CN111774562A - 粉末组合物及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供粉末组合物及其制备方法和应用。该粉末组合物按照质量分数包括以下组分：0.1～1wt％的碳、4～12wt％的镍、0.1～1wt％的铬、0.1～3wt％的钨、0.3～1wt％的钒、0.01～2wt％的钼、0～2wt％的铜、0～1wt％的锰、0～1wt％的硅、0～1wt％的磷，余量为铁。该粉末组合物通过特定配比的Ni、Cr、W、V、Mo等元素，使得组合物在经烧结后得到的合金产品同时兼具较好的强度和延性。
Description
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术领域，尤其是涉及粉末组合物及其制备方法和应用。
背景技术
传统粉末冶金行业内，粉末冶金零件常常通过淬火、回火的硬化热处理来达到良好的机械性质，而这不可避免地带来了零件易形变、尺寸不稳定、淬列等问题。因而，近年来逐渐发展出烧结硬化型粉末，通过加入高硬化能合金元素，在压出胚体后，烧结即可得到较高的硬度。烧结硬化型合金中机械性质表现较优异的是FLNC-4408(该合金的组成为1-3wt％的Ni、0.65～0.95wt％的Mo、1～3wt％的Cu、0.05～0.3wt％的Mn、0.6～0.9wt％的C，其余为Fe)及FLC2-4808(1.2～1.6wt％的Ni、1.1～1.4wt％的Mo、1～3wt％的Cu、0.3～0.5wt％的Mn、0.6～0.9wt％C，其余为Fe)两者。其中，后者的机械性值较为优异，其在烧结降温阶段只需以每分钟约30℃以上冷却，即可得到马氏体组织，硬度达40HRC、强度达1070MPa，但延性只有1％以下，且烧结密度只有7.2g/cm3(该密度只有材料理论密度的85～90％)。延性与强度无法同时兼具使该粉末组合物无法应用在一些特殊需求的部件的制备中。例如，作为笔记本电脑等电子器件开合、折叠动作的执行部件的转轴机构，其开合寿命一般要求在2万次以上，有的甚至要求达到3万次以上。这就使得生产研发人员对转轴机构的强度、延性等机械性能提出了更高的要求。因此，有必要提供一种粉末组合物，能够使得制出的合金产品兼具高强度和高延性。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种兼具高强度和高延性的合金产品的原料粉末组合物及其制备方法和应用。
第一方面，本发明的一个实施例提供了一种粉末组合物，该粉末组合物按照质量分数包括以下组分：0.1～1wt％的碳、4～12wt％的镍、0.1～1wt％的铬、0.1～3wt％的钨、0.3～1wt％的钒、0.01～2wt％的钼、0～2wt％的铜、0～1wt％的锰、0～1wt％的硅、0～1wt％的磷，余量为铁。
本发明实施例的粉末组合物至少具有如下有益效果：
该粉末组合物通过特定配比的镍、铬、钨、钒、钼等元素，使得组合物在经烧结后得到的合金产品同时兼具较好的强度和延性。
镍元素可以促进烧结致密化，固溶于铁中产生固溶强化，使合金的强度、韧性有所提升，在较好的延展性下获得较高的强度。铬元素的添加会提高力学性能，改善合金的强度、硬度，但会对韧性、延性造成一定影响。钼元素可以细化晶粒，是强碳化物形成元素，但过多的钼容易导致合金的机械性能下降。而钨和钒元素与碳元素的亲和力强，形成特殊碳化物，从而提升合金的硬度和强度。通过这几种元素配比组合的协同作用，可以在保证合金的强度、硬度等性能的同时保有良好的延性。
另外，通过加入一定量的铜来进一步提高合金的强度和韧性，通过锰的添加使合金具有更优异的热加工性能和耐磨性等，而加入硅可以有效提高合金的弹性极限、屈服点和抗拉强度。
