镍钛金属间化合物轴承材料及其制备方法与应用

1.本发明涉及粉末冶金技术领域，具体而言，涉及一种镍钛金属间化合物轴承材料及其制备方法与应用。

背景技术：

2.镍钛合金60(60niti)是一种镍含量大约为60wt.％和钛含量大约为40wt.％的镍钛金属间化合物，相较于轴承钢(如不锈钢440c)，60niti的弹性模量更低(约为不锈钢440c一半)，且具有更高的超弹性(≥5％)，因此，该材料在航空航天领域被视为极具潜力的高性能轴承材料。

3.目前，60niti轴承主要采用铸造法和预合金粉末冶金方法制备。上述铸造法所得的60niti材料内部易存在夹杂物，且易出现组织粗大、成分偏析等问题，严重影响其后续机械加工性能和力学性能；预合金粉末冶金方法需要将原料先熔铸成锭，再通过气雾化或等离子雾化等方式雾化成粉，进而再加工成零部件，该方法成本较高，流程复杂，难以推广应用。

4.鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

5.本发明的目的之一包括提供一种镍钛金属间化合物轴承材料的制备方法，以解决上述技术问题中的至少一种。

6.本发明的目的之二包括提供一种由上述制备方法制备而得的镍钛金属间化合物轴承材料。

7.本发明的目的之三包括提供一种制备材料包括上述镍钛金属间化合物轴承材料的轴承。

8.本技术可这样实现：

9.第一方面，本技术提供一种镍钛金属间化合物轴承材料的制备方法，包括以下步骤：将镍钛混合粉末原料制得的坯体于550

?

850℃的条件下预烧结0.5

?

8h，再于1035

?

1065℃的条件下至少烧结1h。其中，镍钛混合粉末原料中镍粉和钛粉的重量比为59:41

?

61:39。

10.在可选的实施方式中，将坯体于700

?

800℃的条件下预烧结2

?

6h，再于1045

?

1055℃的条件下至少烧结4h。

11.在可选的实施方式中，坯体升温至预烧结温度的升温速率不高于10℃/min。

12.在可选的实施方式中，坯体升温至预烧结温度的升温速率为4

?

6℃/min。

13.在可选的实施方式中，预烧结温度升温至烧结温度的升温速率不高于20℃/min。

14.在可选的实施方式中，预烧结温度升温至烧结温度的升温速率为10

?

20℃/min。

15.在可选的实施方式中，坯体的制备方法包括：采用冷等静压方式将镍钛混合粉末原料压制成坯。

16.在可选的实施方式中，压制压力为150

?

180mpa。

17.在可选的实施方式中，镍粉的粒度为26.3

?

86.2μm，钛粉的粒度为10.6

?

43.3μm。

18.在可选的实施方式中，镍粉的纯度≥99.5％，镍粉的纯度≥99％。

19.在可选的实施方式中，还包括将烧结所得的烧结体进行热等静压处理。

20.在可选的实施方式中，热等静压处理的温度为1120

?

1200℃，压力为150

?

180mpa，时间不低于1h。

21.在可选的实施方式中，烧结温度升温至热等静压处理温度的升温速率不高于20℃/min。

22.第二方面，本技术提供一种镍钛金属间化合物轴承材料，其经前述实施方式任一项的制备方法制备而得。

23.在可选的实施方式中，镍钛金属间化合物轴承材料的致密度不低于90％，优选不低于95％。

24.在可选的实施方式中，镍钛金属间化合物轴承材料的硬度为52

?

67hra。

25.第三方面，本技术提供一种轴承，其制备材料包括如前述实施方式任一项的镍钛金属间化合物轴承材料。

26.本技术的有益效果包括：

27.通过将含59

?

61wt.％的镍粉的镍钛混合粉末原料于550

?

850℃的条件下预烧结0.5

?

8h，再于1035

?

