CN102773481B - 一种改善高速压制制备铁基粉末冶金零件性能的方法 - Google Patents

一种改善高速压制制备铁基粉末冶金零件性能的方法 Download PDF

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Abstract

一种改善高速压制制备铁基粉末冶金零件性能的方法，属于粉末冶金技术领域。本发明采用纳米铜粉替换铁基混合粉中部分铜粉的优化方法，将其在充有高纯氩气的手套箱中按一定质量分数配好并装入混料筒中，密封混料筒，在心式滚筒机上混炼一定时间，得到均匀的铁基粉末混合物；采用硬脂酸锌丙酮悬浮液为模壁润滑剂，通过高速压制技术制备铁基零件。将零件经过1150～1280℃于氢气保护气氛下烧结一定时间获得高性能的铁基制品。本发明将纳米金属粉末结合先进的高速压制技术，成功制备出了具有高力学性能的铁基粉末冶金零件，且具有制备工艺简单、成本低、生产效率高、零件密度和力学性能稳定以及零件烧结尺寸精度高等优点。

Description

一种改善高速压制制备铁基粉末冶金零件性能的方法
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，特别提供了一种改善高速压制制备铁基粉末冶金零件性能的方法。 
技术背景
随着粉末冶金技术的不断发展，粉末冶金制品已经涉及到各个领域，尤其在汽车工业，粉末冶金制品起到了不可或缺的作用，其应用价值受到普遍的重视。目前，粉末冶金制品的研究已迈向大批量生产高性能的粉末冶金制品的趋势，随着各种粉末冶金技术的成熟和多样化，对粉末冶金制品性能的要求也越来越高，而铁基粉末冶金制品以其具有高密度高性能的特点迎合了日渐市场化的需求。 
发展高密度高性能的铁基粉末冶金材料一直是粉末冶金工作者们的研究重点，对粉末冶金制品而言，提高粉末冶金制品的性能同时降低成本是其主要研究目的，因此，寻找一种制造工艺简单、成本低的铁基材料，再结合先进的成形技术来制备高性能铁基粉末冶金零件便成为了粉末冶金研究领域的重要途径。 
高速压制技术是瑞典 AB公司于2001年提出，它除了具有传统压制技术的特点外，还具有压制效率高、低弹性后效、密度分布均匀、力学性能优异等优点，最主要的是具有能连续多次压制的特点，对制品的性能有了更大的提高。目前国内外对高速压制技术的研究已取得了一定的成果。北京科技大学粉末所在这方面的研究较为全面，张晓晗于2012年12月发表的北京科大大学硕士学位论文“高速压制技术制备铁基零件的工艺研究”中，通过高速压制技术三次压制铁基混合粉末所得的粉末冶金零件力学性能有很大的提高，但是仍然没有达到理想的效果；曲选辉等于2009年6月申请的专利“一种制备高密度粉末冶金铁基零件的两次压制方法”中，通过两次压制所得粉末冶金铁基零件的密度最低为7.45～7.51g·cm-3，相应的抗拉强度为500～700MPa，最高密度达到7.58～7.625g·cm-3，相应的抗拉强度为700～900MPa，较之以往粉末冶金铁基零件的力学性能已大大提高，但是力学性能的提高明显依赖于密度的提高，而与原材料的选择无关，因此在选择合适的原材料来获得良好的力学性能方面还有上升的空间；吴昆鹏等于2011年3月申请的专利“一种高性能铁基粉末冶金零件的低温烧结方法” 中通过向普通铁粉末中加入纳米铜粉的方法明显降低了其烧结温度，但其铁基粉末成形并非用高速压制成形技术，且铁基粉末零件的原料只是单一的普通铁粉，没有加入如镍，钼等合金元素粉，获得零件的力学性能不够高，最高硬度只有68.7HRB。 
发明内容：
本发明的目的在于提供一种改善高速压制制备铁基粉末冶金零件性能的方法。 
本发明的技术方案是：一种改善高速压制制备铁基粉末冶金零件性能的方法，具体制备过程包括以下步骤： 
采用水雾化铁粉、普通铜粉和纳米铜粉、羰基镍粉、钼铁粉和石墨为原料，其质量百分比含量分别为94.2～95.0wt%、1.5～1.8wt%、1.5～3.0wt%、0.5～1.0wt%和0.6～0.8wt%。普通铜粉和纳米铜粉混合粉中纳米铜粉质量百分比含量占材料总质量的0.25～1.25wt%。接着将水雾化铁粉、普通铜粉、纳米铜粉、羰基镍粉、钼铁粉和石墨在充有高纯氩气的手套箱中配好，装入混料筒中并密封，在心式滚筒机上混炼，得到均匀的铁基混合粉。然后采用高速压制技术三次压制的方法制备铁基生坯零件。最后将制备的铁基生坯零件在氢气保护气氛下于1150～1280℃烧结1～2小时，得到高性能的铁基零件。 
所述的纳米铜粉的平均粒径为50～80nm，普通铜粉的平均粒径为26～32μm，钼铁粉中钼元素含量为60wt%。 
本发明之所以能改善铁基粉末冶金零件性能，其独创之处在于：其一，通过用纳米铜粉替换普通铜粉的方法制备铁基粉末，再结合先进的高速压制技术，利用纳米铜粉的小尺寸效应和显著的表面能，加剧压制过程粉末颗粒间的冷焊现象，从而有助于烧结过程中烧结颈的形成，最终提高烧结件的力学性能。其二，纳米铜粉较之普通铜粉在基体粉中的分布更加均匀，有助于密度的均匀性，且极大的表面能使得其熔点较低，在烧结早期就能进入到因石墨扩散而留下的孔隙中，加之纳米铜颗粒在烧结过程中会积聚长大，减少了烧结件的孔隙率，从而提高烧结件的力学性能。其三，本发明所用的铁基粉末中加入了普通铜粉、羰基镍粉、钼铁粉以及石墨。铜、镍和钼元素的相对密度与铁相近，容易混合均匀，少量的这些合金元素粉对铁基烧结制品的密度影响不大，且强化效果显著。对于烧 结铁基零件，铜和镍主要起固溶强化作用，且加入细的羰基镍粉更有利于在铁中的扩散，充分发挥镍的强化作用，提高烧结件性能。钼主要起到辅助作用，容易生产碳化物，进一步提高硬度。 
