专利名称：自润滑镍-铬基合金的制作方法
技术领域：
本发明是关于在大气条件下从室温至800℃均可使用的自润滑合金材料，属镍-铬基合金。
润滑可以减少相对运动两表面间的摩擦和磨损，但不论是油脂润滑还是固体润滑，都有其适用的温度范围，若超出此范围就会造成润滑不良甚至失效。就影响润滑材料性能的环境气氛和环境温度这两因素而言，在大气条件下，润滑油脂的使用温度范围为-60℃～+350℃，固体润滑剂二硫化钼和石墨分别在350℃和400℃以上就发生分解或氧化。虽某些氟化物和金属氧化物作为高温润滑剂具有应用潜力，但它们的低温润滑性能差。因此为适应现代机器设备不同的运转工况，有必要研制出使用温度范围更宽的新型自润滑材料。
要求使用上述自润滑材料的事例有金属锻造加工中的冷锻、温锻和热锻用模具;轧制加工中的轧辊轴颈;发动机汽缸内衬、配气阀体、阀座、阀衬;燃气轮机中的主轴轴承等部件，它们不仅要求材料具备较高的机械强度，而且要求材料在环境温度发生低温至高温温变时能保持稳定且良好的摩擦学性能。
但具备上综合性能的合金材料目前尚无人报导，我们以前申请的高温自润滑镍基合金(公告号CN1034584A)室温下的摩擦系数大于0.65，本发明的目的在于提供一种在大气条件下从室温至800℃均可使用的自润滑合金材料，该材料在上述环境中能保持较高的机械强度和良好的摩擦学性能。
在配方上，本发明选用镍-铬合金为基体，以适当方式加入一定的硫，利用硫与铬之间反应生成的固体润滑剂的润滑作用，实现合金自润滑之目的，加入适量的铁、钼、铌、钴和硼作为强化元素，保证自润滑合金的机械性能;稀土氧化物的加入可提高合金的综合性能。
在工艺上，本发明采用石墨坩埚，以中频感应快速熔炼、精密铸造成型工艺制得材料。石墨坩埚中的碳与合金中某些元素反应生成碳化物并存在于合金中，可改善自润滑合金材料的耐磨性和机械强度。中频熔炼时的磁力搅拌对合金的均匀性和各向同性起保证作用，快速熔炼可减少材料组元在高温下的烧损。
本发明的具体制备过程是将镍、铬、铁、钼、铌、钴、硼、硫〔或硫化亚铁〕及稀土氧化物按一定比例装入石墨坩埚中，放入中频感应炉内，快速升温至原料全部熔融，保温3～7分钟，再提高温度250℃～350℃，保温0.5～1.5分钟，迅速出炉浇入予热600℃～800℃的精铸模壳中，待自然冷却后脱模，即成坯料。
本发明的镍、铬、铁、钼、铌、钴等可选用相应的金属块或金属粉，元素硫可以沉降硫磺或硫化亚铁的形式加入，稀土氧化物为氧化镧(La2O3)或氧化铈(CeO2)，硼一般选择粒度为200目～800目的硼粉。
本发明的自润滑镍-铬基合金各组分的重量百分含量范围是Fe 5～15，Mo 6～15，Nb 1.5～6.5，Co 0～16，B 0～0.15，S 4～9，La2O3(或CeO2)0.2～1.0余量Ni+Cr(且Ni/Cr为2～5)。
优先选择的各组元的含量范围是Fe 8～12，Mo 8～11，Nb 3～5，Co 5～8，S 4～6，B 0.04～0.06，La2O30.2～0.4，余量Ni+Cr(且Ni/Cr为3.5～4.5)。
按如上所述的配方和工艺制备的自润滑镍-铬基合金的物理机械性能列于表1。
由表1可见，本发明的自润滑镍-铬基合金具有较好的机械性能和较高的高温强度。
表1 自润滑镍-铬基合金的物理机械性能
表2是在速度为1.0m/s负荷为2.0MPa的条件下由栓盘式高温试验机测得的摩擦系数和磨损率。栓是本发明的材料，尺寸为φ5×15mm;盘为φ45×10mm的淬火高速钢(HRC63)。由表中所列数据可知，本发明的自润滑合金材料在室温至800℃范围内均能保持较低的摩擦系数，室温至600℃范围内磨损率也较低。显然，本发明所述的自润滑镍-铬基合金特别适合在室温～600℃范围内使用。
表2 自润滑镍-铬基合金的摩擦、磨损性能测试温度(℃) 摩擦系数磨损率(m3/m. N)×10-14室温 0.22～0.33 1.5～5.0150 0.18～0.28 1.5～5.0300 0.15～0.25 1.0～4.0400 0.16～0.23 1.0～4.5500 0.18～0.24 2.5～8.5600 0.15～0.21 5.0～15.0700 0.15～0.18 15.0～30.0800 0.15～0.17 20.0～40.0