1065℃的条件下至少烧结1h，可避免镍钛混合粉末原料(镍粉含量至少大于50wt％)因直接进行烧结造成的粉末材料液相过度生成，并导致材料整体塌掉的问题。本技术所提供的此方法成本较低、操作容易，适于推广应用。由此得到的镍钛金属间化合物具有较高的组织均匀程度、致密性和硬度，适于制备轴承。

附图说明

28.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

29.图1为本技术实施例1制备的60niti材料的界面扫描电镜图。

具体实施方式

30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

31.下面对本技术提供的镍钛金属间化合物轴承材料及其制备方法与应用进行具体说明。

32.发明人经长期研究，创造性地提出了目前60niti的制备方法局限于铸造法和预合金粉末冶金方法，不能采用直接将镍粉和钛粉混合并进行烧结的方式的主要原因：本技术中的60niti合金其所含的镍元素超过50wt％后，镍与钛在高温下会生成大量的液相，零部件发生坍塌。具体的：60niti在一次性烧结过程中的某个特定温度点会瞬间生成液相，即合

金内部有液相生成，并且，镍和钛之间的反应为放热反应，一旦合金内部开始发生上述放热的反应，放出来的热量又会导致其周围的材料进一步熔化，从而使得液相不断增多，直至整个材料塌掉。

33.鉴于此，本技术创造性地提出了通过将镍粉和钛粉直接混合后的镍钛混合物先在温度相对较低的条件下进行预烧结，再在更高的温度下复烧的方式，可有效解决上述问题。并且该方法成本较低、操作容易。

34.可参照地：本技术提供的镍钛金属间化合物轴承材料的制备方法，包括以下步骤：将镍钛混合粉末原料制得的坯体于550

?

850℃的条件下预烧结0.5

?

8h，再于1035

?

1065℃的条件下至少烧结(此处的烧结可理解为复烧)1h。其中，镍钛混合粉末原料中镍粉和钛粉的重量比为59:41

?

61:39。

35.在可选的实施方式中，预烧结的温度可以为550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃或850℃等，也可以为550

?

850℃范围内的其它任意温度值。

36.预烧结的时间可以为0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h、5h、5.5h、6h、6.5h、7h、7.5h或8h等，也可以为0.5

?

8h范围内的其它任意时间值。

37.复烧的温度可以为1035℃、1040℃、1045℃、1050℃、1055℃、1060℃或1065℃等，也可以为1035

?

1065℃范围内的其它任意温度值。

38.复烧的温度可以为1h、2h、3h、4h、5h或6h等，也可以为更长的时间。

39.作为可选的，上述镍钛混合粉末原料中的镍粉和钛粉的重量比可以为59:41、59.5:40.5、60:40、60.5:39.5或61:39等，也可以为59:41

?

61:39范围内的其它任意重量比。

40.通过将含59

?

61wt％的镍粉的镍钛混合粉末原料于550

?

850℃的条件下预烧结0.5

?

8h，再于1035

?

1065℃的条件下至少烧结1h，可避免镍钛混合粉末原料(镍粉含量至少大于50wt％)因直接进行烧结造成的粉末材料整体熔化成液体并导致材料整体塌掉的问题。

41.在可选的实施方式中，镍钛混合粉末原料中镍粉的粒度为26.3

?

86.2μm，钛粉的粒度为10.6

?

43.3μm。镍粉的纯度≥99.5％，镍粉的纯度≥99％。

42.值得说明的是，将镍钛混合粉末原料中镍粉和钛粉的粒度控制在上述范围，可避免粒度更细后造成镍和钛的反应过于剧烈，导致液相快速生成。

43.需要强调的是，现有技术中60niti采用的铸造法和预合金粉末冶金方法均不会涉及烧结过程中液相生成的问题，本技术直接将镍粉(在镍钛混合粉末原料中的重量超过50wt％)和钛粉直接混合并按照上述烧结过程烧结后的合金内部会产生微孔。

44.在一些优选的实施方式中，预烧结是于700

?

800℃(如700℃、750℃或800℃)的条件下保温2

?

6h(如2h、3h、4h、5h或6h)，更优是于750℃的条件下保温4h。

45.在上述优选或更优的预烧结条件下，可使得镍钛混合粉末原料中的镍和钛先反应一部分，避免在后续复烧条件下不断产生液相导致材料最终整体垮塌。值得说明的是，若预烧结的温度过低，尤其是低于550℃时，其不能实现预烧结过程中部分镍和钛发生反应，从而不能避免后期复烧过程中导致的液相产生。若预烧结的温度过高，其实质也相当于使得镍钛混合粉末原料直接在高温下进行烧结，导致液相的产生。

46.在一些优选的实施方式中，复烧是于1045

?

