一种铬基高温耐磨合金及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种铬基高温耐磨合金，该合金以高熔点金属Cr为基体，以低熔点金属Cu和难熔金属Nb、Ta、W、Mo为合金化和强化元素；其中Cu元素在合金中的质量百分比为5%?30%；难熔金属Nb和Ta至少有一种，合计质量百分比不超过10%；难熔金属W和Mo至少有一种，合计质量百分比不超过16%；余量为Cr。本发明所述合金在800℃至1100℃之间具有良好的力学性能和抗磨损性能，同时具有较低的摩擦系数，可用于航空航天、核电站和尖端武器等高技术领域的高温耐磨部件。本发明还公开该合金的制备方法。
【专利说明】
一种铬基高温耐磨合金及其制备方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种铬基高温耐磨合金及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 高温合金广泛用于航空航天、核电站和尖端武器等高技术领域。使用温度极大的 影响着合金的各种性能，在高温下(约1000°c)具有优异抗磨损性能的合金是高技术领域重 大装备可靠、稳定和长寿命运行的关键材料之一。在高温耐磨材料方面，目前广泛报道的主 要是镍基复合材料、金属间化合物基复合材料和陶瓷基复合材料。中国专利CN103540780B 公开了一种高强度镍基高温自润滑复合材料的制备方法，在室温至900°C下具有低摩擦磨 损特性。中国专利CN103540821B公开了一种在高温下具有自润滑性能的氧化锆基块体材 料。中国专利CN101463439B公开了镍铝金属间化合物高温自润滑复合材料，在宽温域范围 内具有较低的摩擦系数。美国专利US5034187公开的PM200系列高温自润滑复合材料可与镍 钴铬合金相摩擦时具有较低的摩擦系数。NASA报道的PS304自润滑涂层在从室温至650°C与 镍基高温合金相摩擦时具有较低的摩擦系数。这些材料存在高温强度较低、使用温度范围 不够、高温耐磨性能不足以及加工性能不足等问题。目前仍然缺乏在高达l〇〇〇°C的环境下 使用的高强度耐磨合金。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种铬基高温耐磨合金及其制备方法。
[0004] -种铬基高温耐磨合金，其特征在于该合金以高熔点金属Cr为基体，以低熔点金 属Cu和难熔金属他3 &、1、1〇为合金化和强化元素；其中〇!元素在合金中的质量百分比为 5%-30%;难熔金属Nb和Ta至少有一种，合计质量百分比不超过10%;难熔金属W和Mo至少有一 种，合计质量百分比不超过16%;余量为Cr。
[0005] 如上所述络基高温耐磨合金的制备方法，其特征在于采用放电等离子烧结技术 (Spark Plasma Sintering，简称SPS)制备，包括以下步骤： 1) 称取〇、&1、他3&、1、1〇粉末在高能球磨机中进行球磨得到混合粉末，然后将其装入 石墨模具中； 2) 将石墨模具置于放电等离子烧结炉中进行等离子活化烧结，烧结完成后随炉冷却至 室温获得块体的铬基高温耐磨合金。
[0006] 所述0、(：11、他、了3、1、]\1〇粉末的纯度大于99%，粒度小于0.076臟。
[0007] 所述步骤1)的球磨时间为3~6小时，球料比为3:1~8:1。
[0008] 所述石墨模具材料为高强度石墨，压缩强度大于70MPa。
[0009] 所述放电等离子烧结工艺参数为：真空度小于10Pa，升温速度50°C/min~250°C/ min，烧结温度为1240°01540°C，保温时间3min~15min，加压压力为5MPa~35MPa，直流脉冲 比12:2~12:10。
