專利名稱：一種Ni-Cu高韌性固體自潤滑材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Ni-Cu-石墨高韌性固體自潤滑材料及制備方法。適用于在高溫氧化及腐蝕環(huán)境中工作的自潤滑軸承材料、導(dǎo)電滑板材料、高溫冶金機(jī)械材料、腐蝕環(huán)境中的化工機(jī)械材料及高溫發(fā)動(dòng)機(jī)材料。
背景技術(shù)：
高溫自潤滑材料及自潤滑導(dǎo)電材料是工業(yè)領(lǐng)域及現(xiàn)代高科技領(lǐng)域中重要的另部件，在高溫?zé)o油自潤滑軸承，活塞，活塞環(huán)，配氣閥座，高速列車帶電滑板，高溫?zé)掍摍C(jī)械，高溫鍋爐，加熱爐拖板機(jī)械，高溫強(qiáng)腐蝕環(huán)境中的化工機(jī)械，無油污染環(huán)境中的紡織機(jī)械，潛艇密封軸承，計(jì)算機(jī)、打印機(jī)中高速防振滑塊以及軍事航天航空等高科技領(lǐng)域中均有重要應(yīng)用價(jià)值。
目前在含石墨的固體自潤滑材料中，有純石墨型和金屬/石墨型等種類，在沒有油潤滑的條件下，純石墨與大多數(shù)金屬部件摩擦?xí)r，具有低的摩擦系數(shù)，但其缺點(diǎn)是質(zhì)脆、強(qiáng)度低、抗沖擊性差，純石墨軸承在單位時(shí)間內(nèi)的磨耗量也大，金屬材料與石墨復(fù)合后，可有效克服上述缺點(diǎn)。目前已研究開發(fā)的有Cu-石墨，青銅-石墨，Ag-石墨，Al-石墨，Ni合金-石墨，F(xiàn)e-石墨，Zn-石墨等固體自潤滑材料，但上述材料主要采用粉末冶金方法制備，存在著石墨分布不易均勻，石墨與基本之間接合不緊密，材料中多孔，密封性差，沖擊韌性較低，金屬粉的制備成本高，工序繁多，制備中易帶入氧化物及雜質(zhì)等缺點(diǎn)。為了提高粉末冶金制品的密度和強(qiáng)度，有些產(chǎn)品還要經(jīng)過多次復(fù)壓燒結(jié)。
Ni基-石墨自潤滑材料具有抗高溫氧化、耐腐蝕性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，目前已報(bào)道的Ni基-石墨自潤材料均采用粉末冶金燒結(jié)方法制備，牛淑琴，朱家珮，歐陽錦林.幾種高溫自潤滑復(fù)合材料的研制與性能研究.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，1995，15(4)324-332，一文公開報(bào)道了Ni-Cr-石墨、Ni-Cr-Ag-石墨、Ni-Cr-PbO-Sb-石墨、Ni-Cr-SiC-石墨等多種固體自潤滑材料的制備方法及成分和性能，制備方法是將Ni、Cr、Ag、PbO、Sb、SiC、石墨等粉末按一定比例混合后，在模具中冷壓成型，然后裝置在有真空中頻感應(yīng)加熱的線圈中央，在1100℃-1250℃及10-25MPa的壓力條件下進(jìn)行熱壓燒結(jié)成型。其中Ni-Cr-石墨系列材料在室溫下與Mo-0.5Ti-0.08Zr合金對(duì)磨，摩擦系數(shù)μ為0.37-0.46；Ni-Cr-Ag-石墨系列材料在室溫下的摩擦系數(shù)μ為0.32-0.43；Ni-Cr-PbO-Sb-石墨系列材料在室溫下的摩擦系數(shù)μ為0.35-0.43；Ni-Cr-SiC-石墨系列材料在室溫下的摩擦系數(shù)μ為0.30-0.32。上述所有材料的沖擊韌性值均在1.02-3.76J/cm2范圍內(nèi)。表1是Ni-Cr-Ag-石墨系列合金材料具有的部分性能。其研究結(jié)果表明，隨著該材料中石墨含量的增加，材料的密度、硬度、沖擊韌性、抗壓強(qiáng)度均減小，而摩擦系數(shù)增大。摩擦系數(shù)的最小值為0.32，最大沖擊韌性較小，僅有2.88J/cm2，這是含石墨型粉末冶金材料多孔和微裂紋存在的必然結(jié)果。其它粉末冶金法制備的Ni基固體自潤滑材料有Ni-LaF3、Ni-MoS2等。
表1 文獻(xiàn)[1] Ni合金-Ag-石墨固體自潤滑材料的性能

