CN104805366A

CN104805366A - 一种粉末冶金低合金钢及其制备方法

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Publication number: CN104805366A
Application number: CN201510258852.5A
Authority: CN
Inventors: 刘如铁; 曹光宇; 党胜云; 熊翔; 陈洁
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2015-05-20
Filing date: 2015-05-20
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2035-05-20
Also published as: CN104805366B

Abstract

一种粉末冶金低合金钢及制备方法，所述低合金钢包括下述组分组成：Mo，Cr，V，Mn，C，余量为Fe，各组分质量百分之和为100％。其制备方法包括：按设计的粉末冶金低合金钢的组分配比配料，合金化元素粉末的球磨活化，混料成型，脱脂/脱氧，两段真空烧结。本发明将机械活化后的合金粉与高活性微细铁粉及雾化铁粉混合，通过常规的压型、烧结获得了高的密度以及优异的力学性能的粉末冶金低合金钢。本发明生产工艺简单，便于工业化应用，制备的粉末冶金低合金钢密度达到7.56～7.85g/cm³，弯曲强度达到1720～2410Mpa，拉伸强度达到831-1150Mpa，在液压元器件、汽车零部件、工具结构件、刀具行业等民用领域具有广阔的应用前景。

Description

一种粉末冶金低合金钢及其制备方法

技术领域

本发明属于一种高强度高密度铁基粉末冶金材料的制备方法，具体地说是一种应用于包括液压元件在内高强度铁基合金零部件的材料制备工艺。

背景技术

近几年来，中国对农业、水利、能源、交通等基础领域的发展日渐重视。在机械工业快速发展的带动下，液压、气压动力机械及元件制造行业也迎来黄金期，然而随着国内机械产业从普通装备向相关高端产品升级，以及国际装备制造业向中国的转移，目前国内的液压件、气动件、密封件等基础件产品逐渐难以满足高档产品的市场需求。对基础件产品的严苛要求主要体现在对材料的选择上，落实到原辅料上便是对钢的严苛选择。结合现代工业逐渐严苛的工作条件，钢铁材料需要拥有更高的力学性能、更高的硬度及耐磨性以及更高的精密度。传统的相关元件制备工艺复杂、机械加工成本高，在性能上很难再有提高。

粉末冶金技术就是采用粉末作为原料，经过成形和烧结制造材料及制品的工艺技术。由于粉末冶金工艺是一种无切削工艺，故采用该工艺制成的批量产品具有机械加工工艺流程简短；产品形状可以非常复杂同时兼顾尺寸精度的一致性；原料利用率高达95％；节约能源、节约工时等一系列优点。

铁基粉末冶金材料的物理及力学性能较好且价格相对低廉，因而成为产量最大，应用面最广的粉末冶金产品。尽管我国已成为亚洲最大的铁基产品生产基地，而国内铁基粉末冶金产品大多属于中低档产品，密度仅为6.4～7.1g/cm³，高达10％以上的孔隙大幅度降低了材料的综合力学性能，弯曲强度很难超过1000Mpa，硬度不超过380HBW。这主要是因为中低档产品使用的原料铁粉完全采用雾化铁粉，而常用的雾化铁粉很难适用于高密度、高强度的产品，为了达到高密高强的要求，必须加大成型压力或采用多次复压复烧，前者对模具耗损大，模具费用高昂，后者每多一次复压复烧环节，成本就要增加80％～120％；此外，为了满足高机械性能的要求，常用产品会以母合金粉的形式加入高含量的合金，然而高含量的合金会增加材料成本以及大大影响产品的尺寸；另一方面，母合金易于氧化进而会对产品性能产生负面影响。尽管现在逐渐产生了微波烧结、自蔓延高温合成法，等静压烧结等高致密材料制备方法，然而其成本却让许多企业望而却步。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种组分配比合理、制备方法简单的粉末冶金低合金钢及制备方法。本发明提供的粉末冶金低合金钢具有合金含量低、致密度高、强度高、硬度高等优异性能。

