CN111304544A - 一种粉末热锻低合金钢及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种粉末热锻材料低合金钢及其制备工艺。该低合金钢各组分为：碳0.8‑1.2wt.%、铜1.8‑2.2wt.%、钼1.44‑1.56wt.%，剩余为铁。所述材料通过粉末热锻工艺制得，粉末经配粉、压形、烧结后置于通有N2保护的箱式炉中加热至950‑1000℃，保温20min，再经63t摩擦压力机锻造，锻造压力为1000MPa，模具预热温度300℃，锻态试样于空气中冷却至室温。本发明将1.44‑1.56wt.%钼的加入细化组织、提高材料的淬透性、增加组织中贝氏体与马氏体的含量，提高了材料的静态力学性能与动态摩擦性能，粉末热锻工艺使材料接近于全致密化，改善了材料强度不足等缺点。

Description

一种粉末热锻低合金钢及其制备工艺
技术领域
本发明涉及粉末冶金领域，具体涉及一种粉末热锻材料低合金钢及其制备工艺。
技术背景
粉末热锻是一种将粉末冶金与精密锻造相结合的近净成形工艺，应用此技术制得的材料能够接近全致密化，以改善传统粉末冶金材料孔隙率高、强度不足等缺点。CN107876752A公开了一种含钼粉末锻造凸轮的制造方法，该方法通过混料、压制、烧结、锻造等步骤制造汽车发动机凸轮，在提高凸轮强度、硬度与耐磨性的同时减少加工工序，减低生产成本。
粉末锻造从出现到现在一直受到国内外专家学者的广泛关注。近年来，国内外围绕粉末热锻的塑性成形理论及其屈服准则等做了大量的理论研究，在一定程度上丰富和完善了粉末锻造成形技术理论，但是生产应用方面的研究相对匮乏，尤其是在国内缺少成功的先例。例如，CN103276166A仅公开了一种粉末冶金制发动机连杆锻前加热方法，缺乏完备的热锻工艺参数相关的实验研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种粉末热锻低合金钢及其制备工艺，通过钼铁预合金粉的形式加入合金元素钼并控制钼的含量以及锻造工艺，达到提高粉末热锻材料密度、静态力学性能与动态摩擦性能等的目的。
一种粉末热锻低合金钢，以质量百分比计，各组分为：
碳 0.8-1.2wt.%、铜1.8-2.2wt.%、钼 1.44-1.56wt.%，剩余为铁。
上述粉末热锻低合金钢的制备工艺，包括如下步骤：
（1）配料：将粒度-100目、纯度高于99%的钼铁预合金粉，粒度-300目、纯度高于99.5%的鳞片石墨和粒度-200目、纯度99.9%的电解铜粉混合后，与0.75-0.8wt.%硬脂酸锌（硬脂酸锌占前述混合粉末0.75-0.8wt.%）机械混合；
（2）压制：将上述混合粉末双向压制成生坯；
（3）保护气氛下烧结；
（4）锻前加热：将上述烧结体埋入固体碳粉中，在氮气保护下加热，其中，加热温度为950-1000℃，保温时间为15~25min；
（5）锻造：将加热后的烧结体迅速取出，装入热锻模中进行锻造，锻造设备为63t摩擦压力机，锻造力为1000MPa，模具预热温度300℃，锻造后的试样置于空气中冷却至室温。
进一步的，步骤（1）中，所述的机械混合是将原料于混料机中混合30min。
进一步的，步骤（2）中，生坯的尺寸为32mm*13mm*8mm，密度为6.5±0.1g/cm3，压制压力为500MPa。
进一步的，步骤（3）中，保护气氛采用90vol.%N2+10 vol.%H2。
进一步的，步骤（3）中，烧结采用连续式工业网带炉，烧结温度为1120℃，保温时间为30min。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
（1）本发明采用烧结锻造方法制备粉末热锻低合金钢，以预合金粉形式加入1.44-1.56wt.%的合金元素钼，在保证材料组织均匀细小的同时提高材料的淬透性，增加组织中贝氏体和马氏体含量。
