专利名称：自润滑耐磨镍基合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种自润滑耐磨镍基合金及其制备方法。
背景技术：
随着科学技术的发展，许多工业部门、高技术领域和军事工程中都存在越来越多的难以解决的高温润滑问题。由于高温下油、脂和常用固体润滑剂失效，作为摩擦学部件使用的工程材料要在恶劣的环境和摩擦学条件下工作，高温氧化、高摩擦和严重的磨损导致工程材料横快失效，造成的影响相当严重。仅在冶金、石油化工和建材等工业生产部门因高温下润滑不利，摩擦学部件失效报废，导致生产设备损坏、生产过程中断或发生生产事故造成的经济损失每年就达数百亿元。因此，研制开发能够抵抗高温恶劣环境和摩擦学条件的新材料和已成为材料科学家和摩擦学工作者共同关心的紧迫问题。
实践证明，发展高温自润滑耐磨材料、并以其制做各种高温机构的摩擦学部件，以此解决高温润滑问题是一条有效的技术途径。US4,836,848、US4,933,008、US5,763,106、US5,866,518、US5,949,003、US6,318,327、US6,340,377、CN1034348C和CN1036796C等相继公开了制做热动力机械的阀座、衬套等高温摩擦学部件的高温自润滑耐磨烧结材料和自润滑复合材料及制备方法。利用加入活性原素S或Se，改善摩擦磨损性能、使材料具有自润滑特性，是制备高温自润滑耐磨材料的一种有效方法。US3,825,416对此已有叙述。中国科学院兰州化学物理研究所在铁基和镍基合金中加入元素S和Se，研制出具有较高机械强度和耐热性及良好自润滑特性的含硫铁基高温自润滑耐磨合金、自润滑镍-铬合金、含硫高温自润滑镍基合金和镍基自润滑合金(CN1220320A、CN1082620、CN1101681A和CN1360075)等。
发明内容
本发明的一个目的是为在大气环境中、室温至600℃温度范围内工作的各种轻型热动力机械和金属热加工机械及高温工艺过程等高温机构的汽缸衬套、配气阀座、密封件、高温轴承、导向套、滑块和控制阀等摩擦学部件，提供一种具有较高机械强度和耐热性，并在20～600℃温度范围内呈现低摩擦、耐磨损良好自润滑特性的自润滑耐磨镍基合金。
本发明的另一个目的就是提供该合金的制备方法。
本发明提供的自润滑耐磨镍基合金的化学成分(质量百分数)为B0.01～0.02％，C0～0.60％，Si0.10～0.50％，Co0～15％，Fe5.0～20％，Nb5.0～25％，Mo2.0～9.0％，W2.0～8.0％，S0.6～5.5％，余量为Ni。
该合金主要由Co、Fe、Mo、W和Nb合金元素固溶强化的镍基固溶体基体相，NbC或Nb2C碳化物硬质弥散强化耐磨相和Nb1-xS(x小于1)及NiNb2S4、FeNb2S4、CoNb2S4、NiNb3S6、FeNb3S6、CoNb3S6等硫化合物减摩润滑相构成。
本发明的特点之一是，本发明提供的自润滑耐磨镍基合金在室温至600℃宽温度范围内都呈现低摩擦、耐磨损的良好自润滑特性。
本发明的特点之二是，本发明提供的自润滑耐磨镍基合金具有良好的摩擦配伍性，无论与1Cr18Ni9Ti、Wr18Cr4V、GH4169、HastelloyC-276、TZM合金及自身配副，都具有摩擦系数低、自身及对偶磨损均小的良好摩擦学特性。
本发明的特点之三是，本发明提供的自润滑耐磨镍基合金具有较高机械强度和耐热性。
本发明的特点之四是，本发明提供的自润滑耐磨镍基合金适合制做在大气环境中、20～600℃温度范围内工作的各种轻型热动力机械和金属热加工机械及高温工艺过程等高温机构的汽缸衬套、配气阀座、密封件、高温轴承、导向套、滑块和控制阀等摩擦学部件，具有广泛的应用前景。
本发明的特点之五是，本发明提供的自润滑耐磨镍基合金制备方法-即采用的中频感应熔炼、熔模铸造成型的工艺方法，能够方便、快捷地制备合金，具有合金组分烧损小，成分容易控制，合金熔炼与成型一次完成等特点。并可将合金制成与欲制零部件形状、尺寸十分接近的毛坯，这对制做形状复杂、难以加工的较小零部件特别有利。