[0010] 本发明所述铬基高温耐磨合金的设计原理如下： I、Cr元素具有较高的熔点（1907 °C )和良好的抗氧化性能;Cu在接近其熔点（1084 °C )时 表现出软金属的特性并且其氧化物氧化铜(Cu2O)和氧化亚铜(CuO)具有较低的摩擦系数， 因此具有较低熔点的Cu元素在800°C至1100°C之间可起到降低摩擦系数的作用，同时铜和 其氧化物可减少摩擦界面之间的黏着现象，增强合金的抗黏着磨损性能;难熔金属W和Mo的 氧化物三氧化钨(WO 3)和三氧化钼(MoO3)在高温下是良好的固体润滑剂，可起到降低摩擦系 数的作用，钨和钼的氧化物与铜的氧化物在摩擦过程中可形成盐类物质（Cu 2WO4和 Cu2MoO4),这类材料在高温下是良好的固体润滑剂;这些氧化物和盐类物质在高温摩擦过程 中在摩擦表面可形成连续的复合固体润滑膜，这种膜可使合金具有优异的抗磨损性能。 [0011] 2、在组成本发明所述合金的6种金属元素之间有且仅有Cr-Nb和Cr-Ta之间形成具 有Laves相的金属间化合物NbCr2和TaCr2,其余元素之间不存在金属间化合物，在烧结过程 中不会出现新的化合物。Laves相金属间化合物具有高的熔点和硬度，在高温下具有优良的 高温力学性能和良好的抗氧化性能。因此本发明所述合金在制备过程中原位产生的NbCr 2 和TaCr2弥散分布于基体Cr中起到弥散强化作用，同时增强了合金的抗氧化性能。合金中高 恪点的合金元素和Laves相金属间化合物共同保证了合金在高温下的强度，并且Laves相在 高温下仍然保持很高的硬度，合金中这些硬质点的存在可提高合金在高温下的抗磨粒磨损 性能。
[0012] 根据上述合金设计原理，合金各元素之间的熔点差别悬殊，普通热压烧结工艺无 法实现本发明所述合金的致密化烧结和Laves相的生成。放电等离子烧结技术是利用通-断 式直流脉冲电流在粉末之间产生的高能量等离子体和放电冲击压力使得材料在较低的温 度下快速成形的一种新方法。由于该技术具有等离子体活化粉末颗粒表面、高频冲击压力、 焦耳热和电场扩散之间的耦合作用等特性，因此这种技术可以将本发明所述的原料混合粉 末快速烧结成致密的块体材料，而且在烧结过程中能够原位生成弥散强化相NbCr 2和TaCr2。 因此本发明采用放电等离子烧结技术(SPS)来制备铬基高温耐磨合金。
[0013] 本发明的有益效果是： 本发明所述合金在800°C至IHKTC之间仍能保持较高的强度，同时在高温下的合金表 面氧化层在摩擦过程中可形成连续的固体润滑膜，从而实现高温下优异的抗磨损性能，同 时具有较低的摩擦系数，与公开报道的同类材料相比，具有使用温度高和加工性能好等优 点。
【具体实施方式】
[0014] 实施例1 一种络基高温耐磨合金Cr7〇Nb4Ta4M〇8W2Cui2制备步骤如下： 1)按质量比 Cr: Nb: Ta: Mo: W: Cu=70:4:4:8:2:12称取纯度为99%、粒度小于0.076mm的 Cr 粉，纯度为99.5%、粒度小于0.044mm的Nb粉、Ta粉、Mo粉和W粉以及纯度为99%、粒度小于 0.076mm的Cu粉;称量精度为0.01克。将上述粉末装入高能球磨机进行球磨，球磨时间为4小 时，球料比为4:1。然后将混合好的粉末装入压缩强度大于70MPa石墨模具中，石墨模具内腔 直径名义尺寸为25_。
[0015] 2)将步骤1)所述装有原料的石墨模具置于放电等离子烧结炉中进行烧结，主要工 艺参数为:真空度小于l〇Pa，升温速度100°C/min，烧结温度为1400°C，保温时间5min，加压 压力为20MPa，直流脉冲比12: 2，冷却方式为随炉冷却。脱模后即可获得致密的铬基高温耐 磨合金 Cr7〇Nb4Ta4M〇8W2Cui2 〇
[0016] 本实施例1获得的合金的主要性能如表1所示。
[0017] 摩擦磨损测试实验条件为:载荷5N，摩擦线速度为0.2m/s，摩擦对偶材质为氮化 硅，摩擦形式为球盘式。
[0018] 表1 Cr7QNb4Ta4M08W2Cu 12力学性能与摩擦性能
实施例2 一种络基高温耐磨合金Cr5〇Nb6Wi6Cu28制备步骤如下： 1)按质量比Cr: Nb: W: Cu=50:6:16:28称取纯度为99%、粒度小于0.076mm的Cr粉，纯度为 99.5%、粒度小于0.044mm的Nb粉和W粉以及纯度为99%、粒度小于0.076mm的Cu粉;称量精度 为0.01克。将上述粉末装入高能球磨机进行球磨，球磨时间为5小时，球料比为6:1。然后将 混合好的粉末装入压缩强度大于70MPa石墨模具中，石墨模具内腔直径名义尺寸为25_。
