專利名稱：一種高性能粉末冶金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高性能粉末冶金材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，粉末冶金工業(yè)發(fā)展迅速。鐵粉，特別是合金鐵粉的需求量隨著汽車工業(yè)的 發(fā)展而不斷增加，人們對(duì)鐵基燒結(jié)結(jié)構(gòu)零件的性能要求也越來(lái)越高，對(duì)進(jìn)、排氣門座、凸輪 軸等重要零件的耐熱、耐磨等性能提出了更高的要求，因而開(kāi)發(fā)高密度、高強(qiáng)度、高塑性粉 末冶金結(jié)構(gòu)鋼，拓寬粉末冶金鋼的應(yīng)用領(lǐng)域是粉末冶金目前的研究發(fā)展方向。
鐵基燒結(jié)結(jié)構(gòu)鋼是粉末冶金工業(yè)中產(chǎn)量最大、應(yīng)用面最廣的一類產(chǎn)品，其成分大 致有幾種一是以Fe-C為主的鐵基粉末冶金燒結(jié)鋼，這類鋼的機(jī)械性能相當(dāng)于普通鑄鐵， 抗拉強(qiáng)度只有150-200MPa，而且制造出的零件形狀簡(jiǎn)單。二是鐵粉中添加了銅、鎳等合金元 素，組成Fe-C-Ni、Fe-C-Cu等系列合金，燒結(jié)鋼的機(jī)械性能達(dá)到了可鍛鑄鐵的水平，抗拉強(qiáng) 度達(dá)到400MPa。三是在鎳、銅基礎(chǔ)上添加了鉬，組成Fe-Ni-Cu-Mo的燒結(jié)鋼，其抗拉強(qiáng)度可 達(dá)到600MPa。這幾種成分的燒結(jié)鋼普遍強(qiáng)度不高，而且塑性很低，延伸率一般在2% -3%， 因此極大地限制了其應(yīng)用范圍，而且Ni、Mo等合金元素的價(jià)格較高，所以制備的零件成本 也較高。 鉻是鍛鋼中常用的合金元素，是提高鋼的淬透性、強(qiáng)度等性能最佳的元素，尤其是 中高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)鋼通常采用鉻進(jìn)行合金化，而且價(jià)格遠(yuǎn)低于Ni、 Mo。但是傳統(tǒng)的鐵基粉末 鋼中，通常都不含有鉻元素，主要有幾個(gè)原因一是鉻與氧的親和力大，很容易被氧化，所以 鉻很難以單質(zhì)存在；二是鉻是強(qiáng)碳化物形成元素，在鋼中很容易形成碳化物，所以單質(zhì)鉻粉 末添加到燒結(jié)鋼后，組織中極易形成C和Cr的偏析，影響鋼的組織均勻性。因而，盡管鉻對(duì) 鋼性能的改善有很好的作用，但是在粉末燒結(jié)鋼中很少被使用。目前燒結(jié)鋼主要以鎳、鉬等 合金化元素提高鋼的性能，其價(jià)格較高，而且也存在均勻化的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服常規(guī)材料的燒結(jié)鋼強(qiáng)度低、塑性差、價(jià)格高等缺點(diǎn)，提供一種 高性能粉末冶金材料，該材料是具有高性能的鐵基粉末燒結(jié)材料。
本發(fā)明的另一 目的是提供該高性能粉末冶金材料的制備方法。 本發(fā)明為了改善燒結(jié)鋼的性能，充分利用鉻對(duì)鋼良好的合金化作用，采用鉻鐵的 形式加入鉻元素，組成Fe-Cr-Cu-C系合金。為使鉻的作用得到有效的發(fā)揮，我們?cè)O(shè)計(jì)添加 微米級(jí)粒度的FeCr粉，以保證鉻能充分的擴(kuò)散和固溶，并配以有效的冷壓燒結(jié)工藝，獲得 了具有高強(qiáng)度、高塑性的燒結(jié)鋼材料，特別適合制備中高強(qiáng)度燒結(jié)件。
本發(fā)明的冶金粉末材料的成分是Fe， Cr， Cu， C。 制備冶金粉末材料的成分及含量是(重量百分比)C 0. 35-0. 5%，Cul. 3_1. 5%， Cr 0.6-1.0X，硬質(zhì)酸鋅135為0.6X，余量為Fe。其中Cr以鉻鐵形式加入，采用的鉻鐵為 微碳鉻鐵，鉻鐵中含鉻量50%，含碳量0. 06%，其余為鐵。所述的硬質(zhì)酸鋅135為潤(rùn)滑劑。
