CN112676566B - 一种高强耐磨耐高温汽车叶片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强耐磨耐高温汽车叶片及其制备方法，制备方法为：将基体材料粉末、Co‑Cr‑Mo系合金粉末分别与粘结剂混炼，制粒获得基体材料和高强耐磨耐高温包覆层喂料，然后利用注射成形技术将基体材料喂料和Co‑Cr‑Mo系合金包覆层喂料依次注入到模具型腔中得到产品生坯，再将生坯中的粘结剂经催化脱脂、热脱脂工艺脱除，最后共烧结致密化得到Co‑Cr‑Mo系高强耐磨耐高温汽车叶片。本发明具有工艺简单、包覆层与基体的结合性能好，高温性能优秀等优点，解决了现有材料叶片中高温性能不足、成本高昂等问题，很适合用于制备在高温环境中服役的各种异型汽车叶片。

Description

一种高强耐磨耐高温汽车叶片及其制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金领域，尤其涉及一种高强耐磨耐高温汽车叶片及其制备方法。

背景技术

常规汽车叶片一般是通过机械加工成型的方式制得，但是这种加工方式的缺点是材料利用率低，这就使得汽车叶片的制造成本大大增加。粉末冶金技术是通过利用金属粉末作为原料经过成型和烧结制备各种类型制品的技术，而通过粉末冶金的方式制造的汽车叶片精度高、材料利用率高、制造成本低等优点迅速得到汽车市场的青睐，成为一种主流的汽车叶片制造方式。

粉末冶金方式制造叶片常用的粉末材料有铁基、镍基。铁基材料如HK30价格便宜，但其高温稳定性较差不能满足长期在高温环境中的工作条件；镍基材料如Inconel 713LC虽然具有较好的高温稳定性，但是其价格昂贵，限制其应用。因此，开发出一种成本低廉且具有一定高温稳定性的汽车叶片材料具有重要意义。

Co-Cr-Mo系合金在高温下具有较高的强度、抗氧化能力好、高温稳定性好等优点，常作为各种高温环境零部件表面涂层使用。目前，常采用激光熔覆、等离子熔覆、热喷涂等技术在金属表面制备出Co-Cr-Mo系合金涂层，但存在两个问题：第一，由于其制备过程中有大量热量输出导致基体变形，涂层内应力大产生微裂纹，导致零部件使用过程中涂层剥落；第二，只能在结构简单的大型零部件表面制备Co-Cr-Mo系合金层，完全不能在较小的复杂异性零部件表面制备Co-Cr-Mo系合金涂层。

迄今为止，现有技术中，还未有将Co-Cr-Mo系合金涂层应用于汽车叶片的报道！

发明内容

本发明为解决上述现有技术不足，本发明的目的在于提供一种高强耐磨耐高温汽车叶片及其制备方法；所述制备方法，工艺简单、制作成本低，可在各种异型汽车叶片表面制备具有一定厚度Co-Cr-Mo系合金高强耐磨耐高温包覆层；所制备的包覆层厚度均匀、与基体结合性好，包覆层具有一定硬度而内部基体材料具有一定塑性，汽车叶片具有优异的高温强度，有利于提高汽车叶片的综合性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种高强耐磨耐高温汽车叶片的制备方法，包括以下步骤：

步骤一

将基体粉末与粘结剂A混炼、制粒获得基体材料喂料；将包覆层粉末与粘结剂B混炼、制粒，获得包覆层喂料，所述包覆层粉末为Co-Cr-Mo系合金粉末；

步骤二

将基体材料喂料注入模具型腔，冷却，获得基体生坯，再于基体生坯表面注入包覆层喂料；获得复合结构生坯；

步骤三

将复合结构生坯先于硝酸气氛下进行催化脱脂，再于保护气氛下进行热脱脂，获得预烧结坯体；预烧结坯体进行烧结即得叶片制品。

优选的方案，所述基体粉末为铁基合金粉末；所述铁基合金粉末选自低碳钢粉末、不锈钢粉末、耐热钢粉末中的一种。

优选的方案，所述基体粉末的粒径为5～50μm，优选10-30μm，进一步的优选10～20μm。

在本发明中，基体粉末、包覆层粉末优选采用气雾化制备的粉末。

优选的方案，所述包覆层粉末，按质量百分比计，其成份组成为：Co：40-60％、Cr：6-16％、Mo：26-34％、Al：0-2％、Cu：0-2％、Si：0-1％。