[0019] 2)将步骤1)所述装有原料的石墨模具置于放电等离子烧结炉中进行烧结，主要工 艺参数为:真空度小于l〇Pa，升温速度100°C/min，烧结温度为1350°C，保温时间8min，加压 压力为25MPa，直流脉冲比12:6，冷却方式为随炉冷却。脱模后即可获得致密的铬基高温耐 磨合金 CT5〇Nb6Wl6CU28 〇
[0020] 本实施例2获得的合金的主要性能如表2所示。
[0021] 摩擦磨损测试实验条件为:载荷5N，摩擦线速度为0.2m/s，摩擦对偶材质为氮化 硅，摩擦形式为球盘式。
[0022] 表2 Cr5ONb6W16Cu28力学性能与摩擦学性能
实施例3 一种络基高温耐磨合金Cr65Nb6M〇l〇W4Cul5制备步骤如下： 1)按质量比Cr :Nb :Mo: W: Cu=65:6:10:4:15称取纯度为99%、粒度小于0 · 076mm的Cr粉， 纯度为99.5%、粒度小于0.044mm的Nb粉和W粉以及纯度为99%、粒度小于0.076mm的Cu粉;称 量精度为〇. 01克。将上述粉末装入高能球磨机进行球磨，球磨时间为6小时，球料比为5:1。 然后将混合好的粉末装入压缩强度大于70MPa石墨模具中，石墨模具内腔直径名义尺寸为 25mm〇
[0023] 2)将步骤I)所述装有原料的石墨模具置于放电等离子烧结炉中进行烧结，主要工 艺参数为:真空度小于IOPa，升温速度100°C/min，烧结温度为1500 °C，保温时间15min，加压 压力为25MPa，直流脉冲比12:5，冷却方式为随炉冷却。脱模后即可获得致密的铬基高温耐 磨合金 Cr65Nb6MoioW4Cui5 〇
[0024] 本实施例3获得的合金的主要性能如表3所示。
[0025]摩擦磨损测试实验条件为:载荷5N，摩擦线速度为0.2m/s，摩擦对偶材质为氮化 硅，摩擦形式为球盘式。
[0026] 表3 Cr65Nb6Mo1QW4Cu15力学性能与摩擦学性能
【主权项】
1. 一种络基高温耐磨合金，其特征在于该合金以高恪点金属Cr为基体，以低恪点金属 Cu和难熔金属Nb、Ta、W、Mo为合金化和强化元素;其中Cu元素在合金中的质量百分比为5%-30%;难熔金属Nb和Ta至少有一种，合计质量百分比不超过10%;难熔金属W和Mo至少有一种， 合计质量百分比不超过16%;余量为Cr。2. 如权利要求1所述铬基高温耐磨合金的制备方法，其特征在于采用放电等离子烧结 技术制备，包括以下步骤： 1) 称取〇、〇1、他3&、1、1〇粉末在高能球磨机中进行球磨得到混合粉末，然后将其装入 石墨模具中； 2) 将石墨模具置于放电等离子烧结炉中进行等离子活化烧结，烧结完成后随炉冷却至 室温获得块体的铬基高温耐磨合金。3. 如权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述Cr、Cu、Nb、Ta、W、Mo粉末的纯度大于 99%，粒度小于0.076mm。4. 如权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述步骤1)的球磨时间为3~6小时，球料 比为3:1~8:1。5. 如权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述石墨模具材料为高强度石墨，压缩强 度大于70MPa。6. 如权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述放电等离子烧结工艺参数为:真空度 小于10Pa，升温速度50°C/min~250°C/min，烧结温度为1240°01540°C，保温时间3min~ 15min，加压压力为5MPa~35MPa，直流脉冲比12:2~12:10。
【文档编号】C22C30/02GK106086566SQ201610443696
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】韩杰胜, 孟军虎, 苏博
【申请人】中国科学院兰州化学物理研究所