CN112210693B - 一种具有高温自润滑特性的Cu-Ni-Al合金及其制备方法 - Google Patents

一种具有高温自润滑特性的Cu-Ni-Al合金及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112210693B
CN112210693B CN202011054035.5A CN202011054035A CN112210693B CN 112210693 B CN112210693 B CN 112210693B CN 202011054035 A CN202011054035 A CN 202011054035A CN 112210693 B CN112210693 B CN 112210693B
Authority
CN
China
Prior art keywords
alloy
temperature
solid solution
based solid
lubricating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011054035.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112210693A (zh
Inventor
李晓娜
利助民
董闯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian University of Technology filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN202011054035.5A priority Critical patent/CN112210693B/zh
Publication of CN112210693A publication Critical patent/CN112210693A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112210693B publication Critical patent/CN112210693B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/06—Alloys based on copper with nickel or cobalt as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/16—Remelting metals
    • C22B9/20—Arc remelting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon

Abstract

一种具有高温自润滑特性的Cu‑Ni‑Al合金及其制备方法，属于高温耐磨铜合金领域。该合金由L12型Ni3Al基固溶体和FCC结构Cu基固溶体两相组成，且两相共格。其中，前者为高温硬质相，保证其高温下耐摩擦磨损性能；后者作为润滑相，提供高温自润滑特性。通过真空电弧熔炼以及合适的热处理工艺便可一次性获得具有高温自润滑特性的Cu‑Ni‑Al合金，可操作性强，重复性高。同时，避免了合金成分不均匀及制造缺陷多的的问题。此合金有望在高温、高重载的条件下使用，如高速列车电机转子摩擦盘，高温电加工模具以及自润滑轴承等。

