專利名稱：一種碳化物強(qiáng)化鎳鋁基復(fù)合高溫抗磨材料的制作方法
所屬領(lǐng)域本發(fā)明屬于Ni3Al基復(fù)合高溫抗磨材料的制備領(lǐng)域。更適用于采用碳化物來(lái)強(qiáng)化Ni3Al基的復(fù)合型抗高溫氧化和抗磨損的合金材料。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，杌械的磨損是造成機(jī)器中零部件失效的主要原因之一，其中磨粒磨損是破壞性最強(qiáng)的一種磨損，尤其是在高溫環(huán)境下由于磨損往往伴隨著材料的氧化和腐蝕，使得機(jī)械部件更易報(bào)廢或失效。如火電廠發(fā)電噴煤鈍體的工作溫度大于960℃，該工件材料既要承受著煤粉的沖刷，同時(shí)經(jīng)受著高溫磨損與含硫氣氛的高溫腐蝕，工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，常因高溫磨損腐蝕而使鈍體工作表面遭受破損，經(jīng)常會(huì)發(fā)生燃煤分配的不合理性和不能充分燃燒等缺陷，嚴(yán)重的影響著發(fā)電的效率。在現(xiàn)有技術(shù)中的表面強(qiáng)化堆焊高溫耐磨材料以鈷基Stellite合金為代表材料，該材料雖然在應(yīng)用上比較有代表性，但由于該材料所存在一些難以解決的問(wèn)題而限制了其廣泛應(yīng)用的前景。其缺陷有1)價(jià)格昂貴；該合金為鈷基合金，材料成本高。2)使用溫度有限；由于Stellite合金的工作溫度難以滿足在800℃以上的工作環(huán)境中使用。3)受制備工藝約束；難以制得要求的焊絲(＜Φ2mm)，因此無(wú)法滿足特殊條件的堆焊應(yīng)用場(chǎng)合。在現(xiàn)有技術(shù)中所能制備的線材水平連鑄Stellite焊絲，其生產(chǎn)最細(xì)的焊絲直徑也在Φ3.2mm，為能達(dá)到該焊絲的使用條件，該焊絲必須采用無(wú)心磨將焊絲磨細(xì)至特定的使用要求尺寸，這樣不僅制備工藝難度極大，而且還會(huì)造成大量的材料浪費(fèi)，使生產(chǎn)成本增加數(shù)倍。
發(fā)明目的與內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種成分設(shè)計(jì)合理，產(chǎn)品制備簡(jiǎn)單和成本低，在高溫下使用具有良好的抗磨性和力學(xué)性能的碳化物Ni3Al基強(qiáng)化復(fù)合型高溫抗磨材料。
根據(jù)本發(fā)明的目的所設(shè)計(jì)的碳化物增強(qiáng)Ni3Al基復(fù)合型高溫抗磨材料，其成分設(shè)計(jì)主要是考慮到Ni3Al基合金雖然具有較好的高溫力學(xué)性能和高溫抗氧化腐蝕(碳化)性能，但是在800℃以上的溫度范圍內(nèi)使用該材料時(shí)其耐磨性及抗磨性均不能完全滿足使用要求。為達(dá)到本發(fā)明的目的，我們?cè)诔煞衷O(shè)計(jì)時(shí)采用將碳化物加入到Ni3Al的基體材料中，這樣可以實(shí)現(xiàn)兩種材料優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的目的，因?yàn)樘蓟锸且环N具備高溫耐磨硬質(zhì)點(diǎn)性能的材料，同時(shí)具有高的熱硬度和高溫抗磨損性的特點(diǎn)，因此我們所設(shè)計(jì)和得到的是一種復(fù)合型的高溫抗磨材料。根據(jù)以上所述本發(fā)明的基本原理和目的，我們所提出的是一種碳化物增強(qiáng)Ni3Al基復(fù)合型高溫抗磨材料，其特征在于組成該高溫抗磨材料的具體化學(xué)成分重量％為Al 6-14％；Fe 1-15％；B 0.01-0.1％；碳化物15-35％；余量為Ni。其中碳化物是指碳化鉻、碳化鎢、碳化硅中的任意一種。另外在本發(fā)明高溫抗磨材料中的其他特征還在于該成分的重量％為Al 7-12％；Fe 7-15％；B0.01-0.04，其余含量為Ni。
根據(jù)本發(fā)明所提出的碳化物增強(qiáng)Ni3Al基復(fù)合高溫抗磨材料，下面就各合金元素在本發(fā)明合金中所起到的作用詳細(xì)敘述如下(1)Al元素Al是Ni3Al基體形成元素，通過(guò)調(diào)整Al的含量可控制基體中γ′與γ相的相對(duì)比例，從而影響材料的力學(xué)性能。所以在本發(fā)明材料中Al的含量應(yīng)控制在4-12％。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可明顯改善Ni3Al的塑性和焊接性，同時(shí)也可降低原料的成本，所以在本發(fā)明材料中Fe的含量應(yīng)控制在7-15％。
