專利名稱：：高硬度耐磨損粉末冶金滾套制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種高硬度耐磨損粉末冶金滾套制備方法，也可以應(yīng)用到軸套領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：滾套或軸套廣泛應(yīng)用壓縮機(jī)、泵、機(jī)床、電動(dòng)工具、汽車等領(lǐng)域，其要求高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性。滾套或軸套可以采用鑄造的合金制得，但合金元素含有鎳、鉬等貴重金屬元素，參見(jiàn)中國(guó)發(fā)明專利ZL200410090214.9，公開(kāi)了一種《鐵基自潤(rùn)滑耐磨合金》(授權(quán)公告號(hào)CN1276116C)，該專利制得的合金材料具有高耐磨性能可用于制備滾套或軸套，但原料中含量鎳、鉬和鎢等貴重金屬，并通過(guò)熔煉、鑄造方法生產(chǎn)，其成本居高不下，嚴(yán)重影響了其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)了。也有采用低合金鐵基粉末冶金材料，該材料一般也都含有大量的鉬、釩、鎢、鉻、鈷和鎳等合金元素，合金元素總量大于10%，屬于高合金鋼。由于國(guó)際需求旺盛，近年來(lái)鉬、鴿和鎳等金屬價(jià)格飛漲，不管是傳統(tǒng)的鑄造還是低合金鐵基粉末冶金材料均直接導(dǎo)致原材料成本上升。為了解決原材料成本問(wèn)題，有必要開(kāi)發(fā)低成本的低合金材料。又粉末冶金零件是多孔零件，孔隙的存在降低了材料的宏觀硬度和強(qiáng)度，所以一般粉末冶金滾套或軸套的性能難以達(dá)到壓縮機(jī)、泵、機(jī)床、電動(dòng)工具、汽車等的使用要求。開(kāi)放低成本、高性能的粉末冶金材料，并將其應(yīng)用到滾套或類似部件的軸套上，關(guān)鍵要降低材料中鉬、鎢、鎳等貴重金屬的用量，而且還需要提供合適的工藝要求以解決粉末冶金零件多孔問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述的技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種低成本、高硬度耐磨損粉末冶金滾套制備方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為該一種高硬度耐磨損粉末冶金滾套制備方法，其特征在于采用粉末冶金工藝制造，具體依次包括如下步驟①混粉，將鐵粉、碳粉、鉻粉或鉻鐵合金粉、及潤(rùn)滑劑混合，并保證鐵、碳、鉻的總組分中百分重量含量碳為0.3~2%，鉻為0.5~4%,潤(rùn)滑劑0.1~2%，不超過(guò)2%的不可避免雜質(zhì)，余量為鐵；②成形，成形后密度大于6.8g/cm、③燒結(jié)，溫度為1000-1350°C，時(shí)間為至少20分鐘；機(jī)加工，對(duì)難以通過(guò)模具成形部分，采用機(jī)加工方式進(jìn)行處理；⑤淬火，溫度為800~950°C，時(shí)間為10-120分鐘；冷處理，淬火后24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行；⑦回火，溫度17030(TC，時(shí)間為24小時(shí)。作為優(yōu)選，步驟①中，鐵粉、碳粉、絡(luò)粉的總組分中百分含量碳為0.6%，鉻為1.8%，潤(rùn)滑劑0.6%，不超過(guò)2%的不可避免雜質(zhì)，余量為鐵。作為優(yōu)選，步驟①中，所述的鐵粉采用霧化鐵粉，該霧化鐵粉中碳含量小于0.02%，氧含量小于0.2%，壓縮性在490.3MPa下大于6.9g/cm3。所述的碳粉采用碳含量大于99%的石墨粉或碳黑，且該石墨粉或碳黑灰分小于1%，至少90%的顆粒直徑小于4微米。所述的潤(rùn)滑劑采用硬脂酸鹽或蠟。作為優(yōu)選，步驟③中，所述的燒結(jié)的溫度為U50135(TC。作為優(yōu)選，步驟⑥中，所述的冷處理采用溫度低于零下6(TC的工業(yè)冰箱，冷卻時(shí)間20300分鐘，或液氮環(huán)境中，冷卻時(shí)間5120分鐘。