CN101829785A

CN101829785A - 制备铁基表面复合材料的烧结扩散法

Info

Publication number: CN101829785A
Application number: CN 201010183700
Authority: CN
Inventors: 熊计; 郭智兴; 杨梅; 熊素建; 陈建中; 杨天恩
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2010-09-15

Abstract

本发明公开了一种制备铁基表面复合材料的烧结扩散法，其特征是先利用粉末冶金方法制备心部有圆柱孔的铁基材料生坯；然后将一定尺寸的钢质芯棒放置在生坯的圆柱孔中；铁基材料生坯与钢质芯棒在900℃～1250℃下进行真空烧结处理。铁基材料生坯发生尺寸收缩实现致密化，控制其心部圆柱孔径小于钢质芯棒直径，便实现了与钢质芯棒的紧密机械连接。同时，烧结过程中铁基材料与钢质芯棒接触的边界部分发生相互扩散，保证了表面铁基材料层与心部钢材的冶金结合。本发明具有工艺简单、成本低、表面铁基耐磨材料与内部钢材结合紧密的优点。

Description

制备铁基表面复合材料的烧结扩散法

技术领域

本发明为铁基表面复合材料的制备方法，特别涉及一种制备铁基表面复合材料的烧结扩散法，属于粉末冶金和复合材料领域。

背景技术

随着现代科学技术的飞速发展，工业中很多场合要求机械设备上的工件材料能承受高温、高速和剧烈磨损的工况，受摩擦零件被磨损的速度也越来越快，材料经常因为表面的磨损而报废。因此对材料的综合性能提出了高的要求。越来越多的研究表明，耐磨材料需要同时具有高硬度和高韧性，整体复合虽提高了强度，却大大降低了韧性，而磨损只发生在零件的特定表面。此外，整体复合不利于材料的回收与再利用，造成浪费和污染。因而发展了在具有良好韧性的基材(如钢)的表面生成一层高硬度的耐磨层(如高碳高钒钢、高锰钢、高铬钢、高钼钢、陶瓷或金属陶瓷)的表面复合材料，这种表面复合材料兼有良好的表面耐磨性和基体韧性，可满足实际工况对零件提出表面或局部耐磨的要求。

一些专利或文献公开了铁基表面复合材料的制备方法。如专利03117493.0公开了一种无药皮耐热耐磨铸铁合金堆焊焊条及其制造方法，焊条没有药皮，只有焊芯，焊芯的成分为(wt％)：C：2.5～6.5％、Si：0.8～2.5％、Mn：0.4～1.5％、Cr：16～35％、Nb：0.0～1.5％、Mo：0.0～3.5％、Ni：0.0～2.0％、W：0.0～2.5％、V：0.1～2.0％、Ti：0.0～0.8％、Cu：0.0～1.00％、S≤0.08％、P≤0.10％、0≤0.08％、N≤0.08％、Al≤0.10％，其余为Fe。该焊条用铸造方法制造。堆焊法需要铸(锻)、焊两次成型、工艺复杂、成本高、且堆焊的表面质量差。

高峰等在《有色金属快报》2007年第7期报道了以Fe2O3、WO3、Al、C为反应原料，采用SHS-离心法制备W-C-Fe内衬复合钢管。结果表明，涂层组织包括主相Fe3W3C及少量的WC、W2C、Fe3C、Fe。涂层组织呈梯度分布，靠近基体处晶粒细小，远离基体处晶粒呈粗大树枝状。涂层硬度为(13.5±1.6)GPa。涂层的主要磨损机制为显微切削。涂层的相对耐磨性是淬火45钢的16倍以上。该工艺目前已基本成熟，产品已实际应用，其缺点在于只能用于旋转体的表面增强，适合体系少，应用前景有限。

专利200410011075.6发明涉及一种表层或局部梯度强化的耐磨锰钢复合材料及制备工艺，该材料是基体为韧性较高的奥氏体、强化层为硬度较高的碳化钛+马氏体+介稳定奥氏体、中间过渡层为梯度渐变的碳化钛+马氏体+奥氏体的复合组织结构；其制备工艺包括以下步骤：介稳定奥氏体锰钢基体成分设计，C、Mn重量百分比含量为C：0.8～1.3％、Mn：6～13％；用Ti-Fe合金粉末作合成介质放置在铸型的特定部位，将锰钢高温熔体浇入铸型，得到表层或局部TiC增强体+介稳定奥氏体铸态组织；对该表层或局部进行液氮深冷处理获得马氏体相变梯度强化层。大幅度提高了高锰钢的综合机械性能，可广泛适用于冲击磨粒磨损工况条件下服役的各类抗磨部件。但该法的不足之处是需要一个中间过渡层。