1055℃(如1045℃、1050℃或1055℃)的条件下至少烧结4h，更优是于1050℃的条件下至少烧结4h。

47.在上述优选或更优的复烧条件下，能够完全避免镍钛合金内部产生液相，并能获得内部组织形态更佳的镍钛合金。

48.在可选的实施方式中，坯体升温至预烧结温度的升温速率不高于10℃/min，如1℃/min、2℃/min、3℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min、9℃/min或10℃/min等，优选为4

?

6℃/min(4℃/min、4.5℃/min、5℃/min、5.5℃/min或6℃/min)。

49.值得说明的是，坯体升温至预烧结温度的升温速率过快，也容易导致液相的产生(该条件下会导致镍钛合金中存在部分液相，但不至于垮塌)。在上述升温速率条件下，能够避免相应的问题。但当升温速率过低，其对应所需的预烧结时间越长，综合考虑，优选于1050℃的条件下烧结4h左右。

50.在可选的实施方式中，预烧结温度升温至烧结温度的升温速率不高于20℃/min，如1℃/min、2℃/min、5℃/min、8℃/min、10℃/min、12℃/min、15℃/min、18℃/min或20℃/min等，优选为10

?

20℃/min(10℃/min、12℃/min、15℃/min、18℃/min或20℃/min)。

51.同理地，预烧结温度升温至烧结温度的升温速率越快，越容易导致液相的产生。在上述升温速率条件下，能够避免相应的问题。

52.在可选的实施方式中，本技术中坯体的制备方法可包括：采用冷等静压方式将镍钛混合粉末原料压制成坯。

53.压制压力可以为150

?

180mpa，如150mpa、155mpa、160mpa、165mpa、170mpa、175mpa或180mpa等。

54.进一步地，本技术还将烧结所得的烧结体进行热等静压处理，从而有效降低合金的孔隙率，提高合金的致密程度。

55.在可选的实施方式中，热等静压处理的温度可以为1120

?

1200℃(如1120℃、1130℃、1140℃、1150℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃或1200℃等)，压力可以为150

?

180mpa(如150mpa、155mpa、160mpa、165mpa、170mpa、175mpa或180mpa等)，时间不低于1h(如1h、2h、4h或8h等)。

56.值得说明的是，热等静压处理的温度低于1120℃或压力低于150mpa后容易导致处理后的合金的密度下降。热等静压处理的温度高于1200℃容易导致样品部分熔化造成整体变形。

57.在可选的实施方式中，烧结温度升温至热等静压处理温度的升温速率例如可以控制在不高于20℃/min，此外，由于该过程中不存在熔化的问题，该过程的升温速率也可以高于20℃/min。

58.此外，本技术还提供了经上述制备方法制备而得的镍钛金属间化合物轴承材料。

59.在可选的实施方式中，该镍钛金属间化合物轴承材料的致密度不低于90％，优选不低于95％，如95％、95％、97％或98％等。

60.在可选的实施方式中，镍钛金属间化合物轴承材料的硬度为52

?

67hra，如52hra、55hra、56hra、62hra、65hra或67hra等。值得说明的是，在轴承材料方面，硬度大于1hra，即可认为轴承性能有明显提升。本技术所制备得到的镍钛金属间化合物轴承材料的硬度能够较现有技术铸造法得到的相应材料的硬度更高，能够明显改善轴承性能。

61.相应地，本技术还提供了一种轴承，其制备材料包括上述镍钛金属间化合物轴承材料，能够使轴承具有良好的机械加工性能和力学性能。

62.以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

63.实施例1

64.步骤一、镍钛原料粉末混合：

65.将纯度≥99.5、粒度为26.3

?

86.2μm的镍粉和纯度≥99％、粒度为10.6

?

43.3μm的钛粉，按重量比为60:40混合均匀。

66.步骤二、制坯：

67.将步骤一得到的混合粉末装入冷等静压模具中，压制成坯，所施加压强为180mpa。

68.步骤三、预烧结：

69.将步骤二得到的坯料在高真空炉中预烧结，升温速率为5℃/min，温度750℃，保温时间4小时。

70.步骤四、烧结：

71.将步骤三的预烧结料在高真空炉烧结，升温速率为15℃/min，温度为1050℃，保温时间4小时，随炉冷却。

72.步骤五、致密化：

73.将步骤四的烧结料进行热等静压致密化，升温速率为20℃/min，温度为1181℃，压力为180mpa，保温保压时间为1小时，随炉冷却，得到镍钛金属间化合物轴承材料，其界面扫描电镜图如图1所示。

74.所得的60niti材料的致密度为98％，硬度为67hra。其中，硬度按照《gb/t 230

?1?