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于主要以鐵、碳和鉻組成，不含貴重金屬元素鎳、鉬、鎢等，成本低廉；抗拉強(qiáng)度、硬度、顯微硬度等機(jī)械性能與鑄造工藝所得產(chǎn)品還要優(yōu)越，而熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)均比鑄造工藝所得產(chǎn)品來(lái)的低。本發(fā)明所得產(chǎn)品熱膨脹系數(shù)與尺寸穩(wěn)定性都復(fù)合應(yīng)用要求，本發(fā)明所得產(chǎn)品金相結(jié)構(gòu)中還具有HVo.cn超過(guò)2100的析出型碳化物，本發(fā)明也可以應(yīng)用于高硬度良好耐磨性的軸套上。。圖1為滾套的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為未經(jīng)冷處理的金相組織顯微照片。圖3為經(jīng)過(guò)冷處理的金相組織顯微照片。圖4為鑄造工藝滾套邊緣的金相組織顯微照片。圖5為鑄造工藝滾套心部的金相組織顯微照片。圖6為實(shí)施例滾套邊緣的金相組織顯微照片。圖7為實(shí)施例滾套心部的金相組織顯微照片。圖8為實(shí)施例滾套進(jìn)一步放大的金相組織顯微照片。圖9為鑄造工藝滾套的熱膨脹系數(shù)(12.8472*10—6)坐標(biāo)圖。圖10為實(shí)施例滾套的熱膨脹系數(shù)(12.2497*10-6)坐標(biāo)圖。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一歩詳細(xì)描述。實(shí)施例本實(shí)施例中的高硬度耐磨損粉末冶金滾套制備方法，采用粉末冶金工藝制造，具體依次包括如下步驟-①混粉，將鐵粉、碳粉、鉻粉或鉻鐵合金粉、及潤(rùn)滑劑混合，并保證鐵、碳、鉻的總組分中百分重量含量碳為0.3-2%,鉻為0.5~4%，潤(rùn)滑劑0.1~2%，不超過(guò)2%的不可避免雜質(zhì)，余量為鐵；②成形，成形后密度大于6.8g/cm3;③燒結(jié)，溫度為1000-1350°C,優(yōu)選為U50135(TC，時(shí)間為至少20分鐘；機(jī)加工，對(duì)難以通過(guò)模具成形部分100(如圖1中所示)，如安裝槽等，采用機(jī)加工方式進(jìn)行處理，機(jī)加工可以為車、銑、磨削、鉆、鏜等；淬火，溫度為800~950°C,時(shí)間為10120分鐘；⑥冷處理，淬火后24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行；⑦回火，回火保溫時(shí)間與產(chǎn)品的厚度有關(guān)，溫度17030(TC，時(shí)間為24小時(shí)。其中，本實(shí)施例的步驟①中，鐵、碳、鉻的總組分中百分含量碳為0.6%，絡(luò)為1.8%，潤(rùn)滑劑0.6%，不超過(guò)2%的不可避免雜質(zhì)，余量為鐵。鐵粉采用霧化鐵粉，該霧化鐵粉中碳含量小于0.02%，氧含量小于0.2%，壓縮性在490.3MPa下大于6.9g/cm3，碳粉采用碳含量大于99%的石墨粉或碳黑，且該石墨粉或碳黑灰分小于1%,至少90%的顆粒直徑小于4微米，所述的潤(rùn)滑劑采用硬脂酸鹽或蠟。步驟(D中，冷處理采用溫度低于零下6(TC的工業(yè)冰箱，冷卻時(shí)間20300分鐘，或液氮環(huán)境中，冷卻時(shí)間5~420分鐘?；旆劭梢栽陔p錐混料機(jī)內(nèi)進(jìn)行，混合時(shí)間為6090分鐘。步驟②中，成形采用普通壓機(jī)。壓坯密度對(duì)產(chǎn)品的熱處理及燒結(jié)硬度有很大的影響。密度為6.8g/cm3的壓坯，燒結(jié)后硬度僅為HRB50，而7.1g/cm3的壓坯則為HRB73。熱處理后7.1gcm3的壓坯的壓坯高達(dá)HRC50，6.8g/cm3的僅為HRC43。成形密度為6.77.3g/cm3。密度大于7.1g/cm3的滾套的成形需要溫壓或其他方式壓制。在本實(shí)施例中壓制為普通粉末成形壓力機(jī)，成形密度為7.07.1gcm3,成形的壓力為630MPa。步驟③中，燒結(jié)可以采用真空爐、網(wǎng)帶爐、推桿爐或其他燒結(jié)爐。燒結(jié)氣氛可以為真空、氮基氣氛、氫氣等，但是不能使用吸熱性氣氛或放熱性氣氛。燒結(jié)時(shí)將產(chǎn)品放在網(wǎng)帶或墊板上就可以了。