CN107243635A - 一种粉末冶金耐磨钢熔渗烧结淬火一体化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粉末冶金耐磨钢熔渗烧结淬火一体化技术，所述的粉末冶金耐磨钢材料以W6Mo5Cr4V2高速钢粉末为基体材料，添加有Co‑Cr‑Mo和Fe‑Mo硬质颗粒、Cu；成分质量百分比为W6Mo5Cr4V2为45％～57％；Co‑Cr‑Mo为13％～17％；Fe‑Mo为4％～7％；Cu为17％～22％；固体润滑剂和易切削成分为2％～3％。本发明采用熔渗烧结淬火一体化技术，使粉末冶金耐磨钢表面形貌良好，又能得到合金马氏体组织，缩短制备工艺，减少制备时间，节能增效。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种粉末冶金耐磨钢熔渗烧结淬火一体化工艺。
背景技术
面对粉末冶金钢磨损情况严重，目前普遍采用高碳、高合金材料提升粉末冶金钢性能，而高碳、高合金粉末冶金钢需要通过合适的热处理才能充分发挥材料性能。铁基粉末冶金材料烧结温度为T烧＝(0.7～0.8)Tm即1100℃～1230℃。W6Mo5Cr4V2高速钢热处理淬火温度为1200℃左右。由此可知，本材料熔渗烧结温度和热处理温度在同一温度区间。粉末冶金材料烧结完成后再进行热处理，一方面极大浪费了时间和能源。另一方面，为进一步提高粉末冶金耐磨钢性能，本材料通过渗铜处理填充材料孔隙，但热处理温度需要加热到Cu熔点(1083℃)以上才能发挥材料性能，在此高温下，原本熔渗烧结好的粉末冶金材料重新加热到1083℃以上热处理时，热处理工艺参数控制不当将会有一定量的Cu挥发和流失，造成Cu表面残留和表面孔隙，需要机械加工处理表面形貌，从而增加了成本。另外熔渗烧结后再次加热淬火对材料中Fe-Mo和Co-Cr-Mo硬质颗粒有一定影响。图2为熔渗烧结后再次加热淬火时，不同淬火温度下材料显微形貌，可以看出，淬火温度达到1260℃时部分Co-Cr-Mo硬质颗粒不能保持形貌，Fe-Mo硬质颗粒出现孔洞。对Fe-Mo和Co-Cr-Mo硬质颗粒能谱扫描后发现，淬火温度从1140℃升高到1260℃时，Fe-Mo颗粒Mo元素含量从67.24％降低至58.09％，Co-Cr-Mo颗粒Mo元素含量从40.88％降低至35.92％。由此可知Fe-Mo和Co-Cr-Mo硬质颗粒元素发生了明显扩散，因此硬质颗粒硬度降低，摩擦磨损时硬质颗粒承受主要载荷作用减弱，基体材料与磨料接触机会增大，材料耐磨性变差。
综上所述，开发一种适合高碳、高合金粉末冶金材料熔渗烧结淬火一体化技术是本领域人员亟待解决的问题。
目前，现有针对粉末冶金耐磨钢大多采用高碳、高合金材料制备，经常会用到渗铜处理来填充材料孔隙，提升材料物理和力学性能。中国专利(公开号CN103480849A，公开日2014.01.01)公开了一种天然气发动机粉末冶金气门座圈材料和制备方法，其材料为：C：0.6-1.5％、S：0.3-1.5％、Cr：3-10％、Mo：4-12％、Ni：0.5-5％、Co：3-10％、Cu：10-20％、Mn：1-2.5％、V：1-4％、W：2-7％、Fe：余量。制备工艺为：(1)按比例将原材料粉末进行混合均匀；(2)在压机上将混合好的粉末进行压制成型；(3)将成型毛坯在烧结炉中进行高温烧结，同时进行渗铜处理；(4)用液氮对烧结毛坯进行冷处理；(5)在热处理炉中对冷处理毛坯进行热处理；(6)机加工成成品。相关文献对粉末冶金耐磨钢熔渗烧结后再次热处理方式有以下几种：①淬火(800～900℃)+回火；②直接回火；③水蒸气处理。在上述热处理后有时用到深冷处理。
上述方法存在有如下不足：
合金元素主要以固溶体和碳化物形式强化材料，渗铜后再进行热处理存在以下几个技术难题：
