新型镍基复合材料在曳引机应用

张国洪

摘要：我国作为世界最大的电梯制造国，在新增加数量方面都居于世界第一的大国，中国理应对新型材料更广泛应用于电梯设备技术创新和研发。现就新型镍基复合材料在曳引机中的应用展开论述。

关键词：镍基复合材料；性能分析；应用

在现代社会高速发展下，材料的进步亦都是日新月异，生物材料、高温与结构材料、纳米材料、信息功能材料、智能材料等各种新型的材料成为全世界21世纪争相发展和研究的对象。而我国电梯蜗轮蜗杆的材料一般用合金钢或碳钢制成，大部分蜗轮蜗杆经渗碳淬火等热处理获得较高的硬度，而其中含镍渗碳钢具有良好的高温抗氧化性以及较高的机械强度，具有广泛的应用。

1 镍基复合材料发展

镍基高温合金[1] （以下简称镍基合金）是20世纪30年代后期开始研制的。英国于1941年首先生产出镍基合金Nimonic 75（Ni-20Cr-0.4Ti）；为了提高蠕变强度又添加铝，研制出Nimonic 80（Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al）。对于镍基合金美国在20世纪40年代中期地时候就开始了研制，而苏联晚于美国30多年的时间于这方面，而我国则迟了美国差不多100年才开始着手研制镍基合金。对于镍基合金的发展是关于一个合金成分的改进和生产工艺的变革更新过程。在20世纪50年代初，由于真空熔炼技术我们炼制出含高铝和钛的镍基合金。直到了20世纪50年代后期，我们社会的发展需要高工作温度的涡轮叶片，需要合金有更高的工作强度，并且需要合金更高的抗变形能力，于是有了熔模精密铸造工艺，一系列具有良好高温强度的铸造合金陆续发展出来。然后20世纪60年代中期社会的高速发展，轮船业、燃气工业的发展需求定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金就出现了。我们可以看出从20世纪40年代初到70年代末大约40年的时间内，镍基合金的工作温度从 700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。镍基高温合金的发展趋势见图1[2]。

根据大量的研究表明相比与传统的铸锻高温合金，粉末高温合金具有一系列的优点，例如，它无宏观偏析，内部组织比较均匀，具有一定的屈服强度高和抗疲劳性等。在现代社会不断革新下镍基粉末高温合金材料已广泛用于各行各业发展中。尤其是世界各国的航空航天事业，各种发动机、涡轮盘的研制和生产中。

2 镍基复合材料性能分析

镍是一种有着不可替代作用的有色金属，含镍量浓度较高时会有很高的塑性和强度，并且镍的耐蚀性对许多浸蚀性介质均有良好的效果，它在碱性溶液中是非常稳定的，在硝酸中也时不那么容易溶解。所以石油化工等相关行业都应用到镍及镍基合金。而镍合金它优良的耐热性和热强性能，我们也广泛应用到航空工业中。在核反应堆工程中高镍合金应用甚广，如换热器等设备为了避免应力腐蚀。目前国外广泛采用因康镍600或因康洛依800等材料代替Cr18Ni9Ti不锈钢。因为镍对酸有较好的耐蚀性，故在制造浓缩铀的核燃料扩散厂中，也大量应用镍[3]。

为了更好分析镍基粉末合金复合材料性能，在华南理工大学材料实验室和倪东惠老师的精心指导下进行相关研究。采用Ti、Si、C三种元素粉末高能球磨制备出纯度较高的钛硅碳混合物。利用相关的温压工艺和自制的钛硅碳混合粉末温压制备镍基粉末冶金复合材料（四种不同的钛硅碳粉末含量的镍基材料）并分析其相关性能参数规律。

所制备出的钛硅碳混合物的配粉方案是：Ti、Si、C三种粉末按照质量比为0.42：0.23：0.35配制。它们采用高能球磨的方法制备钛硅碳混合物，并进行混粉，且对有需要的混和粉末添加黏结剂，然后经过研磨得出所需。最后我们把制备出的钛硅碳混合物与纯镍混和，经过压制与烧结，得出我们实验所需的镍基粉末合金复合材料。

实验后对镍基粉末冶金材料的的探索表明：温压制备的镍基粉末冶金材料的生坯密度、烧结后密度、抗拉强度、延伸率、布氏硬度和电阻率都与其增强体含量密切相关。镍基粉末合金复合材料的生坯密度和烧结密度和抗拉强度随着增强体含量的增加而不断降低。相反，镍基粉末冶金合金的布氏硬度和电阻率由于增强体的加入而都大大地提高了。同样我们还得出没有添加黏结剂的镍基粉末冶金复合材料试件的密度、抗拉强度、延伸率和电阻率都比同种同样含量的镍基粉末冶金复合材料低，而硬度却比添加黏结剂镍基粉末冶金复合材料试件的高。

我们在镍基合金发现由于它对合金元素的较多溶解，并且能对组织稳定性的较好保持；同时能使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；而且镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。

根据世界各国在几十年间对镍基合金不断地研究和探索下使得它在各个领域内得到充分的应用并且在镍基铸造高温合金中发展出了定向结晶涡轮叶片和单晶涡轮叶片，而在相关方面表明这种定向结晶叶片能有效消除一定的空洞和裂纹敏感的横向晶界，使得内部全部的晶界能够平行于应力轴的方向，从而大大地改善了合金使用性能。而这种单晶叶片能消除全部晶界，而且对于晶界强化元素我们以后可以不必再加入了，另一方面又能升高合金的初熔相对温度，从而提高了合金的高温强度，并且合金的综合性能进一步改善了。

3 结束语

镍基复合材料，具有良好的导电性、高温抗氧化性以及较高的机械强度，具有广阔的应用前景。主要应用镍合金具有耐热性和热强性能，它具有组织均匀，无宏观偏析等优点，用其制造电梯涡轮等关键部件可以满足先进高推比发动机的要求。它将为高速电梯事业的发展作出贡献。

参考文献

[1]中国大百科全书.镍基高温合金[Z].

[2]上海有色金属网论坛.废金属：镍基高温合金[EB/OL].2001.

[3]镍粉需求看好[J].四川有色金属，2001，（01）.