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—種高性能粉末冶金材料的粉末混合方法，該方法是首先將鉻鐵經(jīng)高能球磨至顆 粒直徑在0. 3 1 m范圍內(nèi)，然后按成分配比與其它粉末均勻混合。 —種高性能粉末冶金材料的壓制及燒結(jié)方法，該方法是將按照比例混合后的粉末 進(jìn)行冷壓，壓強(qiáng)為600MPa，加壓速度150mm/min，粉體在600MPa下成型后保持2min ;燒結(jié)是 在分解氨保護(hù)氣氛下進(jìn)行，溫度為112(TC，燒結(jié)時(shí)間40min。 本發(fā)明的有益效果是充分利用鉻對(duì)鋼的合金化作用，細(xì)小的鉻鐵粉與還原鐵粉、 銅粉、碳粉、潤(rùn)滑劑混合可保證燒結(jié)過(guò)程中鉻等合金元素的均勻擴(kuò)散；冷壓(預(yù)壓)保持一 定時(shí)間可以得到較大的壓制密度；高效潤(rùn)滑劑可以保證較高的燒結(jié)密度；與常規(guī)冷壓燒結(jié) 鋼相比，制備的燒結(jié)鋼組織均勻、具有高強(qiáng)度和塑性，性能優(yōu)異，且價(jià)格低廉。


圖1是原始鉻鐵粉掃描電鏡形貌。 圖2是鉻鐵粉球磨20h后的掃描電鏡形貌。 圖3是鉻鐵粉球磨25h后的掃描電鏡形貌。 圖4是添加粗鉻鐵粉冷壓燒結(jié)組織的孔隙形貌。 圖5是添加0. 6%細(xì)鉻鐵粉冷壓燒結(jié)組織的孔隙形貌。 圖6是添加0. 8%細(xì)鉻鐵粉冷壓燒結(jié)組織的孔隙形貌。 圖7是添加1. 0%細(xì)鉻鐵粉冷壓燒結(jié)組織的孔隙形貌。 圖8是含鉻量為0. 6 %的冷壓燒結(jié)金相組織照片。 圖9是含鉻量為0. 6 %的冷壓燒結(jié)金相組織照片。 圖10是含鉻量為0. 8 %的冷壓燒結(jié)金相組織照片。 圖11是含鉻量為1.0%的冷壓燒結(jié)金相組織照片。 圖12是鉻在鐵中擴(kuò)散濃度與距離的關(guān)系曲線。 圖13是含鉻量為0. 6%試樣的靜拉伸斷口掃描電鏡形貌。 圖14是含鉻量為0. 8%試樣的靜拉伸斷口掃描電鏡形貌。 圖15是含鉻量為1. 0%試樣的靜拉伸斷口掃描電鏡形貌。 圖16是未添加細(xì)鉻粉試樣的靜拉伸斷口掃描電鏡形貌。 圖17是未添加細(xì)鉻粉試樣的靜拉伸斷口掃描電鏡形貌。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的冶金粉末材料的成分是Fe， Cr， Cu， C。 制備冶金粉末材料的成分及含量是(重量百分比)C 0. 35-0. 5%，Cul. 3_1. 5%， Cr 0.6-1.0X，硬質(zhì)酸鋅135為0.6X，余量為Fe。其中Cr以鉻鐵形式加入，采用的鉻鐵為 微碳鉻鐵，鉻鐵中含鉻量50%，含碳量0. 06%，其余為鐵。所述的硬質(zhì)酸鋅135為潤(rùn)滑劑。
—種高性能粉末冶金材料的粉末混合方法，該方法是首先將鉻鐵經(jīng)高能球磨至顆 粒直徑在0. 3 1 ii m范圍內(nèi)，然后按成分配比與其它粉末均勻混合。 —種高性能粉末冶金材料的壓制及燒結(jié)方法，該方法是將按照比例混合后的粉末 進(jìn)行冷壓，壓強(qiáng)為600MPa，加壓速度150mm/min，粉體在600MPa下成型后保持2min ;燒結(jié)是 在分解氨保護(hù)氣氛下進(jìn)行，溫度為112(TC，燒結(jié)時(shí)間40min。
實(shí)施例1 : 采用機(jī)械球磨方法，即通過(guò)高能球磨首先將鉻鐵粉破碎，隨球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，粉末 顆粒尺寸逐漸變小，顆粒大小也更為均勻。但是粉太細(xì)，鑒于發(fā)達(dá)的比表面，將引起顆粒的 團(tuán)聚，得不到很好的分散，對(duì)后續(xù)的壓制和燒結(jié)工序產(chǎn)生不利影響，所以，使顆粒達(dá)到適當(dāng) 粒度即可。 參閱圖可見(jiàn)原始鉻鐵粉，粒度大多在30 i！ m左右，且多為不規(guī)則塊狀顆粒，這將限 制顆粒彼此間的相對(duì)滑動(dòng)，從而影響粉末的松裝比重值，獲得的壓坯密度較低。圖2顯示， 經(jīng)過(guò)20h的球磨后，顆粒變小，顆粒邊緣變得圓滑，表面形態(tài)趨于球形。但還有部分顆粒仍 呈多邊形，顆粒大小分布很不均勻，大的顆粒尺寸還在10 20 ii m之間。經(jīng)25h球磨后，如 圖3，鉻鐵粉得到很好的破碎，粉末顆粒變得非常均勻細(xì)小，且顆粒外形已近似于球形，大部 分粉末的粒度在500nm以下，個(gè)別較大顆粒的尺寸在1 y m 3 y m，由于FeCr粉顆粒比較
