CN117026056A - 一种粉末冶金材料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种粉末冶金材料及其应用，涉及冶金材料技术领域，是由如下按重量百分比计的各组分制成：石墨烯3wt％‑6wt％、纳米二硼化锆0.5wt％‑1.5wt％、铜粉6wt％‑10wt％、锰粉0.8wt％‑1.2wt％、纳米碳化钨0.3wt％‑0.6wt％、润滑剂0wt％‑1wt％、稀土0.01wt‑0.05wt％、铌粉0.1wt％‑0.3wt％、铪粉0.03wt％‑0.05wt％、铼粉0.001wt％‑0.003wt％、铬粉3wt％‑5wt％，余量为铁粉。该粉末冶金材料机械力学性能好，耐磨性、耐腐蚀性和耐热性佳，使用寿命长。

Description

一种粉末冶金材料及其应用
技术领域
本发明涉及冶金材料技术领域，尤其涉及一种粉末冶金材料及其应用。
背景技术
粉末冶金是用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料，经过成形和烧结制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺过程。由于粉末冶金技术具备显著节能、省材、性能优异、产品精度高且稳定性好等一系列优点，非常适合于大批量生产，已被广泛应用于交通、机械、核工业等领域，成为新材料科学中最具发展活力的分支之一。
传统粉末冶金材料存在成本高、拉伸强度不佳、制品的大小和形状受到一定的限制，烧结零件的韧性较差的技术问题。现有普通粉末冶金材料也还或多或少存在抗拉强度和延伸率不能同时提升，摩擦性能不足，耐热以及耐腐烛性能有待进一步提高的缺陷。
为了解决上述问题，授权公布号为CN104388740B的中国发明专利公开了一种铜基石墨与锆粉末冶金复合材料及其制备方法，该复合材料由以下重量百分比的物质组成：石墨5％-12％，锆0.5％-1％，钛0.8％-1.5％，铬2％-3％，铅1％-3％，锌5％-8％，锡4％-6％，余量为铜。制备方法：a、按照材料的重量百分比将其混合均匀；b、在氮气保护条件下于600-900℃温度下烧结8-10小时。该发明制备铜基石墨与锆粉末冶金复合材料细化了合金晶粒，阻碍了合金中裂纹的扩张，提高了合金的性能，该发明材料的拉伸性能好，能够满足实际应用中的各项要求。然而，其性能稳定性、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性仍然有待进一步提高。
可见，开发一种机械力学性能好，耐磨性、耐腐蚀性和耐热性佳，使用寿命长的粉末冶金材料符合市场需求，具有广泛的市场的价值和应用前景，对促进粉末冶金技术的进一步发展具有举足轻重的作用。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种机械力学性能好，耐磨性、耐腐蚀性和耐热性佳，使用寿命长的粉末冶金材料及其应用。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种粉末冶金材料，是由如下按重量百分比计的各组分制成：石墨烯3wt％-6wt％、纳米二硼化锆0.5wt％-1.5wt％、铜粉6wt％-10wt％、锰粉0.8wt％-1.2wt％、纳米碳化钨0.3wt％-0.6wt％、润滑剂0wt％-1wt％、稀土0.01wt-0.05wt％、铌粉0.1wt％-0.3wt％、铪粉0.03wt％-0.05wt％、铼粉0.001wt％-0.003wt％、铬粉3wt％-5wt％，余量为铁粉。
优选的，所述粉末冶金材料还包括：粘结剂0.01wt％-0.03wt％、双环[2.2.1]庚烷二甲胺0.1wt％-0.2wt％、端基为环氧基的聚醚砜型超支化环氧树脂0.05wt％-0.15wt％。
优选的，所述石墨烯为单层石墨烯，片径为0.5-5μm，厚度为0.8-1.2nm；所述纳米二硼化锆的粒径为30-80nm；所述纳米碳化钨的粒径为20-60nm。
优选的，所述铜粉的粒径为800-1200目；所述锰粉的粒径为1000-1300目；所述稀土的粒径为500-800目；所述铌粉的粒径为800-1000目；所述铪粉的粒径为600-1000目；所述铼粉的粒径为900-1300目；所述铬粉的粒径为800-1000目；所述铁粉粒径为1000-1400目。
优选的，所述润滑剂为硬脂酸锌。
