一種鉻基高溫耐磨合金及其制備方法

一種鉻基高溫耐磨合金及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種鉻基高溫耐磨合金，該合金以高熔點金屬Cr為基體，以低熔點金屬Cu和難熔金屬Nb、Ta、W、Mo為合金化和強化元素；其中Cu元素在合金中的質量百分比為5%?30%；難熔金屬Nb和Ta至少有一種，合計質量百分比不超過10%；難熔金屬W和Mo至少有一種，合計質量百分比不超過16%；余量為Cr。本發明所述合金在800℃至1100℃之間具有良好的力學性能和抗磨損性能，同時具有較低的摩擦系數，可用于航空航天、核電站和尖端武器等高技術領域的高溫耐磨部件。本發明還公開該合金的制備方法。
【專利說明】
一種鉻基高溫耐磨合金及其制備方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種鉻基高溫耐磨合金及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 高溫合金廣泛用于航空航天、核電站和尖端武器等高技術領域。使用溫度極大的 影響著合金的各種性能，在高溫下(約1000°c)具有優異抗磨損性能的合金是高技術領域重 大裝備可靠、穩定和長壽命運行的關鍵材料之一。在高溫耐磨材料方面，目前廣泛報道的主 要是鎳基復合材料、金屬間化合物基復合材料和陶瓷基復合材料。中國專利CN103540780B 公開了一種高強度鎳基高溫自潤滑復合材料的制備方法，在室溫至900°C下具有低摩擦磨 損特性。中國專利CN103540821B公開了一種在高溫下具有自潤滑性能的氧化鋯基塊體材 料。中國專利CN101463439B公開了鎳鋁金屬間化合物高溫自潤滑復合材料，在寬溫域范圍 內具有較低的摩擦系數。美國專利US5034187公開的PM200系列高溫自潤滑復合材料可與鎳 鈷鉻合金相摩擦時具有較低的摩擦系數。NASA報道的PS304自潤滑涂層在從室溫至650°C與 鎳基高溫合金相摩擦時具有較低的摩擦系數。這些材料存在高溫強度較低、使用溫度范圍 不夠、高溫耐磨性能不足以及加工性能不足等問題。目前仍然缺乏在高達l〇〇〇°C的環境下 使用的高強度耐磨合金。

【發明內容】

[0003] 本發明的目的在于提供一種鉻基高溫耐磨合金及其制備方法。
[0004] -種鉻基高溫耐磨合金，其特征在于該合金以高熔點金屬Cr為基體，以低熔點金 屬Cu和難熔金屬他3 &、1、1〇為合金化和強化元素；其中〇!元素在合金中的質量百分比為 5%-30%;難熔金屬Nb和Ta至少有一種，合計質量百分比不超過10%;難熔金屬W和Mo至少有一 種，合計質量百分比不超過16%;余量為Cr。
[0005] 如上所述絡基高溫耐磨合金的制備方法，其特征在于采用放電等離子燒結技術 (Spark Plasma Sintering，簡稱SPS)制備，包括以下步驟： 1) 稱取〇、&1、他3&、1、1〇粉末在高能球磨機中進行球磨得到混合粉末，然后將其裝入 石墨模具中； 2) 將石墨模具置于放電等離子燒結爐中進行等離子活化燒結，燒結完成后隨爐冷卻至 室溫獲得塊體的鉻基高溫耐磨合金。
[0006] 所述0、(：11、他、了3、1、]\1〇粉末的純度大于99%，粒度小于0.076臟。
[0007] 所述步驟1)的球磨時間為3~6小時，球料比為3:1~8:1。
[0008] 所述石墨模具材料為高強度石墨，壓縮強度大于70MPa。
[0009] 所述放電等離子燒結工藝參數為：真空度小于10Pa，升溫速度50°C/min~250°C/ min，燒結溫度為1240°01540°C，保溫時間3min~15min，加壓壓力為5MPa~35MPa，直流脈沖 比12:2~12:10。
