CN104325131B - 一种铁基粉末冶金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁基粉末冶金材料及其制备方法，冶金材料包括以下组分：铁粉、铜粉、镍粉、碳粉、钛粉、丙烯酸乙酯、环氧树脂、二氧化锰、水泥粉、石蜡、硬脂酸锌。制备方法为将各组分于混合搅拌机中搅拌均匀，得到混合物一，然后将其浸于混合溶液中，加热搅拌过滤得到固体混合物二，将固体混合物二于60℃条件下真空干燥，然后加入到模具中压制得到压坯，最后将压坯送入烧结炉中，在惰性气体的保护下，先进行加热保温步骤，然后在真空条件下进行烧结，烧结温度为1100-1150℃，烧结时间200-300分钟，然后降至室温即可。本发明提供的铁基粉末冶金材料具有高硬度以及高致密度，同时具有较强的拉伸强度，进一步扩大了应用范围。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金制备技术领域，特别涉及一种铁基粉末冶金材料及其制备方法。
背景技术
粉末冶金技术，能够以与制品形状极其相近的形状生产要求高尺寸精度、复杂的形状的部件，能够大幅度地减少切削成本。因此，粉末冶金制品作为各种机械、装置的部件而利用在多方面。
一般而言，向铁基粉末中混合石墨粉等合金用粉末和硬脂酸、硬脂酸锉等润滑剂粉末而形成铁基粉末混合粉体后，将该铁基粉末混合粉体填充到金属模具，加压成形而制造粉末冶金用铁基粉末成形体(压粉体)。其中，铁基粉末根据成分可分为铁粉(纯铁粉等)、合金钢粉等。并且，铁基粉末根据制造方法还可分为雾化铁粉、还原铁粉等。
铁基粉末成形体的密度一般为6.67.1Mg/m3。对于这些铁基粉末成形体进一步实施烧结处理而形成烧结体，并且根据需要实施精整、切削加工而形成粉末冶金制品。并且，需要提高拉伸强度、疲劳强度时，烧结后还实施渗碳热处理、光亮热处理。
目前，我国常用的铁基粉末冶金材料合有铜、镍、钼等较贵重的有色金属，成本较高，制品尺寸精度难以控制，且强度和耐磨性差，材料的拉伸强度较差，密度相对较低，同时表面硬度不够，因而限制了其应用。因此，研制开发一种具有高拉伸强度、高致密度以及高硬度的铁基粉末冶金材料尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于为了克服以上现有技术的不足而提供一种铁基粉末冶金材料及其制备方法，提高材料的拉伸强度、表面硬度以及材料密度等。
本发明是通过以下技术手段实现的：
一种铁基粉末冶金材料，以重量组分计包括：铁粉20-30份、铜粉5-10份、镍粉2-6份、碳粉3-8份、钛粉1-5份、丙烯酸乙酯3-7份、环氧树脂1-5份、二氧化锰1-5份、水泥粉3-6份、石蜡2-5份、硬脂酸锌1-4份。
所述的铁基粉末冶金材料，可以优选为以重量组分计包括：铁粉24-28份、铜粉7-10份、镍粉3-5份、碳粉5-7份、钛粉3-5份、丙烯酸乙酯4-6份、环氧树脂2-4份、二氧化锰2-4份、水泥粉4-6份、石蜡3-5份、硬脂酸锌2-4份。
所述的铁基粉末冶金材料，环氧树脂可以为双酚A型环氧树脂。
以上任一项所述的铁基粉末冶金材料的制备方法，按照以下步骤制备：
步骤一，按照重量份称取各组分；
步骤二，将各组分于混合搅拌机中搅拌均匀，得到混合物一；
步骤三，将步骤二得到的混合物一浸于混合溶液中，加热至50-60℃，搅拌60-100分钟，过滤得到固体混合物二，其中以上混合液组成为乙醇、聚乙二醇、氯化铵的质量比为15:1-3:2-5；
步骤四，将固体混合物二于60℃条件下真空干燥，然后加入到模具中压制成所需形状，得到压坯；
步骤五，将压坯送入烧结炉中，在惰性气体的保护下，升温至500-600℃，保持150-200分钟，再升温至700-800℃，保温60-100分钟，然后在真空条件下进行烧结，烧结温度为1100-1150℃，烧结时间200-300分钟，然后降至室温。
所述的铁基粉末冶金材料的制备方法，步骤二中混合搅拌的搅拌速度可以为100-120转/分钟，时间30-50分钟。
所述的铁基粉末冶金材料的制备方法，步骤三中所述乙醇为无水乙醇，聚乙二醇可以为聚乙二醇2000。