本发明的合金具有制备工艺简单、成本底、使用寿命长的优点，该材料对解决大气条件下从室温至800℃的变温润滑问题应用前景广阔。
实施例实施例1按表3的配方称取各组分，装入坩埚，放入中频感应炉内，快速升温(8分钟由室温升至1240℃)至原料全部熔融，1240℃下保温5分钟，再升温至1500℃保温0.5分钟，出炉浇入已予热至700℃的模壳中，自然降温，制得自润滑合金材料，其性能如下室温摩擦系数0.22，磨损率1.8×10-14m3/m.N，600℃摩擦系数0.19，磨损率5.5×10-14m3/m.N，密度7.81×103kg/m3，布氏硬度304，冲击强度4.11×104J/m2，室温抗压强度1.15GPa，600℃抗压强度0.68GPa。
表3 实施例1的化学组成
实施例2将实施例1中的CeO2改成La2O3，在1210℃时全部原料熔融，保温3分钟，再升温至1500℃保温1分钟，出炉浇入予热800℃的模壳中，自然降温。制得自润滑材料，其性能指标为室温摩擦系数0.26，磨损率1.5×10-14m3/m.N，600℃摩擦系数0.16，磨损率5.8×10-14m3/m.N，密度7.62×103kg/m3，布氏硬度317，冲击强度4.85×104J/m2，室温抗压强度1.35GPa 600℃抗压强度0.69GPa。
实施例3按配方Cr 18，Fe 10，Mo 13，Nb 2.5，S 8.5，CeO20.8，余Ni，在1320℃时原料全部熔融，保温6分钟，再升温至1600℃，保温0.5分钟后出炉。模壳予热600℃。合金的性能指标为室温摩擦系数0.30，磨损率3.3×10-14m3/m.N，600℃摩擦系数0.18，磨损率6.8×10-14m3/m.N，密度7.69×103kg/m3，布氏硬度301，冲击强度3.31×104J/m2，室温抗压强度1.22GPa，600℃抗压强度0.58GPa。
实施例4按配方Cr 10，Fe 15，Mo 15，Nb 6.5，Co 16，B 0.15，S 9，CeO21.0，余Ni，在1200℃时原料全部熔融，保温5分钟，再升温至1550℃，保温1.5分钟后出炉。模壳予热800℃。合金的性能指标为室温摩擦系数0.31，磨损率4.9×10-14m3/m.N，600℃摩擦系数0.20，磨损率11.4×10-14m3/m.N，密度8.07×103kg/m3，布氏硬度316，冲击强度3.70×104J/m2，室温抗压强度1.08GPa，600℃抗压强度0.51GPa。
权利要求
1.一种在大气条件下从室温至800℃均可使用的自润滑镍-铬基合金，其特征是这种合金各组分的重量百分比范围是Fe5～15，Mo6～15，Nb1.5～6.5，Co0～16，S4～9，B0～0.15，La2O3[或CeO2]0.2～1.0，余量Ni+Cr[且Ni/Cr为2～5]。
2.如权利要求1所述的自润滑镍-铬基合金，其特征是合金各组分的重量百分比范围为Fe 8～12，Mo 8～11，Nb 3～5，Co 5～8，S 4～6，B 0.04～0.06，La2O3〔或CeO2〕0.2～0.4，余量Ni+Cr〔Ni/Cr为3.5～4.5〕。
3.一种自润滑镍-铬基合金，采用石墨坩埚，以中频感应快速熔炼，精密铸造工艺制备，其操作步骤包括(1)预热精铸模壳至600℃～800℃(2)按配方称取自润滑合金各组分，装入石墨坩埚中(3)将坩埚放入中频感应炉内，快速升温至原料全部熔融其特征是当原料全部熔融后保温3～7分钟，再提高温度250℃～350℃，保温0.5～1.5分钟。
全文摘要
自润滑镍-铬基合金采用石墨坩埚、以中频感应加热熔炼、精密铸造成型工艺制备。选镍-铬合金为基体，引入元素硫实现自润滑之目的，以铁、钼、铌、钴、硼为强化元素，并加入适量的稀土氧化物提高合金材料的综合性能。本材料在大气条件下从室温至800℃均保持较高的机械强度和优良的摩擦学性能。
文档编号C22C27/06GK1082620SQ9210893
公开日1994年2月23日 申请日期1992年7月28日 优先权日1992年7月28日
发明者阚存一, 刘近朱, 张国威, 欧阳锦林 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所