CN112779476A - 一种Fe-Cu-C系粉末冶金新材料及低温瞬时液相烧结技术 - Google Patents

一种Fe-Cu-C系粉末冶金新材料及低温瞬时液相烧结技术 Download PDF

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Abstract

本发明涉及粉末冶金技术领域的一种Fe‑Cu‑C系粉末冶金新材料及低温瞬时液相烧结技术，元素铁粉、元素铜粉、铜钛合金粉末及高纯碳粉按照xFe‑yCu‑zTi‑tC的质量百分比进行配料，y的取值范围为1%~20%，z的取值范围为0.1%~10%，t的取值范围为0.1%‑2%，x的取值范围为100%‑y‑z‑t；将元素铁粉、元素铜粉、铜钛合金粉末及高纯碳粉分别进行称取并配置相应成分的Fe‑Cu‑Ti‑C四元混合粉末；该发明的优点是，在更低的温度下加速原子的扩散，缩短烧结时间，实现在生产过程中的节能减排效果，同时减少产品在后期使用和回收过程中所导致的重金属污染环境的问题。

Description

一种Fe-Cu-C系粉末冶金新材料及低温瞬时液相烧结技术
技术领域
本发明涉及一种粉末冶金技术领域，特别涉及一种Fe-Cu-C系粉末冶金新材料，以及该新材料的低温瞬时液相烧结技术。
背景技术
Fe-Cu-C系粉末冶金零部件具有良好的物理力学性能，是制备汽车减振器活塞、阀座、导向器等核心零部件的关键材料，其性能、使用寿命以及可靠性直接影响司乘人员的舒适性以及安全性。当前，Fe-Cu-C系粉末冶金零部件在制备方法和材料性能方面仍存在一系列亟待解决的突出的问题：
1.晶粒的长大和粗化；现有的Fe-Cu-C系粉末冶金零件的烧结温度均在Cu的熔点以上以液相烧结的方式完成合金的制备，高的烧结温度和长的保温时间容易导致合金在烧结过程中的晶粒长大，不利于合金性能的提高；
2.强化合金力学性能的方式有限，已近瓶颈；在Fe-Cu-C系粉末冶金材料中添加一定量的Mo、P、Ni、Mn 等合金元素是提高其性能的重要途径，上述合金元素主要以固溶强化的形式来改善合金的力学性能，强化形式比较单一，同时强化效果也已近瓶颈。与此同时，上述合金元素的加入不能有效的降低烧结温度，从工业化生产的角度来讲，不利于实现产品在生产过程中的节能降耗；
3.零件的耐腐蚀性能有待提高；现有的提高Fe-Cu-C系粉末冶金零部件表面耐腐蚀性的方法主要是通过蒸气处理获得Fe3O4膜层的方式来实现，但Fe3O4膜层的耐腐蚀性仍存在无法长期满足汽车减振器零件的安全服役要求。
在实际的应用过程中，解决上述问题不仅有利于研发出中高端车型用高性能铁基粉末冶金零部件，同时还能够实现对国外产品在性能方面的弯道超车。
发明内容
本发明的目的是提供一种Fe-Cu-C系粉末冶金新材料，该发明能够在较低温度下形成液相，获得瞬时液相烧结的效果，从而在更低的温度下加速原子的扩散，缩短烧结时间，实现在生产过程中的节能减排效果。
本发明的目的是这样实现的：一种Fe-Cu-C系粉末冶金新材料，包括以元素铁粉、元素铜粉、铜钛合金粉末及高纯碳粉以及作为原料，所述元素铁粉、元素铜粉、铜钛合金粉末及高纯碳粉按照xFe-yCu-zTi-tC的质量百分比进行配料，y的取值范围为1%~20%，z的取值范围为0.1%~10%，t的取值范围为0.1%-2%，x的取值范围为100%-y-z-t；将元素铁粉、元素铜粉、铜钛合金粉末及高纯碳粉分别进行称取并配置相应成分的Fe-Cu-Ti-C四元混合粉末。
本发明的有益效果在于，该发明能够在较低温度下形成液相，获得瞬时液相烧结的效果，从而在更低的温度下加速原子的扩散，缩短烧结时间，实现在生产过程中的节能减排效果。
作为本发明的进一步改进，为减少产品在后期使用和回收过程中所导致的重金属污染环境的问题；所述元素铁粉、元素铜粉、铜钛合金粉末及高纯碳粉中的钛含量介于5%至55%之间。
本发明的另一个目的是，提供一种Fe-Cu-C系粉末冶金新材料的低温瞬时液相烧结技术，实现低温瞬时液相烧结，降低烧结温度、缩短烧结周期；同时可获得具有弥散强化效应的 TiC颗粒并可以明显的提升合金的力学性能；同时也减少产品在后期使用和回收过程中所导致的重金属污染环境的问题。
本发明的另一个目的是这样实现的：包括
