[發(fā)明專利]一種鉻基高溫耐磨合金及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610443696.4
• 申請(qǐng)日: 2016-06-20
• 公開（公告）號(hào): CN106086566B
• 公開（公告）日: 2018-02-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓杰勝;孟軍虎;蘇博
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
• 主分類號(hào): C22C27/06
• 分類號(hào): C22C27/06;C22C30/02;C22C1/04;B22F3/105
• 代理公司: 蘭州中科華西專利代理有限公司62002
• 代理人: 周瑞華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鉻基高溫耐磨合金及其制備方法。

背景技術(shù)

高溫合金廣泛用于航空航天、核電站和尖端武器等高技術(shù)領(lǐng)域。使用溫度極大的影響著合金的各種性能，在高溫下（約1000℃）具有優(yōu)異抗磨損性能的合金是高技術(shù)領(lǐng)域重大裝備可靠、穩(wěn)定和長(zhǎng)壽命運(yùn)行的關(guān)鍵材料之一。在高溫耐磨材料方面，目前廣泛報(bào)道的主要是鎳基復(fù)合材料、金屬間化合物基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。中國(guó)專利CN103540780B公開了一種高強(qiáng)度鎳基高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備方法，在室溫至900℃下具有低摩擦磨損特性。中國(guó)專利CN103540821B公開了一種在高溫下具有自潤(rùn)滑性能的氧化鋯基塊體材料。中國(guó)專利CN101463439B公開了鎳鋁金屬間化合物高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料，在寬溫域范圍內(nèi)具有較低的摩擦系數(shù)。美國(guó)專利US5034187公開的PM200系列高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料可與鎳鈷鉻合金相摩擦?xí)r具有較低的摩擦系數(shù)。NASA報(bào)道的PS304自潤(rùn)滑涂層在從室溫至650℃與鎳基高溫合金相摩擦?xí)r具有較低的摩擦系數(shù)。這些材料存在高溫強(qiáng)度較低、使用溫度范圍不夠、高溫耐磨性能不足以及加工性能不足等問題。目前仍然缺乏在高達(dá)1000℃的環(huán)境下使用的高強(qiáng)度耐磨合金。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種鉻基高溫耐磨合金及其制備方法。

一種鉻基高溫耐磨合金，其特征在于該合金以高熔點(diǎn)金屬Cr為基體，以低熔點(diǎn)金屬Cu和難熔金屬Nb、Ta、W、Mo為合金化和強(qiáng)化元素；其中Cu元素在合金中的質(zhì)量百分比為5%-30%；難熔金屬Nb和Ta至少有一種，合計(jì)質(zhì)量百分比不超過10%；難熔金屬W和Mo至少有一種，合計(jì)質(zhì)量百分比不超過16%；余量為Cr。

如上所述鉻基高溫耐磨合金的制備方法，其特征在于采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)（Spark Plasma Sintering，簡(jiǎn)稱SPS）制備，包括以下步驟：

1）稱取Cr、Cu、Nb、Ta、W、Mo粉末在高能球磨機(jī)中進(jìn)行球磨得到混合粉末，然后將其裝入石墨模具中；

2）將石墨模具置于放電等離子燒結(jié)爐中進(jìn)行等離子活化燒結(jié)，燒結(jié)完成后隨爐冷卻至室溫獲得塊體的鉻基高溫耐磨合金。

所述Cr、Cu、Nb、Ta、W、Mo粉末的純度大于99%，粒度小于0.076mm。

所述步驟1）的球磨時(shí)間為3~6小時(shí)，球料比為3:1~8:1。

所述石墨模具材料為高強(qiáng)度石墨，壓縮強(qiáng)度大于70MPa。

所述放電等離子燒結(jié)工藝參數(shù)為：真空度小于10Pa，升溫速度50℃/min~250℃/min，燒結(jié)溫度為1240℃~1540℃，保溫時(shí)間3min~15min，加壓壓力為5MPa~35MPa，直流脈沖比12:2~12:10。

本發(fā)明所述鉻基高溫耐磨合金的設(shè)計(jì)原理如下：

1、Cr元素具有較高的熔點(diǎn)（1907℃）和良好的抗氧化性能；Cu在接近其熔點(diǎn)（1084℃）時(shí)表現(xiàn)出軟金屬的特性并且其氧化物氧化銅（Cu₂O）和氧化亞銅（CuO）具有較低的摩擦系數(shù)，因此具有較低熔點(diǎn)的Cu元素在800℃至1100℃之間可起到降低摩擦系數(shù)的作用，同時(shí)銅和其氧化物可減少摩擦界面之間的黏著現(xiàn)象，增強(qiáng)合金的抗黏著磨損性能；難熔金屬W和Mo的氧化物三氧化鎢（WO₃）和三氧化鉬（MoO₃）在高溫下是良好的固體潤(rùn)滑劑，可起到降低摩擦系數(shù)的作用，鎢和鉬的氧化物與銅的氧化物在摩擦過程中可形成鹽類物質(zhì)（Cu₂WO₄和Cu₂MoO₄），這類材料在高溫下是良好的固體潤(rùn)滑劑；這些氧化物和鹽類物質(zhì)在高溫摩擦過程中在摩擦表面可形成連續(xù)的復(fù)合固體潤(rùn)滑膜，這種膜可使合金具有優(yōu)異的抗磨損性能。

2、在組成本發(fā)明所述合金的6種金屬元素之間有且僅有Cr-Nb和Cr-Ta之間形成具有Laves相的金屬間化合物NbCr₂和TaCr₂，其余元素之間不存在金屬間化合物，在燒結(jié)過程中不會(huì)出現(xiàn)新的化合物。Laves相金屬間化合物具有高的熔點(diǎn)和硬度，在高溫下具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能和良好的抗氧化性能。因此本發(fā)明所述合金在制備過程中原位產(chǎn)生的NbCr₂和TaCr₂彌散分布于基體Cr中起到彌散強(qiáng)化作用，同時(shí)增強(qiáng)了合金的抗氧化性能。合金中高熔點(diǎn)的合金元素和Laves相金屬間化合物共同保證了合金在高溫下的強(qiáng)度，并且Laves相在高溫下仍然保持很高的硬度，合金中這些硬質(zhì)點(diǎn)的存在可提高合金在高溫下的抗磨粒磨損性能。