專利名稱：寬溫帶自潤(rùn)滑鎳鉻合金基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自潤(rùn)滑復(fù)合材料技術(shù)，特別是一種寬溫帶自潤(rùn)滑鎳鉻合金基復(fù)合材料及其制備方法，解決普通油脂無法實(shí)現(xiàn)寬溫度范圍潤(rùn)滑的問題。
背景技術(shù)：
輕型高效熱引擎和先進(jìn)推動(dòng)系統(tǒng)的速度和功率輸出較以前有大幅度提高，其中的摩擦部件必須在更高的溫度下工作。高溫氧化、高的摩擦和劇烈的磨損會(huì)導(dǎo)致摩擦學(xué)部件很快失效，針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，取得了許多研究成果。
例如1989年公開的發(fā)明專利CN1034584A選用鎳鈮合金作基體，加入適量的鉬、鐵、活性元素硫及稀土化合物，各組分的質(zhì)量百分比范圍為Nb5～30％，F(xiàn)e2～30％，Si～8％，稀土化合物0.1～1％，其中S以FeS的形式加入，采用中頻高溫冶煉，鑄造成型工藝制備。該合金存在較低溫度下摩擦系數(shù)較高和較高溫度時(shí)耐磨性及耐熱性差等不足。
1993年公布的發(fā)明專利CN1073727A在鎳基合金中添加石墨與銀作潤(rùn)滑相，各組分的質(zhì)量百分含量為Ni47.1％～65.2％，Cr6.5％～9.0％，W3.6％～4.0％，Mo3.6％～4.0％，Al2.7％～3.7％，Ti1.5％～2.1％，B0.007％～0.01％，Ag5.0％～18.0％，C5.0％～17％.采用中頻勵(lì)磁感應(yīng)加熱快速熱壓法制備了自潤(rùn)滑材料，溫度升至1050℃～1300℃，熱壓壓力為7.5～28.0MPa，保溫保壓時(shí)間5～20min，該合金在900～1000℃高溫條件下具有良好自潤(rùn)滑性能，但室溫條件下摩擦系數(shù)較高(0.28～0.30)。
1995年公布的發(fā)明專利CN1101681A含硫高溫自潤(rùn)滑鎳基合金，其成分為C0-1.2％，Cr0-20％，Mo8-25％，Co3-15％，F(xiàn)e5-20％，S2-8％(wt.)，余量為Ni，采用中頻感應(yīng)熔煉，熔模鑄造成型的工藝方法制備，其中S以FeS的形式加入，熔煉溫度較高，工藝復(fù)雜，成本較高。
1999年公布的發(fā)明專利CN1220320A含硫鐵基高溫自潤(rùn)滑合金，化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Cr8.0-24.0％，Mo6.0-18.0％，Ni2.0-6.0％，Cu0-2.0％，S1.5-5.5％，余量為Fe，采用中頻感應(yīng)熔煉、熔模鑄造成型工藝制備，與鎳基自潤(rùn)滑合金相比，鐵基自潤(rùn)滑合金成本較低，但其室溫摩擦系數(shù)較高(0.30-0.52)。
2005年公布的發(fā)明專利CN03147353.9一種含稀土氟化物自潤(rùn)滑鎳基合金，選用鎳-鉻為基體，鉬、鎢為固溶強(qiáng)化相，稀土氟化物為強(qiáng)化助劑和潤(rùn)滑相，石墨為低溫潤(rùn)滑相。各組分的質(zhì)量百份含量為Cr12～18％，Mo12～18％，W3～5％，F(xiàn)e3～5％，Co1～3％，Si0.5～1.5％，Mn0.5～1.5％，稀土氟化物1～10％，石墨0～5％，Ni余量。制備的自潤(rùn)滑合金具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，可在室溫～600℃使用，但仍存在室溫耐磨性差的不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在室溫～700℃寬溫度范圍內(nèi)既具有良好的機(jī)械強(qiáng)度又具備良好自潤(rùn)滑性能的鎳鉻合金基復(fù)合材料及其制備方法。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案一種寬溫帶自潤(rùn)滑鎳鉻合金基復(fù)合材料，各組分及其質(zhì)量百分含量分別為Ni36.8～57.6％，Cr9.2～14.4％，Mo9.0～15.0％，Al2.0～6.0％，Ti3.0～8.0％，B0.08％，MoS26.0～15.0％，稀土化合物2.0～8.0％。
本發(fā)明寬溫帶自潤(rùn)滑鎳鉻合金基復(fù)合材料的稀土化合物為L(zhǎng)aF3、CeO2或La2O3。
