專利名稱：一種低合金含鉻粉末冶金鋼的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種粉末冶金領(lǐng)域的含鉻低合金鋼的生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
粉末冶金作為新的技術(shù)具有節(jié)約成本，減少后期加工，性能良好的特點(diǎn)。這一特性也使得一些傳統(tǒng)的鋼制零件逐年被鐵基粉末產(chǎn)品替代。僅以汽車工業(yè)為例，歐洲的汽車生產(chǎn)企業(yè)在每輛汽車上平均使用14kg的粉末冶金產(chǎn)品；而日本的三大汽車企業(yè)(Toyota， Honda,Nissan)平均使用約15kg ;北美使用高達(dá)19. 5kg以上；而國內(nèi)每輛汽車使用粉末冶金重量只有5kg左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國際水平，還有很大的提升空間。2010年的數(shù)據(jù)表明我國全年汽車?yán)塾嫯a(chǎn)銷量為1826萬輛和1806萬輛，蟬聯(lián)世界第一，成為了當(dāng)之無愧的汽車產(chǎn)銷大 國。如此高的基數(shù)使得國內(nèi)鐵基粉末冶金的市場前景十分廣闊，如果國內(nèi)平均每一輛汽車使用粉末冶金產(chǎn)品質(zhì)量上升1kg，總使用量可以上升1. 4萬噸/年，總產(chǎn)值高達(dá)幾個億。在國內(nèi)每年鐵基粉末制品如此高的需求下，如何在不降低性能下，降低成本是擺在企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)面前的一個問題。汽車用粉末冶金粉末通常為低合金粉末，合金元素通常被加入到低合金鋼中以使材料獲得好的熱處理性能，在傳統(tǒng)的鐵基粉末生產(chǎn)中Cu，Ni和Mo通常作為強(qiáng)化元素加入到其中，但隨著國際鎳價超過40000美元每噸和鑰價超過50000美元每噸，越來越多的企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)把目光投向其他的強(qiáng)化元素。Cr由于其良好的強(qiáng)化效果和低廉的價格(1500美元每噸)逐漸進(jìn)入人們的視線。國外的Hoeganaes公司開發(fā)出了多種含Cr的此類粉末，如4300L、AISI4340等，這些粘結(jié)粉末采用Cr元素替代Ni，以降低成本，其最終產(chǎn)品性能為密度7. 10g/cm3、硬度在60HRA以上、抗拉強(qiáng)度在700MPa以上，是價格低廉，性能優(yōu)秀的替代產(chǎn)品。我國一些企業(yè)和研究單位也嘗試生產(chǎn)該類合金粉末，但在生產(chǎn)過程中遇到兩個技術(shù)難點(diǎn)一是Cr元素容易氧化，且氧化產(chǎn)物難以還原，因此常規(guī)霧化合金化制粉技術(shù)不能生產(chǎn)該類粉末；二是Cr元素采用完全合金化的方法加入會提高粉末的硬度，降低粉末的壓制性能。因此，在類似4300L、AISI4340等合金的成分基礎(chǔ)上，通過粉末組合、預(yù)處理等工藝研究，發(fā)揮Cr的硬化作用，同時實(shí)現(xiàn)粉末的高壓縮性，是開發(fā)高性能含Cr鐵基合金的關(guān)鍵。目前國內(nèi)主要的鐵基粉末合金化的方法主要有①粘結(jié)化處理預(yù)混合法(簡稱預(yù)混合法)；②部分預(yù)合金化法；③預(yù)合金化法。這三種方法各有優(yōu)勢，其中粘結(jié)化處理預(yù)混合法最為簡單成本低廉，但產(chǎn)品性能相對較低。而部分預(yù)合金化法是以有高壓縮性的鐵粉或者基底粉末作為母粉，添加合金元素粉末均勻混合后在一定溫度和條件下進(jìn)行擴(kuò)散處理。