CN110434324A - 一种高性能粉末锻造合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能粉末锻造合金材料及其制备方法，包括以下组分：1‑2％的Ni、0.3‑0.8％的Mo、0.8‑1.5％的Cu、0.6‑0.8％的C、0.1‑0.5％的粘结剂、余量为Fe和杂质。本发明针对现有的粉末锻造材料PF46xx系原料进行优化，以得到性能更好的材料。现有的小模数齿轮均是机加工成形的，对于软的材料(HRC30左右)，后续的渗碳处理会造成精度降低，无法到到要求。对于较硬的材料(HRC大于50)，机加工困难或者根本无法加工。而利用本发明的成分，利用粉锻的方法，制造小模数的重载齿轮，既可以满足力学性能又可以满足精度的需求。

Description

一种高性能粉末锻造合金材料及其制备方法
【技术领域】
本发明属于合金锻造领域，涉及一种高性能粉末锻造合金材料及其制备方法。
【背景技术】
现有齿轮通常是通过机械加工，热锻以及粉末冶金等方法来制备。机械加工的齿轮，制备周期长，并且只能对较软的材料进行磨齿滚齿等操作。齿轮成形后再进行镀膜，渗碳等表面处理来提高其硬度以及耐磨性能。并且机械加工的方法对于材料的利用率较低。而热锻齿轮，能耗较大，表面精度较低，一些小尺寸齿轮不容易进行热锻操作。
特别是针对小模数的重载齿轮，不仅对精度要求高，而且对力学性能要求高。对于现有的一些齿轮材料，添加合金元素较少的材料成本低，但是必须经过渗碳处理，这样对产品的精度影响很大。而对合金元素较多的材料，在机加工是又耗时耗力。
而粉末冶金齿轮，不仅尺寸精度较高，材料利用率高，对比上述两种制备工艺，成本低，效率高。但是其孔洞的存在导致力学性能较低，对较为严苛的工况则无法胜任。因此粉末锻造齿轮结合了粉末冶金和精密锻造的优势，对烧结的产品进行锻造使其致密以提高性能。PF46xx系列主要是通过调控Ni，Mo这两种合金元素的含量，通过增加这两种合金元素的比列来增强材料的强度，其强化机理主要是固溶强化，其中仅含有少量的铜，只有0.25％。现有的粉末锻造钢中的主要合金元素为Ni和Mo，仅有少量的Cu。
【发明内容】
本发明的目的是在相对固定的Ni，Mo的元素含量上，大幅提高Cu的含量，使其达到1％，来提升该合金材料的综合性能。基于上述目的，本发明提供一种高性能粉末锻造合金材料及其制备方法，针对现有的粉末锻造材料PF46xx系原料进行优化，以得到性能更好的材料。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种高性能粉末锻造合金材料，以质量分数计，包括以下组分：1-2％的Ni、0.3-0.8％的Mo、0.8-1.5％的Cu、0.6-0.8％的C、0.1-0.5％的粘结剂、余量为Fe和杂质。
所述粘接剂采用硬脂酸、硬脂酸锌、甘油乙醇溶液和石蜡乙醚溶液的一种或多种。
一种高性能粉末锻造合金材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：用单质Fe、单质Ni和单质Mo熔炼制备得到Fe-Ni-Mo合金，再将Fe-Ni-Mo合金用气雾化或者水雾化制备得到合金粉末A；
步骤2：向合金粉末A中加入单质Cu粉末、单质C粉末以及粘合剂，并混合均匀，得到合金粉末B；
步骤3：将合金粉末B在400-600MPa下保压2秒进行冷压成形，得到需要的工件预压件；
步骤4：对工件预压件进行烧结；
步骤5：对烧结完成的工件预压件进行加热，加热后依次进行热锻、空冷、精修，淬火以及回火处理，得到成品。
进一步的，步骤1中，合金粉末A的粒径为25um-175um。
进一步的，步骤2中，单质Cu粉末和单质C粉的粒径均为25um-75um。
进一步的，步骤2中，粉末颗粒在混料机中在40-60r/min的转速下混料20-30min。