①当熔渗烧结后热处理温度低，C和合金元素不容易固溶到Fe中，淬火后难以得到饱和的合金马氏体，回火后不容易析出的弥散细小合金碳化物，影响合金元素强化效果。另外，热处理温度低，得到珠光体等较软组织，而硬质颗粒硬度较高，这种硬度差别会造成基体和硬质颗粒剥落。
②当熔渗烧结后热处理温度高，原本熔渗烧结好的粉末冶金耐磨钢重新加热到1083℃以上热处理时，Fe-Mo和Co-Cr-Mo硬质颗粒再次发生扩散，硬度降低，摩擦磨损时硬质颗粒承受主要载荷作用减弱，基体材料与磨料接触机会增大，材料耐磨性变差。另外，热处理工艺参数控制不当将会有一定量的Cu挥发和流失，造成Cu表面残留和表面孔隙，需要机械加工处理表面形貌，从而增加了成本。
③熔渗烧结后进行热处理时间周期长，能源消耗大。
发明内容
为了解决粉末冶金钢磨损情况严重的问题，本发明目的在于提供一种粉末冶金耐磨钢熔渗烧结淬火一体化工艺。
本发明采取的技术方案是：
本发明的粉末冶金耐磨钢材料的制备工艺的具体步骤如下：
1、将原材料按比例进行称量；
2、将配好的粉末原料进行混料；
3、用液压机压制成压坯；
4、在真空烧结炉中进行烧结，同时进行渗铜处理；
5、熔渗烧结完成后即刻进行真空淬火处理，然后回火；
6、机械加工成成品。
本发明的粉末冶金耐磨钢材料以W6Mo5Cr4V2高速钢粉末为基体材料，添加有Co-Cr-Mo和Fe-Mo硬质颗粒、Cu；成分质量百分比为W6Mo5Cr4V2为45％～57％；Co-Cr-Mo为13％～17％；Fe-Mo为4％～7％；Cu为17％～22％；固体润滑剂和易切削成分为2％～3％，其中元素质量百分比含量组成如下：C：0.7～1.4％、Cr：3.5～12.5％、Mo：7.6～16％、Co：3.1～12％、Cu：18～22％、Mn：1-2.5％、S：0.5-1.5％、V：1-4％、W：2.4～7.3％、杂质3％以下，Fe：余量。
所述的杂质包括Ca、F、Si等。
所述的固体润滑剂是CaF2。
所述的易切削成分是MnS。
所述的粉末冶金耐磨钢材料中基体材料添加Cu，Cu有5％左右为混合在压坯中即与其它粉末混合压制，剩余Cu粉为单独压制成与材料同尺寸的块状，放置在材料上，通过熔渗烧结(1180℃～1220℃)，熔化成液态，渗入材料压坯孔隙中。
步骤(4)，真空烧结温度是1180℃～1220℃，烧结时间40min～100min，60min效果好。真空度1.0×10-3Pa左右左右。
步骤(5)，回火1-3次，每次1h。
具体步骤是：将筛分好的粉末按质量分数配好，置入双锥高效混合机中混合2h，将混好的粉末放入模具中压制成圆环型坯料，压坯尺寸为Φ42mm×Φ28mm×9.4mm，密度控制在6.7g/cm3左右，压制好的生坯(包含材料主体压坯和放置在上面的Cu-Fe-Mn，Cu占90％以上，压制的铜环)在WZC-30型真空烧结炉中进行一步法熔渗烧结，真空度1.0×10-3Pa左右，升温速度10℃/min，在600℃和800℃各保温15min，烧结温度1180℃～1220℃，烧结时间40min～100min，烧结完成后迅速淬火。
制备表面形貌良好、性能优异和时间周期短的高碳、高合金粉末冶金耐磨钢原理：粉末冶金耐磨钢在真空加热下熔渗烧结，形貌良好。经过一定时间保温，烧结颈长大，孔隙减少，基体连接成团。随烧结保温，基体形成奥氏体组织，并溶入大量合金元素，通过及时淬火处理得到高合金马氏体组织，回火减少残余奥氏体含量，并析出大量弥散细小合金碳化物，因此提高了材料性能，缩短了制备时间，节约了能源。
本发明的积极效果如下：
本发明采用W6Mo5Cr4V2高速钢粉末为基体材料制备粉末冶金耐磨钢。W6Mo5Cr4V2高速钢问世已50多年，成分配比合理，性能稳定，淬火后能得到饱和合金马氏体，回火后能弥散析出较多和较稳定的合金碳化物。采用熔渗烧结淬火一体化技术比熔渗烧结后再热处理温度低，这是因为一体化中Cu的液相烧结可以促进烧结和合金元素的扩散，降低烧结和热处理温度。粉末冶金耐磨钢表面形貌良好，又能得到合金马氏体组织，耐磨性提高，并且缩短了粉末冶金耐磨钢制备时间，节约了能源。
