一种镍基高温自润滑复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种镍基高温自润滑复合材料及其制备方法，该材料具有良好的宽温域润滑抗磨性能，用于解决航空航天、核能、石油、化工等工业领域中特殊环境(耐辐射、高低温、高低载、高低速等)条件下相关零部件的润滑问题，特别适用于核电装备的高温系统运动部件。
【背景技术】
[0002]核电具有经济、环保和持续稳定发电等优点，已成为国家发展规划中低碳能源供应的重要支柱。核电设备的辐射剂量很高，一般的润滑油脂在受到辐射后会发生辐射分解，丧失润滑性能。此外，核电站中的某些关键设备又必须面对高温环境。在这种极端工况下，高温自润滑材料和技术是解决其润滑问题的有效途径。然而，目前国内外可用于核电领域的高温自润滑材料鲜见报道。现有的使役材料多为核石墨和含铅合金，但较低的强度是其弱点，影响其使用寿命。因此，迫切需要研发新型的高温自润滑材料来解决核电装备的技术瓶颈。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种从室温到高温500°C的镍基自润滑复合材料，通过耐辐射固体润滑剂的复配来实现宽温域低摩擦和高耐磨性能。
[0004]本发明利用粉末冶金制备技术，通过材料成分调控设计制备了耐辐射高温自润滑材料。镍基合金具有良好的高温强度以及耐辐射性能，被选作高温自润滑材料的基体相。固体润滑剂有较强的耐辐射能力，其中层状固体润滑剂石墨可以长期暴露在辐射环境中而不受影响，软金属铅的耐辐射能力特别强。这两种固体润滑剂的复配一方面对于核反应是安全的，另一方面具有协同润滑效应。本发明发挥镍基合金基体相、复配固体润滑相等协同效应，研制出满足核辐射条件下使用的低摩擦高温自润滑材料及其制备技术。
[0005]—种镍基高温自润滑复合材料，其特征在于该材料所包含的组分及各组分在材料中的质量百分数为:Ni基合金60?94%、石墨1?10%和Pb5?30%。
[0006]所述Ni基合金为雾化合金粉末，其组成及各组分所占的质量百分数为:Ni60-95%、Cr Η0%、Μο 卜5%、W 卜5%、Cu H0%、A1 1-10%。
[0007]本发明的镍基高温自润滑复合材料采用热压烧结方法制备，特征在于包括如下工艺步骤:
分别称取Ni基合金粉末、石墨粉末和Pb粉末进行高能球磨得到混合粉末;将混合粉末装入石墨模具，置于真空热压烧结炉中进行热压成型烧结，烧结完成后炉冷至室温，得到块体镍基高温自润滑复合材料。
[0008]所述球磨的条件为:球磨时间为4?8小时，球料比为3-8:1，磨罐和磨球均为碳化妈硬质合金，转速为200?300r/min。
[0009]所述烧结的条件为:升温速率为10?50°C/min，真空度为10—2?10—^a，烧结温度为600?1000°C，烧结压力为20?40MPa，保温时间为10?60min。
[0010]本发明的镍基高温自润滑复合材料具有低摩擦和高耐磨特性。采用栓盘接触式真空高温摩擦磨损试验机测试材料的摩擦磨损性能，盘为本发明的材料，尺寸为18.5X18.5X 5mm3，对偶栓为GH4169镍基超合金。实验条件如下:接触应力7MPa，滑动速率0.033m/s，运行时间10分钟，测试温度为室温、200和500°C。具体性能如下:室温时，摩擦系数为0.08-0.16，磨损率为6.3-9.8 X 10—6 mm3/Nm；200°C时，摩擦系数为0.07-0.15,磨损率为8.2_12 X10—6 mm3/Nm;500°C时，摩擦系数为0.12-0.19，磨损率为35-50X 10—6 mm3/Nm。
[0011]本发明的镍基高温自润滑复合材料具有较高的强度。压缩强度测试的试样尺寸为Φ 3mm X 4.5mm，压头下移速度为0.05mm/min，其室温压缩强度>300MPa。
[0012]本发明的制备工艺简单，通过配方和工艺的调整，材料性能可调控。
[0013]本发明制备的自润滑复合材料在宽温域的复杂环境下具有优良的润滑性能，其作为核电等领域的高温运动系统部件具有广泛的应用前景。
【附图说明】
[0014]图1是本发明实施例1制备的镍基合金-石墨-铅高温自润滑复合材料的室温摩擦系数-时间曲线。
[0015]图2是本发明实施例1制备的镍基合金-石墨-铅高温自润滑复合材料的200°C摩擦系数-时间曲线。
[0016]图3是本发明实施例1制备的镍基合金-石墨-铅高温自润滑复合材料的500°C摩擦系数-时间曲线。
【具体实施方式】
[0017]实施例1
