CN1280439C - 一种碳化物强化镍铝基复合高温抗磨材料 - Google Patents
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Abstract
本发明属于Ni3Al基复合高温抗磨材料的制备领域。更适用于采用碳化物来强化Ni3Al基的复合型抗高温氧化和抗磨损的合金材料。组成该材料的特征在于高温抗磨材料的成分重量%为：Al 6-14%；Fe 1-15%；B 0.01-0.1%；碳化物15-35%；余量为Ni。采用本发明高温抗磨材料与现有技术的Stellite合金相比较具有材料成本低，而且在高温下使用具有良好的抗磨性和抗氧化性能等特点，其使用温度要比Stellite合金高200℃左右。
Description
所属领域
本发明属于Ni3Al基复合高温抗磨材料的制备领域。更适用于采用碳化物来强化Ni3Al基的复合型抗高温氧化和抗磨损的合金材料。
背景技术
在现有技术中，杌械的磨损是造成机器中零部件失效的主要原因之一，其中磨粒磨损是破坏性最强的一种磨损，尤其是在高温环境下由于磨损往往伴随着材料的氧化和腐蚀，使得机械部件更易报废或失效。如火电厂发电喷煤钝体的工作温度大于960℃，该工件材料既要承受着煤粉的冲刷，同时经受着高温磨损与含硫气氛的高温腐蚀，工作环境相当恶劣，常因高温磨损腐蚀而使钝体工作表面遭受破损，经常会发生燃煤分配的不合理性和不能充分燃烧等缺陷，严重的影响着发电的效率。在现有技术中的表面强化堆焊高温耐磨材料以钴基Stellite合金为代表材料，该材料虽然在应用上比较有代表性，但由于该材料所存在一些难以解决的问题而限制了其广泛应用的前景。其缺陷有：1)价格昂贵；该合金为钴基合金，材料成本高。2)使用温度有限；由于Stellite合金的工作温度难以满足在800℃以上的工作环境中使用。3)受制备工艺约束；难以制得要求的焊丝(＜Φ2mm)，因此无法满足特殊条件的堆焊应用场合。在现有技术中所能制备的线材水平连铸Stellite焊丝，其生产最细的焊丝直径也在Φ3.2mm，为能达到该焊丝的使用条件，该焊丝必须采用无心磨将焊丝磨细至特定的使用要求尺寸，这样不仅制备工艺难度极大，而且还会造成大量的材料浪费，使生产成本增加数倍。
发明内容
本发明的目的是提出一种成分设计合理，产品制备简单和成本低，在高温下使用具有良好的抗磨性和力学性能的碳化物Ni3Al基强化复合型高温抗磨材料。
根据本发明的目的所设计的碳化物增强Ni3Al基复合型高温抗磨材料，其成分设计主要是考虑到Ni3Al基合金虽然具有较好的高温力学性能和高温抗氧化腐蚀(碳化)性能，但是在800℃以上的温度范围内使用该材料时其耐磨性及抗磨性均不能完全满足使用要求。为达到本发明的目的，我们在成分设计时采用将碳化物加入到Ni3Al的基体材料中，这样可以实现两种材料优势互补的目的，因为碳化物是一种具备高温耐磨硬质点性能的材料，同时具有高的热硬度和高温抗磨损性的特点，因此我们所设计和得到的是一种复合型的高温抗磨材料。根据以上所述本发明的基本原理和目的，我们所提出的是一种碳化物增强Ni3Al基复合型高温抗磨材料，其特征在于组成该高温抗磨材料的具体化学成分重量％为：Al 6-14％；Fe 1-15％；B 0.01-0.1％；碳化物15-35％；余量为Ni。其中碳化物是指碳化铬、碳化钨、碳化硅中的任意一种。另外在本发明高温抗磨材料中的其他特征还在于该成分的重量％为：Al 7-12％；Fe 7-15％；B：0.01-0.04％，其余含量为Ni。
根据本发明所提出的碳化物增强Ni3Al基复合高温抗磨材料，下面就各合金元素在本发明合金中所起到的作用详细叙述如下：
(1)Al：元素Al是Ni3Al基体形成元素，通过调整Al的含量可控制基体中γ′与γ相的相对比例，从而影响材料的力学性能。所以在本发明材料中Al的含量优选控制在7-12％。Ni元素也是Ni3Al基所形成的重要元素之一。