（2）本发明使用63t摩擦压力机，在1000MPa的压力下进行锻造，使得材料相对密度可达到98.5%，接近全致密化。锻造温度为950-1000℃且模具预热温度为300℃时，适宜的冷却速度和终锻温度使得材料在冷却过程中过冷奥氏体进入贝氏体与马氏体转变区，进一步提高组织中贝氏体与马氏体含量。
（3）本发明在制备过程中，将烧结体置于通有N2保护的箱式炉中保温加热20min，材料中的合金元素充分扩散且不会发生过热、过烧现象。因此本方法提高了材料的密度、静态力学性能与动态摩擦性能。
附图说明
图1为实施例显微组织图，其中，a.实例1显微组织；b.实例2显微组织。
图2为对比例显微组织图，其中，a.对比例1显微组织；b.对比例2显微组织；c. 对比例3显微组织；d.对比例4显微组织；e.对比例5显微组织。
具体实施方式
钼是一种高熔点、高硬度、高耐磨性、低氧结合性的稀有金属，钼的加入还具有细化晶粒、固溶强化、促进碳化物生成、提高材料的淬透性等作用。钼对铁基粉末的压制性能影响较小，是粉末冶金行业中主要的预合金元素。本发明中以钼铁预合金粉的形式加入合金元素钼，以期得到组织均匀、尺寸细小、性能优异的铁基粉末锻造材料。铜的熔点为1080℃，在烧结过程中铜液化扩散，能够润滑基体、促进烧结。铜还能扩大奥氏体相区，与铁素体和奥氏体形成固溶体，起弥散强化作用。
本发明所述的粉末热锻低合金钢的制备工艺，包括以下步骤：
1）按目标合金成分，将粒度-100目，纯度高于99%的钼铁预合金粉、粒度-300目，纯度高于99.5%的鳞片石墨和粒度-200目，纯度99.9%的电解铜粉混合，将所得混合粉末与占混合粉末0.75-0.8wt.%的硬脂酸锌放入混料机中机械混合30min，得到含钼铁基粉末，其中，目标合金以质量百分比计，各组分为：碳 0.8-1.2wt.%、铜1.8-2.2wt.%、钼 1.44-1.56wt.%，剩余为铁。
2）将含钼铁基粉末于液压机下双向压制成尺寸为32mm*13mm*8mm，密度6.5±0.1g/cm3的生坯，压制力为500MPa。
3）将压制好的生坯置于连续式工业网带炉中，烧结温度1120℃，保温时间30min，保护气氛90%vol.N2+10%vol.H2。
4）将所述烧结体埋入固体碳粉中，于通有N2保护的箱式炉中加热，加热温度为950-1000℃，保温时间为20min。
5）将加热后的烧结体迅速取出装入热锻模中进行锻造，锻造设备为63t摩擦压力机，锻造力为1000MPa，模具预热温度300℃。锻造后的试样置于空气中冷却至室温。
实施例1
1）称取钼含量为1.5wt.%的钼铁预合金粉97g，铜粉2g，鳞片石墨1g，另加硬脂酸锌0.75g。
2）将含钼铁基粉末于液压机下双向压制成尺寸为32mm*13mm*8mm，密度为6.5±0.1g/cm3的生坯，压制力为500MPa。
3）将压制好的生坯置于连续式工业网带炉中，烧结温度1120℃，保温时间30min，保护气氛90%vol.N2+10%vol.H2。
4）将所述烧结体埋入固体碳粉中，于箱式炉中加热，加热温度为950℃，保温时间为20min。
5）将加热后的烧结体迅速取出装入热锻模中进行热锻，锻造设备为63t摩擦压力机，锻造力为1000MPa，模具预热温度300℃。锻造后的试样置于空气中冷却至室温。
实施例2
1）称取钼含量为1.5wt.%的钼铁预合金粉97g，铜粉2g，鳞片石墨1g，另加硬脂酸锌0.75g。
2）将含钼铁基粉末于液压机下双向压制成尺寸为32mm*13mm*8mm，密度为6.5±0.1g/cm3的生坯，压制力为500MPa。
3）将压制好的生坯置于连续式工业网带炉中，烧结温度1120℃，保温时间30min，保护气氛90%vol.N2+10%vol.H2。
4）将所述烧结体埋入固体碳粉中，于箱式炉中加热，加热温度为1000℃，保温时间为20min。
5）将加热后的烧结体迅速取出装入热锻模中进行热锻，锻造设备为63t摩擦压力机，锻造力为1000MPa，模具预热温度300℃。锻造后的试样置于空气中冷却至室温。
对比例1
1）称取钼含量为0.5wt.%的钼铁预合金粉97g，铜粉2g，鳞片石墨1g，另加硬脂酸锌0.75g。