进一步的，步骤5中，烧结按照如下方法进行：
步骤5-1：在400-600℃、氮氢保护气氛下进行脱脂烧结10分钟，其中氢气占比≥10％；
步骤5-2：在1000-1200℃、氮氢保护气氛下烧结40min，其中氢气占比≥10％。
进一步的，步骤6中，将烧结完成的工件预压件加热至1100-1200℃，在预热到300-350℃的中模中热锻，锻造应力为100-200MPa。
进一步的，步骤6中，对空冷后的样品进行整形后，重新加热到1100-1200℃进行表面淬火。
进一步的，步骤6中，对淬火后的样品进行回火处理，180℃回火1小时，得到成品。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)成本，Cu的价格相比于Ni,Mo会低很多，因此，提升Cu而不改变Ni，Mo的含量并不会使的成本大幅提升，而产品还具有符合标准的力学性能；
(2)与Ni，Mo一样，Cu也是一种可以起到固溶强化的元素，但是，由于在常温时，Cu在Fe中的固溶度接近于0，利用这一点，便可以通过热处理，使其析出，进行时效析出强化，使产品性能得到进一步的提升。而这是Ni和Mo不具备的；
(3)由于铜的熔点较低(1084℃)，在烧结过程中可以起到活化烧结的作用，使得烧结的预成形坯更加容易致密。而Ni和Mo的熔点较高，在烧结的时候扩散速率较慢，则在烧结时需要提高温度或者增加烧结工艺的时间；
(4)通过实验发现，当铜的含量增加时，会显著增加材料的淬透性，其硬度大幅提升，淬火后达到65HRC。避免了后续的渗碳渗氮等耗时且污染的工序，是一种十分适合当汽车传动或者精密机器人的粉末锻造齿轮齿环材料。
(5)现有的小模数齿轮均是机加工成形的，对于软的材料(HRC30左右)，后续的渗碳处理会造成精度降低，无法到到要求。对于较硬的材料(HRC大于50)，机加工困难或者根本无法加工。而利用本发明的成分，利用粉锻的方法，制造小模数的重载齿轮，既可以满足力学性能又可以满足精度的需求。
【附图说明】
图1为本发明的Fe1.5Ni0.5Mo1Cu0.6C(Q61)合金空冷后的力学性能图；
图2为本发明的Fe1.5Ni0.5Mo1Cu0.6C(Q61)与PF4600的端淬试验比较图；
图3为本发明的Fe1.5Ni0.5Mo1Cu0.6C(Q61)不同温度回火一小时后的硬度图；
图4Fe1.5Ni0.5Mo1Cu0.6C(Q61)不同温度回火一小时后的拉伸性能图；
图5为本发明热压缩金相图。
【具体实施方式】
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明合金成分利用粉末锻造技术制备小模数的重载齿轮是前所未有的。具体步骤包括，首先制备粉末合金，之后利用粉末锻造技术制造致密齿轮。空冷后硬度约为HRC30左右。刚好是可以利用滚齿铣齿等加工方法加工的。加工到精度大于0.4，根据产品要求而定。之后进行表面淬火和回火。得到高精度的小模数高强度齿轮。
本发明高性能粉末锻造合金材料，其原料包括以下组分(wt.％)：Ni：1-2％、Mo：0.3-0.8％、Cu：0.8-1.5％、C：0.6-0.8％、粘结剂：0.1-0.5％、余量为Fe及不可避免的杂质。
首先用高纯的单质Fe、Ni、Mo熔炼制备得到Fe-Ni-Mo合金，再用该合金利用气雾化或者水雾化制备得到合金粉末，粉末粒径在25um-175um。再给其中加入单质Cu粉末(粉末粒径在25um-75um)与单质C粉末(粉末粒径在25um-75um)并加入少量的粘合剂，粘结剂可选用硬脂酸、硬脂酸锌、甘油乙醇溶液和石蜡乙醚溶液的一种或多种。将这些粉末称重得到组分符合上述的组分要求，用混料机在40-60转每分钟的速度下混料20-30分钟使其粉末颗粒分布均匀。