专利03153373.6本发明涉及一种在碳钢或合金钢表面制成高合金耐磨层复合材料的生产工艺，首先选用粒度为0.005-0.8mm铬、钼、钨、钒、钛、镍、钴、锰、硼、碳组成的合金粉末或选用粒度为0.4-0.8mm的烧结硬质合金颗粒40-80％、粒度为0.05-0.1mm的镍和铬的合金粉末20-60％，粘结剂与合金粉末搅拌制成合金粉涂料，其次，将合金粉涂料涂敷在铸型侧面上，第三是浇注成型。该发明的铸渗法存在铸件容易出现缩松、夹杂、气孔等缺陷，铸渗层厚度不容易控制等缺点。

发明内容

本发明是针对目前制备铁基表面复合材料方法存在的诸多不足之处，发明了一种新的方法。首先将耐磨合金钢混合粉末压制成带圆柱孔的生坯，然后将圆柱形的钢芯棒放入耐磨合金钢生坯中，控制钢芯棒的直径以获得最佳的间隙，二者同时放入真空炉中进行烧结。耐磨合金钢生坯与钢芯棒进行真空烧结处理后，耐磨合金钢生坯发生尺寸收缩，其心部圆柱孔径将略小于钢芯棒直径，因此在耐磨合金钢生坯致密化的同时，也实现了与钢芯棒的紧密机械连接。同时，烧结过程中耐磨合金钢与钢芯棒接触的边界部分发生相互扩散，保证了表面耐磨合金钢层与心部高韧性碳钢的冶金结合，本发明的示意图见附图1。

本发明的制备铁基表面复合材料的烧结扩散法，其特征在于依次包含以下步骤：

(1)将铬铁粉、磷铁粉、钼铁粉、羰基铁粉、铜粉和碳黑粉配制成耐磨合金钢混合粉末，其重量百分比为：C：0.1～2.5％，P：0.2～1.0％，Cr：0～10％，Cu：0～10％，Mo：0～5％，Fe为余量；耐磨合金钢混合粉末经过球磨、过滤、干燥后压制成带圆柱孔的生坯；

(2)将圆柱形钢芯棒放置在耐磨合金钢生坯内孔中，钢芯棒成分重量百分比为：C占0.03～0.7％，Fe为余量；钢芯棒直径的确定方法为：扩散层厚度+生坯孔径/收缩系数，其中扩散层厚度为0.1～2mm，收缩系数为1.0～2.0；

(3)圆柱形钢芯棒与耐磨合金钢生坯一起放入真空炉中，先脱除成型剂，然后经过烧结制备成铁基表面复合材料，烧结温度为900～1250℃，保温时间为0.5～3h，真空度为1～5Pa。

本发明的制备铁基表面复合材料的烧结扩散法，其进一步的特征在于：

(1)配制耐磨合金钢混合粉末所用的原料中：铬铁粉含铬60～70wt％，粒度为10～20μm；磷铁粉含磷10～20wt％，粒度为10～20μm，钼铁粉含钼45～55wt％，粒度为10～20μm；铜粉含铜＞99.5wt％，粒度为10～20μm；羰基铁粉含铁＞98wt％，粒度为1.5～2.5μm；碳黑粉末含碳＞99.5wt％，粒度0.2～1.5μm；耐磨合金钢混合粉末的球磨介质为无水乙醇，其加量为100～400ml，球磨速度为60～100r/min，球磨时间为12～48h，研磨球为Ф6～8mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢球，球料重量比为2∶1～5∶1，成型剂聚乙二醇6000的添加量为1～3wt％；球磨后料浆经过200～400目筛网过滤，然后在85℃～100℃下进行真空干燥，真空度为1～5Pa；最后在200～400MPa下压制成带圆柱孔的生坯；

