CN104032190B - 一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金作为碱腐蚀工况下自润滑耐磨材料的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金在碱腐蚀工况下的自润滑耐磨损应用技术。在质量分数为5～10％的碱性溶液中，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金作为自润滑耐磨损材料，对磨件材料为SiC、Si3N4及Al2O3等陶瓷材料和硬质合金；载荷10～45N，滑动速度0.05～0.1m/s，应用条件室温常压。在此工况下，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金自润滑耐磨损性能优异，其摩擦系数和磨损率明显低于316L不锈钢，其自润滑性能较316L不锈钢提高了29～35％，耐磨损性能提高了17～26倍。
Description
技术领域
本发明涉及镍铝基合金在碱腐蚀工况下的自润滑耐磨损应用技术，具体为在质量百分比为5～10％的碱性溶液中，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金作为机构滑动部件用自润滑耐磨损材料的应用。
背景技术
长程有序金属间化合物NiAl是理想的高温结构材料，具有高熔点(1640℃)、高导热率(70～80W/m·K)、低密度(5.86g/cm3)以及优异的抗腐蚀性能等优点。然而，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制约着NiAl用于结构部件材料的实用化进程。多年来，人们从合金化，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。但是要使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，还难以满足要求。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。
考虑到摩擦磨损工况下自然的压应力状态，中国科学院金属研究所与湖南科技大学研究了原位内生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。
鉴于NiAl具有长程有序的晶体结构，耐腐蚀性能优异，又考虑到NiAl基合金具有良好的摩擦磨损特性。故针对NiAl基合金作为自润滑耐磨损材料而应用，必然需要探索NiAl基合金在腐蚀工况下的摩擦磨损特性。目前，还没有这方面的研究报道。
发明内容
本发明的目的在于开辟NiAl基合金实际应用的新途径，提供一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金作为碱腐蚀工况下自润滑耐磨材料的应用。
本发明实现上述目的的技术方案为：
一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金作为碱腐蚀工况下自润滑耐磨材料的应用，其特征在于：在质量百分比为5～10％的NaOH或KOH溶液中，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金作为机构滑动部件用自润滑耐磨损材料，对磨件材料为SiC、Si3N4或Al2O3等陶瓷材料或硬质合金。
上述的NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金作为碱腐蚀工况下自润滑耐磨材料的应用，在摩擦磨损过程中，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的摩擦系数为0.20～0.31，低于316L不锈钢(摩擦系数为0.28～0.48)；NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的自润滑性能较316L不锈钢提高了29～35％。
上述的NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金作为碱腐蚀工况下自润滑耐磨材料的应用，在摩擦磨损过程中，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的磨损率为2.9～7.0×10-15m3/(m·N)，低于316L不锈钢(磨损率为52.4～189×10-15m3/(m·N))，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的耐磨损性能较316L不锈钢提高了17～26倍。
上述的NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金作为碱腐蚀工况下自润滑耐磨材料的应用，载荷为10～45N，滑动速度为0.05～0.1m/s，应用条件为室温常压。
上述的NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金作为碱腐蚀工况下自润滑耐磨材料的应用，所述的NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金采用电解Ni、金属Al、Cr、Ta、Ni-B、Co、以及Re(>99.9wt.％)作为原材料，按照NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re(at.％)的配比，在真空电弧炉中熔炼并浇注成圆锭。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金，在碱性腐蚀溶液工况下的摩擦磨损过程中，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的摩擦系数和磨损率均明显低于316L不锈钢，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的自润滑性能较316L不锈钢提高了29～35％，耐磨损性能提高了17～26倍。
(2)本发明的NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金，可以分别与SiC、Si3N4和Al2O3等陶瓷材料和硬质合金配副，应用范围广。
(3)本发明NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金，可以在质量百分比为5～10％的碱性溶液(如NaOH或KOH溶液)中作为耐腐蚀磨损材料，应用范围广。
(4)本发明将NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金作为耐腐蚀自润滑耐磨材料，是添加了Ta、B、Co、Re和Cr作为强化元素的NiAl基合金，合金的压缩强度、塑性与硬度优异，在载荷为压应力的磨损工况下，在质量百分比为5～10％的碱性溶液(如NaOH或KOH溶液)中展现出优异的自润滑耐磨损性能。
附图说明
图1为实施例1中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面形貌。
图2为实施例2中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面形貌。
图3为实施例3中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面形貌。
图4为实施例4中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面形貌。
图5为实施例5中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面形貌。
图6为实施例6中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面形貌。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明并不限于此。
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10N，滑动速率为0.05m/s，磨损时间为0.5h，滑行距离为90m。将NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re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，置于质量百分比为5％的NaOH溶液中，加载，上试样轴带动SiC球试样转动开始摩擦磨损。NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的摩擦系数为0.31，磨损率为6.9×10-15m3/(m·N)。