本發(fā)明的目的是研制Ni-Cu-石墨系列高韌性固體自潤滑材料并通過熔煉法制備出具有高密度、高沖擊韌性、良好塑型、優(yōu)良自潤滑性能的含石墨型兩相合金材料。目前未見任何有關(guān)采用熔煉法制備Ni-Cu-石墨固體自潤滑材料的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一組Ni-Cu-石墨高韌性固體自潤滑材料，其特征在于該系列合金中加入了組元石墨，并采用熔煉法進(jìn)行制備，材料組分配比為Ni-(0～50)wt％Cu-3.5wt％石墨。
為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種Ni-Cu-石墨高韌性固體自潤滑材料的制備方法，其步驟如下(1)原料采用純度為99.8％的工業(yè)電解Ni塊，純度為98.5％的工業(yè)純Cu，純度為99％純石墨粉。
(2)采用工業(yè)真空中頻感應(yīng)爐加熱，爐內(nèi)熔煉加熱坩堝為純石墨坩堝。
(3)配置合金組分，將上述Ni、銅、石墨按配比要求稱配。
(4)首先將石墨粉放置于石墨坩堝的底部，然后在其上部放置金屬Ni塊，將稱配好的Cu塊放置在感應(yīng)爐的加料漏斗中，待加入。
(5)爐內(nèi)經(jīng)抽低真空處理后(1.25×10-1Pa)，充入氬氣進(jìn)行保護(hù)。
(6)加熱熔煉溫度高于1650℃，到溫后保溫8-10分鐘。
(7)從加料漏斗中將金屬Cu塊加入金屬液中，待金屬液出現(xiàn)輕微沸騰現(xiàn)象后，保溫3～5分鐘。
(8)關(guān)閉電源，待金屬液鎮(zhèn)靜后，澆鑄到鑄型中。
本發(fā)明采用熔煉法制備Ni-Cu-石墨兩相固體自潤滑材料，由于組織均勻，無微裂紋，加上Ni-Cu合金基體本身具有高的韌性并無限互溶呈單相合金，所研制的所有系列成分的合金均無硬脆第二相，因此本發(fā)明研制的Ni-Cu-石墨等系列合金均具有高的沖擊韌性及良好的塑性變形能力，沖擊韌性值均達(dá)到102.6J/cm2以上(見表2)，沖擊韌性值高于鐵道部對(duì)受電弓滑板材料部頒標(biāo)準(zhǔn)(TB1824-87)指標(biāo)(5J/cm2)20倍以上，比上述文獻(xiàn)的多種固體自潤滑材料的最大沖擊韌性值高出其27倍以上。并具有方法簡單，一次生產(chǎn)量大，可方便澆鑄成不同形狀另件的優(yōu)點(diǎn)。


圖1.用熔煉法制備的Ni-3.5wt％石墨二元合金組織形貌，采用的是石墨型澆注，石墨呈片狀形貌，組織致密。
圖2.用熔煉法制備的Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨三元合金的組織形貌，呈短片狀石墨型貌，石墨分布均勻，組織致密。
圖3.用熔煉法制備的Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨三元合金的組織形貌，除片狀石墨外，部分石墨因銅量的增加而被球化，石墨分布均勻，組織致密。
圖4.用熔煉法制備的Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨三元合金的組織形貌，石墨型澆注，除片狀石墨外，由于銅含量的進(jìn)一步增加，球狀石墨數(shù)量進(jìn)一步增多，組織細(xì)化，石墨分布均勻，組織致密。
圖5.Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨、Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨、Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨合金經(jīng)三點(diǎn)彎曲性能實(shí)驗(yàn)后，試樣的變形形貌，均能夠壓彎成V字型而不發(fā)生脆性斷裂。
圖6.Ni-石墨合金塊材在850℃-900℃下經(jīng)反復(fù)錘打后的宏觀變形形貌。壓縮變形量達(dá)70％。表明該材料具有良好的塑性變形能力。
圖7.Ni-石墨合金塊材在850℃-900℃下經(jīng)70％的壓縮變形后，原任意取向的石墨被壓縮成平行排列的纖維狀組織。
