镍钛合金金属间化合物在润滑轴承的应用

1、镍钛合金金属间化合物在润滑轴承的应用C.Della ort,S.V. Pepe, RNebe， .R. ulnG. Gno摘要:镍钛合金6（0ii)是一种镍含量为6%和钛含量为0%镍钛合金金属间化合物,是一种在滚动和滑动、接触轴承、齿轮方面很有前程的润滑材料。镍钛合金一般用于她们的形状记忆的行为。当合适的加工后，镍钛合金0也有良好的尺寸稳定性构造性质。通过高温解决、高压粉末冶金技术或其她措施,使镍钛合金0具有独特的物理特性的轴承材料。镍钛合金硬度高、易导电、耐腐蚀、密度较低,最后热解决前易于加工，没有其她的轴承合金,金属或陶瓷拥有所有的这些属性,并且相比其她的航空航天轴承合金的润滑条件镍钛合金已经显示出明显的摩擦学性能。 螺旋轨道摩擦磨损实验机（SOT)测试在真空中旋转球0C不锈钢盘和合成烃润滑油之间的镍钛合金60加载而进行的测试。在考虑到精度代表轴承的性能(寿命）条件下，镍钛合金60达到或超过氮化硅和硬质合金涂层钛。基于这一初步数据，尽管镍钛合金6含钛量高，对于需要高强度和好的耐腐蚀性,高的电导率和非磁性行为润滑接触行为的先进机械系统来说是很有前程的合金材料。1.前言二元镍钛合金（N

2、ii）有良好的生物相容性、独特的超弹性和形状记忆效应（SM）并且较容易投入生产，在医疗和牙科行业被广泛使用(参照文献1）。近来在航空、航天工业形状记忆合金活化的构造已经提出和论证,在自适应进气口和喷嘴，可变几何形,变弯度电扇叶片和襟翼和其她铰链组件的基本流量控制方面被广泛应用（参照文献3-）。在这些应用中运用在近等原子的镍钛合金（含约55重量的镍）典型的内在变化的那些大型可逆齿轮系和三重高温形状记忆合金(HMA）。富镍铁陨石具有大概7 - 0 重量的镍,除了那些熟悉的中小公司外，也被率先使用在波音公司的航空系统中(参照文献5）,可变几何形镍钛6最后在一种全面的飞行实验获得成功（参照文献6)。富镍合金与老式的镍钛合金相比需要更复杂的热解决环节才干显示形状记忆行为(参照文献）。在本文中我们初次提出证据表白镍钛合金可以调节来适应形状记忆行为和超弹性行为，这种合金在油润滑的接触条件下显示优良的摩擦学性能。镍钛合金系列来源于20世纪50年代末，是iliam .Buhler和她的同事们在她的海军军械实验室的创新工作中研制出来的(参照文献8)。事实上她指定的镍钛合金在那个时候正被一种缩写为镍合金海军

3、军械实验室在研究,在发展高温度、非软磁合金的导弹锥中应用。初期她们努力拟定镍钛5和镍钛0，其中分别分别含55%和60%重量的镍。镍钛合金55比镍钛合金6软，更容易进去机械加工，也容易导致过度加工硬化。润滑轴承的几种手工具就是运用镍钛合金60的高硬度、高导电率、非磁性、耐腐蚀和高电阻。这些工具是设想的用于解除爆炸装置,但生产在实验室实验阶段。镍钛合金55的优良性质吸引着中小公司,但由于资源有限,1960年代初她们放弃了对镍钛6的研究(参照文献10)。从那时起，有一部分人尝试发展新的措施来生产镍钛合金60在构造和机械方面的应用,例如滚动轴承(参照文献11)。目前看来，镍钛合金6的商业价值不可估计。材料为高性能轴承、齿轮等机械部件需要的某些特殊性质和特点,这些核心属性是高强度和硬度，高导热,又能制造对于最后尺寸和表面光洁度的精度非常高的器件。此外,良好的耐腐蚀性和良好的摩擦学性能一般是重要的,特别是应用在极端环境。在旋翼飞机中,例如发动机轴承、转子机制和驱动系统改善耐蚀性是很有益的。尽管普遍使用的润滑剂与腐蚀克制剂,飞机和车辆暴露在海洋环境中也容易腐蚀。虽然航天硬件在外太空真空环境超过了大气

