專利名稱：耐磨/摩擦材料用鈦合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦合金及其用作耐磨/摩擦材料的用途。
背景技術(shù)：
在汽車、火車、飛機、船舶等運動機械的控制上，需要廣泛使用由耐磨材料制成的剎車系統(tǒng)、離合器、軸承、阻尼系統(tǒng)和多類摩擦付結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的耐磨材料主要包括各種耐磨鋼、有色金屬(如銅、鉛、錫基耐磨材料等)、工程塑料以及工程陶瓷材料等。這些傳統(tǒng)的耐磨材料中，有些材料需要提供良好的潤滑條件才能發(fā)揮作用，如有色金屬耐磨材料；有些耐熱能力低，難以在高溫度條件下應(yīng)用，如工程塑料；有些因為比重較大難以在對重量要求較高的場合應(yīng)用，如耐磨鋼和鑄鐵；有些則因為綜合機械性能較差，難以勝任現(xiàn)代機械裝置振動、高沖擊負(fù)荷工作環(huán)境，如工程陶瓷。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前耐磨/摩擦材料應(yīng)用的上述特點和欠缺，本發(fā)明的目的是提供一種新型的耐磨/摩擦材料，即以鈦合金為基礎(chǔ)的鈦基耐磨/摩擦材料。具體而言，本發(fā)明的鈦合金具有以下組成Al＝3.5wt％～37wt％；V＝0.02wt％～3.5wt％；Ni＝0.05wt％～2wt％；Ti＝余量。
本發(fā)明的鈦合金還可以包含0.05wt％～24wt％的Nb、0.1wt％～5wt％的Mn和少于0.5wt％的Fe。
具體而言，當(dāng)Al含量低于3.5wt％時，合金性能將出現(xiàn)明顯變化，如強度急劇下降、塑性大幅提高，硬度也大幅降低，合金性能迅速向純鈦金屬的性能靠近，合金的耐磨能力，尤其是高溫耐磨能力將迅速衰減，甚至也無法適應(yīng)低載荷條件下的摩擦應(yīng)用；當(dāng)Al含量高于37wt％時，合金硬度和高溫強度繼續(xù)增加，但同時又急劇變脆，使得合金在室溫下就幾乎無法承受任何沖擊(包括機械沖擊和熱沖擊)，材料將變得像陶瓷一樣極為易碎，從而無法在大負(fù)荷的耐磨/摩擦環(huán)境下應(yīng)用。本發(fā)明的鈦合金中其他成分含量的任何變化也會不同程度地影響合金的實際使用性能。
優(yōu)選地，本發(fā)明的鈦合金中Al的含量優(yōu)選為8wt％～27wt％，更優(yōu)選為22wt％～25wt％；V的含量優(yōu)選為0.2wt％～2wt％，更優(yōu)選為1wt％～1.5wt％；Ni的含量優(yōu)選為0.5wt％～1.5wt％，更優(yōu)選為0.8wt％～1.2wt％；Nb的含量優(yōu)選為1wt％～17wt％，更優(yōu)選為8wt％～15wt％。
本發(fā)明的鈦合金利用傳統(tǒng)的鈦合金工藝制備，包括1)配料；2)自耗爐熔煉芯棒壓制；3)真空自耗爐一次熔煉；4)真空自耗爐二次熔煉；5)真空感應(yīng)懸浮熔煉；6)鑄錠鍛壓或軋制；7)熱處理、機加工；8)材料型材成品。
本發(fā)明的鈦合金用作耐磨/摩擦材料，具有低比重、不吸濕、耐腐蝕、耐高粉塵環(huán)境和耐磨的特點，適用于對重量、耐磨性能、耐高溫性能、耐腐蝕性能以及力矩質(zhì)量有較高要求的場合，尤其適于在完全無潤滑的干摩擦條件下使用。
具體而言，可以根據(jù)合金中各組分含量的不同而將所述鈦合金用作不同場合的耐磨/摩擦材料。例如，當(dāng)Al含量較低，優(yōu)選為3.5wt％～4wt％時，所述合金由于室溫和高溫強度/硬度較低，只適于在低載荷的耐磨/摩擦環(huán)境下應(yīng)用，例如輕型車輛或小型飛機的剎車盤、離合器應(yīng)用；當(dāng)Al含量較高，優(yōu)選為22wt％～25wt％時，所述材料由于室溫和高溫強度/硬度很高，同時韌性也較高，可以在大載荷的耐磨/摩擦環(huán)境下應(yīng)用，例如重型汽車或重型/大型飛機的剎車盤應(yīng)用。