一種寬溫帶自潤(rùn)滑鎳鉻合金基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟(1)將各組分及其質(zhì)量百分含量分別為Ni36.8～57.6％，Cr9.2～14.4％，Mo9.0～15.0％，Al2.0～6.0％，Ti3.0～8.0％，B0.08％，MoS26.0～15.0％，稀土化合物2.0～8.0％的粉末在球磨機(jī)或研缽中混合均勻；(2)將步驟(1)的混合粉末冷壓成型后放入石墨模具中，在真空熱壓機(jī)上熱壓成型，即先抽真空至2×10-5～8×10-5Pa，充氮?dú)獗Ｗo(hù)，然后升溫到1200～1280℃，達(dá)到溫度后施加正壓力12～16MPa，保溫保壓20～30min。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是(1)添加MoS2和稀土化合物的鎳鉻基自潤(rùn)滑復(fù)合材料，具有優(yōu)良的力學(xué)性能(硬度＞HRC40，抗彎強(qiáng)度＞450MPa)，硬度接近同類鎳基合金的2倍。同時(shí)添加MoS2和稀土化合物有效的降低了鎳鉻合金的摩擦系數(shù)和磨損率。(2)僅添加固體潤(rùn)滑劑MoS2的鎳基復(fù)合材料室溫～700℃的摩擦系數(shù)為0.28～0.36，磨損率為5.0～16.0×10-14m3·N-1·m-1，而同時(shí)添加了MoS2和LaF3的鎳鉻基復(fù)合材料室溫下的摩擦系數(shù)由未添加LaF3時(shí)的0.36降為0.21，降低了40％；高溫摩擦系數(shù)由未添加LaF3時(shí)的0.28降低為0.11，降低了60％。添加LaF3后鎳鉻基合金耐磨性得到大幅度提高，室溫磨損率僅為未添加的50％，高溫磨損率低于未添加LaF3合金的一半。添加MoS2和LaF3的鎳鉻合金基復(fù)合材料在室溫到700℃溫度范圍內(nèi)獲得接近油脂潤(rùn)滑的效果，在寬溫度范圍內(nèi)可部分取代油脂潤(rùn)滑。(3)添加MoS2和CeO2的鎳鉻基自潤(rùn)滑復(fù)合材料比發(fā)明專利CN03147353.9中報(bào)道的含稀土氟化物的鎳基合金室溫～700℃的摩擦系數(shù)低40％，室溫磨損率僅為報(bào)道的鎳基合金的1/4。(4)添加MoS2和La2O3的鎳鉻合金基自潤(rùn)滑復(fù)合材料，在室溫～700℃的摩擦系數(shù)比未添加La2O3的降低了50％，其摩擦系數(shù)在0.1～0.2之間，磨損率僅為未添加La2O3復(fù)合材料的50％，耐磨性提高了一倍。(5)制備的鎳鉻基復(fù)合材料具有機(jī)械強(qiáng)度高，抗氧化性好等優(yōu)點(diǎn)，摩擦學(xué)性能優(yōu)良，用于解決各類熱引擎和其它高溫機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)和密封部件寬溫度范圍的潤(rùn)滑問題。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1本發(fā)明寬溫帶自潤(rùn)滑鎳鉻合金基復(fù)合材料組分及其質(zhì)量百分比為Ni36.8％，Cr11.12％，Mo15％，Al6.0％，Ti8.0％，B0.08％，MoS215％，LaF38％。其中，Mo除起到固溶強(qiáng)化作用外，其氧化物具有良好的高溫潤(rùn)滑作用；Al、Ti生成中間相起彌散強(qiáng)化作用，提高力學(xué)性能；稀土氟化物和氧化物起高溫潤(rùn)滑作用；加入MoS2目的是在合金中引入硫元素，熱壓生成的硫化物在中低溫起潤(rùn)滑作用。MoS2添加量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，是因?yàn)镸oS2添加量過低，熱壓后生成的硫化物少，潤(rùn)滑效果不明顯；MoS2含量過高則造成力學(xué)性能的大幅度下降，高溫磨損率升高。
將上述組分及其質(zhì)量百分比的金屬粉末在球磨機(jī)上混合均勻，球磨時(shí)間20min，轉(zhuǎn)速200r/min。先將混合粉末在鋼模中冷壓成型，然后將樣品裝入石墨模具中，在日本產(chǎn)FVPHP-R-10型富士真空熱壓機(jī)上熱壓成型，先抽真空至2×10-5Pa，充氮?dú)獗Ｗo(hù)，然后升溫到1200～1240℃，達(dá)到溫度后施加正壓力16MPa，保溫保壓30min。采用阿基米德法測(cè)復(fù)合材料的密度，三點(diǎn)彎曲法測(cè)抗彎強(qiáng)度。制備的復(fù)合材料密度為7.14g·cm-3，硬度為HRC41.6，抗彎強(qiáng)度450MPa。在MG2000高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試摩擦磨損性能，采用銷盤式配副方式。如表1所示，與氧化鋁對(duì)摩時(shí)室溫到700℃溫度范圍內(nèi)摩擦系數(shù)為0.11～0.22，磨損率在10-14m3·N-1·m-1數(shù)量級(jí)。該合金機(jī)械性能優(yōu)良，在寬溫度范圍內(nèi)具有較低的摩擦系數(shù)，適合制作內(nèi)燃機(jī)引擎閥座和高溫機(jī)械密封環(huán)。
