CN101245420A - 制备高强度粉末冶金材料的烧结碳、铜复合渗方法 - Google Patents

Abstract

发明涉及一种制备高强度粉末冶金材料的烧结碳、铜复合渗方法。它是由混料、压制、烧结渗碳、渗铜和淬火、回火步骤组成。其显著特点是把烧结渗碳和渗铜合成一步，变成一道工序。由此而降低烧结温度，减少生产成本。其中的不含碳压坯为最终获得高性能材料奠定了基础。烧结渗碳和渗铜方法的复合有利于获得高性能粉末冶金材料。在成分配方合理的情况下，可以制备多种高密度和高强度零件。

Description

制备高强度粉末冶金材料的烧结碳、铜复合渗方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金材料和机械零件的制备方法，特别是涉及一种制备高强度粉末冶金材料的烧结碳、铜复合渗方法。

背景技术

粉末冶金(P/M)是制备新材料和机械零件的重要工程技术，它是以金属或部分非金属粉末为原料，以混料，成型和烧结三道工序来制备P/M材料。以此技术可以制造出用铸造、锻造和机械加工等方法不能得到的制品，如飞机制动装置的铁基摩擦片、金属粉末过滤器、硬质合金、耐热合金和磁性材料等。粉末冶金零件在计算机、电器产品和机械设备上有很大的用量。国外每台轿车粉末冶金材料的用量已经超过12公斤。某些零件采用粉末冶金材料后可以实现以铁取代铜，以铁取代钢，降低产品成本。例如，汽车上用的衬套、减速器外壳等零件原来是青铜材料，改成粉末冶金铁基材料后，每个零件节约2-3公斤铜，成本降低近十倍，而且其耐热性、抗压强度、耐磨性有很大提高。在汽车行业用烧结粉末冶金材料代替传统的合金铸铁是必然趋势。

粉末冶金制品只需少量、甚至不需要切削加工就可以使用，它具有材料利用率高、节能、成本低和价格低廉等一系列优点。目前粉末冶金技术已经在工业中得到了比较广泛的应用。

对于常规P/M零件制造方法来说，至少需要经过配料，成形和烧结三个基本步骤才能获得P/M材料制品，其中的“配料”是把需要的各种金属粉末均匀混合到一起；“成型”是把混合后的粉末压制成和零件形状基本相同的压坯；“烧结”是将压坯在低于其主要组成成分的熔点温度以下进行高温加热，使压坯发生冶金变化，变成可用的P/M材料。用常规方法生产的P/M材料通常含有大量孔隙，造成强度降低，从而影响P/M材料的应用范围。有很大一部分P/M材料的使用条件要求制品具有高强度、高密度和高适应性等特点。单纯依靠烧结很难使P/M零件具有理想的密度。铁基粉末冶金材料占实际应用粉末冶金材料的90％以上。由于P/M烧结材料的密度和原始压坯密度有密切联系(高密度压坯能烧结出高密度零件)。因此，通过提高压坯密度来获得高密度压坯的途径一直受到粉末冶金行业的高度重视。由此已经出现了压坯温压成形技术(粉末在热状态塑性好，回弹小从而使温压成形压坯具有较高的密度，加热介质是电或油)。压坯温压成形技术是对已经装填在模腔内的粉末进行加热，加热温度一般为150~200度，粉末的加热是通过被加热模具的热传导来实现的。这种温度成形设备的结构复杂，加热速度慢，生产效率低，生产成本高。目前没有被广泛采用。实际生产中有时采用增加复压和复烧工序来提高P/M材料密度。这两道工序虽然能提高材料的密度，但是工艺步骤复杂，同时也使生产成本增加了15-25％。

高强度铁基粉末冶金零件需要进行渗碳处理，不管是气体还是固体渗碳，传统的渗碳步骤都是在烧结后进行的。有些零件需要在烧结后进行浸铜处理。渗碳和浸铜都是在烧结后分步骤进行的。

发明内容

本发明的目的在于为了克服现有粉末冶金材料常规制备方法存在的不足，提供一种简单、实用、有效的制备高强度粉末冶金材料的烧结碳、铜复合渗方法。该方法是一种针对粉末冶金材料的碳、铜复合渗新工艺，它是在材料烧结时同时实施渗碳和渗铜的一种复合渗工艺，适合制备高强度、高密度和高适应性粉末冶金材料。由于复合渗时共有三个现象发生，即材料烧结、渗碳和渗铜，因此可以称其为烧结复合渗工艺。