根据本发明的一些实施例的粉末组合物，该粉末组合物按照质量分数包括以下组分：0.3～0.8wt％的碳、6～12wt％的镍、0.5～1wt％的铬、0.5～1wt％的钨、0.5～1wt％的钒、0.5～2wt％的钼、0～2wt％的铜、0～1wt％的锰、0～1wt％的硅、0～1wt％的磷，余量为铁。通过对组合物元素含量的进一步限定，确保以上述组合物制得的合金产品能够同时具有较好的韧性、延性和强度等性能。
根据本发明的一些实施例的粉末组合物，该粉末组合物的粒径为0.1～30μm。以30μm以下粒径的粉末进行合金产品的制备时，可以以射出成形等工艺形成形状较为复杂的产品，使合金产品有更广泛的应用场景。
根据本发明的一些实施例的粉末组合物，该粉末组合物选自金属粉末、金属合金粉末、金属羰基粉末中的至少一种。该粉末组合物中的各种金属元素和非金属元素可以以金属粉末、金属合金粉末、金属羰基粉末等形式组合获得对应的含量配比。
第二方面，本发明的一个实施例提供了一种射料组合物，该射料组合物包括结合剂和上述的粉末组合物。使用粉末组合物进行合金产品的制备时，一般在其中加入一定含量的结合剂组分，以使组合物在成形过程中能够将各类粉末均匀地粘合到一起，以利后续注塑成形。
第三方面，本发明的一个实施例提供了一种合金，该合金由包括上述的粉末组合物或射料组合物的原料制备得到。上述组合物通过特定的制备工艺形成合金。该合金兼具有较好的强度和延性，能够满足一些特定产品的需求。
第四方面，本发明的一个实施例提供了一种转轴，该转轴包括上述的合金材料。使用上述的合金材料加工组合得到的转轴具有较好的强度和韧性，具有优异的开合寿命，能够有效应对高频率开合场景的使用，避免发生受力脆断的情况，保证产品的正常工作。
第五方面，本发明的一个实施例提供了一种设备，该设备包括上述的转轴。在一些经常需要对部件进行夹持、扭转、锁合等设备上设置由上述合金材料制成的转轴。这些设备可以是诸如3C产品，例如笔记本电脑、柔性屏可折叠手机，手工具或电气动工具、汽车产品等。在高硬度、高强度等要求下，这些转轴还能够同时满足部件对良好延性的需求，避免设备因长期弯折导致的脆性破坏。
第六方面，本发明的一个实施例提供一种合金的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤一、将上述的粉末组合物或射料组合物制备成生坯；
步骤二、将所述生坯烧结，得到合金。
本方案所采用的制备方法可以在烧结后不经淬火制程，减少淬火带来的尺寸变异，烧结体经回火后能够具有高硬度、高强度和良好的延性，满足特定产品的需求。
根据本发明的一些实施例的制备方法，步骤一为将上述的射料组合物利用射出成形的方式制备成生坯。采用射出成形的方法可以形成形状较为复杂的产品，使合金产品有更广泛的应用场景。
附图说明
图1和图2分别是本发明的一个实施例的耐磨性比较实验中的对比例6和实施例1的耐磨性检测结果。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种合金产品，该合金产品由包括粉末组合物和结合剂的原料制备得到。
该粉末组合物中各元素的含量如下表1所示：
表1.配方一元素组成(wt％)
| 元素 | 碳 | 镍 | 铬 | 钼 | 钨 | 钒 | 硅 | 铁 |
| 含量 | 0.45 | 6.3 | 0.7 | 0.8 | 0.8 | 0.5 | 0.5 | 余量 |
该粉末组合物是以包含表1元素的金属预合金粉、母合金粉、或金属羰基粉末、元素粉末等混合得到上述配比组成，各个粉末的平均直径为30μm以下。
结合剂可以是任选的具有黏合、润滑功能的组分或包含该组分的混合物，例如，聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、硬脂酸、微晶蜡等。本实施例中结合剂含量约为10-15wt％。
