CN109306437A - 一种铁基合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及一种铁基合金，本发明提供的铁基合金，按质量百分数计，包括以下组分：C 0.7～1.4％，Cu 10～12％，Cr 2.0～3.0％，Mo 2～4％，Co 5～5.5％，Ni 1.0～5.0％，P 1.0～3.0％，S 1.0～3.0％，V 2.0～5.5％，W 3.0～6.0％，Si 1.0～2.0％，Mn 0.8～1.2％，余量为Fe和不可避免的杂质。根据实施例的记载，本发明提供的铁基合金的硬度达到56.7HRC以上。

Description

一种铁基合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及一种铁基合金及其制备方法和应用。
背景技术
气门座圈是发动机上重要的部件，是内燃机燃料燃烧时进入空气和燃烧后排出废气的门户，其主要是为了保证燃烧室的密封。一般发动机气门座圈材料的工作温度可达850～950℃，由于长时间处于较高的温度下工作，非常容易导致气门座圈的硬度下降而产生变形，且在进气时对气门座圈每分钟高达2000次高频率的反复冲击，提高其磨损程度。
因此，如何提高气门座圈合金材料的耐磨损性能成为人们研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐磨损性能好的铁基合金及其制备方法以及所述铁基合金在风冷发动机气门座圈的应用。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种铁基合金，按质量百分数计，包括以下组分：C 0.7～1.4％，Cu10～12％，Cr 2.0～3.0％，Mo 2～4％，Co 5～5.5％，Ni 1.0～5.0％，P 1.0～3.0％，S 1.0～3.0％，V 2.0～5.5％，W 3.0～6.0％，Si 1.0～2.0％，Mn 0.8～1.2％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选的，所述铁基合金，其特征在于，按质量百分数计，包括以下组分：C 0.8～1.2％，Cu 10.5～11.5％，Cr 2.2～3.8％，Mo 2.4～3.2％，Co 5.1～5.3％，Ni 2.2～4.3％，P 1.6～2.3％，S 1.7～2.6％，V 3.0～4.5％，W 4.0～5.0％，Si 1.3～1.7％，Mn0.9～1.1％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供了所述铁基合金的制备方法，包括以下步骤：
按照所述铁基合金的成分配比将合金原料依次进行预处理、压制成型、多段温区烧结、渗铜和热处理，得到铁基合金。
优选的，所述压制成型的压力为150～300MPa，所述压制成型的时间为1～3小时。
优选的，所述多段温区烧结包括预烧结和烧结；所述预烧结的温度为600～800℃，所述预烧结的时间为1～2h；所述烧结的温度为950～1150℃，所述烧结的时间为1.5～2.5h。
优选的，所述渗铜的温度为1100～1200℃，所述渗铜的时间为0.5～2小时。
优选的，所述热处理为在保护气氛中，在850～870℃条件下，保温20～40分钟后，冷却至室温，再在240～260℃条件下，保温50～90分钟。
优选的，所述合金原料的粒径为80～200目。
本发明还提供了所述铁基合金或由所述的制备方法制备得到的铁基合金在制备风冷发动机气门座圈中的应用。
本发明提供了一种铁基合金，按质量百分数计，包括以下组分：C 0.7～1.4％，Cu10～12％，Cr 2.0～3.0％，Mo 2～4％，Co 5～5.5％，Ni 1.0～5.0％，P 1.0～3.0％，S 1.0～3.0％，V 2.0～5.5％，W 3.0～6.0％，Si 1.0～2.0％，Mn 0.8～1.2％，余量为Fe和不可避免的杂质。根据实施例的记载，本发明提供的铁基合金的硬度达到56.7HRC以上。
具体实施方式
本发明提供了一种铁基合金，按质量百分数计，包括以下组分：C 0.7～1.4％，Cu10～12％，Cr 2.0～3.0％，Mo 2～4％，Co 5～5.5％，Ni 1.0～5.0％，P 1.0～3.0％，S 1.0～3.0％，V 2.0～5.5％，W 3.0～6.0％，Si 1.0～2.0％，Mn 0.8～1.2％，余量为Fe和不可避免的杂质。
按质量百分含量计，本发明所述的铁基合金包括0.7～1.4％的C，优选为0.8～1.2％，更优选为0.9～1.1％。
按质量百分含量计，本发明所述的铁基合金包括10～12％的Cu，优选为10.5～11.5％，更优选为10.8～11.2％。
在本发明中，所述Cu可以提高产品的密度、导热性和强度。
按质量百分含量计，本发明所述的铁基合金包含2.2～3.8％的Cr，优选为2.5～3.5％，更优选为2.8～3.2％。
