CN102994899A - 一种低合金含铬粉末冶金钢的生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种低合金含铬粉末冶金钢的生产方法，按1%Cr，0.1%Mn，2.5%Ni，0.6%Si，0.3%Mo，0.6%C，余量为Fe的质量百分成分配制混合粉末，再进行扩散处理：Fe-Cr粉和纯铁粉按照1:10～3:10混合，混料时冲入惰性气体保护，混料时间为30～60min，然后在750℃～820℃温度，低于10-2Pa真空氛围扩散处理，扩散时间为20～50min，现经混料、压制、烧结，得到终产品密度在7.08g/cm3以上，热处理后硬度可以达到30HRC以上，而抗拉强度保持在780MPa以上，其组织为马氏体这样的高强项和一定比例的铁素体组成，具有比较广泛的应用范围。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种粉末冶金领域的含铬低合金钢的生产方法。
背景技术
粉末冶金作为新的技术具有节约成本，减少后期加工，性能良好的特点。这一特性也使得一些传统的钢制零件逐年被铁基粉末产品替代。仅以汽车工业为例，欧洲的汽车生产企业在每辆汽车上平均使用14kg的粉末冶金产品；而日本的三大汽车企业（Toyota，Honda，Nissan）平均使用约15kg；北美使用高达19.5kg以上；而国内每辆汽车使用粉末冶金重量只有5kg左右，远远低于国际水平，还有很大的提升空间。2010年的数据表明我国全年汽车累计产销量为1826万辆和1806万辆，蝉联世界第一，成为了当之无愧的汽车产销大国。如此高的基数使得国内铁基粉末冶金的市场前景十分广阔，如果国内平均每一辆汽车使用粉末冶金产品质量上升1kg，总使用量可以上升1.4万吨/年，总产值高达几个亿。在国内每年铁基粉末制品如此高的需求下，如何在不降低性能下，降低成本是摆在企业和科研机构面前的一个问题。
汽车用粉末冶金粉末通常为低合金粉末，合金元素通常被加入到低合金钢中以使材料获得好的热处理性能，在传统的铁基粉末生产中Cu，Ni 和 Mo通常作为强化元素加入到其中，但随着国际镍价超过40000美元每吨和钼价超过50000美元每吨，越来越多的企业和科研机构把目光投向其他的强化元素。Cr由于其良好的强化效果和低廉的价格（1500美元每吨）逐渐进入人们的视线。国外的Hoeganaes公司开发出了多种含Cr的此类粉末，如4300L、AISI4340等，这些粘结粉末采用Cr元素替代Ni，以降低成本，其最终产品性能为密度7.10g/cm3 、硬度在60HRA以上、抗拉强度在700MPa以上，是价格低廉，性能优秀的替代产品。我国一些企业和研究单位也尝试生产该类合金粉末，但在生产过程中遇到两个技术难点：一是Cr元素容易氧化，且氧化产物难以还原，因此常规雾化合金化制粉技术不能生产该类粉末；二是Cr元素采用完全合金化的方法加入会提高粉末的硬度，降低粉末的压制性能。因此，在类似4300L、AISI4340等合金的成分基础上，通过粉末组合、预处理等工艺研究，发挥Cr的硬化作用，同时实现粉末的高压缩性，是开发高性能含Cr铁基合金的关键。
目前国内主要的铁基粉末合金化的方法主要有：①粘结化处理预混合法(简称预混合法)；②部分预合金化法；③ 预合金化法。这三种方法各有优势，其中粘结化处理预混合法最为简单成本低廉，但产品性能相对较低。而部分预合金化法是以有高压缩性的铁粉或者基底粉末作为母粉，添加合金元素粉末均匀混合后在一定温度和条件下进行扩散处理。这样的处理可以使得合金粉末粘连到母粉，并在母粉表面形成一层薄薄的扩散层，经过这样处理可以强化基底粉末，使强化元素均匀扩散，是提高粉末冶金产品性能的一个重要途径。较高的温度可以促进扩散层的形成，但是较高的温度会使得粉末硬化、粘结、粒度变大，需要破碎才能使用。