将该粉末在400-600MPa下保压2秒进行冷压成形，得到需要的工件预压件(比如齿轮)。之后对预压件进行烧结，首先在400-600℃、氮氢保护气氛下(氢气占比不少于10％)进行脱脂烧结10分钟，之后在1000-1200℃、氮氢保护气氛下(氢气占比不少于10％)烧结40分钟。将烧结好的齿轮加热到1100-1200℃，在预热到300-350℃的中模中热锻，锻造应力为100-200MPa。对于精度要求不高的产品直接进行淬火，对于样品精度要求高的产品空冷，整形后，重新加热到1100-1200℃进行表面淬火。对淬火后的齿轮进行回火处理，180℃回火一小时。得到成品。
本发明的原理：
本发明对粉末锻造钢的成分进行优化，提高其中的Cu含量,发现对材料有如下优化：提高其锻造性能，减少锻造裂纹的产生，提高淬透性，使其淬火后的硬度提升。通过回火，使其强度大幅提升，因此，可以减少Ni和Mo的比例，因为这些合金元素价格高于Cu，因此可以减少成本。为了满足更高需求，增加材料的耐磨性，可在其中加入少量的氧化铝颗粒，增强其耐磨性能
实施例1
1)称取97.8％的单质Fe、1.6％的单质Ni、以及0.6％的单质Mo，熔炼制备得到Fe-Ni-Mo合金，再将Fe-Ni-Mo合金利用气雾化或者水雾化制备得到Fe-Ni-Mo合金粉末，粉末粒径在25um-175um。
2)向Fe-Ni-Mo合金粉末中加入1％的单质Cu粉末与0.6％的单质C粉末，并加入0.2％的硬脂酸锌粘合剂。用混料机在60转每分钟的速度下混料20分钟使其粉末颗粒分布均匀。
3)根据Deform有限元模拟软件确定齿轮预压件的尺寸，设计冷压模具，将步骤2)中的到的分布均匀的粉末在500MPa下保压2秒进行冷压成形，获得预设形状和密度的齿轮冷压件；其中，影响预压件尺寸的因素包括烧结过程中致密度的变化、局部锻造过程中致密度的变化和冷却过程中的密度的变化。
4)对齿轮冷压件进行烧结，首先在400℃、90％N210％H2的氮氢保护气氛中进行脱脂烧结10分钟，之后在1120℃烧结40分钟，得到齿轮烧结件。
5)将齿轮烧结件进行感应加热，将齿轮烧结件放入半封闭的石英管中，石英管上端通惰性气体，感应线圈缠绕在石英管外；感应线圈通电，至烧结件外表面温度到1000℃，停止加热；而后将齿轮烧结件在2s之内转移至已预热至300℃的热锻模腔中热锻，锻造应力为200MPa；锻造后空冷，得到齿轮中间件；
6)对齿轮中间件精整达到所需精度以及光洁度后，重新加热到1200℃进行表面淬火，提高硬度；
7)对淬火后的齿轮中间件进行回火处理，180℃回火一小时。得到成品。
实施例2
1)称取98.2％的单质Fe、1％的单质Ni、以及0.8％的单质Mo，熔炼制备得到Fe-Ni-Mo合金，再将Fe-Ni-Mo合金利用气雾化或者水雾化制备得到Fe-Ni-Mo合金粉末，粉末粒径在25um-175um。
2)向Fe-Ni-Mo合金粉末中加入1.2％的单质Cu粉末与0.65％的单质C粉末，并加入0.3％的硬脂酸锌粘合剂。用混料机在60转每分钟的速度下混料20分钟使其粉末颗粒分布均匀。
3)根据Deform有限元模拟软件确定齿轮预压件的尺寸，设计冷压模具，将步骤2)中的到的分布均匀的粉末在500MPa下保压2秒进行冷压成形，获得预设形状和密度的齿轮冷压件；其中，影响预压件尺寸的因素包括烧结过程中致密度的变化、局部锻造过程中致密度的变化和冷却过程中的密度的变化。
4)对齿轮冷压件进行烧结，首先在420℃、90％N210％H2的氮氢保护气氛中进行脱脂烧结10分钟，之后在1080℃烧结40分钟，得到齿轮烧结件。
5)将齿轮烧结件进行感应加热，将齿轮烧结件放入半封闭的石英管中，石英管上端通惰性气体，感应线圈缠绕在石英管外；感应线圈通电，至烧结件外表面温度到1000℃，停止加热；而后将齿轮烧结件在2s之内转移至已预热至320℃的热锻模腔中热锻，锻造应力为120MPa；锻造后空冷，得到齿轮中间件；
6)对齿轮中间件精整达到所需精度以及光洁度后，重新加热到1180℃进行表面淬火，提高硬度；