在本发明中，所述Cr的添加可以降低合金的密度，增加合金烧结态的强度和硬度。
按质量百分含量计，本发明所述的铁基合金包含2～4％的Mo，优选为2.5～3.5％，更优选为2.8～3.2％。
按质量百分含量计，本发明所述的铁基合金包含5～5.5％的Co，优选为5.1～5.3％，更优选为5.15～5.25％。
按质量百分含量计，本发明所述的铁基合金包含1.0～5.0％的Ni，优选为2.0～4.0％，更优选为2.5～3.5％。
在本发明中，所述Ni促进烧结致密化，使合金的孔隙减少和球化，密度提高，进而提高合金的强度和韧性。
按质量百分含量计，本发明所述的铁基合金包含1.0～3.0％的P，优选为1.6～2.3％，更优选为1.8～2.1％。
在本发明中，所述P可以大大提高合金的力学性能，在不降低韧性的前提下，提高合金的强度；同时，在烧结过程中，磷可以很快的分布于整个铁骨架中，有助于加速烧结。
按质量百分含量计，本发明所述的铁基合金包含1.0～3.0％的S，优选为1.7～2.6％，更优选为2.0～2.2％。
在本发明中，所述S可以提高合金材料的淬透性，有利于热处理后力学性能的提高。
按质量百分含量计，本发明所述的铁基合金包含2.0～5.5％的V，优选为3.0～4.5％，更优选为3.2～3.8％。
在本发明中，所述V的沉淀强化效力强大且容易控制，是使用的沉淀强化添加剂。
按质量百分含量计，本发明所述的铁基合金包含3.0～6.0％的W，优选为4.0～5.0％，更优选为4.2～4.8％。
按质量百分含量计，本发明所述的铁基合金包含1.0～2.0％的Si，优选为1.3～1.7％，更优选为1.4～1.6％。
按质量百分含量计，本发明所述的铁基合金包含0.8～1.2％的Mn，优选为0.9～1.1％，更优选为0.95～1.05％。
本发明提供的铁基合金还包含余量的Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供了所述铁基合金的制备方法，包括以下步骤：
按照所述铁基合金的成分配比将合金原料依次进行预处理、压制成型、多段温区烧结、渗铜和热处理，得到铁基合金。
在本发明中，若无特殊说明，所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。
在本发明中，所述合金原料优选为T15、M7、氮化钒、硫化锰、硫化钼和雾化铁粉；本发明对所述合金原料的比例没有任何特殊的限定，能够保证上述合金原料混合后得到的混合物中各元素比例符合上述铝合金中各元素的比例即可。
在本发明中，所述预处理优选为将合金原料依次进行干燥、球磨和过筛；在本发明中，所述干燥的温度优选为60～80℃，更优选为65～75℃，最优选为68～72℃；所述干燥的时间优选为2～30小时，更优选为5～25小时，最优选为10～20小时；本发明对所述球磨没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的球磨过程即可；在本发明中，所述过筛所采用的筛网的孔径优选为80～300目，更优选为100～250目，最优选为150～200目。
本发明优选将球磨后的所述合金原料的混合物中加入润滑剂；在本发明中，所述润滑剂优选为硬脂酸锌；在本发明中，所述润滑剂的质量优选为所述合金原料总量的0.5～1.5％，更优选为0.8～1.2％，最优选为0.9～1.1％。
在本发明中，所述压制成型的压力优选为150～300MPa，更优选为180～250MPa，最优选为200～220MPa；所述压制成型的时间优选为1～3小时，更优选为1.5～2.5小时，最优选为1.8～2.2小时。在本发明中，所述压制成型的具体过程优选在压制成型的仪器上配置半自动模架进行两次加料，两次压制成型。
在本发明中，所述多段温区烧结优选包括预烧结和烧结；在本发明中，所述预烧结的温度优选为600～800℃；所述预烧结优选为4段预烧结，各段预烧结的温度依次优选为600～640℃、650～690℃、700～740℃和750～800℃。在本发明中，所述预烧结的总时间优选为1～2h，更优选为1.2～1.8h，最优选为1.4～1.6h；在本发明中，所述4段预烧结的时间相等。在本发明中，所述烧结的温度优选为950～1150℃，所述烧结优选为3段烧结，各段烧结的温度依次优选为950～1000℃、1050～1095℃和1100～1150℃。在本发明中，所述烧结的总时间优选为1.5～2.5h，更优选为1.8～2.2h；在本发明中，所述3段烧结的时间相等。
多段温区烧结完成后，本发明优选对得到的烧结合金进行冷却；本发明对所述冷却没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的冷却过程进行冷却即可。
在本发明中，所述渗铜的温度优选为1100～1200℃，更优选为1120～1180℃，最优选为1140～1160℃；在本发明中，所述渗铜的时间优选为0.5～2小时，更优选为0.8～1.5小时，最优选为1.0～1.2小时。
