CN1259440C

CN1259440C - 一种易切削高温高强自润滑耐磨合金材料

Info

Publication number: CN1259440C
Application number: CN 200410074408
Authority: CN
Inventors: 骆合力; 冯涤; 李尚平; 曹栩
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Gaona Aero Material Co Ltd
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2024-09-14
Also published as: CN1614058A

Abstract

本发明是属于以Ni₃Al为基的易切削高温高强自润滑耐磨合金材料的制备领域。更适用于要求在中、高温的条件下，使用在耐粘着磨损、高温滑动和密封部件的Ni₃Al基易切削高温高强自润滑合金材料。本发明合金材料化学成分的重量%为：Al 4-15%；Fe 2-20%；S 0.2～5%；Mn 0.5～10%；Cr0.5～10%；Mo 0.2～5%；Ti：0.2～4%；C 0.01～0.5%；B 0.01～0.1，余量为Ni。采用本发明的易切削高温高强自润滑耐磨合金材料与现有技术相比较，当在高温条件下使用时，具备良好的高温强度和抗氧化性能以及机械加工性能优良、合金材料的制备成本低等特点。

Description

一种易切削高温高强自润滑耐磨合金材料

技术领域

本发明是属于以Ni₃Al为基的易切削高温高强自润滑耐磨合金材料的制备领域。更适用于要求在中、高温的条件下，使用在耐粘着磨损、高温滑动和密封部件的Ni₃Al基易切削高温高强自润滑合金材料。

背景技术

磨损是目前造成机械工业领域中能源和材料消耗的重要原因之一，而在不同的磨损类型中，粘着磨损又是占据比例最大的一种磨损。在常温环境下的各种机器运行均是采用润滑油来降低粘着磨损，但在中、高温的条件下运行机器，则润滑油就会失去其润滑冷却效果，并且会造成机械部件中金属材料的快速磨损。目前已有人提出采用高温自润滑材料来解决现有技术中的不足，例如中国专利已公开的CN1034584A和CN1101681A文献中，介绍的高温自润滑镍基合金具有较好的润滑性能和力学性能，但该材料存在的主要缺点是，当该材料在高温下使用时其材料自身的强度明显降低和耐热性变差等，另外该合金材料成分中Co、Nb、Mo等贵金属元素含量较高，其该材料的制造成本也较高，因此降低了该合金材料的实用性。另外，有许多工件在工作时既要经受高温摩擦的磨损，同时还要承受一定的外力，根据工作环境的限定则要求被使用材料应兼备很好的高温耐磨自润滑性能和高温强度。例如新型柴油发动机是以提高效率和节约燃油消耗为标志，要求活塞环向燃烧室进一步提升，从而使活塞环的工作温度要求更高，目前常用的活塞环材料-蠕墨铸铁已不能满足新型发动机活塞环的需求，开发一种高温高强耐磨材料成为制备新型发动机活塞环材料的迫切需求。在中国专利所公开的文献中，也有介绍高温自润滑的合金村料，但从文献中的记载可看到，该高温自润滑村料的机械性能和力学强度均较低，在承力环境下使用时各机械部件很容易遭受破坏或失效。该材料在高温下使用是不能满足高强度和自润滑减磨特性的条件，尤其是对特殊使用要求的部件，如活塞环类的具备高强、耐磨、易加工等苛刻条件要求的材料，上述专利材料是难以承担的。

发明内容

本发明的目的是设计一种使用在高温条件下的材料，该材料应具备良好的高温强度和自润滑减磨性能，同时还有很好的抗氧化性能以及能够容易切削加工的易切削高温高强自润滑耐磨合金材料。

