CN1487062A - 一种Ni-Al-石墨自润滑材料的石墨自球化处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温Ni－Al－石墨自润滑材料的石墨自球化处理方法，该材料组分配比是选择Ni－(4.33wt％～12.73wt％)Al－3.5wt％石墨和采用熔炼法进行制备，采用上述高温Ni－Al－石墨自润滑材料的石墨自球化处理方法，可在铝含量为4.33wt％－12.73wt％较宽的成分范围内，均实现对Ni－石墨合金中片状石墨的高效球化处理。所采用的工业纯铝一方面是形成Ni－Al－石墨系列高温合金的组成元素，强化了基体组织的强度，提高了材料的抗高温氧化性能和耐腐蚀性能，同时也是使片状石墨转变成球状石墨的自球化剂。这种球化作用具有在加入6－12分钟较长的时间范围内，保持球化作用而不明显衰退的特点，经球化处理后，材料的冲击韧性得到提高，自润滑性能更加稳定，而且本发明具有生产操作方便、简单，球化效率高，易工业化生产应用等优点。
Description
技术领域：一种高温Ni-Al-石墨自润滑材料的石墨自球化处理方法，适用于在高温氧化及强腐蚀环境中工作的自润滑轴承材料、滑板材料、高温冶金机械材料、高温化工机械材料及高温发动机材料。
技术背景：长期以来，人们对铸铁中石墨的球化处理已作了大量研究工作，获得了性能优良的球墨铸铁合金。石墨经球化处理后，由于减弱了片状石墨尖端对材料基体的割裂及应力集中效应，使得铸铁的韧性得到提高，广泛应用于工业生产中的各个领域。在对铸铁进行球化处理的研究中，已发现稀土元素(如Ce等)、金属Mg、Ca以及由多种元素组成的混合稀土镁合金，可以使铸铁在凝固过程中，使其中的片状石墨结晶转变成球状石墨结晶。在工业生产的实际应用过程中，目前主要采用混合稀土镁合金作为铸铁生产中的球化剂。
Ni基-石墨固体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合金-石墨自润滑材料均采用粉末冶金烧结方法制备。用粉末冶金烧结方法制备的材料由于基体中总是存在着一定数量的空洞和微裂纹，特别是石墨与基体之间难以达到紧密型结合，因此材料脆性较大，在摩擦磨损过程中，石墨易脱落。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、石墨等粉末按一定配比混合后，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，在烧结温度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。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。
Ni基合金一直是作为燃汽轮机叶片、高温发动机、高温冶金、高温化工、高温锅炉等高温腐蚀环境中应用的材料。在Ni基合金中加入组元Al后，其抗高温氧化和耐腐蚀性能进一步提高。20世纪70年代末以来，以金属间化合物Ni3Al为代表的新型高温材料倍受世界关注，其优越的高温强度和抗高温氧化腐蚀性能被认为是未来新一代发动机及高温化工和冶金的替代材料，这种材料的最高使用温度可达1200℃。
本发明的目的是将石墨这种固体润滑剂通过熔炼法加入到Ni-Al基高温合金及Ni3Al金属间化合物中，用工业纯铝对Ni-石墨高温自润滑材料进行合金化及石墨的球化处理(自球化处理)，使铸造合金中的片状石墨形态转变为球状石墨形态，并细化石墨组织，以进一步提高它们的冲击韧性与自润滑性，获得一种新型抗高温耐腐蚀的固体自润滑材料。迄今为止，采用熔炼方法制备Ni-Al-石墨自润滑材料未见任何报道，对Ni-Al-石墨合金中的石墨进行凝固过程中的球化处理更未见任何报道。