所述的铁基粉末冶金材料的制备方法，步骤四中真空干燥时间可以为200-300分钟。
所述的铁基粉末冶金材料的制备方法，步骤五中惰性气体可以为高纯氮或高纯氩，真空条件的真空度可以为0.001-0.005MPa。
所述的铁基粉末冶金材料的制备方法，步骤五中升温速度可以为10℃/分钟，降至室温的降温速度可以为5℃/分钟。
本发明提供的铁基粉末冶金材料拉伸强度达到了1035MPa以上，伸长率达到了4.35％以上，密度达到了7.55以上，硬度达到了HV721以上，具有高拉伸强度、高硬度与韧度以及高密度的特点，进一步扩大了应用范围。
具体实施方式
实施例1
一种铁基粉末冶金材料，以重量组分计包括：铁粉20份、铜粉5份、镍粉2份、碳粉3份、钛粉1份、丙烯酸乙酯3份、环氧树脂1份、二氧化锰1份、水泥粉3份、石蜡2份、硬脂酸锌1份。
所述的铁基粉末冶金材料的制备方法，按照以下步骤制备：
步骤一，按照重量份称取各组分；
步骤二，将各组分于混合搅拌机中搅拌均匀，搅拌速度为100转/分钟，时间30分钟，得到混合物一；
步骤三，将步骤二得到的混合物一浸于混合溶液中，加热至50℃，搅拌60分钟，过滤得到固体混合物二，其中以上混合液组成为无水乙醇、聚乙二醇2000、氯化铵的质量比为15:1:2；
步骤四，将固体混合物二于60℃条件下真空干燥，真空干燥时间为200分钟，然后加入到模具中压制成所需形状，得到压坯；
步骤五，将压坯送入烧结炉中，在高纯氮的保护下，升温至500℃，保持150分钟，再升温至700℃，保温60分钟，然后在真空条件下进行烧结，真空度为0.001MPa，烧结温度为1100℃，烧结时间200分钟，然后降至室温，以上升温过程的升温速度为10℃/分钟，降至室温的降温速度为5℃/分钟。
实施例2
一种铁基粉末冶金材料，以重量组分计包括：铁粉24份、铜粉7份、镍粉3份、碳粉5份、钛粉3份、丙烯酸乙酯4份、双酚A型环氧树脂2份、二氧化锰2份、水泥粉4份、石蜡3份、硬脂酸锌2份。
所述的铁基粉末冶金材料的制备方法，按照以下步骤制备：
步骤一，按照重量份称取各组分；
步骤二，将各组分于混合搅拌机中搅拌均匀，搅拌速度为105转/分钟，时间36分钟，得到混合物一；
步骤三，将步骤二得到的混合物一浸于混合溶液中，加热至52℃，搅拌70分钟，过滤得到固体混合物二，其中以上混合液组成为无水乙醇、聚乙二醇2000、氯化铵的质量比为15:1:3；
步骤四，将固体混合物二于60℃条件下真空干燥，真空干燥时间为230分钟，然后加入到模具中压制成所需形状，得到压坯；
步骤五，将压坯送入烧结炉中，在高纯氮或高纯氩的保护下，升温至520℃，保持160分钟，再升温至730℃，保温70分钟，然后在真空条件下进行烧结，真空度为0.002MPa，烧结温度为1110℃，烧结时间230分钟，然后降至室温，以上升温过程的升温速度为10℃/分钟，降至室温的降温速度为5℃/分钟。
实施例3
一种铁基粉末冶金材料，以重量组分计包括：铁粉26份、铜粉8份、镍粉4份、碳粉6份、钛粉4份、丙烯酸乙酯5份、双酚A型环氧树脂3份、二氧化锰3份、水泥粉5份、石蜡4份、硬脂酸锌3份。
所述的铁基粉末冶金材料的制备方法，按照以下步骤制备：
步骤一，按照重量份称取各组分；
步骤二，将各组分于混合搅拌机中搅拌均匀，搅拌速度为105转/分钟，时间38分钟，得到混合物一；
步骤三，将步骤二得到的混合物一浸于混合溶液中，加热至55℃，搅拌80分钟，过滤得到固体混合物二，其中以上混合液组成为无水乙醇、聚乙二醇2000、氯化铵的质量比为15:2:4；
步骤四，将固体混合物二于60℃条件下真空干燥，真空干燥时间为260分钟，然后加入到模具中压制成所需形状，得到压坯；
步骤五，将压坯送入烧结炉中，在高纯氮或高纯氩的保护下，升温至550℃，保持180分钟，再升温至750℃，保温70分钟，然后在真空条件下进行烧结，真空度为0.003MPa，烧结温度为1130℃，烧结时间280分钟，然后降至室温，以上升温过程的升温速度为10℃/分钟，降至室温的降温速度为5℃/分钟。
实施例4
一种铁基粉末冶金材料，以重量组分计包括：铁粉28份、铜粉10份、镍粉5份、碳粉7份、钛粉5份、丙烯酸乙酯6份、双酚A型环氧树脂4份、二氧化锰4份、水泥粉6份、石蜡5份、硬脂酸锌4份。