而预合金化法一般采用水雾化制备粉末，用其生产的烧结材料具有均匀的组织且性能均一，重复性好，但如有Cr等易氧化且不易还原的合金元素，容易生成强氧化物，在烧结后留下缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对合金成分为1%Cr，0.1%Mn，2.5%Ni，0.6%Si，0.3%Mo，0.6%C，余量为Fe的低合金粉末，提供一种生产方法。Fe-Cr粉末和还原铁粉的比例为1:10到3:10之间，温度为750℃～820℃的进行扩散处理，扩散20～50min，形成的部分扩散粉末与中间合金粉末LAP100.29A2(Fe-0.8Ni-0.5Mo-0.2Mn)合金粉、镍粉、碳粉等按照配比混合，得到类似4300L的合金成分。经过1240～1280℃烧结后，Cr元素扩散完全，且成分偏析减少，改善组织均匀性，使得组织中马氏体组织变多，提高合金钢的硬度。最终产品密度可以达到7.08g/cm3以上；抗拉强度可以达到780MPa以上；硬度为30HRC以上，产品各项性能能满足汽车工业零件的要求。
本发明的具体制备工艺如下：
1、配料：按1%Cr，0.1%Mn，2.5%Ni，0.6%Si，0.3%Mo，0.6%C，余量为Fe的成分配制混合粉末。配料中除去Mo元素的加入采用中间合金粉末LAP100.29A2(Fe-0.8Ni-0.5Mo-0.2Mn)合金粉外， Cr、Mn、Si分别采用Fe-Cr合金粉，Fe-Mn合金粉，Fe-Si合金粉，Ni用羟基Ni粉。
2、扩散处理：Fe-Cr粉和纯铁粉按照1:10～3:10混合，混料时冲入惰性气体保护，混料时间为30～60min，然后在750℃～820℃，低于10-2Pa真空氛围扩散处理，扩散时间为20～50min。
3、混料：按照合金成分比，保护氛围下分批混料，混料时间30～60min。
4、压制：在650-750MPa下单向压制。
5、烧结：烧结采用高温真空烧结，烧结温度为1240～1280℃，保温25～40min，烧结完成后随炉冷至室温。
6、热处理：合金钢在880～910℃下保温25～45min，油淬，后回火50～90min，回火温度为200～220℃。
采用上述方法制备的粉末冶金产品有如下优点：
（1）、保持纯铁粉的高压缩性特征，比未扩散处理合金密度还有所提高。
（2）、合金金相组织均匀，产品各项性能比较均衡，适用广。
（3）、完全采用国产粉末，产品价格低廉。
采用上述方法制备的低合金粉末冶金钢，最终产品密度在7.08g/cm3以上，热处理后硬度可以达到30HRC以上，而抗拉强度保持在780MPa以上，其组织为马氏体、贝氏体这样的高强项和一定比例的铁素体组成，具有比较广泛的应用范围，完全满足汽车用零部件的各项性能指标，可以替代很多合金铸件，作为汽车用轴承。在比例小于1:10时，Fe-Cr粉末含量过少，Cr元素的扩散厚度和扩散比例比较小，强化效果不明显；比例过大后，纯铁粉量过少，扩散处理后的粉末硬化程度高，使得密度下降，降低了最终产品的性能。在低于750℃的扩散温度下，Cr元素扩散层深度不够，在后续的烧结处理中,Cr元素的强化效果体现不明显，组织中铁素体含量仍然很高，硬度提升不不大。扩散在高于820℃后，Fe-Cr粉末和还原铁粉粘连，有大量板结物产生，需破碎分筛才能使用，且粉末硬化严重，降低了最终产品的密度。
附图说明
图1是未经扩散处理的合金钢金相显微组织照片。
图2是Fe-Cr粉和纯铁粉按照2.844:10比例，800℃扩散处理的试样金相显微组织照片。
具体实施方式
实施例1
1、配料：某钢铁集团粉末冶金有限公司生产的LAP100.29A2（Fe-0.8Ni-0.5Mo-0.2Mn）合金粉；55%Cr的Fe-Cr粉；86%Mn含量的Fe-Mn粉；47%Si的Fe-Si粉；羟基Ni粉；还原铁粉；国产石墨粉；微粉石蜡。
2、扩散处理：Fe-Cr粉和纯铁粉按照1.422:10的配比在保护气氛下混合30分钟，在真空氛围下750℃下保温扩散30min，后破碎分筛处理。
