自潤滑鎳-鉻基合金的製作方法

2023-05-14 04:51:21

專利名稱：自潤滑鎳-鉻基合金的製作方法
技術領域：
本發明是關於在大氣條件下從室溫至800℃均可使用的自潤滑合金材料，屬鎳-鉻基合金。
潤滑可以減少相對運動兩表面間的摩擦和磨損，但不論是油脂潤滑還是固體潤滑，都有其適用的溫度範圍，若超出此範圍就會造成潤滑不良甚至失效。就影響潤滑材料性能的環境氣氛和環境溫度這兩因素而言，在大氣條件下，潤滑油脂的使用溫度範圍為-60℃～+350℃，固體潤滑劑二硫化鉬和石墨分別在350℃和400℃以上就發生分解或氧化。雖某些氟化物和金屬氧化物作為高溫潤滑劑具有應用潛力，但它們的低溫潤滑性能差。因此為適應現代機器設備不同的運轉工況，有必要研製出使用溫度範圍更寬的新型自潤滑材料。
要求使用上述自潤滑材料的事例有金屬鍛造加工中的冷鍛、溫鍛和熱鍛用模具;軋制加工中的軋輥軸頸;發動機汽缸內襯、配氣閥體、閥座、閥襯;燃氣輪機中的主軸軸承等部件，它們不僅要求材料具備較高的機械強度，而且要求材料在環境溫度發生低溫至高溫溫變時能保持穩定且良好的摩擦學性能。
但具備上綜合性能的合金材料目前尚無人報導，我們以前申請的高溫自潤滑鎳基合金(公告號CN1034584A)室溫下的摩擦係數大於0.65，本發明的目的在於提供一種在大氣條件下從室溫至800℃均可使用的自潤滑合金材料，該材料在上述環境中能保持較高的機械強度和良好的摩擦學性能。
在配方上，本發明選用鎳-鉻合金為基體，以適當方式加入一定的硫，利用硫與鉻之間反應生成的固體潤滑劑的潤滑作用，實現合金自潤滑之目的，加入適量的鐵、鉬、鈮、鈷和硼作為強化元素，保證自潤滑合金的機械性能;稀土氧化物的加入可提高合金的綜合性能。
在工藝上，本發明採用石墨坩堝，以中頻感應快速熔煉、精密鑄造成型工藝製得材料。石墨坩堝中的碳與合金中某些元素反應生成碳化物並存在於合金中，可改善自潤滑合金材料的耐磨性和機械強度。中頻熔煉時的磁力攪拌對合金的均勻性和各向同性起保證作用，快速熔煉可減少材料組元在高溫下的燒損。
本發明的具體製備過程是將鎳、鉻、鐵、鉬、鈮、鈷、硼、硫〔或硫化亞鐵〕及稀土氧化物按一定比例裝入石墨坩堝中，放入中頻感應爐內，快速升溫至原料全部熔融，保溫3～7分鐘，再提高溫度250℃～350℃，保溫0.5～1.5分鐘，迅速出爐澆入予熱600℃～800℃的精鑄模殼中，待自然冷卻後脫模，即成坯料。
本發明的鎳、鉻、鐵、鉬、鈮、鈷等可選用相應的金屬塊或金屬粉，元素硫可以沉降硫磺或硫化亞鐵的形式加入，稀土氧化物為氧化鑭(La2O3)或氧化鈰(CeO2)，硼一般選擇粒度為200目～800目的硼粉。
本發明的自潤滑鎳-鉻基合金各組分的重量百分含量範圍是Fe 5～15，Mo 6～15，Nb 1.5～6.5，Co 0～16，B 0～0.15，S 4～9，La2O3(或CeO2)0.2～1.0餘量Ni+Cr(且Ni/Cr為2～5)。
優先選擇的各組元的含量範圍是Fe 8～12，Mo 8～11，Nb 3～5，Co 5～8，S 4～6，B 0.04～0.06，La2O30.2～0.4，餘量Ni+Cr(且Ni/Cr為3.5～4.5)。
按如上所述的配方和工藝製備的自潤滑鎳-鉻基合金的物理機械性能列於表1。
由表1可見，本發明的自潤滑鎳-鉻基合金具有較好的機械性能和較高的高溫強度。
表1 自潤滑鎳-鉻基合金的物理機械性能
表2是在速度為1.0m/s負荷為2.0MPa的條件下由栓盤式高溫試驗機測得的摩擦係數和磨損率。栓是本發明的材料，尺寸為φ5×15mm;盤為φ45×10mm的淬火高速鋼(HRC63)。由表中所列數據可知，本發明的自潤滑合金材料在室溫至800℃範圍內均能保持較低的摩擦係數，室溫至600℃範圍內磨損率也較低。顯然，本發明所述的自潤滑鎳-鉻基合金特別適合在室溫～600℃範圍內使用。
表2 自潤滑鎳-鉻基合金的摩擦、磨損性能測試溫度(℃) 摩擦係數磨損率(m3/m. N)×10-14室溫 0.22～0.33 1.5～5.0150 0.18～0.28 1.5～5.0300 0.15～0.25 1.0～4.0400 0.16～0.23 1.0～4.5500 0.18～0.24 2.5～8.5600 0.15～0.21 5.0～15.0700 0.15～0.18 15.0～30.0800 0.15～0.17 20.0～40.0