Description

一种具有高温自润滑特性的Cu-Ni-Al合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有高温自润滑特性的Cu-Ni-Al合金及其制备方法，属于高温耐磨铜合金技术领域。
背景技术
铜合金具有优良的综合力学性能和导电导热性能，广泛应用于电力、化工、冶金、航空航天等研究领域。随着高技术发展，Cu合金越来越多地被要求在高温，高重载等严苛的条件下使役，这对合金耐高温摩擦性能提出了更高的要求。目前为止，耐磨性能优异的铜合金主要有复杂黄铜、铝青铜及铍青铜等。这类合金室温下耐磨性能优异，工业上已经广泛使用。铝青铜发生干摩擦时的摩擦系数为0.2-0.4；在油性摩擦条件下摩擦系数更低，仅为0.05-0.2。然而这些合金都无法在400℃以上使用。主要原因有：(1) 由于高温下析出强化相本身的相变或分解，合金容易发生软化； (2) 400℃下，几乎所有的润滑油都挥发、失效，无法提供有利的摩擦环境。
目前高温耐摩擦磨损性能优异的耐磨Cu基材料有：氧化物颗粒增强Cu基复合材料如Cu-Al2O3、Cu-Y2O3等，以及通过Cu粉和高熔点元素粉混合烧结而成的伪二元合金如CuW(Mo)合金。其中，CuW伪二元合金高温耐磨性能更加优异，900℃下摩擦系数仅为0.3-0.5。但颗粒增强Cu基复合材料塑性差，且颗粒与Cu熔体的润湿性很差、比重相差较大，易产生偏聚，使得制备困难。伪二元合金同样塑性差，且由于元素熔点差异过大导致成分存在严重偏析，制造缺陷多。因此，急需找到提高铜合金耐高温摩擦磨损性能的新途径。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提出一种具有高温自润滑特性的Cu-Ni-Al合金及其制备方法。该合金由L12型Ni3Al基固溶体和FCC结构Cu基固溶体两相组成，且两相共格。通过真空电弧熔炼和合适的热处理工艺就可一次性获得L12型Ni3Al基固溶体和FCC结构Cu基固溶体双相合金。这种合金制备方法工艺简单，同时可以避免成分不均匀，制备缺陷多及塑性差等问题。
本发明采用的技术方案是：一种具有高温自润滑特性的Cu-Ni-Al合金，所述合金由L12型Ni3Al基固溶体和FCC结构Cu基固溶体两相组成，且两相共格；其中，L12型Ni3Al基固溶体为保证合金高温下耐摩擦磨损性能的高温硬质相；FCC结构Cu基固溶体作为提供高温自润滑特性的润滑相；L12型Ni3Al基固溶体体积分数为在35-90%；该合金在600℃的摩擦系数为0.4-0.7，磨损率为3×10-6-2.5×10-5mm3 / N•m；800℃的摩擦系数为0.2-0.5，磨损率为2×10-9-6×10-5mm3 / N•m。
所述的一种具有高温自润滑特性Cu-Ni-Al合金的制备方法：
(1) 采用非自耗真空电弧熔炼，通入高纯氩气保护，对配制好的纯度为4N以上的Cu、Ni及Al原料进行反复熔炼，得到成分均匀的合金锭；
(2) 利用热重分析仪获得熔炼合金的熔点；并在比熔点低100℃的温度下固溶，保温6小时后随炉冷却；随后，进行450℃低温时效4h，获得L12型Ni3Al基固溶体和FCC结构Cu基固溶体双相Cu-Ni-Al合金。
本发明的优点是：1、L12型Ni3Al基固溶体和FCC结构Cu基固溶体完全共格，前者的高温稳定性及耐磨特性，保证了合金耐高温摩擦磨损能力；FCC结构Cu基固溶体作为润滑相，保证合金高温下的自润滑特性；2、通过真空电弧熔炼以及合适的热处理工艺便可一次性获得具有高温自润滑特性的Cu-Ni-Al合金，可操作性强，重复性高。同时，避免了合金成分不均匀及制造缺陷多的的问题。
附图说明
图1是600℃及800℃下Cu50Ni37.5Al12.5(at.%)合金摩擦系数。
图2是600℃及800℃下Cu50Ni37.5Al12.5(at.%)磨痕宽、深度。
具体实施方式
下面结合技术方案详细叙述本发明的具体实施例。
该合金由L12型Ni3Al基固溶体和FCC结构Cu基固溶体两相组成，且两相共格。其中前者具有优异的高温稳定性及耐磨性能，能保证合金耐高温摩擦磨损性能；后者较软且流动性好，可提供良好的高温润滑效果，保证合金高温下的自润滑特性。不同于粉末烧结以及添加颗粒增强相的方法，本发明仅通过真空电弧熔炼和合适的热处理工艺就可一次性获得L12型Ni3Al基固溶体和FCC结构Cu基固溶体双相合金。这种合金制备方法工艺简单，同时可以避免成分不均匀，制备缺陷多及塑性差等问题。
制备方法，按照成分合金所需的Cu、Ni、Al原子比换算成重量百分比，使用高纯原料配制合金；采用非自耗真空电弧熔炼炉，通入高纯Ar气保护，对配制好的合金原料进行反复熔炼，最终得到成分均匀的合金锭；利用热重分析仪获得熔炼合金的熔点；将所得熔点后推100℃，作为合金的固溶温度。随后将熔炼好的合金置于真空管式炉中，在Ar气氛围中进行固溶时效处理；利用XRD和TEM进行合金微结构分析，保证合金显微组织由L12型Ni3Al基固溶体和FCC结构Cu基固溶体两相组成，且前者体积分数达35-90%。用高温摩擦磨损试验机进行耐磨性能测试，其测试参数如表1所示。
表1 合金高温摩擦磨损测试条件
Figure DEST_PATH_IMAGE001
实施例1：Cu50Ni37.5Al12.5(at.%)合金
步骤一：合金制备及显微组织表征
将成分为Cu50Ni37.5Al12.5 (at.%)的合金换算成重量百分比，使用纯度为4N的Cu和Ni、纯度为5N的Al原料配制合金；采用非自耗真空电弧熔炼炉，通入高纯Ar气保护，对配制好的合金原料进行反复熔炼5次，最终得到成分均匀的合金锭；利用热重分析仪测定该合金熔点为1235℃，故选择固溶温度为1135℃。将熔炼好的合金置于真空管式炉中，在Ar气氛围中进行热处理，工艺为1135℃/6h，随炉冷却+450℃/4h，随炉冷却。对热处理后样品进行X射线衍射及透射电镜分析，该合金由L12型Ni3Al基固溶体和FCC结构Cu基固溶体两相组成组成，其中前者体积分数为60%。
步骤二：高温耐磨擦磨损测试
采用UMT-3高温摩擦磨损试验机对合金耐高温摩擦磨损性能进行测试，测试条件如表1所示。结果显示(图1)，600℃，接触应力为1000MPa的条件下，合金摩擦系数基本稳定在0.61左右；继续升高测试温度至800℃，该温度下Cu50Ni37.5Al12.5合金摩擦系数降低至0.33。图2为600℃及800℃下，Cu50Ni37.5Al12.5合金磨痕宽、深度；可以看出Cu50Ni37.5Al12.5合金在两个测试温度下磨痕浅，且随着测试温度的升高，磨痕深度反而降低。600℃及800℃下，该合金的磨损率分别4.89×10-6及2.9×10-9mm3 / N•m，综上，Cu50Ni37.5Al12.5合金展现了优异耐高温摩擦磨损性能及自润滑特性。