本发明中，包覆层粉末为Co-Cr-Mo系合金，基于基体粉末的特性，本发明对包覆层粉末的成分进行调控，使其能够满足与基体粉末具有相近的物理性能，在相同的烧结温度下有着较为接近的收缩率，以达到提高与基体的结合强度的目的。

进一步的优选，所述包覆层粉末，按质量百分比计，其成份组成为：Co：50-60％、Cr：6-12％、Mo：26-32％、Al：0.2-1.8％、Cu：0.2-1.8％、Si：0.1-1％。

更进一步的优选，所述包覆层粉末，按质量百分比计，其成份组成为：Co：50-55％、Cr：8-12％、Mo：28-32％、Al：0.5-1.5％、Cu：0.5-1.5％、Si：0.2-1％。

优选的方案，所述包覆层粉末的粒径≤30μm，优选为5～25μm，进一步的优选10～20μm。

优选的方案，所述粘结剂A与粘结剂B，按质量百分比计，其组成均如下：聚甲醛(POM)70～90％；聚乙烯(PP)或聚丙烯(PE)6～12％；聚乙烯蜡1～4％；聚烯烃弹性体(POE)1～5％；巴斯夫1098抗氧化剂0.2～1％；硬脂酸(SA)0.2～1％。

优选的方案，所述基体材料喂料中，基体粉末与粘结剂A的体积比为35～65：65～35；

所述包覆层喂料中，包覆层粉末与粘结剂B的体积比为35～65：65～35。

优选的方案，步骤一中，所述基体粉末与粘结剂A混炼的温度为120～160℃，时间为1～4h，混炼时混炼机转速为80～120r/min。

优选的方案，步骤一中，所述包覆层粉末与粘结剂B混炼的温度为120～160℃，时间为1～4h，混炼时混炼机转速为80～120r/min。

优选的方案，步骤二中，基体材料喂料注入模具型腔时，注射温度为160～180℃、注射压力为50～110MPa、注射速度为40～60g/s、模具温度为120～140℃。

在本发明中，在注射成形机中先将基体材料喂料注入到所设计的模具型腔中，等喂料冷却后，使活动型芯后退，然后基体材料表面注入包覆层喂料。

优选的方案，步骤二中，基体材料喂料的注入量为模具型腔容积的40％～60％，包覆层喂料注入量为模具型腔容积的40％～60％。

本发明中，通过设计的模具以及注射量，最终有效的控制包覆层的厚度，并使包覆层的厚度可调。

优选的方案，步骤二中，基体生坯表面注入包覆层喂料时，注射温度为160～180℃、注射压力为50～110MPa、注射速度为40～60g/s、模具温度为120～140℃。

优选的方案，步骤三中，所述催化脱脂时，硝酸流量为2-6ml/min，催化脱脂的温度为80-140℃，催化脱脂的时间为7-10h。

优选的方案，步骤三中，所述热脱脂的工艺过程为：先以3～8℃/min的速度加热至150～250℃保温0.5～2h，然后以3～8℃/min的速度加热至300～400℃保温1～4h，再以5～15℃/min的速度加热至800～1100℃保温1～4h后随炉冷却至室温。

在本发明中，利用催化脱脂和热脱脂相结合的脱脂方式，先在硝酸气氛下进行催化脱脂脱除部分粘结剂，再于保护气氛下进行热脱脂脱除剩余粘结剂，并控制相应的升温速率以及保温时间，有效控制脱脂速率，避免坯体在脱脂过程出现变形、脱落、裂纹等缺陷。

优选的方案，步骤三中，所述烧结的工艺过程为：先以2～8℃/min，优选为4～6℃/min，进一步优选为5℃/min的速度加热至600～800℃保温1～3h；然后以3～6℃/min，优选为3～5℃/min，进一步优选为4℃/min的速度加热至1000～1150℃保温0.5～1h；最后以3～6℃/min，优选为3～5℃/min，进一步优选为3℃/min的速度加热至1200～1300℃保温6～10h后随炉冷。

在本发明的烧结工艺中，本发明通过多段式升温程序达到目标烧结温度，并控制升温速率以及保温时间，可有效避免坯体在升温及烧结过程中出现变形，裂纹等缺陷。

在本发明中，所用保护气氛，优选为氮气气氛和氩气气氛中的至少一种。

本发明还提供上述制备方法所制备的一种高强度耐磨耐高温汽车叶片。

所述高强耐磨耐高温汽车叶片由基体与包覆层组成，所述基体选自铁基合金、镍基合金中的一种，优选为铁基合金，所述包覆层中，按质量百分比计，其成份组成为：Co：40-60％、Cr：6-16％、Mo：26-34％、Al：0-2％、Cu：0-2％、Si：0-1％。