该工艺包括烧结、渗碳和渗铜三种功能。其中的渗碳是固体渗碳，碳源来自工业固体渗碳剂；其中的铜源来自覆盖在材料压坯上的铜粉或铜片。它与传统方法的区别是烧结时渗碳和渗铜是同时在烧结炉中完成的。在传统方法中烧结和渗碳是分别进行的；渗碳工序是在烧结后进行的，而渗铜是最后进行的。

一种制备高强度粉末冶金材料的烧结碳、铜复合渗方法，其具体步骤是：

1)配料：按材料成分要求把各种铁粉、碳粉、钼粉和铜粉等元素按比例配好；

2)混料：把配制好的粉末在混料机上充分混合，达到成分均匀；

3)制坯：将混合后的粉末装入模具，压制成压坯；

4)烧结渗碳和渗铜：

a)先把压坯放置在铺有固体渗碳剂的铁盒内，在材料周围添加渗碳剂，最后把由铜粉压制成的压坯片放到每个预烧结件上，铁盒可以用盖封，亦可不用盖(如图2所示)；

b)把装好的铁盒放置在有保护气氛的炉中进行加热，加热温度约1100C，时间1~3小时，同是完成烧结渗碳和渗铜。

所说的加热炉内的保护气氛是由分解氨产生的氮气和氢气，它们的比例是1∶3，渗碳剂应能分解出活性碳，它的成分是：10％木炭+90％BaCO3。

所说的渗铜重量与待渗材料的重量比是5％～14％。

经烧结渗碳和渗铜的材料有足够的碳含量和铜元素。其金相组织包括珠光体、渗碳体、合金化合物和铜元素。经测定其碳成分在0.9wt％以上，远高于原始含碳量。特别值得提出的是在原材料中不加碳的情况下也能达到0.9wt％以上的高碳成分。这说明烧结件中的碳元素是渗进来的。烧结件中的含碳量最高可以达到1.5wt％以上，完全能满足材料要求。组织中的渗碳体是渗碳产物。组织中的铜是铜片熔化后直接渗入的。渗入的铜在烧结材料内部均匀分布。经烧结渗碳和渗铜的材料的硬度可以达到30HRC。大部分烧结渗碳和渗铜件是需要热处理的，即淬火和回火。淬火加热温度是780~900C，保温10分钟或更长些，淬火硬度能达到55HRC；回火温度是150~500C保温1小时，硬度降到45HRC左右。此时材料的压溃强度能达到800MPa.

本发明的优点及效果：

1、比单一烧结材料密度提高0.3~0.6克/立方厘米或更高；铁基材料的密度能达到7.6克/立方厘米。在等同压坯密度情况下烧结渗碳和渗铜可以获得高密度材料。这意味着允许少用了压制力。由此可以减少模具磨损，提高生产效率。其机理不同于单独渗碳和渗铜，渗碳和渗铜作用可以比常规工艺的烧结温度降低50~80度，减少能源消耗。

2、在现有加工方法中固体渗碳、烧结和渗铜工序是单独进行的，共需要三步，每一步都需要对材料进行一次加热。把固体渗碳、烧结和渗铜工序合并成一个步骤，只需要一次加热就够了。比常规工艺减少工序和节约了能源。简化现有加工方法步骤，提高生产效率。

3、配合淬火和回火，材料达到高强度。

4、新方法中包括烧结、渗碳和渗铜，它们三者相互作用，致密化机理与传统理论不同，是边烧结、边渗碳和边渗铜。在压坯不含碳的情况下也能获得高含碳、高铜烧结材料。试验表明用新方法对不含碳压坯进行烧结渗碳和渗铜，烧结材料的含碳量达到0.9wt％~1.5wt％。使用不加碳压坯为原始压坯是新方法的一个特色。

附图说明

图1烧结渗碳和渗铜材料淬火+回火后组织，其中的白色组织是渗入材料内部的铜；黑色组织是渗碳体和铁素体组织。渗碳体的化学式是Fe₃C，它的形成说明碳渗入到材料内部。放大倍数500x。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例进一步所说本发明的具体内容。

加工零件名称：发动机进气和排气气门座圈。

这里介绍用新方法制备粉末冶金气门座圈。它们是发动机中的零件，在高温下承受进气阀和排气阀高频率的往复冲击磨损，是保持发动机气缸密封性与气缸向缸盖散热的关键性配合件，因此要求具有耐磨、耐热、耐蚀性能，又要求导热性良好和不伤对偶。而座圈的磨损量一般比气阀的磨损量大，尤以排气气门座圈的工况更为恶劣。