本发明一种粉末冶金低合金钢，包括下述组分按质量百分比组成：

Mo：2.3-3.6％，

Cr：1.2-3％，

V：0.5-1.8％，

Mn：0.2-0.7％，

C：0.6-2.2％，余量为Fe，各组分质量百分之和为100％。

Mo：2.5-3.2％，

Cr：1.5-2.5％，

V：0.8-1.5％，

Mn：0.3-0.5％，

C：0.8-2.0％，余量为Fe，各组分质量百分之和为100％。

Mo：2.7-3.0％，

Cr：1.8-2.2％，

V：1.0-1.3％，

Mn：0.3-0.5％，

C：1.0-1.8％，余量为Fe，各组分质量百分之和为100％。

本发明一种粉末冶金低合金钢，所述Mo、Cr、V、Mn元素均以铁基预合金粉末经过球磨活化后加入，Mo、Cr、V、Mn的铁基预合金粉末的粒度≤45um，经球磨至粒度为2-10um的活化合金粉末；C以微粉石墨的形式加入，C的微粉石墨粒度≤45um。

本发明一种粉末冶金低合金钢，所述Fe以微细铁粉与雾化铁粉的形式加入，微细铁粉与雾化铁粉按质量比1～5：1匹配。

本发明一种粉末冶金低合金钢，所述微细铁粉的粒度≤20um，纯度≥99.5％(即铁的质量百分含量≥99.5％)；雾化铁粉的粒度≤100um，纯度≥99％。

本发明一种粉末冶金低合金钢的制备方法，包括下述步骤：

第一步：配料

按设计的粉末冶金低合金钢的组分配比，分别称取Mo、Cr、V、Mn的铁基预合金粉末、微粉石墨及铁粉，其中，铁粉由微细铁粉与雾化铁粉按质量比1～5：1匹配组成；

第二步：合金化元素粉末的球磨活化

将第一步称取的Mo、Cr、V、Mn的铁基预合金粉末球磨至粒度为2-10um的活化合金粉，备用；

第三步：混料成型

将第一步称取的铁粉、微粉石墨与第二步得到的活化合金粉及成型剂和润滑剂混合，球磨分散均匀后，压制成型，得到密度为6.84～7.09g/cm³的成型坯；

第四步：脱脂/脱氧

将第三步得到的成型坯在还原性气氛(氢气)的保护下于650～850℃进行脱脂、脱氧处理，去除压坯中的成型剂和润滑剂，以及铁粉、合金粉中的氧原子，得到初坯；

第五步：烧结

将第四步得到的初坯进行两段真空烧结，随炉冷却，得到粉末冶金低合金钢；

烧结工艺条件为：真空度10^-1～10^-2Pa；

第一段升温速度8～12℃/min，保温温度855～935℃，保温时间30～50min；

第二段升温速度4～10℃/min，保温温度1120～1320℃，保温时间40～120min。

本发明一种粉末冶金低合金钢的制备方法，第一步中，所述Mo、Cr、V、Mn的铁基预合金粉末的粒度及微粉石墨的粒度均≤45um；铁粉中微细铁粉的粒度≤20um，纯度≥99.5％，雾化铁粉的粒度≤100um，纯度≥99％。

本发明一种粉末冶金低合金钢的制备方法，第二步中，球磨活化采用湿式球磨，分散介质为酒精、汽油、水、丙酮、甘油、己烷中的一种。

本发明一种粉末冶金低合金钢的制备方法，第二步中，采用行星式球磨机转速220～280r/min，球磨时间7～14h，磨球为硬质合金球，球磨罐材质为硬质合金。

本发明一种粉末冶金低合金钢的制备方法，第三步中，成型剂和润滑剂为石蜡，粒度≤45um，石蜡的加入量为粉末冶金低合金钢各组分质量之和的0.75～1.85wt％。

本发明一种粉末冶金低合金钢的制备方法，第三步中，混料采用行星式球磨机进行，磨球为不锈钢球，球磨罐材料为不锈钢，分散介质为酒精、汽油、水、丙酮、甘油、己烷中的一种，行星式球磨机转速60～130r/min，混料时间20～30h。

本发明一种粉末冶金低合金钢的制备方法，第三步中，成型采用两步成型，首先，以280-380Mpa的压力预压成型，保压3～5s后，以550～750Mpa的压力进行压制，得到密度6.84～7.09g/cm³的成型坯。