优选的，所述稀土为镧、铈中的至少一种。
优选的，所述粘结剂是由硅酸钠、三聚磷酸钠按质量比(3-5):1混合形成的混合物。
优选的，所述端基为环氧基的聚醚砜型超支化环氧树脂的来源无特殊要求，在本发明的一个实施例中，所述端基为环氧基的聚醚砜型超支化环氧树脂为按授权公布号为CN104311832B中实施案例18的方法制成。
本发明的另一个目的，在于提供一种所述粉末冶金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、按质量百分比称取各组分，放入混料机中混配均匀；
步骤S2、将混配好的原料装入模具中，压制得到压坯，再在真空气氛或在氮气保护下烧结。
步骤S3、热处理后，得到粉末冶金材料。
优选的，步骤S3中所述热处理包括淬火和回火处理；所述淬火温度为1000-1100℃，保温时间为1-2小时，油冷至室温；所述回火温度为650-700℃，回火处理时间为1-2小时。
优选的，步骤S2中所述烧结为热压烧结，烧结温度为1250-1300℃，保温时间1-2h，对模具施加的压力为10-20MPa。
优选的，步骤S2中所述压制的压力为300～500MPa。
本发明的再一个目的，在于提供一种所述粉末冶金材料在制备汽车轴承上的应用。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明公开的粉末冶金材料的制备方法，工艺简单，操作方便，制备效率和成品合格率高，对设备依赖性小，适于连续规模化生产，具有较高的推广应用价值。
(2)本发明公开的粉末冶金材料，是由如下按重量百分比计的各组分制成：石墨烯3wt％-6wt％、纳米二硼化锆0.5wt％-1.5wt％、铜粉6wt％-10wt％、锰粉0.8wt％-1.2wt％、纳米碳化钨0.3wt％-0.6wt％、润滑剂0wt％-1wt％、稀土0.01wt-0.05wt％、铌粉0.1wt％-0.3wt％、铪粉0.03wt％-0.05wt％、铼粉0.001wt％-0.003wt％、铬粉3wt％-5wt％，余量为铁粉；通过各组分之间相互配合共同作用，能得到合适的晶粒大小和晶粒形状，同时提高材料致密化程度，改善强度和韧性，使得制成的材料机械力学性能好，耐磨性、耐腐蚀性和耐热性佳，使用寿命长。
(3)本发明公开的粉末冶金材料，添加的石墨烯、纳米二硼化锆、纳米碳化钨，相互配合作用，细化了合金晶粒，阻碍了合金中裂纹的扩张，从而有效提高了材料的耐磨性能和机械力学性能，适合制造轴承，可延长使用寿命，减少磨损。
(4)本发明公开的粉末冶金材料，还包括：粘结剂0.01wt％-0.03wt％、双环[2.2.1]庚烷二甲胺0.1wt％-0.2wt％、端基为环氧基的聚醚砜型超支化环氧树脂0.05wt％-0.15wt％。通过上述组分的加入，相互配合作用，能提高各组分之间的相容性，进而改善材料的综合性能和性能稳定性。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明产品作进一步详细的说明。
实施例1
一种粉末冶金材料，是由如下按重量百分比计的各组分制成：石墨烯3wt％、纳米二硼化锆0.5wt％、铜粉6wt％、锰粉0.8wt％、纳米碳化钨0.3wt％、润滑剂0.1wt％、稀土0.01wt、铌粉0.1wt％、铪粉0.03wt％、铼粉0.001wt％、铬粉3wt％，余量为铁粉。
所述粉末冶金材料还包括：粘结剂0.01wt％、双环[2.2.1]庚烷二甲胺0.1wt％、端基为环氧基的聚醚砜型超支化环氧树脂0.05wt％。
所述石墨烯为单层石墨烯，片径为0.5μm，厚度为0.8nm；所述纳米二硼化锆的粒径为30nm；所述纳米碳化钨的粒径为20nm；所述铜粉的粒径为800目；所述锰粉的粒径为1000目；所述稀土的粒径为500目；所述铌粉的粒径为800目；所述铪粉的粒径为600目；所述铼粉的粒径为900目；所述铬粉的粒径为800目；所述铁粉粒径为1000目。
所述润滑剂为硬脂酸锌；所述稀土为镧；所述粘结剂是由硅酸钠、三聚磷酸钠按质量比3:1混合形成的混合物；所述端基为环氧基的聚醚砜型超支化环氧树脂为按授权公布号为CN104311832B中实施案例18的方法制成。
一种所述粉末冶金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、按质量百分比称取各组分，放入混料机中混配均匀；