本發(fā)明的主要優(yōu)點在于1)本發(fā)明提供多元素鈦基合金的耐磨/摩擦材料，具有低比重、耐腐蝕、高強度和不吸濕的特點；2)本發(fā)明提供的鈦合金的動態(tài)摩擦系數(shù)為0.23～0.25，靜態(tài)摩擦系數(shù)大于0.4，用作耐磨/摩擦材料可以在高溫、高負(fù)荷的干摩擦條件下穩(wěn)定工作，且摩擦系數(shù)穩(wěn)定；3)本發(fā)明提供的鈦合金耐磨/摩擦材料，可以應(yīng)用于高溫、高負(fù)荷的干式摩擦付，以及對重量、耐磨性能、耐高溫性能、耐腐蝕性能以及力矩質(zhì)量有較高要求的場合；4)現(xiàn)用摩擦材料在溫度升高的情況下，摩擦性能急劇降低甚至完全失效，而本發(fā)明的新型耐磨/摩擦材料即使在高溫下摩擦性能不會出現(xiàn)衰退，可以大幅提高剎車系統(tǒng)的可靠性。例如，在汽車的長時間制動情況下，現(xiàn)用剎車盤極易出現(xiàn)剎車失效情況而導(dǎo)致車禍，使用本新型耐磨/摩擦材料制成的剎車盤可以避免這一情況。
需要說明的是，本文中所有的數(shù)值范圍均包括端值，并包括所述數(shù)值范圍內(nèi)的所有值和子范圍。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的耐磨/摩擦材料用鈦合金的制備工藝流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明。
根據(jù)圖1所示的制備工藝，按照下列工藝條件制備耐磨/摩擦材料用鈦合金(1)配料、壓制一次自耗電極(10cm)；(2)一次真空自耗熔煉(真空度＝0.1Pa，熔煉電流密度＝15～25A/cm2)；(3)二次真空自耗熔煉，鑄錠(電極20cm，真空度＝0.1Pa，熔煉電流密度＝15～25A/cm2)；(4)開坯；(5)鍛造(開鍛溫度1300℃，終鍛溫度1050℃，空氣爐加熱)；(6)組織調(diào)整熱處理(1050℃，2小時)；(7)機加工去鍛坯表皮2～3cm；(8)探傷檢查后待用。
得到實施例1-6的耐磨/摩擦材料用鈦合金。將所得鈦合金在標(biāo)準(zhǔn)的盤銷式摩擦磨損試驗機上進(jìn)行耐磨試驗，試驗條件為室溫、空氣介質(zhì)、2MPa的壓力、220km/h～30km/h的線速度、鈦合金—粉末冶金對偶。拉伸測試根據(jù)GB/T 13239-1991標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。
實施例1Al＝3.5wt％～4wt％；Nb＝0.05wt％；Ni≈2wt％；V＝2wt％；Ti＝余量。具有該組成的合金材料的特點是(i)一定的干磨損耐磨性能(線磨損率為10-5～10-7mm/Nm)；(ii)微觀組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；(iii)室溫～400℃范圍內(nèi)摩擦系數(shù)穩(wěn)定(0.22～0.25)；(iv)有很好的韌性，加工性能好，進(jìn)行拉伸測試時抗拉強度σb≈780MPa，延伸率δ≈22％。
實施例2Al≈8wt％；Nb＝1.0wt％；Mn≈1wt％；V≈0.2wt％；Ti＝余量。具有該組成的合金材料的特點是(i)良好的(干磨損)耐磨性能(線磨損率為10-5～10-7mm/Nm)、微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；(ii)有較好的韌性，可以承受一定的沖擊載荷；(iii)在室溫直到高溫(≤500℃)下，摩擦系數(shù)穩(wěn)定(0.22～0.25)。(iv)熱加工性能良好。
實施例3Al≈22wt％；Nb≈1.5wt％；V＝0.2wt％；Ti＝余量。具有該組成的合金材料的特點是(i)良好的干磨損耐磨性能(線磨損率為10-6～10-8mm/Nm)和微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；(ii)有較好的韌性，可以承受一定的沖擊載荷；(iii)室溫～600℃范圍內(nèi)摩擦系數(shù)穩(wěn)定(0.22～0.25)。(iv)熱加工性能較好。
實施例4Al≈22wt％；Nb≈24wt％；Ni＝0.05wt％；V＝0.02wt％；Ti＝余量。具有該組成的合金材料的特點是(i)良好的干磨損耐磨性能(線磨損率為10-7～10-8mm/Nm)和微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；(ii)熱加工性能較好；(iii)室溫～800℃范圍內(nèi)摩擦系數(shù)穩(wěn)定(0.22～0.25)；(iv)有較好的韌性，可以承受一定的沖擊載荷，進(jìn)行拉伸測試時抗拉強度σb≈980MPa，延伸率δ≈12％。