7)对淬火后的齿轮中间件进行回火处理，180℃回火一小时。得到成品。
实施例3
1)称取97.2％的单质Fe、2％的单质Ni、以及0.8％的单质Mo，熔炼制备得到Fe-Ni-Mo合金，再将Fe-Ni-Mo合金利用气雾化或者水雾化制备得到Fe-Ni-Mo合金粉末，粉末粒径在25um-175um。
2)向Fe-Ni-Mo合金粉末中加入1.5％的单质Cu粉末与0.8％的单质C粉末，并加入0.5％的硬脂酸锌粘合剂。用混料机在60转每分钟的速度下混料25分钟使其粉末颗粒分布均匀。
3)根据Deform有限元模拟软件确定齿轮预压件的尺寸，设计冷压模具，将步骤2)中的到的分布均匀的粉末在600MPa下保压2秒进行冷压成形，获得预设形状和密度的齿轮冷压件；其中，影响预压件尺寸的因素包括烧结过程中致密度的变化、局部锻造过程中致密度的变化和冷却过程中的密度的变化。
4)对齿轮冷压件进行烧结，首先在600℃、90％N210％H2的氮氢保护气氛中进行脱脂烧结10分钟，之后在1200℃烧结40分钟，得到齿轮烧结件。
5)将齿轮烧结件进行感应加热，将齿轮烧结件放入半封闭的石英管中，石英管上端通惰性气体，感应线圈缠绕在石英管外；感应线圈通电，至烧结件外表面温度到1000℃，停止加热；而后将齿轮烧结件在2s之内转移至已预热至350℃的热锻模腔中热锻，锻造应力为200MPa；锻造后空冷，得到齿轮中间件；
6)对齿轮中间件精整达到所需精度以及光洁度后，重新加热到1200℃进行表面淬火，提高硬度；
7)对淬火后的齿轮中间件进行回火处理，180℃回火一小时。得到成品。
实施例4
1)称取98％的单质Fe、1.2％的单质Ni、以及0.8％的单质Mo，熔炼制备得到Fe-Ni-Mo合金，再将Fe-Ni-Mo合金利用气雾化或者水雾化制备得到Fe-Ni-Mo合金粉末，粉末粒径在25um-175um。
2)向Fe-Ni-Mo合金粉末中加入1.5％的单质Cu粉末与0.7％的单质C粉末，并加入0.5％的硬脂酸锌粘合剂。用混料机在40转每分钟的速度下混料30分钟使其粉末颗粒分布均匀。
3)根据Deform有限元模拟软件确定齿轮预压件的尺寸，设计冷压模具，将步骤2)中的到的分布均匀的粉末在500MPa下保压2秒进行冷压成形，获得预设形状和密度的齿轮冷压件；其中，影响预压件尺寸的因素包括烧结过程中致密度的变化、局部锻造过程中致密度的变化和冷却过程中的密度的变化。
4)对齿轮冷压件进行烧结，首先在450℃、90％N210％H2的氮氢保护气氛中进行脱脂烧结10分钟，之后在1150℃烧结40分钟，得到齿轮烧结件。
5)将齿轮烧结件进行感应加热，将齿轮烧结件放入半封闭的石英管中，石英管上端通惰性气体，感应线圈缠绕在石英管外；感应线圈通电，至烧结件外表面温度到1000℃，停止加热；而后将齿轮烧结件在2s之内转移至已预热至330℃的热锻模腔中热锻，锻造应力为180MPa；锻造后空冷，得到齿轮中间件；
6)对齿轮中间件精整达到所需精度以及光洁度后，重新加热到1100℃进行表面淬火，提高硬度；
7)对淬火后的齿轮中间件进行回火处理，180℃回火一小时。得到成品。
实施例5
1)称取97.7％的单质Fe、2％的单质Ni、以及0.3％的单质Mo，熔炼制备得到Fe-Ni-Mo合金，再将Fe-Ni-Mo合金利用气雾化或者水雾化制备得到Fe-Ni-Mo合金粉末，粉末粒径在25um-175um。
2)向Fe-Ni-Mo合金粉末中加入0.9％的单质Cu粉末与0.7％的单质C粉末，并加入0.2％的硬脂酸粘合剂。用混料机在50转每分钟的速度下混料25分钟使其粉末颗粒分布均匀。
3)根据Deform有限元模拟软件确定齿轮预压件的尺寸，设计冷压模具，将步骤2)中的到的分布均匀的粉末在550MPa下保压2秒进行冷压成形，获得预设形状和密度的齿轮冷压件；其中，影响预压件尺寸的因素包括烧结过程中致密度的变化、局部锻造过程中致密度的变化和冷却过程中的密度的变化。