根据本发明目的所提出的可用于中、高温(200～900℃)耐粘着磨损的易切削高温高强自润滑耐磨合金材料，我们对材料的设计是以Ni₃Al为基，通过合金成分中元素合理的调整，使本发明的合金材料理想地解决了现有技术中缺陷。Ni₃Al金属间化合物具有特殊的的长程有序晶体结构，同时还具有很强的原子结合键，这些特征是利于材料抗磨性能可能提高的重要条件。另外，由于Ni₃Al基材料的特殊晶体结构与传统结构材料的晶体结构有着很大的差别，所以该材料与常用结构材料所组成配对材料的互溶可能性是非常小的，因此能够有效的解决由材料之间相对运动所容易发生的粘着磨损。再有就是金属间化合物特有的反常温度屈服强度现象，即随温度升高则该材料的屈服强度也升高，因此可使Ni₃Al在高温下使用有提高材料耐磨性的可能。根据本发明目的和我们对该合金材料的研究后所设计的Ni₃Al基易切削高温高强自润滑耐磨合金材料，其特征在于该合金材料的具体成分重量％为：Al 4-15％；Fe 2-20％；S 0.2～5％；Mn 0.5～10％；Cr0.5～10％；Mo 0.2～5％；Ti∶0.2～4％；C 0.01～0.5％；B 0.01～0.1，余量为Ni。在本发明的Ni₃Al基易切削高温自润滑合金材料中的其他特征还有：Al 8-12％；Fe 9-15％；S 0.5-4％。根据本发明目的，我们所提出的Ni₃Al基易切削高温高强自润滑合金材料，主要是考虑到所添加的合金元素是能够对本发明合金材料在使用时起到应有的效果，因此在设计本发明Ni₃Al基合金成分时，考虑到Al元素是作为Ni₃Al的基体形成元素，通过合理的实现γ′与γ两相的比例，是得到Ni₃Al合金优异力学性能的基本保证，合理的调整Al元素含量，是可以控制合金基体中γ′与γ相的相对比例，从而影响材料的力学性能。因此在本发明合金成分中Al元素含量为4-15％，为了能提高材料更合理的使用性能，我们也可将铝的含量严格控制在8-12％的范围内。在本发明合金成分中加入Fe元素，是因为Fe在Ni₃Al的晶格中占据Ni位和Al位的几率均等，Fe在Ni₃Al中溶解度可达到15％，当Fe进入到Ni₃Al合金中能起到固溶强化的作用，因此添加一定量的Fe，既能提高合金强度而且还能改善合金材料的塑性。另外，加入一定量的Fe可改善Ni₃Al合金的加工性能，从原材料的基础上可降低合金的制造成本，因此在本发明合金成分中Fe元素含量为2-20％，为了能进可能的提高合金材料的强度和改善合金材料的塑性，也可将Fe的含量严格控制在9-15％的范围内。Mn是本发明合金中主要的硫化物形成元素，Mn与S的亲和力较强，同时也是形成该合金中自润滑相的主要合金元素之一，在本发明合金成分中Mn的含量应控制在0.5-10％的范围内。Cr在Ni₃Al合金成分中既可占据Ni的位置，同样又可占据Al的位置。加Cr的目的主要是提高自润滑材料的高温抗氧化性和抗腐蚀的性能，并可改善Ni₃Al合金的中温脆性。另外，Cr也是一种较好的硫化物形成元素，当Cr的含量调整合适时可与S形成硫化铬的润滑相，因此Cr元素的加入量要控制在0.5-10％的范围内。Mo和Ti元素都具有与Al相类似的电子结构，因此它有取代Ni₃Al中的Al元素的可能，Mo和Ti元素同样具有固溶强化作用。另外Ti与S的亲和力极强，易形成TiS润滑相，所以Mo的加入量应控制在0.2-5％的范围内，而Ti元素的加入量应控制在Ti0.2-4％的范围内。B是改善Ni₃Al合金室温塑性的必不可少的元素，在本发明合金成分中加入适量的B元素有强化合金晶界的效果，同时还有改善晶界上的位错滑移性，阻止氢沿晶界扩散而产生的环境脆现象，从而改善合金材料的塑性，因此B元素的加入量应控制在0.01-0.1％范围内。在本发明合金成分中加入S元素的目的，是使在该合金材料中形成硫化物的自润滑相，但成分中S的含量又是决定该材料的耐磨性和力学的性能，随S含量的增加，材料的耐磨性越好，但材料的塑性也明显降低，因此S元素的加入量应控制在0.2-5％范围内。C是影响本合金材料强度的元素，适当提高C的含量可以在材料基体内形成有利的碳化物，从而提高材料的硬度，这样可以补充提高本发明合金材料的抗磨作用。Ni元素是本发明合金的基础元素，在选择了上述的调整元素后，其余均为Ni。

本发明合金材料的制备方法与现有技术的生产方法相似。根据实际工况环境需求，可以采用不同工艺制得不同用途的产品。1)采用“感应熔炼+熔模铸造”制备工艺制得高温耐磨结构件，该方法用于耐磨件整体结构(如新型柴油发动机活塞环)的制备。工艺流程如下：采用中频感应熔炼炉将合金原料加热熔化，在1500～1550℃的温度范围内精炼10分钟，使合金熔体充分合金化，并反应形成硫化物相。浇注温度控制在1450～1550℃，连续、快速浇注于预热好的型壳中。2)采用旋转电极法制得合金粉末作为传统材料的表面喷涂材料。该方法主要用于传统材料的表面改性，提高工件的高温耐磨性能。工艺流程如下：首先采用中频感应熔炼的方法制得本专利合金棒料，直径为50mm，然后将该合金棒料作为旋转自耗电极，用固定的钨电极产生的电弧或等离子电弧连续熔化高速旋转的电极，旋转电极端部被熔化的金属液滴，在离心力作用下飞出，形成细小的球状颗粒，最后制得颗粒度为50～100μm的粉末。该粉末可作为表面喷涂材料喷涂于传统材料表面形成高温耐磨层。3)采用近终形线材水平连铸工艺制成该合金焊丝，并采用传统氩弧焊工艺堆焊于传统工件表面形成高温耐磨焊层。如将该焊丝堆焊于耐热钢表面，既保证工件的结构强度，又使工件表面具有良好的耐磨性能。作为一种成本低廉的制备工艺，是适用于柴油发动机活塞环的制造。合金熔炼采用中频感应熔炼，连铸工艺主要参数如下：铸速：2～3米/分钟；连铸温度：1480～1550℃；铸丝直径：Φ3.2～Φ6.4mm。