在本发明中，所述渗铜可以提高产品的密度、导热性和强度。
在本发明中，所述热处理优选在保护气氛下进行；本发明对所述保护气氛没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的冶炼合金时采用的保护气氛即可。
在本发明中，所述热处理优选在850～870℃条件下，保温20～40分钟后，冷却至室温，再在240～260℃条件下，保温50～90分钟；更优选为在855～865℃条件下，保温25～35分钟后，冷却至室温，再在245～255℃条件下，保温60～80分钟；最优选为在858～862℃条件下，保温28～32分钟后，冷却至室温，再在248～252℃条件下，保温65～75分钟。
热处理完成后，本发明优选对热处理后的合金进行冷却；本发明对所述冷却没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的冷却过程进行即可。
本发明还提供了上述铁基合金在制备风冷发动机气门座圈中的应用。
下面结合实施例对本发明提供的铁基合金及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
铁基合金按质量百分数计，包括C 0.9％，Cu 11％，Cr 2.36％，Mo 3.2％，Co5.15％，Ni 4.2％，P 2.61％，S 3.0％，V 2.0％，W 3.8％，Si 1.05％，Mn 0.85％，余量为Fe和不可避免的杂质；
将T15、M7、氮化钒、硫化锰、硫化钼和雾化铁粉在60℃下干燥2小时，球磨，过筛得到粒径为80～100目的合金原料；
按照上述配比，将过筛后的T15、M7、氮化钒、硫化锰、雾化铁粉和占合金原料总质量1％的润滑剂混合，在150MPa的条件下，压制2小时后，在620℃、650℃、720℃和790℃下进行预烧结，预烧结的总时间为1.4h，在980℃、1100℃和1150℃下进行烧结，烧结的总时间为2.5h，自然冷却后将得到的烧结料在1150℃下渗铜1.2h，自然冷却；将渗铜处理后的中间合金在858℃下，保温28分钟后，冷却至室温，再在248℃下，保温75分钟，自然冷却，得到铁基合金。
所述铁基合金的密度为8.6g/cm3，工作面硬度为58.1HRC，最高的工作温度为950℃，气门往复运动频率为1700次/min，往复次数为8×105次后，磨损量为0.021mm。
实施例2
铁基合金按质量百分数计，包括C 1.2％，Cu 11.5％，Cr 2.36％，Mo 3.25％，Co5.3％，Ni 2.2％，P 1.61％，S 2.6％，V 4.5％，W 4.2％，Si 1.37％，Mn 0.82％，余量为Fe和不可避免的杂质；
将T15、M7、氮化钒、硫化锰、硫化钼和雾化铁粉在60℃下干燥2小时，球磨，过筛得到粒径为100～200目的合金原料；
按照上述配比，将过筛后的T15、M7、氮化钒、硫化锰、雾化铁粉和占合金原料总质量1％的润滑剂混合，在150MPa的条件下，压制2小时后，在620℃、650℃、720℃和790℃下进行预烧结，预烧结的总时间为1.4h，在980℃、1100℃和1150℃下进行烧结，烧结的总时间为2.5h，自然冷却后将得到的烧结料在1150℃下渗铜1.2h，自然冷却；将渗铜处理后的中间合金在858℃下，保温28分钟后，冷却至室温，再在248℃下，保温75分钟，自然冷却，得到铁基合金。
所述铁基合金的密度为7.5g/cm3，工作面硬度为56.5HRC，最高的工作温度为1000℃，气门往复运动频率为1700次/min，往复次数为8×105次后，磨损量为0.024mm。
实施例3
铁基合金按质量百分数计，包括C 1.2％，Cu 10.5％，Cr 3.8％，Mo 2.47％，Co5.3％，Ni 4.2％，P 2.16％，S 1.8％，V 4.5％，W 4.2％，Si 1.37％，Mn 0.82％，余量为Fe和不可避免的杂质；
将T15、M7、氮化钒、硫化锰、硫化钼和雾化铁粉在80℃下干燥2小时，球磨，过筛得到粒径为100～200目的合金原料；
按照上述配比，将过筛后的T15、M7、氮化钒、硫化锰、雾化铁粉和占合金原料总质量1％的润滑剂混合，在150MPa的条件下，压制2小时后，在620℃、650℃、720℃和790℃下进行预烧结，预烧结的总时间为1.4h，在980℃、1100℃和1150℃下进行烧结，烧结的总时间为2.5h，自然冷却后将得到的烧结料在1150℃下渗铜1.2h，自然冷却；将渗铜处理后的中间合金在858℃下，保温28分钟后，冷却至室温，再在248℃下，保温75分钟，自然冷却，得到铁基合金。
所述铁基合金的密度为7.5g/cm3，工作面硬度为57.1HRC，最高的工作温度为950℃，气门往复运动频率为1700次/min，往复次数为8×105次后，磨损量为0.020mm。
实施例4
