CN107177757A - 一种NiAl基合金在二氧化碳环境中的自润滑耐磨损应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种NiAl基合金在二氧化碳环境中的自润滑耐磨损应用，所述NiAl基合金为NiAl‑2.5Ta‑7.5Cr‑1B‑5Co‑2.5Re合金，所述CO2环境中CO2的质量分数为85％～99.9％，所述CO2作为气体润滑剂，对磨件材料为陶瓷材料。本申请中NiAl‑2.5Ta‑7.5Cr‑1B‑5Co‑2.5Re合金在摩擦磨损过程中，其摩擦表面自形成了润滑膜，NiA+l‑2.5Ta‑7.5Cr‑1B‑5Co‑2.5Re合金生成润滑膜后摩擦系数明显下降，并具有持久自润滑特征，在CO2环境气氛下的磨损率远低于空气环境，CO2环境气氛下的耐磨损性能较空气环境中提高了1.6～6.5倍。

Description

一种NiAl基合金在二氧化碳环境中的自润滑耐磨损应用
技术领域
本发明涉及镍铝基合金自润滑耐磨损应用技术领域，尤其涉及一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金在CO2环境中的自润滑耐磨损应用。
背景技术
金属间化合物NiAl熔点高(1638℃)，密度低(5.95g/cm3)，导热性好，抗氧化性、抗腐蚀性以及力学性能优异并且具有良好的自润滑特性。室温下，NiAl的干摩擦磨损受控于压缩塑性变形，其拉伸塑性与硬度、强度、压缩塑性和加工硬化能力相比成为次要的性能指标。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NiAl基合金作为高温结构材料的实际应用主要分布于Ni基和Co基高温合金的涂层材料，其高温蠕变强度及其2％的室温拉伸塑性成为限制NiAl基合金广泛应用的主要原因。目前，国内外研究主要分析了NiAl基合金摩擦表面润滑膜与传统的Ni基自润滑合金润滑膜在微观组织结构上的区别，提出了玻璃相与纳米氧化物颗粒组成的玻璃陶瓷润滑膜比纳米氧化物颗粒润滑膜具有更好的减摩耐磨功能的理论。
鉴于实际应用生产中，材料的摩擦磨损性能不仅取决于其摩擦副材料的结构与性质，而且与速度、载荷、环境(温度、湿度，气氛)等工况有着密切的联系，目前，关于NiAl基合金在CO2环境气氛下的摩擦磨损性能还未见报道；也未见关于CO2环境气氛下具有自润滑耐磨损特性材料的研究报道。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种NiAl基合金在CO2环境中的自润滑耐磨损应用，NiAl基合金为NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金，开辟CO2作为气体润滑剂进行实际应用的新途径，提供了一种CO2作为气体润滑剂的实际应用新技术。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种NiAl基合金在CO2环境中的自润滑耐磨损应用，所述NiAl基合金为NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金，所述CO2环境中CO2的质量分数为85％～99.9％，所述CO2作为气体润滑剂，对磨件材料为陶瓷材料。
优选地，所述陶瓷材料为Si3N4或SiC。
优选地，在摩擦磨损过程中，所述对磨件的载荷为5～10N。
优选地，在摩擦磨损过程中，所述对磨件的滑动速度为0.1～0.2m/s。
优选地，所述自润滑耐磨损应用的温度为0～40℃。
优选地，所述NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金在摩擦磨损过程中形成自生润滑膜后的摩擦系数为0.15～0.22。
优选地，所述NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的磨损率为3.10～5.87×10-15m3/(m·N)。
本发明提供了一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金在CO2环境中的自润滑耐磨损应用，所述CO2环境中CO2的质量分数为85％～99.9％，所述CO2作为气体润滑剂，对磨件材料为陶瓷材料。本申请中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金在摩擦磨损过程中，其摩擦表面自形成了润滑膜，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的在初始磨合阶段具有较高的摩擦系数(0.42～0.57)，生成润滑膜后摩擦系数明显下降(0.15～0.22)，并具有持久自润滑特征，在CO2环境气氛下，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的磨损率为3.10～5.87×10-15m3/(m·N)，低于空气环境(磨损率为8.55～35.44×10-15m3/(m·N))，CO2环境气氛下的耐磨损性能较空气环境中提高了1.6～6.5倍。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例1中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金磨损后表面润滑膜截面形貌；
图2为本发明实施例1中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面形貌；
图3为本发明实施例1中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦系数变化趋势；
图4为本发明实施例2中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面形貌；
图5为本发明实施例2中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦系数变化趋势；
图6为本发明实施例3中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面形貌；
图7为本发明实施例3中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦系数变化趋势；
图8为本发明实施例4中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面形貌；
图9为本发明实施例4中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦系数变化趋势；
图10为本发明实施例5中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面形貌；
图11为本发明实施例5中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦系数变化趋势。
图12为本发明对比例中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co合金摩擦表面形貌；
图13为本发明对比例中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co合金摩擦系数变化趋势。
具体实施方式
本发明提供了一种NiAl基合金在CO2环境中的自润滑耐磨损应用，所述NiAl基合金为NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金，所述CO2环境中CO2的质量分数为85％～99.9％，所述CO2作为气体润滑剂，对磨件材料为陶瓷材料。