燒結(jié)溫度直接關(guān)系到粉末冶金產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量。熱處理硬度、燒結(jié)密度與燒結(jié)溫度影響不大，幾乎在同樣水平。燒結(jié)溫度對(duì)熱處理硬度影響不大主要由于最終產(chǎn)品的碳含量和密度相差不大。燒結(jié)溫度對(duì)性能影響最大的參數(shù)主要是抗拉強(qiáng)度和材料的沖擊韌性(沖擊功)。隨著燒結(jié)溫度的增加抗拉強(qiáng)度和沖擊功都顯著增加。1000115(TC常溫?zé)Y(jié)時(shí)沖擊功為5.9J，11501350。C高溫?zé)Y(jié)時(shí)增加到12J，增加了103%，抗拉強(qiáng)度常溫?zé)Y(jié)5時(shí)為455MPa，而高溫?zé)Y(jié)則為619MPa，增加了36°/。。燒結(jié)溫度的提高對(duì)抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性的改善主要由于在高溫下原子的擴(kuò)散加強(qiáng)，促進(jìn)了燒結(jié)過(guò)程，形成更多更大的燒結(jié)頸。高溫?zé)Y(jié)是提高強(qiáng)度得一項(xiàng)重要措施。通過(guò)高溫?zé)Y(jié)，可以使一部分氧化物還原，提高原子的擴(kuò)散速率，增加成分均勻性，可以使孔隙充分球化，孔隙間距更大。常溫?zé)Y(jié)的溫度為10001150°C，最佳112(TC，燒結(jié)時(shí)間為至少20分鐘。本實(shí)施例采用高溫?zé)Y(jié)，高溫?zé)Y(jié)的溫度為1150~1350°C，最佳1250°C，燒結(jié)時(shí)間為至少20分鐘。步驟⑤中，淬火加熱在滲碳?xì)夥罩羞M(jìn)行，碳勢(shì)為0.42.0%。淬火后的硬度大于HRC45。本發(fā)明試制密度為7.07.1g/cm3的零件淬火溫度為820°C，保溫時(shí)間為20分鐘。淬火溫度及保溫時(shí)間與滾套的密度和壁厚有關(guān)。密度較高則保溫時(shí)間較長(zhǎng)，淬火溫度較高。步驟⑥中，冷處理的保溫時(shí)間與零件的壁厚相關(guān)，較厚的零件保溫時(shí)間較長(zhǎng)。冷處理是高尺寸穩(wěn)定性零件必須要求的工序。經(jīng)一60"C以下低溫冷處理后硬度有所上升，約增加HRCl-2，外徑尺寸變大。這主要由于在一般碳含量較高的鋼材中淬火后或多或少都有一定量的殘余奧氏體。殘余奧氏體的存在對(duì)產(chǎn)品有如下影響第一，殘余奧氏體是不穩(wěn)定的相，在一定條件下會(huì)分解，影響產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性。第二，殘余奧氏體硬度較低，會(huì)影響產(chǎn)品的硬度及耐磨性。冷處理后殘余奧氏體明顯減少，圖3中白色的組織為殘余奧氏體，而圖4中這種白色組織明顯大幅減少。冷處理對(duì)滾套性能的影響工藝硬度熱處理外徑變化情況淬火一回火HRC5卜52+0.39%淬火一冷處理一回火HRC53~54+0.45%淬火一回火一冷處理HRC52~53+0.51%本實(shí)施例中的組分配比及制備方法也可以應(yīng)用于高硬度良好耐磨性的軸套上。在實(shí)際生成過(guò)程中，本申請(qǐng)人還作了如下對(duì)比試驗(yàn)碳含量對(duì)滾套性能的影響Cr含量，wt"5/。配入C含量，wt%燒結(jié)硬度熱處理硬度燒結(jié)密度(g/cm3)1.0HRB88HRC466.830.8HRB79HRC516.990.6HRB73HRC507.07從上表可以看出，對(duì)于(^含量為0.54%的滾套，在燒結(jié)后硬度隨碳含量增加而降6低，碳由1%降到0.6%時(shí)，燒結(jié)硬度由HRB88降到HRB73。但是熱處理態(tài)的硬度并沒(méi)有出現(xiàn)這種規(guī)律，高碳含量的滾套硬度還較低碳含量的低，例如碳含量為1.0%的滾套硬度為HRC46，而碳含量為0.6。/。的硬度卻是HRC50。這主要由以下幾方面原因造成的第一、熱處理時(shí)三種碳含量的產(chǎn)品放到一起進(jìn)行淬火，碳勢(shì)相同。因此，燒結(jié)態(tài)的碳含量對(duì)最終表面的碳含量影響不大，因此表面硬度與先前的碳含量沒(méi)有太大的關(guān)系。