本发明一种粉末冶金低合金钢的制备方法，第四步中，脱脂、脱氧处理保温时间为0.5-1h。

本发明一种粉末冶金低合金钢的制备方法，得到的粉末冶金低合金钢密度达到7.56～7.85g/cm³，弯曲强度达到1720～2410Mpa，拉伸强度达到831-1150Mpa。

本发明由于采用上述技术方案，首先，组分中，合金化元素含量低，可以有效降低制品的成本，且含量合理的钼元素能够快速扩散入铁基体并迅速均匀化，达到固溶强化的效果；含量合理的铬元素能够与碳结合生成碳化铬，起到颗粒强化的作用，且可以明显增加铁基合金的硬度；含量合理的锰元素能够溶入渗碳体以复合碳化物的形态存在，增加基体机械性能；而含量合理的钒元素能够大幅度细化铁基合金的晶粒，使得材料在小尺寸晶粒下获得高的强度与韧性。

本发明采用微细铁粉与雾化铁粉合理的配比，较之仅使用雾化铁粉的坯体有效改善了粉末颗粒之间的嵌合形式，在烧结过程中原位生成增强铁基材料的碳化物相，避免了合金的氧化，通过机械球磨活化降低材料烧结所需能量，即大幅降低其扩散固溶入基体所需的能量，且能够大大提高其在基体中的均匀度，再通过真空烧结产生的压力差最大限度地将材料中的孔隙排出，在中低温下获得高致密度、高强度、高硬度的粉末冶金低合金钢。

发明的优点和积极效果

由于采用上述技术方案，本发明较好地实现了发明目的，本技术方案的优点和积极效果充分体现在：

1、将机械活化后的合金粉与高活性微细铁粉及雾化铁粉混合，通过常规的压型、烧结过程获得了性能优异的铁基合金材料，其生产工艺简单且便于工业化。多种粉末混合球磨还可以产生机械合金化的效果。

2、活化后的粉末本身存在很高的活化能，使其烧结成型所需的能量大大降低，因此能在低的烧结温度得到所需的产品，在真空烧结的条件下，采用本发明的样品较之常规粉末样品烧结温度更低，且在相同的烧结温度下拥有更高的密度与力学性能。

3、碳含量能够极大地影响铁基粉末冶金材料的组织与性能。碳含量过高，铁基组织出现大量液相，改变产品的宏观形状；碳含量过低，其对铁基组织的增强效果有限；本发明通过加入合金元素使其优先与碳原子结合，形成碳化物作为增强相，一方面，可以控制碳原子与铁的结合，烧结时获得合理的液相量；另一方面，保证铁基合金中存在一定的强化相以增强铁基合金的力学性能；因此，本发明通过调节合金含量来控制组织中的液相，而合理液相的存在能够极大提高材料的致密度。

4、本发明制备的粉末冶金低合金钢具有高的密度以及优异的力学性能，在液压元器件、汽车零部件、工具结构件、刀具行业等民用领域具有广阔的应用前景。

附图说明

附图1为本发明实施例2制备的粉末冶金低合金钢的金相显微组织图(放大倍率50倍)；

附图2为本发明对比例1制备的粉末冶金低合金钢的金相显微组织图(放大倍率50倍)；

附图1中，黑色圆点状组织为孔隙。可见孔隙尺寸较小，孔隙数目很少，组织较致密。

附图2中，黑色区域组织为孔隙。可见组织中孔隙数目多，孔隙尺寸大小不一，存在约500um左右的大孔隙，这样的组织结构大大降低了材料的密度与力学性能。这是采用常规粉末制备的铁基合金钢性能较低的主要原因之一。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明

实施例1

制备一种高强度高密度粉末冶金低合金钢，其中：

(1)原料粉末采用Fe-65Cr、Fe-60Mo、Fe-80Mn、Fe-50V合金粉末以及比例为3：2的高活性微细铁粉与雾化铁粉。合金粉末粒度为-325目，高活性微细铁粉粒度＜20um，纯度＞99.5％，雾化铁粉为-100目，纯度＞99％。微粉石墨与微粉石蜡粒度均为-325目。成分配比：钼2.6wt％，铬1.2wt％，钒0.5wt％，锰0.3wt％，石墨0.7wt％，铁94.7wt％