4、腐蚀的范畴，也无法避免长时间储存和发射前的轴承、齿轮的腐蚀问题。在波及电气机械和敏感仪器的时候,良好的导电性和非磁性是非常不错的选择。但是，目前所拥有的材料不具有这些属性。老式的工具钢轴承材料,如0和521,她们享有广泛应用,硬度高,摩擦学性能良好和易于制造。然而,如果没有被保护这些合金容易遭受腐蚀袭击，虽然易导电,但她们磁性很强。此外,当作为轴承滚动体,其高密度会带来高离心力并且疲劳寿命也很有限。这些因素驱动我们寻找和发展替代轴承和机械的合金成分,即不锈钢和陶器。广泛用于轴承和齿轮行业的不锈钢需要良好耐腐蚀性和较高硬度,如4C。这些马氏体不锈钢是成本低、易于加工、热解决前尺寸稳定。通过真空熔炼工艺可以形成非常均匀、完全致密的微观构造,从而形成优良的表面光洁度和良好的抗疲劳行为。然而,尽管被简称为不锈钢，更精确地称为比不锈钢耐腐蚀合金，4系列马氏体钢仍然容易腐蚀，并且她们尚有强磁性，在某些应用中也许会浮现系列的问题。另一方面，氮化硅陶瓷基本上是耐腐蚀的，它们可以打磨出来非常精细的表面粗糙度和良好耐磨性能。在超高速切削应用中氮化硅的低密度使得它比钢性能更好。由于较低的离心应力使得氮化硅材

5、料可以适应高硬度，高负荷，高速轴承的应用,也涉及腐蚀条件规定较高和需要滑动的环境。氮化硅是一种绝缘体,虽然具有非磁性,但高温、高压的粉末冶金需要解决比较复杂和成本也很昂贵。氮化硅较低的热膨胀系数，使它在波及广泛的温度变化应用方面体现出优势。这些应用涉及燃气轮机热节部分的轴承，涡轮泵制冷系统和柴油发动机燃油喷射系统的构成部分。本论文评估了轴承和机械部件使用镍钛合金60的可行性。镍钛合金60提供了一种独特的综合性能,没有发现任何其她常用的材料可以拥有这样的性能。镍钛合金60,当合适的热解决时,向中小公司展示了在正常的使用环境可以达到预期的温度稳定和尺寸(大小）。它具有高硬度，通过合适的热解决，还可以很容易最后热解决迈进行加工。氮化硅，镍钛合金本质上是非磁性和高度抗腐蚀的，但是与陶瓷相比镍钛6可以导电。为便于比较，我例举一种目前使用的常规材料和高性能轴承合金性能比较的简朴表格(表1),涉及镍钛合金5和镍钛合金0。基于这些特点,镍钛60在摩擦环境似乎是一种作为轴承材料较好的选择。表1:常规材料和高性能轴承合金性能比较从历史上看，钛含量含高的合金在不良反映有机液体润滑的状况下体现出差的摩擦学性能

6、(参照文献1)。例如,T-6A-4合金在动态接触的磨损行为。甚至被油脂在油润滑条件下的接触，钛元素容易转移到接触面的反部，导致表面粗糙、高摩擦和高磨损。此外,钛合金是公认的具有较高化学腐蚀性,会导致许多润滑剂的降解（参照文献12）。由于其她属性有时必须使用钛合金,通过摩擦接触避免使用厚的屏障涂料和外墙,如比强度高，耐腐蚀。基于钛合金在摩擦接触的负面经验,镍钛合金60不太也许作为轴承材料的选择。另一方面,陶瓷材料含高浓度钛能体现出抱负的摩擦学性能。碳化钛(Ti)和二氧化钛(二氧化钛)就是较好的例子。碳化钛涂层一般用于提高不锈钢滚动元件轴承的表面光洁。二氧化钛以金红石的形式在一定条件下可以作为一种潜在的固体润滑剂(参照文献13-14)。然而这些陶瓷材料太脆而不能被作为构造元件。如果是粘结强度或其她某些对粘接钛基材料有重大影响的摩擦学行为，则不清晰其对镍钛合金摩擦性能的影响。镍钛是一种Hm - Rohery 相电子与价电子原子之比为3 : 2,这会有序金属间化合物合金的结晶在( 2）氯化铯构造构成部分的两个金属共价键稳定性(参照文献1）。陶瓷与TiC和TiO2相比较，B2iTi是共价键，因此