(2)Fe元素在Ni3Al中既可代替Ni位又可代替Al位，加入一定量的Fe可明显改善Ni3Al的塑性和焊接性，同时也可降低原料的成本，所以在本发明材料中Fe的含量优选控制在7-15％。
(3)B元素是改善该合金的室温塑性所必不可少的元素，通过B来强化晶界和改善晶界上位错滑移，也可阻止氢沿晶界扩散防止环境脆性发生，从而改善合金的塑性。因此在本发明材料中B的含量优选控制在0.01-0.04％。
(4)在本发明成分中的添加碳化物的目的是提高该材料高温抗磨性的重要手段之一，其作用是起到了耐磨硬质点的效果，但是添加量又是决定材料的硬度和抗磨性能，含量越高，该材料的硬度和抗磨性能则越好。再有的特征是根据不同工况环境和焊接工艺，也可改变或添加不同种类的碳化物以满足各种需求，另外的特征还在于本发明成分中所添加的碳化物是指碳化铬、碳化钨、碳化硅中的任意一种或一种以上的碳化物组合物，在本发明材料中碳化物的含量为15-35％。
本发明碳化物增强Ni3Al基复合型高温抗磨材料的制备方法与现有技术相似，首先按本发明设计成分制备成合金材料，然后再根据不同的使用要求将该合金材料加工成需要的半成品料，本发明强化复合型高温抗磨材料的使用以焊丝为例。该碳化铬-Ni-Al复合焊丝制备工艺如下：粉末配料为Ni粉、Al粉、Fe-B粉和Cr3C2粉，其粒度均为100目。各粉末按比例混合好后在干式球磨机中球磨10小时，球磨机在水冷氩气保护气氛下进行球磨，转速为230r/min。球磨好的粉末以石腊作粘接剂在压机上制成焊条坯料，然后在氢气保护下脱腊，最后在1200-1400℃真空中烧结成形，制得φ1.6-3.2mm的碳化铬-Ni-Al复合焊丝。该焊丝的使用可以采用钨极氩弧焊、气保护焊等方法将该焊丝堆焊于被加工工件的表面，在堆焊过程中，利用电弧物理热和Ni-Al自身化学反应热，在实施堆焊层中Ni-Al发生化合反应在线自生成Ni3Al基体材料，并促使碳化物与Ni3Al材料的冶金复合，从而在焊层中形成碳化物/Ni3Al的复合型高温抗磨材料。
采用本发明碳化物Ni3Al基强化复合型高温抗磨材料与现有技术的Stellite合金相比，本发明的高温抗磨材料具有成分设计合理，成本低、高温耐磨性能和高温抗氧化性优良等优点，其使用温度要比Stellite合金高200℃左右。
附图说明
在本发明说明书实施例中的附图分别是：附图1为本发明实施例中序号1材料焊层典型金相组织；附图2为本发明实施例中序号1材料与现有技术中的Stellite合金硬度曲线比较图；附图3为本发明实施例中序号1材料焊层与有技术中的Stellite合金1000℃高温氧化性能比较曲线图。
具体实施方案
采用本发明合金材料范围内的化学成分，我们共制备了五组高温抗磨村料，并采用现有技术中的粉末冶金真空常压烧结的生产方法，共制备出五组不同规格的焊丝。为了方便对比，我们同时也制备了两组现有技术中的同类对比材料，上述对比材料的具体化学成分均列入表1中。实施例的对比方案是采用本发明强化复合型高温抗磨的焊丝，经钨极氩弧焊堆焊于碳钢表面，然后分析堆焊层材料的相结构、高温硬度和耐磨性能。表2为本发明合金材料与现有技术中材料的力学性能和使用效果进行的比较结果。具体分析序号1合金结果如下：XRD分析表明，焊层中形成了碳化铬/Ni3Al复合材料，其典型的金相组织照片见附图1，从附图1中可看出黑色块状相的碳化铬均匀弥散分布于Ni3Al基体中。室温肖盘磨粒磨损试验结果表明，序号1材料堆焊层的室温耐磨性能明显高于Stellite12合金，室温磨损是经以下实验条件进行的：磨盘转速为60rpm；磨料为280#SiC水砂纸；磨损行程16.4m；载荷3.7Kg。结果表明序号1材料的磨损率为0.396mg/m，而序号7材料的磨损率为2.909mg/m，由此可知，本发明高温抗磨合金材料的产品焊丝要比现有技术中的Stellite12合金焊丝的耐磨性可提高7倍以上。