步骤S2、将混配好的原料装入模具中，压制得到压坯，再在真空气氛下烧结；所述烧结为热压烧结，烧结温度为1250℃，保温时间1h，对模具施加的压力为10MPa；所述压制的压力为300MPa；
步骤S3、热处理后，得到粉末冶金材料；所述热处理包括淬火和回火处理；所述淬火温度为1000℃，保温时间为1小时，油冷至室温；所述回火温度为650℃，回火处理时间为1小时。
一种所述粉末冶金材料在制备汽车轴承上的应用。
实施例2
一种粉末冶金材料，是由如下按重量百分比计的各组分制成：石墨烯4wt％、纳米二硼化锆0.7wt％、铜粉7wt％、锰粉0.9wt％、纳米碳化钨0.4wt％、润滑剂0.2wt％、稀土0.02wt％、铌粉0.15wt％、铪粉0.035wt％、铼粉0.0015wt％、铬粉3.5wt％，余量为铁粉。
所述粉末冶金材料还包括：粘结剂0.015wt％、双环[2.2.1]庚烷二甲胺0.12wt％、端基为环氧基的聚醚砜型超支化环氧树脂0.08wt％。
所述石墨烯为单层石墨烯，片径为1.5μm，厚度为0.9nm；所述纳米二硼化锆的粒径为40nm；所述纳米碳化钨的粒径为30nm；所述铜粉的粒径为900目；所述锰粉的粒径为1100目；所述稀土的粒径为600目；所述铌粉的粒径为900目；所述铪粉的粒径为700目；所述铼粉的粒径为1000目；所述铬粉的粒径为900目；所述铁粉粒径为1100目。
所述润滑剂为硬脂酸锌；所述稀土为铈；所述粘结剂是由硅酸钠、三聚磷酸钠按质量比3.5:1混合形成的混合物；所述端基为环氧基的聚醚砜型超支化环氧树脂为按授权公布号为CN104311832B中实施案例18的方法制成。
一种所述粉末冶金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、按质量百分比称取各组分，放入混料机中混配均匀；
步骤S2、将混配好的原料装入模具中，压制得到压坯，再在氮气保护下烧结；所述烧结为热压烧结，烧结温度为1260℃，保温时间1.2h，对模具施加的压力为13MPa；所述压制的压力为350MPa；
步骤S3、热处理后，得到粉末冶金材料；所述热处理包括淬火和回火处理；所述淬火温度为1030℃，保温时间为1.2小时，油冷至室温；所述回火温度为670℃，回火处理时间为1.2小时。
一种所述粉末冶金材料在制备汽车轴承上的应用。
实施例3
一种粉末冶金材料，是由如下按重量百分比计的各组分制成：石墨烯4.5wt％、纳米二硼化锆1wt％、铜粉8wt％、锰粉1wt％、纳米碳化钨0.45wt％、润滑剂0.5wt％、稀土0.035wt％、铌粉0.2wt％、铪粉0.04wt％、铼粉0.002wt％、铬粉4wt％，余量为铁粉。
所述粉末冶金材料还包括：粘结剂0.02wt％、双环[2.2.1]庚烷二甲胺0.15wt％、端基为环氧基的聚醚砜型超支化环氧树脂0.1wt％。
所述石墨烯为单层石墨烯，片径为3.5μm，厚度为1nm；所述纳米二硼化锆的粒径为60nm；所述纳米碳化钨的粒径为40nm；所述铜粉的粒径为1000目；所述锰粉的粒径为1150目；所述稀土的粒径为650目；所述铌粉的粒径为900目；所述铪粉的粒径为850目；所述铼粉的粒径为11500目；所述铬粉的粒径为900目；所述铁粉粒径为1200目。
所述润滑剂为硬脂酸锌；所述稀土为镧；所述粘结剂是由硅酸钠、三聚磷酸钠按质量比4:1混合形成的混合物；所述端基为环氧基的聚醚砜型超支化环氧树脂为按授权公布号为CN104311832B中实施案例18的方法制成。
一种所述粉末冶金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、按质量百分比称取各组分，放入混料机中混配均匀；
步骤S2、将混配好的原料装入模具中，压制得到压坯，再在真空气氛下烧结；所述烧结为热压烧结，烧结温度为1280℃，保温时间1.5h，对模具施加的压力为15MPa；所述压制的压力为400MPa；
步骤S3、热处理后，得到粉末冶金材料；所述热处理包括淬火和回火处理；所述淬火温度为1060℃，保温时间为1.5小时，油冷至室温；所述回火温度为680℃，回火处理时间为1.5小时。
一种所述粉末冶金材料在制备汽车轴承上的应用。
实施例4
一种粉末冶金材料，是由如下按重量百分比计的各组分制成：石墨烯5.5wt％、纳米二硼化锆1.3wt％、铜粉9.5wt％、锰粉1.1wt％、纳米碳化钨0.55wt％、润滑剂0.9wt％、稀土0.04wt％、铌粉0.1wt％-0.3wt％、铪粉0.03wt％-0.05wt％、铼粉0.001wt％-0.003wt％、铬粉3wt％-5wt％，余量为铁粉。
