專利名稱：一種Ni-Cu-石墨三元合金中石墨的球化處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Ni-Cu-石墨三元合金中石墨的球化處理方法，適用于在高溫氧化及腐蝕環(huán)境中工作的自潤滑軸承材料、導(dǎo)電滑板材料、高溫冶金機械材料、腐蝕環(huán)境中的化工機械材料及高溫發(fā)動機材料。
背景技術(shù)：
長期以來，人們對鑄鐵中石墨的球化處理已作了大量研究工作，獲得了性能優(yōu)良的球墨鑄鐵合金。石墨經(jīng)球化處理后，由于減弱了片狀石墨尖端對材料基體的割裂及應(yīng)力集中效應(yīng)，使得鑄鐵的韌性得到提高，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的各個領(lǐng)域。在對鑄鐵進行球化處理的研究中，已發(fā)現(xiàn)稀土元素(如Ce等)、金屬Mg、Ca以及由多種元素組成的混合稀土鎂合金，可以使鑄鐵在凝固過程中，使其中的片狀石墨結(jié)晶轉(zhuǎn)變成球狀石墨結(jié)晶。Ni-Cu-石墨高溫自潤滑材料是本發(fā)明研制的的一種新型高溫自潤滑材料，在普通凝固條件下，其組織中石墨基本呈片狀形貌，本研究發(fā)現(xiàn)雖然在Ni-Cu-石墨合金中隨著組元Cu含量的增加，石墨有逐漸球化的趨勢，但石墨的形態(tài)依然是以片狀為主或片狀與球狀混雜共存，為進一步改善石墨的形態(tài)及分布，細(xì)化石墨組織，進一步提高其自潤滑性能，對石墨進行球化處理是本發(fā)明的目標(biāo)。
本發(fā)明的目的是用稀土鎂球化劑對Ni-Cu-石墨高溫自潤滑材料進行石墨的球化處理，使鑄造合金中的片狀石墨形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙钍螒B(tài)，并細(xì)化石墨組織，以達(dá)到提高材料的自潤滑性能。采用用于鑄鐵中的稀土鎂球化劑對Ni-Cu-石墨合金中石墨進行凝固過程中的球化處理目前未見任何報道。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種高溫Ni-Cu-石墨自潤滑材料的石墨球化處理方法，其特征在于1.材料組分配比為Ni-(0～50)wt％Cu-3.5wt％C。2.采用稀土鎂球化劑對凝固中的石墨進行球化處理，稀土鎂球化劑的成分配比見表1。3.采用熔煉法進行制備，其步驟如下①采用真空中頻感應(yīng)熔煉方法，爐中加熱坩堝為石墨坩堝，②原料的加入方法如下先將稱配好的石墨粉放置于熔煉坩堝的底部，將配好的Ni塊放置其上，將配好的Cu塊和稀土鎂球化劑分別放置在不同的加料漏斗中，待加入。③在熔煉前先對爐內(nèi)抽取低真空至1.25×10-1Pa，然后充入氬氣至1個大氣壓進行保護，④加熱熔煉溫度高于1650℃，到溫后保溫5-10分鐘，從加料漏斗中將金屬Cu塊加入金屬液中，到溫后保溫3~10分鐘，⑤待金屬液出現(xiàn)輕微沸騰現(xiàn)象后，從加料斗將稱配好的稀土鎂球化劑倒入液態(tài)金屬液中，球化劑的加入量為合金總重量的0.75wt％。經(jīng)過0.8~1.5分鐘的球化反應(yīng)后，⑥關(guān)閉電源，待金屬鎮(zhèn)靜后，立即將液態(tài)合金澆入鑄型中。
表1稀土鎂球化劑的組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wt％)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wt％)Mg 21.6 Fe 24.2Al 2.1 Cu 0.2Si 47.2 Ba 1.2Ca 2.4 Ce 0.7Mn 0.4采用上述球化工藝處理后，石墨圓整細(xì)小分布于基體中，石墨球的平均直徑為20-30μm，Ni-Cu-石墨合金經(jīng)球化處理后具有高的拉伸延伸率，延伸率達(dá)到了10.3～20.2％，達(dá)到了工業(yè)用結(jié)構(gòu)材料例如鋼材的拉伸延伸率，而普通用粉末冶金法制備的含石墨材料呈脆性，所研制的所有材料經(jīng)三點彎曲試驗，均可壓成V字型而不發(fā)生脆性斷裂，表現(xiàn)出高的塑性，石墨經(jīng)球化處理后，材料與較軟的45#退火鋼(HRC＝28)對磨，摩擦系數(shù)顯著減小，材料的電阻率有所降低。


圖1.用熔煉法制備的Ni-3.5wt％石墨二元合金組織形貌，未經(jīng)球化處理，石墨呈片狀形貌。
圖2.同樣用熔煉法制備的Ni-3.5wt％石墨二元合金組織形貌，澆鑄前用0.75wt％的稀土鎂球化劑進行了球化處理。石墨呈球狀形貌。
