CN105714135A - 一种Ni-Al基低摩擦抗磨损复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ni-Al基宽温域高温低摩擦抗磨损复合材料的制备方法。本发明将具有良好力学和耐高温性能的Ni-Al合金中加入钒酸银，钒酸银在复合材料制备过程中分解出低温润滑相Ag，而在高温摩擦时表面重新生成高温润滑相Ag₃VO₄，实现宽温域连续润滑功能。复合材料在室温至900℃温度范围内具有连续稳定的润滑功能，且在高温阶段（700~900℃）具有低摩擦低磨损的特性，用于解决高新技术产业中存在的宽温域、特殊介质和高速等工况下相关滑动部件之间的润滑和耐磨问题。

Description

一种Ni-Al基低摩擦抗磨损复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于高温润滑材料领域，具体涉及一种Ni-Al基宽温域高温低摩擦抗磨损复合材料的制备方法。

背景技术

现代航空、航天、核技术及电力等高新技术产业中普遍存在宽温域(尤其是高温)、特殊介质和高速等极端苛刻工况，相关滑动部件的润滑和耐磨问题已成为影响整个系统可靠性和寿命的关键技术，因此对具有宽温域连续润滑功能的新型润滑材料提出了越来越迫切的需求。镍基高温合金在650～1000℃范围内因具有较高的强度、良好的抗氧化性而广泛应用于航空、航天等领域的高温结构件。因此，以镍基合金为基体，运用固体润滑技术发展具有宽温域连续润滑功能的镍基低摩擦抗磨损复合材料，在实际工程应用中将具有广阔的应用前景。

目前，多种金属基高温自润滑耐磨材料已获得了工程应用，但大都集中在材料的高温润滑耐磨性能研究方面，在材料的宽温域自润滑功能设计和研究方面，尚未见到系统的报道。而在显示有重要工程应用价值的金属基高温自润滑耐磨材料和高温自润滑合金方面，只见到国外少量可以使用到900℃左右的专利（相关专利：US4728448），已在美国航空航天尖端技术领域获得了成功的应用，其余使用温度均在800℃以下，尚未检索到从室温到900℃能够实现连续润滑的固体润滑材料相关专利。国内近年来在相关领域已经进行了许多探索性工作，取得了700℃以下温度区域良好的润滑效果（相关专利：CN1611621A、CN1644749A、CN101463452A、CN101619406A等），但能在700℃以上温度区域具有良好润滑效果的专利还非常少。如中国专利（200810012052，公开号：CN101613817A）公开了一种采用真空热压烧结并用热等静压处理制备的高温自润滑耐磨材料。其制备的复合材料应用于700~900℃大气条件下处于摩擦磨损工况的高温机构滑动部件，摩擦磨损低于Ni基合金，可用于代替Ni基高温自润滑耐磨材料。然而，采用该专利方法制备的高温自润滑耐磨材料不仅成分配方和工艺复杂，且其在700~900℃大气条件下摩擦系数为0.22~0.29，磨损率为8.5~20（10^-14m³·N^-1·m^-1），相较于高新技术领域对高温自润滑耐磨材料越来越高的要求来说依然偏大。因此，如何降低在高温阶段复合材料的摩擦系数和磨损率，实现复合材料在高温阶段的低摩擦和抗磨损成为研制高温自润滑耐磨材料的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在室温～900℃温度范围内具有良好摩擦磨损性能和宽温域润滑性能的Ni-Al基宽温域高温低摩擦抗磨损复合材料的制备方法。

一种Ni-Al基低摩擦抗磨损复合材料的制备方法，其特征在于该方法依次包括以下步骤：

1）将镍、铝粉末按镍：58.2～61.7%、铝：26.8～28.3%的质量百分含量混合后采用湿法球磨50~70小时，转速200-400r/min，球料质量比5：1~10：1，然后将钒酸银（Ag₃VO₄）的粉末按Ag₃VO₄：10~15%的质量百分含量加入上述混合物中，采用上述的湿法球磨工艺将其球磨5~10小时，混匀即可，经烘干后，得到混合粉末；

2）称取上述混合粉末放入石墨模具中进行冷压预成型，预成型压力5～10MPa，然后在真空热压烧结炉中进行热压烧结，真空度≤1.0×10^-2Pa，烧结温度为1250~1350℃，达到温度后施加正压力20～25MPa，保温保压时间为50～60min，随炉自然冷却，制备出Ni-Al基低摩擦抗磨损复合材料。

本发明所述的镍、铝和钒酸银粉末的纯度均大于99.0%。

本发明的低摩擦抗磨损复合材料具有良好力学和耐高温性能的Ni-Al合金中加入钒酸银（Ag₃VO₄），Ag₃VO₄在复合材料制备过程中分解出低温润滑相Ag，而在高温摩擦时表面重新生成高温润滑相Ag₃VO₄，实现宽温域连续润滑功能。材料各组分的质量百分含量分别为：镍：58.2～61.7%，铝：26.8～28.3%，钒酸银：10~15%。

本发明NiAl-Ag₃VO₄宽温域高温低摩擦抗磨损复合材料在高温摩擦试验机（CSMInstrumentsLTD，Switzerland）测试摩擦磨损性能（2N，0.287m/s，1h，大气环境，Φ35mm×8mmInconel718合金对偶盘）。

本发明所述复合材料适用于在高温氧化环境中工作的自润滑轴承材料、滑板材料、高温冶金机械自润滑材料、高温化工机械自润滑材料及高温发动机材料等高温条件下服役的零部件材料，实现宽温度范围内的润滑，且在高温阶段（700~900℃）具有低摩擦、低磨损的特性。

