專利名稱：寬溫帶自潤滑鎳鉻合金基復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明屬于自潤滑復合材料技術，特別是一種寬溫帶自潤滑鎳鉻合金基復合材料及其制備方法，解決普通油脂無法實現寬溫度范圍潤滑的問題。
背景技術：
輕型高效熱引擎和先進推動系統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導致摩擦學部件很快失效，針對上述問題，國內外學者對此進行了大量的研究，取得了許多研究成果。
例如1989年公開的發明專利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，各組分的質量百分比范圍為Nb5～30％，Fe2～30％，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較高和較高溫度時耐磨性及耐熱性差等不足。
1993年公布的發明專利CN1073727A在鎳基合金中添加石墨與銀作潤滑相，各組分的質量百分含量為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％.采用中頻勵磁感應加熱快速熱壓法制備了自潤滑材料，溫度升至1050℃～1300℃，熱壓壓力為7.5～28.0MPa，保溫保壓時間5～20min，該合金在900～1000℃高溫條件下具有良好自潤滑性能，但室溫條件下摩擦系數較高(0.28～0.30)。
1995年公布的發明專利CN1101681A含硫高溫自潤滑鎳基合金，其成分為C0-1.2％，Cr0-20％，Mo8-25％，Co3-15％，Fe5-20％，S2-8％(wt.)，余量為Ni，采用中頻感應熔煉，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，工藝復雜，成本較高。
1999年公布的發明專利CN1220320A含硫鐵基高溫自潤滑合金，化學成分為(質量分數)Cr8.0-24.0％，Mo6.0-18.0％，Ni2.0-6.0％，Cu0-2.0％，S1.5-5.5％，余量為Fe，采用中頻感應熔煉、熔模鑄造成型工藝制備，與鎳基自潤滑合金相比，鐵基自潤滑合金成本較低，但其室溫摩擦系數較高(0.30-0.52)。
2005年公布的發明專利CN03147353.9一種含稀土氟化物自潤滑鎳基合金，選用鎳-鉻為基體，鉬、鎢為固溶強化相，稀土氟化物為強化助劑和潤滑相，石墨為低溫潤滑相。各組分的質量百份含量為Cr12～18％，Mo12～18％，W3～5％，Fe3～5％，Co1～3％，Si0.5～1.5％，Mn0.5～1.5％，稀土氟化物1～10％，石墨0～5％，Ni余量。制備的自潤滑合金具有優異的摩擦學性能，可在室溫～600℃使用，但仍存在室溫耐磨性差的不足。
發明內容
本發明的目的在于提供一種在室溫～700℃寬溫度范圍內既具有良好的機械強度又具備良好自潤滑性能的鎳鉻合金基復合材料及其制備方法。
實現本發明目的的技術解決方案一種寬溫帶自潤滑鎳鉻合金基復合材料，各組分及其質量百分含量分別為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％。
本發明寬溫帶自潤滑鎳鉻合金基復合材料的稀土化合物為LaF3、CeO2或La2O3。
一種寬溫帶自潤滑鎳鉻合金基復合材料的制備方法，包括以下步驟(1)將各組分及其質量百分含量分別為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，在真空熱壓機上熱壓成型，即先抽真空至2×10-5～8×10-5Pa，充氮氣保護，然后升溫到1200～1280℃，達到溫度后施加正壓力12～16MPa，保溫保壓20～30min。