3、混料：按照合金成分比，添加经扩散处理的Fe-Cr粉、Fe-Si、Fe-Mn、羟基Ni和纯Fe粉，保护气氛下混料40min，再加入中间合金粉末LAP100.29A2和石墨粉，成型剂为微粉石蜡加入量为0.7%。
4、压制烧结：在690MPa下单向压制，烧结采用高温真空烧结，烧结温度为1260℃，保温30min，烧结完成后随炉冷至室温。
5、热处理：在900℃下保温30min，油淬，后回火70min，回火温度为210℃。
经过上述工艺制成的产品，烧结后密度为7.08g/cm3，抗拉强度为800MPa，硬度为30HRC。最终回火态组织为大量的马氏体和少量的铁素体，组织中珠光体基本消失。
图1为未经扩散处理的合金钢金相显微组织照片，组织中1为珠光体，2为马氏体，3为铁素体。
实施例2
1、配料：某钢铁集团粉末冶金有限公司生产的LAP100.29A2（Fe-0.8Ni-0.5Mo-0.2Mn）合金粉；73%Cr的Fe-Cr粉；74.8%Mn含量的Fe-Mn粉；72%Si的Fe-Si粉；羟基Ni粉；铁粉；国产石墨粉；微粉石蜡。
2、扩散处理：Fe-Cr粉和纯铁粉按照1.422:10的配比在保护气氛下混合50分钟，在真空氛围下800℃下保温扩散40min，后破碎分筛处理。
3、混料：按照合金成分比，添加经扩散处理的Fe-Cr粉、Fe-Si粉、Fe-Mn粉、羟基Ni和纯Fe粉，保护气氛下混料60min，再加入中间合金粉末LAP100.29A2和石墨粉，成型剂为微粉石蜡加入量为0.6%。
4、压制烧结：在690MPa下单向压制，烧结采用高温真空烧结，烧结温度为1270℃，保温40min，烧结完成后随炉冷至室温。
5、热处理：合金钢在885℃下保温35min，油淬，后回火90min，回火温度为200℃。
经过上述工艺制成的产品，烧结后密度为7.10g/cm3，抗拉强度为785MPa，硬度为33HRC。最终回火态组织为大量的马氏体和少量的铁素体，组织中珠光体基本消失。
实施例3
1、配料：某钢铁集团粉末冶金有限公司生产的LAP100.29A2（Fe-0.8Ni-0.5Mo-0.2Mn）合金粉；63%Cr的Fe-Cr粉；81%Mn含量的Fe-Mn粉；66%Si的Fe-Si粉；羟基Ni粉；铁粉；国产石墨粉；微粉石蜡。
2、扩散处理：Fe-Cr粉和纯铁粉按照1.422:10的配比在保护气氛下混合40min，在真空氛围下820℃下保温扩散25min，后破碎分筛处理。
3、混料：按照合金成分比，添加经扩散处理的Fe-Cr粉、Fe-Si、Fe-Mn、羟基Ni和纯Fe粉，保护气氛下混料50min，再加入中间合金粉末LAP100.29A2和石墨粉，成型剂为微粉石蜡加入量为0.7%。
4、压制烧结：在740MPa下单向压制，烧结采用高温真空烧结，烧结温度为1280℃，保温25min，烧结完成后随炉冷至室温。
5、热处理：合金钢在900℃下保温30min，油淬，后回火60min，回火温度为210℃。
经过上述工艺制成的产品，烧结后密度为7.12g/cm3，抗拉强度为784MPa，硬度为34HRC。最终回火态组织为大量的马氏体和少量的铁素体，组织中珠光体基本消失。
实施例4
1、配料：某钢铁集团粉末冶金有限公司生产的LAP100.29A2（Fe-0.8Ni-0.5Mo-0.2Mn）合金粉；63%Cr的Fe-Cr粉；74.8%Mn含量的Fe-Mn粉；66%Si的Fe-Si粉；羟基Ni粉；铁粉；国产石墨粉；微粉石蜡。
2、扩散处理：Fe-Cr粉和纯铁粉按照2:10的配比在保护气氛下混合40分钟，在真空氛围下800℃下保温扩散40min，后破碎分筛处理。
3、混料：按照合金成分比，添加经扩散处理的Fe-Cr粉、Fe-Si、Fe-Mn、羟基Ni和纯Fe粉，保护气氛下混料50min，再加入中间合金粉末LAP100.29A2和石墨粉，成型剂为微粉石蜡加入量为0.6%。