脆，所以機(jī)械球磨的細(xì)化效果非常好。
實(shí)施例2 : 如圖4所示，為添加了粗鉻鐵粉(粒度約30iim)的混合粉末，經(jīng)冷壓燒結(jié)后的組 織孔隙形貌。由圖4可見(jiàn)，加粗粉的組織中含有大量的孔隙，大多為尺寸較大的多邊形孔 隙，且孔隙多在未溶FeCr顆粒周圍。未經(jīng)球磨的FeCr粉末多為大塊多邊形顆粒，因此粗粉 的加入限制了壓制時(shí)粉末的流動(dòng)，在顆粒之間形成了較大的孔隙，影響了壓坯的致密化。
參閱圖5可見(jiàn)，添加了 0. 6%細(xì)FeCr粉的組織中，孔隙呈網(wǎng)狀均勻分布在組織中， 沒(méi)有形成大的多邊形孔隙，近球形的隔離孔隙較多，孔隙率明顯減少，密度較高，顯然這將 對(duì)材料性能產(chǎn)生有利的影響。 參閱圖6、圖7可見(jiàn)，添加了 0.8%和1.0X細(xì)FeCr粉的組織中，孔隙形貌、大小和 分布與0. 6% Cr組織中的孔隙幾乎是一致的，多為細(xì)小的界面孔隙，燒結(jié)密度較高。
實(shí)施例3: 圖8為含鉻量為0. 6%的冷壓燒結(jié)金相組織照片。從圖8中可見(jiàn)，燒結(jié)后的組織由 鐵素體和珠光體(索氏體)組成。但是，珠光體的形貌與一般的低合金鍛鋼不同，沒(méi)有形成 典型的層片狀，說(shuō)明碳和其它合金元素在Y-Fe中的擴(kuò)散距離比較短，基體組織更趨向形 成顆粒狀。 參閱圖9可見(jiàn)，透射電子衍射分析結(jié)果顯示組織中有鐵素體和滲碳體。滲碳體呈 短桿狀和粒狀，非常細(xì)小，對(duì)此區(qū)域的電子衍射結(jié)果顯示為斷續(xù)的環(huán)狀衍射斑，這是細(xì)小多 晶體參與衍射的結(jié)果，說(shuō)明碳化物晶粒非常細(xì)小。 圖10、圖11分別為含鉻量為0. 8%和1. 0%的冷壓燒結(jié)金相組織照片。與0. 6% Cr冷壓燒結(jié)金相組織類似，由鐵素體和珠光體(索氏體)組成。隨鉻量的增加，燒結(jié)鋼的淬 透性增加，組織中獲得的珠光體量增加(圖中黑區(qū)部分)。 Fe-Cr-Cu-C系合金中，Cu元素的熔點(diǎn)最低，只有1083。C，所以當(dāng)采用112(TC的燒 結(jié)溫度燒結(jié)時(shí)，Cu首先發(fā)生液化。液相Cu對(duì)孔隙的填充起到一定的作用，但燒結(jié)結(jié)構(gòu)鋼組 織中Cu的含量不宜過(guò)多，否則會(huì)出現(xiàn)Cu的共晶相，對(duì)鋼的性能產(chǎn)生不利的影響，一般設(shè)計(jì) Cu含量占總成分體積比的1. 5 2%左右，本實(shí)施例Cu的體積比為1. 5%。由圖8、圖10 和圖11可見(jiàn)，組織中沒(méi)有Cr、Cu、C的單質(zhì)或其化合物相出現(xiàn)。本實(shí)施例中設(shè)計(jì)的Cu含量 低于Cu在Y -Fe中的飽和溶解度，所以Cu可完全溶于Y -Fe中形成固溶體，隨之液相完全