4)对齿轮冷压件进行烧结，首先在480℃、90％N210％H2的氮氢保护气氛中进行脱脂烧结10分钟，之后在1150℃烧结40分钟，得到齿轮烧结件。
5)将齿轮烧结件进行感应加热，将齿轮烧结件放入半封闭的石英管中，石英管上端通惰性气体，感应线圈缠绕在石英管外；感应线圈通电，至烧结件外表面温度到1000℃，停止加热；而后将齿轮烧结件在2s之内转移至已预热至350℃的热锻模腔中热锻，锻造应力为120MPa；锻造后空冷，得到齿轮中间件；
6)对齿轮中间件精整达到所需精度以及光洁度后，重新加热到1180℃进行表面淬火，提高硬度；
7)对淬火后的齿轮中间件进行回火处理，180℃回火一小时。得到成品。
实施例6
1)称取98％的单质Fe、1.3％的单质Ni、以及0.7％的单质Mo，熔炼制备得到Fe-Ni-Mo合金，再将Fe-Ni-Mo合金利用气雾化或者水雾化制备得到Fe-Ni-Mo合金粉末，粉末粒径在25um-175um。
2)向Fe-Ni-Mo合金粉末中加入1.5％的单质Cu粉末与0.7％的单质C粉末，并加入0.2％的甘油乙醇溶液。用混料机在50转每分钟的速度下混料30分钟使其粉末颗粒分布均匀。
3)根据Deform有限元模拟软件确定齿轮预压件的尺寸，设计冷压模具，将步骤2)中的到的分布均匀的粉末在480MPa下保压2秒进行冷压成形，获得预设形状和密度的齿轮冷压件；其中，影响预压件尺寸的因素包括烧结过程中致密度的变化、局部锻造过程中致密度的变化和冷却过程中的密度的变化。
4)对齿轮冷压件进行烧结，首先在500℃、90％N210％H2的氮氢保护气氛中进行脱脂烧结10分钟，之后在1070℃烧结40分钟，得到齿轮烧结件。
5)将齿轮烧结件进行感应加热，将齿轮烧结件放入半封闭的石英管中，石英管上端通惰性气体，感应线圈缠绕在石英管外；感应线圈通电，至烧结件外表面温度到1000℃，停止加热；而后将齿轮烧结件在2s之内转移至已预热至320℃的热锻模腔中热锻，锻造应力为180MPa；锻造后空冷，得到齿轮中间件；
6)对齿轮中间件精整达到所需精度以及光洁度后，重新加热到1100℃进行表面淬火，提高硬度；
7)对淬火后的齿轮中间件进行回火处理，180℃回火一小时。得到成品。
实施例7
1)称取98.1％的单质Fe、1.5％的单质Ni、以及0.4％的单质Mo，熔炼制备得到Fe-Ni-Mo合金，再将Fe-Ni-Mo合金利用气雾化或者水雾化制备得到Fe-Ni-Mo合金粉末，粉末粒径在25um-175um。
2)向Fe-Ni-Mo合金粉末中加入0.8％的单质Cu粉末与0.6％的单质C粉末，并加入0.1％的石蜡乙醚溶液。用混料机在40转每分钟的速度下混料20分钟使其粉末颗粒分布均匀。
3)根据Deform有限元模拟软件确定齿轮预压件的尺寸，设计冷压模具，将步骤2)中的到的分布均匀的粉末在400MPa下保压2秒进行冷压成形，获得预设形状和密度的齿轮冷压件；其中，影响预压件尺寸的因素包括烧结过程中致密度的变化、局部锻造过程中致密度的变化和冷却过程中的密度的变化。
4)对齿轮冷压件进行烧结，首先在600℃、90％N210％H2的氮氢保护气氛中进行脱脂烧结10分钟，之后在1000℃烧结40分钟，得到齿轮烧结件。
5)将齿轮烧结件进行感应加热，将齿轮烧结件放入半封闭的石英管中，石英管上端通惰性气体，感应线圈缠绕在石英管外；感应线圈通电，至烧结件外表面温度到1200℃，停止加热；而后将齿轮烧结件在2s之内转移至已预热至300℃的热锻模腔中热锻，锻造应力为100MPa；锻造后空冷，得到齿轮中间件；
6)对齿轮中间件精整达到所需精度以及光洁度后，重新加热到1150℃进行表面淬火，提高硬度；
7)对淬火后的齿轮中间件进行回火处理，180℃回火一小时。得到成品。
实施例8