由于纳米铜粉比表面积大，流动性差，混合后降低了混合粉的压制性能，导致压制的生坯密度下降，从而影响烧结零件的密度，最终导致其力学性能的下降。因此，过量的纳米铜粉会不利于烧结件的力学性能，这一点我们可以从对比实例2中可以看出。 
本发明将纳米金属粉末结合先进的高速压制技术，成功制备出了具有高力学性能的铁基粉末冶金零件，且具有制备工艺简单、成本低、生产效率高、零件密度和力学性能稳定以及零件烧结尺寸精度高等特点，更进一步推动了高速压制技术在粉末冶金领域生产高性能零件的发展。 
附图说明
1)图1为本次发明的工艺流程图。 
2)图2为不同纳米铜含量下铁基零件的烧结密度。 
3)图3为不同纳米铜含量下铁基零件的抗拉强度。 
4)图4为不同纳米铜含量下铁基零件的硬度。 
具体实施方式
对比实例1：纳米铜粉替换0wt%的普通铜粉 
采用水雾化铁粉与1.5wt%的普通铜粉、2wt%羰基镍粉、0.83wt%钼铁粉、和0.8wt%的石墨粉共1Kg在充有高纯氩气的手套箱中配好，装入混料筒中并密封，在心式滚筒机上混炼，得到均匀的铁基混合粉。然后采用高速压制技术三次压制的方法制备铁基生坯零件。最后将制备的铁基生坯零件在氢气保护气氛下于1150～1280℃烧结1～2小时，所得铁基零件的密度为7.522/g·cm-3，抗拉强度为743.1MPa，硬度为95.2HRB，相当于209HB。 
实施例1：纳米铜粉替换0.25wt%的普通铜粉 
采用水雾化铁粉与1.25wt%的普通铜粉、0.25wt%纳米铜粉、2wt%羰基镍粉、0.83wt%钼铁粉、和0.8wt%的石墨粉共1Kg在充有高纯氩气的手套箱中配好，装入混料筒中并密封，在心式滚筒机上混炼，得到均匀的铁基混合粉。然后采用高速压制技术三次压制的方法制备铁基生坯零件。最后将制备的铁基生坯零件在 氢气保护气氛下于1150～1280℃烧结1～2小时，所得铁基零件的密度为7.528/g·cm-3，抗拉强度为751.9MPa，硬度为97.9HRB，相当于221HB。 
实施例2：纳米铜粉替换0.5wt%的普通铜粉 
采用水雾化铁粉与1wt%的普通铜粉、0.5wt%纳米铜粉、2wt%羰基镍粉、0.83wt%钼铁粉、和0.8wt%的石墨粉共1Kg在充有高纯氩气的手套箱中配好，装入混料筒中并密封，在心式滚筒机上混炼，得到均匀的铁基混合粉。然后采用高速压制技术三次压制的方法制备铁基生坯零件。最后将制备的铁基生坯零件在氢气保护气氛下于1150～1280℃烧结1～2小时，所得铁基零件的密度为7.534/g·cm-3，抗拉强度为762.1MPa，硬度为24.6HRC，相当于244HB。 
实施例3：纳米铜粉替换0.75wt%的普通铜粉 
采用水雾化铁粉与0.75wt%的普通铜粉、0.75wt%纳米铜粉、2wt%羰基镍粉、0.83wt%钼铁粉、和0.8wt%的石墨粉共1Kg在充有高纯氩气的手套箱中配好，装入混料筒中并密封，在心式滚筒机上混炼，得到均匀的铁基混合粉。然后采用高速压制技术三次压制的方法制备铁基生坯零件。最后将制备的铁基生坯零件在氢气保护气氛下于1150～1280℃烧结1～2小时，所得铁基零件的密度为7.556/g·cm-3，抗拉强度为828.7MPa，硬度为32.3HRC，相当于300HB。 
实施例4：纳米铜粉替换1wt%的普通铜粉 
采用水雾化铁粉与0.5wt%的普通铜粉、1wt%纳米铜粉、2wt%羰基镍粉、0.83wt%钼铁粉、和0.8wt%的石墨粉共1Kg在充有高纯氩气的手套箱中配好，装入混料筒中并密封，在心式滚筒机上混炼，得到均匀的铁基混合粉。然后采用高速压制技术三次压制的方法制备铁基生坯零件。最后将制备的铁基生坯零件在氢气保护气氛下于1150～1280℃烧结1～2小时，所得铁基零件的密度为7.547/g·cm-3，抗拉强度为773.9MPa，硬度为28.2HRC，相当于268HB。 
实施例5：纳米铜粉替换1.25wt%的普通铜粉 
采用水雾化铁粉与0.25wt%的普通铜粉、1.25wt%纳米铜粉、2wt%羰基镍粉、0.83wt%钼铁粉、和0.8wt%的石墨粉共1Kg在充有高纯氩气的手套箱中配好，装入混料筒中并密封，在心式滚筒机上混炼，得到均匀的铁基混合粉。然后采用高速压制技术三次压制的方法制备铁基生坯零件。最后将制备的铁基生坯零件在氢气保护气氛下于1150～1280℃烧结1～2小时，所得铁基零件的密度为 7.531/g·cm-3，抗拉强度为759.6MPa，硬度为23.6HRC，相当于238HB。 
对比实例2：纳米铜粉替换1.5wt%的普通铜粉 
采用水雾化铁粉与1.5wt%纳米铜粉、2wt%羰基镍粉、0.83wt%钼铁粉、和0.8wt%的石墨粉共1Kg在充有高纯氩气的手套箱中配好，装入混料筒中并密封，在心式滚筒机上混炼，得到均匀的铁基混合粉。然后采用高速压制技术三次压制的方法制备铁基生坯零件。最后将制备的铁基生坯零件在氢气保护气氛下于1150～1280℃烧结1～2小时，所得铁基零件的密度为7.519/g·cm-3，抗拉强度为734.2MPa，硬度为94.1HRB，相当于202HB。 
表1为不同纳米铜粉含量下烧结零件的密度和性能 
表1 
  纳米铜粉百分含量，％   0   0.25   0.5   0.75   1   1.25   1.5
  烧结密度   7.522   7.528   7.534   7.556   7.547   7.531   7.519
  抗拉强度/MPa   743.1   751.9   762.1   828.7   773.9   759.6   734.2
  硬度/HB   209   221   244   300   268   238   202