本发明合金材料的易切削高温高强自润滑耐磨合金材料的特性，可采用在肖-盘式室温摩擦试验机上进行，检测是通过对材料的摩擦系数、磨损率与scuffing性能来评定，为了模拟活塞环的工况环境，被试验合金材料应加工成Φ8×25mm的肖试样，对偶盘材料可选为铸铁，其检测结果可见实施例。

采用本发明的易切削高温高强自润滑耐磨合金材料与现有技术相比较，当在高温条件下使用时，具备良好的高温强度和抗氧化性能以及在机加工时能够容易切削等特点，其对比有以下几点：

1、高温强度高、抗氧化抗腐蚀性能优异和耐热性好。本发明的Ni₃Al基体材料通过γ′相强化和固溶强化来提高材料的强度，而且较高含量的Al、Cr元素，可使该材料在高温氧化时易在表面形成致密而稳定的Al₂O₃和Cr₂O₃氧化膜，该氧化膜对合金的进一步氧化起到阻止和保护作用，从而提高了合金的抗氧化性能。而现有技术中的高温自润滑合金是不含Al、Ti等γ′的形成元素，对比合金主要通过Mo元素的固溶强化来提高合金力学性能，强化效果有限，所以高温强度较低。由于对比合金成分中不含Al元素，因此使得对比合金在高温氧化时形不成有效的稳定氧化膜，所以材料的高温抗氧化性较差，难以保证材料在高温环境下服役。

2、所选的硫化物自润滑相化学稳定性高，因此使本发明合金材料的使用温度明显提高。从热力学的基本原理分析，金属元素所形成硫化物的能力依次排列顺序为：Zr＞Ti＞Mn＞Nb＞V＞Cr＞Al＞Mo＞W＞Fe＞Ni＞Co＞Si，Ti和Mn元素与硫的亲合力非常强，在本发明的含硫Ni₃Al基合金成分中，添加适量Mn可以形成以MnS为主兼有少部分TiS、CrS的自润滑相，这些自润滑相们化学稳定性均很强。而对比材料所公开的高温自润滑合金主要是以Cr₃S₄或MoS₂作为润滑相，它们的化学稳定性要比MnS、TiS低，尤其在高温下长期使用该自润滑相易发生分解，因此缺陷则限制了对比材料的广泛应用。

3、本发明所设计的合金成本低。目前已公开的对比材料高温自润滑合金(如CN0345844，CN1101681A)中含有Co、Nb、Mo等贵金属含量高而使成本较高，限制了它们的实用性。而本发明的Ni₃Al基易切削高温高强自润滑耐磨合金成分中不含贵金属元素，所以材料的制造成本较低。

另外，良好的机械加工性能是冶金工业化应用的一个重要因素。而在现有技术中，传统的Ni₃Al基合金与高温合金相似，加工硬化率高，使材料的机械加工非常困难。而在本发明合金材料中由于添加S元素而使得机加工性能明显的被改善。实验表明，当材料中加入0.5％的S含量时Ni₃Al基合金的机加工性能就显著提高，其机械加工性能与耐热钢相当，随S含量的增加则材料的机加工性能会越好。所以本发明高温高强自润滑耐磨合金材料能够满足如活塞环、轴套等结构件批量生产的需求。

附图说明

在本发明的易切削高温高强自润滑耐磨合金材料说明书中的附图分别为：附图1为铸造Ni₃Al基高温高强自润滑耐磨合金材料的室温磨损率；附图2为铸造Ni₃Al基易切削高温高强自润滑耐磨合金材料的室温摩擦系数；附图3为铸造Ni₃Al基易切削高温高强自润滑合金材料的微观组织；图4为Ni₃Al基易切削高温高强自润滑合金材料的焊层微观组织。

