專利名稱：一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)的耐磨耐蝕不銹鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明具體是指一種碳化鎢(WC)顆粒增強(qiáng)的耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼及其制備方法。
背景技術(shù)：
在高溫、重載荷、腐蝕介質(zhì)等惡劣環(huán)境中使用的摩擦運(yùn)動(dòng)副零部件(如航空、航天、電力、化工等工業(yè)領(lǐng)域)，要求材料具有良好的抗氧化性能、優(yōu)異的耐磨損和耐腐蝕性能等。 現(xiàn)有的一種Cr-Mn-Cu-Ni-Mo系粉末冶金不銹鋼在硫酸、醋酸、草酸、中性鹽及大氣等腐蝕性介質(zhì)中具有較好的耐腐蝕性能，但是在重載荷環(huán)境下材料磨損量大，耐磨性能較差，因而此類粉末冶金耐蝕鋼在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。通過優(yōu)化Cr-Mn-Cu-Ni-Mo系粉末冶金鋼的合金成分和燒結(jié)工藝，提高該類粉末冶金鋼的耐磨性能，開發(fā)出一種具有優(yōu)異的耐磨性能(包括磨料磨損、粘著磨損、沖刷磨損、腐蝕磨損等)，與金屬材料具有良好摩擦學(xué)相容性的高溫耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼，適用于制造在腐蝕條件下工作的摩擦磨損運(yùn)動(dòng)副零部件或其防護(hù)涂層。研究表明，WC顆粒與鐵基體界面接觸良好，潤(rùn)濕接近零，因而可以向Cr-Mn-Cu-Ni-Mo系合金粉末中添加適量的WC顆粒制得顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料，該類復(fù)合材料制造成本低、性能各向同性，彈性模量、硬度和高溫性能均比基體材料優(yōu)越。與此同時(shí)，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料在承受載荷作用時(shí)，顆粒能有效阻止磨粒對(duì)基體的切削作用，減少基體的塑性變形和相對(duì)磨面的轉(zhuǎn)移，從而可以大幅度提高顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的耐磨性能。雖然有關(guān)WC顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的研究已有報(bào)道，但是針對(duì)WC顆粒增強(qiáng)Cr-Mn-Cu-Ni-Mo系粉末冶金不銹鋼并采用放電等離子快速燒結(jié)成型的研究至今尚未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明設(shè)計(jì)了添加增強(qiáng)相碳化鎢顆粒基體材料體系并優(yōu)化了燒結(jié)工藝，提供了一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)的耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼及其制備方法。通過如下措施實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。—種碳化鎢顆粒增強(qiáng)的耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼，它含有鐵、鉻、錳、銅、鎳、鑰和碳，其特征在于它還含有增強(qiáng)相碳化鎢顆粒，具體配方按組分及其質(zhì)量百分比計(jì)的含量如下
基體材料80. 0 95. 0%，增強(qiáng)相碳化鎢5. 0 20. 0% ;
所述基體材料為鐵、鉻、錳、銅、鎳、鑰和碳的粉末，具體配方按組分及其質(zhì)量百分比計(jì)的含量為鉻12.0 14.0%，錳0.8 1.2%，銅0.8 1.5%，鎳I. 5 2.5%，鑰0.8 1.2%，碳0.08 0.24%，余量為鐵。一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)的耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟及其工藝條件
步驟一基體材料的成分設(shè)計(jì)
按下述組分及其質(zhì)量百分比含量配比基體材料鉻12.0 14.0%，錳0.8 1.2%，銅 0.8 1.5%，鎳 I. 5 2.5%，鑰 0.8 1.2%，碳 0.08 0.24%，余量為鐵；
步驟二 機(jī)械合金化球磨基體材料
將步驟一的基體材料置于球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，直至球磨粉末晶粒細(xì)化至納米級(jí)； 步驟三混粉