步骤一，将Fe-Cu-Ti-C四元混合粉末混料机中混合均匀，混合时填充惰性气体或在真空保护环境下进行；
步骤二，使用高能球磨机将混合均匀后的Fe-Cu-Ti-C四元混合粉末在真空下球磨，球磨时间控制在1-50小时之间；
步骤三，通过模压成型或等静压成型将Fe-Cu-Ti-C四元混合粉末在设定的压力下压制成原始生坯，并进行保压；压制压力大于100Mpa；
步骤四，在高真空状态下（真空度<5x10-3Pa）或氢气气氛下，将原始生坯进行多温度段保温烧结，待烧结完成冷却后获得Fe-Cu-Ti-C系合金新材料；
步骤五，将步骤四的中的样品进行多个温度段的保温，升温和保温参数为：第一个温度段，将原始生坯以1℃/min~ 10℃/min的升温速度从室温上升到850℃，保温1-2h，该温度为固相烧结，使粉末之间产生预烧结；
步骤六，继续将压坯以1℃/min~ 10℃/min的升温速度加热到铜钛合金的瞬时液相烧结温度区，铜钛合金的瞬时液相温度区在 890℃-950℃之间，具体加热温度需要根据所选择的铜钛合金粉末的成分进行，同时需要在上述瞬时液相温度区进行多个温度段的保温，温度点个数的选择可以根据实际工艺的执行确定。
步骤七，继续以1℃/min~ 10℃/min的升温速度在980℃-1050℃对压坯继续进行短时高温烧结，实现合金的致密化。
本发明的另一个益效果在于，提供一种Fe-Cu-C系粉末冶金新材料的低温瞬时液相烧结技术，实现低温瞬时液相烧结，降低烧结温度、缩短烧结周期；同时可获得具有弥散强化效应的 TiC颗粒并可以明显的提升合金的力学性能；同时也减少产品在后期使用和回收过程中所导致的重金属污染环境的问题。
作为本发明的进一步改进，为保证混料机中的Fe-Cu-Ti-C四元混合粉末混合均匀，所述步骤一中，混料机混合Fe-Cu-Ti-C四元混合粉末的时长为1h-20h。
作为本发明的进一步改进，为了保证能够快速稳定的形成原始生坯；所述步骤三中，压制压力介于100-600MPa。
作为本发明的进一步改进，为了保证Fe-Cu-Ti-C四元混合粉末之间产生预烧结，所述步骤六中，温度点的保温时间在1-2小时之间。
附图说明
图1为 Cu-Ti 二元合金相图。
具体实施方式
如图1所示，下面将结合实施例对本发明的技术方案予以进一步说明：
实施例一：
称取成分配比为88Fe-10Cu-1Ti-1C的元素铁粉、元素铜粉、高纯碳粉以及铜钛合金粉末，其中铜钛合金粉末中的钛含量为10%，将它们放在混料机中进行混料，混料时间为10h；用球磨机对混合均匀的粉末进行球磨，球磨时长为5h；利用压模机对球磨后的混合粉末进行压制，压制压力为200MPa，压制成型后获得零部件压坯；将粉末压坯放入真空烧结炉中进行烧结，保持炉内真空度小于5x10-3Pa；采用多段保温的烧结工艺对压坯进行烧结；升温和保温参数为：首先将原始生坯以5℃/min的升温速度从室温上升到850℃，保温1h；随后再继续将原始生坯以3℃/min的升温速度加热到890℃，保温1h；最后以5℃/min的升温速度在980℃对压坯继续进行高温烧结，保温时间1h，实现合金的致密化，获得兼有高致密度和弥散TiC强化的Fe-Cu-C系高性能粉末冶金零部件；获得具有优异力学性能和生物相容性的Fe-Cu-Ti-C系合金新材料；所获得的Fe-CuTi-C系合金相对密度约为93%，洛氏硬度HRB为64，抗拉强度为 300MPa。
实例二：
称取成分配比为94Fe-5Cu-0.5Ti-0.5C的元素铁粉、元素铜粉、高纯碳粉以及铜钛合金粉末，其中铜钛合金粉末中的钛含量为5%，将它们放在混料机内进行混料，混料时间为20h；利用冷等静压机对混合粉末进行压制，压制压力为400MPa，压制成型后获得相应的粉末冶金零部件；将粉末压坯放入氢气气氛炉内进行烧结；采用多段保温的烧结工艺对压坯进行烧结；升温和保温参数为：首先将原始生坯以4℃/min的升温速度从室温上升到850℃，保温1h；随后再继续将原始生坯以2℃/min的升温速度加热到900℃，保温1h；继续将原始生坯以2℃/min的升温速度加热到950℃，保温1h；最后以5℃/min的升温速度在1000℃对压坯继续进行高温烧结，保温时间2h，实现合金的致密化，获得兼有高致密度和弥散TiC强化的Fe-Cu-Ti-C系合金新材料；所获得的Fe-CuTi-C系合金相对密度约为96%，洛氏硬度HRB为70，抗拉强度为 312MPa。