本發明與現有技術相比，其顯著優點是(1)添加MoS2和稀土化合物的鎳鉻基自潤滑復合材料，具有優良的力學性能(硬度＞HRC40，抗彎強度＞450MPa)，硬度接近同類鎳基合金的2倍。同時添加MoS2和稀土化合物有效的降低了鎳鉻合金的摩擦系數和磨損率。(2)僅添加固體潤滑劑MoS2的鎳基復合材料室溫～700℃的摩擦系數為0.28～0.36，磨損率為5.0～16.0×10-14m3·N-1·m-1，而同時添加了MoS2和LaF3的鎳鉻基復合材料室溫下的摩擦系數由未添加LaF3時的0.36降為0.21，降低了40％；高溫摩擦系數由未添加LaF3時的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的鎳鉻合金基復合材料在室溫到700℃溫度范圍內獲得接近油脂潤滑的效果，在寬溫度范圍內可部分取代油脂潤滑。(3)添加MoS2和CeO2的鎳鉻基自潤滑復合材料比發明專利CN03147353.9中報道的含稀土氟化物的鎳基合金室溫～700℃的摩擦系數低40％，室溫磨損率僅為報道的鎳基合金的1/4。(4)添加MoS2和La2O3的鎳鉻合金基自潤滑復合材料，在室溫～700℃的摩擦系數比未添加La2O3的降低了50％，其摩擦系數在0.1～0.2之間，磨損率僅為未添加La2O3復合材料的50％，耐磨性提高了一倍。(5)制備的鎳鉻基復合材料具有機械強度高，抗氧化性好等優點，摩擦學性能優良，用于解決各類熱引擎和其它高溫機構轉動和密封部件寬溫度范圍的潤滑問題。
具體實施例方式
實施例1本發明寬溫帶自潤滑鎳鉻合金基復合材料組分及其質量百分比為Ni36.8％，Cr11.12％，Mo15％，Al6.0％，Ti8.0％，B0.08％，MoS215％，LaF38％。其中，Mo除起到固溶強化作用外，其氧化物具有良好的高溫潤滑作用；Al、Ti生成中間相起彌散強化作用，提高力學性能；稀土氟化物和氧化物起高溫潤滑作用；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滑作用。MoS2添加量應控制在一定范圍內，是因為MoS2添加量過低，熱壓后生成的硫化物少，潤滑效果不明顯；MoS2含量過高則造成力學性能的大幅度下降，高溫磨損率升高。
將上述組分及其質量百分比的金屬粉末在球磨機上混合均勻，球磨時間20min，轉速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FVPHP-R-10型富士真空熱壓機上熱壓成型，先抽真空至2×10-5Pa，充氮氣保護，然后升溫到1200～1240℃，達到溫度后施加正壓力16MPa，保溫保壓30min。采用阿基米德法測復合材料的密度，三點彎曲法測抗彎強度。制備的復合材料密度為7.14g·cm-3，硬度為HRC41.6，抗彎強度450MPa。在MG2000高溫摩擦磨損試驗機上測試摩擦磨損性能，采用銷盤式配副方式。如表1所示，與氧化鋁對摩時室溫到700℃溫度范圍內摩擦系數為0.11～0.22，磨損率在10-14m3·N-1·m-1數量級。該合金機械性能優良，在寬溫度范圍內具有較低的摩擦系數，適合制作內燃機引擎閥座和高溫機械密封環。
表1添加MoS2和LaF3復合材料的摩擦學性能
實施例2本發明寬溫帶自潤滑鎳鉻合金基復合材料組分及其質量百分比為Ni52.72％，Cr9.2％，Mo9％，Al2.0％，Ti8.0％，B0.08％，MoS215％，LaF34％。將上述組分及其質量百分比的粉末在球磨機上混合均勻，球磨時間20min，轉速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，每兩個試樣之間用石墨片隔開，用日本產FVPHP-R-10型富士真空熱壓機熱壓成型。先抽真空至2×10-5Pa，充氮氣保護，然后升溫到1240～1280℃，達到溫度后施加正壓力12MPa，保溫保壓20min。采用阿基米德法測復合材料的密度，三點彎曲法測抗彎強度，采用銷盤式摩擦磨損試驗。該合金的密度為7.16g·cm-3，硬度為HRC42.1，抗彎強度477MPa。如表2所示，復合材料室溫～700℃時摩擦系數為0.15～0.25，磨損率為2.1～12.5×10-14m3·N-1·m-1，適合應用于內燃機的轉動及密封部件。
表2添加MoS2和LaF3復合材料的摩擦學性能