发明内容：为了实现上述目的，本发明提供了一种高温Ni-Al-石墨自润滑材料的石墨自球化处理方法，其特征在于：1，该材料组分配比是Ni-(4.33wt％～12.73wt％)Al-3.5wt％C；2，采用熔炼法进行制备，其实现的方法步骤如下：(1).采用真空中频感应熔炼加热，加热熔炼坩埚用纯石墨坩埚。(2).原料采用纯度为99.8％的电解镍，纯度为98％的工业纯铝，纯度为99％的石墨粉。(3).原料的加入方法如下：将Ni、Al、石墨按上述配比要求称配，先将称配的石墨粉放置于熔炼坩埚的底部，将称配好的Ni块放置其上，将称配好的铝块装在加料斗中，待加入。(4)在熔炼前先对炉内抽取低真空至1.25×10-1Pa，然后充入氩气至1个大气压进行保护。(5)熔炼温度高于1650℃，到温后保温8-10分钟，(6)将铝块由加料斗中倒入液态合金中，使液态金属充分反应，时间为6-12分钟，当液态金属出现轻微沸腾现象后，然后关闭电源，将液态合金浇入铸型中。
采用上述高温Ni-Al-石墨自润滑材料的石墨自球化处理方法，可在铝含量为4.33wt％-12.73wt％(质量百分数)较宽的成分范围内，均实现了对Ni-石墨合金中片状石墨的高效球化处理。所采用的工业纯铝一方面是形成Ni-Al-石墨系列高温合金的组成元素，强化了基体组织的强度，提高了材料的抗高温氧化性能和耐腐蚀性能，同时也是使片状石墨转变成球状石墨的球化剂。这种球化剂具有在加入6-12分钟较长的时间范围内，保持球化作用而不明显衰退的特点，采用混合稀土镁合金作为铸铁生产中的球化剂的球化处理时间一般在球化剂加入后，需在1～2分钟较短的时间内浇铸，否则随着时间的延长，会发生球化作用衰退现象。因此本发明具有生产操作方便、简单，球化效率高，易工业化生产应用等优点。
附图说明
图1.Ni-12.73wt％Al-3.5wt％C合金(原子比简洁表示即Ni3Al-石墨合金)未经球化处理的组织形貌。
图2.Ni-12.73wt％Al-3.5wt％C合金(原子比简洁表示即Ni3Al-石墨合金)经球化处理后组织形貌。
图3.Ni-8.13wt％Al-3.5wt％C合金(原子比简洁表示即Ni5Al-石墨合金)未经球化处理的组织形貌。
图4.Ni-8.13wt％Al-3.5wt％C合金(原子比简洁表示即Ni5Al-石墨合金)经球化处理后组织形貌。
图5.Ni-4.33wt％Al-3.5wt％C合金(原子比简洁表示即Ni10Al-石墨合金)未经球化处理的组织形貌。
图6.Ni-4.33wt％Al-3.5wt％C合金(原子比简洁表示即Ni10Al-石墨合金)经球化处理后组织形貌。
图7.Ni10Al-石墨合金的高倍组织形貌
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.Ni-4.33wt％Al-3.5wt％C合金的石墨球化：采用上述高温Ni-Al-石墨自润滑材料的石墨自球化处理方法，当Al加入后保温8分钟，浇注于石墨型模具中，结晶的石墨呈均匀球状组织。图6.是Ni10Al-石墨合金石墨球状组织形貌。
实施例2.Ni-8.13wt％Al-3.5wt％C合金的石墨球化：采用上述高温Ni-Al-石墨自润滑材料的石墨自球化处理方法，当Al加入后保温6.5分钟浇注于石墨模具中，结晶的石墨由片状转变为均匀球状，基体为Ni-Al合金。图4.是Ni5Al-石墨合金石墨球状组织形貌。
实施例3.Ni-12.73wt％Al-3.5wt％C合金的石墨球化：采用上述高温Ni-Al-石墨自润滑材料的石墨自球化处理方法，当Al加入后保温8分钟，浇注于石墨型模具中，结晶的石墨由片状转变为均匀球状石墨形态。与球墨铸铁中球型石墨形态相同，石墨球的平均直径约为20μm。如图2.Ni3Al-石墨合金石墨球状组织形貌。
比较例：
1.采用上述高温Ni-Al-石墨自润滑材料的石墨自球化处理方法，在铝含量为4.33wt％-12.73wt％(质量百分数)较宽的组分范围内，均实现了对Ni-Al石墨合金中片状石墨的高效球化处理(见表1，图2、图4、图6、图7)。这种球化剂具有在加入6-12分钟较长的时间范围内，保持球化作用而不明显衰退的特点。因此具有长效且便于生产操作的优点。而铸铁的球化处理时间一般在球化剂加入后，需在1～2分钟较短的时间内浇铸，否则随着时间的延长，会发生球化作用衰退现象。
表1 熔炼工艺对石墨生长形态的影响
| 材料 | Al加入后的熔炼时间/min | 石墨的生长形态 |
| Ni10Al-石墨合金 | 2～46～12 | 片状球状 |
| Ni5Al-石墨合金 | 2～46～12 | 片状球状 |
| Ni3Al-石墨合金 | 2～46～12 | 片状球状 |