圖3.用熔煉法制備的Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨三元合金的組織形貌，未經(jīng)球化處理，石墨呈短片狀型貌，圖4.用熔煉法制備的Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨三元合金組織形貌，澆鑄前用0.75wt％的稀土鎂球化劑進行了球化處理。石墨呈球狀形貌。
圖5.Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨三元合金經(jīng)球化處理后的高倍組織形貌，石墨球圓整并均勻分布。
圖6.用熔煉法制備的Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨三元合金的組織形貌，未經(jīng)球化處理，除片狀石墨外，部分石墨因加入銅量的增加而被球化。
圖7.用熔煉法制備的Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨三元合金的組織形貌，澆鑄前用0.75wt％的稀土鎂球化劑進行了球化處理。石墨呈球狀形貌。
圖8.用熔煉法制備的Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨三元合金的組織形貌，未經(jīng)球化處理，除片狀石墨外，由于銅含量的進一步增加，球狀石墨數(shù)量進一步增多。
圖9.用熔煉法制備的Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨三元合金的組織形貌，石墨型澆注，澆鑄前用0.75wt％的稀土鎂球化劑進行了球化處理。石墨呈球狀形貌。
圖10.Ni-3.5wt％石墨、Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨、Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨、Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨合金的板形拉伸試樣經(jīng)拉伸斷裂后試樣的外觀型貌，延伸率ε達(dá)10.3-20.2％，由于變形量大，表面呈明顯的凹凸起伏狀，表明該材料經(jīng)球化處理后，有良好的塑性。
圖11.Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨合金拉伸試樣表面變形的高倍型貌。延伸率高達(dá)20.2％，試樣表面因大量塑性滑移產(chǎn)生了顯著的凹凸起伏，塑性很好。
圖12.Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨、Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨、Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨合金經(jīng)三點彎曲性能實驗后，試樣的變形形貌，均能夠壓彎成V字型而不發(fā)生脆性斷裂。
圖13.與45#退火鋼干摩擦磨損時的摩擦系數(shù)曲線。曲線1是Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨合金的摩擦系數(shù)曲線；曲線2是Ni-3.5wt％石墨合金的摩擦系數(shù)曲線；曲線3是Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨合金的摩擦系數(shù)曲線；曲線4是Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨合金的摩擦系數(shù)曲線。
圖14.與GGr15軸承鋼(HRC＝58)干摩擦磨損時的摩擦曲線。曲線1是Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨合金的摩擦系數(shù)曲線；曲線2是Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨合金的摩擦系數(shù)曲線；曲線3是Ni-3.5wt％石墨合金的摩擦系數(shù)曲線；曲線4是Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨合金的摩擦系數(shù)曲線。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖通過實施例和比較例對本發(fā)明作進一步說明。
實施例1.Ni-3.5wt％石墨合金的石墨球化，用所述熔煉法制備的Ni-3.5wt％石墨二元合金組織形貌，澆鑄前用0.75wt％的稀土鎂球化劑進行了球化處理，石墨呈球狀形貌，見圖2；而未經(jīng)球化處理的呈片狀石墨形態(tài)，見圖1。