[0010] 本發明所述鉻基高溫耐磨合金的設計原理如下： I、Cr元素具有較高的熔點（1907 °C )和良好的抗氧化性能;Cu在接近其熔點（1084 °C )時 表現出軟金屬的特性并且其氧化物氧化銅(Cu2O)和氧化亞銅(CuO)具有較低的摩擦系數， 因此具有較低熔點的Cu元素在800°C至1100°C之間可起到降低摩擦系數的作用，同時銅和 其氧化物可減少摩擦界面之間的黏著現象，增強合金的抗黏著磨損性能;難熔金屬W和Mo的 氧化物三氧化鎢(WO 3)和三氧化鉬(MoO3)在高溫下是良好的固體潤滑劑，可起到降低摩擦系 數的作用，鎢和鉬的氧化物與銅的氧化物在摩擦過程中可形成鹽類物質（Cu 2WO4和 Cu2MoO4),這類材料在高溫下是良好的固體潤滑劑;這些氧化物和鹽類物質在高溫摩擦過程 中在摩擦表面可形成連續的復合固體潤滑膜，這種膜可使合金具有優異的抗磨損性能。 [0011] 2、在組成本發明所述合金的6種金屬元素之間有且僅有Cr-Nb和Cr-Ta之間形成具 有Laves相的金屬間化合物NbCr2和TaCr2,其余元素之間不存在金屬間化合物，在燒結過程 中不會出現新的化合物。Laves相金屬間化合物具有高的熔點和硬度，在高溫下具有優良的 高溫力學性能和良好的抗氧化性能。因此本發明所述合金在制備過程中原位產生的NbCr 2 和TaCr2彌散分布于基體Cr中起到彌散強化作用，同時增強了合金的抗氧化性能。合金中高 恪點的合金元素和Laves相金屬間化合物共同保證了合金在高溫下的強度，并且Laves相在 高溫下仍然保持很高的硬度，合金中這些硬質點的存在可提高合金在高溫下的抗磨粒磨損 性能。
[0012] 根據上述合金設計原理，合金各元素之間的熔點差別懸殊，普通熱壓燒結工藝無 法實現本發明所述合金的致密化燒結和Laves相的生成。放電等離子燒結技術是利用通-斷 式直流脈沖電流在粉末之間產生的高能量等離子體和放電沖擊壓力使得材料在較低的溫 度下快速成形的一種新方法。由于該技術具有等離子體活化粉末顆粒表面、高頻沖擊壓力、 焦耳熱和電場擴散之間的耦合作用等特性，因此這種技術可以將本發明所述的原料混合粉 末快速燒結成致密的塊體材料，而且在燒結過程中能夠原位生成彌散強化相NbCr 2和TaCr2。 因此本發明采用放電等離子燒結技術(SPS)來制備鉻基高溫耐磨合金。
[0013] 本發明的有益效果是： 本發明所述合金在800°C至IHKTC之間仍能保持較高的強度，同時在高溫下的合金表 面氧化層在摩擦過程中可形成連續的固體潤滑膜，從而實現高溫下優異的抗磨損性能，同 時具有較低的摩擦系數，與公開報道的同類材料相比，具有使用溫度高和加工性能好等優 點。
【具體實施方式】
[0014] 實施例1 一種絡基高溫耐磨合金Cr7〇Nb4Ta4M〇8W2Cui2制備步驟如下： 1)按質量比 Cr: Nb: Ta: Mo: W: Cu=70:4:4:8:2:12稱取純度為99%、粒度小于0.076mm的 Cr 粉，純度為99.5%、粒度小于0.044mm的Nb粉、Ta粉、Mo粉和W粉以及純度為99%、粒度小于 0.076mm的Cu粉;稱量精度為0.01克。將上述粉末裝入高能球磨機進行球磨，球磨時間為4小 時，球料比為4:1。然后將混合好的粉末裝入壓縮強度大于70MPa石墨模具中，石墨模具內腔 直徑名義尺寸為25_。
[0015] 2)將步驟1)所述裝有原料的石墨模具置于放電等離子燒結爐中進行燒結，主要工 藝參數為:真空度小于l〇Pa，升溫速度100°C/min，燒結溫度為1400°C，保溫時間5min，加壓 壓力為20MPa，直流脈沖比12: 2，冷卻方式為隨爐冷卻。脫模后即可獲得致密的鉻基高溫耐 磨合金 Cr7〇Nb4Ta4M〇8W2Cui2 〇
[0016] 本實施例1獲得的合金的主要性能如表1所示。
[0017] 摩擦磨損測試實驗條件為:載荷5N，摩擦線速度為0.2m/s，摩擦對偶材質為氮化 硅，摩擦形式為球盤式。
[0018] 表1 Cr7QNb4Ta4M08W2Cu 12力學性能與摩擦性能
實施例2 一種絡基高溫耐磨合金Cr5〇Nb6Wi6Cu28制備步驟如下： 1)按質量比Cr: Nb: W: Cu=50:6:16:28稱取純度為99%、粒度小于0.076mm的Cr粉，純度為 99.5%、粒度小于0.044mm的Nb粉和W粉以及純度為99%、粒度小于0.076mm的Cu粉;稱量精度 為0.01克。將上述粉末裝入高能球磨機進行球磨，球磨時間為5小時，球料比為6:1。然后將 混合好的粉末裝入壓縮強度大于70MPa石墨模具中，石墨模具內腔直徑名義尺寸為25_。
