新型鎳基復合材料在曳引機應用

張國洪

摘要：我國作為世界最大的電梯制造國，在新增加數量方面都居于世界第一的大國，中國理應對新型材料更廣泛應用于電梯設備技術創新和研發。現就新型鎳基復合材料在曳引機中的應用展開論述。

關鍵詞：鎳基復合材料；性能分析；應用

在現代社會高速發展下，材料的進步亦都是日新月異，生物材料、高溫與結構材料、納米材料、信息功能材料、智能材料等各種新型的材料成為全世界21世紀爭相發展和研究的對象。而我國電梯蝸輪蝸桿的材料一般用合金鋼或碳鋼制成，大部分蝸輪蝸桿經滲碳淬火等熱處理獲得較高的硬度，而其中含鎳滲碳鋼具有良好的高溫抗氧化性以及較高的機械強度，具有廣泛的應用。

1 鎳基復合材料發展

鎳基高溫合金[1] （以下簡稱鎳基合金）是20世紀30年代后期開始研制的。英國于1941年首先生產出鎳基合金Nimonic 75（Ni-20Cr-0.4Ti）；為了提高蠕變強度又添加鋁，研制出Nimonic 80（Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al）。對于鎳基合金美國在20世紀40年代中期地時候就開始了研制，而蘇聯晚于美國30多年的時間于這方面，而我國則遲了美國差不多100年才開始著手研制鎳基合金。對于鎳基合金的發展是關于一個合金成分的改進和生產工藝的變革更新過程。在20世紀50年代初，由于真空熔煉技術我們煉制出含高鋁和鈦的鎳基合金。直到了20世紀50年代后期，我們社會的發展需要高工作溫度的渦輪葉片，需要合金有更高的工作強度，并且需要合金更高的抗變形能力，于是有了熔模精密鑄造工藝，一系列具有良好高溫強度的鑄造合金陸續發展出來。然后20世紀60年代中期社會的高速發展，輪船業、燃氣工業的發展需求定向結晶和單晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金就出現了。我們可以看出從20世紀40年代初到70年代末大約40年的時間內，鎳基合金的工作溫度從 700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。鎳基高溫合金的發展趨勢見圖1[2]。

根據大量的研究表明相比與傳統的鑄鍛高溫合金，粉末高溫合金具有一系列的優點，例如，它無宏觀偏析，內部組織比較均勻，具有一定的屈服強度高和抗疲勞性等。在現代社會不斷革新下鎳基粉末高溫合金材料已廣泛用于各行各業發展中。尤其是世界各國的航空航天事業，各種發動機、渦輪盤的研制和生產中。

2 鎳基復合材料性能分析

鎳是一種有著不可替代作用的有色金屬，含鎳量濃度較高時會有很高的塑性和強度，并且鎳的耐蝕性對許多浸蝕性介質均有良好的效果，它在堿性溶液中是非常穩定的，在硝酸中也時不那么容易溶解。所以石油化工等相關行業都應用到鎳及鎳基合金。而鎳合金它優良的耐熱性和熱強性能，我們也廣泛應用到航空工業中。在核反應堆工程中高鎳合金應用甚廣，如換熱器等設備為了避免應力腐蝕。目前國外廣泛采用因康鎳600或因康洛依800等材料代替Cr18Ni9Ti不銹鋼。因為鎳對酸有較好的耐蝕性，故在制造濃縮鈾的核燃料擴散廠中，也大量應用鎳[3]。

為了更好分析鎳基粉末合金復合材料性能，在華南理工大學材料實驗室和倪東惠老師的精心指導下進行相關研究。采用Ti、Si、C三種元素粉末高能球磨制備出純度較高的鈦硅碳混合物。利用相關的溫壓工藝和自制的鈦硅碳混合粉末溫壓制備鎳基粉末冶金復合材料（四種不同的鈦硅碳粉末含量的鎳基材料）并分析其相關性能參數規律。

所制備出的鈦硅碳混合物的配粉方案是：Ti、Si、C三種粉末按照質量比為0.42：0.23：0.35配制。它們采用高能球磨的方法制備鈦硅碳混合物，并進行混粉，且對有需要的混和粉末添加黏結劑，然后經過研磨得出所需。最后我們把制備出的鈦硅碳混合物與純鎳混和，經過壓制與燒結，得出我們實驗所需的鎳基粉末合金復合材料。

實驗后對鎳基粉末冶金材料的的探索表明：溫壓制備的鎳基粉末冶金材料的生坯密度、燒結后密度、抗拉強度、延伸率、布氏硬度和電阻率都與其增強體含量密切相關。鎳基粉末合金復合材料的生坯密度和燒結密度和抗拉強度隨著增強體含量的增加而不斷降低。相反，鎳基粉末冶金合金的布氏硬度和電阻率由于增強體的加入而都大大地提高了。同樣我們還得出沒有添加黏結劑的鎳基粉末冶金復合材料試件的密度、抗拉強度、延伸率和電阻率都比同種同樣含量的鎳基粉末冶金復合材料低，而硬度卻比添加黏結劑鎳基粉末冶金復合材料試件的高。

我們在鎳基合金發現由于它對合金元素的較多溶解，并且能對組織穩定性的較好保持；同時能使合金得到有效的強化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強度；而且鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃氣腐蝕能力。

根據世界各國在幾十年間對鎳基合金不斷地研究和探索下使得它在各個領域內得到充分的應用并且在鎳基鑄造高溫合金中發展出了定向結晶渦輪葉片和單晶渦輪葉片，而在相關方面表明這種定向結晶葉片能有效消除一定的空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使得內部全部的晶界能夠平行于應力軸的方向，從而大大地改善了合金使用性能。而這種單晶葉片能消除全部晶界，而且對于晶界強化元素我們以后可以不必再加入了，另一方面又能升高合金的初熔相對溫度，從而提高了合金的高溫強度，并且合金的綜合性能進一步改善了。

3 結束語

鎳基復合材料，具有良好的導電性、高溫抗氧化性以及較高的機械強度，具有廣闊的應用前景。主要應用鎳合金具有耐熱性和熱強性能，它具有組織均勻，無宏觀偏析等優點，用其制造電梯渦輪等關鍵部件可以滿足先進高推比發動機的要求。它將為高速電梯事業的發展作出貢獻。

參考文獻

[1]中國大百科全書.鎳基高溫合金[Z].

[2]上海有色金屬網論壇.廢金屬：鎳基高溫合金[EB/OL].2001.

[3]鎳粉需求看好[J].四川有色金屬，2001，（01）.