镍钛合金金属间化合物在润滑轴承的应用

镍钛合金金属间化合物在润滑轴承的应用

C. Della Corte, S.V. Pepper, R. Noebe, D.R. Hull and G. Glennon

摘要：镍钛合金60 (60NiTi)是一种镍含量为60%和钛含量为40%镍钛合金金属间化合

物，是一种在滚动和滑动、接触轴承、齿轮方面很有前途的润滑材料。镍钛合金通常用于他们的形状记忆的行为。当适当的加工后，镍钛合金60也有良好的尺寸稳定性结构性质。通过高温处理、高压粉末冶金技术或其他方法,使镍钛合金60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，最后热处理前易于加工，没有其他的轴承合金,金属或瓷拥有所有的这些属性，而且相比其他的航空航天轴承合金的润滑条件镍钛合金已经显示出显著的摩擦学性能。

螺旋轨道摩擦磨损试验机（SOT）测试在真空中旋转球440 C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60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途的合金材料。

1.前言

二元镍钛合金（NiTi）有良好的生物相容性、独特的超弹性和形状记忆效应（SME）并且较容易投入生产，在医疗和牙科行业被广泛使用（参考文献1-2）。最近在航空、航天工业形状记忆合金活化的结构已经提出和论证，在自适应进气口和喷嘴，可变几何形，变弯度风扇叶片和襟翼和其他铰链组件的基本流量控制方面被广泛应用（参考文献3-4）。在这些应用中利用在近等原子的镍钛合金（含约55%重量的镍）典型的在变化的那些大型可逆齿轮系和三重高温形状记忆合金（HTSMA）。富镍铁陨石含有大约57 - 60 %重量的镍，除了那些熟悉的中小企业外，也被率先使用在波音公司的航空系统中(参考文献5)，可变几何形镍钛60最终在一个全面的飞行试验获得成功（参考文献6）。

富镍合金与传统的镍钛合金相比需要更复杂的热处理步骤才能显示形状记忆行为（参考文献7）。在本文中我们首次提出证据表明镍钛合金可以调整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。

镍钛合金系列起源于20世纪50年代末，是William J. Buehler和他的同事们在他的海军军械实验室的创新工作中研制出来的(参考文献8–9)。事实上他指定的镍钛合金在那个时候正被一个缩写为镍合金海军军械实验室在研究,在发展高温度、非软磁合金

的导弹锥中应用。早期他们努力确定镍钛55和镍钛60，其中分别分别含55%和60%重量的镍。镍钛合金55比镍钛合金60软，更容易进去机械加工，也容易造成过度加工硬化。润滑轴承的几个手工具就是利用镍钛合金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企业，但由于资源有限，1960年代初他们放弃了对镍钛60的研究(参考文献10)。从那时起，有一部分人尝试发展新的方法来生产镍钛合金60在结构和机械方面的应用，例如滚动轴承(参考文献11)。现在看来，镍钛合金60的商业价值不可估量。

材料为高性能轴承、齿轮等机械部件需要的一些特殊性质和特点，这些关键属性是高强度和硬度,高导热,又能制造对于最终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通常是重要的,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抑制剂，飞机和车辆暴露在海洋环境中也容易腐蚀。即使航天硬件在外太空真空环境超出了大气腐蚀的畴，也无法避免长时间储存和发射前的轴承、齿轮的腐蚀问题。在涉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。

传统的工具钢轴承材料,如M50和52100年,他们享有广泛应用,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攻击,虽然易导电,但他们磁性很强。另外,当作为轴承滚动体,其高密度会带来高离心力而且疲劳寿命也很有限。这些因素驱动我们寻找和发展代替轴承和机械的合金成分,即不锈钢和器。

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440C。这些马氏体不锈钢是成本低、易于加工、热处理前尺寸稳定。通过真空熔炼工艺能够形成非常均匀、完全致密的微观结构，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，更准确地称为比不锈钢耐腐蚀合金，400系列马氏体钢仍然容易腐蚀，而且他们还有强磁性，在某些应用中可能会出现系列的问题。

另一方面，氮化硅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。因为较低的离心应力使得氮化硅材料能够适应高硬度，高负荷，高速轴承的应用，也包括腐蚀条件要求较高和需要滑动的环境。