自润滑耐磨镍基合金采用中频感应熔炼、熔模铸造成型工艺制备。该合金具有较高机械强度和耐热性，并在20～600℃温度范围内呈现低摩擦、耐磨损的良好自润滑特性，适合制做在大气环境中、室温至600℃温度范围内工作的各种轻型热动力机械和金属热加工机械及高温工艺过程等高温机构的汽缸衬套、配气阀座、密封件、高温轴承、导向套、滑块和控制阀等摩擦学部件。
本发明采用的熔融铸造法通过有目的地设计合金的化学成分、控制工艺参数，利用在镍基合金中加入活性元素S，在熔炼过程与Nb等合金元素形成具有减摩润滑作用的硫化物保留在合金中，改善摩擦磨损性能，使合金具有自润滑特性，是本发明的另一个特点。
将合金的化学成分限制在上述范围是因为(1)C元素C主要与合金元素Nb作用，形成NbC或Nb2C等碳化物硬质耐磨相弥散分布在合金镍基固溶体基体中提高合金的强度和耐磨性。对于固溶强化类的自润滑耐磨镍基合金，可以不添加C。当C含量超过0.60％时，合金的硬度过大，而使机加工性能变差。所以C的含量应限制在0～0.60％的范围内。
(2)Co元素Co能固溶于镍合金中起固溶强化作用，提高合金的强度和耐热性，还能与元素S及合金元素Nb形成CoNb2S4、CoNb3S6等复合硫化物，起减摩润滑作用。对于使用温度低于500℃的自润滑耐磨镍基合金，可以不添加Co。当Co的含量超过15％时，合金的强度和耐热性的提高不再显著。因此，Co的含量应在0～15％的范围内。Co的最佳含量为5.0～10％。
(3)Fe与元素Co一样，元素Fe能固溶于镍合金中起固溶强化作用，提高合金的强度和耐磨性，还能与元素S及合金元素Nb形成FeNb2S4、FeNb3S6等复合硫化物，起减摩润滑作用。Fe的含量低于5.0％时，合金的耐磨性提高不明显；Fe的含量超过20％，合金的摩擦系数明显增大。所以，Fe的含量应在5.0～20％的范围内。Fe的最佳含量为8.0～15％。
(4)Mo和W能固溶于镍合金中起固溶强化作用，提高合金的强度、耐磨性和耐热性及抗腐蚀性。含量分别低于2.0％时，对提高合金的强度、耐磨性和耐热性的作用不大；含量分别高于9.0％和8.0％时，使合金的密度增大，比强度显著降低。所以，Mo和W的含量应分别控制在Mo2.0～9.0％，W2.0～8.0％范围内。Mo和W的最佳含量分别为Mo4.0～6.0％和W3.0～5.0％。
(5)Nb元素Nb既是硫化物形成元素，又能溶入镍合金基体中起固溶强化作用，还能与元素C作用，形成NbC或Nb2C等弥散分布的碳化物硬质耐磨相。所以，添加Nb有利于提高合金的硬度、强度和耐热性，改善合金的摩擦学性能。若Nb的含量低于5.0％，合金的硬度、强度和耐热性提高不大，摩擦学性能改善不明显；若Nb的含量超过25％，使合金硬度过大、机加工性能变差及合金的制造成本增大。故Nb的含量应限制在5.0～20％的范围内。Nb的最佳含量为8.0～20％。
(6)S元素S的加入是为了有目的地在合金中形成Nb1-xS或NiNb2S4、NiNb3S6、FeNb2S4、FeNb3S6、CoNb2S4、CoNb3S6等等硫化合物减摩润滑相，改善合金的摩擦学性能。如果S的含量低于0.60％，合金的摩擦学性能改善不明显；若S的含量超过5.5％，合金的冲击强度过低而影响实际使用。故S的含量应在1.0～5.5％的范围内。S的最佳含量为1.5～4.5％。
(7)Si在合金中加入0.10～0.50％的元素Si可提高合金高温下的强度。Si的最佳含量为0.20～0.30％。
(8)B在合金中加入0.01～0.02％的元素B可以改善晶界形态，显著提高合金的持久寿命，并显著改善持久缺口敏感性。
所以，本发明的优选合金成分为B0.01～0.02％，C0～0.60％，Si0.20～0.30％，Co5.0～12％，Fe8.0～15％，Nb8.0～20％，Mo4.0～6.0％，W3.0～5.0％，S1.5～4.5％，余量为Ni。