绝大部分的专利、文献没有提到过将高碳、高合金粉末冶金材料熔渗烧结后直接淬火制备。我们材料的特殊之处在于将W6Mo5Cr4V2高速钢渗铜处理后直接淬火然后回火热处理。如不进行热处理，材料硬度为30HRC，硬度较低，耐磨性较差，故需要热处理提升材料性能。而又不能像W6Mo5Cr4V2高速钢高温热处理，硬度达到60HRC以上，这样存在加工困难，Cu流出导致形貌破坏，因此本试验材料进行渗铜处理，起到填充孔隙、降低硬度，从而易于加工，另外，可以提高材料热导率。本材料还添加有约20％左右的Co-Cr-Mo、Fe-Mo硬质颗粒，熔渗后进行热处理相比熔渗后直接取出淬火增添了工序，增加生产了成本。本材料以W6Mo5Cr4V2高速钢为基体材料，热处理温度高，高温淬火保温时，Cu容易渗出，破坏形貌，Cu所覆盖区域碳化物温度低，碳化物难以溶入奥氏体，因为W6Mo5Cr4V2淬火温度要在1200℃左右，而Cu所覆盖区域温度只能达到1083℃。同时，熔渗后进行热处理，Co-Cr-Mo、Fe-Mo硬质颗粒再次发生扩散，硬度降低，承受载荷作用减弱，材料耐磨性降低。故材料不进行热处理是难以发挥W6Mo5Cr4V2基体材料性能，进行热处理又受限于铜和硬质颗粒对材料的影响。所以，本材料能够有一种不进行热处理工序，又能达到热处理效果的熔渗烧结淬火一体化技术，是一种非常实用、有效、节能和提高生产效率的方法。
附图说明
图1是一种粉末冶金耐磨钢熔渗烧结淬火一体化工艺曲线图。
图2是熔渗烧结后再次加热淬火时，不同淬火温度下材料显微形貌图。
具体实施方式
下面的实施例是对本发明的进一步详细描述。
(1)将原材料按比例进行称量。W6Mo5Cr4V2高速钢粉末颗粒≤150目，Co-Cr-Mo和Fe-Mo硬质颗粒≤250目。
(2)将配好的粉末原料在混料机置入双锥高效混合机中混合2h。
(3)用液压机压制成压坯。材料主体坯料密度控制6.7g/cm3左右；渗铜粉压制成环状，密度控制在6.5～6.8g/cm3。
本发明的粉末冶金耐磨钢材料以W6Mo5Cr4V2高速钢粉末为基体材料，添加有Co-Cr-Mo和Fe-Mo硬质颗粒、Cu；成分质量百分比为W6Mo5Cr4V2为45％～57％；Co-Cr-Mo为13％～17％；Fe-Mo为4％～7％；Cu为17％～22％；固体润滑剂和易切削成分为2％～3％，其中元素质量百分比含量组成如下：C：0.7～1.4％、Cr：3.5～12.5％、Mo：7.6～16％、Co：3.1～12％、Cu：18～22％、Mn：1-2.5％、S：0.5-1.5％、V：1-4％、W：2.4～7.3％、杂质3％以下，Fe：余量。
所述的杂质包括Ca、F、Si等。
所述的固体润滑剂是CaF2。
所述的易切削成分是MnS。
所述的粉末冶金耐磨钢材料中基体材料添加Cu，Cu有5％左右为混合在压坯中即与其它粉末混合压制，剩余Cu粉为单独压制成与材料同尺寸的块状，放置在材料上，通过熔渗烧结(1180℃～1220℃)，熔化成液态，渗入材料压坯孔隙中。
实施例1
(1)在真空烧结炉中进行直接熔渗烧结，于600℃和800℃保温20min，1180℃保温40min～100min，升温速度10℃/min，熔渗烧结完成后立即在温油(50℃左右)中淬火。
(2)加热到580℃，保温60min回火处理3次。
(3)机械加工成成品
实施例2
(1)在真空烧结炉中进行直接熔渗烧结，于600℃和800℃保温20min，1200℃保温40min～100min，升温速度10℃/min，熔渗烧结完成后立即在温油(50℃左右)中淬火。
(2)加热到580℃，保温60min回火处理3次。
(3)机械加工成成品
实施例3
(1)在真空烧结炉中进行直接熔渗烧结，于600℃和800℃保温20min，1220℃保温40min～100min，升温速度10℃/min，熔渗烧结完成后立即在温油(50℃左右)中淬火。