(2)在耐磨合金钢生坯内孔中放置钢芯棒时，二者的同心度为0.1～0.6mm；

(3)真空烧结过程脱除成型剂在400℃～600℃进行，保温2～4h，真空度为10～15Pa。

本发明的优点在于：

(1)用耐磨合金钢与碳钢构成表面复合材料，既保证了耐磨性与韧性的良好结合，而且因节约合金元素而具有成本优势；

(2)本发明的工艺简单，而且表面耐磨层的厚度容易控制；

(3)通过“机械连接”和“冶金结合”的双重作用，表面耐磨层与内部高韧性的钢之间结合更紧密。

附图说明

图1本发明的制备铁基表面复合材料的烧结扩散法示意图

具体实施方式

实例1：配制耐磨合金钢混合粉末所用的原料中：磷铁粉含磷16wt％，粒度为10μm；铜粉含铜99.7wt％，粒度为15μm；羰基铁粉含铁98.5wt％，粒度为2.5μm；碳黑粉末含碳99.6wt％，粒度1.0μm；耐磨合金钢的成分为：C：0.45wt％，Cu：5wt％，P：0.6wt％，Fe为余量；球磨介质为无水乙醇，其加量为300ml，球磨速度为60r/min，研磨时间为48h，研磨球为Ф8mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢球，球料重量比为2∶1，添加聚乙二醇6000为1wt％；铁基材料球磨后料浆的真空干燥处理温度为85℃，真空度为5Pa；在300MPa下压制成高度为5.5mm，外径为40mm，内径为32mm的生坯；采用20号钢(C占0.2wt％，其余为Fe)作芯棒，其直径为20mm；钢芯棒放置在耐磨合金钢生坯内孔中进行真空烧结时，二者的同心度为0.4mm；真空烧结过程脱除成型剂在450℃进行，保温2h，真空度为10Pa；最终在1200℃烧结，保温时间为1h，真空度为5Pa。便制成表面为耐磨合金钢层内部为碳钢、结合紧密的表面耐磨材料。

实例2：配制耐磨合金钢混合粉末所用的原料中：磷铁粉含磷16wt％，粒度为10μm；铬铁粉含铬60wt％，粒度为10μm；钼铁粉含钼45wt％，粒度为10μm；羰基铁粉含铁98.5wt％，粒度为2.5μm；碳黑粉末含碳99.6wt％，粒度1.0μm；耐磨合金钢的成分为：C：2.0wt％，Cr：5wt％，Mo：3wt％，P：0.5wt％，Fe为余量；球磨介质为无水乙醇，其加量为300ml，球磨速度为80r/min，研磨时间为24h，研磨球为Ф8mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢球，球料重量比为2.5∶1，添加聚乙二醇6000为1.5wt％；铁基材料球磨后料浆的真空干燥处理温度为85℃，真空度为5Pa；在350MPa下压制成高度为6mm，外径为35mm，内径为23mm的生坯；采用45号钢(C占0.45wt％，其余为Fe)作芯棒，其直径为16mm；钢芯棒放置在耐磨合金钢生坯内孔中进行真空烧结时，二者的同心度0.5mm；真空烧结过程脱除成型剂在550℃进行，保温2h，真空度为15Pa；最终在1050℃烧结，保温时间为1.5h，真空度为5Pa。便制成表面为耐磨合金钢层内部为碳钢、结合紧密的表面耐磨材料。

Claims

1.一种制备铁基表面复合材料的烧结扩散法，其特征在于依次包含以下步骤：

(1)将铬铁粉、磷铁粉、钼铁粉、羰基铁粉、铜粉和碳黑粉配制成耐磨合金钢混合粉末，其重量百分比为：C：0.1～2.5％，P：0.2～1.0％，Cr：0～20％，Cu：0～10％，Mo：0～5％，Fe为余量；耐磨合金钢混合粉末经过球磨、过滤、干燥后压制成带圆柱孔的生坯；

2.根据权利要求1所述的制备铁基表面复合材料的烧结扩散法，其进一步的特征在于：

(1)配制耐磨合金钢混合粉末所用的原料中：铬铁粉含铬60～70wt％，粒度为10～20μm；磷铁粉含磷10～20wt％，粒度为10～20μm，钼铁粉含钼45～55wt％，粒度为10～20μm；铜粉含铜＞99.5wt％，粒度为10～20μm；羰基铁粉含铁＞98wt％，粒度为1.5～2.5μm；碳黑粉末含碳＞99.5wt％，粒度0.2～1.5μm；耐磨合金钢混合粉末的球磨介质为无水乙醇，其加量为100～400ml，球磨速度为60～100r/min，球磨时间为12～48h，研磨球为Φ6～8mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢球，球料重量比为2∶1～5∶1，成型剂聚乙二醇6000的添加量为1～3wt％；球磨后料浆经过200～400目筛网过滤，然后在85℃～100℃下进行真空干燥，真空度为1～5Pa；最后在200～400MPa下压制成带圆柱孔的生坯；

(2)在耐磨合金钢生坯内孔中放置钢芯棒时，二者的同心度为0.1～0.6mm；真空烧结过程脱除成型剂在400℃～600℃进行，保温2～4h，真空度为10～15Pa。