2）将含钼铁基粉末于液压机下双向压制成尺寸为32mm*13mm*8mm，密度为6.5±0.1g/cm3的生坯，压制力为500MPa。
3）将压制好的生坯置于连续式工业网带炉中，烧结温度1120℃，保温时间30min，保护气氛90%vol.N2+10%vol.H2。
4）将所述烧结体埋入固体碳粉中，于箱式炉中加热，加热温度为950℃，保温时间为20min。
5）将加热后的烧结体迅速取出装入热锻模中进行热锻，锻造设备为63t摩擦压力机，锻造力为1000MPa，模具预热温度300℃。锻造后的试样置于空气中冷却至室温。
对比例2
2）称取钼含量为0.85wt.%的钼铁预合金粉97g，铜粉2g，鳞片石墨1g，另加硬脂酸锌0.75g。
2）将含钼铁基粉末于液压机下双向压制成尺寸为32mm*13mm*8mm，密度为6.5±0.1g/cm3的生坯，压制力为500MPa。
3）将压制好的生坯置于连续式工业网带炉中，烧结温度1120℃，保温时间30min，保护气氛90%vol.N2+10%vol.H2。
4）将所述烧结体埋入固体碳粉中，于箱式炉中加热，加热温度为950℃，保温时间为20min。
5）将加热后的烧结体迅速取出装入热锻模中进行热锻，锻造设备为63t摩擦压力机，锻造力为1000MPa，模具预热温度300℃。锻造后的试样置于空气中冷却至室温。
对比例3
1）称取钼含量为1.5wt.%的钼铁预合金粉97g，铜粉2g，鳞片石墨1g，另加硬脂酸锌0.75g。
2）将含钼铁基粉末于液压机下双向压制成尺寸为32mm*13m*8mm，密度为6.5±0.1g/cm3的生坯，压制力为500MPa。
3）将压制好的生坯置于连续式工业网带炉中，烧结温度1120℃，保温时间30min，保护气氛90%vol.N2+10%vol.H2。
4）将所述烧结体埋入固体碳粉中，于箱式炉中加热，加热温度为900℃，保温时间为20min。
5）将加热后的烧结体迅速取出装入热锻模中进行热锻，锻造设备为63t摩擦压力机，锻造力为1000MPa，模具预热温度300℃。锻造后的试样置于空气中冷却至室温。
对比例4
1）称取钼含量为1.5wt.%的钼铁预合金粉97g，铜粉2g，鳞片石墨1g，另加硬脂酸锌0.75g。
2）将含钼铁基粉末于液压机下双向压制成尺寸为32mm*13m*8mm，密度为6.5±0.1g/cm3的生坯，压制力为500MPa。
3）将压制好的生坯置于连续式工业网带炉中，烧结温度1120℃，保温时间30min，保护气氛90%vol.N2+10%vol.H2。
4）将所述烧结体埋入固体碳粉中，于箱式炉中加热，加热温度为1050℃，保温时间为20min。
5）将加热后的烧结体迅速取出装入热锻模中进行热锻，锻造设备为63t摩擦压力机，锻造力为1000MPa，模具预热温度300℃。锻造后的试样置于空气中冷却至室温。
对比例5
1）称取钼含量为60.7wt.%的钼铁粉2.40g，铜粉2g，鳞片石墨1g，水雾化铁粉94.6g，另加硬脂酸锌0.75g。
2）将含钼铁基粉末于液压机下双向压制成尺寸为32mm*13m*8mm，密度为6.5±0.1g/cm3的生坯，压制力为500MPa。
3）将压制好的生坯置于连续式工业网带炉中，烧结温度1120℃，保温时间30min，保护气氛90%vol.N2+10vol.H2。
4）将所述烧结体埋入固体碳粉中，于箱式炉中加热，加热温度为950℃，保温时间为20min。
5）将加热后的烧结体迅速取出装入热锻模中进行热锻，锻造设备为50t空气锤，锻造力为500MPa，模具预热温度300℃。锻造后的试样置于空气中冷却至室温。
表1 各实施例和对比例参数
<i>成分（wt.%）</i> <i>锻造设备</i> <i>锻造温度</i>
实施例1 Fe-1C-2Cu-1.46Mo（预合金粉） 63t摩擦压力机 950℃
实施例2 Fe-1C-2Cu-1.46Mo（预合金粉） 63t摩擦压力机 1000℃