多年来，缸盖一直是由灰铸铁制造的。但是，近年来，由于高功率发动机、涡轮增压发动机、液化石油气发动机、无铅汽油发动机，以及可使用多种燃料的发动机的开发与应用，座圈部分必须用特种材料制造的镶圈来补强，这种镶圈就是通常所谓的气门座圈。另一方面，为减轻缸盖重量，增强导热性，改用铝合金缸盖者日益增多。铝合金缸盖必须镶装气门座圈。40多年前，大量的轿车汽油发动机就已经采用铝合金缸盖了。同期开始研究与开发粉末冶金阀座圈。现在，美国、日本、德国等国家生产的内燃机都已在使用特制的粉末冶金阀座圈。进入90年代以后，我国汽车工业的发展，粉末冶金气门座圈合金的研制与生产，成为我国粉末冶金零件生产企业的一个热门课题。采用烧结粉末冶金气门座圈代替传统的合金铸铁气门座圈已是必然趋势。

用新方法制备发动机进气和排气气门座圈二种零件。具体步骤如下：

1)确定材料配方。

选定的成分如表1所示。

表1进气和排气阀座材料成分配方(wt％)

	C	Cr	Mn	Mo	Co	Ni	Cu	Fe
									排气	0～0.6	0.4～0.8	0.4～0.8	0.4～0.8	0.1～0.8	0.2～1.0	0.4～1.2	余量
进气	0～0.6	0.1～0.4	0.1～0.4	0.1～0.4		0.1～0.8	0.2～1.0	余量

2)混料。

把按表1配制粉末材料在混料机里把它们进行均匀混合，混料时间1~3小时或以上。

3)压制铁基压坯。

把混好的料按常规粉末冶金方法在模具里压制成型，获得铁基压坯，压制力为400MPa左右。压坯重量为30克。

4)压制铜压坯(铜片)。

按粉末冶金压坯正常工艺把纯铜粉末压制成铜片，铜片的重量为铁基压坯重量的5~14％，这里用的是3克。铜片厚1mm，其截面尺寸和铁基压坯截面相同。

5)烧结渗碳和渗铜。

先把铁基压坯放置在铺有渗碳剂的铁盒内，把铜片放在每个铁基压坯上，在材料周围添加渗碳剂，材料上面可以覆盖渗碳剂，材料被渗碳剂包围，参阅图2所示。把装好的铁盒放置在有保护气氛的粉末冶金烧结炉中进行加热，实施烧结渗碳和渗铜。加热温度是1150C左右，时间是1~3小时。加热炉内的保护气氛是分解氨产生的氮气和氢气。渗碳剂的成分是：10wt％木炭+90wt％BaCO₃

6)整形。

按粉末冶金常规方法对烧结件整形。其目的是消除烧结材料的变形。

7)淬火。

把零件从盒中取出，对它们进行淬火、回火处理。淬火温度是780~900C(淬火介质为油)，保温0.5~1小时。回火温度是150~500C保温1小时。

8)机械加工至要求尺寸。

用以上方法制备的柴油机气门座圈，已通过二汽东风朝阳柴油机有限公司的600小时高负荷台架实验，符合使用要求。产品性能列于表2

表2气门座圈性能

	硬度(HRC)	密度g/cm3	压溃强度MPa	热膨胀系数×10-6/K	热传导率W/mK
						进气阀作	40-50	≥7.3	820	12.6	37.5
排气阀座	40-50	≥7.3	810	12.5	38

Claims (3)

1、一种制备高强度粉末冶金材料的烧结碳、铜复合渗方法，其特征在于具体步骤是：

1)配料：按材料成分要求把各种铁粉、碳粉、钼粉和铜粉等元素按比例配好；

2)混料：把配制好的粉末在混料机上充分混合，达到成分均匀；

3)制坯：将混合后的粉末装入模具，压制成压坯；

4)烧结渗碳和渗铜：

a)先把压坯放置在铺有固体渗碳剂的铁盒内，在材料周围添加渗碳剂，最后把由铜粉压制成的压坯片放到每个预烧结件上，铁盒不需要盖；

b)把装好的铁盒放置在有保护气氛的炉中进行加热，加热温度约1100C，时间1~3小时，同时完成烧结渗碳和渗铜。

2、根据权利要求1所述的制备高强度粉末冶金材料的烧结碳、铜复合渗方法，其特征在于所说的加热炉内的保护气氛是由分解氨产生的氮气和氢气，它们的比例是1∶3，渗碳剂应能分解出活性碳，它的成分是：10％木炭+90％BaCO3。

3、根据权利要求1所述的制备高强度粉末冶金材料的烧结碳、铜复合渗方法，其特征在于所说的渗铜重量与待渗材料的重量比是5％～14％。