專利名稱：一種Ni-Al-石墨自潤滑材料的石墨自球化處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種高溫Ni-Al-石墨自潤滑材料的石墨自球化處理方法，適用于在高溫氧化及強(qiáng)腐蝕環(huán)境中工作的自潤滑軸承材料、滑板材料、高溫冶金機(jī)械材料、高溫化工機(jī)械材料及高溫發(fā)動(dòng)機(jī)材料。
背景技術(shù)：
長期以來，人們對(duì)鑄鐵中石墨的球化處理已作了大量研究工作，獲得了性能優(yōu)良的球墨鑄鐵合金。石墨經(jīng)球化處理后，由于減弱了片狀石墨尖端對(duì)材料基體的割裂及應(yīng)力集中效應(yīng)，使得鑄鐵的韌性得到提高，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的各個(gè)領(lǐng)域。在對(duì)鑄鐵進(jìn)行球化處理的研究中，已發(fā)現(xiàn)稀土元素(如Ce等)、金屬M(fèi)g、Ca以及由多種元素組成的混合稀土鎂合金，可以使鑄鐵在凝固過程中，使其中的片狀石墨結(jié)晶轉(zhuǎn)變成球狀石墨結(jié)晶。在工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用過程中，目前主要采用混合稀土鎂合金作為鑄鐵生產(chǎn)中的球化劑。
Ni基-石墨固體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合金-石墨自潤滑材料均采用粉末冶金燒結(jié)方法制備。用粉末冶金燒結(jié)方法制備的材料由于基體中總是存在著一定數(shù)量的空洞和微裂紋，特別是石墨與基體之間難以達(dá)到緊密型結(jié)合，因此材料脆性較大，在摩擦磨損過程中，石墨易脫落。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、石墨等粉末按一定配比混合后，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，在燒結(jié)溫度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)。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。
Ni基合金一直是作為燃汽輪機(jī)葉片、高溫發(fā)動(dòng)機(jī)、高溫冶金、高溫化工、高溫鍋爐等高溫腐蝕環(huán)境中應(yīng)用的材料。在Ni基合金中加入組元Al后，其抗高溫氧化和耐腐蝕性能進(jìn)一步提高。20世紀(jì)70年代末以來，以金屬間化合物Ni3Al為代表的新型高溫材料倍受世界關(guān)注，其優(yōu)越的高溫強(qiáng)度和抗高溫氧化腐蝕性能被認(rèn)為是未來新一代發(fā)動(dòng)機(jī)及高溫化工和冶金的替代材料，這種材料的最高使用溫度可達(dá)1200℃。
本發(fā)明的目的是將石墨這種固體潤滑劑通過熔煉法加入到Ni-Al基高溫合金及Ni3Al金屬間化合物中，用工業(yè)純鋁對(duì)Ni-石墨高溫自潤滑材料進(jìn)行合金化及石墨的球化處理(自球化處理)，使鑄造合金中的片狀石墨形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙钍螒B(tài)，并細(xì)化石墨組織，以進(jìn)一步提高它們的沖擊韌性與自潤滑性，獲得一種新型抗高溫耐腐蝕的固體自潤滑材料。迄今為止，采用熔煉方法制備Ni-Al-石墨自潤滑材料未見任何報(bào)道，對(duì)Ni-Al-石墨合金中的石墨進(jìn)行凝固過程中的球化處理更未見任何報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種高溫Ni-Al-石墨自潤滑材料的石墨自球化處理方法，其特征在于1，該材料組分配比是Ni-(4.33wt％～12.73wt％)Al-3.5wt％C；2，采用熔煉法進(jìn)行制備，其實(shí)現(xiàn)的方法步驟如下(1).采用真空中頻感應(yīng)熔煉加熱，加熱熔煉坩堝用純石墨坩堝。(2).原料采用純度為99.8％的電解鎳，純度為98％的工業(yè)純鋁，純度為99％的石墨粉。(3).原料的加入方法如下將Ni、Al、石墨按上述配比要求稱配，先將稱配的石墨粉放置于熔煉坩堝的底部，將稱配好的Ni塊放置其上，將稱配好的鋁塊裝在加料斗中，待加入。(4)在熔煉前先對(duì)爐內(nèi)抽取低真空至1.25×10-1Pa，然后充入氬氣至1個(gè)大氣壓進(jìn)行保護(hù)。(5)熔煉溫度高于1650℃，到溫后保溫8-10分鐘，(6)將鋁塊由加料斗中倒入液態(tài)合金中，使液態(tài)金屬充分反應(yīng)，時(shí)間為6-12分鐘，當(dāng)液態(tài)金屬出現(xiàn)輕微沸騰現(xiàn)象后，然后關(guān)閉電源，將液態(tài)合金澆入鑄型中。