本发明对所述NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品或采用本领域常规技术手段制得的合金即可；在本发明实施例中，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。
在本发明中，所述CO2环境中CO2的质量分数优选为90％～95％，在本发明中，所述CO2的质量分数越高润滑效果越好。
在本发明中，所述陶瓷材料优选为Si3N4或SiC；本发明对所述陶瓷材料的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。
在本发明中，在摩擦磨损过程中，所述对磨件的载荷优选为5～10N，更优选为6～8N。
在本发明中，在摩擦磨损过程中，所述对磨件的滑动速度优选为0.1～0.2m/s。
在本发明中，在摩擦磨损过程中，所述自润滑耐磨损应用优选在0～40℃下进行，在本发明实施例中优选在在室温下进行，不需要额外的加热或降温。
在本发明中，所述CO2环境优选按照以下步骤得到：采用机械泵将密闭容器抽真空至10pa至2×104pa，再充入CO2气体至8×104pa。
在本发明中，所述NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金在摩擦磨损过程中形成自生润滑膜后的摩擦系数为0.15～0.22，更优选为0.16～0.18。
在本发明中，所述NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的磨损率优选为3.10～5.87×10-15m3/(m·N)，更优选为3.68～5.48×10-15m3/(m·N)，最优选为4.19×10-15m3/(m·N)。
鉴于NiAl、NiAl-2.5Ta-7.5Cr、NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B和NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co均没有出现持久自润滑特性。在本发明中，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金在摩擦磨损过程中其Re元素与CO2气体可能发生反应生成了Re的氧化物，可能为Re2O7相，Re的氧化物具有熔点低，剪切强度低等特点，具有良好的减摩作用，在摩擦热的作用下，形成“固-液混合的糊状物”相，与摩擦表面之间存在一层熔融状态的润滑膜，使得NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金在CO2环境气氛下具有优异的持久自润滑特性。
本发明提供了一种NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金在CO2环境中的自润滑耐磨损应用，所述CO2环境中CO2的质量分数为85％～99.9％，所述CO2作为气体润滑剂，对磨件材料为陶瓷材料。本申请中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金在摩擦磨损过程中，其摩擦表面自形成了润滑膜，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的在初始磨合阶段具有较高的摩擦系数(0.42～0.57)，生成润滑膜后摩擦系数明显下降(0.15～0.22)，并具有持久自润滑特征，在CO2环境气氛下，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的磨损率为3.10～5.87×10-15m3/(m·N)，低于空气环境(磨损率为8.55～35.44×10-15m3/(m·N))，CO2环境气氛下的耐磨损性能较空气环境中提高了1.6～6.5倍。
下面结合实施例对本发明提供的NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金在CO2环境中的自润滑耐磨损应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
本实施例磨损温度为室温，对磨件为Si3N4陶瓷材料，载荷为5N，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陶瓷材料固定在上试样夹具上，置于质量分数为85％的CO2环境气氛中，加载，上试样轴带动Si3N4陶瓷材料试样转动开始摩擦磨损。
对实施例1中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦磨损后的表面润滑膜截面形貌进行分析，结果如图1所示，其中，图1中镀Pt层是指试验检测表征时为防止表面润滑膜被破坏，在磨痕表面镀Pt进行保护作用，由图1可以看出，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金在摩擦磨损后生成润滑膜。
对实施例1中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金进行SEM表征，结果如图2所示，由图2可知，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面生成了润滑膜，磨损表面光滑平整且未出现剥落特征。
对实施例1中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的摩擦系数进行测定，结果如图3所示，由图3可以看出，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的初始摩擦系数约为0.48，在生成润滑膜后明显下降并稳定于0.15左右，其磨损率为3.68×10-15m3/(m·N)。
实施例2
本实施例磨损温度为室温，对磨件为Si3N4陶瓷材料，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陶瓷材料固定在上试样夹具上，置于质量分数为90％的CO2环境气氛中，加载，上试样轴带动Si3N4陶瓷材料样转动开始摩擦磨损。
对实施例2中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金进行SEM表征，结果如图4所示，由图4可知，实施例2中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面生成了润滑膜，磨损表面光滑平整且未出现剥落特征。
对实施例2中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的摩擦系数进行测定，结果如图5所示，由图5可以看出，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的初始摩擦系数约0.54，在生成润滑膜后明显下降并稳定于0.22，磨损率为4.19×10-15m3/(m·N)。
实施例3
本实施例磨损温度为室温，对磨件为Si3N4陶瓷材料，载荷为5N，滑动速率为0.2m/s，磨损时间为0.5h，滑行距离为360m。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95％的CO2环境气氛中，加载，上试样轴带动Si3N4陶瓷材料转动开始摩擦磨损。
对实施例3中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金进行SEM表征，结果如图6所示，由图6可知，实施例3中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面生成了润滑膜，磨损表面光滑平整且未出现剥落特征。
