一种高耐磨性的烧结镍基合金及其制备方法

本发明属于镍基合金领域，涉及一种高硬度、高耐磨性的烧结镍基合金及其制备方法。

背景技术：

0、技术背景

1、镍基合金是一种具备高硬度、高强度、高耐腐蚀性能等多种优点的合金，其通常在镍中添加铬、钼、铁等合金元素而形成，通常而言，镍基合金的硬度处在30～40hrc之间，有少数镍基合金可以达到50hrc，这种高硬度的特点使其在高温、高压等较为极端的环境下仍具备出色的摩擦磨损性能。因此，镍基合金在航空航天、石油化工、核工业、家用电器等等领域中得到广泛的应用，如在航空航天领域中镍基合金常被应用与制备高温高压的涡轮机叶片、燃烧室等等。其高硬度、高耐磨性特点使其在工业领域得到广泛的应用。此外，镍基合金的优异高温强度、耐腐蚀性、抗氧化性等等性能，使其越发成为各种高端工业设备制造所不可或缺的应用材料。

2、当前制备的烧结镍基合金，硬度少有超过50hrc，硬度水平的限制阻碍其耐磨性能的提高，从而限制其在各领域的进一步应用。因此探寻一些强化物质，通过调控其添加量来提高镍基合金的硬度、耐磨性能，是十分重要的。b4c具有极高的硬度、耐磨性，fe-72％si则具备脱氧、提高耐磨性的特点。因此，将b4c、fe-72％si作为添加强化物质，可以大大提高镍基合金的硬度与耐磨性能。粉末冶金技术通过粉末混合，压制和烧结成型，可直接获得具有复杂形状的零件、部件，减少高昂机加工费用。以ni粉作为基体粉末，向其中添加一定含量的b4c粉、fe-72％si粉、cr粉等，经过粉末冶金烧结成型，可望获得高耐磨的镍基合金零部件，具有十分重要的应用前景。

技术实现思路

1、本发明旨在通过调控ni、cu、mo和b4c、fe-72％si、cr等粉末配比与烧结升温工艺，提供一种高耐磨性的烧结镍基合金及其制备方法。

2、为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

3、所述烧结镍基合金所采用的原料粉末质量百分比为：b4c:2.54％～7.63％；fe-72％si:2.78％～8.33％；cr:16％～25％；ni、cu和mo:64.35％～79.35％；其中ni、cu和mo的质量比为:11:1:1；粉末经混合，成型和烧结后，相对密度为95.38％～98.62％，硬度为56.1～60.9hrc；将42crmo调质钢的耐磨性定义为1，则烧结镍基合金的相对耐磨性为2.98～4.31；该烧结镍基合金具有高致密度、高硬度、高耐磨的特性。

4、具有上述高耐磨性的烧结镍基合金的制备方法包括以下步骤：

5、(1)粉末混合：按照所需要的比例准备b4c粉、fe-72％si粉、cr粉、ni粉、cu粉和mo粉末；粉末称量后进行粉末混合；混合粉末后进行干燥和筛粉；粉末混合的手段包括行星球磨混料、振动球磨混料、v型混料、滚筒混料。

6、(2)粉末成型：将干燥的粉末采用模具冷压，或采用冷等静压的方式，得到具备一定强度和致密度的压坯；模具冷压的压制压力为400mpa～600mpa，冷等静压的保压压力为200mpa～300mpa。

7、(3)烧结：将粉末成型后的压坯转入可通保护气氛的烧结炉中，在保护气氛下进行烧结，得到烧结镍基合金；烧结时采用分段式的升温程序，在氩气、氮气或氩+氢混合气氛保护的条件下完成升温和烧结；分段式的升温程序为：将坯体以1℃/min～2℃/min的升温速率从室温升温至200℃后，保温0.5h～1h；再以4℃/min～7℃/min的升温速率升温至400℃，再保温0.5h～1h；接着以5℃/min～8℃/min的升温速率升温至800℃，再保温0.5h～1h；然后以4℃/min～6℃/min的升温速率升温至950℃，再保温1h～1.5h；再以5℃/min～7℃/min的升温速率升温至1025℃～1075℃，再保温1.5h～2h；该分段式的升温程序的确定依据粉末压坯的物理化学反应过程而设立；完成烧结后，随炉冷却至室温；将烧结后的样品取出，得到烧结镍基合金。