4、压制烧结：在690MPa下单向压制，烧结采用高温真空烧结，烧结温度为1260℃，保温40min，烧结完成后随炉冷至室温。
5、热处理：合金钢在900℃下保温40min，油淬，后回火50min，回火温度为220℃。
经过上述工艺制成的产品，烧结后密度为7.10g/cm3，抗拉强度为790MPa，硬度为32HRC。最终回火态组织为大量的马氏体和少量的铁素体，组织中珠光体完全消失。
实施例5
1、配料：某钢铁集团粉末冶金有限公司生产的LAP100.29A2（Fe-0.8Ni-0.5Mo-0.2Mn）合金粉；63%Cr的Fe-Cr粉；74.8%Mn含量的Fe-Mn粉；66%Si的Fe-Si粉；羟基Ni粉；铁粉；国产石墨粉；微粉石蜡。
2、扩散处理：Fe-Cr粉和纯铁粉按照2.844:10的配比在保护气氛下混合50分钟，在真空氛围下800℃下保温扩散50min，后破碎分筛处理。
3、混料：按照合金成分比，添加经扩散处理的Fe-Cr粉、Fe-Si、Fe-Mn、羟基Ni和纯Fe粉，保护气氛下混料30min，再加入中间合金粉末LAP100.29A2和石墨粉，成型剂为微粉石蜡加入量为0.7%。
4、压制烧结：在650MPa下单向压制，烧结采用高温真空烧结，烧结温度为1240℃，保温40min，烧结完成后随炉冷至室温。
5、热处理：合金钢在910℃下保温40min，油淬，后回火50，回火温度为220℃。
经过上述工艺制成的产品，烧结后密度为7.08g/cm3，抗拉强度为787MPa，硬度为33HRC。最终回火态组织为大量的马氏体和少量的铁素体，组织中珠光体完全消失。图2为经扩散处理的合金钢金相显微组织照片，珠光体组织完全消失，2号组织马氏体较图1中增加明显，3号组织铁素体减少明显。
通过本发明生产的低合金含铬粉末冶金钢能够形成均匀的金属学组织，Cr能起到很好的硬化效果。结果表明，该方法可以明显提高产品的硬度，最终产品硬度可以达到30HRC以上，对比未扩散处理可以提高6HRC，增加密度使其达到7.08g/cm3以上、抗拉强度达到780MPa以上，完全满足汽车工业用齿轮材料的要求。
Claims (4)
1.一种低合金含铬粉末冶金钢的生产方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）配料：按1%Cr，0.1%Mn，2.5%Ni，0.6%Si，0.3%Mo，0.6%C，余量为Fe的质量百分成分配制混合粉末；
（2）扩散处理：Fe-Cr粉和纯铁粉按照1:10～3:10混合，混料时冲入惰性气体保护，混料时间为30～60min，然后在温度为750℃～820℃，低于10-2Pa真空氛围扩散处理，扩散时间为20～50min；
（3）混料：惰性气体保护氛围下混料，混料时间30～60min；
（4）压制：在650-750MPa下单向压制；
（5）烧结：烧结采用高温真空烧结，烧结温度为1240～1280℃，保温25～40min，烧结完成后随炉冷至室温；
（6）热处理：合金钢在880～910℃下保温25～45min，油淬，后回火50～90min，回火温度为200～220℃。
2.根据权利要求权1所述的低合金含铬粉末冶金钢的生产方法，其特征在于：配料中Mo元素的加入采用中间合金粉末LAP100.29A2， Cr、Mn、Si分别采用Fe-Cr合金粉，Fe-Mn合金粉，Fe-Si合金粉，Ni用羟基Ni粉。
3.根据权利要求权1所述的低合金含铬粉末冶金钢的生产方法，其特征在于：步骤（2）中扩散处理的Fe-Cr粉和纯铁粉按照1:10～2.5:10混合。
4. 根据权利要求权1所述的低合金含铬粉末冶金钢的生产方法，其特征在于：步骤（2）中扩散处理的温度为760℃～790℃温度。
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