所述包覆层的厚度为0.1～1mm。

有益效果

本发明基于金属粉末注射成形技术，制备出一种高强耐磨耐高温汽车叶片及其制备方法。本发明的制备方法首先将基体材料粉末、Co-Cr-Mo系合金粉末分别与粘结剂混炼，制粒获得基体材料和高强耐磨耐高温包覆层喂料，然后利用注射成形技术将基体材料喂料和Co-Cr-Mo系合金包覆层喂料依次注入到模具型腔中得到产品生坯，再将生坯中的粘结剂经催化脱脂、热脱脂工艺脱除，最后共烧结致密化得到Co-Cr-Mo系高强耐磨耐高温汽车叶片。

Co-Cr-Mo系合金涂层与基体材料是否具有相近的收缩率是本发明的关键步骤，决定了最终产品的性能。本发明的包覆层粉末，以Co-Cr-Mo合金为基础，保证包覆层具有较高的高温强度，同时通过加入具有自润滑效果的合金元素Al、Cu来调控其热膨胀系数，使得包覆层与基体的热膨胀性能相匹配，且两者具有很好的相容性，最终使得包覆层与基体结合性较好，结合强度高于200MPa。另外，在脱脂工序中，本发明利用催化脱脂和热脱脂相结合的脱脂方式，控制相应的升温速率以及保温时间，有效控制脱脂速率，避免坯体在脱脂过程出现变形、脱落、裂纹等缺陷。而在烧结工序中，本发明通过多段式升温程序达到目标烧结温度，并控制升温速率以及保温时间，可有效避免坯体在升温及烧结过程中出现变形，裂纹等缺陷。

与现有技术相比，本发明采用金属粉末注射成形技术制备的一种高强耐磨耐高温汽车叶片，其特点如下：

1)制备工艺简便，一次成型无需后期加工，材料利用率高。可明显提高经济效益；

2)包覆层厚度可控可调，且包覆层与基体结合性能好，结合强度高于200MPa；

3)适用于各种异型汽车叶片表面制备Co-Cr-Mo系合金包覆层，具有较好的高温性能，800℃的抗拉强度大于450Mpa。

综上所述，本发明所制备的一种高强耐磨耐高温汽车叶片及其制备方法，通过一次成形，易于实现生产自动化，加工效率高，生产成本低，解决了现有材料叶片中高温性能不足、成本高昂等问题，能很好的满足客户需求，很适合用于制备在高温环境中服役的各种异型汽车叶片。对于促进粉末冶金注射成型材料体系扩展以及汽车行业的发展，具有革命性的创新。

附图说明

图1为实施例2中一种高强耐磨耐高温汽车叶片的实物图。

图2为实施例2中Co-Cr-Mo系合金包覆层和铁基合金的金相照片。

图3为本发明所设计的工艺流程图。

图4为本发明的注射示意图。

具体实施方式

以下结合三个实例对本发明方法作进一步说明。

实施例1：

一种高强耐磨耐高温汽车叶片及其制备技术，其过程如下：

A、原料准备：基体材料选用气雾化制备的低碳钢合金粉末，平均粒度为13μm，化学成分为：C：0.2wt％、Mn：1.30wt％、Si：0.15wt％、S：0.01wt％、P：0.01wt％、Fe：余量。

包覆层材料选用气雾化制备的Co-10Cr-30Mo-1Al-1.5Cu-0.5Si(wt％)合金粉末，平均粒度为12.8μm。

粘结剂A和B：按如下质量百分比配制，聚甲醛(POM)：84％；聚乙烯(PP)：9％；聚烯烃弹性体(POE)：5％；巴斯夫1098抗氧化剂：1％；硬脂酸(SA)：1％。

B、制备喂料：将粘结剂A与低碳钢合金粉末按照体积比45％:55％进行混炼、制粒制成基体材料喂料，混炼温度为155℃，混炼机转速为90r/min，混炼时间为2h；将粘结剂B与Co-Cr-Mo系合金粉末按照体积比48％:52％进行混炼、制粒制成Co-Cr-Mo系合金高强耐磨耐高温包覆层喂料，混炼温度为155℃，混炼机转速为100r/min，混炼时间为3h；