這樣的處理可以使得合金粉末粘連到母粉，并在母粉表面形成一層薄薄的擴(kuò)散層，經(jīng)過這樣處理可以強(qiáng)化基底粉末，使強(qiáng)化元素均勻擴(kuò)散，是提高粉末冶金產(chǎn)品性能的一個重要途徑。較高的溫度可以促進(jìn)擴(kuò)散層的形成，但是較高的溫度會使得粉末硬化、粘結(jié)、粒度變大，需要破碎才能使用。而預(yù)合金化法一般采用水霧化制備粉末，用其生產(chǎn)的燒結(jié)材料具有均勻的組織且性能均一，重復(fù)性好，但如有Cr等易氧化且不易還原的合金元素，容易生成強(qiáng)氧化物，在燒結(jié)后留下缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對合金成分為l%Cr，O. 1%Μη, 2. 5%Ni,0. 6%Si,0. 3%Mo,0. 6%C,余量為Fe的低合金粉末，提供一種生產(chǎn)方法。Fe-Cr粉末和還原鐵粉的比例為1:10到3:10之間，溫度為750°C 820°C的進(jìn)行擴(kuò)散處理，擴(kuò)散20 50min，形成的部分?jǐn)U散粉末與中間合金粉末LAP100. 29A2(Fe-0. 8Ν -0. 5Mo_0. 2Mn)合金粉、鎳粉、碳粉等按照配比混合，得到類似4300L的合金成分。經(jīng)過1240 1280°C燒結(jié)后，Cr元素擴(kuò)散完全，且成分偏析減少，改善組織均勻性，使得組織中馬氏體組織變多，提高合金鋼的硬度。最終產(chǎn)品密度可以達(dá)到7. 08g/cm3以上；抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到780MPa以上；硬度為30HRC以上，產(chǎn)品各項(xiàng)性能能滿足汽車工業(yè)零件的要求。本發(fā)明的具體制備工藝如下1、配料按 l%Cr，0. 1%Μη，2· 5%Ni,0. 6%Si,0. 3%Μο，0· 6%C，余 量為 Fe 的成分配制混合粉末。配料中除去Mo元素的加入采用中間合金粉末LAP100. 29A2 (Fe-Ο. 8Ν -0. 5Mo_0. 2Mn)合金粉外，Cr、Mn、Si分別采用Fe-Cr合金粉，F(xiàn)e-Mn合金粉，F(xiàn)e-Si合金粉，Ni用羥基Ni粉。2、擴(kuò)散處理=Fe-Cr粉和純鐵粉按照1:10 3:10混合，混料時沖入惰性氣體保護(hù)，混料時間為30 60min，然后在750°C 820°C，低于10_2Pa真空氛圍擴(kuò)散處理，擴(kuò)散時間為20 50min。3、混料按照合金成分比，保護(hù)氛圍下分批混料，混料時間30 60min。4、壓制在650_750MPa下單向壓制。5、燒結(jié)燒結(jié)采用高溫真空燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1240 12801，保溫25 401^11，燒結(jié)完成后隨爐冷至室溫。6、熱處理合金鋼在880 910°C下保溫25 45min，油淬，后回火50 90min，回火溫度為200 220°C。采用上述方法制備的粉末冶金產(chǎn)品有如下優(yōu)點(diǎn)
(I )、保持純鐵粉的高壓縮性特征，比未擴(kuò)散處理合金密度還有所提高。(2)、合金金相組織均勻，產(chǎn)品各項(xiàng)性能比較均衡，適用廣。(3)、完全采用國產(chǎn)粉末，產(chǎn)品價格低廉。采用上述方法制備的低合金粉末冶金鋼，最終產(chǎn)品密度在7. 08g/cm3以上，熱處理后硬度可以達(dá)到30HRC以上，而抗拉強(qiáng)度保持在780MPa以上，其組織為馬氏體、貝氏體這樣的高強(qiáng)項(xiàng)和一定比例的鐵素體組成，具有比較廣泛的應(yīng)用范圍，完全滿足汽車用零部件的各項(xiàng)性能指標(biāo)，可以替代很多合金鑄件，作為汽車用軸承。在比例小于1:10時，F(xiàn)e-Cr粉末含量過少，Cr元素的擴(kuò)散厚度和擴(kuò)散比例比較小，強(qiáng)化效果不明顯；比例過大后，純鐵粉量過少，擴(kuò)散處理后的粉末硬化程度高，使得密度下降，降低了最終產(chǎn)品的性能。