所述的铁基粉末冶金材料的制备方法，按照以下步骤制备：
步骤一，按照重量份称取各组分；
步骤二，将各组分于混合搅拌机中搅拌均匀，搅拌速度为115转/分钟，时间45分钟，得到混合物一；
步骤三，将步骤二得到的混合物一浸于混合溶液中，加热至60℃，搅拌90分钟，过滤得到固体混合物二，其中以上混合液组成为无水乙醇、聚乙二醇2000、氯化铵的质量比为15:3:4；
步骤四，将固体混合物二于60℃条件下真空干燥，真空干燥时间为280分钟，然后加入到模具中压制成所需形状，得到压坯；
步骤五，将压坯送入烧结炉中，在高纯氮或高纯氩的保护下，升温至580℃，保持190分钟，再升温至760℃，保温90分钟，然后在真空条件下进行烧结，真空度为0.004MPa，烧结温度为1140℃，烧结时间270分钟，然后降至室温，以上升温过程的升温速度为10℃/分钟，降至室温的降温速度为5℃/分钟。
实施例5
一种铁基粉末冶金材料，以重量组分计包括：铁粉30份、铜粉10份、镍粉6份、碳粉8份、钛粉5份、丙烯酸乙酯7份、环氧树脂5份、二氧化锰5份、水泥粉6份、石蜡5份、硬脂酸锌4份。
所述的铁基粉末冶金材料的制备方法，按照以下步骤制备：
步骤一，按照重量份称取各组分；
步骤二，将各组分于混合搅拌机中搅拌均匀，搅拌速度为120转/分钟，时间50分钟，得到混合物一；
步骤三，将步骤二得到的混合物一浸于混合溶液中，加热至60℃，搅拌100分钟，过滤得到固体混合物二，其中以上混合液组成为无水乙醇、聚乙二醇2000、氯化铵的质量比为15:3:5；
步骤四，将固体混合物二于60℃条件下真空干燥，真空干燥时间为300分钟，然后加入到模具中压制成所需形状，得到压坯；
步骤五，将压坯送入烧结炉中，在高纯氮或高纯氩的保护下，升温至600℃，保持200分钟，再升温至800℃，保温100分钟，然后在真空条件下进行烧结，真空度为0.005MPa，烧结温度为1150℃，烧结时间300分钟，然后降至室温，以上升温过程的升温速度为10℃/分钟，降至室温的降温速度为5℃/分钟。
对比例1
一种铁基粉末冶金材料，以重量组分计包括：铁粉26份、铜粉8份、镍粉4份、碳粉6份、钛粉4份、双酚A型环氧树脂3份、二氧化锰3份、石蜡4份、硬脂酸锌3份。
所述的铁基粉末冶金材料的制备方法，按照以下步骤制备：
步骤一，按照重量份称取各组分；
步骤二，将各组分于混合搅拌机中搅拌均匀，搅拌速度为105转/分钟，时间38分钟，得到混合物一；
步骤三，将步骤二得到的混合物一浸于混合溶液中，加热至55℃，搅拌80分钟，过滤得到固体混合物二，其中以上混合液组成为无水乙醇、聚乙二醇2000、氯化铵的质量比为15:2:4；
步骤四，将固体混合物二于60℃条件下真空干燥，真空干燥时间为260分钟，然后加入到模具中压制成所需形状，得到压坯；
步骤五，将压坯送入烧结炉中，在高纯氮或高纯氩的保护下，升温至550℃，保持180分钟，再升温至750℃，保温70分钟，然后在真空条件下进行烧结，真空度为0.003MPa，烧结温度为1130℃，烧结时间280分钟，然后降至室温，以上升温过程的升温速度为10℃/分钟，降至室温的降温速度为5℃/分钟。
对比例2
一种铁基粉末冶金材料，以重量组分计包括：铁粉26份、铜粉8份、镍粉4份、碳粉6份、钛粉4份、丙烯酸乙酯5份、双酚A型环氧树脂3份、二氧化锰3份、水泥粉5份、石蜡4份、硬脂酸锌3份。
所述的铁基粉末冶金材料的制备方法，按照以下步骤制备：
步骤一，按照重量份称取各组分；
步骤二，将各组分于混合搅拌机中搅拌均匀，搅拌速度为105转/分钟，时间38分钟，得到混合物一；
步骤三，将固体混合物一于60℃条件下真空干燥，真空干燥时间为260分钟，然后加入到模具中压制成所需形状，得到压坯；
步骤四，将压坯送入烧结炉中，在高纯氮或高纯氩的保护下，升温至550℃，保持180分钟，再升温至750℃，保温70分钟，然后在真空条件下进行烧结，真空度为0.003MPa，烧结温度为1130℃，烧结时间280分钟，然后降至室温，以上升温过程的升温速度为10℃/分钟，降至室温的降温速度为5℃/分钟。