第二、成形時(shí)由于石墨的密度較低，在壓坯中占較大的空間，因此石墨含量高的產(chǎn)品，在同樣成形壓力下壓坯密度更低，直接導(dǎo)致燒結(jié)密度偏低，這一點(diǎn)已為表1所證實(shí)。第三、宏觀硬度不僅與碳含量相關(guān)，還于產(chǎn)品的密度相關(guān)。對(duì)于碳含量相同的粉末冶金產(chǎn)品密度越高則宏觀硬度越高。鉻含量增加，產(chǎn)品的硬度和強(qiáng)度以及沖擊韌性都會(huì)增力B。Cr含量由0.5%增加至2%，抗拉強(qiáng)度由558MPa增加到619MPa，增加了10.9%,沖擊韌性由9J增加到12J，增加了33%，熱處理后的硬度則由HRC36增加到HRC40。本實(shí)施例與鑄造滾套性能比較，兩種滾套的化學(xué)成分(wt。/。):成分總碳硅錳磷硫鎳鉻鉬鑄造3.2~3.51.8-2.50.5~1.00.2-0.30.15max0.2~0.40.5~1.00,15~0.40本實(shí)施例0.3~2.00.5~4.0禱造的合金元素含有Ni、Mo等貴重元素，而開(kāi)發(fā)本實(shí)施例無(wú)貴合金元素可以降低一定的生產(chǎn)成本。機(jī)械性能比較:項(xiàng)目鑄造的材料標(biāo)準(zhǔn)本實(shí)施例沖擊功(J)熱處理前—20熱處理后—4抗拉強(qiáng)度(MPa)熱處理前大于300大于500熱處理后—大于1000硬度熱處理前HRB95HRB>65熱處理后HRC44~48HRC45~60密度(g/cm3)熱處理后7.2大于7.1從上表可以看出，粉末冶金工藝生產(chǎn)的滾套在性能方面基本達(dá)到鑄造的性能。顯微硬度比較顯微硬度HVai鑄造728,752，749，654,699,752，770,860,637，761,741，730本實(shí)施例765，860,795，785，710，753，702，772，805，758,691，832從上表可以看出，粉末冶金開(kāi)發(fā)的本實(shí)施例滾套硬度比較穩(wěn)定，完全達(dá)到鑄造工藝現(xiàn)有產(chǎn)品的水平。7鑄造與本實(shí)施例生產(chǎn)的滾套的金相比較參考圖4和圖5所示，鑄造滾套的金相主要為回火馬氏體、碳化物、游離石墨和殘余奧氏體。參考圖6和圖7所示，本實(shí)施例的產(chǎn)品的組織主要為回火馬氏體、少許殘余奧氏體和碳化物。粉末冶金工藝開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品的碳化物為粒狀碳化物，通過(guò)測(cè)試顯微硬度，發(fā)現(xiàn)HV0.01超過(guò)2100，這是析出型的碳化物(見(jiàn)圖8)。而在鑄造產(chǎn)品中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種碳化物。熱物理性能比較:<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>'上表為鑄造鋼與本實(shí)施例的產(chǎn)品的熱物理性能。從表中可以看出，本實(shí)施例的熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)均較鑄造鋼低，在IO(TC時(shí)鑄造鋼的熱擴(kuò)散系數(shù)為9.794mm2/S，而本實(shí)施例為8.634mm2/S，降低U6mm2/S;導(dǎo)熱系數(shù)鑄造鋼為34.732W/(m*k),本實(shí)施例為29.965W/(m*k)，降低4.767W/(m*k)。比熱容則較為復(fù)雜，30'C時(shí)本實(shí)施例略高，IO(TC和18(TC時(shí)本實(shí)施例的略低。本實(shí)施例的熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)略低，主要因?yàn)楸緦?shí)施例中含有一定的孔隙?？紫独锎蟛糠譃闅怏w或者液體(如淬火冷卻介質(zhì))，都是熱的不良導(dǎo)體，而鑄造鋼則含有大量的石墨，為熱的良導(dǎo)體。這是鑄造與燒結(jié)工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品熱物理性能存在差異的重要原因。