(3)B元素是改善該合金的室溫塑性所必不可少的元素，通過(guò)B來(lái)強(qiáng)化晶界和改善晶界上位錯(cuò)滑移，也可阻止氫沿晶界擴(kuò)散防止環(huán)境脆性發(fā)生，從而改善合金的塑性。因此在本發(fā)明材料中B的含量要控制在0.01-0.1％。
(4)在本發(fā)明成分中的添加碳化物的目的是提高該材料高溫抗磨性的重要手段之一，其作用是起到了耐磨硬質(zhì)點(diǎn)的效果，但是添加量又是決定材料的硬度和抗磨性能，含量越高，該材料的硬度和抗磨性能則越好。再有的特征是根據(jù)不同工況環(huán)境和焊接工藝，也可改變或添加不同種類的碳化物以滿足各種需求，另外的特征還在于本發(fā)明成分中所添加的碳化物是指碳化鉻、碳化鎢、碳化硅中的任意一種或一種以上的碳化物組合物，在本發(fā)明材料中碳化物的含量為15-35％。
本發(fā)明碳化物增強(qiáng)Ni3Al基復(fù)合型高溫抗磨材料的制備方法與現(xiàn)有技術(shù)相似，首先按本發(fā)明設(shè)計(jì)成分制備成合金材料，然后再根據(jù)不同的使用要求將該合金材料加工成需要的半成品料，本發(fā)明強(qiáng)化復(fù)合型高溫抗磨材料的使用以焊絲為例。該碳化鉻-Ni-Al復(fù)合焊絲制備工藝如下粉末配料為Ni粉、Al粉、Fe-B粉和Cr3C2粉，其粒度均為100目。各粉末按比例混合好后在干式球磨機(jī)中球磨10小時(shí)，球磨機(jī)在水冷氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行球磨，轉(zhuǎn)速為230r/min。球磨好的粉末以石臘作粘接劑在壓機(jī)上制成焊條坯料，然后在氫氣保護(hù)下脫臘，最后在1200-1400℃真空中燒結(jié)成形，制得φ1.6-3.2mm的碳化鉻-Ni-Al復(fù)合焊絲。該焊絲的使用可以采用鎢極氬弧焊、氣保護(hù)焊等方法將該焊絲堆焊于被加工工件的表面，在堆焊過(guò)程中，利用電弧物理熱和Ni-Al自身化學(xué)反應(yīng)熱，在實(shí)施堆焊層中Ni-Al發(fā)生化合反應(yīng)在線自生成Ni3Al基體材料，并促使碳化物與Ni3Al材料的冶金復(fù)合，從而在焊層中形成碳化物/Ni3Al的復(fù)合型高溫抗磨材料。
采用本發(fā)明碳化物Ni3Al基強(qiáng)化復(fù)合型高溫抗磨材料與現(xiàn)有技術(shù)的Stellite合金相比，本發(fā)明的高溫抗磨材料具有成分設(shè)計(jì)合理，成本低、高溫耐磨性能和高溫抗氧化性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，其使用溫度要比Stellite合金高200℃左右。


在本發(fā)明說(shuō)明書(shū)實(shí)施例中的附圖分別是附圖1為本發(fā)明實(shí)施例中序號(hào)1材料焊層典型金相組織；附圖2為本發(fā)明實(shí)施例中序號(hào)1材料與現(xiàn)有技術(shù)中的Stellite合金硬度曲線比較圖；附圖3為本發(fā)明實(shí)施例中序號(hào)1材料焊層與有技術(shù)中的Stellite合金1000℃高溫氧化性能比較曲線圖。
具體實(shí)施方案采用本發(fā)明合金材料范圍內(nèi)的化學(xué)成分，我們共制備了五組高溫抗磨村料，并采用現(xiàn)有技術(shù)中的粉末冶金真空常壓燒結(jié)的生產(chǎn)方法，共制備出五組不同規(guī)格的焊絲。為了方便對(duì)比，我們同時(shí)也制備了兩組現(xiàn)有技術(shù)中的同類對(duì)比材料，上述對(duì)比材料的具體化學(xué)成分均列入表1中。實(shí)施例的對(duì)比方案是采用本發(fā)明強(qiáng)化復(fù)合型高溫抗磨的焊絲，經(jīng)鎢極氬弧焊堆焊于碳鋼表面，然后分析堆焊層材料的相結(jié)構(gòu)、高溫硬度和耐磨性能。表2為本發(fā)明合金材料與現(xiàn)有技術(shù)中材料的力學(xué)性能和使用效果進(jìn)行的比較結(jié)果。