(2)加热到580℃，保温60min回火处理3次。
(3)机械加工成成品
在本发明实施熔渗烧结后立即淬火时采用WZC-30型真空油淬炉。WZC-30型真空油淬炉分为前室真空淬火和后室真空加热，后室最高温度可大1300℃，前室和后室中间为一道密封性闸门。
耐磨性试验。试验条件：磨损试验在M-2000型摩擦磨损试验机上进行，采用盘-销磨损，树脂氧化铝材料作磨料，载荷为120N，摩擦速度为200r/min，磨损时间为30min。
利用本发明技术方案制备的粉末冶金耐磨钢具体指标为：
表1
注：①上述方案用时未计算真空炉冷却时间；熔渗烧结后形貌良好，再热处理时选择合理热处理工艺参数，表面形貌得到控制，不影响加工和使用。②总用时为开始加热到试样冷却用时。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种粉末冶金耐磨钢熔渗烧结淬火一体化工艺，其特征在于：所述工艺的具体步骤如下：
(1)将原材料按比例进行称量；
(2)将配好的粉末原料进行混料；
(3)用液压机压制成压坯；
(4)在真空烧结炉中进行烧结，同时进行渗铜处理；
(5)熔渗烧结完成后直接进行真空淬火处理，然后回火；
(6)机械加工成成品。
2.如权利去要求1所述的粉末冶金耐磨钢熔渗烧结淬火一体化工艺，其特征在于：所述的粉末冶金耐磨钢材料以W6Mo5Cr4V2高速钢粉末为基体材料，添加有Co-Cr-Mo和Fe-Mo硬质颗粒、Cu；成分质量百分比为W6Mo5Cr4V2为45％～57％；Co-Cr-Mo为13％～17％；Fe-Mo为4％～7％；Cu为17％～22％；固体润滑剂和易切削成分为2％～3％，其中元素质量百分比含量组成如下：C：0.7～1.4％、Cr：3.5～12.5％、Mo：7.6～16％、Co：3.1～12％、Cu：18～22％、Mn：1-2.5％、S：0.5-1.5％、V：1-4％、W：2.4～7.3％、杂质3％以下，Fe：余量。
3.如权利去要求2所述的粉末冶金耐磨钢熔渗烧结淬火一体化工艺，其特征在于：所述的杂质包括Ca、F、Si等。
4.如权利去要求2所述的粉末冶金耐磨钢熔渗烧结淬火一体化工艺，其特征在于：所述的固体润滑剂是CaF2。
5.如权利去要求2所述的粉末冶金耐磨钢熔渗烧结淬火一体化工艺，其特征在于：所述的易切削成分是MnS。
6.如权利去要求2所述的粉末冶金耐磨钢熔渗烧结淬火一体化工艺，其特征在于：所述的粉末冶金耐磨钢材料中基体材料添加Cu，Cu有5％左右为混合在压坯中即与其它粉末混合压制，剩余Cu粉为单独压制成与材料同尺寸的块状，放置在材料上，通过熔渗烧结(1180℃～1220℃)，熔化成液态，渗入材料压坯孔隙中。
7.如权利去要求1所述的粉末冶金耐磨钢熔渗烧结淬火一体化工艺，步骤(4)，真空烧结温度是1180℃～1220℃，烧结时间40min～100min，1200℃下60min效果最好，真空度1.0×10-3Pa。
8.如权利去要求1所述的粉末冶金耐磨钢熔渗烧结淬火一体化工艺，其特征在于：步骤(5)，回火1-3次，每次1h。
9.如权利去要求1所述的粉末冶金耐磨钢熔渗烧结淬火一体化工艺，其特征在于：具体步骤是：将筛分好的粉末按质量分数配好，置入双锥高效混合机中混合2h，将混好的粉末放入模具中压制成圆环型坯料，压坯尺寸为Φ42mm×Φ28mm×9.4mm，密度控制在6.7g/cm3左右，压制好的生坯(包含材料主体压坯和放置在上面的Cu-Fe-Mn，Cu占90％以上，压制的铜环)在WZC-30型真空烧结炉中进行一步法熔渗烧结，真空度1.0×10-3Pa左右，升温速度10℃/min，在600℃和800℃各保温15min，烧结温度1180℃～1220℃，烧结时间40min～100min，烧结完成后迅速淬火。
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