表1添加MoS2和LaF3復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能

實(shí)施例2本發(fā)明寬溫帶自潤(rùn)滑鎳鉻合金基復(fù)合材料組分及其質(zhì)量百分比為Ni52.72％，Cr9.2％，Mo9％，Al2.0％，Ti8.0％，B0.08％，MoS215％，LaF34％。將上述組分及其質(zhì)量百分比的粉末在球磨機(jī)上混合均勻，球磨時(shí)間20min，轉(zhuǎn)速150r/min.將粉末充分混合后先在鋼模中冷壓成Φ45mm×15mm的盤狀，然后將盤狀試樣一次裝入石墨模具內(nèi)，每?jī)蓚€(gè)試樣之間用石墨片隔開，用日本產(chǎn)FVPHP-R-10型富士真空熱壓機(jī)熱壓成型。先抽真空至2×10-5Pa，充氮?dú)獗Ｗo(hù)，然后升溫到1240～1280℃，達(dá)到溫度后施加正壓力12MPa，保溫保壓20min。采用阿基米德法測(cè)復(fù)合材料的密度，三點(diǎn)彎曲法測(cè)抗彎強(qiáng)度，采用銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)。該合金的密度為7.16g·cm-3，硬度為HRC42.1，抗彎強(qiáng)度477MPa。如表2所示，復(fù)合材料室溫～700℃時(shí)摩擦系數(shù)為0.15～0.25，磨損率為2.1～12.5×10-14m3·N-1·m-1，適合應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)及密封部件。
表2添加MoS2和LaF3復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能

實(shí)施例3本發(fā)明寬溫帶自潤(rùn)滑鎳鉻合金基復(fù)合材料組分及其質(zhì)量百分比為Ni57.6％，Cr14.4％，Mo14.92％，Al2.0％，Ti3.0％，B0.08％，MoS26％，LaF32％。將上述組分及其質(zhì)量百分比的金屬粉末在球磨機(jī)上混合均勻，球磨時(shí)間20min，轉(zhuǎn)速150r/min.將粉末充分混合后先在鋼模中冷壓成Φ45mm×15mm的盤狀，然后將盤狀試樣一次裝入石墨模具內(nèi)，每?jī)蓚€(gè)試樣之間用石墨片隔開，用日本產(chǎn)FVPHP-R-10型富士真空熱壓機(jī)熱壓成型。先抽真空至8×10-5Pa，充氮?dú)獗Ｗo(hù)，然后升溫到1240～1280℃，達(dá)到溫度后施加正壓力16MPa，保溫保壓20min。采用阿基米德法測(cè)復(fù)合材料的密度，三點(diǎn)彎曲法測(cè)抗彎強(qiáng)度，采用銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)。該合金的密度為7.30g·cm-3，硬度為HRC42.7，抗彎強(qiáng)度536MPa。與氧化鋁對(duì)摩時(shí)，室溫～700℃時(shí)摩擦系數(shù)為0.19～0.29，磨損率為2.1～12.5×10-14m3·N-1·m-1，適合應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)及密封部件。
表3添加MoS2和LaF3復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能

實(shí)施例4本發(fā)明寬溫帶自潤(rùn)滑鎳鉻合金基復(fù)合材料組分及其質(zhì)量百分比為Ni52.72％，Cr9.2％，Mo9％，Al2.0％，Ti8.0％，B0.08％，MoS215％，CeO2:4％。其中Ni金屬粉末粒度小于45μm，純度大于96％，Mo粉粒度20μm，MoS2粉末粒度30μm。將上述組分及其質(zhì)量百分比的粉末在球磨機(jī)上混合，球磨時(shí)間20min，轉(zhuǎn)速200r/min.將粉末充分混合后先在鋼模中冷壓成Φ45mm×15mm的盤狀，然后將盤狀試樣一次裝入石墨模具內(nèi)，每?jī)蓚€(gè)試樣之間用石墨片隔開，用日本產(chǎn)FVPHP-R-10型富士真空熱壓機(jī)熱壓成型。先抽真空至5×10-5Pa，充氮?dú)獗Ｗo(hù)，然后升溫到1240～1280℃，達(dá)到溫度后施加正壓力12MPa，保溫保壓20min。采用阿基米德法測(cè)復(fù)合材料的密度，三點(diǎn)彎曲法測(cè)抗彎強(qiáng)度，采用銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)。本發(fā)明復(fù)合材料的密度為7.26g·cm-3，硬度HRC48，抗彎強(qiáng)度590MPa，摩擦學(xué)性能如表3所示
