CN1159467C - 镍基自润滑合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种镍基自润滑合金及其制备方法。镍基自润滑合金的采用中频感应熔炼、熔模铸造成型工艺制备。该合金主要由合金元素Fe、Co和Nb固溶强化的镍基固溶体基体，NbC或Nb2C等碳化物硬质耐磨相和NbSe2或NbXSe2(X＝1.0～1.1)二硒属化合物润滑相构成。合金的密度为7.60～8.40g/cm3，硬度为Hv1.80～4.50GPa。该合金具有良好的机械强度、耐热性和耐蚀性，并在20～600℃较宽温度范围内呈现低摩擦、耐磨损及不损伤对偶的摩擦学特性，适合制做大气、真空及惰性气氛环境中，20～600℃温度范围内工作的各种轻型、高效热引擎和先进推动系统及其它高温机构的摩擦学部件。
Description
技术领域
本发明公开了一种镍基自润滑合金及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的发展，新设计的各种轻型、高效热引擎和先进推动系统的速度和能量输出有大幅度提高，这意味着其中的摩擦学部件要在更高的温度下工作。目前正在使用的大多数耐热材料(如耐热钢和其它沉淀硬化类合金、含陶瓷颗粒的硬质合金及弥散强化类合金等)因高温下耐磨性较低、自润滑性和与对偶材料匹配性差等原因，而不能满足新设计的使用要求。在其它高温机构(如化工生产装置的高温过程工艺控制系统和机械密封装置)中也存在相似的情况。因此，迫切需要发展具有较高耐热性和耐磨性及自润滑性的新材料。
发明内容
本发明的一个目的是为各种轻型、高效热引擎和先进的推动系统及其它高温机构等的摩擦学部件提供一种具有较高机械强度和耐热性，并在20～600℃较宽温度范围的大气、真空或隋性气氛环境中呈现良好耐磨性和自润滑性，且不损伤对偶的镍基自润滑合金。本发明的另一个目的就是提供该合金的制备方法。
本发明提供的镍基自润滑合金化学成分的质量分数为C：0～0.3％，Co：5～10％，Fe：8.0～15％，Nb：12～20％，Se：5～10％，余量为Ni。合金主要由合金元素Co、Fe和Nb固溶强化的镍基固溶体基体相，NbC或Nb2C等碳化物硬质耐磨相和NbSe2或NbxSe2(X＝1.0～
1.1)二硒属化合物润滑相构成。
将合金的化学成分限制在上述范围是因为：
(1)C：元素C主要与合金元素Nb作用，形成碳化物硬质耐磨相弥散分布在合金镍基固溶体基体相中提高合金的强度和耐磨性。对于固溶强化类的镍基自润滑合金可以不添加C。当C含量超过0.8％时，合金的硬度过大，而使机加工性能变差。所以C的含量应限制在0～0.8％的范围内。
(2)Co：元素Co能固溶于镍合金中起固溶强化作用，提高合金的强度和耐热性。对于使用温度低于500℃的镍基自润滑合金，可以不添加Co。当Co的含量超过25％时，合金的强度和耐热性的提高不再显著。因此，Co的含量为5.0～10％。
(3)Fe：与元素Co一样，元素Fe能固溶于镍合金中起固溶强化作用，提高合金的强度和耐磨性。Fe的含量低于3.0％时，合金的耐磨性提高不明显；Fe的含量超过20％，合金的摩擦系数明显增大。所以Fe的含量应在3.0～20％的范围内。Fe的最佳含量为8.0～15％。
(4)Nb：元素Nb既是硒化物形成元素，又能溶入镍合金基体中起固溶强化作用，还能与元素C作用形成弥散分布的碳化物硬质耐磨相。所以，添加Nb有利于提高合金的硬度、强度和耐热性，改善合金的摩擦学性能。若Nb的含量低于5.0％，合金的硬度、强度和耐热性提高不大，摩擦学性能改善不明显；若Nb的含量超过30％，合金硬度过大，而使机加工性能变差。故Nb的含量应限制在12～20％％的范围内。
(5)Se：元素Se的加入是为了在合金中形成NbSe2或NbxSe2(X＝1.0～1.1)等二硒属化合物固体润滑剂成分，改善合金的摩擦学性能。如果Se的含量低于3.0％，合金的摩擦学性能改善不明显；若Se的含量超过15％，合金的冲击强度过低而影响实际使用。故Se的含量应在3.0～15％的范围内。Se的最佳含量为5.0～10％。
镍基自润滑合金采用中频感应熔炼、熔模铸造成型工艺方法制备，具体步骤如下：
1.配料。选用电解镍、电解钴、纯铁、铌粉、精硒粉和电极石墨为原料。按比例称取各原料。将称量好的铌粉和精硒粉混合后，在钢模具中压成直径为15～150mm，厚度为10～30mm的块。
2.熔炼。合金熔炼在中频感应炉中进行，
(A)首先，将电解镍、电解钴和纯铁放入炉加热熔化；
(B)再分别加入铌粉-精硒粉的压块和电极石墨。待化清后，将合金熔体的温度控制在1340～1380℃，保温5～20分钟；
(C)保温结束后，加入占熔炼合金量0.05～0.40％的CeO2，将其温度控制在1460～1550℃的浇注温度，等待浇注；
3.铸造
(A)壳型准备及预热。按照所制零部件的几何形状和尺寸制备制做毛坯的熔模铸造壳型。将焙烧好的熔模铸造壳型预热至400～800℃的温度待用；
