CN1418975A - 一种超高碳Cr－Ni－C高温耐磨合金材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高碳Cr－Ni－C高温耐磨合金材料，该合金材料主要由Cr、Ni、C三种金属元素组成，其化学成分为，Cr(wt％)为47～73、Ni(wt％)为16～48、C(wt％)为4.0～12，其主要组织组成相是金属碳化物Cr₇C₃及被Cr、C元素过饱和的镍基固溶体。该超高碳Cr－Ni－C高温耐磨合金材料可广泛应用于电力、能源、石油、化工、有色金属冶金、钢铁冶金、航空航天等工业装备中大量高温摩擦磨损机械运动副零部件的高温耐磨涂层的制备或高温摩擦磨损机械运动副零部件的整体铸造成形。

Description

一种超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金材料

技术领域

本发明涉及一种有色金属合金材料，更特别的是指一种高温耐磨的超高碳Cr-Ni-C合金材料及其制备高温耐磨涂层与铸造零件的方法。

发明背景

在航空、航天、机械、钢铁及有色金属冶金、石油、化工、电力、海洋等工业中，大量高温摩擦磨损运动副金属零部件，要求制造这些运动副金属零部件的材料同时具有优异的高温耐磨性、良好的高温抗氧化性能及低的摩擦系数。在整体高温耐磨结构材料方面：现有绝大多数金属耐磨材料，如高锰钢、合金工具钢、耐磨合金白口铸铁等，因为高温硬度不够或高温抗氧化性能差，而难以满足高温运动副零部件的性能要求；抗氧化性能及高温强韧性优异的耐热钢及铁基、镍基、钴基高温合金等高温结构材料，往往因为高温硬度低和易于与金属摩擦副发生粘着，难以作为高温运动副零部件使用；SiC、Si₄N₃、Al₂O₃等高温结构陶瓷材料，虽然高温耐磨性及高温抗氧化性能优异，但由于其严重的脆性及极差的机械加工性能，一般难以作为关键高温摩擦运动副零部件使用。

采用表面工程等手段，在高强韧性金属高温耐磨运动副零部件表面制备一层高温耐磨涂层材料，是解决和提高高温摩擦磨损运动副零部件高温耐磨性能的最有效和和经济措施之一。在高温耐磨涂层材料体系方面，Ni-Cr-B-Si-C、Fe-Cr-Si-B、Fe-Cr-Si-B-C等低熔点自熔合金体系，由于高温硬度低、抗氧化性能差、熔点低，难以用作高温耐磨涂层使用；Co-WC、NiCr-Cr₂C₃、CoCr-Cr₃C₂等碳化物增强等离子喷涂金属陶瓷涂层材料体系，存在涂层抗氧化性能差、脆性大、涂层不致密、涂层与零件基材界面结合强度低等缺点并将影响涂层的高温摩擦学性能；氧化铝、氧化锆陶瓷材料高温耐磨涂层，高温耐磨性及高温抗氧化性能优异，但其对金属的摩擦学相容性差，涂层只能采用等离子喷涂等热喷涂方法制备，涂层组织不致密，涂层脆性很大，通常作为高温耐磨运动副使用会受到很大限制。在涂层制备技术方面：火焰喷涂、高速火焰喷涂、常压等离子喷涂、低压等离子喷涂、电弧喷涂等热喷涂方法制备的涂层，组织存在疏松及孔隙，特别是涂层与金属零件之间界面结合为机械结合，界面接合强度低，涂层在高温摩擦磨损及热循环过程中易开裂与剥落；激光熔覆涂层存在组织完全致密均匀、涂层与金属零件之间为完全冶金结合等特点，但目前尚无适合激光熔覆的高温耐磨材料体系。

本发明提供了一种既可广泛应作电力、能源、石油、化工、有色金属冶金、钢铁冶金等工业中大量高温摩擦磨损机械运动副零部件表面高温耐磨涂层、也可以用于上述零件整体铸造成形的超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金材料。发明目的

本发明的目的是，针对上述高温耐磨摩擦磨损运动副零部件对零件材料及高温耐磨涂层材料的性能要求，研究出了一种具有优异耐磨性能(包括优异的常温及高温磨料磨损、粘着磨损、冲刷磨损、腐蚀磨损性能等)、优良耐高温抗氧化性能及低摩擦系数等性能配合的超高碳Cr-Ni-C高温耐磨新材料及其制备高温耐磨涂层与高温耐磨零件的方法，本发明广泛适用于制造各种高温摩擦磨损运动副零部件的高温耐磨涂层或上述零件的整体铸造成形。

发明内容

本发明公开了一种超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金材料，该合金材料主要由Cr、Ni、C三种金属元素组成，其Cr(wt％)为47～73、Ni(wt％)为16～48、C(wt％)为4.0～12，其主要组织组成相是金属碳化物Cr₇C₃及被Cr、C元素过饱和的镍基固溶体。

