CN101704102B

CN101704102B - 一种高性能粉末冶金材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101704102B
Application number: CN200910217928A
Authority: CN
Inventors: 陈华
Original assignee: Changchun University of Technology
Current assignee: Changchun University of Technology
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2029-11-30
Also published as: CN101704102A

Abstract

本发明公开了一种高性能粉末冶金材料及其制备方法，该冶金粉末材料的成分是Fe，Cr，Cu，C；制备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 0.6-0.8％，硬质酸锌135为0.6％，余量为Fe；其中Cr以铬铁形式加入，采用的铬铁为微碳铬铁，铬铁中含铬量50％，含碳量0.06％，其余为铁；其中硬质酸锌135为润滑剂；粉末冶金材料的粉末混合方法是首先将铬铁经高能球磨至颗粒直径在0.3～1μm范围内，然后按成分配比与其它粉末均匀混合；粉末冶金材料的压制及烧结方法是将按照比例混合后的粉末进行冷压，压强为600MPa，加压速度150mm/min，粉体在600MPa下成型后保持2min；烧结是在分解氨保护气氛下进行，温度为1120℃，烧结时间40min。

Description

一种高性能粉末冶金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高性能粉末冶金材料及其制备方法。

背景技术

近年来，粉末冶金工业发展迅速。铁粉，特别是合金铁粉的需求量随着汽车工业的发展而不断增加，人们对铁基烧结结构零件的性能要求也越来越高，对进、排气门座、凸轮轴等重要零件的耐热、耐磨等性能提出了更高的要求，因而开发高密度、高强度、高塑性粉末冶金结构钢，拓宽粉末冶金钢的应用领域是粉末冶金目前的研究发展方向。

铁基烧结结构钢是粉末冶金工业中产量最大、应用面最广的一类产品，其成分大致有几种：一是以Fe-C为主的铁基粉末冶金烧结钢，这类钢的机械性能相当于普通铸铁，抗拉强度只有150-200MPa，而且制造出的零件形状简单。二是铁粉中添加了铜、镍等合金元素，组成Fe-C-Ni、Fe-C-Cu等系列合金，烧结钢的机械性能达到了可锻铸铁的水平，抗拉强度达到400MPa。三是在镍、铜基础上添加了钼，组成Fe-Ni-Cu-Mo的烧结钢，其抗拉强度可达到600MPa。这几种成分的烧结钢普遍强度不高，而且塑性很低，延伸率一般在2％-3％，因此极大地限制了其应用范围，而且Ni、Mo等合金元素的价格较高，所以制备的零件成本也较高。

铬是锻钢中常用的合金元素，是提高钢的淬透性、强度等性能最佳的元素，尤其是中高强度的结构钢通常采用铬进行合金化，而且价格远低于Ni、Mo。但是传统的铁基粉末钢中，通常都不含有铬元素，主要有几个原因：一是铬与氧的亲和力大，很容易被氧化，所以铬很难以单质存在；二是铬是强碳化物形成元素，在钢中很容易形成碳化物，所以单质铬粉末添加到烧结钢后，组织中极易形成C和Cr的偏析，影响钢的组织均匀性。因而，尽管铬对钢性能的改善有很好的作用，但是在粉末烧结钢中很少被使用。目前烧结钢主要以镍、钼等合金化元素提高钢的性能，其价格较高，而且也存在均匀化的问题。

发明内容

本发明的目的是克服常规材料的烧结钢强度低、塑性差、价格高等缺点，提供一种高性能粉末冶金材料，该材料是具有高性能的铁基粉末烧结材料。

本发明的另一目的是提供该高性能粉末冶金材料的制备方法。

本发明为了改善烧结钢的性能，充分利用铬对钢良好的合金化作用，采用铬铁的形式加入铬元素，组成Fe-Cr-Cu-C系合金。为使铬的作用得到有效的发挥，我们设计添加微米级粒度的FeCr粉，以保证铬能充分的扩散和固溶，并配以有效的冷压烧结工艺，获得了具有高强度、高塑性的烧结钢材料，特别适合制备中高强度烧结件。