(B)浇注。将达到1426～1550℃浇注温度的合金熔体平稳、连续地浇注于预热好的壳型中；
(C)在铸件周围拥砂保温，在空气中自然冷却后，打破壳型，去掉浇，即得到合金的铸坯。
本发明采用的中频感应熔炼、熔模铸造成型的工艺方法能够方便、快捷地制备合金，具有合金组分烧损小，成分容易控制，合金熔炼与成型一次完成等特点。并可将合金制成与欲制零部件形状、尺寸十分接近的毛坯，这对制做形状复杂、难以加工的较小零部件特别有利。将铌粉和精硒粉压块、并在其它成分熔化后再加入的加料方式，避免了铌和硒的过量烧损；CeO2的加入能改善合金的铸造性能和合金中硒化物的分布形态，有利于提高合金的强度和冲击韧性。
具有上述化学成分，并通过上述制备工艺方法制备的镍基高温自润滑合金的物理机械和摩擦磨损性能如表1、2所示。
表1镍基自润滑合金的物理-机械性能
| 密度g/cm3 | 硬度HVGPa | 热膨胀系数20～800℃×10-6，1/K | 冲击强度×105J/m2 |
| 7.60～8.40 | 1.80～4.50 | 14.0～15.8 | 0.32～0.94 |
表2镍基自润滑合金的摩擦系数、磨损率和抗压强度
| 温度℃ | 摩擦系数 | 磨损率×10-14m3(N·m) | 抗压强度MPa |
| 20150300450600 | 0.32～0.450.26～0.350.21～0.320.20～0.280.20～0.26 | 0.60～1.600.60～1.501.20～1.801.50～2.204.00～9.20 | 6.80～9.865.80～9.845.60～9.545.08～9.234.34～6.65 |
注：摩擦系数和磨损率是在销—盘式高温摩擦磨损试验机上与淬火高速钢W18Cr4V及自身配副时测得。
具体实施方式
实施例1
化学成分的质量分数为C：0.3％，Co：5.0％，Fe：8.0％，Nb：12％，Se：5.0％，余量为Ni的镍基自润滑合金主要由合金元素Co、Fe和Nb固溶强化的镍基固溶体基体，NbC和Nb2C硬质弥散强化相及NbSe2润滑相等构成。该合金的密度为8.14g/cm3；硬度为Hv 2.50GPa；冲击强度为0.60×105J/m2；抗压强度20℃时为824MPa，500℃时为582MPa，与淬火高速钢W18Cr4V配副在300～500℃温度范围内摩擦系数为0.36～0.24，磨损率为2.31～7.24×10-14m3/N·m。
实施例2
化学成分的质量分数C：0.2％，Co：10％，Fe：10％，Nb：20％，Se：9.0％，余量为Ni的镍基自润滑合金主要由合金元素Co、Fe和Nb固溶强化的镍基固溶体基体，Nb2C硬质弥散强化相及NbSe2、NbxSe2(X＝1.0～1.1))等润滑相构成。该合金的密度为7.78g/cm3；硬度为Hv3.28GPa；热膨胀系数为(20～800℃)14.5×10-6/℃；冲击强度为0.32×105J/m2；抗压强度20℃时为792MPa，600℃时为564MPa；与淬火高速钢W18Cr4V及自身配副，在20～600℃温度范围内摩擦系数为0.32～0.20，磨损率为1.72～9.28×10-14m3/N·m。该合金适用于制做工作温度在600℃以下的大气、真空和惰性气体环境中使用各种热引擎及其它高温机构的滑动与动密封部件。
实施例3
化学成分的质量分数Co：8.0％，Fe：12％，Nb：18％，Se：8％，余量为Ni的镍基自润滑合金主要由合金元素Co、Fe和Nb固溶强化的镍基固溶体基体相和NbSe2润滑相构成。该合金的密度为7.71g/cm3；硬度为Hv3.06GPa；冲击强度为0.38×105J/m2；抗压强度20℃时为738MPa，600℃时为517MPa；与淬火高速钢W18Cr4V及自身配副，在20～600℃温度范围内摩擦系数为0.40～0.22，磨损率为2.23～8.42×10-14m3/N·m。
Claims (2)
1.一种镍基自润滑合金，其特征是合金化学成分的质量分数为C：0～0.3％，Co：5～10％，Fe：8.0～15％，Nb：12～20％，Se：5～10％，余量为Ni。
2.如权利要求1所述的镍基自润滑合金的制备方法包括：配料、熔炼、铸造三个步骤，其特征在于：
(1)选用电解镍、电解钴、纯铁、铌粉、精硒粉和电极石墨为原料，按比例称取，熔炼前将按比例配好的铌粉和精硒粉混合后压成直径为15～150mm，厚度为10～30mm的块；
(2)熔炼在中频感应炉中进行，熔炼时先将电解镍、电解钴、纯铁加入炉中加热熔化，再分别加入铌粉-精硒粉的压块和电极石墨，待化清后，降低加热功率，将合金熔体的温度控制在1340～1380℃保温5～20分钟；保温结束后，加入占熔炼合金量0.05～0.40％的CeO2并加大功率使合金熔体过热，并将其控制在1460～1550℃的浇注温度；
(3)将达到浇注温度的合金熔体浇注在预热至400～800℃的熔模铸造壳型中。
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