对以上实施例和对比例制备得到的铁基粉末冶金材料进行性能测试，具体结果见下表：
| 项目 | 拉伸强度/MPa | 伸长率/％ | 密度/g/cm3 | 硬度(HV) |
| 实施例1 | 1035 | 4.35 | 7.55 | 721 |
| 实施例2 | 1128 | 4.41 | 7.76 | 742 |
| 实施例3 | 1220 | 4.40 | 7.83 | 765 |
| 实施例4 | 1186 | 4.38 | 7.72 | 753 |
| 实施例5 | 1095 | 4.40 | 7.68 | 733 |
| 对比例1 | 1096 | 4.12 | 6.86 | 611 |
| 对比例2 | 798 | 3.21 | 7.05 | 678 |
从以上试验结果可以看出，本发明提供的铁基粉末冶金材料拉伸强度达到了1035MPa以上，伸长率达到了4.35％以上，密度达到了7.55以上，硬度达到了HV721以上，具有高拉伸强度、高硬度与韧度以及高密度的特点，以上实施例3中制备得到的铁基粉末冶金材料综合性能更加突出，因此可以作为最优选实施例。
对比例1与对比例2是在上述实施例3的基础上进行的验证性试验，其中对比例1中没有加入丙烯酸乙酯5份与水泥粉5份，结果导致材料的密度与硬度下降明显，因此可以表明，这两种组分的引入提升了材料的致密性以及硬度。对比例2中制备步骤中没有进行实施例3制备步骤中的步骤三，而直接将混合物一进行压制成压坯，结果导致材料的拉伸强度、伸长率、密度以及硬度都有较为明显的下降，因此可以看出，在本发明提供的材料制备方法中，步骤三中将混合物一浸于混合溶液中的过程对最终材料的综合性能有着重要的影响。
Claims (8)
1.一种铁基粉末冶金材料，其特征在于，以重量组分计包括：铁粉20-30份、铜粉5-10份、镍粉2-6份、碳粉3-8份、钛粉1-5份、丙烯酸乙酯3-7份、环氧树脂1-5份、二氧化锰1-5份、水泥粉3-6份、石蜡2-5份、硬脂酸锌1-4份；
所述的铁基粉末冶金材料的制备方法，按照以下步骤制备：
步骤一，按照重量份称取各组分；
步骤二，将各组分于混合搅拌机中搅拌均匀，得到混合物一；
步骤三，将步骤二得到的混合物一浸于混合溶液中，加热至50-60℃，搅拌60-100分钟，过滤得到固体混合物二，其中以上混合液组成为乙醇、聚乙二醇、氯化铵的质量比为15:1-3:2-5；
步骤四，将固体混合物二于60℃条件下真空干燥，然后加入到模具中压制成所需形状，得到压坯；
步骤五，将压坯送入烧结炉中，在惰性气体的保护下，升温至500-600℃，保持150-200分钟，再升温至700-800℃，保温60-100分钟，然后在真空条件下进行烧结，烧结温度为1100-1150℃，烧结时间200-300分钟，然后降至室温。
2.根据权利要求1所述的铁基粉末冶金材料，其特征在于，以重量组分计包括：铁粉24-28份、铜粉7-10份、镍粉3-5份、碳粉5-7份、钛粉3-5份、丙烯酸乙酯4-6份、环氧树脂2-4份、二氧化锰2-4份、水泥粉4-6份、石蜡3-5份、硬脂酸锌2-4份。
3.根据权利要求1所述的铁基粉末冶金材料，其特征在于，环氧树脂为双酚A型环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的铁基粉末冶金材料，其特征在于，制备方法步骤二中混合搅拌的搅拌速度为100-120转/分钟，时间30-50分钟。
5.根据权利要求1所述的铁基粉末冶金材料，其特征在于，制备方法步骤三中所述乙醇为无水乙醇，聚乙二醇为聚乙二醇2000。
6.根据权利要求1所述的铁基粉末冶金材料，其特征在于，制备方法步骤四中真空干燥时间为200-300分钟。
7.根据权利要求1所述的铁基粉末冶金材料，其特征在于，制备方法步骤五中惰性气体为高纯氮或高纯氩，真空条件的真空度为0.001-0.005MPa。
8.根据权利要求1所述的铁基粉末冶金材料，其特征在于，制备方法步骤五中升温速度为10℃/分钟，降至室温的降温速度为5℃/分钟。
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