铁基合金按质量百分数计，包括C 1.2％，Cu 10.5％，Cr 2.25％，Mo 4.0％，Co5.3％，Ni 4.2％，P 2.16％，S 2.6％，V 4.5％，W 4.2％，Si 1.37％，Mn 0.82％，余量为Fe和不可避免的杂质；
将T15、M7、氮化钒、硫化锰、硫化钼和雾化铁粉在80℃下干燥2小时，球磨，过筛得到粒径为100～200目的合金原料；
按照上述配比，将过筛后的T15、M7、氮化钒、硫化锰、硫化钼、雾化铁粉和占合金原料总质量1％的润滑剂混合，在150MPa的条件下，压制2小时后，在620℃、650℃、720℃和790℃下进行预烧结，预烧结的总时间为1.4h，在980℃、1100℃和1150℃下进行烧结，烧结的总时间为2.5h，自然冷却后将得到的烧结料在1150℃下渗铜1.2h，自然冷却；将渗铜处理后的中间合金在858℃下，保温28分钟后，冷却至室温，再在248℃下，保温75分钟，自然冷却，得到铁基合金。
所述铁基合金的密度为7.8g/cm3，工作面硬度为57.4HRC，最高的工作温度为950℃，气门往复运动频率为1700次/min，往复次数为8×105次后，磨损量为0.023mm。
由以上实施例可知，本发明提供的铁基合金具有良好的耐磨性能和较高的力学强度，能够满足作为气门座圈对铁基合金材料性能的要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种铁基合金，按质量百分数计，包括以下组分：C 0.7～1.4％，Cu 10～12％，Cr2.0～3.0％，Mo 2～4％，Co 5～5.5％，Ni 1.0～5.0％，P 1.0～3.0％，S 1.0～3.0％，V2.0～5.5％，W 3.0～6.0％，Si 1.0～2.0％，Mn 0.8～1.2％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的铁基合金，其特征在于，按质量百分数计，包括以下组分：C 0.8～1.2％，Cu 10.5～11.5％，Cr 2.2～3.8％，Mo 2.4～3.2％，Co 5.1～5.3％，Ni 2.2～4.3％，P 1.6～2.3％，S 1.7～2.6％，V 3.0～4.5％，W 4.0～5.0％，Si 1.3～1.7％，Mn0.9～1.1％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.权利要求1或2所述的铁基合金的制备方法，包括以下步骤：
按照所述铁基合金的成分配比将合金原料依次进行预处理、压制成型、多段温区烧结、渗铜和热处理，得到铁基合金。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述压制成型的压力为150～300MPa，所述压制成型的时间为1～3小时。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述多段温区烧结包括预烧结和烧结；所述预烧结的温度为600～800℃，所述预烧结的时间为1～2h；所述烧结的温度为950～1150℃，所述烧结的时间为1.5～2.5h。
6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述渗铜的温度为1100～1200℃，所述渗铜的时间为0.5～2小时。
7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述热处理为在保护气氛中，在850～870℃条件下，保温20～40分钟后，冷却至室温，再在240～260℃条件下，保温50～90分钟。
8.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述合金原料的粒径为80～200目。
9.权利要求1或2所述的铁基合金或权利要求3～8任一项所述的制备方法制备得到的铁基合金在制备风冷发动机气门座圈中的应用。
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Denomination of invention: A kind of iron-based alloy and its preparation method and application

Effective date of registration: 20220908

Granted publication date: 20201127

Pledgee: Anhui Tongcheng Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Dongcheng sub branch

Pledgor: ANHUI JINYI NEW MATERIAL Corp.,Ltd.

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