CN114309615B

CN114309615B - 铁基双层烧结材料及其制备方法

Info

Publication number: CN114309615B
Application number: CN202111552612.8A
Authority: CN
Inventors: 李其龙; 章宇翔; 汤浩; 侯绿林
Original assignee: Hefei Bolin Advanced Materials Co ltd
Current assignee: Hefei Bolin Advanced Materials Co ltd
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2023-07-07
Anticipated expiration: 2041-12-17
Also published as: CN114309615A

Abstract

本发明公开了一种铁基双层烧结材料及其制备方法，该铁基双层烧结材料包括基体层和表层，其制备方法包括以下步骤：分别配制表层粉末和基体层粉末，表层粉末中的铜含量大于基体层粉末中的铜含量；先将表层粉末填充到模具型腔中，并铺平；然后将基体层粉末填充到已经填充有表层粉末的模具型腔中，并铺平；然后进行压制成型制备得到压坯；将压坯放置在加热设备中进行烧结处理，得到铁基双层烧结材料。本申请通过控制表层粉末的铜含量大于基体层粉末的铜含量，烧结处理时，表层中的铜会有部分进入基体中，使表层形成更高的孔隙率，基体层形成更高的密度。从而实现基体层具有较高的力学性能，如强度、硬度、韧性等，表层材料具有较高的孔隙率。

Description

铁基双层烧结材料及其制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金烧结材料领域，尤其是涉及一种铁基双层烧结材料及其制备方法。

背景技术

粉末冶金工艺作为常见的金属成型方式，具有材料利用率高、可批量模压成形、生产效率高等特点，其产品已经在机械、航空等领域中得到了广泛应用。在粉末冶金材料中用量最大、用途最广的是铁基材料。

铁基粉末冶金材料强度和硬度高、耐磨性能好，已在滑动轴承、汽车零件和液压元件等领域得到广范应用。但随着现代工业的发展，在一些工况条件下，会要求材料表面具有良好的摩擦学性能，而同时又需要材料具有较高的力学性能，如强度、硬度、韧性等。一般可以通过增加产品密度来改善其力学性能，但材料的孔隙率、含油率就会降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁基双层烧结材料及其制备方法和应用，使烧结材料表层具有较高孔隙率，基体层材料具有良好的强度、硬度、韧性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种铁基双层烧结材料的制备方法，所述铁基双层烧结材料包括基体层和表层，所述铁基双层烧结材料的制备方法包括以下步骤：

(1)制备粉末：分别配制表层粉末和基体层粉末，所述表层粉末中的铜含量大于基体层粉末中的铜含量；优选的，所述表层粉末中铜含量为5～30wt％，所述基体层粉末中铜含量为0～20wt％，所述表层粉末中铜含量-基体层粉末中铜含量≥5wt％；进一步优选的，所述表层粉末和基体层粉末中包括润滑剂、粘结剂，还包括石墨、钼、镍中的一种或多种。

(2)压制压坯：先将表层粉末填充到模具型腔中，并铺平；然后将基体层粉末填充到已经填充有表层粉末的模具型腔中，并铺平；然后进行压制成型制备得到压坯；优选的，所述压制成型的压力为450-700MPa；所述模具在使用前作退磁处理

(3)烧结处理：将压坯放置在加热设备中进行烧结处理，得到铁基双层烧结材料；优选的，所述烧结处理的温度为1085℃-1150℃，压坯放置时按照基体层朝下、表层朝上的位置放置；所述加热设备为高温炉。所述的高温炉可以为网带式烧结炉。

本发明的第二个目的是提供一种铁基双层烧结材料，所述铁基双层烧结材料是采用上述所述的制备方法制备所得；所述表层的显微组织中含有铜相，铜相的长径与短径的最大值乘积小于70μm²，所述表层成分中铜含量为1-26wt％，表层的孔隙率为16-25％；所述基体层中铜含量为1-25wt％，基体层的孔隙率为5-20％。优选的，所述表层的厚度为1-5mm，具体可以为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm等数值。进一步优选的，所述铁基双层烧结材料的显微组织还包括铁素体、奥氏体、珠光体、马氏体、石墨中的一种或几种。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