在低于750°C的擴(kuò)散溫度下，Cr元素擴(kuò)散層深度不夠，在后續(xù)的燒結(jié)處理中，Cr元素的強(qiáng)化效果體現(xiàn)不明顯，組織中鐵素體含量仍然很高，硬度提升不不大。擴(kuò)散在高于820°C后，F(xiàn)e-Cr粉末和還原鐵粉粘連，有大量板結(jié)物產(chǎn)生，需破碎分篩才能使用，且粉末硬化嚴(yán)重，降低了最終產(chǎn)品的密度。


圖1是未經(jīng)擴(kuò)散處理的合金鋼金相顯微組織照片。圖2是Fe-Cr粉和純鐵粉按照2. 844:10比例，800°C擴(kuò)散處理的試樣金相顯微組織照片。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例11、配料某鋼鐵集團(tuán)粉末冶金有限公司生產(chǎn)的LAP100. 29A2 (Fe-Ο. 8Ν -0. 5Mo_0. 2Mn)合金粉；55%Cr的Fe-Cr粉；86%Mn含量的Fe-Mn粉；47%Si的Fe-Si粉；羥基Ni粉；還原鐵粉；國產(chǎn)石墨粉；微粉石蠟。2、擴(kuò)散處理=Fe-Cr粉和純鐵粉按照1. 422:10的配比在保護(hù)氣氛下混合30分鐘，在真空氛圍下750°C下保溫擴(kuò)散30min，后破碎分篩處理。3、混料按照合金成分比，添加經(jīng)擴(kuò)散處理的Fe-Cr粉、Fe-Si, Fe_Mn、羥基Ni和純Fe粉，保護(hù)氣氛下混料40min，再加入中間合金粉末LAP100. 29A2和石墨粉，成型劑為微粉石蠟加入量為O. 7%。4、壓制燒結(jié)在690MPa下單向壓制，燒結(jié)采用高溫真空燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1260°C，保溫30min，燒結(jié)完成后隨爐冷至室溫。5、熱處理在900°C下保溫30min，油淬，后回火70min，回火溫度為210°C。經(jīng)過上述工藝制成的產(chǎn)品，燒結(jié)后密度為7. 08g/cm3，抗拉強(qiáng)度為800MPa，硬度為30HRC。最終回火態(tài)組織為大量的馬氏體和少量的鐵素體，組織中珠光體基本消失。圖1為未經(jīng)擴(kuò)散處理的合金鋼金相顯微組織照片，組織中I為珠光體，2為馬氏體，3為鐵素體。實(shí)施例21、配料某鋼鐵集團(tuán)粉末冶金有限公司生產(chǎn)的LAP100. 29A2 (Fe-Ο. 8Ν -0. 5Mo_0. 2Mn)合金粉；73%Cr的Fe-Cr粉；74. 8%Mn含量的Fe-Mn粉；72%Si的Fe-Si粉；羥基Ni粉；鐵粉；國產(chǎn)石墨粉；微粉石蠟。2、擴(kuò)散處理=Fe-Cr粉和純鐵粉按照1. 422:10的配比在保護(hù)氣氛下混合50分鐘，在真空氛圍下800°C下保溫擴(kuò)散40min，后破碎分篩處理。3、混料按照合金成分比，添加經(jīng)擴(kuò)散處理的Fe-Cr粉、Fe-Si粉、Fe-Mn粉、羥基Ni和純Fe粉，保護(hù)氣氛下混料60min，再加入中間合金粉末LAP100. 29A2和石墨粉，成型劑為微粉石蠟加入量為O. 6%。4、壓制燒結(jié)在690MPa下單向壓制，燒結(jié)采用高溫真空燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1270°C，保溫40min，燒結(jié)完成后隨爐冷至室溫。5、熱處理合金鋼在885°C下保溫35min，油淬，后回火90min，回火溫度為200°C。經(jīng)過上述工藝制成的產(chǎn)品，燒結(jié)后密度為7. lOg/cm3，抗拉強(qiáng)度為785MPa，硬度為33HRC。最終回火態(tài)組織為大量的馬氏體和少量的鐵素體，組織中珠光體基本消失。