1)称取97.8％的单质Fe、1.4％的单质Ni、以及0.5％的单质Mo，熔炼制备得到Fe-Ni-Mo合金，再将Fe-Ni-Mo合金利用气雾化或者水雾化制备得到Fe-Ni-Mo合金粉末，粉末粒径在25um-175um。
2)向Fe-Ni-Mo合金粉末中加入0.7％的单质Cu粉末与0.6％的单质C粉末，并加入0.3％的硬脂酸锌粘合剂和0.2％的甘油乙醇溶液。用混料机在60转每分钟的速度下混料25分钟使其粉末颗粒分布均匀。
3)根据Deform有限元模拟软件确定齿轮预压件的尺寸，设计冷压模具，将步骤2)中的到的分布均匀的粉末在600MPa下保压2秒进行冷压成形，获得预设形状和密度的齿轮冷压件；其中，影响预压件尺寸的因素包括烧结过程中致密度的变化、局部锻造过程中致密度的变化和冷却过程中的密度的变化。
4)对齿轮冷压件进行烧结，首先在500℃、90％N210％H2的氮氢保护气氛中进行脱脂烧结10分钟，之后在1200℃烧结40分钟，得到齿轮烧结件。
5)将齿轮烧结件进行感应加热，将齿轮烧结件放入半封闭的石英管中，石英管上端通惰性气体，感应线圈缠绕在石英管外；感应线圈通电，至烧结件外表面温度到1050℃，停止加热；而后将齿轮烧结件在2s之内转移至已预热至300℃的热锻模腔中热锻，锻造应力为150MPa；锻造后空冷，得到齿轮中间件；
6)对齿轮中间件精整达到所需精度以及光洁度后，重新加热到1120℃进行表面淬火，提高硬度；
7)对淬火后的齿轮中间件进行回火处理，180℃回火一小时。得到成品。
实施例9
1)称取97.8％的单质Fe、1.4％的单质Ni、以及0.5％的单质Mo，熔炼制备得到Fe-Ni-Mo合金，再将Fe-Ni-Mo合金利用气雾化或者水雾化制备得到Fe-Ni-Mo合金粉末，粉末粒径在25um-175um。
2)向Fe-Ni-Mo合金粉末中加入0.7％的单质Cu粉末与0.6％的单质C粉末，并加入0.3％的硬脂酸锌粘合剂和0.2％的甘油乙醇溶液。用混料机在60转每分钟的速度下混料25分钟使其粉末颗粒分布均匀。
3)根据Deform有限元模拟软件确定小模数高强度齿轮的尺寸，设计冷压模具，将步骤2)中的到的分布均匀的粉末在600MPa下保压2秒进行冷压成形，获得预设形状和密度的小模数高强度齿轮冷压件；其中，影响预压件尺寸的因素包括烧结过程中致密度的变化、局部锻造过程中致密度的变化和冷却过程中的密度的变化。
4)对小模数高强度齿轮冷压件进行烧结，首先在500℃、90％N210％H2的氮氢保护气氛中进行脱脂烧结10分钟，之后在1200℃烧结40分钟，得到小模数高强度齿轮烧结件。
5)将小模数高强度齿轮烧结件进行感应加热，再放入半封闭的石英管中，石英管上端通惰性气体，感应线圈缠绕在石英管外；感应线圈通电，至烧结件外表面温度到1050℃，停止加热；而后将小模数高强度齿轮烧结件在2s之内转移至已预热至300℃的热锻模腔中热锻，锻造应力为150MPa；锻造后空冷，得到小模数高强度齿轮中间件；
6)对小模数高强度齿轮中间件精整达到所需精度以及光洁度后，重新加热到1120℃进行表面淬火，提高硬度；所述精整包括滚齿铣齿插齿等，使其精度高于0.4；
7)对淬火后的小模数高强度齿轮中间件进行回火处理，180℃回火一小时。得到小模数高强度齿轮成品。
所述小模数高强度齿轮的模数为0.3-1、齿数为10-30、硬度大于HRC55。
如表1所示，表1为国外粉末锻造标准中46xx系列成分标准。即含Cu量较少的成分。
表1
其力学性能如表2所示：
表2
本申请制备得到与PF4660成分类似的产品，Fe1.5Ni0.5Mo1Cu0.6C(简称Q61)，其中NiMo含量均按照国外标准的下限所配。对本申请空冷得到的材料进行力学性能测试，拉伸性能如图1所示。屈服和抗拉强度分别为724MPa,1050MPa，相比于上表中的590MPa和790MPa大幅提高。且NiMo含量是其标准的最低值。说明Cu起到了重要的作用。