(2)按照上述配方将合金粉末在行星球磨机中进行机械球磨活化9h，制得中粒径为2.4um的合金活化粉。

(3)将合金活化粉、高活性微细铁粉、雾化铁粉、微粉石墨、微粉石蜡及不锈钢球加入不锈钢球磨罐，采用行星球磨机对上述粉末进行混合，混合时间为28h，分散介质为酒精。

(4)对混合后的粉末压坯成型，选择的液压机成型压力为700Mpa，预压力50％，保压时间为5s。

(5)将压制后的坯体放入管式氢气炉中850℃下保温1h进行脱脂处理。

(6)将脱脂/脱氧后的坯体放入真空烧结炉中进行真空烧结，经由8℃/min的升温速度到达900℃预烧结平台保温30min，再经由6℃/min的速度升温至1280℃，烧结时间为60min。

所得到的物理性能和力学性能如附表1所示。

表1

实施例2

(1)原料粉末采用Fe-65Cr、Fe-60Mo、Fe-80Mn、Fe-50V合金粉末以及比例为4：1的高活性微细铁粉与雾化铁粉。合金粉末粒度为-325目，高活性微细铁粉粒度＜20um，纯度＞99.5％，雾化铁粉为-100目，纯度＞99％。微粉石墨与微粉石蜡粒度均为-325目。成分配比如下：钼2.6wt％，铬1.8wt％，钒0.8wt％，锰0.5wt％，石墨1.35wt％，铁92.95wt％

(2)按照上述配方将合金粉末在行星球磨机中进行机械球磨活化7h，制得中粒径为4.0um的合金活化粉。

(3)将合金活化粉、高活性微细铁粉、雾化铁粉、微粉石墨、微粉石蜡及不锈钢球加入不锈钢球磨罐，采用行星球磨机对上述粉末进行混料，混合时间为30h，分散介质为酒精。

(4)对混合后的粉末压坯成型，液压机成型压力为700Mpa，预压力50％，保压时间为5s。

(6)将脱脂/脱氧后的坯体放入真空烧结炉中进行真空烧结，经由8℃/min的升温速度达到855℃预烧结平台保温40min，再经由8℃/min速度升温至1200℃，烧结时间为90min。

所得到的物理性能和力学性能如附表2所示。

表2

实施例3

(1)原料粉末采用Fe-65Cr、Fe-60Mo、Fe-80Mn、Fe-50V合金粉末以及比例为2：1的高活性微细铁粉与雾化铁粉。合金粉末粒度为-325目，高活性微细铁粉粒度＜20um，纯度＞99.5％，雾化铁粉为-100目，纯度＞99％。微粉石墨与微粉石蜡粒度均为-325目。成分配比：钼3.2wt％，铬2wt％，钒1.8wt％，锰0.5wt％，石墨2.0wt％，铁90.5wt％

(2)按照上述配方将合金粉末在行星球磨机中进行机械球磨活化13h，制得中粒径为2.0um的合金活化粉。

(3)将合金活化粉、高活性微细铁粉、雾化铁粉、微粉石墨、微粉石蜡及不锈钢球加入不锈钢球磨罐，采用行星球磨机对上述粉末进行混合，混合时间为30h，分散介质为酒精。

(4)对混合后的粉末压坯成型，选择的液压机成型压力为700Mpa，预压力50％，保压时间为4s。

(6)将脱脂/脱氧后的坯体放入真空烧结炉中进行真空烧结，在6℃/min的升温速度下达到935℃预烧结平台，保温50min后再经由10℃/min升温速度达到1120℃，烧结时间120min。

所得到的物理性能和力学性能如附表3所示。

表3

对比例1

(1)原料粉末采用Fe-65Cr、Fe-60Mo、Fe-80Mn、Fe-50V合金粉末以及雾化铁粉。合金粉末粒度为-325目，雾化铁粉为-100目，纯度＞99％。微粉石墨与微粉石蜡粒度均为-325目。成分配比与实施例2中成分相同：钼2.6wt％，铬1.8wt％，钒0.8wt％，锰0.5wt％，石墨1.35wt％，铁92.95wt％