自润滑耐磨镍基合金采用中频感应熔炼、熔模铸造成型工艺方法制备，具体步骤如下熔炼将电解镍、纯铁、电解钴、电极石墨、金属铌、金属钼、金属钨硅铁、硼铁硫化亚铁放入中频感应炉中加热熔化；再将温度控制在1340～1380℃，保温5～20分钟；然后加入占熔炼合金量0.05～0.40％的Y2O3，将温度控制在1430～1550℃；铸造将达到1430～1550℃浇注温度的合金熔体浇注在400～800℃熔模铸造壳型温度的壳型中；凝固后，在铸件周围拥砂保温，在空气中缓慢冷却至室温得到合金的铸坯。
本发明采用的中频感应熔炼、熔模铸造成型的工艺方法能够方便、快捷地制备合金，具有合金组分烧损小，成分容易控制，合金熔炼与成型一次完成等特点。并可将合金制成与欲制零部件形状、尺寸十分接近的毛坯，这对制做形状复杂、难以加工的较小零部件特别有利。Y2O3的加入，能改善合金的铸造性能和合金中硫化物的分布形态，有利于提高合金的强度和冲击韧性。
同时要指出的是在本发明的合金中未给出Y元素的含量，主要是它的含量非常低，检测不到它的含量。
具有上述化学成分，并通过上述工艺方法制备的自润滑耐磨镍基合金的物理机械和摩擦磨损性能如表1、2所示。
表1镍基自润滑合金的物理—机械性能
表2镍基自润滑合金的摩擦系数、磨损率和抗压强度
注摩擦系数和磨损率是在销-盘式高温摩擦磨损试验机上与淬火高速钢W18Cr4V、1Cr18Ni9Ti、W18Cr4V、GH4169、Hastelloy C-276和TZM合金及自身配副时测得。
具体实施例方式
实施例1
化学成分为B0.02～0.04％，Si0.20～0.30％，C0.02，Fe8.0～10％，Nb8％，Mo6.0％，W3.0％，S2.5％，余量为Ni的自润滑耐磨镍基合金，主要由合金元素Co、Fe、Mo、W和Nb固溶强化的镍基固溶体基体和Nb1-xS或NiNb2S4、FeNb2S4等硫化合物减摩润滑相构成。该合金的密度为8.54hg/cm3；硬度为Hv 3.20GPa；冲击强度为0.73×105J/m2；抗压强度20℃时为924MPa，500℃时为682MPa。与淬火高速钢W18Cr4V配副在150～500℃温度范围内摩擦系数为0.36～0.23，磨损率为2.21～5.24×10-14m3/N·m。
实施例2化学成分为B0.02～0.04％，Si0.20～0.30％，C0.2％，Co6.0％，Fe10～12％，Nb16～18％，Mo4.0％，W5.0％，S3.5％，余量为Ni的自润滑耐磨镍基合金，主要由合金元素Co、Fe、Mo、W和Nb固溶强化的镍基固溶体基体和Nb2C硬质弥散强化耐磨相及Nb1-xS和NiNb2S4、FeNb2S4等硫化合物减摩润滑相相构成。该合金的密度为8.53g/cm3；硬度为Hv 4.20GPa；冲击强度为0.43×105J/m2；抗压强度20℃时为984MPa，600℃时为664MPa。与1Cr18Ni9Ti、Wr18Cr4V、GH4169、Hastelloy C-276、TZM合金及自身配副，在20～600℃温度范围内摩擦系数为0.34～0.15，磨损率为0.36～5.38×10-14m3/N·m。该合金适用于制做在600℃温度以下工作的各种各种轻型热动力机械及其它高温机构的滑动与动密封部件。
实施例3化学成分为B0.02～0.04％，Si0.20～0.30％，C0.5％，Co10％，Fe12％，Nb18～20％，Mo5.0％，W5.0％，S4.5％，余量为Ni的镍基自润滑合金主要由合金元素Co、Fe、Mo、W和Nb固溶强化的镍基固溶体基体和NbC、Nb2C硬质弥散强化耐磨相及Nb1-xS和NiNb2S4、FeNb2S4、CoNb2S4等硫化合物减摩润滑相构成。该合金的密度为8.71g/cm3；硬度为Hv4.36GPa；冲击强度为0.38×105J/m2；抗压强度20℃时为738MPa，600℃时为617MPa。与1Cr18Ni9Ti、Wr18Cr4V、GH4169、Hastelloy C-276、TZM合金及自身配副，在20～700℃温度范围内摩擦系数为0.32～0.14，磨损率为0.43～8.42×10-14m3/N·m，适用于制做在20～600℃温度大气环境中范围内工作的各种轻型热动力机械和金属热加工机械及高温工艺过程等高温机构的汽缸衬套、配气阀座、密封件、高温轴承、导向套、滑块和控制阀等摩擦学部件。