熱膨脹系數(shù)比較20200'C間熱膨脹系數(shù)見(jiàn)圖9和圖10。其中，圖9的鑄造產(chǎn)品測(cè)試樣品長(zhǎng)度為25.14mm，升溫速率為3k/mm,支架系統(tǒng)為石英，標(biāo)準(zhǔn)樣品為石英，圖10中本實(shí)施例測(cè)試樣品，長(zhǎng)度為24.16mm，升溫速率為3k/mm，支架系統(tǒng)為石英，標(biāo)準(zhǔn)樣品為石英。由圖可以看出，鑄造鋼與本實(shí)施例的熱膨脹系數(shù)差別不大，本實(shí)施例約小4.65%。尺寸穩(wěn)定性，經(jīng)冷處理后，按照尺寸穩(wěn)定性的測(cè)試要求，本實(shí)施例滾套冷處理尺寸變化情況測(cè)試結(jié)果如下<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>尺寸變化完全達(dá)到鑄造鋼的水平。權(quán)利要求1、一種高硬度耐磨損粉末冶金滾套制備方法，其特征在于采用粉末冶金工藝制造，具體依次包括如下步驟①混粉，將鐵粉、碳粉、鉻粉或鉻鐵合金粉、及潤(rùn)滑劑混合，并保證鐵、碳、鉻的總組分中百分重量含量碳為0.3～2％，鉻為0.5～4％，潤(rùn)滑劑0.1～2％，不超過(guò)2％的不可避免雜質(zhì)，余量為鐵；②成形，成形后密度大于6.8g/cm3；③燒結(jié)，溫度為1000～1350℃，時(shí)間為至少20分鐘；④機(jī)加工，對(duì)難以通過(guò)模具成形部分，采用機(jī)加工方式進(jìn)行處理；⑤淬火，溫度為800～950℃，時(shí)間為10～120分鐘；⑥冷處理，淬火后24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行；⑦回火，溫度170～300℃，時(shí)間為2～4小時(shí)。2、根據(jù)權(quán)利要求1中所述的制備方法，其特征在于步驟①中，鐵粉、碳粉、鉻粉的總組分中百分含量碳為0.6%，絡(luò)為1.8%，潤(rùn)滑劑0.6%，不超過(guò)2%的不可避免雜質(zhì)，余量為鐵。3、根據(jù)權(quán)利要求1中所述的制備方法，其特征在于步驟①中，所述的鐵粉采用霧化鐵粉，該霧化鐵粉中碳含量小于0.02%，氧含量小于0.2%，壓縮性在490.3MPa下大于6.9g/cm3。4、根據(jù)權(quán)利要求1中所述的制備方法，其特征在于步驟①中，所述的碳粉采用碳含量大于99%的石墨粉或碳黑，且該石墨粉或碳黑灰分小于1%，至少90%的顆粒直徑小于4微米。5、根據(jù)權(quán)利要求1中所述的制備方法，其特征在于步驟①中，所述的潤(rùn)滑劑采用硬脂酸鹽或蠟。6、根據(jù)權(quán)利要求1中所述的制備方法，其特征在于步驟③中，所述的燒結(jié)的溫度為1150~1350°C。7、根據(jù)權(quán)利要求1中所述的制備方法，其特征在于步驟⑥中，所述的冷處理采用溫度低于零下60'C的工業(yè)冰箱，冷卻時(shí)間20300分鐘，或液氮環(huán)境中，冷卻時(shí)間5~120分鐘。全文摘要一種高硬度耐磨損粉末冶金滾套制備方法，其特征在于采用粉末冶金工藝制造，具體依次包括如下步驟①混粉，將鐵粉、碳粉、鉻粉或鉻鐵合金粉、及潤(rùn)滑劑混合，并保證鐵、碳、鉻的總組分中百分重量含量碳為0.3～2％，鉻為0.3～4％，不超過(guò)2％的不可避免雜質(zhì)，余量為鐵；②成形，成形后密度大于6.8g/cm³；③燒結(jié)④機(jī)加工⑤淬火⑥冷處理⑦回火。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于主要以鐵、碳和鉻組成，不含貴重金屬元素鎳、鉬、鎢等，成本低廉；抗拉強(qiáng)度、硬度、顯微硬度等機(jī)械性能比鑄造工藝所得產(chǎn)品還要優(yōu)越，而熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)均比鑄造工藝所得產(chǎn)品來(lái)的低。文檔編號(hào)B22F5/10GK101486098SQ200810059198公開(kāi)日2009年7月22日申請(qǐng)日期2008年1月17日優(yōu)先權(quán)日2008年1月17日發(fā)明者包崇璽,毛增光,舒正平申請(qǐng)人:東睦新材料集團(tuán)股份有限公司