具體分析序號(hào)1合金結(jié)果如下XRD分析表明，焊層中形成了碳化鉻/Ni3Al復(fù)合材料，其典型的金相組織照片見(jiàn)附圖1，從附圖1中可看出黑色塊狀相的碳化鉻均勻彌散分布于Ni3Al基體中。室溫肖盤磨粒磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，序號(hào)1材料堆焊層的室溫耐磨性能明顯高于Stellite12合金，室溫磨損是經(jīng)以下實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行的磨盤轉(zhuǎn)速為60rpm；磨料為280 # SiC水砂紙；磨損行程16.4m；載荷3.7Kg。結(jié)果表明序號(hào)1材料的磨損率為0.396mg/m，而序號(hào)7材料的磨損率為2.909mg/m，由此可知，本發(fā)明高溫抗磨合金材料的產(chǎn)品焊絲要比現(xiàn)有技術(shù)中的Stellite12合金焊絲的耐磨性可提高7倍以上。
材料的高溫硬度與高溫抗氧化性能是其高溫耐磨性能的兩個(gè)最重要因素，試驗(yàn)結(jié)果表明，序號(hào)1材料焊層的高溫硬度也明顯高于6號(hào)材料和7號(hào)材料(見(jiàn)圖2)，其900℃時(shí)硬度達(dá)到HV294，高于Stellite合金760℃時(shí)的硬度(Stellite6為HV185，Stellite12為HV245)。經(jīng)1000℃高溫氧化對(duì)比試驗(yàn)可知，序號(hào)1材料的高溫抗氧化性明顯優(yōu)于序號(hào)7材料，本發(fā)明材料在1000℃/100小時(shí)氧化速率為0.072g/m2·h，而序號(hào)7材料的氧化速率為0.139g/m2·h(見(jiàn)圖3)，前者氧化速率僅為后者的1/2。
在本發(fā)明實(shí)施例中，序號(hào)1-5號(hào)為本發(fā)明合金材料，序號(hào)6-7號(hào)為對(duì)比Stellite6和Stellite12合金材料。
表1本發(fā)明耐磨材料(1-5)與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比材料(6-7)化學(xué)成分

表2本發(fā)明耐磨合金材料與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)中Stellite合金材料性能比較

*注是指與對(duì)比村料序號(hào)7合金的相對(duì)耐磨性
權(quán)利要求
1.一種碳化物Ni3Al基強(qiáng)化復(fù)合型高溫抗磨材料，其特征在于組成該高溫抗磨材料的具體化學(xué)成分重量％為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鉻、碳化鎢、碳化硅中的任意一種，余量為Ni。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高溫抗磨材料，其特征在于該成分中Al的含量重量％為7-12％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述高溫抗磨材料，其特征在于該成分中Fe的含量重量％為7-15％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述高溫抗磨材料，其特征在于該成分中B的含量重量％為0.01-0.05。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述高溫抗磨材料，其特征在于該成分中的碳化物是指碳化鉻、碳化鎢、碳化硅中的任意一種以上碳化物的組合碳化物。
全文摘要
本發(fā)明屬于Ni
文檔編號(hào)C22C32/00GK1603446SQ20041007440
公開(kāi)日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2004年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月14日
發(fā)明者李尚平, 駱合力, 馮滌, 曹栩 申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院