所述制作的合金材料，其化学成分为Cr(wt％)为69～73、Ni(wt％)为15～18、C(wt％)为10.5～11.5。

所述制作的合金材料，其化学成分为Cr(wt％)为65～69、Ni(wt％)为19～29、C(wt％)为8.5～9.5。

所述制作的合金材料，其化学成分为Cr(wt％)为57～63、Ni(wt％)为28～32、C(wt％)为7.5～8.5。

所述制作的合金材料，其化学成分为Cr(wt％)为50～56、Ni(wt％)为37～43、C(wt％)为6.5～7.5。

所述制作的合金材料，其化学成分为Cr(wt％)为43～51、Ni(wt％)为46～50、C(wt％)为4.0～5.5。

所述的合金材料，可加入总量为2～8％的Mo、W、Nb、Ti合金元素进行合金化，提高合金的高温强度及高温耐磨性能。

所述的合金材料，可加入0.5～2％的Al来提高耐蚀性和抗氧化性能。

所述的合金材料，可采用氩气雾化、离心雾化制成合金粉末，利用激光熔敷、等离子喷涂、电弧喷涂及火焰喷涂的方法在金属机械零件表面上制成高温高耐磨涂层，还可以采用Cr、Ni、C三种元素粉末之混合料，采用激光熔敷技术在大气、或惰性保护气氛条件下在金属机械零件表面上熔覆高温高耐磨涂层。

所述的合金材料，也可通过普通大气及真空感应合金熔炼、大气及真空电弧熔炼方法熔炼，采用砂型铸造及熔模铸造成型铸造工艺，整体铸造成形为各种高温耐磨机械零部件。

本发明的合金材料，其材料硬度为700～1300HV，室温滑动磨损奥氏体不锈钢1Cr19Ni9Ti的15～50倍；耐磨使用温度可达850℃。

本发明涉及的超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金材料，其主要组成元素是Cr、Ni、C三个元素，其主要组织组成相是Cr₇C₃金属碳化物、NiCr镍基固溶体。由于集中了Cr₇C₃金属碳化物的高硬度、优异的耐磨性能(包括磨料磨损、粘着磨损、冲蚀磨损及腐蚀磨损)及优异的耐蚀性等优点，本发明涉及的超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金材料同时具有优异的耐磨性能(滑动磨损、磨料磨损、粘着磨损、冲蚀与冲刷磨损等)及良好的热腐蚀与高温耐氧化性能，适于高温摩擦磨损运动副零部件的高温耐磨涂层或整体铸造成形。

附图说明

图1是室温干滑动磨损实验原理示意图

图2是激光熔覆HW-1合金涂层X射线衍射分析结果图。

图3是激光熔覆HW-1合金涂层显微组织光学金相照片，X500。

图4是激光熔覆合金涂层显微硬度分布图。

具体实施例

本发明的一种超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金材料，该合金材料主要由Cr、Ni、C三种金属元素组成，其化学成分为，Cr(wt％)为47～73、Ni(wt％)为16～48、C(wt％)为4.0～12，其主要组织组成相是金属碳化物Cr₇C₃及被Cr、C元素高度过饱和的镍基固溶体。

本发明的合金材料由于集中了Cr₇C₃金属碳化物的高硬度、优异的耐磨性能(包括磨料磨损、粘着磨损、冲蚀磨损及腐蚀磨损)及优异的耐蚀性等优点，本发明涉及的超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金材料同时具有优异的耐磨性能(滑动磨损、磨料磨损、粘着磨损、冲蚀与冲刷磨损等)及良好的热腐蚀与高温耐氧化性能，适于高温摩擦磨损运动副零部件高温耐磨涂层的制备或上述高温耐磨零部件的整体铸造成形。

选取列于表1中的五个优化设计的典型超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金作为实施例试验合金，采用预制合金粉末及同步送粉激光熔覆技术在0.20％C低碳钢、1Cr18Ni9Ti不锈钢、GH4169镍基高温合金等结构材料表面上制备高温耐磨涂层。

表1：超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金合金化学成分(wt％)

元素	重量百分比(wt％)
						HW-1	HW-2	HW-3	HW-4	HW-5
	Ni	16	24	32	40						48
Cr						73	67	60	53	47
	C	11	9	8	7						5

1、激光熔覆涂层制备

选用粒度为60～320目的上述合金粉末，在TJ-5000型5kW横流连续CO₂激光材料加工与表面改性成套设备上、采用预置粉末及同步送粉法、利用激光熔覆技术在0.20％C低碳钢、1Cr18Ni9Ti不锈钢、GH4169镍基高温合金等结构材料表面上，制备超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金涂层，激光熔覆工艺条件为：激光输出功率2.5～3.9kW、光斑尺寸约1×18mm、光束扫描速度为60～150mm/min。激光熔覆涂层组织致密均匀、无裂纹、无气孔、同零件基材之间为完全冶金熔合结合，涂层组织主要由块状初生碳化物Cr₇C₃及初生相之间Cr₇C₃/γ共晶组织组成，涂层硬度分布均匀，平均涂层硬度HV700～HV1300，涂层厚度根据需要可在0.3～3mm范围内调节。