实例三：
称取成分配比为68Fe-20Cu-10Ti-2C的元素铁粉、元素铜粉、高纯碳粉以及铜钛合金粉末，其中铜钛合金粉末中的钛含量为55%，将它们放在混料机内进行混料，混料时间为20h；利用冷等静压机对混合粉末进行压制，压制压力为200MPa，压制成型后获得相应的粉末冶金零部件；将粉末压坯放入真空烧结炉中进行烧结，保持炉内真空度小于5x10-3Pa；采用多段保温的烧结工艺对压坯进行微波烧结；升温和保温参数为：首先将原始生坯以5℃/min的升温速度从室温加热到850℃，保温0.5h；随后再继续将原始生坯以2℃/min的升温速度从860℃加热到890℃，保温0.5h；然后将原始生坯以2℃/min的升温速度加热到920℃，保温0.5h；继续将原始生坯以1℃/min的升温速度加热到960℃，保温1h；最后以1℃/min的升温速度在990℃对压坯继续进行高温烧结，保温时间1h，实现合金的致密化，获得兼有高致密度和弥散TiC强化的Fe-Cu-C系高性能粉末冶金零部件；所获得的Fe-CuTi-C系合金相对密度约为95%，洛氏硬度HRB为75，抗拉强度为 405MPa。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种Fe-Cu-C系粉末冶金新材料，其特征在于，包括以元素铁粉、元素铜粉、铜钛合金粉末及高纯碳粉以及作为原料，所述元素铁粉、元素铜粉、铜钛合金粉末及高纯碳粉按照xFe-yCu-zTi-tC的质量百分比进行配料，y的取值范围为1%~20%，z的取值范围为0.1%~10%，t的取值范围为0.1%-2%，x的取值范围为100%-y-z-t；将元素铁粉、元素铜粉、铜钛合金粉末及高纯碳粉分别进行称取并配置相应成分的Fe-Cu-Ti-C四元混合粉末。
2.根据权利要求1所述的一种Fe-Cu-C系粉末冶金新材料，其特征在于： 所述元素铁粉、元素铜粉、铜钛合金粉末及高纯碳粉中的钛含量介于5%至55%之间。
3.根据权利要求1所述的一种Fe-Cu-C系粉末冶金新材料的低温瞬时液相烧结技术，其特征在于：包括
步骤一，将Fe-Cu-Ti-C四元混合粉末混料机中混合均匀，混合时填充惰性气体或在真空保护环境下进行；
步骤二，使用高能球磨机将混合均匀后的Fe-Cu-Ti-C四元混合粉末在真空下球磨，球磨时间控制在1-50小时之间；
步骤三，通过模压成型或等静压成型将Fe-Cu-Ti-C四元混合粉末在设定的压力下压制成原始生坯，并进行保压；压制压力大于100Mpa；
步骤四，在高真空状态下（真空度<5x10-3Pa）或氢气气氛下，将原始生坯进行多温度段保温烧结，待烧结完成冷却后获得Fe-Cu-Ti-C系合金新材料；
步骤五，将步骤四的中的样品进行多个温度段的保温，升温和保温参数为：第一个温度段，将原始生坯以1℃/min~ 10℃/min的升温速度从室温上升到850℃，保温1-2h，该温度为固相烧结，使粉末之间产生预烧结；
步骤六，继续将压坯以1℃/min~ 10℃/min的升温速度加热到铜钛合金的瞬时液相烧结温度区，铜钛合金的瞬时液相温度区在 890℃-950℃之间，具体加热温度需要根据所选择的铜钛合金粉末的成分进行，同时需要在上述瞬时液相温度区进行多个温度段的保温，温度点个数的选择可以根据实际工艺的执行确定；
步骤七，继续以1℃/min~ 10℃/min的升温速度在980℃-1050℃对压坯继续进行短时高温烧结，实现合金的致密化。
4.根据权利要求3所述的一种Fe-Cu-C系粉末冶金新材料的低温瞬时液相烧结技术，其特征在于：所述步骤一中，混料机混合Fe-Cu-Ti-C四元混合粉末的时长为1h-20h。
5.根据权利要求3所述的一种Fe-Cu-C系粉末冶金新材料的低温瞬时液相烧结技术，其特征在于：所述步骤三中，压制压力介于100-600MPa。
6.根据权利要求3所述的一种Fe-Cu-C系粉末冶金新材料的低温瞬时液相烧结技术，其特征在于：所述步骤六中，温度点的保温时间在1-2小时之间。
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