實(shí)施例4 : 參閱圖12可見(jiàn)，燒結(jié)過(guò)程中，細(xì)小的鉻鐵粉非常有利于鉻的擴(kuò)散。根據(jù)資料顯示 1120。C時(shí)Cr在Y-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)為1. 2X10—"cm7s。經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出燒結(jié)40min后Cr在 鐵中的濃度分布曲線如圖12所示。根據(jù)公式計(jì)算出的濃度分布與實(shí)際情況會(huì)有偏差，但是 不會(huì)有數(shù)量級(jí)的差別。從圖12中我們可以看到，112(TC燒結(jié)后的擴(kuò)散距離約為8iim，而球 磨后鉻鐵粉的尺寸大多在500nm 1 P m之間，所以所添加的微細(xì)鉻鐵粉中Cr都能完全擴(kuò) 散進(jìn)基體起到強(qiáng)化作用。 Cr原子在a -Fe中可無(wú)限固溶，在Y _Fe中溶解度也可達(dá)20%，試驗(yàn)粉末中添加 的Cr量最高為1. 0%，所以Cr完全可以固溶在Fe基體中。雖然，Cr與C的親和力較大，燒 結(jié)過(guò)程中易形成Cr的碳化物，但是由于采用鉻鐵的方式加入鉻原子，有效的抑制了 Cr與C 的結(jié)合。
實(shí)施例5 : 參閱圖13、圖14和圖15所示，為含鉻量分別為0.6%、0.8%、1.0%試樣的靜拉伸
斷口掃描電鏡形貌。由圖可見(jiàn)，拉伸斷口呈現(xiàn)以韌窩為主的特征。斷口中韌窩的大小和分布 都非常均勻，說(shuō)明拉伸時(shí)組織的塑性比較好，由于合金元素?cái)U(kuò)散的比較均勻且組織中沒(méi)有
大的孔隙，燒結(jié)后晶粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度比較高，斷裂主要以韌窩和穿晶斷裂為主。因而，獲得 的燒結(jié)組織不僅強(qiáng)度高，延伸率也大大提高。這是一般冷壓燒結(jié)組織中很少能看到的。因 為冷壓燒結(jié)孔隙較多，而且往往顆粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度較低，所以當(dāng)受外力作用時(shí)，斷裂將沿著顆 粒邊緣發(fā)生。 參閱圖16和圖17可見(jiàn)，添加粗顆粒鉻鐵粉及經(jīng)常規(guī)壓制燒結(jié)后試樣的拉伸斷口 形貌，斷裂幾乎均沿著原始顆粒之間孔隙的連接處發(fā)生，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的塑性變形，因而宏 觀斷口特征為脆性斷裂，燒結(jié)鋼的強(qiáng)度不高、延伸率很低。
實(shí)施例6 : 表l試驗(yàn)材料的燒結(jié)密度值
鉻含量 (Cr%)00.60.81.0
燒結(jié)密度7.057.0797.087.063
(g.cm-3)
相對(duì)燒結(jié)密度90.3890.75卯.77卯.73
(%)
孔隙率9.629.259.239,27
(%) 表1為試驗(yàn)材料獲得的燒結(jié)密度值。由表l中數(shù)據(jù)可知，添加了微細(xì)FeCr粉的材 料獲得了較高的燒結(jié)密度，其值在7. lg. cm—3左右，孔隙率低于10%，與添加普通粒度FeCr 粉試樣的冷壓燒結(jié)密度相比密度有所提高， 一般鐵基粉末冷壓燒結(jié)件的密度在6. 75 7. Og. cm—3之間，可見(jiàn)加入微細(xì)FeCr粉可以有效提高燒結(jié)密度。
實(shí)施例7 :
表2不同鉻量材料表觀硬度、拉伸強(qiáng)度和延伸率
鉻含量表觀硬度拉伸強(qiáng)度延伸率
(Cr%)(HRB)(MPa)(%)
0794002.9
0.686.16097.67
0.887.96347.51
1.091.56507.4 試驗(yàn)材料的硬度、拉伸強(qiáng)度及延伸率值列在表2中。參閱表2可見(jiàn)，燒結(jié)材料的表 觀硬度主要取決于材料的孔隙度和顯微組織硬度。參閱表1可見(jiàn)，未含鉻燒結(jié)材料的表觀 硬度只有HRB79，而添加0. 6% Cr的燒結(jié)體硬度增加到HRB86. 1，當(dāng)鉻增加到1. 0%時(shí)，硬度 增加到HRB91. 50，鉻提高硬度的作用非常明顯。 參閱表2可見(jiàn)，未含鉻試樣的拉伸強(qiáng)度只有400MPa，而添加鉻粉試樣的拉伸強(qiáng)度 均得到很大的提高，均超過(guò)600MPa，而且隨含鉻量的增加而增加。其中1. 0% Cr試樣的拉 伸強(qiáng)度達(dá)到650MPa，與未含鉻試樣相比，強(qiáng)度值增加了 250MPa。 未含鉻試樣不僅強(qiáng)度低，延伸率也很小，參閱表2可見(jiàn)，其延伸率只有2. 9% 。