圖8.與45#退火鋼干摩擦磨損時(shí)的摩擦系數(shù)曲線。曲線1是Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨合金的摩擦系數(shù)曲線；曲線2是Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨合金的摩擦系數(shù)曲線；曲線3是Ni-3.5wt％石墨合金的摩擦系數(shù)曲線；曲線4是Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨合金的摩擦系數(shù)曲線。
圖9.與GGr15軸承鋼(HRC＝58)干摩擦磨損時(shí)的摩擦曲線。曲線1是Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨合金的摩擦系數(shù)曲線；曲線2是Ni-3.5wt％石墨合金的摩擦系數(shù)曲線；曲線3是Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨合金的摩擦系數(shù)曲線；曲線4是Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨合金的摩擦系數(shù)曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖通過實(shí)施例和比較例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1.取如下成份配比并根椐上述工藝步驟制備高溫自潤滑材料Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨合金。
實(shí)施例2.取如下成份配比并根椐上述工藝步驟制備高溫自潤滑材料Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨合金。
實(shí)施例3.取如下成份配比并根椐上述工藝步驟制備高溫自潤滑材料Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨合金。
實(shí)施例4.取如下成份配比并根椐上述工藝步驟制備高溫自潤滑材料Ni-3.5wt％石墨合金。
比較例1，本實(shí)驗(yàn)所作的三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)表明，所研制的所有系列合金，均能夠壓彎成V字型而不發(fā)生脆性斷裂(見圖5)。850℃-900℃溫度下經(jīng)不均勻鍛打可壓縮變形40-70％，變形后石墨呈纖維狀排列(見圖6，圖7)，因此這種材料具有良好的塑性成型能力。在鑄鐵及同類含石墨型粉末冶金自潤滑試樣中均表現(xiàn)為脆性斷裂，其原因一方面是由于Ni-Cu基體的塑韌性高，另一方面是由于熔煉制備使材料的整體結(jié)合強(qiáng)度提高，無界面微孔缺陷，無碳化物硬脆相，石墨與基體之間結(jié)合緊密，韌性保持在較高的水平。
2，所研制的材料具有良好的自潤滑性能，通過與硬度低的退火態(tài)45#鋼(HRC＝28)和硬度高的GCr15軸承鋼(HRC＝58)干摩擦磨損，摩擦系數(shù)分別保持在0.17-0.35和0.12-0.25的較低值(見表2)，并穩(wěn)定不變。
3，根據(jù)使用要求的不同，可選擇不同成分的合金。所研制材料的基體硬度及強(qiáng)度隨著合金中Cu加入量的增多而逐漸增大；電阻率隨著合金中Cu加入量的增多而增大。沖擊韌性隨著合金中Cu加入量的增多而減小。
(1)實(shí)驗(yàn)表明導(dǎo)電性最好的是純Ni-石墨合金，電阻率ρ＝0.24Ω·mm2m-1(見表1)，達(dá)到了鐵道部對(duì)受電弓滑板材料ρ′＜0.35Ω·mm2m-1的部頒標(biāo)準(zhǔn)(TB1824-87)要求，因而這種材料可作為導(dǎo)電性自潤滑材料使用。
