CN104878272A

CN104878272A - 一种镍铝/氧化铜高温自润滑复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN104878272A
Application number: CN201510156154.4A
Authority: CN
Inventors: 朱圣宇; 杨军; 刘维民; 程军; 乔竹辉; 尹兵
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2015-04-03
Filing date: 2015-04-03
Publication date: 2015-09-02

Abstract

本发明公开了一种镍铝/氧化铜高温自润滑复合材料，该材料包含质量百分数为60～90%的NiAl合金和质量百分数为10～40%的CuO。本发明还公开了该复合材料的制备方法，采用机械合金化制备粉体材料，然后用真空热压烧结技术制备块体材料。该复合材料具有良好的高温润滑抗磨性能和强度，在高温高载等苛刻环境下作为自润滑材料具有良好的应用前景。

Description

一种镍铝/氧化铜高温自润滑复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种NiAl/CuO高温自润滑复合材料及其制备方法，该材料具有良好的高温润滑抗磨性能和强度，在高温、高载、无油等苛刻环境下作为自润滑材料具有良好的应用前景。

背景技术

高温是机械运动的最苛刻环境，部件将受到氧化、腐蚀和磨损的交互作用，同时材料的力学性能也会大幅度下降，导致材料加速失效。因此，高温润滑耐磨问题通常是整个系统可靠性和寿命的关键。随着现代工业的迅猛发展，对高性能高温自润滑材料与技术具有巨大的需求。

NiAl金属间化合物具有长程有序的B2结构，兼具金属和陶瓷的优良性能，如强度高、抗氧化性好、导热率大等一系列特点，特别是其熔点高达1638℃，比一般的镍基高温合金高300-350℃，而其密度(5.86g/cm³)仅为镍基高温合金的2/3，即使合金化，其密度也在6.0g/cm³左右，从而可有效地提高比强度，成为镍基高温合金良好的替代材料。NiAl金属间化合物作为高温材料已在很多领域中得到应用，如高温模具、切割工具、抗氧化涂层、高温轴承、气体涡轮发动机中的活塞和阀门等各种部件。由于NiAl材料优异的高温性能，其非常适合作为高温自润滑材料的基体材料而推广和应用。

NiAl金属间化合物材料在无润滑的条件下摩擦系数较高，然而作为运动部件应用就必须对其进行有效的润滑设计。在高温条件下，常规的液体润滑技术很难实施，而表面固体润滑技术又存在寿命问题或者需要不断的补充，在这种极端苛刻条件下最具潜力的润滑方式是自润滑。

关于镍基高温自润滑复合材料已有专利公开报道。中国专利CN102102155A公开了一种镍铝/石墨的自润滑材料，与Al₃O₃配副时，25℃摩擦系数在0.31-0.37，600℃摩擦系数在0.42-0.48，高温时摩擦系数较高，更高温度的摩擦磨损性能并为报道。中国专利CN101463439B公开了一种镍铝金属间化合物基高温自润滑复合材料的制备方法，与Si₃N₄配副时，室温至1000℃的摩擦系数小于0.35。中国专利CN103752819A公开了一种镍铝/二硫化钨/纳米石墨烯的自润滑材料的室温摩擦学性能，而对高温摩擦学性能无报道。这三个发明专利均为镍铝材料作为结构材料，但以NiAl-Cr(Mo)合金为基体且氧化铜作为高温润滑剂还未见公开报道。

发明内容

本发明的目的在于通过加入CuO来改善NiAl材料的高温减摩抗磨性能，制备具有良好高温自润滑性能的NiAl基自润滑复合材料，该材料主要用于制作高温环境下使用的滑动部件。

一种镍铝/氧化铜高温自润滑复合材料，其特征在于该材料包含质量百分数为60～90%的NiAl合金和质量百分数为10～40%的CuO。

所述NiAl合金的组成及其质量百分含量为：Ni：40%、Al：18%、Cr：30%和Mo：12%。

一种镍铝/氧化铜高温自润滑复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：将NiAl合金粉末和CuO粉末置于球磨机中干混合得到NiAl/CuO复合粉末，将混合后的复合粉末装入石墨模具，置于真空热压烧结炉中进行热压成型烧结，烧结完成后炉冷至室温，得到块体NiAl/CuO高温自润滑复合材料。