2009金属材料洛氏硬度试验》方式进行测试。

75.实施例2

76.本实施例与实施例1的区别在于：坯体升温至预烧结温度的升温速率为4℃/min。其余制备工艺条件均相同。

77.按与实施例1相同的测试方法进行测试，其结果显示：所得的60niti材料的致密度为95％，硬度为65hra。

78.实施例3

79.本实施例与实施例1的区别在于：坯体升温至预烧结温度的升温速率为10℃/min。其余制备工艺条件均相同。

80.按与实施例1相同的测试方法进行测试，其结果显示：所得的60niti材料的致密度为93％，硬度为56hra。

81.实施例4

82.本对比例与实施例1的区别在于：坯体升温至预烧结温度的升温速率为15℃/min。

83.按与实施例1相同的测试方法进行测试，其结果显示：所得的60niti材料的致密度为92％，硬度为52hra。

84.实施例5

85.本实施例与实施例1的区别在于：预烧结于550℃的条件下保温8h。其余制备工艺条件均相同。

86.按与实施例1相同的测试方法进行测试，其结果显示：所得的60niti材料的致密度为90％，硬度为52hra。

87.实施例6

88.本实施例与实施例1的区别在于：预烧结于700℃的条件下保温6h。其余制备工艺条件均相同。

89.按与实施例1相同的测试方法进行测试，其结果显示：所得的60niti材料的致密度为95％，硬度为62hra。

90.实施例7

91.本实施例与实施例1的区别在于：预烧结于800℃的条件下保温2h。其余制备工艺条件均相同。

92.按与实施例1相同的测试方法进行测试，其结果显示：所得的60niti材料的致密度为92％，硬度为55hra。

93.实施例8

94.本实施例与实施例1的区别在于：预烧结于850℃的条件下保温0.5h。其余制备工艺条件均相同。

95.按与实施例1相同的测试方法进行测试，其结果显示：所得的60niti材料的致密度为90％，硬度为52hra。

96.实施例9

97.本实施例与实施例1的区别在于：预烧结至烧结过程的升温速率为20℃/min。其余制备工艺条件均相同。

98.按与实施例1相同的测试方法进行测试，其结果显示：所得的60niti材料的致密度为93％，硬度为55hra。

99.实施例10

100.本实施例与实施例1的区别在于：复烧于1035℃的条件下保温6h。其余制备工艺条件均相同。

101.按与实施例1相同的测试方法进行测试，其结果显示：所得的60niti材料的致密度为95％，硬度为62hra。

102.实施例11

103.本实施例与实施例1的区别在于：复烧于1045℃的条件下保温5h。其余制备工艺条件均相同。

104.按与实施例1相同的测试方法进行测试，其结果显示：所得的60niti材料的致密度为96％，硬度为62hra。

105.实施例12

106.本实施例与实施例1的区别在于：复烧于1055℃的条件下保温2h。其余制备工艺条件均相同。

107.按与实施例1相同的测试方法进行测试，其结果显示：所得的60niti材料的致密度为95％，硬度为62hra。

108.实施例13

109.本实施例与实施例1的区别在于：复烧于1065℃的条件下保温1h。其余制备工艺条件均相同。

110.按与实施例1相同的测试方法进行测试，其结果显示：所得的60niti材料的致密度为92％，硬度为57hra。

111.实施例14

112.本实施例与实施例1的区别在于：热等静压处理的温度为1120℃，压力为165mpa，升温速率为10℃/min。其余制备工艺条件均相同。

113.按与实施例1相同的测试方法进行测试，其结果显示：所得的60niti材料的致密度为96％，硬度为65hra。

114.实施例15

115.本实施例与实施例1的区别在于：热等静压处理的温度为1200℃，压力为150mpa，升温速率为15℃/min。其余制备工艺条件均相同。

116.按与实施例1相同的测试方法进行测试，其结果显示：所得的60niti材料的致密度为96％，硬度为65hra。

117.实施例16

118.本实施例与实施例1的区别在于：镍粉和钛粉按重量比为59:41混合均匀。冷等静压的压强为150mpa。其余制备工艺条件均相同。

119.按与实施例1相同的测试方法进行测试，其结果显示：所得的niti材料的致密度为95％，硬度为62hra。

120.实施例17

121.本实施例与实施例1的区别在于：镍粉和钛粉按重量比为61:39混合均匀。冷等静压的压强为165mpa。其余制备工艺条件均相同。

122.按与实施例1相同的测试方法进行测试，其结果显示：所得的niti材料的致密度为93％，硬度为65hra。

123.对比例1

124.本对比例与实施例1的区别在于：不进行预烧结，直接将镍钛混合粉末原料于1050℃的条件下正式烧结。镍钛混合粉末原料以及坯体均与实施例1相同。