本发明与现有材料相比具有以下优点：

1、本发明所述的复合材料成分配方简单、组织均匀，在室温至900℃温度范围内具有良好的摩擦磨损性能和宽温域润滑性能，并且随着温度的升高，摩擦系数呈现降低的趋势，在室温至900℃温度范围内摩擦系数基本在0.3以下。

2、本发明所述的复合材料相对于很多高温润滑材料，在高温自润滑区间和摩擦磨损性能方面有很大提高，尤其是700~900℃温度范围内摩擦系数在0.15以下，且在900℃时，摩擦系数降到0.057，磨损率达到1.08×10^-14m³·N^-1·m^-1。

综上所述，本发明制备的NiAl-Ag₃VO₄宽温域低摩擦抗磨损复合材料在室温至900℃温度范围内具有摩擦磨损性能和宽温域润滑性能良好的优点，用于解决高新技术产业中存在的宽温域、特殊介质和高速等工况下相关滑动部件之间的润滑和耐磨问题。

附图说明

附图1是本发明实施例1制备的NiAl-Ag₃VO₄宽温域高温低摩擦抗磨损复合材料的摩擦系数-温度曲线。

附图2是本发明实施例1制备的NiAl-Ag₃VO₄宽温域高温低摩擦抗磨损复合材料的磨损率-温度曲线。

附图3是本发明实施例2制备的NiAl-Ag₃VO₄宽温域高温低摩擦抗磨损复合材料的摩擦系数-温度曲线。

附图4是本发明实施例2制备的NiAl-Ag₃VO₄宽温域高温低摩擦抗磨损复合材料的磨损率-温度曲线。

具体实施方式

为进一步阐述本发明特提供以下实施例，但本发明的实施方式并不限于以下实施例。

实施例1

Ni-Al基宽温域高温低摩擦抗磨损复合材料各组分及其质量百分比为：Ni：58.2%，Al：26.8%，Ag₃VO₄：15%。首先将纯度大于99.0%的镍、铝粉末按Ni：58.2%，Al：26.8%质量比（此时Ni-50at.%Al）混合，将上述混合物在四罐行星式高能球磨机（FRITSCH,Germany）上采用湿法球磨工艺球磨，球磨时间为70h，转速为250r/min，球料比为10：1。然后将粉末纯度大于99.0%的钒酸银（Ag₃VO₄）粉末按Ag₃VO₄：15%的质量比加入上述混合物中，再将上述混合物采用上述的湿法球磨工艺球磨5小时，经烘干后，得到混合粉末。称取上述混合粉末放入石墨模具中进行冷压预成型，预成型压力为10MPa，然后将上述石墨模具放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，先抽真空至1.0×10^-2Pa以下，然后升温到1300℃，达到温度后施加正压力25MPa，保温保压时间为60min，随炉自然冷却，即可得到NiAl-Ag₃VO₄宽温域高温低摩擦抗磨损复合材料。本实施方式制备的Ni-Al基复合材料，材料的维氏硬度（HV）为384，密度为6.21g/cm³，摩擦系数及磨损体积见图1和图2。

实施例2

Ni-Al基宽温域高温低摩擦抗磨损复合材料各组分及其质量百分比为：Ni：61.7%，Al：28.3%，Ag₃VO₄：10%。首先将纯度大于99.0%的镍、铝粉末按Ni：61.7%，Al：28.3%质量比（此时Ni-50at.%Al）混合，将上述混合物在四罐行星式高能球磨机（FRITSCH,Germany）上采用湿法球磨工艺球磨，球磨时间为70h，转速为250r/min，球料比为10：1。然后将粉末纯度大于99.0%的钒酸银（Ag₃VO₄）粉末按Ag₃VO₄：10%的质量比加入上述混合物中，再将上述混合物采用上述的湿法球磨工艺球磨5小时，经烘干后，得到混合粉末。称取上述混合粉末放入石墨模具中进行冷压预成型，预成型压力为10MPa，然后将上述石墨模具放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，先抽真空至1.0×10^-2Pa以下，然后升温到1300℃，达到温度后施加正压力25MPa，保温保压时间为60min，随炉自然冷却，即可得到NiAl-Ag₃VO₄宽温域高温低摩擦抗磨损复合材料。本实施方式制备的Ni-Al基复合材料，材料的维氏硬度（HV）为426，密度为6.03g/cm³，摩擦系数及磨损体积见图3和图4。

Claims (2)

1.一种Ni-Al基低摩擦抗磨损复合材料的制备方法，其特征在于该方法依次包括以下步骤：

1）将镍、铝粉末按镍：58.2～61.7%、铝：26.8～28.3%的质量百分含量混合后采用湿法球磨50~70小时，转速200-400r/min，球料质量比5：1~10：1，然后将钒酸银（Ag₃VO₄）的粉末按Ag₃VO₄：10~15%的质量百分含量加入上述混合物中，采用上述的湿法球磨工艺将其球磨5~10小时，混匀即可，经烘干后，得到混合粉末；

2）称取上述混合粉末放入石墨模具中进行冷压预成型，预成型压力5～10MPa，然后在真空热压烧结炉中进行热压烧结，真空度≤1.0×10^-2Pa，烧结温度为1250~1350℃，达到温度后施加正压力20～25MPa，保温保压时间为50～60min，随炉自然冷却，制备出Ni-Al基低摩擦抗磨损复合材料。

2.如权利要求1所述复合材料的制备方法，其特征在于镍、铝和钒酸银粉末的纯度均大于99.0%。