而添加細(xì)鉻粉試樣的延伸率均超過(guò)7%，最高的為0. 6% Cr試樣，其延伸率達(dá)到 了 7. 67%，與加入普通粒度FeCr或未添加細(xì)鉻粉試樣的強(qiáng)度及延伸率相比都要高出許多。 這是由于隨Cr的加入對(duì)材料的固溶強(qiáng)化作用加強(qiáng)，均勻細(xì)化了組織，提高了合金基體的強(qiáng) 度，而且由于加入微細(xì)FeCr粉，使燒結(jié)體的塑性變形能力增強(qiáng)，在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)大 大提高了材料的塑性。 資料顯示，成分為Fe-2Ni-0. 6Mo_0. 5C_lCu的燒結(jié)件在燒結(jié)密度為7. lg. cm—3時(shí)， 可獲得的拉伸強(qiáng)度為600MPa，但延伸率只有1. 25%。通常鐵基冷壓燒結(jié)件的強(qiáng)度不高于 600MPa，而且延伸率低于3 % 。
權(quán)利要求
一種高性能粉末冶金材料，其特征在于該粉末材料的成分是Fe，Cr，Cu，C。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能粉末冶金材料，其特征在于制備粉末合金的成 分及重量百分比含量是碳C 0. 35-0. 5X，銅Cu 1.3-1.5%，鉻00.6-1.0%，硬質(zhì)酸鋅135 為0. 6%，余量為鐵Fe ;其中所述的硬質(zhì)酸鋅135為潤(rùn)滑劑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高性能冶金粉末材料，其特征在于所述的鉻Cr是 以鉻鐵形式加入，鉻鐵為微碳鉻鐵，鉻鐵中含鉻量50% ，含碳量0. 06% ，其余為鐵。
4. 一種高性能粉末冶金材料的粉末混合方法，該方法是首先將鉻鐵經(jīng)高能球磨至顆粒 直徑在0. 3 1 ii m范圍內(nèi)，然后按成分配比與其它粉末均勻混合。
5. —種高性能粉末冶金材料的壓制及燒結(jié)方法，該方法是將按照比例混合后的粉末進(jìn) 行冷壓，壓強(qiáng)為600MPa，加壓速度150mm/min，粉體在600MPa下成型后保持2min ;燒結(jié)是在 分解氨保護(hù)氣氛下進(jìn)行，溫度為112(TC，燒結(jié)時(shí)間40min。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高性能粉末冶金材料及其制備方法，該冶金粉末材料的成分是Fe，Cr，Cu，C；制備冶金粉末材料的成分及含量是(重量百分比)C0.35-0.5％，Cu 1.3-1.5％，Cr 0.6-1.0％，硬質(zhì)酸鋅135為0.6％，余量為Fe；其中Cr以鉻鐵形式加入，采用的鉻鐵為微碳鉻鐵，鉻鐵中含鉻量50％，含碳量0.06％，其余為鐵；其中硬質(zhì)酸鋅135為潤(rùn)滑劑；粉末冶金材料的粉末混合方法是首先將鉻鐵經(jīng)高能球磨至顆粒直徑在0.3～1μm范圍內(nèi)，然后按成分配比與其它粉末均勻混合；粉末冶金材料的壓制及燒結(jié)方法是將按照比例混合后的粉末進(jìn)行冷壓，壓強(qiáng)為600MPa，加壓速度150mm/min，粉體在600MPa下成型后保持2min；燒結(jié)是在分解氨保護(hù)氣氛下進(jìn)行，溫度為1120℃，燒結(jié)時(shí)間40min。
文檔編號(hào)B22F1/00GK101704102SQ200910217928
公開(kāi)日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日
發(fā)明者陳華 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)