表4添加MoS2和CeO2復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能

實(shí)施例5本發(fā)明寬溫帶自潤(rùn)滑鎳鉻合金基復(fù)合材料組分及其質(zhì)量百分比為Ni52.72％；Cr9.2％；Mo9％；Al2.0％；Ti8.0％；B0.08％；MoS2:15％；La2O34％。其中Ni金屬粉末粒度小于45μm，純度大于96％，Mo粉粒度20μm，MoS2粉末粒度30μm。將上述組分及其質(zhì)量百分比的粉末在球磨機(jī)上混合，球磨時(shí)間20min，轉(zhuǎn)速200r/min.將粉末充分混合后先在鋼模中冷壓成Φ45mm×15mm的盤狀，然后將盤狀試樣一次裝入石墨模具內(nèi)，每?jī)蓚€(gè)試樣之間用石墨片隔開，用日本產(chǎn)FVPHP-R-10型富士真空熱壓機(jī)熱壓成型。先抽真空至5×10-5Pa，充氮?dú)獗Ｗo(hù)，然后升溫到1240～1280℃，達(dá)到溫度后施加正壓力12MPa，保溫保壓30min。采用阿基米德法測(cè)復(fù)合材料的密度，三點(diǎn)彎曲法測(cè)抗彎強(qiáng)度，采用銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。本發(fā)明復(fù)合材料的密度為7.22g·m-3，硬度HRC48.7，抗彎強(qiáng)度482MPa，室溫～700℃的摩擦系數(shù)和磨損率如表5所示，在該溫度段摩擦系數(shù)在0.11～0.20，實(shí)現(xiàn)了室溫～700℃寬溫帶自潤(rùn)滑，適合應(yīng)用于高溫發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械密封部件。
表5添加MoS2和La2O3復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能

權(quán)利要求
1.一種寬溫帶自潤(rùn)滑鎳鉻合金基復(fù)合材料，其特征在于各組分及其質(zhì)量百分含量分別為Ni36.8～57.6％，Cr9.2～14.4％，Mo9.0～15.0％，Al2.0～6.0％，Ti3.0～8.0％，B0.08％，MoS26.0～15.0％，稀土化合物2.0～8.0％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬溫帶自潤(rùn)滑鎳鉻合金基復(fù)合材料，其特征在于稀土化合物為L(zhǎng)aF3、CeO2或La2O3。
3.一種制備權(quán)利要求1或2所述的寬溫帶自潤(rùn)滑鎳鉻合金基復(fù)合材料的方法，其特征在于包括以下步驟(1)將各組分及其質(zhì)量百分含量分別為Ni36.8～57.6％，Cr9.2～14.4％，Mo9.0～15.0％，Al2.0～6.0％，Ti3.0～8.0％，B0.08％，MoS26.0～15.0％，稀土化合物2.0～8.0％的粉末在球磨機(jī)或研缽中混合均勻；(2)將步驟(1)的混合粉末冷壓成型后放入石墨模具中，在真空熱壓機(jī)上熱壓成型，即先抽真空至2×10-5～8×10-5Pa，充氮?dú)獗Ｗo(hù)，然后升溫到1200～1280℃，達(dá)到溫度后施加正壓力12～16MPa，保溫保壓20～30min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種寬溫帶自潤(rùn)滑鎳鉻合金基復(fù)合材料及其制備方法。其各組分及其質(zhì)量百分含量分別為Ni36.8～57.6％，Cr9.2～14.4％，Mo9.0～15.0％，Al2.0～6.0％，Ti3.0～8.0％，B0.08％，MoS
文檔編號(hào)C22C1/05GK101078071SQ200610040659
公開日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2006年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月26日
發(fā)明者熊黨生, 李建亮 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)