C、注射成形：注射成型模具采用收缩型芯结构，利用共注射成形机先将低碳钢合金基体材料喂料注入到模具型腔中，待喂料冷却后，活动型芯后退，再注射Co-Cr-Mo系合金喂料，获得高强耐磨耐高温包覆层生坯。基体材料喂料的注入量为模具型腔容积的55％，包覆层喂料注入量为模具型腔容积的45％。注射成型时，注射温度为165℃，注射压力为60MPa，注射速度为60g/s，模具温度为120℃；

D、脱脂：将产品生坯先用硝酸催化脱脂去除部分粘结剂，硝酸流量3ml/min，催化温度125℃，催化时间8h；然后在真空脱脂炉中进行热脱脂，在氩气气氛保护中，先以5℃/min的速度加热至180℃保温1h，然后以5℃/min的速度加热至350℃保温2h，再以10℃/min的速度加热至900℃保温1h后随炉冷却至室温；

E、烧结：将脱脂后的产品坯体在烧结炉内进行烧结；烧结时充入2：1的Ar2：N2作为保护气体，压力12000Pa；先以5℃/min的速度加热至800℃保温2h，然后以4℃/min的速度加热至1100℃保温1h，再以3℃/min的速度加热至1250℃保温8h后随炉冷却至室温。检测成品的力学性能，Co-Cr-Mo系合金高强耐磨耐高温涂层厚度为0.3mm，其在800℃高温强度为452Mpa，界面结合强度为220MPa。

实施例2：

一种高强耐磨耐高温汽车叶片及其制备技术，其过程如下：

A、原料准备：基体材料选用气雾化制备的304不锈钢粉末，平均粒度为14.3μm，化学成分为：C：0.07wt％、Mn：1.48wt％、Si：0.08wt％、Ni：9.5wt％、Cr：18.4wt％、Fe：余量。

包覆层材料选用气雾化制备的Co-9.2Cr-28.4Mo-1.2Al-0.8Cu-0.5Si(wt％)合金粉末，平均粒度为12.5μm。

粘结剂A和B：按如下质量百分比配制，聚甲醛(POM)：80％；聚乙烯(PP)：13％；聚烯烃弹性体(POE)：5％；巴斯夫1098抗氧化剂：1％；硬脂酸(SA)：1％。

B、制备喂料：将粘结剂A与304不锈钢合金粉末按照体积比43％:57％进行混炼、制粒制成基体材料喂料，混炼温度为155℃，混炼机转速为90r/min，混炼时间为2h；将粘结剂B与Co-Cr-Mo系合金粉末按照体积比46％:54％进行混炼、制粒制成Co-Cr-Mo系合金高强耐磨耐高温包覆层喂料，混炼温度为155℃，混炼机转速为100r/min，混炼时间为3h；

C、注射成形：注射成型模具采用收缩型芯结构，利用共注射成形机先将304不锈钢合金基体材料喂料注入到模具型腔中，待喂料冷却后，活动型芯后退，再注射Co-Cr-Mo系合金包覆层喂料，获得高强耐磨耐高温汽车叶片生坯。基体材料喂料的注入量为模具型腔容积的55％，包覆层喂料注入量为模具型腔容积的45％。注射成型时，注射温度为170℃，注射压力为80MPa，注射速度为60g/s，模具温度为120℃；

D、脱脂：将产品生坯先用硝酸催化脱脂去除部分粘结剂，硝酸流量3ml/min催化温度125℃，催化时间8h；然后在真空脱脂炉中进行热脱脂，在氩气气氛保护中，先以5℃/min的速度加热至180℃保温1h，然后以5℃/min的速度加热至350℃保温2h，再以10℃/min的速度加热至900℃保温1h后随炉冷却至室温；

E、烧结：将脱脂后的产品坯体在烧结炉内进行烧结；烧结时充入N2作为保护气体，压力12000Pa；先以5℃/min的速度加热至800℃保温2h，然后以4℃/min的速度加热至1100℃保温1h，再以3℃/min的速度加热至1300℃保温8h后随炉冷却至室温。检测成品的力学性能，Co-Cr-Mo系合金高强耐磨耐高温涂层厚度为0.5mm，其800℃高温强度为465Mpa，界面结合强度为235MPa。

对比例1：

与实施例2的唯一区别是Co-Cr-Mo系合金中不包含Al和Cu，检测成品的力学性能，Co-Cr-Mo系合金高强耐磨耐高温涂层的800℃高温强度为365Mpa，界面结合强度为134MPa。