所述粉末冶金材料还包括：粘结剂0.025wt％、双环[2.2.1]庚烷二甲胺0.18wt％、端基为环氧基的聚醚砜型超支化环氧树脂0.14wt％。
所述石墨烯为单层石墨烯，片径为4.5μm，厚度为1.1nm；所述纳米二硼化锆的粒径为70nm；所述纳米碳化钨的粒径为50nm；所述铜粉的粒径为1100目；所述锰粉的粒径为1250目；所述稀土的粒径为750目；所述铌粉的粒径为950目；所述铪粉的粒径为950目；所述铼粉的粒径为1200目；所述铬粉的粒径为950目；所述铁粉粒径为1350目。
所述润滑剂为硬脂酸锌；所述稀土为镧、铈按质量比3:5混合而成；所述粘结剂是由硅酸钠、三聚磷酸钠按质量比4.5:1混合形成的混合物；所述端基为环氧基的聚醚砜型超支化环氧树脂为按授权公布号为CN104311832B中实施案例18的方法制成。
一种所述粉末冶金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、按质量百分比称取各组分，放入混料机中混配均匀；
步骤S2、将混配好的原料装入模具中，压制得到压坯，再在氮气保护下烧结；所述烧结为热压烧结，烧结温度为1290℃，保温时间1.9h，对模具施加的压力为19MPa；所述压制的压力为450MPa；
步骤S3、热处理后，得到粉末冶金材料；所述热处理包括淬火和回火处理；所述淬火温度为1090℃，保温时间为1.8小时，油冷至室温；所述回火温度为690℃，回火处理时间为1.8小时。
一种所述粉末冶金材料在制备汽车轴承上的应用。
实施例5
一种粉末冶金材料，是由如下按重量百分比计的各组分制成：石墨烯6wt％、纳米二硼化锆1.5wt％、铜粉10wt％、锰粉1.2wt％、纳米碳化钨0.6wt％、润滑剂1wt％、稀土0.05wt％、铌粉0.3wt％、铪粉0.05wt％、铼粉0.003wt％、铬粉5wt％，余量为铁粉。
所述粉末冶金材料还包括：粘结剂0.03wt％、双环[2.2.1]庚烷二甲胺0.2wt％、端基为环氧基的聚醚砜型超支化环氧树脂0.15wt％。
所述石墨烯为单层石墨烯，片径为5μm，厚度为1.2nm；所述纳米二硼化锆的粒径为80nm；所述纳米碳化钨的粒径为60nm；所述铜粉的粒径为1200目；所述锰粉的粒径为1300目；所述稀土的粒径为800目；所述铌粉的粒径为1000目；所述铪粉的粒径为1000目；所述铼粉的粒径为1300目；所述铬粉的粒径为1000目；所述铁粉粒径为1400目。
所述润滑剂为硬脂酸锌；所述稀土为铈；所述粘结剂是由硅酸钠、三聚磷酸钠按质量比5:1混合形成的混合物；所述端基为环氧基的聚醚砜型超支化环氧树脂为按授权公布号为CN104311832B中实施案例18的方法制成。
一种所述粉末冶金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、按质量百分比称取各组分，放入混料机中混配均匀；
步骤S2、将混配好的原料装入模具中，压制得到压坯，再在真空气氛下烧结；所述烧结为热压烧结，烧结温度为1300℃，保温时间2h，对模具施加的压力为20MPa；所述压制的压力为500MPa；
步骤S3、热处理后，得到粉末冶金材料；所述热处理包括淬火和回火处理；所述淬火温度为1100℃，保温时间为2小时，油冷至室温；所述回火温度为700℃，回火处理时间为2小时。
一种所述粉末冶金材料在制备汽车轴承上的应用。
对比例1
一种粉末冶金材料，其与实施例1基本相同，不同的是，没有添加纳米二硼化锆和铼粉。
对比例2
一种粉末冶金材料，其与实施例1基本相同，不同的是，没有添加纳米碳化钨和稀土。
为了进一步说明本发明各实施例产品取得的预期不到的积极技术效果，对各例制成的粉末冶金材料进行相关性能测试，测试结果见表1，测试方法如下：
(1)耐磨性能：釆用WTM-2E摩擦磨损试验机，摩擦副釆用GCr15滚珠轴承钢，载荷为100g，摩擦直径为8mm，转速为200r/min，时间为20min；实验前先将待磨表面氧化皮磨掉露出平整的试样表面，盘作水平旋转运动，试样通过上夹具与盘垂直接触，两者相互摩擦磨损。磨损时间为20min，以保证达到稳定的磨损状态；质损量用Sartius Micr电子天平测得，研究试样在磨损过程中重量的变化，计算重量损失率，来衡量材料的耐磨性，重量损失率越小，耐磨性能越好。