材料的高温硬度与高温抗氧化性能是其高温耐磨性能的两个最重要因素，试验结果表明，序号1材料焊层的高温硬度也明显高于6号材料和7号材料(见图2)，其900℃时硬度达到HV294，高于Stellite合金760℃时的硬度(Stellite6为HV185，Stellite12为HV245)。经1000℃高温氧化对比试验可知，序号1材料的高温抗氧化性明显优于序号7材料，本发明材料在1000℃/100小时氧化速率为0.072g/m2·h，而序号7材料的氧化速率为0.139g/m2·h(见图3)，前者氧化速率仅为后者的1/2。
在本发明实施例中，序号1-5号为本发明合金材料，序号6-7号为对比Stellite6和Stellite12合金材料。
表1本发明耐磨材料(1-5)与现有技术对比材料(6-7)化学成分
| 序号 | 碳化物 | B | Fe | Al | Ni |
| 1 | 25Cr3C2 | 0.02 | 9 | 8 | 余 |
| 2 | 20Cr3C2 | 0.03 | 11 | 8 | 余 |
| 3 | 30WC | 0.04 | 8 | 9 | 余 |
| 4 | 20WC | 0.02 | 13 | 10 | 余 |
| 5 | 20SiC | 0.03 | 10 | 8 | 余 |
| 6(Stellite 6) | 28Cr | 1.1C | 4W | - | Co余 |
| 7(Stellite12) | 29Cr | 1.3C | 8W | - | Co余 |
表2本发明耐磨合金材料与现有技术对中Stellite合余材料性能比较
| 焊丝序号 | 使用环境 | 使用温度/℃ | 堆焊层性能 | ||||
| 硬度HV(Kg/mm2) | 1000℃抗氧化性能 | 高温(800℃)耐磨性能* | |||||
| 室温 | 500℃ | 900℃ | |||||
| 1 | 大气或腐蚀气氛中 | 1000 | 520 | 450 | 290 | 优 | 2.5 |
| 2 | 大气或腐蚀气氛中 | 1000 | 440 | 380 | 240 | 优 | 1.5倍 |
| 3 | 真空环境中 | 1050 | 540 | 470 | 310 | 较差 | 3 |
| 4 | 真空环境中 | 1050 | 460 | 420 | 270 | 较差 | 2 |
| 5 | 大气环境 | 1000 | 580 | 430 | 260 | 良好 | 2 |
| 6 | 大气或腐蚀气氛中 | 800 | 390 | 285 | 150 | 中 | 0.7 |
| 7 | 气或腐蚀气氛中 | 800 | 435 | 335 | 205 | 中 | 1 |
*注：是指与对比村料序号7合金的相对耐磨性
Claims (5)
1、一种碳化物Ni3Al基强化复合型高温抗磨材料，其特征在于组成该高温抗磨材料的具体化学成分重量％为：Al 6-14％；Fe 1-15％；B 0.01-0.1％；碳化物15-35％，其中碳化物是指碳化铬、碳化钨、碳化硅中的任意一种，余量为Ni。
2、根据权利要求1所述高温抗磨材料，其特征在于该成分中Al的含量重量％为7-12％。
3、根据权利要求1所述高温抗磨材料，其特征在于该成分中Fe的含量重量％为7-15％。
4、根据权利要求1所述高温抗磨材料，其特征在于该成分中B的含量重量％为0.01-0.04％。
5、根据权利要求1所述高温抗磨材料，其特征在于该成分中的碳化物是指碳化铬、碳化钨、碳化硅中的任意一种以上碳化物的组合碳化物。
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