本发明的冶金粉末材料的成分是Fe，Cr，Cu，C。

制备冶金粉末材料的成分及含量是(重量百分比)：C 0.35-0.5％，Cu1.3-1.5％，Cr 0.6-0.8％，硬质酸锌135为0.6％，余量为Fe。其中Cr以铬铁形式加入，采用的铬铁为微碳铬铁，铬铁中含铬量50％，含碳量0.06％，其余为铁。所述的硬质酸锌135为润滑剂。

一种高性能粉末冶金材料的粉末混合方法，该方法是首先将铬铁经高能球磨至颗粒直径在0.3～1μm范围内，然后按成分配比与其它粉末均匀混合。

一种高性能粉末冶金材料的压制及烧结方法，该方法是将按照比例混合后的粉末进行冷压，压强为600MPa，加压速度150mm/min，粉体在600MPa下成型后保持2min；烧结是在分解氨保护气氛下进行，温度为1120℃，烧结时间40min。

本发明的有益效果是：充分利用铬对钢的合金化作用，细小的铬铁粉与还原铁粉、铜粉、碳粉、润滑剂混合可保证烧结过程中铬等合金元素的均匀扩散；冷压(预压)保持一定时间可以得到较大的压制密度；高效润滑剂可以保证较高的烧结密度；与常规冷压烧结钢相比，制备的烧结钢组织均匀、具有高强度和塑性，性能优异，且价格低廉。

附图说明

图1是原始铬铁粉扫描电镜形貌。

图2是铬铁粉球磨20h后的扫描电镜形貌。

图3是铬铁粉球磨25h后的扫描电镜形貌。

图4是添加粗铬铁粉冷压烧结组织的孔隙形貌。

图5是添加0.6％细铬铁粉冷压烧结组织的孔隙形貌。

图6是添加0.8％细铬铁粉冷压烧结组织的孔隙形貌。

图7是添加1.0％细铬铁粉冷压烧结组织的孔隙形貌。

图8是含铬量为0.6％的冷压烧结金相组织照片。

图9是含铬量为0.6％的冷压烧结金相组织照片。

图10是含铬量为0.8％的冷压烧结金相组织照片。

图11是含铬量为1.0％的冷压烧结金相组织照片。

图12是铬在铁中扩散浓度与距离的关系曲线。

图13是含铬量为0.6％试样的静拉伸断口扫描电镜形貌。

图14是含铬量为0.8％试样的静拉伸断口扫描电镜形貌。

图15是含铬量为1.0％试样的静拉伸断口扫描电镜形貌。

图16是未添加细铬粉试样的静拉伸断口扫描电镜形貌。

图17是未添加细铬粉试样的静拉伸断口扫描电镜形貌。

具体实施方式

本发明的冶金粉末材料的成分是Fe，Cr，Cu，C。

实施例1：

采用机械球磨方法，即通过高能球磨首先将铬铁粉破碎，随球磨时间的延长，粉末颗粒尺寸逐渐变小，颗粒大小也更为均匀。但是粉太细，鉴于发达的比表面，将引起颗粒的团聚，得不到很好的分散，对后续的压制和烧结工序产生不利影响，所以，使颗粒达到适当粒度即可。

参阅图可见原始铬铁粉，粒度大多在30μm左右，且多为不规则块状颗粒，这将限制颗粒彼此间的相对滑动，从而影响粉末的松装比重值，获得的压坯密度较低。图2显示，经过20h的球磨后，颗粒变小，颗粒边缘变得圆滑，表面形态趋于球形。但还有部分颗粒仍呈多边形，颗粒大小分布很不均匀，大的颗粒尺寸还在10～20μm之间。经25h球磨后，如图3，铬铁粉得到很好的破碎，粉末颗粒变得非常均匀细小，且颗粒外形已近似于球形，大部分粉末的粒度在500nm以下，个别较大颗粒的尺寸在1μm～3μm，由于FeCr粉颗粒比较脆，所以机械球磨的细化效果非常好。