具体实施方式

实施例1：根据本发明所设计以Ni₃Al基的易切削高温高强自润滑合金材料的成分范围，我们的实施例共制备了5种本发明的易切削高温高强自润滑合金材料。为了对比方便，我们同时也制备了2种不含硫的Ni₃Al基合金和选择专利CN1101681A中三个实施例的合金材料，作为现有技术中的对比例，其冶炼成分均列入表1中。为了比较更真实合理，我们的实施例均采用感应炉进行熔炼加熔模铸造的制备工艺制得高温耐磨结构件，该方法也是用于制备耐磨件整体结构(如新型柴油发动机活塞环)的方法。工艺流程如下：采用中频感应熔炼炉将合金原料加热熔化，在1530℃的温度内精炼10分钟，使合金熔液达到充分合金化，并反应形成硫化物相。浇注温度应控制在1500℃，然后再连续、快速浇注于预热好的型壳中。本发明合金与现有技术对比材料的力学性能和摩擦系数对比结果均列入表2，本发明易切削高温高强自润滑合金与不含硫的Ni₃Al基合金材料的Scuffing性能比较结果见表3。本发明实施例中序号1合金在不同载荷下的室温磨损率见附图1；序号1合金在不同试验条件下的室温摩擦系数见附图2；序号1合金的铸态微观组织见附图3；由附图可看出，序号1合金材料具有良好的耐磨性能，其室温磨损率随载荷的增加而变大，但是总体值较小为0.125-0.25*10^-14m³/N*m，其摩擦系数为0.24-0.26，微观组织表明，该合金材料中基体相为γ′(Ni₃Al)与β(NiAl)的复合相，其中γ′的体积百分数约90％，β相的体积百分数约10％。基体相中弥散分布有块状(Mn，Cr)S和条状TiS相。由序号1合金铸造成的Φ500*30mm活塞环已使用在大型船用发动机中试车。另外我们还将序号3的母合金棒制备成粉未，制备工艺是采用旋转电极气雾化法进行制备，其粉末的颗粒度为50～100μm，然后再用等离子喷涂的方法将该粉末喷涂于工件表面做为耐磨防护层，该表面耐磨防护层具有优良的耐磨性能，其室温磨损时出现Scuffing现象的载荷值大于140Kg。该合金粉末已喷涂在舰船用发动机蠕墨铸铁活塞环的表面，试用结果表现良好。因此本发明的合金粉末同样也适用于制作成表面自润滑耐磨涂层材料。另外我们还将序号5采用本发明材料经水平连铸工艺加工成焊丝，然后再采用氩弧焊堆焊的方法施焊于20CrMo钢板基体上，经检验分析可看到，在焊层中已析出了细小弥散硫化物自润滑相(见附图4)，在室温磨损时出现Scuffing现象的载荷值为152Kg。该焊丝可堆焊于强度较高的耐热钢表面，形成高温高强自润滑耐磨层，即能保证基体材料的高强能，又保证了表面磨损层的耐磨性，同时还降低了工件的制备成本。采用这种方法可实现，要求高温高强耐磨的大型活塞环的制备。

在本发明实施例中表1为本发明合金材料与对比材料的成分对比实施例。表2为本发明合金材料与对比材料的力学性能与磨擦系数对比。表3为本发明合金与对比材料中Ni₃Al基合金室温scuffing性能对比。在对比表中，序号1-5为本发明高温高强自润滑合金材料。序号6-10为现有技术对比合金，其中序号6-8合金为专利CN1101681A公开的实施例，9-10为常用的Ni₃Al基合金。

表1本发明合金材料与对比材料的成分对比实施例(重量％)

表2本发明合金材料与对比材料的力学性能与磨擦系数对比实施例

注：序号6、7、8测试耐磨性能时选用的对偶材料为高速钢W₁₈Cr₄V

表3为本发明合金与对比材料中Ni₃Al基合金室温scuffing性能对比

性能对比	1	2	3	4	5	9	10
性能对比	1	2	3	4	5	9	10	出现scuffing时的载荷值(Kg)	126	98	140	168	152	66	60

Claims

1、一种以Ni₃Al为基的合金材料，其特征在于组成该合金材料化学成分的重量％为：Al 4-15％；Fe 2-20％；S 0.2～5％；Mn 0.5～10％；Cr 0.5～10％；Mo0.2～5％；Ti：0.2～4％；C 0.01～0.5％；B 0.01～0.1，余量为Ni。

2、根据权利要求1所述合金材料，其特征在于该成分中Al含量的重量％控制在8-12％。

3、根据权利要求1所述合金材料，其特征在于该成分中Fe含量的重量％控制在9-15％。

4、根据权利要求1所述合金材料，其特征在于该成分中S含量的重量％控制在0.5-4％。