(2)将合金活化粉、雾化铁粉、微粉石墨、微粉石蜡及不锈钢球加入不锈钢球磨罐，采用行星球磨机对上述粉末进行混料，混合时间为30h，分散介质为酒精。

所得到的物理性能和力学性能如附表2所示。

表2

比较实施例2与对比例1的性能参数可知，在完全相同的工艺条件下，本发明将粉末活化后进行烧结，得到的粉末冶金钢的密度、弯曲强度、拉伸强度及宏观硬度较常规方法制备的粉末冶金钢，都有大幅度的提高。本发明采用机械活化后的合金粉与高活性微细铁粉及雾化铁粉混合，通过常规的压型、烧结获得了高的密度以及优异的力学性能的粉末冶金低合金钢，克服了现有技术存在的弊端。低成本、大幅度提升了粉末冶金钢的综合机械性能。

Claims

1.一种粉末冶金低合金钢，包括下述组分按质量百分比组成：

Mo：2.3-3.6％，

Cr：1.2-3％，

V：0.5-1.8％，

Mn：0.2-0.7％，

C：0.6-2.2％，余量为Fe，各组分质量百分之和为100％。

2.根据权利要求1所述的一种粉末冶金低合金钢，其特征在于：所述Mo、Cr、V、Mn元素均以铁基预合金粉末经过球磨活化后加入，Mo、Cr、V、Mn的铁基预合金粉末的粒度≤45um，经球磨至粒度为2-10um的活化合金粉末；C以微粉石墨的形式加入，C的微粉石墨粒度≤45um。

3.根据权利要求1所述的一种粉末冶金低合金钢，其特征在于：所述Fe以微细铁粉与雾化铁粉的形式加入，微细铁粉与雾化铁粉按质量比1～5：1匹配。

4.根据权利要求1所述的一种粉末冶金低合金钢，其特征在于：所述微细铁粉的粒度≤20um，纯度≥99.5％；雾化铁粉的粒度≤100um，纯度≥99％。

5.一种粉末冶金低合金钢的制备方法，包括下述步骤：

第一步：配料

按设计的粉末冶金低合金钢的组分配比，分别称取Mo、Cr、V、 Mn的铁基预合金粉末、微粉石墨及铁粉，其中，铁粉由微细铁粉与雾化铁粉按质量比1～5：1匹配组成；

第二步：合金化元素粉末的球磨活化

第三步：混料成型

第四步：脱脂/脱氧

第五步：烧结

烧结工艺条件为：真空度10^-1～10^-2Pa；

6.根据权利要求5所述的一种粉末冶金低合金钢的制备方法，其特征在于：第一步中，所述Mo、Cr、V、Mn的铁基预合金粉末的粒度及微粉石墨的粒度均≤45um；铁粉中微细铁粉的粒度≤20um，纯度≥99.5％，雾化铁粉的粒度≤100um，纯度≥99％。

7.根据权利要求5所述的一种粉末冶金低合金钢的制备方法，其特征在于：第二步中，球磨活化采用湿式球磨，分散介质为酒精、汽油、水、丙酮、甘油、己烷中的一种；湿式球磨采用行星式球磨机，转速220～280r/min，球磨时间7～14h，磨球为硬质合金球，球磨罐材质为硬质合金。

8.根据权利要求5所述的一种粉末冶金低合金钢的制备方法，其特征在于：第三步中，成型剂和润滑剂为石蜡，粒度≤45um，石蜡的加入量为粉末冶金低合金钢各组分质量之和的0.75～1.85wt％；混料采用行星式球磨机进行，磨球为不锈钢球，球磨罐材料为不锈钢，分散介质为酒精、汽油、水、丙酮、甘油、己烷中的一种，行星式球磨机转速60～130r/min，混料时间20～30h。

9.根据权利要求5所述的一种粉末冶金低合金钢的制备方法，其特征在于：第三步中，成型采用两步成型，首先，以280-380Mpa的压力预压成型，保压3～5s后，以550～750Mpa的压力进行压制，得到密度6.84～7.09g/cm³的成型坯。

10.根据权利要求5-9任意一项所述的一种粉末冶金低合金钢的制备方法，其特征在于：得到的粉末冶金低合金钢密度达到7.56～7.85g/cm³，弯曲强度达到1720～2410Mpa，拉伸强度达到831-1150Mpa。