采用上述高溫Ni-Al-石墨自潤滑材料的石墨自球化處理方法，可在鋁含量為4.33wt％-12.73wt％(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))較寬的成分范圍內(nèi)，均實(shí)現(xiàn)了對(duì)Ni-石墨合金中片狀石墨的高效球化處理。所采用的工業(yè)純鋁一方面是形成Ni-Al-石墨系列高溫合金的組成元素，強(qiáng)化了基體組織的強(qiáng)度，提高了材料的抗高溫氧化性能和耐腐蝕性能，同時(shí)也是使片狀石墨轉(zhuǎn)變成球狀石墨的球化劑。這種球化劑具有在加入6-12分鐘較長的時(shí)間范圍內(nèi)，保持球化作用而不明顯衰退的特點(diǎn)，采用混合稀土鎂合金作為鑄鐵生產(chǎn)中的球化劑的球化處理時(shí)間一般在球化劑加入后，需在1～2分鐘較短的時(shí)間內(nèi)澆鑄，否則隨著時(shí)間的延長，會(huì)發(fā)生球化作用衰退現(xiàn)象。因此本發(fā)明具有生產(chǎn)操作方便、簡單，球化效率高，易工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。


圖1.Ni-12.73wt％Al-3.5wt％C合金(原子比簡潔表示即Ni3Al-石墨合金)未經(jīng)球化處理的組織形貌。
圖2.Ni-12.73wt％Al-3.5wt％C合金(原子比簡潔表示即Ni3Al-石墨合金)經(jīng)球化處理后組織形貌。
圖3.Ni-8.13wt％Al-3.5wt％C合金(原子比簡潔表示即Ni5Al-石墨合金)未經(jīng)球化處理的組織形貌。
圖4.Ni-8.13wt％Al-3.5wt％C合金(原子比簡潔表示即Ni5Al-石墨合金)經(jīng)球化處理后組織形貌。
圖5.Ni-4.33wt％Al-3.5wt％C合金(原子比簡潔表示即Ni10Al-石墨合金)未經(jīng)球化處理的組織形貌。
圖6.Ni-4.33wt％Al-3.5wt％C合金(原子比簡潔表示即Ni10Al-石墨合金)經(jīng)球化處理后組織形貌。
圖7.Ni10Al-石墨合金的高倍組織形貌
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.Ni-4.33wt％Al-3.5wt％C合金的石墨球化采用上述高溫Ni-Al-石墨自潤滑材料的石墨自球化處理方法，當(dāng)Al加入后保溫8分鐘，澆注于石墨型模具中，結(jié)晶的石墨呈均勻球狀組織。圖6.是Ni10Al-石墨合金石墨球狀組織形貌。
實(shí)施例2.Ni-8.13wt％Al-3.5wt％C合金的石墨球化采用上述高溫Ni-Al-石墨自潤滑材料的石墨自球化處理方法，當(dāng)Al加入后保溫6.5分鐘澆注于石墨模具中，結(jié)晶的石墨由片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚯驙?，基體為Ni-Al合金。圖4.是Ni5Al-石墨合金石墨球狀組織形貌。
實(shí)施例3.Ni-12.73wt％Al-3.5wt％C合金的石墨球化采用上述高溫Ni-Al-石墨自潤滑材料的石墨自球化處理方法，當(dāng)Al加入后保溫8分鐘，澆注于石墨型模具中，結(jié)晶的石墨由片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚯驙钍螒B(tài)。與球墨鑄鐵中球型石墨形態(tài)相同，石墨球的平均直徑約為20μm。如圖2.Ni3Al-石墨合金石墨球狀組織形貌。
比較例1.采用上述高溫Ni-Al-石墨自潤滑材料的石墨自球化處理方法，在鋁含量為4.33wt％-12.73wt％(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))較寬的組分范圍內(nèi)，均實(shí)現(xiàn)了對(duì)Ni-Al石墨合金中片狀石墨的高效球化處理(見表1，圖2、圖4、圖6、圖7)。這種球化劑具有在加入6-12分鐘較長的時(shí)間范圍內(nèi)，保持球化作用而不明顯衰退的特點(diǎn)。因此具有長效且便于生產(chǎn)操作的優(yōu)點(diǎn)。而鑄鐵的球化處理時(shí)間一般在球化劑加入后，需在1～2分鐘較短的時(shí)間內(nèi)澆鑄，否則隨著時(shí)間的延長，會(huì)發(fā)生球化作用衰退現(xiàn)象。
表1 熔煉工藝對(duì)石墨生長形態(tài)的影響