所述NiAl合金粉末为雾化合金粉末，其粒径为40～70 μm。

所述CuO粉末的粒径为40～70 μm。

所述干混合的时间为4～8小时，球料比为8:1，磨球为WC（碳化钨硬质合金）球，转速为200～300r/min。

所述烧结的升温速率为10～20℃/min，真空度为10^-2～10^-1Pa，烧结温度为1100～1300℃，烧结压力为20～40MPa，烧结时间为10～30min。

采用显微硬度计测试材料的硬度，测定条件为，载荷300g，加载持续时间10s。采用万能材料试验机测试材料的室温压缩性能，试样尺寸为Φ3×5mm，恒位移速率为0.1mm/min。摩擦磨损试验是在HT-1000球盘接触式高温摩擦磨损试验机上进行的，盘为本发明的材料，尺寸为18.5×18.5mm³，对偶为Φ6mm的Si₃N₄球。载荷10N，滑动速率0.2m/s，旋转半径5mm，运行时间30分钟。测试温度为室温、600、800和1000℃。

本发明的特点之一是，材料高温润滑性能良好且抗磨损性能优良。

本发明的特点之二是，材料硬度和强度高，润滑剂在基体中分布均匀，组织结构均匀。

本发明的特点之三是，材料耐热性好，氧化稳定性高。

本发明的特点之四是，通过调整材料组成可以调控材料性能。

具体实施方式：

实施例1：

按照质量百分数85%NiAl合金粉末和15%CuO粉末，分别称取两种粉末材料，将其置于行星式球磨机中干混合，转速为250r/min，球料比为8:1，磨球为WC球，球磨时间为6小时，获得混合均匀的NiAl/CuO混合粉末。将该混合粉末装入涂有BN（六方氮化硼）的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，炉腔真空度为10^-2～10^-1Pa，升温速率为12℃/min，烧结温度为1100℃，烧结压力为35MPa，烧结时间为30min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到致密的NiAl―15%CuO高温自润滑复合材料。

经测试，材料的显微维氏硬度为4.77GPa，抗压强度1335MPa，摩擦系数和磨损率如下表所示。

实施例2：

按照质量百分数80%NiAl合金粉末和20%CuO粉末，分别称取两种粉末材料，将其置于行星式球磨机中干混合，转速为200r/min，球料比为8:1，磨球为WC球，球磨时间为8小时，获得混合均匀的NiAl/CuO混合粉末。将该混合粉末装入涂有BN的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，炉腔真空度为10^-2～10^-1Pa，升温速率为15℃/min，烧结温度为1200℃，烧结压力为30MPa，烧结时间为20min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到致密的NiAl―20%CuO高温自润滑复合材料。

经测试，材料的显微维氏硬度为5.60GPa，抗压强度1771MPa，摩擦系数和磨损率如下表所示。

实施例3：

按照质量百分数75%NiAl合金粉末和25%CuO粉末，分别称取两种粉末材料，将其置于行星式球磨机中干混合，转速为200r/min，球料比为8:1，磨球为WC球，球磨时间为8小时，获得混合均匀的NiAl/CuO混合粉末。将该混合粉末装入涂有BN的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，炉腔真空度为10^-2～10^-1Pa，升温速率为12℃/min，烧结温度为1250℃，烧结压力为35MPa，烧结时间为10min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到致密的NiAl―25%CuO高温自润滑复合材料。

经测试，材料的显微维氏硬度为6.77GPa，抗压强度2008MPa，摩擦系数和磨损率如下表所示。

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Claims

1.一种镍铝/氧化铜高温自润滑复合材料，其特征在于该材料包含质量百分数为60～90%的NiAl合金和质量百分数为10～40%的CuO。

2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述NiAl合金的组成及其质量百分含量为：Ni：40%、Al：18%、Cr：30%和Mo：12%。

3.如权利要求1或2所述复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：将NiAl合金粉末和CuO粉末置于球磨机中干混合得到NiAl/CuO复合粉末，将混合后的复合粉末装入石墨模具，置于真空热压烧结炉中进行热压成型烧结，烧结完成后炉冷至室温，得到块体NiAl/CuO高温自润滑复合材料。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述NiAl合金粉末为雾化合金粉末，其粒径为40～70 μm。

5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述CuO粉末的粒径为40～70 μm。

6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述干混合的时间为4～8小时，球料比为8:1，磨球为WC球，转速为200～300r/min。

7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述烧结的升温速率为10～20℃/min，真空度为10^-2～10^-1Pa，烧结温度为1100～1300℃，烧结压力为20～40MPa，烧结时间为10～30min。