實(shí)施例31、配料某鋼鐵集團(tuán)粉末冶金有限公司生產(chǎn)的LAP100. 29A2 (Fe-Ο. 8Ν -0. 5Mo_0. 2Mn)合金粉；63%Cr的Fe-Cr粉；81%Mn含量的Fe-Mn粉；66%Si的Fe-Si粉；羥基Ni粉；鐵粉；國產(chǎn)石墨粉；微粉石蠟。2、擴(kuò)散處理=Fe-Cr粉和純鐵粉按照1. 422:10的配比在保護(hù)氣氛下混合40min，在真空氛圍下820°C下保溫擴(kuò)散25min，后破碎分篩處理。3、混料按照合金成分比，添加經(jīng)擴(kuò)散處理的Fe-Cr粉、Fe-Si, Fe_Mn、羥基Ni和純Fe粉，保護(hù)氣氛下混料50min，再加入中間合金粉末LAP100. 29A2和石墨粉，成型劑為微粉石蠟加入量為O. 7%。4、壓制燒結(jié)在740MPa下單向壓制，燒結(jié)采用高溫真空燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1280°C，保溫25min，燒結(jié)完成后隨爐冷至室溫。5、熱處理合金鋼在900°C下保溫30min，油淬，后回火60min，回火溫度為210°C。
經(jīng)過上述工藝制成的產(chǎn)品，燒結(jié)后密度為7. 12g/cm3，抗拉強(qiáng)度為784MPa，硬度為34HRC。最終回火態(tài)組織為大量的馬氏體和少量的鐵素體，組織中珠光體基本消失。實(shí)施例41、配料某鋼鐵集團(tuán)粉末冶金有限公司生產(chǎn)的LAP100. 29A2 (Fe-Ο. 8Ν -0. 5Mo_0. 2Mn)合金粉；63%Cr的Fe-Cr粉；74. 8%Mn含量的Fe-Mn粉；66%Si的Fe-Si粉；羥基Ni粉；鐵粉；國產(chǎn)石墨粉；微粉石蠟。2、擴(kuò)散處理=Fe-Cr粉和純鐵粉按照2:10的配比在保護(hù)氣氛下混合40分鐘，在真空氛圍下800°C下保溫擴(kuò)散40min，后破碎分篩處理。3、混料按照合金成分比，添加經(jīng)擴(kuò)散處理的Fe-Cr粉、Fe-Si, Fe_Mn、羥基Ni和純Fe粉，保護(hù)氣氛下混料50min，再加入中間合金粉末LAP100. 29A2和石墨粉，成型劑為微粉石蠟加入量為O. 6%。4、壓制燒結(jié)在690MPa下單向壓制，燒結(jié)采用高溫真空燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1260°C，保溫40min，燒結(jié)完成后隨爐冷至室溫。5、熱處理合金鋼在900°C下保溫40min，油淬，后回火50min，回火溫度為220°C。經(jīng)過上述工藝制成的產(chǎn)品，燒結(jié)后密度為7. lOg/cm3，抗拉強(qiáng)度為790MPa，硬度為32HRC。最終回火態(tài)組織為大量的馬氏體和少量的鐵素體，組織中珠光體完全消失。實(shí)施例51、配料某鋼鐵集團(tuán)粉末冶金有限公司生產(chǎn)的LAP100. 29A2 (Fe-Ο. 8Ν -0. 5Mo_0. 2Mn)合金粉；63%Cr的Fe-Cr粉；74. 8%Mn含量的Fe-Mn粉；66%Si的Fe-Si粉；羥基Ni粉；鐵粉；國產(chǎn)石墨粉；微粉石蠟。2、擴(kuò)散處理=Fe-Cr粉和純鐵粉按照2. 844:10的配比在保護(hù)氣氛下混合50分鐘，在真空氛圍下800°C下保溫擴(kuò)散50min，后破碎分篩處理。3、混料按照合金成分比，添加經(jīng)擴(kuò)散處理的Fe-Cr粉、Fe-Si, Fe_Mn、羥基Ni和純Fe粉，保護(hù)氣氛下混料30min，再加入中間合金粉末LAP100. 29A2和石墨粉，成型劑為微粉石蠟加入量為O. 7%。4、壓制燒結(jié)在650MPa下單向壓制，燒結(jié)采用高溫真空燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1240°C，保溫40min，燒結(jié)完成后隨爐冷至室溫。5、熱處理合金鋼在910°C下保溫40min，油淬，后回火50，回火溫度為220°C。