该合金产品的制备方法如下：
(1)将上述配比的粉末组合物和结合剂在混料机中混料190℃，1h形成喂料。
(2)喂料在注塑机上成形，得到生坯。
(3)生坯置于烧结炉内烧结，依次包括预烧脱蜡区300～600℃、接着升温至1300℃持温2h，得烧结体。
(4)烧结体接着进行200℃回火。
该合金在预烧脱蜡区已将组分中的结合剂脱去，因此，合金中的元素组成实际上与粉末组合物相同。
实施例2
本实施例提供一种合金，与实施例1的区别在于，合金的元素组成不同，具体如下表2所示。
表2.配方二元素组成(wt％)
| 元素 | 碳 | 镍 | 铬 | 钼 | 钨 | 钒 | 硅 | 铁 |
| 含量 | 0.40 | 8.5 | 0.7 | 0.8 | 0.8 | 0.5 | 0.5 | 余量 |
实施例3
力学性能比较
设置对比例1～5，与上述实施例1和实施例2制得的合金产品进行比较，对比例1～5的配方如下：
表3.对比例元素组成(wt％)
| 元素 | 碳 | 镍 | 铬 | 钼 | 钨 | 钒 | 锰 | 硅 | 铁 |
| 对比例1 | 0.50 | 2.0 | / | 0.35 | / | / | / | 0.3 | 余量 |
| 对比例2 | 0.50 | 2.0 | / | 0.35 | / | / | / | 0.3 | 余量 |
| 对比例3 | 0.36 | 8.0 | 0.8 | 0.8 | / | / | 0.6 | 0.3 | 余量 |
| 对比例4 | 0.34 | 9.0 | 0.8 | 0.8 | / | / | / | 0.3 | 余量 |
| 对比例5 | 0.6 | 4.9 | / | 1.0 | 0.8 | 0.3 | 0.5 | / | 余量 |
对比例1与对比例2的组分配方相同，区别在于对比例1为烧结体，未经淬火与回火处理，而对比例2在对比例1的基础上经过了与实施例淬火与回火处理。对比例3和对比例4与实施例1所采取的制备方法完全相同。
分别取实施例1～2和对比例1～5制得的合金中的部分产品采用洛氏硬度计测量合金的硬度；按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》标准测量合金的抗拉强度和伸长率，通过伸长率表征合金的延性。结果如下表4所示。
表4.力学性能检测结果
| 合金 | 硬度 | 抗拉强度MPa | 伸长率％ |
| 对比例1 | 62HRB | 415 | 15 |
| 对比例2 | 48HRC | 1655 | 2 |
| 对比例3 | 45HRC | 1800 | 3 |
| 对比例4 | 45HRC | 1780 | 4 |
| 对比例5 | / | 1089 | 3 |
| 实施例1 | 53HRC | 1900 | 6 |
| 实施例2 | 50HRC | 1830 | 7 |
对比例1和对比例2为现有的4605合金的配方，区别在于对比例1为烧结体，而对比例2通过淬火和回火的热处理使合金的硬度、抗拉强度相对于对比例1有了大幅提升，但其延性下降也极为明显。实施例1和2与上述两个对比例的区别在于镍/铬/钼的含量更高，同时添加钨和钒，这些成分有助于提升材料的硬度和强度，同时保证合金的延性有较大的提升。对比例3和4的组分与实施例1和实施例2更加接近，主要的区别在于不包含钨和钒，其它元素也有一定的差异，这两种合金虽然不经淬火也达到了较高的强度，但其硬度仍然低于50HRC，而且伸长率也达不到5％，很难满足对应的需求。对比例5虽然加入了一定量的钨和钒，但其抗拉强度和伸长率仍然与实施例1和2有较大的差距。而实施例1和实施例2的合金在不经淬火工艺的前提下，即可达到50HRC以上的硬度，同时抗拉强度高于1800Mpa，伸长率也大于5％，可以看到，其力学性能均明显优于几个对比例。