實施例2.Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨合金的石墨球化，圖4、圖5是用所述熔煉法制備的Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨三元合金組織形貌，澆鑄前用0.75wt％的稀土鎂球化劑進行了球化處理，石墨呈均勻細(xì)小球狀形貌。而未經(jīng)球化處理的呈片狀石墨形態(tài)，見圖3。
實施例3.Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨合金的石墨球化，圖7是用所述熔煉法制備的Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨三元合金的組織形貌，澆鑄前用0.75wt％的稀土鎂球化劑進行了球化處理，石墨呈均勻細(xì)小球狀形貌。而未經(jīng)球化處理的主要呈片狀石墨形態(tài)，見圖6。
實施例4.Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨合金的石墨球化，圖9是用所述熔煉法制備的Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨三元合金的組織形貌，石墨型澆注，澆鑄前用0.75wt％的稀土鎂球化劑進行了球化處理，石墨呈均勻細(xì)小球狀形貌。而未經(jīng)球化處理的呈片狀石墨與球狀石墨混合形態(tài)，球狀石墨形態(tài)也不完整，見圖8。
比較例(1)摩擦磨損性能。石墨經(jīng)球化處理后，材料與較軟的45#退火鋼(HRC＝28)對磨，摩擦系數(shù)比未球化的Ni-Cu-石墨合金顯著減小，其中Ni-3.5wt％C合金降低了44％，Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨合金降低了45％，Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨合金降低了11％，Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨合金降低了37％。與較硬的GCr15軸承鋼對磨摩擦系數(shù)比未球化的Ni-Cu-石墨合金總體變化不大(見表2、表3數(shù)據(jù))。這主要是與較軟的材料對磨時，材料間的黏著磨損嚴(yán)重，石墨經(jīng)球化處理后，分布更均勻，更細(xì)小，密度增大，磨面更均勻，因而使黏著磨損減輕。
(2)拉伸性能。石墨經(jīng)球化處理后，本發(fā)明材料在拉伸條件下表現(xiàn)出優(yōu)良的延伸率和強度，材料的延伸率達(dá)到了10.3～20.2％(見表2)，表現(xiàn)出高的塑性，達(dá)到了工業(yè)用結(jié)構(gòu)材料對塑性的要求，具備了塑性加工成型的能力。圖10是Ni-3.5wt％C、Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨、Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨、Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨合金經(jīng)球化處理后，其板形拉伸試樣拉伸斷裂后的外觀型貌，由于變形量大，表面呈明顯的凹凸變形痕跡，這是經(jīng)歷了較大變形的標(biāo)志，表明該材料有良好的塑性。圖11是Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨合金拉伸試樣表面變形的高倍型貌。延伸率高達(dá)20.2％，塑性很好。這主要是石墨經(jīng)球化處理后，減弱了片狀石墨尖端對材料基體的割裂及應(yīng)力集中效應(yīng)，使得基體的進一步變形得到保證。同時由于球化后石墨細(xì)小均勻分布，防止了基體金屬晶粒的長大，使材料的塑性進一步提高。所有材料經(jīng)三點彎曲試驗，均可壓成V字型而不發(fā)生脆性斷裂(見圖12)，而普通含石墨相的粉末冶金材料及含石墨鑄鐵合金均呈明顯的脆性。
(3)導(dǎo)電性能。石墨經(jīng)球化處理后，雜亂分布的片狀石墨對電流的折型阻礙變?yōu)榍驙钍珜﹄娏鞯牟ㄐ巫璧K，使材料的電阻率有所降低(見表2、表3)，因而球化后導(dǎo)電性能提高，更適合用于導(dǎo)電性自潤滑材料。