在铁基烧结材料中，常见的造孔剂为硬脂酸锌，如文献CN106041099A，但硬脂酸锌添加较多时，烧结材料显微组织中的空隙会出现一定的取向性，即空隙压制取向，也就是，多数孔隙的长径方向平行于压制平面(如附图1)，甚至会产品肉眼可见的分层现象，压制取向会使材料使用性能产生各向异性。还有，硬脂酸锌的量，添加较多时，在烧结时，硬脂酸锌残留也较多，较多的残留，会影响烧结性能，从而影响烧结材料的强度。本申请通过调节表层和基体层配方中的铜含量，使表层粉末的铜含量大于基体层粉末的铜含量，压坯在烧结处理时，表层中的铜熔化以后，由于表层和基体层中的铜液在重力以及毛细力(毛细管作用力的简称)方面存在着差异，有一部分铜液会由表层进入基体层，从而在表层产生孔隙，达到造孔的作用。差异表现为：1)压坯放在加热设备中烧结，由于表层位于基体层的上方，表层中铜液的重力是向下的，较大的孔隙(长径与短径的最大值乘积≥70μm²)或者铜液，毛细力相对较小，由于重力的作用，铜液会沿着孔隙向下流到基体层；2)基体层的铜液比表层的少，存在着梯度差，梯度差为表层的铜液进入基体层提供动力；3)基体层的铜含量较少，孔隙中的铜含量不充分，由于毛细力的作用，基体层中原本存在的铜液有一部分进行较小的孔隙，从而在基体层中产生较大的孔隙，新产生的孔隙为表层的铜液进入基体层提供了空间。

本申请通过控制表层粉末的铜含量大于基体层粉末的铜含量，烧结处理过程中，表层中的铜会有部分进入基体中，使表层形成更高的孔隙率，基体层形成更高的密度。铁基烧结材料，在相同材料配方和烧结工艺条件下，密度越高，材料的强度、硬度、韧性就会越高。从而实现基体层具有较高的力学性能，如强度、硬度、韧性等，表层材料具有较高的孔隙率。

附图说明

图1为对比例3中铁基双层烧结材料中表层金相图片。

图2为实施例3中表层双层烧结材料中表层金相图片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

(1)制备粉末：配制表层粉末5％铜、0.5％石墨、0.4％硬脂酸锌、0.05％锭子油，余量为铁，配制基体层粉末，0.7％石墨、0.5％钼、2％镍、0.4％硬脂酸锌、0.05％锭子油，余量为铁。硬脂酸锌为润滑剂，锭子油为粘结剂。

(2)压制压坯：模具在使用前作退磁处理，先将表层粉末填充到模具型腔中并铺平，模具型腔尺寸

表层粉末高度4mm，然后将基体层粉末填充到已经填充有表层粉末的模具型腔中，并铺平；基体层粉末高度8mm，然后进行压制成型制备得到压坯；所述压制成型的压力为450MPa；

(3)烧结处理：将压坯放置在高温炉中，压坯放置时按照基体层朝下、表层朝上的位置放置；进行烧结处理，烧结处理的温度为1150℃，得到铁基双层烧结材料。

实施例2

(1)制备粉末：配制表层粉末30％铜、0.6％石墨、0.4％硬脂酸锌、0.05％锭子油，余量为铁，配制基体层粉末，20％铜、0.7％石墨、0.4％硬脂酸锌、0.05％锭子油，余量为铁。

(2)压制压坯：与实施例1不同的是，压制成型的压力为700MPa；

(3)烧结处理：与实施例1不同的是，烧结处理的温度为1085℃。

实施例3

(1)制备粉末：配制表层粉末15％铜、0.3％石墨、2％镍、0.4％硬脂酸锌、0.05％锭子油，余量为铁，配制基体层粉末，2％铜、0.6％石墨、0.4％硬脂酸锌、0.05％锭子油，余量为铁。

(2)压制压坯：与实施例1不同的是，压制成型的压力为550MPa；

(3)烧结处理：与实施例1不同的是，烧结处理的温度为1100℃。

对比例1

与实施例1相比，不同的是：

(1)制备粉末：配制表层粉末5％铜、0.5％石墨、2.1％硬脂酸锌、0.05％锭子油，余量为铁，配制基体层粉末，0.7％石墨、0.5％钼、2％镍、0.4％硬脂酸锌、0.05％锭子油，余量为铁。