实施例4化学成分为B0.02～0.04％，Si0.20～0.30％，C0.3％，Co9.0％，Fe10～12％，Nb14～15％，Mo4.0％，W5.0％，S1.5％，余量为Ni的自润滑耐磨镍基合金，主要由合金元素Co、Fe、Mo、W和Nb固溶强化的镍基固溶体基体和Nb2C硬质弥散强化耐磨相及Nb1-xS等硫化合物减摩润滑相构成。该合金的密度为8.83g/cm3；硬度为Hv 4.20GPa；冲击强度为0.86×105J/m2；抗压强度20℃时为994MPa，600℃时为682MPa。与GH4169、Hastelloy C-276、TZM合金及自身配副，在20～600℃温度范围内摩擦系数为0.49～0.30，磨损率为1.76～5.58×10-14m3/N·m。
权利要求
1.一种自润滑耐磨镍基合金，其特征是化学成分(质量百分数)为B0.01～0.05％，C0～0.60％，Si0.10～0.50％，Co0～15％，Fe5.0～20％，Nb5.0～25％，Mo2.0～9.0％，W2.0～8.0％，S0.6～5.5％，余量为Ni；该合金主要由Co、Fe、Mo、W和Nb合金元素固溶强化的镍基固溶体基体相，NbC或Nb2C碳化物硬质弥散强化耐磨相和Nb1-xS(x小于1)及NiNb2S4、FeNb2S4、CoNb2S4、NiNb3S6、FeNb3S6、CoNb3S6硫化合物减摩润滑相构成。
2.如权利要求1所述的自润滑耐磨镍基合金，其特征是合金化学成分(质量百分数)为C0～0.5％，Co0～15％，Fe8.0～15％，Nb12～20％，Se5～10％，余量为Ni；该合金主要由Co、Fe、Mo、W和Nb合金元素固溶强化的镍基固溶体基体相，NbC或Nb2C碳化物硬质弥散强化耐磨相和Nb1-xS(x小于1)及NiNb2S4、FeNb2S4、CoNb2S4、NiNb3S6、FeNb3S6、CoNb3S6硫化合物减摩润滑相构成。
3.如权利要求1或2所述的自润滑耐磨镍基合金的制备方法，其特征在于该方法包括具体步骤如下熔炼将电解镍、纯铁、电解钴、电极石墨、金属铌、金属钼、金属钨硅铁、硼铁硫化亚铁放入中频感应炉中加热熔化；再将温度控制在1340～1380℃，保温5～20分钟；然后加入占熔炼合金量0.05～0.40％的Y2O3，将温度控制在1430～1550℃；铸造将达到1430～1550℃浇注温度的合金熔体浇注在400～800℃熔模铸造壳型温度的壳型中；凝固后，在铸件周围拥砂保温，在空气中缓慢冷却至室温得到合金的铸坯。
全文摘要
本发明公开一种自润滑耐磨镍基合金及其制备方法。合金化学成分(质量百分数)为B0.01～0.05％，C0～0.60％，Si0.10～0.50％，Co0～15％，Fe5.0～20％，Nb5.0～25％，Mo2.0～9.0％，W2.0～8.0％，S0.6～5.5％，余量为Ni。自润滑耐磨镍基合金采用中频感应熔炼、熔模铸造成型工艺方法制备。合金具有较高机械强度和耐热性，并在20～600℃温度范围内呈现低摩擦、耐磨损的良好自润滑特性，适合制做在大气环境中、室温至600℃温度范围内工作的各种轻型热动力机械的汽缸衬套、配气阀座、密封件、高温轴承、轴套、导向套、滑块和高温工艺过程高温机构的控制阀和滑块等摩擦学部件。
文档编号C22C19/03GK1611621SQ200310103790
公开日2005年5月4日 申请日期2003年10月30日 优先权日2003年10月30日
发明者刘近朱, 王齐华 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所