CN101885069B - 一种粉末高速钢与结构钢双金属复合材料的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种粉末高速钢与结构钢双金属复合材料及其制造方法，其包括有结构钢材料层，其特征在于粉末高速钢烧结层和结构钢材料层通过放电等离子烧结方法连接成整体件；其制造方法，步骤依次为：原料选取；粉末冶金高速钢粉末制备；预成型；烧结。其实现了粉末高速钢与结构钢的复合，同时粉末高速钢的烧结及其与结构钢的复合为一次性完成，复合界面是冶金界面，界面两侧有元素扩散，界面结合强度在500～600MPa，界面结合强度高于砂型镶铸、复合铸造、传统烧结方法等制备的双金属复合材料，且节省能源、造价低廉、节约高速钢用量。
Description
技术领域
本发明涉及一种双金属复合材料及其制造方法，特别是一种粉末高速钢与结构钢双金属复合材料及其制造方法。
背景技术
粉末冶金高速钢具有高硬度、高耐磨、高切削韧性以及良好的二次硬化特性，在切削工具、冷热工模具以及其他高耐磨、耐高温切削材料和结构零件中已有广泛应用。在实际生产中，有些工作部件常要求材料既有良好的韧性，以抵抗工作过程中的冲击作用，同时又要求其具有高的硬度及优良的磨损性能。双金属复合是根据零、构件的功能要求和工况条件，通过设计和选择两种化学、物理性能不同的金属材料，按一定的方式、比例、分布结合成的。它兼具两种金属的优点，能在零件不同部位提供不同性能，达到单一材料无法达到的综合性能，并且可以有效的减少生产成本。
常用双金属复合材料的制备工艺有三种，其一是焊接方法(如钎焊、摩擦焊、扩散焊等)，但焊接质量不易控制，焊接面强度低；其二是轧制方法，该方法可实现合金工具钢如6CrW2Si等与低碳钢的复合，但是不适合高速钢与低碳钢的复合，因为高速钢的轧制温度为1150℃，且塑性较差，难以实现复合。其三是粉末烧结方法，该方法可实现高速钢与结构钢的复合，但传统烧结方法，界面结合强度低。
吉林大学刘海峰采用砂型镶铸法得到的高速钢/45钢界面结合强度为50～300MPa，郑州大学刘清梅复合铸造法得到的高铬铸铁/45钢复合界面的剪切强度为80～320MPa，武汉理工的周小平采用传统粉末烧结的45钢与硬质合金结合强度达到400MPa。
为此，有必要进一步改进粉末高速钢与结构钢双金属复合材料的制造方法，以充分发挥高速钢作为高温切削材料的优良性能。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题是提供一种能实现粉末高速钢与结构钢的复合且其结合强度能够满足金属切削等工程应用的粉末高速钢与结构钢双金属复合材料。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种能实现粉末高速钢与结构钢的复合且其结合强度能够满足金属切削等工程应用的粉末高速钢与结构钢双金属复合材料的 制造方法。
本发明解决上述首要技术问题所采用的技术方案为：一种粉末高速钢与结构钢双金属复合材料，其包括有粉末高速钢烧结层、结构钢材料层，其特征在于粉末高速钢烧结层和结构钢材料层通过放电等离子烧结方法连接成整体件。
所述的结构钢材料层采用棒形结构或板状结构。
本发明解决上述另一个技术问题所采用的技术方案为：一种粉末高速钢与结构钢双金属复合材料的制造方法，其特征在于步骤依次为：
(1)原料选取：选取出厂粒度50～100目(297～150μm)的高速钢原料粉以及结构钢料；
(2)高速钢粉末制备：将原始粉末细化为粒度1～5μm；
(3)预成型：将称量好的高速钢粉末以及准备好的结构钢料自下而上按粉末、钢料放入模具，铺粉末层时进行预压；
(4)烧结：烧结温度为960～980℃，烧结压力为65～75MPa，保温时间8～12分钟；
所述步骤(1)中结构钢料尺寸应适合模具大小。
为使得原始高速钢粉末细化，在所述步骤(2)中，使用星型球磨机球磨。球磨工艺参数如下：球料比7∶1，磨球材料为玛瑙，球磨机转速(公转)为270r/min，球磨介质为空气，球磨时间为24h。
所述步骤(4)中，使用放电等离子烧结炉进行烧结。
为严格控制烧结温度，所述步骤(4)中，烧结炉内烧结温度由高温测温计测得。
所述的烧结是采用梯度状程序升温方法。
与现有技术相比，本方面的显著优点在于：(1)因放电等离子烧结技术具有升温速度快、受热均匀、烧结时间短，烧结体晶粒均匀细小、相对密度高等优点，可获得优于传统粉末冶金方法制备的粉末冶金高速钢材料。(2)一次性实现了粉末冶金高速钢的烧结及其与结构钢的复合。(3)复合界面是冶金结合，界面两侧有元素扩散，界面结合强度在500～600MPa，界面结合强度高于目前砂型镶铸、复合铸造、传统烧结方法等制备的双金属复合材料，且节省能源、造价低廉、节约粉末高速钢用量。
附图说明
图1为粉末高速钢与结构钢连接示意图；
图2为本发明石墨模具图示意图；