对比例2：

以下对比实验中未列出条件均与实施例2相同，

对比例3：

与实施例2的唯一区别是脱脂工艺只有热脱脂，检测成品的力学性能，Co-Cr-Mo系合金高强耐磨耐高温涂层的800℃高温强度为325Mpa，界面结合强度为154MPa。

对比例4：

以下对比实验中未列出条件均与实施例2相同，

上述对比可以看出，不合适的成分和脱脂方法、过高或者过低的注射温度、比例不恰当的基体与包覆层注射量等注射参数、过高或者过低的烧结温度、保温时间都会导致产品出现缺陷，进而影响性能。

以上所述实例仅是本发明较优的实施方法，故不能以此限定本发明的实施范围，其他按照本发明的原理和内容所做的等效改变、修饰、替代和组合，都仍属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高强耐磨耐高温汽车叶片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一

将基体粉末与粘结剂A混炼、制粒获得基体材料喂料；将包覆层粉末与粘结剂B混炼、制粒，获得包覆层喂料，所述包覆层粉末为Co-Cr-Mo系合金粉末；

所述基体粉末为铁基合金粉末；所述铁基合金粉末选自低碳钢粉末、不锈钢粉末、耐热钢粉末中的一种；所述基体粉末的粒径为5~50μm；

所述包覆层粉末，按质量百分比计，其成份组成为：Co：40-60%、Cr：6-16%、Mo：26-34%、Al：0-2%、Cu：0-2%、Si：0-1%；

所述包覆层粉末的粒径≤30μm；

步骤二

将基体材料喂料注入模具型腔，冷却，获得基体生坯，再于基体生坯表面注入包覆层喂料；获得复合结构生坯；

步骤三

将复合结构生坯先于硝酸气氛下进行催化脱脂，再于保护气氛下进行热脱脂，获得预烧结坯体；预烧结坯体进行烧结即得叶片制品；

所述催化脱脂时，硝酸流量为2-6ml/min，催化脱脂的温度为80-140℃，催化脱脂的时间为7-10h；

所述热脱脂的工艺过程为：先以3~8℃/min的速度加热至150~250℃保温0.5~2h，然后以3~8℃/min的速度加热至300~400℃保温1~4h，再以5~15℃/min的速度加热至800~1100℃保温1~4h后随炉冷却至室温；

所述高强耐磨耐高温汽车叶片，包覆层与基体的结合强度＞200MPa，800℃的抗拉强度大于450Mpa。

2. 根据权利要求1所述的一种高强耐磨耐高温汽车叶片的制备方法，其特征在于：所述粘结剂A与粘结剂B，按质量百分比计，其组成均如下： POM 70～90%； PP或PE 6～12%；聚乙烯蜡 1～4%； POE 1~5%；巴斯夫1098抗氧化剂0.2~1%； SA 0.2~1%；

所述基体材料喂料中，基体粉末与粘结剂A的体积比为35~65：65~35；

所述包覆层喂料中，包覆层粉末与粘结剂B的体积比为35~65：65~35。

3.根据权利要求1所述的一种高强耐磨耐高温汽车叶片的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述基体粉末与粘结剂A混炼的温度为 120～160℃，时间为1～4h，混炼时混炼机转速为80～120r/min；

步骤一中，所述包覆层粉末与粘结剂B混炼的温度为 120～160℃，时间为1～4h，混炼时混炼机转速为80～120r/min。

4.根据权利要求1所述的一种高强耐磨耐高温汽车叶片的制备方法，其特征在于：步骤二中，基体材料喂料注入模具型腔时，注射温度为160～180℃、注射压力为50～110MPa、注射速度为40～60g/s、模具温度为120～140℃；

步骤二中，基体材料喂料的注入量为模具型腔容积的40%~60%，包覆层喂料注入量为模具型腔容积的40%~60%；

步骤二中，基体生坯表面注入包覆层喂料时，注射温度为160～180℃、注射压力为50～110MPa、注射速度为40～60g/s、模具温度为120～140℃。

5.根据权利要求1所述的一种高强耐磨耐高温汽车叶片的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述烧结的工艺过程为：先以2～8℃/min的速度加热至600～800℃保温1～3h；然后以3～6℃/min的速度加热至1000～1150℃保温0.5～1h；最后以3～6℃/min的速度加热至1200～1300℃保温6～10h后随炉冷。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的制备方法所制备的一种高强度耐磨耐高温汽车叶片。

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