7、它显示出更多的韧性、延展性和化学反映。但更常用的金属合金Ti6Al-4V结合具有高度定向和更强，因此也许拥有陶瓷同样的摩擦学性能。尽管有这些优势,但目前工艺水平使得金属钛合金在润滑摩擦条件下的体现不佳。因此NiT60作为润滑构造摩擦材料需要一种实验研究其性能。 从目前专利文献来看，虽然没有数据提供支持，但是虽然在没有润滑状况下接触,镍钛合金60仍然是一种较好的轴承材料（参照文献11)。镍钛合金60在有限的干滑动实验表白具有相称高的摩擦性能(参照文献16)。常用的中小公司研究一般镍钛合金55的干摩擦行为,但数据显示,镍钛合金60的摩擦系数一般高于0.5（参照文献17)。近来的一篇文章证明了初期发现的描述微动腐蚀的条件和设计模拟体内应用的镍钛合金5在润滑条件下的滑动摩擦和磨损限度(参照文献18)。似乎没有镍钛合金在润滑接触摩条件下呈现良好摩擦学性能的例子。此外,以作者的知识，镍钛合金60未被作为润滑剂评估也未在模拟条件作为轴承被评估。本次调查的目的是拟定镍钛合金60能否在轴承的摩擦学方面成为一种优良材料。一方面，通过粉末冶金工艺路线生产的航空航天质量镍钛合金轴承球60。断面金相分析进行了表

8、征材料的微观构造和它的基本构成和选定的力学性能进行估计或决定。然后,航天球轴承模拟的油润滑条件下进行了一系列的滚动滑动测试。最后，与老式的轴承材料制成后直接比较,评估提供雇用机械部件的镍钛合金60的也许性。一方面，通过粉末冶金工艺路线生具有的航空航天质量镍钛合金60轴承球。通过截面金相对材料的微观构造及其基本构成进行分析以及对其力学性能进行估计。然后，在油润滑条件对模拟的球轴承进行一系列的滑动测试.最后，直接与老式的轴承材料进行比较，评估机械零件采用镍钛合金60的可行性。2材料通过文献中描述我们懂得评估高温粉末冶金生产的镍钛合金的过程大体相似(参照文献19）。镍钛合金60粉末通过热等静压解决被制成粗糙的球面球胚,然后通过抛光和研磨生产成高品质的英寸(12.5毫米）直径(5级）球轴承。通过一种多环节的热工艺(热解决）使粗磨削轴承球处在软化状态下研磨到非常精细的表面光洁度，达到硬化条件。成品的镍钛合金6球标本（图1）鲜艳而有光泽，外观类似于老式的抛光不锈钢球。图1:成品的镍钛合金球标本轴承材料的元素构成，原子发射光谱仪和能量色散，半定量的X射线分析，测量成果一致表白，显示轴承球是名义上镍钛

9、的平衡。这转化为60重量%的镍，40重量%的钛， 镍钛合金60因此得名。密度为6.1克立方厘米,比0不锈钢低25%左右。图显示了镍钛合金60标本在最后硬化和抛光条件的横截面微观构造。在硬化条件Rowell原则的硬度测量显示值范畴在8至62。与大多数热等静压或烧结粉末压坯相比,粒子的界线是相称明显。尽管只具有镍和钛,镍钛合金的微观构造还是非常复杂,由于存着一系列的亚稳态，金属间化合物也许存在取决于它的热加工（参照文献19)。图3分析了镍钛合金球标本多种离散阶段(图3)。图2:镍钛合金0标本在最后硬化和抛光条件的横截面微观构造图3(a)高倍显微图像下相应的面积图像分析(分析轮廓显示区)图3（)分析镍钛合金60截面显示离散阶段和它们的相对比例根据面积分数目前辨认重要结合射线衍射分析、能量色散谱和定位图像显微镜。根据二维图像区域分析,第一阶段占重要的是ii，其大概78的体积分数。相比之前画粒子边界的轮廓,它是一种持续的相。第二个最重要的阶段出目前狭窄、棒材形状的区域，几种微米长，约一半的微米直径,分散在整个体积浓度约11%镍浓度的阶段。分析表白那是Ni4Ti3,这是一种相对较细的亚稳相区域,在低温或缓慢冷却阶段钛镍合金中镍含量高的区域。第三阶段在合金中约占9%，重要集中在晶界或之前颗粒边界形状不规则的地区，发现是NiTi。这种平衡阶段普遍浮现长时间处在高温环境中和老化后，根据目前的体积分数,任何形状记忆材料也许观测到这部分负责控制温度。较高的体积分数,会导致合金软化，使粗加工中的解决环节更容易完毕。第四个阶段观测到的是T2Ni,这是一种在凝固阶段所形成的金属间化合物细小粉末粒子，对氧具有较高溶解度。同样在晶粒之间或之前的边界存在不超过2。继续对镍钛合金60i进

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