实施例2：

如图4所示，为添加了粗铬铁粉(粒度约30μm)的混合粉末，经冷压烧结后的组织孔隙形貌。由图4可见，加粗粉的组织中含有大量的孔隙，大多为尺寸较大的多边形孔隙，且孔隙多在未溶FeCr颗粒周围。未经球磨的FeCr粉末多为大块多边形颗粒，因此粗粉的加入限制了压制时粉末的流动，在颗粒之间形成了较大的孔隙，影响了压坯的致密化。

参阅图5可见，添加了0.6％细FeCr粉的组织中，孔隙呈网状均匀分布在组织中，没有形成大的多边形孔隙，近球形的隔离孔隙较多，孔隙率明显减少，密度较高，显然这将对材料性能产生有利的影响。

参阅图6、图7可见，添加了0.8％和1.0％细FeCr粉的组织中，孔隙形貌、大小和分布与0.6％Cr组织中的孔隙几乎是一致的，多为细小的界面孔隙，烧结密度较高。

实施例3：

图8为含铬量为0.6％的冷压烧结金相组织照片。从图8中可见，烧结后的组织由铁素体和珠光体(索氏体)组成。但是，珠光体的形貌与一般的低合金锻钢不同，没有形成典型的层片状，说明碳和其它合金元素在γ-Fe中的扩散距离比较短，基体组织更趋向形成颗粒状。

参阅图9可见，透射电子衍射分析结果显示组织中有铁素体和渗碳体。渗碳体呈短杆状和粒状，非常细小，对此区域的电子衍射结果显示为断续的环状衍射斑，这是细小多晶体参与衍射的结果，说明碳化物晶粒非常细小。

图10、图11分别为含铬量为0.8％和1.0％的冷压烧结金相组织照片。与0.6％Cr冷压烧结金相组织类似，由铁素体和珠光体(索氏体)组成。随铬量的增加，烧结钢的淬透性增加，组织中获得的珠光体量增加(图中黑区部分)。

Fe-Cr-Cu-C系合金中，Cu元素的熔点最低，只有1083℃，所以当采用1120℃的烧结温度烧结时，Cu首先发生液化。液相Cu对孔隙的填充起到一定的作用，但烧结结构钢组织中Cu的含量不宜过多，否则会出现Cu的共晶相，对钢的性能产生不利的影响，一般设计Cu含量占总成分体积比的1.5～2％左右，本实施例Cu的体积比为1.5％。由图8、图10和图11可见，组织中没有Cr、Cu、C的单质或其化合物相出现。本实施例中设计的Cu含量低于Cu在γ-Fe中的饱和溶解度，所以Cu可完全溶于γ-Fe中形成固溶体，随之液相完全消失。

实施例4：

参阅图12可见，烧结过程中，细小的铬铁粉非常有利于铬的扩散。根据资料显示1120℃时Cr在γ-Fe中的扩散系数为1.2×10^-11cm²/s。经过计算，得出烧结40min后Cr在铁中的浓度分布曲线如图12所示。根据公式计算出的浓度分布与实际情况会有偏差，但是不会有数量级的差别。从图12中我们可以看到，1120℃烧结后的扩散距离约为8μm，而球磨后铬铁粉的尺寸大多在500nm～1μm之间，所以所添加的微细铬铁粉中Cr都能完全扩散进基体起到强化作用。

Cr原子在α-Fe中可无限固溶，在γ-Fe中溶解度也可达20％，试验粉末中添加的Cr量最高为1.0％，所以Cr完全可以固溶在Fe基体中。虽然，Cr与C的亲和力较大，烧结过程中易形成Cr的碳化物，但是由于采用铬铁的方式加入铬原子，有效的抑制了Cr与C的结合。