对实施例3中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的摩擦系数进行测定，结果如图7所示，由图7可以看出，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的初始摩擦摩擦系数约0.44，在生成润滑膜后明显下降并稳定于0.15，其磨损率为5.87×10-15m3/(m·N)。
实施例4
本实施例磨损温度为室温，对磨件为Si3N4陶瓷材料，载荷为10N，滑动速率为0.2m/s，磨损时间为2h，滑行距离为1440m。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，置于质量分数为99.9％的CO2环境气氛中，加载，上试样轴带动Si3N4陶瓷材料转动开始摩擦磨损。
对实施例4中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金进行SEM表征，结果如图8所示，由图8可知，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面生成了润滑膜，磨损表面光滑平整且未出现剥落特征。
对实施例4中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的摩擦系数进行测定，结果如图9所示，由图9可以看出，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的初始摩擦系数约0.43，在生成润滑膜后明显下降并稳定于0.16，磨损率为5.48×10-15m3/(m·N)。
实施例5
本实施例磨损温度为室温，对磨件为SiC陶瓷，载荷为5N，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，SiC陶瓷固定在上试样夹具上，置于质量分数为99.9％的CO2环境气氛中，加载，上试样轴带动SiC陶瓷试样转动开始摩擦磨损。
对实施例5中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金进行SEM表征，结果如图10所示，由图10可知，实施例5中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金摩擦表面生成了润滑膜，磨损表面光滑平整且未出现剥落特征。
对实施例5中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的摩擦系数进行测定，结果如图11所示，由图11可以看出，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的初始摩擦系数约0.57，在生成润滑膜后明显下降并稳定于0.18，磨损率为3.10×10-15m3/(m·N)。
在陶瓷材料下，不同环境气氛下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的摩擦系数如表1所示，由表1可以看出，在CO2环境气氛中，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金在生成润滑膜后的平均摩擦系数为0.15～0.23，空气环境气氛中的平均摩擦系数为0.41～0.51。不同环境气氛下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的磨损率如表2所示，由表2可知，在CO2环境气氛中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的磨损率为3.10～5.87×10- 15m3/(m·N)，大气环境气氛下的磨损率为8.55～35.44×10-15m3/(m·N)，CO2环境气氛下的耐磨损性能较空气环境中提高了1.6～6.5倍。
表1不同环境气氛下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的摩擦系数
表2不同环境气氛下NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的磨损率(10-15m3/(m·N))
对比例
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0.2m/s，磨损时间为1h，滑行距离为720m。将NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co合金块体样品固定在下试样夹具上，Si3N4陶瓷固定在上试样夹具上，置于质量分数为99.9％的CO2环境气氛中，加载，上试样轴带动Si3N4陶瓷试样转动开始摩擦磨损。
对对比例中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co合金进行SEM表征，结果如图12所示，由图12可知，对比例中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co合金摩擦表面存在磨屑，有明显的表层剥落特征，摩擦表面未生成润滑膜。
对对比例中NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co合金的摩擦系数进行测定，结果如图13所示，由图13可以看出，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co合金的摩擦系数始终保持在0.46左右，摩擦磨损过程中没有出现摩擦系数下降的现象，其磨损率为24.12×10-15m3/(m·N)，结果表明，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co合金的CO2环境气氛下摩擦磨损试验中没有产生自润滑耐磨损特性
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种NiAl基合金在二氧化碳环境中的自润滑耐磨损应用，所述NiAl基合金为NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金，其特征在于，所述CO2环境中CO2的质量分数为85％～99.9％，所述CO2作为气体润滑剂，对磨件的材质为陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述陶瓷材料为Si3N4或SiC。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，在摩擦磨损过程中，所述对磨件的载荷为5～10N。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，在摩擦磨损过程中，所述对磨件的滑动速度为0.1～0.2m/s。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述自润滑耐磨损应用的温度为0～40℃。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金在摩擦磨损过程中形成自生润滑膜后的摩擦系数为0.15～0.22。
7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B-5Co-2.5Re合金的磨损率为3.1～5.87×10-15m3/(m·N)。
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