CN1218056C - 一种Ni－Cu－石墨高韧性固体自润滑材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种Ni-Cu高韧性固体自润滑材料及制备方法，将该系列合金中加入了组元石墨，并采用熔炼法进行制备，材料组分配比为Ni-(0～50)wt%Cu-3.5wt%C。采用熔炼法制备的Ni-Cu-石墨高温自润滑材料具有耐腐蚀性强，抗高温氧化，石墨分布均匀，组织致密等优点。经三点弯曲试验均可以压成V字型而不发生脆性断裂；冲击韧性ak值达到102.6J/cm2以上；850℃-900℃温度下可以进行锻轧成型；与45#退火钢进行干摩擦磨损试验，摩擦系数μ值稳定保持在0.17-0.35，与GCr15轴承钢进行干摩擦磨损试验，摩擦系数μ值稳定保持在0.12-0.25的较低值。熔炼法具有生产方法简单、一次生产量大等工艺优点。
Description
技术领域：本发明涉及一种Ni-Cu-石墨高韧性固体自润滑材料及制备方法。适用于在高温氧化及腐蚀环境中工作的自润滑轴承材料、导电滑板材料、高温冶金机械材料、腐蚀环境中的化工机械材料及高温发动机材料。
技术背景：高温自润滑材料及自润滑导电材料是工业领域及现代高科技领域中重要的零部件，在高温无油自润滑轴承，活塞，活塞环，配气阀座，高速列车带电滑板，高温炼钢机械，高温锅炉，加热炉拖板机械，高温强腐蚀环境中的化工机械，无油污染环境中的纺织机械，潜艇密封轴承，计算机、打印机中高速防振滑块以及军事航天航空等高科技领域中均有重要应用价值。
目前在含石墨的固体自润滑材料中，有纯石墨型和金属/石墨型等种类，在没有油润滑的条件下，纯石墨与大多数金属部件摩擦时，具有低的摩擦系数，但其缺点是质脆、强度低、抗冲击性差，纯石墨轴承在单位时间内的磨耗量也大，金属材料与石墨复合后，可有效克服上述缺点。目前已研究开发的有Cu-石墨，青铜-石墨，Ag-石墨，Al-石墨，Ni合金-石墨，Fe-石墨，Zn-石墨等固体自润滑材料，但上述材料主要采用粉末冶金方法制备，存在着石墨分布不易均匀，石墨与基本之间接合不紧密，材料中多孔，密封性差，冲击韧性较低，金属粉的制备成本高，工序繁多，制备中易带入氧化物及杂质等缺点。为了提高粉末冶金制品的密度和强度，有些产品还要经过多次复压烧结。
Ni基-石墨自润滑材料具有抗高温氧化、耐腐蚀性强的优点，目前已报道的Ni基-石墨自润材料均采用粉末冶金烧结方法制备，牛淑琴，朱家珮，欧阳锦林.几种高温自润滑复合材料的研制与性能研究.摩擦学学报，1995，15(4)：324-332，一文公开报道了Ni-Cr-石墨、Ni-Cr-Ag-石墨、Ni-Cr-PbO-Sb-石墨、Ni-Cr-SiC-石墨等多种固体自润滑材料的制备方法及成分和性能，制备方法是将Ni、Cr、Ag、PbO、Sb、SiC、石墨等粉末按一定比例混合后，在模具中冷压成型，然后装置在有真空中频感应加热的线圈中央，在1100℃-1250℃及10-25MPa的压力条件下进行热压烧结成型。其中Ni-Cr-石墨系列材料在室温下与Mo-0.5Ti-0.08Zr合金对磨，摩擦系数μ为0.37-0.46；Ni-Cr-Ag-石墨系列材料在室温下的摩擦系数μ为0.32-0.43；Ni-Cr-PbO-Sb-石墨系列材料在室温下的摩擦系数μ为0.35-0.43；Ni-Cr-SiC-石墨系列材料在室温下的摩擦系数μ为0.30-0.32。上述所有材料的冲击韧性值均在1.02-3.76J/cm2范围内。表1是Ni-Cr-Ag-石墨系列合金材料具有的部分性能。其研究结果表明，随着该材料中石墨含量的增加，材料的密度、硬度、冲击韧性、抗压强度均减小，而摩擦系数增大。摩擦系数的最小值为0.32，最大冲击韧性较小，仅有2.88J/cm2，这是含石墨型粉末冶金材料多孔和微裂纹存在的必然结果。其它粉末冶金法制备的Ni基固体自润滑材料有Ni-LaF3、Ni-MoS2等。
表1 文献[1]Ni合金-Ag-石墨固体自润滑材料的性能
| 组成wt％ | 密度g/cm3 | 硬度HB/MPa | 冲击韧性J/cm2 | 压溃强度MPa | 20℃时摩擦系数μ |
| Ni合金∶Ag∶石墨＝84∶10∶6Ni合金∶Ag∶石墨＝80∶10∶10Ni合金∶Ag∶石墨＝75∶10∶15Ni合金∶Ag∶石墨＝73∶10∶17Ni合金∶Ag∶石墨＝70∶10∶20 | 7.076.475.845.635.33 | 14086766940 | 2.882.161.601.351.08 | 693443290210148 | 0.320.360.380.410.43 |
本发明的目的是研制Ni-Cu-石墨系列高韧性固体自润滑材料并通过熔炼法制备出具有高密度、高冲击韧性、良好塑型、优良自润滑性能的含石墨型两相合金材料。目前未见任何有关采用熔炼法制备Ni-Cu-石墨固体自润滑材料的报道。
发明内容 为了实现以上目的，本发明提供一组Ni-Cu-石墨高韧性固体自润滑材料，其特征在于：该系列合金中加入了组元石墨，并采用熔炼法进行制备，材料组分配比为Ni-(0～50)wt％Cu-3.5wt％石墨。
为了实现以上目的，本发明提供一种Ni-Cu-石墨高韧性固体自润滑材料的制备方法，其步骤如下：