对比例2

与实施例2相比，不同的是：

(1)制备粉末：配制表层粉末30％铜、0.6％石墨、1.8％硬脂酸锌、0.05％锭子油，余量为铁，配制基体层粉末，20％铜、0.7％石墨、0.4％硬脂酸锌、0.05％锭子油，余量为铁。

对比例3

与实施例3相比，不同的是：

(1)制备粉末：配制表层粉末15％铜、0.3％石墨、2％镍、1.5％硬脂酸锌、0.05％锭子油，余量为铁，配制基体层粉末，2％铜、0.6％石墨、0.4％硬脂酸锌、0.05％锭子油，余量为铁。

本申请中，双层材料强度试验采用压溃强度试验，按照GB/T6804进行检测，试样为线切割圆环试样，外径直径32mm，内孔20mm，试样表层高度1.5mm，基体层高度3.5mm，总高度5mm。基体层强度试验，采用线切割制取试样，外径直径32mm，内孔20mm，基体层高度3.5mm。

密度检测采用GB/T 5163，检测表层和基体层的密度，使用线切割，制取远离结合面的表层1.2mm薄层(远离结合面)和基体层1.5mm薄层，检测干密度。制备金相试样，抛光，检测空隙率。铜含量检测，实施例1和对比例1使用GBT 223.91-2021检测，其余实施例和对比例，使用YS/T 521.1-2009检测；检测结果如表1所示。

金相检测选取对比例3和实施例3作对比，金相图片如图1、图2，从图1中可以看出，显微组织中的空隙会出现一定的取向性，即空隙压制取向，多数大孔隙的长径方向呈现纵向分布，图1的压制面为左侧，压制平面也是纵向。图2为本申请通过调节表层和基体层配方中的铜含量，实现孔隙分布均匀的金相图片，图2不存在空隙压制取向。

表1各实施例和对比例制得的材料的性能检测结果

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对实施案例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施案例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种铁基双层烧结材料，其特征在于：所述铁基双层烧结材料包括基体层和表层，所述铁基双层烧结材料的制备方法包括以下步骤：

（1）制备粉末：分别配制表层粉末和基体层粉末，所述表层粉末中的铜含量大于基体层粉末中的铜含量；

（2）压制压坯：先将表层粉末填充到模具型腔中，并铺平；然后将基体层粉末填充到已经填充有表层粉末的模具型腔中，并铺平；然后进行压制成型制备得到压坯；

（3）烧结处理：将压坯放置在加热设备中进行烧结处理，得到铁基双层烧结材料；

所述表层的显微组织中含有铜相，铜相的长径与短径的最大值乘积小于70μm²，所述表层成分中铜含量为1-26wt%，表层的孔隙率为16-25%；所述基体层中铜含量为1-25wt%，基体层的孔隙率为5-20%。

2.根据权利要求1所述的铁基双层烧结材料，其特征在于：步骤（1）中，所述表层粉末中铜含量为5~30wt%，所述基体层粉末中铜含量为0~20 wt%，所述表层粉末中铜含量-基体层粉末中铜含量≥5 wt%。

3.根据权利要求1所述的铁基双层烧结材料，其特征在于：步骤（2）中，所述压制成型的压力为450-700MPa；所述模具在使用前作退磁处理。

4.根据权利要求1所述的铁基双层烧结材料，其特征在于：步骤（3）中，所述烧结处理的温度为1085℃-1150℃，压坯放置时按照基体层朝下、表层朝上的位置放置；所述加热设备为高温炉。

5.根据权利要求1至4任一项所述的铁基双层烧结材料，其特征在于：所述表层粉末和基体层粉末中包括润滑剂、粘结剂，还包括石墨、钼、镍中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的铁基双层烧结材料，其特征在于：所述表层的厚度为1-5mm。

7.根据权利要求1所述的铁基双层烧结材料，其特征在于：所述铁基双层烧结材料的显微组织还包括铁素体、奥氏体、珠光体、马氏体、石墨中的一种或几种。