不仅是空冷的性能大幅提高，此外，加入Cu之后淬透性提高，端淬试验比对结果如图2所示。表明加入Cu之后，材料的表面硬度大幅提升。
对于需要精整形的工件，淬火后硬度太高，无法直接整形，需进行低温回火。我们对该材料在不同温度下进行回火的，得到的硬度如图3所示，硬度均高于表2中PF46xx。
对上述不同回火状态样品强度如图4所示。其中150-175℃回火得到最高强度的材料，其强度大致1.9GPa。也高于上述PF4600中的材料强度。因为NiMo的主要功能是增加淬透性，而在减少NiMo含量之后仍然得到相当的强度，降低了成本。
得到这种高强钢的原因是因为加入了少量Cu。Cu的贡献是由于：
(1)锻造性能提高；
(2)固溶强化；
(3)以及析出强化。
利用热模拟试验机模拟锻造过程中在各个锻造参数下均没有发现锻造裂纹等各种缺陷，效果如图5所示。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高性能粉末锻造合金材料，其特征在于，以质量分数计，包括以下组分：1-2％的Ni、0.3-0.8％的Mo、0.8-1.5％的Cu、0.6-0.8％的C、0.1-0.5％的粘结剂、余量为Fe和杂质。
2.根据权利要求1所述的高性能粉末锻造合金材料，其特征在于，所述粘接剂采用硬脂酸、硬脂酸锌、甘油乙醇溶液和石蜡乙醚溶液的一种或多种。
3.一种权利要求1或3所述高性能粉末锻造合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：用单质Fe、单质Ni和单质Mo熔炼制备得到Fe-Ni-Mo合金，再将Fe-Ni-Mo合金用气雾化或者水雾化制备得到合金粉末A；
步骤2：向合金粉末A中加入单质Cu粉末、单质C粉末以及粘合剂，并混合均匀，得到合金粉末B；
步骤3：将合金粉末B在400-600MPa下保压2秒进行冷压成形，得到需要的工件预压件；
步骤4：对工件预压件进行烧结；
步骤5：对烧结完成的工件预压件进行加热，加热后依次进行热锻、空冷、精加工，淬火以及回火处理，得到成品。
4.根据权利要求3所述的高性能粉末锻造合金材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，合金粉末A的粒径为25um-175um。
5.根据权利要求3所述的高性能粉末锻造合金材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，单质Cu粉末和单质C粉的粒径均为25um-75um。
6.根据权利要求3所述的高性能粉末锻造合金材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，粉末颗粒在混料机中在40-60r/min的转速下混料20-30min。
7.根据权利要求3所述的高性能粉末锻造合金材料的制备方法，其特征在于，步骤5中，烧结按照如下方法进行：
步骤5-1：在400-600℃、氮氢保护气氛下进行脱脂烧结10分钟，其中氢气占比≥10％；
步骤5-2：在1000-1200℃、氮氢保护气氛下烧结40min，其中氢气占比≥10％。
8.根据权利要求3所述的高性能粉末锻造合金材料的制备方法，其特征在于，步骤6中，将烧结完成的工件预压件加热至1100-1200℃，在预热到300-350℃的中模中热锻，锻造应力为100-200MPa。
9.根据权利要求3所述的高性能粉末锻造合金材料的制备方法，其特征在于，步骤6中，对空冷后的样品进行整形后，重新加热到1100-1200℃进行表面淬火。
10.根据权利要求3所述的高性能粉末锻造合金材料的制备方法，其特征在于，步骤6中，对淬火后的样品进行回火处理，180℃回火1小时，得到成品。
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