实施例5：

参阅图13、图14和图15所示，为含铬量分别为0.6％、0.8％、1.0％试样的静拉伸断口扫描电镜形貌。由图可见，拉伸断口呈现以韧窝为主的特征。断口中韧窝的大小和分布都非常均匀，说明拉伸时组织的塑性比较好，由于合金元素扩散的比较均匀且组织中没有大的孔隙，烧结后晶粒间的联结强度比较高，断裂主要以韧窝和穿晶断裂为主。因而，获得的烧结组织不仅强度高，延伸率也大大提高。这是一般冷压烧结组织中很少能看到的。因为冷压烧结孔隙较多，而且往往颗粒间联结强度较低，所以当受外力作用时，断裂将沿着颗粒边缘发生。

参阅图16和图17可见，添加粗颗粒铬铁粉及经常规压制烧结后试样的拉伸断口形貌，断裂几乎均沿着原始颗粒之间孔隙的连接处发生，没有出现明显的塑性变形，因而宏观断口特征为脆性断裂，烧结钢的强度不高、延伸率很低。

实施例6：

表1试验材料的烧结密度值

表1为试验材料获得的烧结密度值。由表1中数据可知，添加了微细FeCr粉的材料获得了较高的烧结密度，其值在7.1g.cm^-3左右，孔隙率低于10％，与添加普通粒度FeCr粉试样的冷压烧结密度相比密度有所提高，一般铁基粉末冷压烧结件的密度在6.75～7.0g.cm^-3之间，可见加入微细FeCr粉可以有效提高烧结密度。

实施例7：

表2不同铬量材料表观硬度、拉伸强度和延伸率

试验材料的硬度、拉伸强度及延伸率值列在表2中。参阅表2可见，烧结材料的表观硬度主要取决于材料的孔隙度和显微组织硬度。参阅表1可见，未含铬烧结材料的表观硬度只有HRB79，而添加0.6％Cr的烧结体硬度增加到HRB86.1，当铬增加到1.0％时，硬度增加到HRB91.50，铬提高硬度的作用非常明显。

参阅表2可见，未含铬试样的拉伸强度只有400MPa，而添加铬粉试样的拉伸强度均得到很大的提高，均超过600MPa，而且随含铬量的增加而增加。其中1.0％Cr试样的拉伸强度达到650MPa，与未含铬试样相比，强度值增加了250MPa。

未含铬试样不仅强度低，延伸率也很小，参阅表2可见，其延伸率只有2.9％。

而添加细铬粉试样的延伸率均超过7％，最高的为0.6％Cr试样，其延伸率达到了7.67％，与加入普通粒度FeCr或未添加细铬粉试样的强度及延伸率相比都要高出许多。这是由于随Cr的加入对材料的固溶强化作用加强，均匀细化了组织，提高了合金基体的强度，而且由于加入微细FeCr粉，使烧结体的塑性变形能力增强，在提高材料强度的同时大大提高了材料的塑性。

资料显示，成分为Fe-2Ni-0.6Mo-0.5C-1Cu的烧结件在烧结密度为7.1g.cm^-3时，可获得的拉伸强度为600MPa，但延伸率只有1.25％。通常铁基冷压烧结件的强度不高于600MPa，而且延伸率低于3％。

Claims

1.一种高性能粉末冶金材料，其特征在于：制备粉末合金的成分及重量百分比含量是：碳C 0.35-0.5％，铜Cu 1.3-1.5％，铬Cr 0.6-0.8％，硬脂酸锌135为0.6％，余量为铁Fe；其中所述的硬脂酸锌135为润滑剂。

2.根据权利要求1所述的一种高性能粉末冶金材料，其特征在于：所述的铬Cr是以铬铁形式加入，铬铁为微碳铬铁，铬铁中含铬量50％，含碳量0.06％，其余为铁。