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镍基高温及耐海水腐蚀固体自润滑减摩材料的研究

刘如铁  
【摘要】: 镍基合金具有工作温度高、抗海水腐蚀能力强等特点。粉末冶金技术可以制造成分复杂的金属基固体自润滑复合材料,利用粉末冶金技术将镍基合金与适当的固体润滑剂结合起来,可以赋予材料优良的减摩、耐磨和自润滑等摩擦性能,满足在高温和海水环境的工况下使用。本论文采用粉末冶金技术来制备含硫镍基高温自润滑减摩复合材料和镍基耐海水腐蚀自润滑减摩复合材料,获得如下结果。 在Ni-20Cr合金粉中直接添加MoS_2所制得合金材料的显微组织主要是金属基体和硫化物相与Ni(Cr)合金形成的共晶体两部分构成,其中添加20wt%MoS_2所制得材料有较好力学性能和摩擦磨损综合性能。与淬火W18Cr4V材料对偶摩擦时,其摩擦因数随着环境温度的上升、摩擦速度或负荷的增加而降低。随着温度升高,材料中生成的Cr_xS_y在摩擦面的温度作用下可以变软或熔化形成具有转移性的减摩膜,从而促使摩擦因数随温度上升而不断下降。在摩擦过程中磨粒磨损为主要磨损形式。提出了该合金与YJ2对偶摩擦时,尽管硫化物共晶体可以变软或熔化,在摩擦过程中形成膜而起润滑作用,但是硫化物共晶体中的高价态硫化铬在热的作用下会氧化分解,从而降低硫化物的自润滑能力,因此材料的摩擦因数随着温度升高先降低后提高,在400℃时具有最低的摩擦因数,此时的摩擦面润滑状况也最佳。材料的磨损率是随温度升高而增大的,高温下磨损形式主要为磨粒磨损和氧化磨损。YJ2硬质合金表面生成的氧化物对材料减摩性能有较大的影响。 采用硝酸镍分解一氢还原法可以制备较好的Ni包覆MoS_2。因为Ni包覆层可阻止MoS_2和Cr元素完全反应,从而有利于保留MoS_2,所以在镍铬合金中添加Ni包覆MoS_2所制备合金材料的显微组织主要是由金属基体、硫化物相与Ni(Cr)合金形成的共晶体、MoS_2三部分构成。对比研究了添加Ni包覆MoS_2和直接添加未包覆MoS_2材料的摩擦性能,提出了添加Ni包覆MoS_2的材料因为具有高温(Cr_xS_y)、低温(MoS_2)两种固体润滑剂,从而具有较好的宽温带减摩自润滑性能。 采用真空烧结工艺制备Ni-Cr-Mo合金时,当温度上升到1360℃时,烧结合金的力学性能指标最佳。提出了热压Ni-Cr-Mo合金材料经过烧结热处理后,加大了合金中Mo元素的固溶程度,进而使它在基体中的固溶强化作用增强,并且还消除了一些对合金性能有害的金属间化合物,从而使得合金力学和耐蚀性能大幅提高,显著优于真空烧结工艺和单独热压工艺。随着热处理温度的上升,合金试样的塑性、强度增强;其中热处理温度为1300℃时合金综合性能达到最优;继续升高热处理温度到1330℃,由于脆性高铬组织的大量析出,合金的塑性、强度下降。 对热压Ni-Cr-Mo合金试样来说,同时添加W和Cu元素试样的σ_b、δ是最好的,其σ_b为671MPa、δ为8.5%。试样经1300℃/4h热处理后的σ_b、δ都达到最高值。只添加W元素的合金试样力学性能是最优的,其σ_b为721MPa、δ为17.7%、HB为217。 无论是热压,还是烧结热处理,添加合金元素W和Cu的试样在3.5%NaCl溶液中的腐蚀速率都比Ni-Cr-Mo基体合金试样要小。而经过1300℃/4h烧结热处理后含有W和Cu元素试样的耐蚀性能最优,其腐蚀速率为0.002mm/a。在沸腾硝酸中行进行晶间腐蚀实验时,该试样表现出满意的抗晶间腐蚀性能。在摩擦磨损性能方面,热压—烧结热处理工艺所制备的Ni-Cr-Mo、Ni-Cr-Mo—W和Ni-Cr-Mo-W-Cu三种合金材料的摩擦因数基本相当,同时添加合金元素W和Cu的试样具有相对最低的摩擦磨损数值。 以Ni-Cr-Mo-W-Cu合金为基材制备镶嵌高纯石墨和镶嵌PTFE复合材料,都可以获得明显低于基材的摩擦因数和磨损率。提出了用粉末冶金技术制备Ni-Cr-Mo-W-Cu合金为基材镶嵌PTFE复合材料,在重载低速情况下具有更佳的摩擦磨损性能,其摩擦因数可以低于0.2。在NaCl溶液介质加油脂润滑的摩擦状态下,镶嵌PTFE复合材料在重载情况下可以获得低达0.12的摩擦因数和低于7.0×10~(-15)m~3/N·m的磨损率。该材料可用于某国防工程项目。


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