將基體材料與增強(qiáng)相碳化鎢按下述組分及其質(zhì)量百分比含量配比混合粉末基體材料80.0 95.0%，增強(qiáng)相碳化鎢5.0 20.0%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；、
將上述混合粉末放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，球磨速率為95 105r/min，球磨時(shí)間為3 5h，直至基體材料與增強(qiáng)相碳化鎢顆?；旌暇鶆?；
步驟四放電等離子燒結(jié)
將步驟三混合均勻的粉末裝入石墨模具內(nèi)，采用放電等離子燒結(jié)設(shè)備燒結(jié)，燒結(jié)工藝條件如下
燒結(jié)電流類型直流脈沖電流 燒結(jié)壓力30 5OMPa 燒結(jié)溫度950 1150°C 升溫速率50 100°C /min 燒結(jié)保溫時(shí)間0 IOmin 燒結(jié)真空度S 4Pa
經(jīng)快速燒結(jié)即可得到組織均勻的一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)的耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼。所述鐵、鉻、錳、銅、鎳、鑰和碳，均以單質(zhì)形式加入，其中，鐵為純度彡99.9%、粒度45 149 Mm的水霧化鐵粉；鉻為純度> 99.8%、粒度2 5 Mm的羰基鉻粉；錳為純度彡99.9%、粒度3 5 Mm的電解錳粉；銅為純度彡99.9%、粒度彡75 Mm的電解銅粉；鎳為純度彡99.8%、粒度3 5 Mm的羰基鎳粉；鑰為純度彡99. 7%、粒度< 75 Mm的還原鑰粉；碳為純度彡99.9%、粒度2 3 Mm的膠體石墨。所述增強(qiáng)相碳化鎢以化合物形式加入，純度彡99.8%、粒度10 12 Mm。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)
I、本發(fā)明添加的增強(qiáng)相碳化鎢是以化合物的形式加入基體材料體系中，減輕了碳化鎢與鐵基體粉末在機(jī)械合金化球磨條件下碳化鎢容易脫碳、易與鐵形成固溶體等問題，保留了碳化鎢高的硬度、高的彈性模量等特性。2、本發(fā)明設(shè)計(jì)的粉末冶金鋼利用放電等離子燒結(jié)成型與快速燒結(jié)一體化的方法在較低的燒結(jié)溫度下可以燒結(jié)成型致密，制備的碳化鎢顆粒增強(qiáng)的粉末冶金不銹鋼具有組分、粒度分布均勻以及近全致密等特點(diǎn)，顯著提高了 Cr-Mn-Cu-Ni-Mo系耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼的硬度和抗摩擦磨損等性能
3、本發(fā)明所制備的粉末冶金不銹鋼無需再經(jīng)過后續(xù)熱處理性能已達(dá)到高強(qiáng)耐磨不銹鋼的要求，適合于在高溫、重載荷、腐蝕介質(zhì)等惡劣環(huán)境中使用的摩擦運(yùn)動(dòng)副零部件，生產(chǎn)成本低，工業(yè)化生產(chǎn)前景好。
具體實(shí)施例方式通過如下實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不僅限于此。實(shí)施例I
一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)的耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼的制備方法包括如下步驟
步驟一基體材料的成分設(shè)計(jì)
將鐵、鉻、錳、銅、鎳、鑰和碳的粉末作為基體材料，按下述質(zhì)量百分比用量進(jìn)行配比
鉻 14.0%，錳 0.9%，銅 1.5%，鎳 1.5%，鑰 1.2%，碳:0. 08%，余量為鐵；
鐵、鉻、錳、銅、鎳、鑰和碳，均以單質(zhì)形式加入，其中，鐵為純度> 99.9%、粒度45 149 Mm的水霧化鐵粉；鉻為純度彡99.8%、粒度2 5 Mm的羰基鉻粉；錳為純度彡99.9%、粒度3 5 Mm的電解錳粉；銅為純度彡99.9%、粒度彡75 Mm的電解銅粉；鎳為純度彡99. 8%、粒度3 5 Mm的羰基鎳粉；鑰為純度彡99. 7%、粒度彡75 Mm的還原鑰粉；碳為純度彡99.9%、粒度2 3 Mm的膠體石墨。步驟二 高能球磨基體材料
按步驟一的基體材料置于行星式球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨，其球料比為10 :1，球磨速率為226r/min,并采用高純気氣作為保護(hù)氣氛,球磨時(shí)間為40h。步驟三混粉
將基體材料與增強(qiáng)相碳化鎢按下述組分及其質(zhì)量百分比含量配比混合粉末
基體材料95. 0%，增強(qiáng)相碳化鎢5. 0%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；