經(jīng)過上述工藝制成的產(chǎn)品，燒結(jié)后密度為7. 08g/cm3，抗拉強(qiáng)度為787MPa，硬度為33HRC。最終回火態(tài)組織為大量的馬氏體和少量的鐵素體，組織中珠光體完全消失。圖2為經(jīng)擴(kuò)散處理的合金鋼金相顯微組織照片，珠光體組織完全消失，2號組織馬氏體較圖1中增加明顯，3號組織鐵素體減少明顯。通過本發(fā)明生產(chǎn)的低合金含鉻粉末冶金鋼能夠形成均勻的金屬學(xué)組織，Cr能起到很好的硬化效果。結(jié)果表明，該方法可以明顯提高產(chǎn)品的硬度，最終產(chǎn)品硬度可以達(dá)到 30HRC以上，對比未擴(kuò)散處理可以提高6HRC，增加密度使其達(dá)到7. 08g/cm3以上、抗拉強(qiáng)度達(dá)到780MPa以上，完全滿足汽車工業(yè)用齒輪材料的要求。
權(quán)利要求
1.一種低合金含鉻粉末冶金鋼的生產(chǎn)方法，其特征在于包括以下步驟(1)配料按l%Cr，0. 1%Μη，2· 5%Ni,0. 6%Si,0. 3%Mo,0. 6%C，余量為 Fe 的質(zhì)量百分成分配制混合粉末；(2)擴(kuò)散處理=Fe-Cr粉和純鐵粉按照1:10 3:10混合，混料時沖入惰性氣體保護(hù)，混料時間為30 60min，然后在溫度為750°C 820°C，低于10_2Pa真空氛圍擴(kuò)散處理，擴(kuò)散時間為20 50min ；(3)混料惰性氣體保護(hù)氛圍下混料，混料時間30 60min；(4)壓制在650-750MPa下單向壓制；(5)燒結(jié)燒結(jié)采用高溫真空燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1240 1280°C，保溫25 40min，燒結(jié)完成后隨爐冷至室溫；(6)熱處理合金鋼在880 910°C下保溫25 45min，油淬，后回火50 90min，回火溫度為200 220°C。
2.根據(jù)權(quán)利要求權(quán)I所述的低合金含鉻粉末冶金鋼的生產(chǎn)方法，其特征在于配料中 Mo元素的加入采用中間合金粉末LAP100. 29A2，Cr、Mn、Si分別采用Fe-Cr合金粉，
3.根據(jù)權(quán)利要求權(quán)I所述的低合金含鉻粉末冶金鋼的生產(chǎn)方法，其特征在于步驟(2) 中擴(kuò)散處理的Fe-Cr粉和純鐵粉按照1:10 2. 5:10混合。
4 根據(jù)權(quán)利要求權(quán)I所述的低合金含鉻粉末冶金鋼的生產(chǎn)方法，其特征在于步驟(2)中擴(kuò)散處理的溫度為760V 790°C溫度。
全文摘要
一種低合金含鉻粉末冶金鋼的生產(chǎn)方法，按1%Cr，0.1%Mn，2.5%Ni，0.6%Si，0.3%Mo，0.6%C，余量為Fe的質(zhì)量百分成分配制混合粉末，再進(jìn)行擴(kuò)散處理Fe-Cr粉和純鐵粉按照1:10～3:10混合，混料時沖入惰性氣體保護(hù)，混料時間為30～60min，然后在750℃～820℃溫度，低于10-2Pa真空氛圍擴(kuò)散處理，擴(kuò)散時間為20～50min，現(xiàn)經(jīng)混料、壓制、燒結(jié)，得到終產(chǎn)品密度在7.08g/cm3以上，熱處理后硬度可以達(dá)到30HRC以上，而抗拉強(qiáng)度保持在780MPa以上，其組織為馬氏體這樣的高強(qiáng)項(xiàng)和一定比例的鐵素體組成，具有比較廣泛的應(yīng)用范圍。
文檔編號C22C33/02GK102994899SQ20121048161
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者羅豐華, 張林祥, 雷龍林, 楊坤 申請人:中南大學(xué)