Claims (2)

1.一种具有高温自润滑特性的Cu-Ni-Al合金，其特征在于：所述合金由L12型Ni3Al基固溶体和FCC结构Cu基固溶体两相组成，且两相共格；其中，L12型Ni3Al基固溶体为保证合金高温下耐摩擦磨损性能的高温硬质相；FCC结构Cu基固溶体作为提供高温自润滑特性的润滑相；合金成分原子比为Cu50Ni37.5Al12.5， L12型Ni3Al基固溶体体积分数为60%；该合金在600℃的摩擦系数为0.61，磨损率为4.89×10-6mm3 / N·m；800℃的摩擦系数为0.33，磨损率为2.9×10-9mm3 / N·m。
2.根据权利要求1所述的一种具有高温自润滑特性Cu-Ni-Al合金的制备方法，其特征在于：(1) 采用非自耗真空电弧熔炼，通入高纯氩气保护，对配制好的纯度为4N以上的Cu、Ni及Al原料进行反复熔炼，得到成分均匀的合金锭；(2) 利用热重分析仪获得熔炼合金的熔点；并在比熔点低100℃的温度下固溶，保温6小时后随炉冷却；随后，在450℃低温时效至少4h，获得L12型Ni3Al基固溶体和FCC结构Cu基固溶体双相Cu-Ni-Al合金。
CN202011054035.5A 2020-09-30 2020-09-30 一种具有高温自润滑特性的Cu-Ni-Al合金及其制备方法 Active CN112210693B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011054035.5A CN112210693B (zh) 2020-09-30 2020-09-30 一种具有高温自润滑特性的Cu-Ni-Al合金及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011054035.5A CN112210693B (zh) 2020-09-30 2020-09-30 一种具有高温自润滑特性的Cu-Ni-Al合金及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112210693A CN112210693A (zh) 2021-01-12
CN112210693B true CN112210693B (zh) 2022-02-18