(2)硬度：参考检测标准为GBT 9097.1-2002《烧结金属材料(不包括硬质合金)表观硬度的测定第一部分：截面硬度基本均匀的材料》，检测6点，计算平均值。
(3)抗拉强度：参考标准GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行测试。
(4)耐腐蚀性：对制得的粉末冶金材料进行盐雾耐腐蚀试验测试，试验温度为35℃，用5％质量浓度的氯化钠水溶液在试验箱内喷雾，用以模拟环境的加速腐蚀，粉末冶金材料的耐受时间(即保持未生锈的时间)超过500小时的为耐腐蚀合格，否则不合格。
表1
项目 重量损失率(％) 硬度(HRB) 抗拉强度(MPa) 耐腐蚀性
实施例1 0.32 68.5 1200 合格
实施例2 0.28 69.1 1211 合格
实施例3 0.25 69.9 1226 合格
实施例4 0.20 71.0 1235 合格
实施例5 0.18 72.2 1248 合格
对比例1 0.54 65.4 1054 合格
对比例2 0.46 62.7 1085 合格
从表1可以看出，本发明实施例公开的粉末冶金材料，与对比例产品相比，具有更优异的耐磨性和机械力学性能，且耐腐蚀性好。纳米二硼化锆、铼粉、纳米碳化钨和稀土的加入对改善上述性能有益。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种粉末冶金材料，其特征在于，是由如下按重量百分比计的各组分制成：石墨烯3wt％-6wt％、纳米二硼化锆0.5wt％-1.5wt％、铜粉6wt％-10wt％、锰粉0.8wt％-1.2wt％、纳米碳化钨0.3wt％-0.6wt％、润滑剂0wt％-1wt％、稀土0.01wt-0.05wt％、铌粉0.1wt％-0.3wt％、铪粉0.03wt％-0.05wt％、铼粉0.001wt％-0.003wt％、铬粉3wt％-5wt％，余量为铁粉。
2.如权利要求1所述的粉末冶金材料，其特征在于，所述粉末冶金材料还包括：粘结剂0.01wt％-0.03wt％、双环[2.2.1]庚烷二甲胺0.1wt％-0.2wt％、端基为环氧基的聚醚砜型超支化环氧树脂0.05wt％-0.15wt％。
3.如权利要求1所述的粉末冶金材料，其特征在于，所述石墨烯为单层石墨烯，片径为0.5-5μm，厚度为0.8-1.2nm；所述纳米二硼化锆的粒径为30-80nm；所述纳米碳化钨的粒径为20-60nm。
4.如权利要求1所述的粉末冶金材料，其特征在于，所述铜粉的粒径为800-1200目；所述锰粉的粒径为1000-1300目；所述稀土的粒径为500-800目；所述铌粉的粒径为800-1000目；所述铪粉的粒径为600-1000目；所述铼粉的粒径为900-1300目；所述铬粉的粒径为800-1000目；所述铁粉粒径为1000-1400目。
5.如权利要求1所述的粉末冶金材料，其特征在于，，所述润滑剂为硬脂酸锌；所述稀土为镧、铈中的至少一种。
6.如权利要求2所述的粉末冶金材料，其特征在于，所述粘结剂是由硅酸钠、三聚磷酸钠按质量比(3-5):1混合形成的混合物。
7.一种如权利要求1-6任一项所述粉末冶金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、按质量百分比称取各组分，放入混料机中混配均匀；
步骤S2、将混配好的原料装入模具中，压制得到压坯，再在真空气氛或在氮气保护下烧结。
步骤S3、热处理后，得到粉末冶金材料。
8.如权利要求7所述粉末冶金材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述热处理包括淬火和回火处理；所述淬火温度为1000-1100℃，保温时间为1-2小时，油冷至室温；所述回火温度为650-700℃，回火处理时间为1-2小时。
9.如权利要求7所述粉末冶金材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述烧结为热压烧结，烧结温度为1250-1300℃，保温时间1-2h，对模具施加的压力为10-20MPa；步骤S2中所述压制的压力为300～500MPa。
10.一种如权利要求1-6任一项所述粉末冶金材料在制备汽车轴承上的应用。
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