[0019] 2)將步驟1)所述裝有原料的石墨模具置于放電等離子燒結爐中進行燒結，主要工 藝參數為:真空度小于l〇Pa，升溫速度100°C/min，燒結溫度為1350°C，保溫時間8min，加壓 壓力為25MPa，直流脈沖比12:6，冷卻方式為隨爐冷卻。脫模后即可獲得致密的鉻基高溫耐 磨合金 CT5〇Nb6Wl6CU28 〇
[0020] 本實施例2獲得的合金的主要性能如表2所示。
[0021] 摩擦磨損測試實驗條件為:載荷5N，摩擦線速度為0.2m/s，摩擦對偶材質為氮化 硅，摩擦形式為球盤式。
[0022] 表2 Cr5ONb6W16Cu28力學性能與摩擦學性能
實施例3 一種絡基高溫耐磨合金Cr65Nb6M〇l〇W4Cul5制備步驟如下： 1)按質量比Cr :Nb :Mo: W: Cu=65:6:10:4:15稱取純度為99%、粒度小于0 · 076mm的Cr粉， 純度為99.5%、粒度小于0.044mm的Nb粉和W粉以及純度為99%、粒度小于0.076mm的Cu粉;稱 量精度為〇. 01克。將上述粉末裝入高能球磨機進行球磨，球磨時間為6小時，球料比為5:1。 然后將混合好的粉末裝入壓縮強度大于70MPa石墨模具中，石墨模具內腔直徑名義尺寸為 25mm〇
[0023] 2)將步驟I)所述裝有原料的石墨模具置于放電等離子燒結爐中進行燒結，主要工 藝參數為:真空度小于IOPa，升溫速度100°C/min，燒結溫度為1500 °C，保溫時間15min，加壓 壓力為25MPa，直流脈沖比12:5，冷卻方式為隨爐冷卻。脫模后即可獲得致密的鉻基高溫耐 磨合金 Cr65Nb6MoioW4Cui5 〇
[0024] 本實施例3獲得的合金的主要性能如表3所示。
[0025]摩擦磨損測試實驗條件為:載荷5N，摩擦線速度為0.2m/s，摩擦對偶材質為氮化 硅，摩擦形式為球盤式。
[0026] 表3 Cr65Nb6Mo1QW4Cu15力學性能與摩擦學性能
【主權項】
1. 一種絡基高溫耐磨合金，其特征在于該合金以高恪點金屬Cr為基體，以低恪點金屬 Cu和難熔金屬Nb、Ta、W、Mo為合金化和強化元素;其中Cu元素在合金中的質量百分比為5%-30%;難熔金屬Nb和Ta至少有一種，合計質量百分比不超過10%;難熔金屬W和Mo至少有一種， 合計質量百分比不超過16%;余量為Cr。2. 如權利要求1所述鉻基高溫耐磨合金的制備方法，其特征在于采用放電等離子燒結 技術制備，包括以下步驟： 1) 稱取〇、〇1、他3&、1、1〇粉末在高能球磨機中進行球磨得到混合粉末，然后將其裝入 石墨模具中； 2) 將石墨模具置于放電等離子燒結爐中進行等離子活化燒結，燒結完成后隨爐冷卻至 室溫獲得塊體的鉻基高溫耐磨合金。3. 如權利要求2所述的制備方法，其特征在于所述Cr、Cu、Nb、Ta、W、Mo粉末的純度大于 99%，粒度小于0.076mm。4. 如權利要求2所述的制備方法，其特征在于所述步驟1)的球磨時間為3~6小時，球料 比為3:1~8:1。5. 如權利要求2所述的制備方法，其特征在于所述石墨模具材料為高強度石墨，壓縮強 度大于70MPa。6. 如權利要求2所述的制備方法，其特征在于所述放電等離子燒結工藝參數為:真空度 小于10Pa，升溫速度50°C/min~250°C/min，燒結溫度為1240°01540°C，保溫時間3min~ 15min，加壓壓力為5MPa~35MPa，直流脈沖比12:2~12:10。
【文檔編號】C22C30/02GK106086566SQ201610443696
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月20日
【發明人】韓杰勝, 孟軍虎, 蘇博
【申請人】中國科學院蘭州化學物理研究所