由图1实施例1中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面形貌可以看出，摩擦表面在摩擦磨损过程中生成了物质膜，自生物质膜没有发生剥落的特征。
实施例2
本实施例磨损温度为室温，对磨件为Si3N4陶瓷，载荷为10N，滑动速率为0.075m/s，磨损时间为0.5h，滑行距离为135m。将NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re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，置于质量百分比为6％的KOH溶液中，加载，上试样轴带动Si3N4球试样转动开始摩擦磨损。NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的摩擦系数为0.22，磨损率为6.5×10-15m3/(m·N)。
由图2实施例2中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面形貌可以看出，摩擦表面在摩擦磨损过程中生成了物质膜，自生物质膜没有发生剥落的特征。
实施例3
本实施例磨损温度为室温，对磨件为Al2O3陶瓷，载荷为10N，滑动速率为0.1m/s，磨损时间为0.5h，滑行距离为180m。将NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re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，置于质量百分比为5％的NaOH溶液中，加载，上试样轴带动Al2O3陶瓷球转动开始摩擦磨损。NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的摩擦系数为0.20，磨损率为7.0×10-15m3/(m·N)。
由图3实施例3中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面形貌可以看出，摩擦表面在摩擦磨损过程中生成了物质膜，自生物质膜没有发生剥落的特征，并出现轻微的磨粒磨损特征。
实施例4
本实施例磨损温度为室温，对磨件为Al2O3陶瓷，载荷为45N，滑动速率为0.05m/s，磨损时间为0.5h，滑行距离为90m。将NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re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，置于质量百分比为10％的KOH溶液中，加载，上试样轴带动Al2O3陶瓷球转动开始摩擦磨损。NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的摩擦系数为0.29，磨损率为2.9×10-15m3/(m·N)。
由图4实施例4中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面形貌可以看出，摩擦表面在摩擦磨损过程中生成了物质膜，自生物质膜没有发生剥落的特征。
实施例5
本实施例磨损温度为室温，对磨件为YG8硬质合金，载荷为45N，滑动速率为0.075m/s，磨损时间为0.5h，滑行距离为135m。将NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金块体样品固定在下试样夹具上，硬质合金固定在上试样夹具上，置于质量百分比为8％的KOH溶液中，加载，上试样轴带动硬质合金球试样转动开始摩擦磨损。NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的摩擦系数为0.25，磨损率为5.2×10-15m3/(m·N)。
由图5实施例5中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面形貌可以看出，摩擦表面在摩擦磨损过程中生成了物质膜，自生物质膜没有发生剥落的特征，并出现轻微的磨粒磨损特征和块状磨屑特征。
实施例6
本实施例磨损温度为室温，对磨件为Si3N4陶瓷，载荷为45N，滑动速率为0.1m/s，磨损时间为0.5h，滑行距离为180m。将NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re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，置于质量百分比为5％的KOH溶液中，加载，上试样轴带动Si3N4陶瓷球转动开始摩擦磨损。NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的摩擦系数为0.22，磨损率为4.9×10-15m3/(m·N)。
由图6实施例6中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面形貌可以看出，摩擦表面在摩擦磨损过程中生成了物质膜，自生物质膜没有发生剥落的特征。
不同条件下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金及316L不锈钢的摩擦系数如表1所示，由表1可以看出，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的摩擦系数为0.20～0.31，316L不锈钢的摩擦系数为0.28～0.48。不同条件下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金及316L不锈钢的磨损率如表2所示，由表2可知，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的磨损率为2.9～7.0×10-15m3/(m·N)，316L不锈钢的磨损率为52.4～189×10-15m3/(m·N)。
表1不同条件下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金及316L不锈钢的摩擦系数
表2不同条件下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金及316L不锈钢的磨损率
Claims (6)
1.一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金作为碱腐蚀工况下的自润滑耐磨损材料的应用，其特征在于：在质量百分比为5～10％的碱性溶液中，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金作为机构滑动部件用自润滑耐磨损材料，对磨件材料为陶瓷材料或硬质合金，所述合金化学式中的各个系数表示原子百分数。
2.根据权利要求1所述的NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金作为碱腐蚀工况下的自润滑耐磨损材料的应用，其特征在于：所述的陶瓷材料为SiC、Si3N4或Al2O3。
3.根据权利要求1或2所述的NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金作为碱腐蚀工况下的自润滑耐磨损材料的应用，其特征在于：所述的碱性溶液为NaOH或KOH溶液。
4.根据权利要求1或2所述的NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金作为碱腐蚀工况下的自润滑耐磨损材料的应用，其特征在于：在摩擦磨损过程中，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的摩擦系数为0.20～0.31。
5.根据权利要求1或2所述的NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金作为碱腐蚀工况下的自润滑耐磨损材料的应用，其特征在于：在摩擦磨损过程中，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的磨损率为2.9～7.0×10-15m3/(m·N)。
6.根据权利要求1或2所述的NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金作为碱腐蚀工况下的自润滑耐磨损材料的应用，其特征在于：载荷为10～45N，滑动速度为0.05～0.1m/s，应用条件为室温常压。
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