增強(qiáng)相碳化鎢以化合物形式加入，純度> 99.8%、粒度10 12 Mm。將上述混合粉末置于球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，其球料比為10 :1，球磨速率為95 r/min,球磨時(shí)間為5 h。步驟四放電等離子燒結(jié)
將步驟三混合均勻的20g粉末裝入內(nèi)徑為20mm的石墨燒結(jié)模具中，在放電等離子燒結(jié)設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為50MPa，升溫速率為50°C /min，真空度為4Pa，升溫至950°C并保溫5min后隨爐冷卻至室溫，即可得到一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)的耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼。所得材料室溫下的密度為7. 92g/cm3、硬度為51. 2HRC、磨損量為I. 50mg (對(duì)磨件為047mmX IOmm的Crl2MoV鋼、試驗(yàn)載荷為200N、轉(zhuǎn)速為214r/min和磨損時(shí)間為30min)實(shí)施例2
一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)的耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼的制備方法包括如下步驟
步驟一基體材料的成分設(shè)計(jì)
將鐵、鉻、錳、銅、鎳、鑰和碳的粉末作為基體材料，按下述質(zhì)量百分比用量進(jìn)行配比
鉻 13.0%，錳 0.9%，銅 1.5%，鎳 2.0%，鑰 1.2%，碳:0. 15%，余量為鐵；
鐵、鉻、錳、銅、鎳、鑰和碳，均以單質(zhì)形式加入，其中，鐵為純度> 99.9%、粒度45 149 Mm的水霧化鐵粉；鉻為純度彡99.8%、粒度2 5 Mm的羰基鉻粉；錳為純度彡99.9%、粒度3 5 Mm的電解錳粉；銅為純度彡99.9%、粒度彡75 Mm的電解銅粉；鎳為純度彡99. 8%、粒度3 5 Mm的羰基鎳粉；鑰為純度彡99. 7%、粒度彡75 Mm的還原鑰粉；碳為純度彡99.9%、粒度2 3 Mm的膠體石墨。步驟二 高能球磨基體材料按步驟一的基體材料置于行星式球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨，其球料比為10 :1，球磨速率為226r/min,并采用高純Il氣作為保護(hù)氣氛,球磨時(shí)間為40h。步驟三混粉
將基體材料與增強(qiáng)相碳化鎢按下述組分及其質(zhì)量百分比含量配比混合粉末
基體材料85. 0%，增強(qiáng)相碳化鎢15. 0%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；
增強(qiáng)相碳化鎢以化合物形式加入，純度> 99.8%、粒度10 12 Mm。將上述混合粉末置于球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，其球料比為10 :1，球磨速率為105r/min,球磨時(shí)間為3h。步驟四放電等離子燒結(jié)
將步驟三混合均勻的20g粉末裝入內(nèi)徑為20mm的石墨燒結(jié)模具中，在放電等離子燒結(jié)設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為50MPa，升溫速率為100°C /min，真空度為3Pa，升溫至1100°C并保溫IOmin后隨爐冷卻至室溫，即可得到一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)的耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼。所得材料室溫下的密度為8. 35g/cm3、硬度為52. 8HRC、磨損量為I. 2mg (對(duì)磨件為047mmX IOmm的Crl2MoV鋼、試驗(yàn)載荷為200N、轉(zhuǎn)速為214r/min和磨損時(shí)間為30min)實(shí)施例3
一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)的耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼的制備方法包括如下步驟
步驟一基體材料的成分設(shè)計(jì)
將鐵、鉻、錳、銅、鎳、鑰和碳的粉末作為基體材料，按下述質(zhì)量百分比用量進(jìn)行配比
鉻 12.0%，錳 I. 2%,m 1.0%，鎳 2.5%，鑰 0.8%,51 :0. 15%，余量為鐵；
鐵、鉻、錳、銅、鎳、鑰和碳，均以單質(zhì)形式加入，其中，鐵為純度> 99.9%、粒度45 149 Mm的水霧化鐵粉；鉻為純度彡99.8%、粒度2 5 Mm的羰基鉻粉；錳為純度彡99.9%、粒度3 5 Mm的電解錳粉；銅為純度彡99.9%、粒度彡75 Mm的電解銅粉；鎳為純度彡99. 8%、粒度3 5 Mm的羰基鎳粉；鑰為純度彡99. 7%、粒度彡75 Mm的還原鑰粉；碳為純度彡99.9%、粒度2 3 Mm的膠體石墨。步驟二 高能球磨基體材料