實施例5Al≈37wt％；Nb＝17wt％；Ni＝1wt％；V≈0.02wt％；Ti＝余量。具有該組成的合金材料的特點是(i)優(yōu)異的干磨損耐磨性能(線磨損率為10-8～10-9mm/Nm)、微觀結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定；(ii)熱加工性能不好；(iii)在室溫直到高溫(≤700℃)下，摩擦系數(shù)穩(wěn)定(0.22～0.25)；(iv)有一定的韌性，但承受沖擊載荷較差，進(jìn)行拉伸測試時抗拉強度σb≈1100MPa，延伸率δ≈5％。
實施例6Al≈36wt％；Nb＝1wt％；Mn≈1wt％；V≈1wt％；Ti＝余量。具有該組成的合金材料的特點是(i)優(yōu)異的干磨損耐磨性能(線磨損率優(yōu)于10-9mm/Nm)、微觀結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定；(ii)有一定的韌性，但承受沖擊載荷較差；(iii)在室溫直到高溫(≤800℃)下，摩擦系數(shù)穩(wěn)定(0.22～0.25)。(iv)熱加工性能不好。
提供上述說明使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造和利用本發(fā)明，但本發(fā)明并不限于所示的實施方案，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以很容易地依據(jù)本文所述原理和特征進(jìn)行本文優(yōu)選實施方案的各種修改，而不會偏離本發(fā)明的精神和范圍。本發(fā)明的保護(hù)范圍是由所附權(quán)利要求所限定的與本文公開的原理和特征一致的最大范圍。
權(quán)利要求
1.一種鈦合金，其特征在于具有以下組成Al＝3.5wt％～37wt％；V＝0.02wt％～3.5wt％；Ni＝0.05wt％～2wt％；Ti＝余量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鈦合金，其特征在于還包含0.05wt％～24wt％的Nb。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的鈦合金，其特征在于還包含0.1wt％～5wt％的Mn。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項的鈦合金，其特征在于還包含少于0.5wt％的Fe。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項的鈦合金，其特征在于Al的含量為8wt％～27wt％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項的鈦合金，其特征在于Al的含量為22wt％～25wt％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項的鈦合金，其特征在于V的含量為0.2wt％～2wt％。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項的鈦合金，其特征在于Ni的含量為0.5wt％～1.5wt％。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項的鈦合金，其特征在于Nb的含量為1wt％～17wt％。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項的鈦合金的用途，用作耐磨/摩擦材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鈦合金及其用作耐磨/摩擦材料的用途。所述鈦合金的組成為Al＝3.5wt％～37wt％；V＝0.02wt％～3.5wt％；Ni＝0.05wt％～2wt％；Ti＝余量。本發(fā)明的鈦合金還可以包含0.05wt％～24wt％的Nb、0.1wt％～5wt％的Mn和少于0.5wt％的Fe。本發(fā)明的鈦合金用作耐磨/摩擦材料，具有低比重、不吸濕、耐腐蝕、耐高粉塵環(huán)境和耐磨的特點，適用于對重量、耐磨性能、耐高溫性能、耐腐蝕性能以及力矩質(zhì)量有較高要求的場合，尤其適于在完全無潤滑的干摩擦條件下使用。
文檔編號C22C14/00GK1827812SQ200610067458
公開日2006年9月6日 申請日期2006年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月27日
發(fā)明者楊力, 謝中維 申請人:楊力, 謝中維