氮化硅是一个绝缘体，虽然具有非磁性，但高温、高压的粉末冶金需要处理比较复杂和成本也很昂贵。氮化硅较低的热膨胀系数，使它在涉及广泛的温度变化应用方面体

现出优势。这些应用包括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组成部分。

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提供了一个独特的综合性能，没有发现任何其他常见的材料能够拥有这样的性能。镍钛合金60，当适当的热处理时，向中小企业展示了在正常的使用环境能够达到预期的温度稳定和尺寸（大小）。它具有高硬度，经过适当的热处理，还可以很容易最终热处理前进行加工。氮化硅，镍钛合金60本质上是非磁性和高度抗腐蚀的，但是与瓷相比镍钛60能够导电。为便于比较，我例举一个目前使用的常规材料和高性能轴承合金性能比较的简单表格（表1），包括镍钛合金50和镍钛合金60。基于这些特点，镍钛60在摩擦环境似乎是一个作为轴承材料很好的选择。

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应有机液体润滑的情况下表现出差的摩擦学性能（参考文献12）。例如,Ti-6Al-4V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，会造成许多润滑剂的降解（参考文献12）。由于其他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不太可能作为轴承材料的选择。

另一方面,瓷材料含高浓度钛能表现出理想的摩擦学性能。碳化钛(TiC)和二氧化钛(二氧化钛)就是很好的例子。碳化钛涂层通常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个潜在的固体润滑剂（参考文献13-14）。然而这些瓷材料太脆而不能被作为结构元件。

如果是粘结强度或其他一些对粘接钛基材料有重大影响的摩擦学行为，则不清楚其对镍钛合金摩擦性能的影响。镍钛是一种Hume - Rothery β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（B 2）氯化铯结构组成部分的两个金属共价键稳定性（参考文献15）。瓷与TiC和TiO2相比较，B2 NiTi是共价键，因此它显示出更多的韧性、延展性和化学反应。但更常见的金属合金Ti-6Al-4V结合具有高度定向和更强，因此可能拥有瓷一样的摩擦学性能。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表现不佳。因此NiTi60作为润滑结构摩擦材料需要一个实验研究其性能。

从现在专利文献来看，虽然没有数据提供支持，但是即使在没有润滑情况下接触，镍钛合金60仍然是一个很好的轴承材料（参考文献11）。镍钛合金60在有限的干滑动试验表明具有相当高的摩擦性能（参考文献16）。常见的中小企业研究通常镍钛合金55的干摩擦行为，但数据显示，镍钛合金60的摩擦系数通常高于0.5（参考文献17）。最近的一篇文章证实了早期发现的描述微动腐蚀的条件和设计模拟体应用的镍钛合金55在润滑条件下的滑动摩擦和磨损程度（参考文献18）。似乎没有镍钛合金在润滑接触摩条件下展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。

本次调查的目的是确定镍钛合金60能否在轴承的摩擦学方面成为一种优良材料。首先，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征材料的微观结构和它的基本组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，与传统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的可能性。

首先，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结构及其基本组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，直接与传统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知道评估高温粉末冶金生产的镍钛合金60的过程大致相同(参考文献19)。镍钛合金60粉末通过热等静压处理被制成粗糙的球面球胚，然后经过抛光和研磨生产成高品质的0.5英寸（12.5毫米）直径（5级）球轴承。经过一个多步骤的热工艺（热处理）使粗磨削轴承球处于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60球标本（图1）鲜艳而有光泽，外观类似于传统的抛光不锈钢球。

图1：成品的镍钛合金60球标本

轴承材料的元素组成，原子发射光谱仪和能量色散，半定量的X射线分析，测量结果一致表明，显示轴承球是名义上镍钛的平衡。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6.71克/立方厘米，比440C不锈钢低25％左右。

图2显示了镍钛合金60标本在最终硬化和抛光条件的横截面微观结构。在硬化条件Rockwell C 标准的硬度测量显示值围在58至62。与大多数热等静压或烧结粉末压坯相比，粒子的界限是相当明显。尽管只含有镍和钛，镍钛合金的微观结构还是非常复杂，由于存着一系列的亚稳态，金属间化合物可能存在取决于它的热加工（参考文献19）。图3分析了镍钛合金60球标本多个离散阶段（图3）。