(1)原料：采用纯度为99.8％的工业电解Ni块，纯度为98.5％的工业纯Cu，纯度为99％纯石墨粉。
(2)采用工业真空中频感应炉加热，炉内熔炼加热坩埚为纯石墨坩埚。
(3)配置合金组分，将上述Ni、铜、石墨按配比要求称配。
(4)首先将石墨粉放置于石墨坩埚的底部，然后在其上部放置金属Ni块，将称配好的Cu块放置在感应炉的加料漏斗中，待加入。
(5)炉内经抽低真空处理后(1.25×10-1Pa)，充入氩气进行保护。
(6)加热熔炼温度高于1650℃，到温后保温8-10分钟。
(7)从加料漏斗中将金属Cu块加入金属液中，待金属液出现轻微沸腾现象后，保温3～5分钟。
(8)关闭电源，待金属液镇静后，浇铸到铸型中。
本发明采用熔炼法制备Ni-Cu-石墨两相固体自润滑材料，由于组织均匀，无微裂纹，加上Ni-Cu合金基体本身具有高的韧性并无限互溶呈单相合金，所研制的所有系列成分的合金均无硬脆第二相，因此本发明研制的Ni-Cu-石墨等系列合金均具有高的冲击韧性及良好的塑性变形能力，冲击韧性值均达到102.6J/cm2以上(见表2)，冲击韧性值高于铁道部对受电弓滑板材料部颁标准(TB1824-87)指标(5J/cm2)20倍以上，比上述文献的多种固体自润滑材料的最大冲击韧性值高出其27倍以上。并具有方法简单，一次生产量大，可方便浇铸成不同形状零件的优点。
附图说明
图1.用熔炼法制备的Ni-3.5wt％石墨二元合金组织形貌，采用的是石墨型浇注，石墨呈片状形貌，组织致密。
图2.用熔炼法制备的Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨三元合金的组织形貌，呈短片状石墨型貌，石墨分布均匀，组织致密。
图3.用熔炼法制备的Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨三元合金的组织形貌，除片状石墨外，部分石墨因铜量的增加而被球化，石墨分布均匀，组织致密。
图4.用熔炼法制备的Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨三元合金的组织形貌，石墨型浇注，除片状石墨外，由于铜含量的进一步增加，球状石墨数量进一步增多，组织细化，石墨分布均匀，组织致密。
图5.Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨、Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨、Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨合金经三点弯曲性能实验后，试样的变形形貌，均能够压弯成V字型而不发生脆性断裂。
图6.Ni-石墨合金块材在850℃-900℃下经反复锤打后的宏观变形形貌。压缩变形量达70％。表明该材料具有良好的塑性变形能力。
图7.Ni-石墨合金块材在850℃-900℃下经70％的压缩变形后，原任意取向的石墨被压缩成平行排列的纤维状组织。
图8.与45#退火钢干摩擦磨损时的摩擦系数曲线。曲线1是Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨合金的摩擦系数曲线；曲线2是Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨合金的摩擦系数曲线；曲线3是Ni-3.5wt％石墨合金的摩擦系数曲线；曲线4是Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨合金的摩擦系数曲线。
图9.与GGr15轴承钢(HRC＝58)干摩擦磨损时的摩擦曲线。曲线1是Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨合金的摩擦系数曲线；曲线2是Ni-3.5wt％石墨合金的摩擦系数曲线；曲线3是Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨合金的摩擦系数曲线；曲线4是Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨合金的摩擦系数曲线。
具体实施方式：下面结合附图通过实施例和比较例对本发明作进一步说明。
实施例1.取如下成份配比并根椐上述工艺步骤制备高温自润滑材料：Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨合金。
实施例2.取如下成份配比并根椐上述工艺步骤制备高温自润滑材料：Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨合金。
实施例3.取如下成份配比并根椐上述工艺步骤制备高温自润滑材料：Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨合金。
实施例4.取如下成份配比并根椐上述工艺步骤制备高温自润滑材料：Ni-3.5wt％石墨合金。
比较例