(2)Ni基體經(jīng)組元Cu固溶強(qiáng)化后，材料的強(qiáng)度、硬度得到提高，與偶件之間的粘著磨損減弱，摩擦系數(shù)減小，自潤滑性能提高。其中Ni-20wt％Cu-3.5wt％石墨合金與45#鋼對(duì)磨，摩擦系數(shù)保持在0.20，與GCr15軸承鋼對(duì)磨，摩擦系數(shù)保持在0.12；Ni-34wt％Cu-3.5wt％石墨合金與45#鋼對(duì)磨，摩擦系數(shù)保持在0.18，與GCr15軸承鋼對(duì)磨，摩擦系數(shù)保持在0.12的低值(見表2)。以上兩種材料表現(xiàn)出良好的自潤滑性能，遠(yuǎn)低于上述文獻(xiàn)報(bào)道的系列Ni-Cr-石墨、Ni-Cr-Ag-石墨、Ni-Cr-PbO-Sb-石墨、Ni-Cr-SiC-石墨等多種固體自潤滑材料的最小摩擦系數(shù)0.30值。因此對(duì)自潤滑性能要求高的可選擇加Cu固溶強(qiáng)化的合金。
表2.Ni-Cu-石墨合金的物性參數(shù)Ni-3.5wt％石墨 Ni-20wt％Cu- Ni-34wt％Cu- Ni-50wt％Cu-3.5wt％石墨 3.5wt％石墨 3.5wt％石墨電阻率ρ(Ω/mm-2m) 2.4 5.8 7.1 5.3密度(g/cm3) 8.25 8.47 8.61 8.77石墨的面積百分?jǐn)?shù)％22.35 23.62 19.37 15.84硬度(HB) 90.0 97.3 98.6 11 3.6沖擊韌性ak(J/cm2) 121.8 117.5 110.2 102.6三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度σbb(MPa)492 50.8 52.5 65.1表3.Ni-Cu-石墨系列合金的干摩擦磨損性能

盡管本發(fā)明已作了詳細(xì)的說明和例舉出一些具體例子，但本發(fā)明并不局限于這些范圍，凡是采用熔煉法制備的Ni-Cu-石墨自潤滑材料均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1，一種Ni-Cu高韌性固體自潤滑材料，其特征在于該系列合金中加入了組元石墨和采用熔煉法進(jìn)行制備。
2，根據(jù)權(quán)力要求1所述的一種Ni-Cu高韌性固體自潤滑材料，其特征在于系列合金材料組分配比為Ni-(0～50)wt％Cu-3.5wt％石墨。
3，由權(quán)力要求1所述的一種Ni-Cu高韌性固體自潤滑材料的熔煉制備方法，其特征在于其制備方法的步驟如下(1)原料采用純度為99.8％的工業(yè)電解Ni塊，純度為98.5％的工業(yè)純Cu，純度為99％純石墨粉。(2)采用工業(yè)真空中頻感應(yīng)爐加熱，爐內(nèi)熔煉加熱坩堝為純石墨坩堝。(3)配置合金組分，將上述Ni、銅、石墨按配比要求稱配。(4)首先將石墨粉放置于石墨坩堝的底部，然后在其上部放置金屬Ni塊，將稱配好的Cu塊放置在感應(yīng)爐的加料漏斗中，待加入。(5)爐內(nèi)經(jīng)抽低真空處理后(1.25×10-1Pa)，充入氬氣進(jìn)行保護(hù)。(6)加熱熔煉溫度高于1650℃，到溫后保溫8-10分鐘。(7)從加料漏斗中將金屬Cu塊加入金屬液中，待金屬液出現(xiàn)輕微沸騰現(xiàn)象后，保溫3-5分鐘。(8)關(guān)閉電源，待金屬液鎮(zhèn)靜后，澆鑄到鑄型中。
全文摘要
本發(fā)明公開一種Ni－Cu高韌性固體自潤滑材料及制備方法，將該系列合金中加入了組元石墨，并采用熔煉法進(jìn)行制備，材料組分配比為Ni－(0～50)wt％Cu－3.5wt％C。采用熔煉法制備的Ni－Cu－石墨高溫自潤滑材料具有耐腐蝕性強(qiáng)，抗高溫氧化，石墨分布均勻，組織致密等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)均可以壓成V字型而不發(fā)生脆性斷裂；沖擊韌性a
文檔編號(hào)C22C1/02GK1487106SQ0312526
公開日2004年4月7日 申請(qǐng)日期2003年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月12日
發(fā)明者朱定一, 關(guān)翔鋒, 兌衛(wèi)真 申請(qǐng)人:福州大學(xué)