按步驟一的基體材料置于行星式球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨，其球料比為10 :1，球磨速率為226r/min,并采用高純気氣作為保護(hù)氣氛,球磨時(shí)間為40h。步驟三混粉
將基體材料與增強(qiáng)相碳化鎢按下述組分及其質(zhì)量百分比含量配比混合粉末
基體材料95. 0%，增強(qiáng)相碳化鎢5. 0%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；
增強(qiáng)相碳化鎢以化合物形式加入，純度> 99.8%、粒度10 12 Mm。將上述混合粉末置于球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，其球料比為10 :1，球磨速率為IOOr/min,球磨時(shí)間為3h。步驟四放電等離子燒結(jié)
、 將步驟三混合均勻的20g粉末裝入內(nèi)徑為20mm的石墨燒結(jié)模具中，在放電等離子燒結(jié)設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為30MPa，升溫速率為75 V /min，真空度為3Pa，升溫至1150°C并保溫Omin后隨爐冷卻至室溫，即可得到一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)的耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼。所得材料室溫下的密度為7. 93g/cm3、硬度為50. 9HRC、磨損量為I. 5mg (對(duì)磨件為047mmX IOmm的Crl2MoV鋼、試驗(yàn)載荷為200N、轉(zhuǎn)速為214r/min和磨損時(shí)間為30min)。
實(shí)施例4
一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)的耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼的制備方法包括如下步驟
步驟一基體材料的成分設(shè)計(jì)
將鐵、鉻、錳、銅、鎳、鑰和碳的粉末作為基體材料，按下述質(zhì)量百分比用量進(jìn)行配比
鉻 14.0%，錳 1.0%，銅 0.8%，鎳 2.0%，鑰 1.0%,51 :0. 24%，余量為鐵；
鐵、鉻、錳、銅、鎳、鑰和碳，均以單質(zhì)形式加入，其中，鐵為純度≥ 99.9%、粒度45 149 Mm的水霧化鐵粉；鉻為純度≥99.8%、粒度2 5 Mm的羰基鉻粉；錳為純度≥99.9%、粒度3 5 Mm的電解錳粉；銅為純度≥99.9%、粒度≤75 Mm的電解銅粉；鎳為純度≥99. 8%、粒度3 5 Mm的羰基鎳粉；鑰為純度≥99. 7%、粒度≤75 Mm的還原鑰粉；碳為純度≥99.9%、粒度2 3 Mm的膠體石墨。步驟二 高能球磨基體材料
按步驟一的基體材料置于行星式球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨，其球料比為10 :1，球磨速率為226r/min,并采用高純気氣作為保護(hù)氣氛,球磨時(shí)間為40h。步驟三混粉
將基體材料與增強(qiáng)相碳化鎢按下述組分及其質(zhì)量百分比含量配比混合粉末
基體材料80. 0%，增強(qiáng)相碳化鎢20. 0%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；
增強(qiáng)相碳化鎢以化合物形式加入，純度≥99.8%、粒度10 12 Mm。將上述混合粉末置于球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，其球料比為10 :1，球磨速率為105 r/min,球磨時(shí)間為4 h。步驟四放電等離子燒結(jié)
將步驟三混合均勻的20g粉末裝入內(nèi)徑為20mm的石墨燒結(jié)模具中，在放電等離子燒結(jié)設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為40MPa，升溫速率為50°C /min，真空度為IPa，升溫至1150°C并保溫5min后隨爐冷卻至室溫，即可得到一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)的耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼。所得材料室溫下的密度為8. 59g/cm3、硬度為55. 4HRC、磨損量為0. 8mg (對(duì)磨件為047mmX IOmm的Crl2MoV鋼、試驗(yàn)載荷為200N、轉(zhuǎn)速為214r/min和磨損時(shí)間為30min)。
權(quán)利要求