2、显微组织分析

用Dmax-RB12kW旋转阳极X射线衍射仪对耐磨复合材料涂层进行物相组成分析，分别用Nephot光学金相显微镜及S-530扫描电子显微镜上进行涂层组织分析及磨损表面形貌观察。在MH-6半自动显微硬度计测量涂层平均硬度及硬度分布，各超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金激光熔覆涂层的硬度测试结果见图4。

3、室温干滑动磨损实验

在MM-200型磨损实验机上进行干滑动磨损实验，激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高温耐磨涂层(试块尺寸为10mm×10mm×10mm)与45#钢(淬火-低温回火处理，硬度HRC53±3)对磨试环进行摩擦，导致试样表面发生磨损，磨损实验参数见表2。以A3钢作为标准试样，采用称重法测量标准试样及磨损试样的磨损失重，磨损前后均用酒精擦洗试样，用感量为10^-4克的电子分析天平称取试样磨损失重(所有结果均为三块相同试样的平均值)，用相对耐磨性ε_W即标样失重与试样失重之比作为衡量试样耐磨性高低的标准，ε_W越大，表示材料耐磨性越好，各超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金激光熔覆涂层的耐磨性试验结果见表3。

表2：滑动磨损实验参数

载荷                                   磨损时间

                 试环旋转速度(rpm)

(kg)                                   (min)

15.0             400                    60

4、激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金涂层显微组织

X射线衍射分析结果表明，全部激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金涂层均由Cr₇C₃碳化物及镍基固溶体组成(如图2所示)，其组织由块状Cr₇C₃碳化物初生相和初生相间少量Cr₇C₃/γ共晶组织组成，如图3所示。

5、激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金涂层显微硬度及耐磨性

由图4可见，激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金涂层硬度分布均匀，涂层硬度很高，平均硬度达到HV700～HV1300以上。由表3可见，激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金涂层具有很好的耐磨性，且磨损表面分析表明，涂层在同45钢摩擦磨损过程中几乎不发生粘着磨损。

表3：激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金涂层室温干滑动磨损试验结果

合金编号	HW-1	HW-2	HW-3	HW-4	A3钢
						磨损前，克	8.8876	7.7529	9.6301	9.7590	8.1057
磨损后，克	8.8757	7.7485	9.6259	9.7534	7.8839
						磨损失重	0.0119	0.0044	0.0042	0.0056	0.2218
相对耐磨性	18.6	50.4	52.8	39.6	1.0

Claims (10)

1.一种超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金材料，其特征在于：该合金材料主要由Cr、Ni、C三种金属元素组成，其Cr(wt％)为47～73、Ni(wt％)为16～48、C(wt％)为4.0～12，其主要组织组成相是金属碳化物Cr₇C₃及被Cr、C元素过饱和的镍基固溶体。

2.根据权利要求1所述制作的合金材料，其特征在于：合金材料化学成分为Cr(wt％)为69～73、Ni(wt％)为15～18、C(wt％)为10.5～11.5。

3.根据权利要求1所述制作的合金材料，其特征在于：合金材料化学成分为Cr(wt％)为65～69、Ni(wt％)为19～29、C(wt％)为8.5～9.5。

4.根据权利要求1所述制作的合金材料，其特征在于：合金材料化学成分为Cr(wt％)为57～63、Ni(wt％)为28～32、C(wt％)为7.5～8.5。

5.根据权利要求1所述制作的合金材料，其特征在于：合金材料化学成分为Cr(wt％)为50～56、Ni(wt％)为37～43、C(wt％)为6.5～7.5。

6.根据权利要求1所述制作的合金材料，其特征在于：合金材料化学成分为Cr(wt％)为43～51、Ni(wt％)为46～50、C(wt％)为4.0～5.5。

7.根据权利要求1～6所述的合金材料，其特征在于：可加入总量为2～8％的Mo、W、Nb、Ti合金元素进行合金化，提高合金的高温强度及高温耐磨性能。

8.根据权利要求1～6所述的合金材料，其特征在于：可加入0.5～2％的Al来提高耐蚀性和抗氧化性能。

9.根据权利要求1～6所述的合金材料，其特征在于：该合金材料可采用氩气雾化、离心雾化制成合金粉末，利用激光熔敷、等离子喷涂、电弧喷涂及火焰喷涂的方法在金属机械零件表面上制成高温高耐磨涂层，还可以采用Cr、Ni、C三种元素粉末之混合料，采用激光熔敷技术在大气、或惰性保护气氛条件下在金属机械零件表面上熔覆高温高耐磨涂层。

10.根据权利要求1、6所述的合金材料，其特征在于：该合金材料也可通过普通大气及真空感应合金熔炼、大气及真空电弧熔炼方法熔炼，采用砂型铸造及熔模铸造成型铸造工艺，整体铸造成形为各种高温耐磨机械零部件。

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