Family

ID=74051750

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011054035.5A Active CN112210693B (zh) 2020-09-30 2020-09-30 一种具有高温自润滑特性的Cu-Ni-Al合金及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112210693B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4016010A (en) * 1976-02-06 1977-04-05 Olin Corporation Preparation of high strength copper base alloy
CN102051501A (zh) * 2010-11-11 2011-05-11 中国计量学院 一种高强高导Cu-Ni-Al导体材料及制备方法
CN106916997A (zh) * 2017-04-05 2017-07-04 浙江大学 一种用于高速铁路接触线的铜合金及其制备方法
CN107354341A (zh) * 2017-06-29 2017-11-17 大连理工大学 一种立方棋盘状γ`相增强Cu‑Ni‑Al耐高温合金及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4016010A (en) * 1976-02-06 1977-04-05 Olin Corporation Preparation of high strength copper base alloy
CN102051501A (zh) * 2010-11-11 2011-05-11 中国计量学院 一种高强高导Cu-Ni-Al导体材料及制备方法
CN106916997A (zh) * 2017-04-05 2017-07-04 浙江大学 一种用于高速铁路接触线的铜合金及其制备方法
CN107354341A (zh) * 2017-06-29 2017-11-17 大连理工大学 一种立方棋盘状γ`相增强Cu‑Ni‑Al耐高温合金及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Ni/Al原子比对Cu-Ni-Al合金性能的影响;陶世平等;《铸造技术》;20160218(第02期);212-214 *
γ＇相析出强化的耐温Cu-Ni-Al(Fe)薄膜;程肖甜;《中国优秀硕士学位论文全文数据库(电子期刊)》;20200215;11-12、28 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112210693A (zh) 2021-01-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xie et al. Spark plasma sintering and mechanical properties of zirconium micro-alloyed tungsten
Ding et al. Preparation and arc erosion properties of Ag/Ti 2 SnC composites under electric arc discharging
Zhang et al. Preparation and properties of W-30 wt% Cu alloy with the additions of Ni and Fe elements
Lee et al. Correlation of the microstructure and mechanical properties of oxide-dispersion-strengthened coppers fabricated by internal oxidation
Ahmadein et al. Improving the mechanical properties and coefficient of thermal expansion of molybdenum-reinforced copper using powder metallurgy
Peng et al. Effect of Mo on the high temperature oxidation behavior of Al19Fe20-xCo20-xNi41Mo2x high entropy alloys
Zhang et al. Characteristics of nano-alumina particles dispersion strengthened copper fabricated by reaction synthesis
Wenderoth et al. Microstructure, oxidation resistance and high-temperature strength of γ′ hardened Pt-base alloys
Xiao et al. Self-lubricating behavior of Fe22Co26Cr20Ni22Ta10 high-entropy alloy matrix composites
WO2022052865A1 (zh) 一种铜合金材料及其制备方法和应用
Yang et al. Laser powder bed fusion of C18150 copper alloy with excellent comprehensive properties
CN112210693B (zh) 一种具有高温自润滑特性的Cu-Ni-Al合金及其制备方法
Guo et al. Relationship between the MgOp/Cu interfacial bonding state and the arc erosion resistance of MgO/Cu composites
Akbarpour et al. Recent advances in processing, and mechanical, thermal and electrical properties of Cu-SiC metal matrix composites prepared by powder metallurgy
Long et al. Fine-Grained FeCoNi (CuAl) x High Entropy Alloys: Phase Transformation, Microstructure Evolution and Mechanical Properties
Huang et al. Effect of flake graphite content on wear between behavior between P/M copper-based pantograph slide and contact wire
Zhou et al. Effect of sintering temperature on microstructure and properties of nano-WC particle reinforced copper matrix composites prepared by hot-pressing sintering
Wang et al. Full density graphite/copper-alloy matrix composite fabricated via hot powder forging for pantograph slide
Zheng et al. Microstructure and electrical contact behavior of Al2O3–Cu/30W3SiC (0.5 Y2O3) composites
CN111304491B (zh) 一种可在室温～500℃使用的铜基自润滑复合材料及其制备方法、应用
Zhang et al. Microstructure and properties of Cu-Cr-Nb/graphite composites with high softening temperature
Yildirim et al. Effect of Mo addition on microstructure, ordering, and room-temperature mechanical properties of Fe-50Al
Li et al. Microstructure and electrical contact properties of Al2O3-Cu/(Cr, Zr) composites
Gu et al. Microstructures and properties of direct laser sintered tungsten carbide (WC) particle reinforced Cu matrix composites with RE–Si–Fe addition: A comparative study
CN115341127B (zh) 一种自润滑高熵合金及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant