一種鎳基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鎳基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備方法，該材料具有良好的寬溫域潤(rùn)滑抗磨性能，用于解決航空航天、核能、石油、化工等工業(yè)領(lǐng)域中特殊環(huán)境(耐輻射、高低溫、高低載、高低速等)條件下相關(guān)零部件的潤(rùn)滑問題，特別適用于核電裝備的高溫系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件。
【背景技術(shù)】
[0002]核電具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電等優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)家發(fā)展規(guī)劃中低碳能源供應(yīng)的重要支柱。核電設(shè)備的輻射劑量很高，一般的潤(rùn)滑油脂在受到輻射后會(huì)發(fā)生輻射分解，喪失潤(rùn)滑性能。此外，核電站中的某些關(guān)鍵設(shè)備又必須面對(duì)高溫環(huán)境。在這種極端工況下，高溫自潤(rùn)滑材料和技術(shù)是解決其潤(rùn)滑問題的有效途徑。然而，目前國(guó)內(nèi)外可用于核電領(lǐng)域的高溫自潤(rùn)滑材料鮮見報(bào)道?，F(xiàn)有的使役材料多為核石墨和含鉛合金，但較低的強(qiáng)度是其弱點(diǎn)，影響其使用壽命。因此，迫切需要研發(fā)新型的高溫自潤(rùn)滑材料來解決核電裝備的技術(shù)瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種從室溫到高溫500°C的鎳基自潤(rùn)滑復(fù)合材料，通過耐輻射固體潤(rùn)滑劑的復(fù)配來實(shí)現(xiàn)寬溫域低摩擦和高耐磨性能。
[0004]本發(fā)明利用粉末冶金制備技術(shù)，通過材料成分調(diào)控設(shè)計(jì)制備了耐輻射高溫自潤(rùn)滑材料。鎳基合金具有良好的高溫強(qiáng)度以及耐輻射性能，被選作高溫自潤(rùn)滑材料的基體相。固體潤(rùn)滑劑有較強(qiáng)的耐輻射能力，其中層狀固體潤(rùn)滑劑石墨可以長(zhǎng)期暴露在輻射環(huán)境中而不受影響，軟金屬鉛的耐輻射能力特別強(qiáng)。這兩種固體潤(rùn)滑劑的復(fù)配一方面對(duì)于核反應(yīng)是安全的，另一方面具有協(xié)同潤(rùn)滑效應(yīng)。本發(fā)明發(fā)揮鎳基合金基體相、復(fù)配固體潤(rùn)滑相等協(xié)同效應(yīng)，研制出滿足核輻射條件下使用的低摩擦高溫自潤(rùn)滑材料及其制備技術(shù)。
[0005]—種鎳基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料，其特征在于該材料所包含的組分及各組分在材料中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為:Ni基合金60?94%、石墨1?10%和Pb5?30%。
[0006]所述Ni基合金為霧化合金粉末，其組成及各組分所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為:Ni60-95%、Cr Η0%、Μο 卜5%、W 卜5%、Cu H0%、A1 1-10%。
[0007]本發(fā)明的鎳基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料采用熱壓燒結(jié)方法制備，特征在于包括如下工藝步驟:
分別稱取Ni基合金粉末、石墨粉末和Pb粉末進(jìn)行高能球磨得到混合粉末;將混合粉末裝入石墨模具，置于真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓成型燒結(jié)，燒結(jié)完成后爐冷至室溫，得到塊體鎳基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
[0008]所述球磨的條件為:球磨時(shí)間為4?8小時(shí)，球料比為3-8:1，磨罐和磨球均為碳化媽硬質(zhì)合金，轉(zhuǎn)速為200?300r/min。
[0009]所述燒結(jié)的條件為:升溫速率為10?50°C/min，真空度為10—2?10—^a，燒結(jié)溫度為600?1000°C，燒結(jié)壓力為20?40MPa，保溫時(shí)間為10?60min。
[0010]本發(fā)明的鎳基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料具有低摩擦和高耐磨特性。采用栓盤接觸式真空高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的摩擦磨損性能，盤為本發(fā)明的材料，尺寸為18.5X18.5X 5mm3，對(duì)偶栓為GH4169鎳基超合金。實(shí)驗(yàn)條件如下:接觸應(yīng)力7MPa，滑動(dòng)速率0.033m/s，運(yùn)行時(shí)間10分鐘，測(cè)試溫度為室溫、200和500°C。具體性能如下:室溫時(shí)，摩擦系數(shù)為0.08-0.16，磨損率為6.3-9.8 X 10—6 mm3/Nm；200°C時(shí)，摩擦系數(shù)為0.07-0.15,磨損率為8.2_12 X10—6 mm3/Nm;500°C時(shí)，摩擦系數(shù)為0.12-0.19，磨損率為35-50X 10—6 mm3/Nm。
[0011]本發(fā)明的鎳基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度。壓縮強(qiáng)度測(cè)試的試樣尺寸為Φ 3mm X 4.5mm，壓頭下移速度為0.05mm/min，其室溫壓縮強(qiáng)度>300MPa。
[0012]本發(fā)明的制備工藝簡(jiǎn)單，通過配方和工藝的調(diào)整，材料性能可調(diào)控。
[0013]本發(fā)明制備的自潤(rùn)滑復(fù)合材料在寬溫域的復(fù)雜環(huán)境下具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能，其作為核電等領(lǐng)域的高溫運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)部件具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1制備的鎳基合金-石墨-鉛高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料的室溫摩擦系數(shù)-時(shí)間曲線。
[0015]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1制備的鎳基合金-石墨-鉛高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料的200°C摩擦系數(shù)-時(shí)間曲線。
[0016]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1制備的鎳基合金-石墨-鉛高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料的500°C摩擦系數(shù)-時(shí)間曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0017]實(shí)施例1
按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)82%的Ni基合金，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為8%的石墨和質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10%的Pb，分別稱取粉末材料，將其置于行星式球磨機(jī)中干混合，轉(zhuǎn)速為250r/min，球料比為8:1，磨球?yàn)樘蓟u硬質(zhì)合金球，球磨時(shí)間為8小時(shí)，獲得均勻的混合粉末。將該混合粉末裝入涂有六方氮化硼的石墨模具中，然后放入真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，爐腔真空度為10—2?10—χΡβ，升溫速率為10°C/min，燒結(jié)溫度為900°C，燒結(jié)壓力為35MPa，燒結(jié)時(shí)間為30min。燒結(jié)完成后隨爐冷卻至室溫，得到致密的N1-8%C-10%Pb高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
[0018]實(shí)施例2
按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)70%的Ni基合金，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10%的石墨和質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為20%Pb，分別稱取粉末材料，將其置于行星式球磨機(jī)中干混合，轉(zhuǎn)速為200r/min，球料比為4:1，磨球?yàn)樘蓟u硬質(zhì)合金球，球磨時(shí)間為6小時(shí)，獲得均勻的混合粉末。將該混合粉末裝入涂有六方氮化硼的石墨模具中，然后放入真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，爐腔真空度為10—2?10—χΡβ，升溫速率為30°C/min，燒結(jié)溫度為800°C，燒結(jié)壓力為25MPa，燒結(jié)時(shí)間為20min。燒結(jié)完成后隨爐冷卻至室溫，得到致密的N1-10%C-20%Pb高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
[0019]實(shí)施例3
按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)70%的Ni基合金，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為5%的石墨和質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為25%Pb，分別稱取粉末材料，將其置于行星式球磨機(jī)中干混合，轉(zhuǎn)速為200r/min，球料比為4:1，磨球?yàn)樘蓟u硬質(zhì)合金球，球磨時(shí)間為4小時(shí)，獲得均勻的混合粉末。將該混合粉末裝入涂有六方氮化硼的石墨模具中，然后放入真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，爐腔真空度為10—2?10—χΡβ，升溫速率為30°C/min，燒結(jié)溫度為800°C，燒結(jié)壓力為25MPa，燒結(jié)時(shí)間為20min。燒結(jié)完成后隨爐冷卻至室溫，得到致密的N1-5%C-25%Pb高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鎳基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料，其特征在于該材料所包含的組分及各組分在材料中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為:Ni基合金60?94%、石墨1?10%和Pb5?30%。2.如權(quán)利要求1所述的材料，其特征在于所述Ni基合金為霧化合金粉末，其組成及各組分所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為:Ni 60-95%、Cr Η0%、Μο 卜5%、W 卜5%、Cu H0%、A1 1-10%。3.如權(quán)利要求1或2所述材料的制備方法，其特征在于該方法為熱壓燒結(jié)方法，具體步驟為:分別稱取Ni基合金粉末、石墨粉末和Pb粉末進(jìn)行高能球磨得到混合粉末;將混合粉末裝入石墨模具，置于真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓成型燒結(jié)，燒結(jié)完成后爐冷至室溫，得到塊體鎳基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料。4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述球磨的條件為:球磨時(shí)間為4?8小時(shí)，球料比為3-8:1，磨罐和磨球均為碳化媽硬質(zhì)合金，轉(zhuǎn)速為200?300r/min。5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述燒結(jié)的條件為:升溫速率為10?50°C/min，真空度為10—2?10—^a，燒結(jié)溫度為600?1000°C，燒結(jié)壓力為20?40MPa，保溫時(shí)間為10?60mino
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鎳基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料，該材料所包含的組分及各組分在材料中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：Ni基合金60～94%、石墨1～10%和Pb5～30%。本發(fā)明還公開了該材料的制備方法。本發(fā)明所述復(fù)合材料具有良好的寬溫域潤(rùn)滑抗磨性能，在耐輻射、高低溫、高負(fù)載、高低速等苛刻環(huán)境下作為自潤(rùn)滑材料具有良好的應(yīng)用前景，特別適用于核電裝備的高溫系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件。
【IPC分類】C22C19/05, C22C1/05
【公開號(hào)】CN105441707
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510827724
【發(fā)明人】楊軍, 朱圣宇, 程軍, 喬竹輝, 劉維民
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
【公開日】2016年3月30日
【申請(qǐng)日】2015年11月25日