Claims (3)

1.一种改善高速压制制备铁基粉末冶金零件性能的方法，具体制备过程包括以下步骤：
采用水雾化铁粉、普通铜粉和纳米铜粉、羰基镍粉、钼铁粉和石墨为原料，其质量百分比含量分别为94.2～95.0wt%、1.5～1.8wt%、1.5～3.0wt%、0.5～1.0wt%和0.6～0.8wt%；普通铜粉和纳米铜粉混合粉中纳米铜粉质量百分比含量占材料总质量的0.25～1.25wt%；接着将水雾化铁粉、普通铜粉、纳米铜粉、羰基镍粉、钼铁粉和石墨在充有高纯氩气的手套箱中配好，装入混料筒中并密封，在心式滚筒机上混炼，得到均匀的铁基混合粉；然后采用高速压制技术三次压制的方法制备铁基生坯零件；最后将制备的铁基生坯零件在氢气保护气氛下于1150～1280℃烧结1～2小时，得到高性能的铁基零件。
2.根据权利要求1所述的改善高速压制制备铁基粉末冶金零件性能的方法，其特征在于，所述的纳米铜粉的平均粒径为50～80nm，普通铜粉的平均粒径为26～32μm。
3.根据权利要求1所述的改善高速压制制备铁基粉末冶金零件性能的方法，其特征在于，钼铁粉中钼元素含量为60wt%。
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