按照质量百分数82%的Ni基合金，质量百分数为8%的石墨和质量百分数为10%的Pb，分别称取粉末材料，将其置于行星式球磨机中干混合，转速为250r/min，球料比为8:1，磨球为碳化钨硬质合金球，球磨时间为8小时，获得均匀的混合粉末。将该混合粉末装入涂有六方氮化硼的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，炉腔真空度为10—2?10—χΡβ，升温速率为10°C/min，烧结温度为900°C，烧结压力为35MPa，烧结时间为30min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到致密的N1-8%C-10%Pb高温自润滑复合材料。
[0018]实施例2
按照质量百分数70%的Ni基合金，质量百分数为10%的石墨和质量百分数为20%Pb，分别称取粉末材料，将其置于行星式球磨机中干混合，转速为200r/min，球料比为4:1，磨球为碳化钨硬质合金球，球磨时间为6小时，获得均匀的混合粉末。将该混合粉末装入涂有六方氮化硼的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，炉腔真空度为10—2?10—χΡβ，升温速率为30°C/min，烧结温度为800°C，烧结压力为25MPa，烧结时间为20min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到致密的N1-10%C-20%Pb高温自润滑复合材料。
[0019]实施例3
按照质量百分数70%的Ni基合金，质量百分数为5%的石墨和质量百分数为25%Pb，分别称取粉末材料，将其置于行星式球磨机中干混合，转速为200r/min，球料比为4:1，磨球为碳化钨硬质合金球，球磨时间为4小时，获得均匀的混合粉末。将该混合粉末装入涂有六方氮化硼的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，炉腔真空度为10—2?10—χΡβ，升温速率为30°C/min，烧结温度为800°C，烧结压力为25MPa，烧结时间为20min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到致密的N1-5%C-25%Pb高温自润滑复合材料。
【主权项】
1.一种镍基高温自润滑复合材料，其特征在于该材料所包含的组分及各组分在材料中的质量百分数为:Ni基合金60?94%、石墨1?10%和Pb5?30%。2.如权利要求1所述的材料，其特征在于所述Ni基合金为雾化合金粉末，其组成及各组分所占的质量百分数为:Ni 60-95%、Cr Η0%、Μο 卜5%、W 卜5%、Cu H0%、A1 1-10%。3.如权利要求1或2所述材料的制备方法，其特征在于该方法为热压烧结方法，具体步骤为:分别称取Ni基合金粉末、石墨粉末和Pb粉末进行高能球磨得到混合粉末;将混合粉末装入石墨模具，置于真空热压烧结炉中进行热压成型烧结，烧结完成后炉冷至室温，得到块体镍基高温自润滑复合材料。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述球磨的条件为:球磨时间为4?8小时，球料比为3-8:1，磨罐和磨球均为碳化妈硬质合金，转速为200?300r/min。5.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述烧结的条件为:升温速率为10?50°C/min，真空度为10—2?10—^a，烧结温度为600?1000°C，烧结压力为20?40MPa，保温时间为10?60mino
【专利摘要】本发明公开了一种镍基高温自润滑复合材料，该材料所包含的组分及各组分在材料中的质量百分数为：Ni基合金60～94%、石墨1～10%和Pb5～30%。本发明还公开了该材料的制备方法。本发明所述复合材料具有良好的宽温域润滑抗磨性能，在耐辐射、高低温、高负载、高低速等苛刻环境下作为自润滑材料具有良好的应用前景，特别适用于核电装备的高温系统运动部件。
【IPC分类】C22C19/05, C22C1/05
【公开号】CN105441707
【申请号】CN201510827724
【发明人】杨军, 朱圣宇, 程军, 乔竹辉, 刘维民
【申请人】中国科学院兰州化学物理研究所
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年11月25日