表2. Ni-Cu-石墨合金未經(jīng)球化處理的物性參數(shù)Ni-3.5wt％石墨 Ni-20wt％Cu- Ni-34wt％Cu- Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨 3.5wt％石墨 3.5wt％石墨電阻率ρ(Ω/mm-2m) 2.45.8 7.1 5.3密度(g/cm3) 8.25 8.47 8.618.77石墨的面積百分?jǐn)?shù)％22.35 23.62 19.37 15.84硬度(HB) 90.0 97.3 98.6113.6沖擊韌性ak(J/cm2) 121.8 117.5 110.2 102.6三點彎曲強度σbb(MPa)49.2 50.8 52.565.1表3. Ni-Cu-石墨合金經(jīng)球化處理后的物性參數(shù)Ni-3.5wt％石墨Ni-20wt％Cu- Ni-34wt％Cu- Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨 3.5wt％石墨 3.5wt％石墨電阻率ρ(Ω/mm-2m) 2.1 4.7 6.8 5.0密度(g/cm3) 8.25 8.05 8.47 8.64石墨的面積百分?jǐn)?shù)％24.21 26.0922.8418.69硬度(HB) 89.6 93.8 102.898.8抗拉強度σb(MPa) 259.5 225.8337.3304.5延伸率ε(％) 12.7 10.3320.2 16.0
表4. Ni-Cu-石墨系列合金未經(jīng)球化處理的干摩擦磨損性能

表5. Ni-Cu-石墨系列合金經(jīng)球化處理后的干摩擦磨損性能

盡管本發(fā)明已作了詳細(xì)的說明和例舉出一些具體例子，但本發(fā)明并不局限于這些范圍，凡是采用稀土鎂球化劑對熔煉法制備的Ni-Cu-石墨自潤滑材料的石墨球化處理均屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1，一種Ni-Cu-石墨三元合金中石墨的球化處理方法，其特征在于(1)材料由Ni-Cu-石墨合金組成，(2)采用稀土鎂球化劑對石墨進行球化處理，(3)采用熔煉法進行制備。
2，根據(jù)權(quán)力要求1所述的一種高溫Ni-Cu-石墨自潤滑材料的石墨球化處理方法，其特征在于材料組分配比為Ni-(0～50)wt％Cu-3.5wt％C
3，根據(jù)權(quán)力要求1所述的一種高溫Ni-Cu-石墨自潤滑材料的石墨球化處理方法，其特征在于稀土鎂球化劑的成分配比為21.6wt％Mg；2.1wt％Al；47.2wt％Si；2.4wt％Ca；0.4wt％Mn；24.2wt％Fe；0.2wt％Cu；1.2wt％Ba；0.7wt％Ce。
4，根據(jù)權(quán)力要求1所述的一種高溫Ni-Cu-石墨自潤滑材料的石墨球化處理方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下①采用真空中頻感應(yīng)熔煉方法，爐中加熱坩堝為石墨坩堝，②原料的加入方法如下先將稱配好的石墨粉放置于熔煉坩堝的底部，將配好的Ni塊放置其上，③將配好的Cu塊和稀土鎂球化劑分別放置在不同的加料漏斗中，待加入。④在熔煉前先對爐內(nèi)抽取低真空至1.25×10-1Pa，然后充入氬氣至1個大氣壓進行保護，⑤加熱熔煉溫度高于1650℃，到溫后保溫5-10分鐘，從加料漏斗中將金屬Cu塊加入金屬液中，到溫后保溫3～10分鐘，⑥待金屬液出現(xiàn)輕微沸騰現(xiàn)象后，從加料斗將稱配好的稀土鎂球化劑倒入液態(tài)金屬液中，球化劑的加入量為合金總重量的0.75wt％。經(jīng)過0.8～1.5分鐘的球化反應(yīng)后，⑦關(guān)閉電源，待金屬鎮(zhèn)靜后，立即將液態(tài)合金澆入鑄型中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Ni－Cu－石墨三元合金中石墨的球化處理方法，采用熔煉法制備出具有高延伸率可塑性加工成型的Ni－Cu－石墨三元系列固體自潤滑材料，用傳統(tǒng)的工業(yè)用稀土鎂球化劑實現(xiàn)了對Ni－Cu－石墨合金中石墨的球化處理。研究表明，球化后的石墨圓整、細(xì)小、均勻分布于合金基體中，通過與45#退火鋼及GCr15軸承鋼干摩擦磨損，經(jīng)球化處理的材料比未球化處理的材料摩擦性能更穩(wěn)定，與較軟的45#退火鋼干摩擦磨損摩擦系數(shù)有較大幅度降低，經(jīng)球化處理后，Ni－Cu－石墨合金具有了高的延伸率，板型拉伸試樣的延伸率達(dá)10.3％～20.2％，電阻率有所降低，三點彎曲試驗均可以壓成V字型而不發(fā)生脆性斷裂。
文檔編號C22C1/02GK1487105SQ0312526
公開日2004年4月7日 申請日期2003年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月12日
發(fā)明者朱定一 申請人:福州大學(xué)