图3为粉末高速钢与结构钢双金属复合材料制备工艺示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一：M42(W2M9Cr4VCo8)粉末高速钢与45结构钢双金属复合材料的制备：
如图1所示意，1为结构钢棒料，2为高速钢粉末；
如图2所示意，3为石墨模具，4为模具上下冲头；
如图3所示意，粉末高速钢与结构钢双金属复合材料制备工艺示意图。
(1)选取M42(W2M9Cr4VCo8)高速钢原料粉，以及45结构钢棒料；
(2)将M42(W2M9Cr4VCo8)高速钢原料粉在高能星型球磨机上球磨。球磨工艺参数如下：球料比7∶1，磨球材料为玛瑙，球磨机转速(公转)为270r/min，球磨介质为空气，球磨时间为24h。将45结构钢板料加工成直径20mm(长度6～10mm)的圆柱形棒料；
(3)称量10g球磨后的高速钢原料粉，自下而上按照粉末、45结构钢棒料顺序放入如图2所示的石墨模具中，每铺一层后进行预压；
(4)烧结：采用型号为日本住友石炭株式会社制造SPS-1030的放电等离子烧结炉烧结；烧结温度为970℃，烧结具体过程如下：500℃/6min--650℃/2min--750℃/1min--850℃/2min--900℃/1min--970℃/1min--970℃/10min，烧结压力为70MPa，温度由高温测温计测得。
最后获得了一种粉末高速钢与结构钢双金属复合材料，粉末高速钢烧结层和结构钢材料层通过放电等离子烧结方法连接成整体件，结构钢材料层采用棒状结构，粉末高速钢烧结层厚度在6～10mm范围，结构钢材料层厚度在6～10mm范围。
采用本发明，成功解决了粉末高速钢与结构钢双金属复合材料的制备问题，为实现提高粉末高速钢利用率迈出了一大步，采用此发制备的双金属复合材料，可用于制造双金属粉末高速钢刀具，粉末高速钢刀刃能满足切削要求、而结构钢刀柄能承受工作冲击载荷，相比全部使用粉末高速钢制造的刀具成本低廉，且用该复合材料结构制造的刀具性能可满足在金属切削、木材切削等方面广泛应用。
实施例二：W18Cr4V粉末高速钢与45结构钢双金属复合材料的制备
(1)选取W18Cr4V高速钢原料粉，以及45结构钢板料；
(2)将W18Cr4V高速钢原料粉在高能星型球磨机上球磨。球磨工艺参数如下：球料比7∶1，磨球材料为玛瑙，球磨机转速(公转)为270r/min，球磨介质为空气，球磨时间为24h。将45结构钢板料加工成直径20mm(长度6～10mm)的圆柱形棒料；
(3)称量10g球磨后的高速钢原料粉，之下而上按照粉末、45结构钢棒料顺序放入如图2所示的石墨模具中，每铺一层后进行预压；
(4)烧结：采用型号为日本住友石炭株式会社制造SPS-1030的放电等离子烧结炉烧结；烧结温度为970℃，烧结具体过程如下：500℃/6min--650℃/2min--750℃/1min--850℃/2min--900℃/1min--970℃/1min--970℃/10min，烧结压力为70MPa，各个温度由高温测温计测得。
最后获得了一种粉末高速钢与结构钢双金属复合材料，粉末高速钢烧结层和结构钢材料层通过放电等离子烧结方法连接成整体件，结构钢材料层采用棒状结构，粉末高速钢烧结层厚度在6～10mm范围，结构钢材料层厚度在6～10mm范围。
当然，也可以采用板状的结构钢材料层，原理是类似的。
采用本发明，成功解决了粉末高速钢与结构钢双金属复合材料的制备问题，为实现提高粉末高速钢利用率迈出了一大步，采用此发明制备的双金属复合材料，可用于制造双金属粉末高速钢刀具，粉末高速钢刀刃能满足切削要求、而结构钢刀柄能承受工作冲击载荷，相比全部使用粉末高速钢制造的刀具成本低廉，且用该复合材料结构制造的刀具性能可满足在金属切削、木材切削等方面广泛应用。
Claims (5)
1.一种粉末高速钢与结构钢双金属复合材料的制造方法，其特征在于步骤依次为：
(1)原料选取：选取出厂粒度50～100目的粉末冶金高速钢原料粉以及结构钢料；
(2)粉末冶金高速钢粉末制备：将冶金高速钢原料的原始粉末细化为粒度1～5μm；
(3)预成型：将称量好的冶金高速钢原料的粉末以及准备好的结构钢自下而上按粉末、结构钢放入模具，铺粉末层时进行预压；
(4)烧结：使用放电等离子烧结炉进行烧结，烧结温度为960～980℃，烧结压力为65～75MPa，保温时间8～12分钟。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中结构钢料采用棒料或者板料，尺寸应适合模具大小。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中，使用高能星型球磨机球磨。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤(4)中，烧结炉内烧结温度由高温测温计测得。
5.根据权利要求1至4任意一项权利要求所述的制造方法，其特征在于：所述步骤(4)中的烧结是采用梯度状程序升温方法。
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