[發明專利]一種新型高硬度鎳鈦基合金

有效

• 申請號: 201710867383.6
• 申請日: 2017-09-22
• 公開（公告）號: CN107523719B
• 公開（公告）日: 2019-09-20
• 發明（設計）人: 鄭立靜;徐惠彬;張虎
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C22C19/03
• 分類號: C22C19/03;C22C19/05;C22F1/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一類具有高硬度、低彈模、耐摩擦磨損、低密度、無磁性、耐腐蝕的富鎳的鎳鈦基合金。通過在富鎳的Ni?Ti二元合金體系基礎上，加入取代Ni?Ti合金中Ti位的Al、Nb、Hf、Ta、Zr、Mo、Co元素(X組元素)或其組合。或者在富鎳的Ni?Ti二元合金體系基礎上加入取代Ni?Ti合金中Ni位的Cu、Fe、Cr、Mo、Co元素(Y組元素)或其組合。或者在富鎳的Ni?Ti二元合金體系基礎上同時加入取代Ni?Ti合金中Ti位和Ni位的上述合金元素及其組合。該合金的主要強化相位納米Ni₄Ti₃相，體積分數為30～80Vol％，合金硬度不低于600HV。

技術領域

本發明涉及一種適用于軸承及齒輪等結構部件的材料，尤其涉及一種高硬度、低彈模、耐腐蝕和耐摩擦磨損的鎳鈦基金屬材料。

背景技術

在航空、航天、機械、石油、化工、電力、海洋等裝備制造業中，存在大量耐摩擦磨損的金屬機械零部件，比如軸承或齒輪等。這些金屬零部件需要具有高硬度、高強度、耐摩擦磨損性能，以及優良的耐腐蝕性能等。現有高硬度軸承及齒輪材料多采用高彈模、硬質合金以提高其耐磨性及延長使用壽命，如常用的GCr15、M50鋼等。然而高彈模、硬質合金在負載情況下，可恢復應變通常小于1％，一旦軸承服役瞬態局部點遭遇過載沖擊，軸承在循環高接觸壓力下易發生破壞性的布氏壓痕、表面疲勞剝落等狀況，引起軸承及齒輪失效。

最新研究發現，低彈模、高硬度材質比傳統高硬度、高彈模材料具有更高的耐過載損傷及更長的磨損壽命。低彈模材料在過載沖擊時可通過高水平彈性應變與局部高負載相適應，通過增加載荷接觸面積，降低局部應力，減輕或避免軸承及齒輪等金屬機械零部件的表面損傷，提高其承載能力。

高硬度鎳鈦基合金是一種富Ni的合金(Ni>52at％)，高Ni含量使其喪失了形狀記憶特性，同時形成了一種類似于鎳基高溫合金中γ/γ′組織的NiTi/Ni4Ti3韌/硬雙相共格結構，獲得了高硬度、低彈模特性。鎳鈦基合金硬度值可達到58～62HRC，與當前先進航空發動機用M50軸承鋼相當，而彈性模量僅為后者的一半左右。鎳鈦基合金，作為一種比重比軸承鋼減輕15％的輕質材料(密度約6.7g/cm3)，結合高硬度與低彈模相互匹配的特性，外加其對水溶液腐蝕的免疫能力、非磁性和導電性等特性，使其可作為在航空、航天、機械、石油、化工、電力、海洋等裝備制造業中軸承、齒輪等耐摩擦磨損的金屬機械零部件應用。

需要說明的是，NiTi家族的另一成員是廣泛使用的形狀記憶合金，NiTi合金的形狀記憶效應通常只發生在近等原子比的NiTi合金(Ni含量48～52at％)中，其主要組成相為高溫母相奧氏體(B2結構)、低溫馬氏體相(M)，或奧氏體向馬氏體轉變的中間相R相和B19相。材料的組織決定其性能，NiTi形狀記憶合金的獨特形狀記憶效應源于其熱彈性馬氏體轉變過程。而高Ni含量的NiTi合金(Ni含量>52at％)形狀記憶效應的相變溫度已降到-100℃以下，基本上消除了馬氏體相變，經過適當的熱處理后，合金的主要組成相為奧氏體基體相(B2結構)以及在基體中彌散分布的高密度、納米尺寸的Ni₄Ti₃強化相，其體積分數根據Ni含量的不同可達30～80Vol％。大量納米級Ni₄Ti₃相的析出極大地強化了合金，使材料在保持NiTi合金低密度、超彈性、優良耐蝕性、低彈模等優點的同時，具有了高硬度、高耐磨的優良特性，因而高Ni含量的NiTi合金成為軸承、齒輪等結構材料的最佳候選材料之一。