125.其结果不能获得60niti合金。

126.对比例2

127.本对比例与实施例1的区别在于：预烧结的温度为500℃。其余制备工艺条件均相同。

128.其结果显示：在复烧过程中大量液相生成，样品发生熔化。

129.对比例3

130.本对比例与实施例1的区别在于：预烧结的温度为900℃。其余制备工艺条件均相同。

131.其结果显示：预烧结过程中大量液相生成，样品发生坍塌。

132.对比例4

133.本对比例与实施例1的区别在于：正式烧结的温度为1000℃。其余制备工艺条件均相同。

134.其结果显示：内部孔隙过多，致密度过低，不满足使用要求。

135.对比例5

136.本对比例与实施例1的区别在于：复烧的温度为1200℃。其余制备工艺条件均相同。

137.其结果显示：复烧过程发生熔化。

138.对比例6

139.本对比例与实施例1的区别在于：镍粉的粒度低于25μm，所述钛粉的粒度低于10μm。其余制备工艺条件均相同。

140.其结果显示：预烧结过程反应过度剧烈，样品坍塌。

141.综上所述，本技术使用元素粉末为原料，成本低廉，且采用粉末冶金压制

?

烧结工艺，工艺流程简单，通过采用先在特定条件下预烧结再在特定条件下复烧的方式，可避免具有大于50wt％含量的镍粉的镍钛混合粉末原料直接进行烧结导致液相过度生成，使材料整体塌掉的问题。通过调节热等静压致密化温度和压力，可实现材料孔隙率调节。通过该方法制备而得的60niti轴承材料，致密度可不低于95％，硬度可达到67hra，适于制备轴承。

142.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。技术特征：

1.一种镍钛金属间化合物轴承材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将镍钛混合粉末原料制得的坯体于550

?

850℃的条件下预烧结0.5

?

8h，再于1035

?

1065℃的条件下至少烧结1h；所述镍钛混合粉末原料中镍粉和钛粉的重量比为59:41

?

61:39。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将所述坯体于700

?

800℃的条件下预烧结2

?

6h，再于1045

?

1055℃的条件下至少烧结4h。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述坯体升温至预烧结温度的升温速率不高于10℃/min；优选地，所述坯体升温至预烧结温度的升温速率为4

?

6℃/min。4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，预烧结温度升温至烧结温度的升温速率不高于20℃/min；优选地，预烧结温度升温至烧结温度的升温速率为10

?

20℃/min。5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述坯体的制备方法包括：采用冷等静压方式将镍钛混合粉末原料压制成坯；优选地，压制压力为150

?

180mpa。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述镍粉的粒度为26.3

?

86.2μm，所述钛粉的粒度为10.6

?

43.3μm；优选地，所述镍粉的纯度≥99.5％，所述镍粉的纯度≥99％。7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，还包括将烧结所得的烧结体进行热等静压处理。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，热等静压处理的温度为1120

?

1200℃，压力为150

?

180mpa，时间不低于1h；优选地，烧结温度升温至热等静压处理温度的升温速率不高于20℃/min。9.一种镍钛金属间化合物轴承材料，其特征在于，其经权利要求1

?

8任一项所述的制备方法制备而得；优选地，所述镍钛金属间化合物轴承材料的致密度不低于90％，优选不低于95％；优选地，所述镍钛金属间化合物轴承材料的硬度为52

?

67hra。10.一种轴承，其特征在于，所述轴承的制备材料包括如权利要求9所述的镍钛金属间化合物轴承材料。

技术总结

本发明公开了一种镍钛金属间化合物轴承材料及其制备方法与应用，属于粉末冶金技术领域。该方法包括以下步骤：将镍钛混合粉末原料制得的坯体于550

技术研发人员：刘辛 卡沙亚

受保护的技术使用者：广东省科学院新材料研究所

技术研发日：2021.07.26

技术公布日：2021/10/29