对比例1 Fe-1C-2Cu-0.49Mo（预合金粉） 63t摩擦压力机 950℃
对比例2 Fe-1C-2Cu-0.82Mo（预合金粉） 63t摩擦压力机 950℃
对比例3 Fe-1C-2Cu-1.46Mo（预合金粉） 63t摩擦压力机 900℃
对比例4 Fe-1C-2Cu-1.46Mo（预合金粉） 63t摩擦压力机 1050℃
对比例5 Fe-1C-2Cu-1.46Mo（钼铁粉） 50t空气锤 950℃
表2 各实施例和对比例的性能对比
Figure DEST_PATH_IMAGE002
结合图1和图2，从实施例与对比例的性能与显微组织对比来看，采用本成分体系、制备工艺的粉末冶金材料密度高接近全致密化，表观硬度、横向断裂强度、耐磨性能均较好，显微组织均匀细小，贝氏体与马氏体含量高。

Claims (10)

1.一种粉末热锻低合金钢，其特征在于，以质量百分比计，各组分为：
碳 0.8-1.2wt.%、铜1.8-2.2wt.%、钼 1.44-1.56wt.%，剩余为铁。
2.如权利要求1所述的合金钢，其特征在于，由如下步骤制备：
（1）配料：将粒度-100目、纯度高于99%的钼铁预合金粉，粒度-300目、纯度高于99.5%的鳞片石墨和粒度-200目、纯度99.9%的电解铜粉混合后，与0.75-0.8wt.%硬脂酸锌机械混合；
（2）压制：将上述混合粉末双向压制成生坯；
（3）保护气氛下烧结；
（4）锻前加热：将上述烧结体埋入固体碳粉中，在氮气保护下加热，其中，加热温度为950-1000℃，保温时间为15~25min；
（5）锻造：将加热后的烧结体迅速取出，装入热锻模中进行锻造，锻造设备为63t摩擦压力机，锻造力为1000MPa，模具预热温度300℃，锻造后的试样置于空气中冷却至室温。
3.如权利要求2所述的低合金钢，其特征在于，步骤（1）中，所述的机械混合是将原料于混料机中混合30min。
4.如权利要求2所述的低合金钢，其特征在于，步骤（2）中，生坯的尺寸为32mm*13mm*8mm，密度为6.5±0.1g/cm3，压制压力为500MPa。
5. 如权利要求2所述的低合金钢，其特征在于，步骤（3）中，保护气氛采用90vol.%N2+10vol.%H2。
6.如权利要求2所述的低合金钢，其特征在于，步骤（3）中，烧结采用连续式工业网带炉，烧结温度为1120℃，保温时间为30min。
7.如权利要求1所述的粉末热锻低合金钢的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
（1）配料：将粒度-100目、纯度高于99%的钼铁预合金粉，粒度-300目、纯度高于99.5%的鳞片石墨和粒度-200目、纯度99.9%的电解铜粉混合后，与0.75-0.8wt.%硬脂酸锌机械混合；
（2）压制：将上述混合粉末双向压制成生坯；
（3）保护气氛下烧结；
（4）锻前加热：将上述烧结体埋入固体碳粉中，在氮气保护下加热，其中，加热温度为950-1000℃，保温时间为15~25min；
（5）锻造：将加热后的烧结体迅速取出，装入热锻模中进行锻造，锻造设备为63t摩擦压力机，锻造力为1000MPa，模具预热温度300℃，锻造后的试样置于空气中冷却至室温。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述的机械混合是将原料于混料机中混合30min。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，生坯的尺寸为32mm*13mm*8mm，密度为6.5±0.1g/cm3，压制压力为500MPa。
10. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，保护气氛采用90vol.%N2+10vol.%H2；烧结采用连续式工业网带炉，烧结温度为1120℃，保温时间为30min。
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