1.一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)的耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼，它含有鐵、鉻、錳、銅、鎳、鑰和碳，其特征在于它還含有增強(qiáng)相碳化鎢顆粒，具體配方組分及其按質(zhì)量百分比計(jì)的含量如下 基體材料80. 0 95. 0%，增強(qiáng)相碳化鎢5. 0 20. 0% ; 所述基體材料為鐵、鉻、錳、銅、鎳、鑰和碳的粉末，具體配方組分及其按質(zhì)量百分比計(jì)的含量為鉻12.0 14.0%，錳0.8 1.2%，銅0.8 1.5%，鎳I. 5 2.5%，鑰0.8 1.2%，碳0.08 0.24%，余量為鐵。
2.權(quán)利要求I所述的一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)的耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟及其工藝條件 步驟一基體材料的成分設(shè)計(jì) 按下述組分及其質(zhì)量百分比含量配比基體材料鉻12.0 14.0%，錳0.8 1.2%，銅 0.8 1.5%，鎳 I. 5 2.5%，鑰 0.8 1.2%，碳 0.08 0.24%，余量為鐵； 步驟二 機(jī)械合金化球磨基體材料 將步驟一的基體材料置于球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，直至球磨粉末晶粒細(xì)化至納米級(jí)； 步驟三混粉 將基體材料與增強(qiáng)相碳化鎢按下述組分及其質(zhì)量百分比含量配比混合粉末基體材料80.0 95.0%，增強(qiáng)相碳化鎢5.0 20.0%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)； 將上述混合粉末放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，球磨速率為95 105r/min，球磨時(shí)間為3 5h，直至基體材料與增強(qiáng)相碳化鎢顆粒混合均勻； 步驟四放電等離子燒結(jié) 將步驟三混合均勻的粉末裝入石墨模具內(nèi)，采用放電等離子燒結(jié)設(shè)備燒結(jié)，燒結(jié)工藝條件如下 燒結(jié)電流類型直流脈沖電流 燒結(jié)壓力30 5OMPa 燒結(jié)溫度950 1150°C 升溫速率50 100°C /min 燒結(jié)保溫時(shí)間0 IOmin 燒結(jié)真空度4Pa 經(jīng)快速燒結(jié)即可得到一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)的耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)的耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼的制備方法，其特征在于所述鐵、鉻、錳、銅、鎳、鑰和碳，均以單質(zhì)形式加入，其中，鐵為純度>99. 9%、粒度45 149 Mm的水霧化鐵粉；鉻為純度彡99. 8%、粒度2 5 Mm的羰基鉻粉；錳為純度彡99. 9%、粒度3 5 Mm的電解錳粉；銅為純度彡99. 9%、粒度彡75 Mm的電解銅粉；鎳為純度> 99.8%、粒度3 5 Mm的羰基鎳粉；鑰為純度> 99. 7%、粒度(75 Mm的還原鑰粉；碳為純度彡99.9%、粒度2 3 Mm的膠體石墨。
4.所述增強(qiáng)相碳化鎢以化合物形式加入，純度>99.8%、粒度10 12 Mm。
全文摘要
本發(fā)明具體是指一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)的耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼及其制備方法。耐磨耐蝕粉末冶金不銹鋼具體配方組分及其按質(zhì)量百分比計(jì)的含量如下基體材料80.0～95.0％，增強(qiáng)相碳化鎢5.0～20.0％；所述基體材料組分及其按質(zhì)量百分比計(jì)的含量為鉻12.0～14.0％，錳0.8～1.2％，銅0.8～1.5％，鎳1.5～2.5％，鉬0.8～1.2％，碳0.08～0.24％，余量為鐵。本發(fā)明采用放電等離子快速燒結(jié)成型，所得粉末冶金鋼具有近全致密、硬度高、耐磨和耐蝕性能良好等特點(diǎn)，無需再經(jīng)過后續(xù)熱處理性能已達(dá)到高強(qiáng)耐磨鋼的要求，適合于制造在高溫、重載荷、腐蝕介質(zhì)等惡劣環(huán)境中使用的摩擦運(yùn)動(dòng)副零部件，生產(chǎn)成本低，工業(yè)化生產(chǎn)前景好。
文檔編號(hào)C22C33/02GK102676941SQ20121012256
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月25日
發(fā)明者方波, 李小強(qiáng) 申請(qǐng)人:李小強(qiáng)