以看出摩擦表面形成了平整、光滑、完整的氧化物润滑膜，润滑膜有点状的剥落特征。
实施例4
本实施例磨损温度为300°C，对磨件为Al2O3陶瓷，载荷为80N，滑动速率为0.45m/s，磨损时间为10min，滑行距离为270m。将NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金块体样品固定在下试样夹具上，Al2O3陶瓷球固定在上试样夹具上，置于加热电炉内，加热温度为300°C，升温速度为20°C/分钟，温度升到300°C后，保温2min，加载，上试样轴带动Al2O3陶瓷球高速往复开始摩擦磨损，停机后在空气中冷却至室温。
如图8所示，实施例4中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦系数随磨损实验的进行，磨损5s后，摩擦系数在0.29附近，并保持稳定，测得平均摩擦系数为0.29。
如图9所示，实施例4中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦表面形貌可以看出摩擦表面形成了平整、光滑、完整的氧化物润滑膜，润滑膜有点状和块状的剥落特征。
实施例5
本实施例磨损温度为400°C，对磨件为Si3N4陶瓷，载荷为80N，滑动速率为0.3m/s，磨损时间为10min，滑行距离为180m。将NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金块体样品固定在下试样夹具上，Si3N4陶瓷球固定在上试样夹具上，置于加热电炉内，加热温度为400°C，升温速度为20°C/分钟，温度升到400°C后，保温2min，加载，上试样轴带动Al2O3陶瓷球高速往复开始摩擦磨损，停机后在空气中冷却至室温。
如图10所示，实施例5中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦系数随磨损实验的进行，磨损5s后，摩擦系数在0.24附近并保持稳定，测得平均摩擦系数为0.24。
如图11所示，实施例5中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦表面形貌可以看出摩擦表面形成了平整、较光滑、完整的氧化物润滑膜，润滑膜有少量的剥落特征。
实施例6
本实施例磨损温度为500°C，对磨件为Si3N4陶瓷，载荷为20N，滑动速率为0.3m/s，磨损时间为15min，滑行距离为270m。将NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金块体样品固定在下试样夹具上，Si3N4陶瓷球固定在上试样夹具上，置于加热电炉内，加热温度为500°C，升温速度为20°C/分钟，温度升到500°C后，保温2min，加载，上试样轴带动Si3N4陶瓷球旋转开始摩擦磨损，停机后在空气中冷却至室温。
如图12所示，实施例6中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦系数随磨损实验的进行，最初摩擦系数大于0.3，磨损10s后，摩擦系数在0.23附近并保持稳定，测得平均摩擦系数为0.23。
如图13所示，实施例6中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦表面形貌可以看出摩擦表面形成了平整、较光滑、完整的氧化物润滑膜，润滑膜有少量的剥落特征。
实施例7
本实施例磨损温度为600°C，对磨件为Si3N4陶瓷，载荷为20N，滑动速率为0.3m/s，磨损时间为15min，滑行距离为270m。将NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金块体样品固定在下试样夹具上，Si3N4陶瓷球固定在上试样夹具上，置于加热电炉内，加热温度为600°C，升温速度为20°C/分钟，温度升到600°C后，保温2min，加载，上试样轴带动Si3N4陶瓷球旋转开始摩擦磨损，停机后在空气中冷却至室温。
如图14所示，实施例7中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦系数随磨损实验的进行，最初摩擦系数大于0.3，磨损10s后，摩擦系数降至在0.29附近并保持稳定，测得平均摩擦系数为0.29。
如图15所示，实施例7中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金摩擦表面形貌可以看出摩擦表面形成了平整、较光滑、完整的氧化物润滑膜，润滑膜有少量的剥落特征。
实施例结果表明，本发明采用NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为自润滑材料，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金可以与SiC、Si3N4或Al2O3陶瓷材料配副，载荷为20～115N，滑动速度为0.2～0.45m/s，应用于室温～600°C大气条件下处于摩擦磨损工况的机构滑动部件。在此工况下，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金具有优异的自润滑性能。

Claims (5)

1.一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为高温自润滑材料的应用，其特征在于：NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为机构滑动部件用室温至600℃自润滑材料，对磨件材料为SiC、Si3N4或Al2O3陶瓷材料。
2.如权利要求1所述的一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为高温自润滑材料的应用，其特征在于：载荷为20～115N，滑动速度为0.2～0.45m/s，滑动摩擦方式为销-盘式旋转滑动或往复式滑动，应用于室温至600°C大气条件下处于摩擦磨损工况的机构滑动部件。
3.如权利要求1所述的一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为高温自润滑材料的应用，其特征在于：NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B复合材料的摩擦系数为0.23～0.29。
4.如权利要求1所述的一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为高温自润滑材料的应用，其特征在于：NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B复合材料的摩擦表面形成氧化物润滑膜。
5.如权利要求4所述的一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作为高温自润滑材料的应用，其特征在于：NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B复合材料的摩擦表面形成的氧化物润滑膜为B的氧化物润滑膜。
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