1，本实验所作的三点弯曲实验表明，所研制的所有系列合金，均能够压弯成V字型而不发生脆性断裂(见图5)。850℃-900℃温度下经不均匀锻打可压缩变形40-70％，变形后石墨呈纤维状排列(见图6，图7)，因此这种材料具有良好的塑性成型能力。在铸铁及同类含石墨型粉末冶金自润滑试样中均表现为脆性断裂，其原因一方面是由于Ni-Cu基体的塑韧性高，另一方面是由于熔炼制备使材料的整体结合强度提高，无界面微孔缺陷，无碳化物硬脆相，石墨与基体之间结合紧密，韧性保持在较高的水平。
2，所研制的材料具有良好的自润滑性能，通过与硬度低的退火态45#钢(HRC＝28)和硬度高的GCr15轴承钢(HRC＝58)干摩擦磨损，摩擦系数分别保持在0.17-0.35和0.12-0.25的较低值(见表2)，并稳定不变。
3，根据使用要求的不同，可选择不同成分的合金。所研制材料的基体硬度及强度随着合金中Cu加入量的增多而逐渐增大；电阻率随着合金中Cu加入量的增多而增大。冲击韧性随着合金中Cu加入量的增多而减小。
(1)实验表明导电性最好的是纯Ni-石墨合金，电阻率ρ＝0.24Ω·mm2m-1(见表1)，达到了铁道部对受电弓滑板材料ρ′＜0.35Ω·mm2m-1的部颁标准(TB1824-87)要求，因而这种材料可作为导电性自润滑材料使用。
(2)Ni基体经组元Cu固溶强化后，材料的强度、硬度得到提高，与偶件之间的粘着磨损减弱，摩擦系数减小，自润滑性能提高。其中Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨合金与45#钢对磨，摩擦系数保持在0.20，与GCr15轴承钢对磨，摩擦系数保持在0.12；Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨合金与45#钢对磨，摩擦系数保持在0.18，与GCr15轴承钢对磨，摩擦系数保持在0.12的低值(见表2)。以上两种材料表现出良好的自润滑性能，远低于上述文献报道的系列Ni-Cr-石墨、Ni-Cr-Ag-石墨、Ni-Cr-PbO-Sb-石墨、Ni-Cr-SiC-石墨等多种固体自润滑材料的最小摩擦系数0.30值。因此对自润滑性能要求高的可选择加Cu固溶强化的合金。
表2.Ni-Cu-石墨合金的物性参数
| Ni-3.5wt％石墨 | Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨 | Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨 | Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨 | |
| 电阻率ρ(Ω/mm-2m)密度(g/cm3)石墨的面积百分数％硬度(HB)冲击韧性ak(J/cm2)三点弯曲强度σbb(MPa) | 2.48.2522.3590.0121.849.2 | 5.88.4723.6297.3117.550.8 | 7.18.6119.3798.6110.252.5 | 5.38.7715.84113.6102.665.1 |
表3.Ni-Cu-石墨系列合金的干摩擦磨损性能
| 材料 | 与45#钢对磨的摩擦系数μ | 与GCr15轴承钢的摩擦系数μ |
| Ni-3.5wt％石墨 | 0.25 | 0.15 |
| Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨 | 0.20 | 0.12 |
| Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨 | 0.18 | 0.16 |
| Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨 | 0.35 | 0.25 |
尽管本发明已作了详细的说明和例举出一些具体例子，但本发明并不局限于这些范围，凡是采用熔炼法制备的Ni-Cu-石墨自润滑材料均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1，一种Ni-Cu高韧性固体自润滑材料，其特征在于：该材料由Ni-Cu系列合金中加入了组元石墨，该系列合金材料组分配比由Ni-0～50wt％Cu-3.5wt％石墨组成。
2，由权利要求1所述的一种Ni-Cu高韧性固体自润滑材料的熔炼制备方法，其特征在于：制备方法的步骤如下：
(1)原料：采用纯度为99.8％的工业电解Ni块，纯度为98.5％的工业纯Cu，纯度为99％纯石墨粉；
(2)采用工业真空中频感应炉加热，炉内熔炼加热坩埚为纯石墨坩埚；
(3)配置合金组分，将上述Ni、铜、石墨按配比要求称配；
(4)首先将石墨粉放置于石墨坩埚的底部，然后在其上部放置金属Ni块，将称配好的Cu块放置在感应炉的加料漏斗中，待加入；
(5)炉内经抽低真空处理后，压强达到约1.25×10-1Pa，充入氩气进行保护；
(6)加热熔炼温度高于1650℃，到温后保温8-10分钟；
(7)从加料漏斗中将金属Cu块加入金属液中，待金属液出现轻微沸腾现象后，保温3-5分钟；
(8)关闭电源，待金属液镇静后，浇铸到铸型中。
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