实施例4
耐磨性比较
对比例6：与实施例1的区别在于，0.8wt％的W和0.5wt％的V以Fe元素代替。按照与实施例1相同的方法制得对应的合金材料。
将对比例6和实施例1的合金进行耐磨性测试，具体方法为将两种合金经过相同研磨球、相同荷重、相同时间，将被研磨后的研磨痕深度与宽度进行比较。研磨痕深度与宽度值越低，表示合金耐磨程度越好。结果见图1和图2。图1和图2分别为对比例6和实施例1的耐磨性检测结果。从图中可以看出，对比例6的研磨痕深度(Z high)与宽度(wide)都比实施例1要高很多，该结果表明W和V的添加同时有利于提高合金产品的耐磨性能。
实施例5
本实施例提供一种合金，与实施例1的区别在于，采用射出成形的方法制得。相比于实施例1中烧结硬化的方式，本实施例中的合金采用射出成形的方式制得，因而在成形时可以形成更为复杂的形状，从而使合金产品能够满足更差异化的需求。
实施例6
本实施例提供一种笔记本电脑，该笔记本电脑的屏幕和键盘之间采用转轴连接，该转轴由实施例5中的合金材料制得。由于该合金材料同时兼具良好的硬度、强度和韧性，因而可以很好地适用于笔记本电脑这种需求高密度的开合动作的设备，能够在大量的开合后仍然正常工作，不至于出现脆性破坏而影响使用。
综合上述实施例可以看到，根据本发明实施例所提供的粉末组合物而制得的合金产品可以适用于形状复杂的高阶产品需求部件使用。该粉末在经前制程制得喂料后成形产出的生坯在经烧结后进行冷却时，只需达到每分钟3-20℃以上(即一般烧结炉能够达到的降温速率)，就可以得到马氏体组织，烧结体可以达到理论密度95％以上，具备良好的机械性能，能够在不经淬火的前提下即具有高硬度、高强度和良好的延性，使得制造的产品尺寸稳定、性能也更加优越。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (10)
1.粉末组合物，其特征在于，按照质量分数包括以下组分：0.1～1wt％的碳、4～12wt％的镍、0.1～1wt％的铬、0.1～3wt％的钨、0.3～1wt％的钒、0.01～2wt％的钼、0～2wt％的铜、0～1wt％的锰、0～1wt％的硅、0～1wt％的磷，余量为铁。
2.根据权利要求1所述的粉末组合物，其特征在于，按照质量分数包括以下组分：0.3～0.8wt％的碳、6～12wt％的镍、0.5～1wt％的铬、0.5～1wt％的钨、0.5～1wt％的钒、0.5～2wt％的钼、0～2wt％的铜、0～1wt％的锰、0～1wt％的硅、0～1wt％的磷，余量为铁。
3.根据权利要求1或2所述的粉末组合物，其特征在于，所述粉末组合物的粒径为0.1～30μm。
4.根据权利要求1或2所述的粉末组合物，其特征在于，所述粉末组合物选自金属粉末、金属合金粉末、金属羰基粉末中的至少一种。
5.射料组合物，其特征在于，包括结合剂和权利要求1至4任一项所述的粉末组合物。
6.合金，其特征在于，由包括权利要求1至4任一项所述的粉末组合物或权利要求5所述的射料组合物的原料制备得到。
7.转轴，其特征在于，包括权利要求6所述的合金。
8.设备，其特征在于，包括权利要求7所述的转轴。
9.权利要求6所述的合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将权利要求1至4任一项所述的粉末组合物或权利要求5所述的射料组合物制备成生坯；
步骤二、将所述生坯烧结，得到合金。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤一为将权利要求5所述的射料组合物利用射出成形的方式制备成生坯。
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