8、对于上述的制备烧结镍基合金的三个步骤，以每制备100g镍基粉末为例，进行详细阐述如下：

9、步骤(1)：每制备100g镍基粉末的具体步骤如下：

10、初步混合：将2.54g～7.63g碳化硼(b4c)粉，2.78g～8.33g铁硅(fe-72％si)粉，10g～25g铬(cr)粉，54.45g～67.15g镍(ni)粉、4.95g～6.10g钼(mo)粉，4.95g～6.10g铜(cu)粉一并放入容器中，进行20min的初步搅拌和研磨混合；

11、粉末混合：球磨混料是将初步混合的粉末加入球磨罐中，按照0.8～1.2的球料比加入球磨球，按照20～30ml/100g粉末的比例加入无水乙醇；先将粉末、球磨球、无水乙醇进行5min左右的初步搅拌混合，再将球磨罐放置在球磨机中开始球磨；行星球磨混料的球磨机公转转速为200～300r/min，顺时针、逆时针交替旋转运行，单次方向旋转时间为30min；或者振动球磨混料的摆振频率为400～500次/min，上下方向罐体振幅为30～40mm，前后、左右方向罐体振幅为10～15mm；球磨混料18～20h后，将球磨罐开盖后置入真空干燥箱中干燥8～10h，再将烘干后的粉末过筛网，分离粉末和球磨球，得到混合均匀、成形性较好的混合粉末；或者，将初步混合的粉末加入滚筒或v型料筒中，转速设定为18～20r/min，混料时间为20～24h；混料结束后取出粉末；将粉末置入真空干燥箱中干燥7～8h，烘干后的粉末过筛网，得到混合均匀、成形性较好的混合粉末。

12、步骤(2)：采用步骤(1)制得的混合粉末，制备具有一定强度和致密度的压坯的具体步骤如下：

13、用电子天平称取混合粉末，填充入冷压模具中；冷压压制压力为400～600mpa，保压时间为15～25秒，获得粉末成型压坯；其中冷压模具包括碳钢模具、合金钢模具、不锈钢模具、或硬质合金模具；

14、或采用冷等静压的手段，用电子天平称取混合粉末，将粉末填入橡胶或塑料的冷等静压包套中，使用200～300mpa的冷等静压压力成型，保压时间为50～60min，获得粉末成型压坯。

15、步骤(3)：对压坯进行气氛保护烧结，得到烧结镍基合金的具体步骤如下：

16、将压坯放入烧舟中，一并放入可通保护气氛的烧结炉中，充入保护气体后开始烧结；其中烧舟包括氧化铝、氧化锆、氧化镁烧舟；保护气氛包括氩气，氮气，氩气+5vol％～10vol％氢气的混合气体；再按照步骤(3)所述的分段式的升温程序完成烧结。

17、在上述气氛烧结过程中，升温采用了多阶段的缓慢升温，实现压坯中水分、氧的去除，在较低烧结温度的烧结条件下，较好地实现了样品的烧结致密化，并保持了较好的样品尺寸稳定。与现有的烧结镍基合金相比，本发明制备的烧结镍基合金具有如下优点：

18、(1)该烧结镍基合金涉及固相烧结以及1025～1075℃温度下的部分液相烧结，以较低的烧结温度实现95.38％～98.62％的较高程度的致密化，同时维持了烧结产品尺寸稳定性，未发生较大幅度的收缩、变形。

19、(2)该烧结镍基合金中，硬质相m7(b,c)3、m23(b,c)6均匀分布在镍基体中，起到了强化作用，提高了烧结镍基合金提高硬度、耐磨性。

20、(3)该烧结镍基合金的硬度达到了56.1～60.9hrc的较高水平，若将42crmo调质钢的耐磨性定义为1，则本发明制备的烧结镍基合金的相对耐磨性达到了2.98～4.31，具有高硬度、高耐磨性的特点。

21、(4)本发明生产的烧结镍基合金具有工艺流程简单，设备简单，成本低等优点。