實施例3本發明寬溫帶自潤滑鎳鉻合金基復合材料組分及其質量百分比為Ni57.6％，Cr14.4％，Mo14.92％，Al2.0％，Ti3.0％，B0.08％，MoS26％，LaF32％。將上述組分及其質量百分比的金屬粉末在球磨機上混合均勻，球磨時間20min，轉速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，每兩個試樣之間用石墨片隔開，用日本產FVPHP-R-10型富士真空熱壓機熱壓成型。先抽真空至8×10-5Pa，充氮氣保護，然后升溫到1240～1280℃，達到溫度后施加正壓力16MPa，保溫保壓20min。采用阿基米德法測復合材料的密度，三點彎曲法測抗彎強度，采用銷盤式摩擦磨損試驗。該合金的密度為7.30g·cm-3，硬度為HRC42.7，抗彎強度536MPa。與氧化鋁對摩時，室溫～700℃時摩擦系數為0.19～0.29，磨損率為2.1～12.5×10-14m3·N-1·m-1，適合應用于航空發動機的轉動及密封部件。
表3添加MoS2和LaF3復合材料的摩擦學性能
實施例4本發明寬溫帶自潤滑鎳鉻合金基復合材料組分及其質量百分比為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。將上述組分及其質量百分比的粉末在球磨機上混合，球磨時間20min，轉速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，每兩個試樣之間用石墨片隔開，用日本產FVPHP-R-10型富士真空熱壓機熱壓成型。先抽真空至5×10-5Pa，充氮氣保護，然后升溫到1240～1280℃，達到溫度后施加正壓力12MPa，保溫保壓20min。采用阿基米德法測復合材料的密度，三點彎曲法測抗彎強度，采用銷盤式摩擦磨損試驗。本發明復合材料的密度為7.26g·cm-3，硬度HRC48，抗彎強度590MPa，摩擦學性能如表3所示
表4添加MoS2和CeO2復合材料的摩擦學性能
實施例5本發明寬溫帶自潤滑鎳鉻合金基復合材料組分及其質量百分比為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。將上述組分及其質量百分比的粉末在球磨機上混合，球磨時間20min，轉速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，每兩個試樣之間用石墨片隔開，用日本產FVPHP-R-10型富士真空熱壓機熱壓成型。先抽真空至5×10-5Pa，充氮氣保護，然后升溫到1240～1280℃，達到溫度后施加正壓力12MPa，保溫保壓30min。采用阿基米德法測復合材料的密度，三點彎曲法測抗彎強度，采用銷盤式摩擦磨損試驗機。本發明復合材料的密度為7.22g·m-3，硬度HRC48.7，抗彎強度482MPa，室溫～700℃的摩擦系數和磨損率如表5所示，在該溫度段摩擦系數在0.11～0.20，實現了室溫～700℃寬溫帶自潤滑，適合應用于高溫發動機的機械密封部件。
表5添加MoS2和La2O3復合材料的摩擦學性能
權利要求
1.一種寬溫帶自潤滑鎳鉻合金基復合材料，其特征在于各組分及其質量百分含量分別為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.根據權利要求1所述的寬溫帶自潤滑鎳鉻合金基復合材料，其特征在于稀土化合物為LaF3、CeO2或La2O3。
3.一種制備權利要求1或2所述的寬溫帶自潤滑鎳鉻合金基復合材料的方法，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，在真空熱壓機上熱壓成型，即先抽真空至2×10-5～8×10-5Pa，充氮氣保護，然后升溫到1200～1280℃，達到溫度后施加正壓力12～16MPa，保溫保壓20～30min。
全文摘要
本發明公開了一種寬溫帶自潤滑鎳鉻合金基復合材料及其制備方法。其各組分及其質量百分含量分別為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C22C1/05GK101078071SQ200610040659
公開日2007年11月28日 申請日期2006年5月26日 優先權日2006年5月26日
發明者熊黨生, 李建亮 申請人:南京理工大學