2，Ni-Al-石墨合金的石墨经球化处理后，由于球状石墨对基体产生的割裂作用及应力集中效应减弱，材料的冲击韧性得到提高。如本发明中Ni10Al-石墨合金未经球化处理的冲击韧性值为9.82J/cm2，经球化处理后冲击韧性提高到12.94J/cm2(见表2)，也远高于上述文献
表2 Ni-Al-石墨合金球化处理前后的冲击韧性性能数据
报道的用粉末冶金法制备的Ni-Cr-Ag-石墨合金的冲击韧性值；Ni5Al-石墨合金的冲击韧性值未经球化处理前为8.35J/cm2，经球化处理后冲击韧性提高到10.56J/cm2(见表2)，高于粉末冶金法制备的Ni-Cr-Ag-石墨合金的冲击韧性值；最脆的Ni3Al-石墨合金的冲击韧性值未经球化处理前为2.16J/cm2，经球化处理后冲击韧性提高到8.82J/cm2(见表2)，高于粉末冶金法制备的Ni-Cr-Ag-石墨合金的冲击韧性值。
| 材料αk/J.cm-2 | Ni3Al-石墨(未球化)2.16 | Ni6Al-石墨(未球化)8.35 | Ni10Al-石墨(未球化)9.82 | Ni-Cr-Ag-石墨合金2.88(最高值) |
| 材料αk/J.cm-2 | Ni3Al-石墨(球化)8.82 | Ni6Al-石墨(球化)10.56 | Ni10Al-石墨(球化)12.94 |
3，Ni-Al-石墨合金经球化处理后，由于石墨圆整、细小、均匀分布于基体中，自润滑性能更稳定，摩擦系数略有减小。Ni10Al-石墨合金经
表3 Ni-AL-石墨合金球化处理前后的干摩擦磨损性能数据
球化处理后，与45#钢及GCr15轴承钢对磨摩擦系数保持在0.12-0.15的低值(见表3)；Ni5Al-石墨合金经球化处理后，与45#钢及GCr15轴承钢对磨摩擦系数保持在0.23-0.25(见表3)。Ni3Al-石墨合金经球化处理后，与45#钢及GCr15轴承钢对磨摩擦系数保持在0.30-0.36(见表3)。上述材料经球化处理后，自润滑性能更加稳定。
| 材料 | Ni3Al-石墨(未球化)/45#钢 /GCr15轴承钢 | Ni6Al-石墨(未球化)/45#钢 /GCr15轴承钢 | Ni10Al-石墨(未球化)/45#钢 /GCr15轴承钢 |
| 摩擦系数μ | 0.4 0.4 | 0.26 0.25 | 0.15 0.16 |
| 材料 | Ni3Al-石墨(球化)/45#钢 /GCr15轴承钢 | Ni6Al-石墨(球化)/45#钢 /GCr15轴承钢 | Ni10Al-石墨(球化)/45#钢 /GCr15轴承钢 |
| 摩擦系数μ | 0.30 0.36 | 0.25 0.23 | 0.12 0.15 |
| 材料 | Ni-Cr-Ag-石墨合金 | ||
| 摩擦系数μ | 0.32(最小值) |
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，凡是采用熔炼法进行的Ni-Al-石墨自润滑材料的石墨自球化处理方法均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1，一种Ni-Al-石墨自润滑材料的石墨自球化处理方法，其特征在于：选用材料组分配比是Ni-(4.33wt％～12.73wt％)Al-3.5wt％石墨和采用熔炼法进行制备。
2，根据权力要求1所述的一种Ni-Al-石墨自润滑材料的石墨自球化处理方法，其特征在于：熔炼法采用如下步骤：
(1).采用真空中频感应熔炼加热，加热熔炼坩埚用纯石墨坩埚。
(2).原料采用纯度为99.8％的电解镍，纯度为98％的工业纯铝，纯度为99％的石墨粉。
(3).原料的加入方法如下：将Ni、Al、石墨按上述配比要求称配，先将称配的石墨粉放置于熔炼坩埚的底部，将称配好的Ni块放置其上，将称配好的铝块装在加料斗中，待加入。
(4)在熔炼前先对炉内抽取低真空至1.25×10-1Pa，然后充入氩气至1个大气压进行保护。
(5)熔炼温度高于1650℃，到温后保温8-10分钟，
(6)将铝块由加料斗中倒入液态合金中，使液态金属充分反应，时间为6-12分钟，当液态金属出现轻微沸腾现象后，然后关闭电源，将液态合金浇入铸型中。
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