本發明的合金具有製備工藝簡單、成本底、使用壽命長的優點，該材料對解決大氣條件下從室溫至800℃的變溫潤滑問題應用前景廣闊。
實施例實施例1按表3的配方稱取各組分，裝入坩堝，放入中頻感應爐內，快速升溫(8分鐘由室溫升至1240℃)至原料全部熔融，1240℃下保溫5分鐘，再升溫至1500℃保溫0.5分鐘，出爐澆入已予熱至700℃的模殼中，自然降溫，製得自潤滑合金材料，其性能如下室溫摩擦係數0.22，磨損率1.8×10-14m3/m.N，600℃摩擦係數0.19，磨損率5.5×10-14m3/m.N，密度7.81×103kg/m3，布氏硬度304，衝擊強度4.11×104J/m2，室溫抗壓強度1.15GPa，600℃抗壓強度0.68GPa。
表3 實施例1的化學組成
實施例2將實施例1中的CeO2改成La2O3，在1210℃時全部原料熔融，保溫3分鐘，再升溫至1500℃保溫1分鐘，出爐澆入予熱800℃的模殼中，自然降溫。製得自潤滑材料，其性能指標為室溫摩擦係數0.26，磨損率1.5×10-14m3/m.N，600℃摩擦係數0.16，磨損率5.8×10-14m3/m.N，密度7.62×103kg/m3，布氏硬度317，衝擊強度4.85×104J/m2，室溫抗壓強度1.35GPa 600℃抗壓強度0.69GPa。
實施例3按配方Cr 18，Fe 10，Mo 13，Nb 2.5，S 8.5，CeO20.8，餘Ni，在1320℃時原料全部熔融，保溫6分鐘，再升溫至1600℃，保溫0.5分鐘後出爐。模殼予熱600℃。合金的性能指標為室溫摩擦係數0.30，磨損率3.3×10-14m3/m.N，600℃摩擦係數0.18，磨損率6.8×10-14m3/m.N，密度7.69×103kg/m3，布氏硬度301，衝擊強度3.31×104J/m2，室溫抗壓強度1.22GPa，600℃抗壓強度0.58GPa。
實施例4按配方Cr 10，Fe 15，Mo 15，Nb 6.5，Co 16，B 0.15，S 9，CeO21.0，餘Ni，在1200℃時原料全部熔融，保溫5分鐘，再升溫至1550℃，保溫1.5分鐘後出爐。模殼予熱800℃。合金的性能指標為室溫摩擦係數0.31，磨損率4.9×10-14m3/m.N，600℃摩擦係數0.20，磨損率11.4×10-14m3/m.N，密度8.07×103kg/m3，布氏硬度316，衝擊強度3.70×104J/m2，室溫抗壓強度1.08GPa，600℃抗壓強度0.51GPa。
權利要求
1.一種在大氣條件下從室溫至800℃均可使用的自潤滑鎳-鉻基合金，其特徵是這種合金各組分的重量百分比範圍是Fe5～15，Mo6～15，Nb1.5～6.5，Co0～16，S4～9，B0～0.15，La2O3[或CeO2]0.2～1.0，餘量Ni+Cr[且Ni/Cr為2～5]。
2.如權利要求1所述的自潤滑鎳-鉻基合金，其特徵是合金各組分的重量百分比範圍為Fe 8～12，Mo 8～11，Nb 3～5，Co 5～8，S 4～6，B 0.04～0.06，La2O3〔或CeO2〕0.2～0.4，餘量Ni+Cr〔Ni/Cr為3.5～4.5〕。
3.一種自潤滑鎳-鉻基合金，採用石墨坩堝，以中頻感應快速熔煉，精密鑄造工藝製備，其操作步驟包括(1)預熱精鑄模殼至600℃～800℃(2)按配方稱取自潤滑合金各組分，裝入石墨坩堝中(3)將坩堝放入中頻感應爐內，快速升溫至原料全部熔融其特徵是當原料全部熔融後保溫3～7分鐘，再提高溫度250℃～350℃，保溫0.5～1.5分鐘。
全文摘要
自潤滑鎳-鉻基合金採用石墨坩堝、以中頻感應加熱熔煉、精密鑄造成型工藝製備。選鎳-鉻合金為基體，引入元素硫實現自潤滑之目的，以鐵、鉬、鈮、鈷、硼為強化元素，並加入適量的稀土氧化物提高合金材料的綜合性能。本材料在大氣條件下從室溫至800℃均保持較高的機械強度和優良的摩擦學性能。
文檔編號C22C27/06GK1082620SQ9210893
公開日1994年2月23日 申請日期1992年7月28日 優先權日1992年7月28日
發明者闞存一, 劉近朱, 張國威, 歐陽錦林 申請人:中國科學院蘭州化學物理研究所