2，Ni-Al-石墨合金的石墨經(jīng)球化處理后，由于球狀石墨對(duì)基體產(chǎn)生的割裂作用及應(yīng)力集中效應(yīng)減弱，材料的沖擊韌性得到提高。如本發(fā)明中Ni10Al-石墨合金未經(jīng)球化處理的沖擊韌性值為9.82J/cm2，經(jīng)球化處理后沖擊韌性提高到12.94J/cm2(見表2)，也遠(yuǎn)高于上述文獻(xiàn)表2 Ni-Al-石墨合金球化處理前后的沖擊韌性性能數(shù)據(jù)

報(bào)道的用粉末冶金法制備的Ni-Cr-Ag-石墨合金的沖擊韌性值；Ni5Al-石墨合金的沖擊韌性值未經(jīng)球化處理前為8.35J/cm2，經(jīng)球化處理后沖擊韌性提高到10.56J/cm2(見表2)，高于粉末冶金法制備的Ni-Cr-Ag-石墨合金的沖擊韌性值；最脆的Ni3Al-石墨合金的沖擊韌性值未經(jīng)球化處理前為2.16J/cm2，經(jīng)球化處理后沖擊韌性提高到8.82J/cm2(見表2)，高于粉末冶金法制備的Ni-Cr-Ag-石墨合金的沖擊韌性值。
3，Ni-Al-石墨合金經(jīng)球化處理后，由于石墨圓整、細(xì)小、均勻分布于基體中，自潤滑性能更穩(wěn)定，摩擦系數(shù)略有減小。Ni10Al-石墨合金經(jīng)表3 Ni-AL-石墨合金球化處理前后的干摩擦磨損性能數(shù)據(jù)

球化處理后，與45#鋼及GCr15軸承鋼對(duì)磨摩擦系數(shù)保持在0.12-0.15的低值(見表3)；Ni5Al-石墨合金經(jīng)球化處理后，與45#鋼及GCr15軸承鋼對(duì)磨摩擦系數(shù)保持在0.23-0.25(見表3)。Ni3Al-石墨合金經(jīng)球化處理后，與45#鋼及GCr15軸承鋼對(duì)磨摩擦系數(shù)保持在0.30-0.36(見表3)。上述材料經(jīng)球化處理后，自潤滑性能更加穩(wěn)定。
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，凡是采用熔煉法進(jìn)行的Ni-Al-石墨自潤滑材料的石墨自球化處理方法均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1，一種Ni-Al-石墨自潤滑材料的石墨自球化處理方法，其特征在于選用材料組分配比是Ni-(4.33wt％～12.73wt％)Al-3.5wt％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-Al-石墨自潤滑材料的石墨自球化處理方法，其特征在于熔煉法采用如下步驟(1).采用真空中頻感應(yīng)熔煉加熱，加熱熔煉坩堝用純石墨坩堝。(2).原料采用純度為99.8％的電解鎳，純度為98％的工業(yè)純鋁，純度為99％的石墨粉。(3).原料的加入方法如下將Ni、Al、石墨按上述配比要求稱配，先將稱配的石墨粉放置于熔煉坩堝的底部，將稱配好的Ni塊放置其上，將稱配好的鋁塊裝在加料斗中，待加入。(4)在熔煉前先對(duì)爐內(nèi)抽取低真空至1.25×10-1Pa，然后充入氬氣至1個(gè)大氣壓進(jìn)行保護(hù)。(5)熔煉溫度高于1650℃，到溫后保溫8-10分鐘，(6)將鋁塊由加料斗中倒入液態(tài)合金中，使液態(tài)金屬充分反應(yīng)，時(shí)間為6-12分鐘，當(dāng)液態(tài)金屬出現(xiàn)輕微沸騰現(xiàn)象后，然后關(guān)閉電源，將液態(tài)合金澆入鑄型中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高溫Ni－Al－石墨自潤滑材料的石墨自球化處理方法，該材料組分配比是選擇Ni－(4.33wt％～12.73wt％)Al－3.5wt％石墨和采用熔煉法進(jìn)行制備，采用上述高溫Ni－Al－石墨自潤滑材料的石墨自球化處理方法，可在鋁含量為4.33wt％－12.73wt％較寬的成分范圍內(nèi)，均實(shí)現(xiàn)對(duì)Ni－石墨合金中片狀石墨的高效球化處理。所采用的工業(yè)純鋁一方面是形成Ni－Al－石墨系列高溫合金的組成元素，強(qiáng)化了基體組織的強(qiáng)度，提高了材料的抗高溫氧化性能和耐腐蝕性能，同時(shí)也是使片狀石墨轉(zhuǎn)變成球狀石墨的自球化劑。這種球化作用具有在加入6－12分鐘較長的時(shí)間范圍內(nèi)，保持球化作用而不明顯衰退的特點(diǎn)，經(jīng)球化處理后，材料的沖擊韌性得到提高，自潤滑性能更加穩(wěn)定，而且本發(fā)明具有生產(chǎn)操作方便、簡單，球化效率高，易工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C10M103/00GK1487062SQ0312526
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, 陳麗娟, 湯偉 申請(qǐng)人:福州大學(xué)