碳化硅顆粒增強鐵基復合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碳化硅顆粒增強鐵基復合材料及其制備方法，成分及各成分質(zhì)量百分含量為：Al1.0~5.8%，Mo3.5~7.5%，Cu1.0~3.5%，Sn0.1~1.6%，Gr10.0~22.6%，Mg2.4~4.8%，SiC1.2~1.6%，Si1.0~1.5%，B0.05~0.15%，余量為Fe。以碳化硅顆粒作為主要硬質(zhì)相，能與基體良好結(jié)合，有效提高材料燒結(jié)及淬火后的力學性能，經(jīng)淬火一回火熱處理后,合金的硬度和強度有了較大提高,1250℃燒結(jié)的合金經(jīng)淬滅-回火熱處理后硬度和拉伸強度最高可達到45.4HRC和1859MPa。
【專利說明】碳化硅顆粒增強鐵基復合材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種碳化硅顆粒增強鐵基復合材料及其制備方法，屬于粉末冶金材料

【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 鐵基粉末冶金材料是采用Fe、石墨、Cu、Ni、Co等合金元素的混合粉經(jīng)過壓制和燒 結(jié)制成，是最重要的粉末冶金材料之一。近些年來，隨著汽車等行業(yè)的迅猛發(fā)展，鐵基粉 末冶金材料已成為產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的一類材料。鐵基粉末冶金材料的制造技術(shù)及其生 產(chǎn)也得到了迅速發(fā)展，極大的拓寬了鐵基粉末冶金機械零件的應(yīng)用范圍。目前，鐵基粉末 冶金材料廣泛應(yīng)用于交通工具，家用電器與電動工具以及辦公機械中。
[0003] 我國粉末冶金工業(yè)起步晚，研究與應(yīng)用相對滯后，例如發(fā)動機中氣門座的制備技 術(shù)難度較大，我國這方面的技術(shù)還在摸索階段，材料還以合金鑄鐵為主，高性能的鐵基粉 末冶金氣門座主要依賴于進口。隨著轎車、卡車的不斷更新?lián)Q代，高馬力、強載重等能力的 需要，對發(fā)動機、進、排氣門座、輪軸等零件的耐熱、耐磨以及耐腐燭等性能提出了更高要 求，也給鐵基粉末冶金材料提出了很大的挑戰(zhàn)。高合金鐵基粉末冶金材料因其具有高耐磨 性，耐熱性和硬度大等特點，越來越受到研究學者的青睞。
[0004] 基體和硬質(zhì)顆粒共同決定了硬質(zhì)相強化型材料的耐磨性能。作為硬質(zhì)相顆粒可以 是碳化物（1(：、]\1〇 2(：、￥(：、恥(：、1^)、氧化物仏1203)、氮化物（1^)等。]\1〇 2(：、1(：、￥(：可與？6-〇 基體發(fā)生反應(yīng)生成新的碳化物硬質(zhì)相。熱力學穩(wěn)定的NbC、TiN硬質(zhì)相在燒結(jié)時不會發(fā)生反 應(yīng)，特別適合于制備鐵基材料。Al 2O3硬質(zhì)相屬于離子鍵結(jié)合，其外表面電子被束縛而帶 電，由于其難以被金屬潤濕，所以需添加粘結(jié)劑進行燒結(jié)。金屬間化合物因其性質(zhì)與基體 差別小，且和基體界面的相容性好，也可用作硬質(zhì)相材料。金屬間化合物增強鐵基粉末冶 金材料是以含有Cr、Mo、Ni、Co、W、V等合金元素的鋼作為基體，并在此基體上添加 Fe-Mo、 Co-Mo-Si、Co-Cr-Mo-Si、Co-Mo、Cr-W等金屬間化合物作為硬質(zhì)相顆?；w材料、硬質(zhì)顆粒 類型和燒結(jié)度是制備硬質(zhì)相強化型鐵基合金的關(guān)鍵因素。但是當基體和硬質(zhì)顆粒之間的物 化性質(zhì)差別過于大的時候，硬質(zhì)顆粒會剝落；而燒結(jié)溫度過高，會造成硬質(zhì)顆粒中的合金 元素向基體中的擴散量增大，導致硬質(zhì)顆粒減少，還會造成基體硬度、硬質(zhì)相硬度以及基 體和硬顆粒界面發(fā)生變化。例如：當硬質(zhì)相中含有Mo、W等元素時，高溫下會與基體中的 C發(fā)生反應(yīng)生成M6C型碳化物，降低了材料硬度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種碳化硅復合顆粒增強鐵基復合材料及其制備方法，以碳 化硅顆粒作為主要硬質(zhì)相，能與基體良好結(jié)合，有效提高材料燒結(jié)及淬火后的力學性能。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)手段為： 碳化硅顆粒增強鐵基復合材料，成分及各成分質(zhì)量百分含量為：Al l.(T5. 8%，Mo 3. 5?7. 5%，Cu L 0?3· 5%，Sn 0· 1 ?L 6%，Gr 10. 0?22· 6%，Mg 2. 4?4. 8%，Si C L 2?L 6%，Si I. (Tl. 5%，B 0· 05?0· 15%，余量為 Fe。
[0007] 碳化硅顆粒增強鐵基復合材料，各成分質(zhì)量百分含量優(yōu)選為：Al 3. (Γ3. 8%，Mo 5?7%，Cu L 5?2. 5%，Sn 1 ?L 4%，Gr 15. (Γ20. 0%，Mg L 9?3. 6%，Si C L 3?L 5%，Si L 25%， B 0· 12%，余量為 Fe。
[0008] 所述Si C為顆粒狀，粒徑為1(Γ30 μ m。
[0009] 所述的碳化硅顆粒增強鐵基復合材料的制備方法，包括如下步驟： 1) 混料：將Cu、Si和Fe混合作為基體層，其余組分混合作為合金層；將合金層粉末與 基體層粉末按1:2~4的比例混合，最后加入剩余基體層粉末；混料在混料機中進行，轉(zhuǎn)速為 25?50rpm，混料時間為30?80min ; 2) 將步驟1)的混料加入到液壓機中壓制成型，壓制壓力為50(T900MPa ; 3) 將步驟2)壓制好的試樣在燒結(jié)爐內(nèi)進行燒結(jié)，預熱溫度為50(T600°C，燒結(jié)溫度為 115(Tl320°C，高溫下的燒結(jié)時間為l(T30min，然后在85(T950°C下保溫30?60 min，用水淬 滅，最后在18(T220°C下保溫回火1?3h。
[0010] 步驟2)中壓制壓力為650MPa。
[0011] 步驟3)中預熱溫度為550°C，燒結(jié)溫度為1250°C，高溫下的燒結(jié)時間為20min。
[0012] 步驟3)中保溫時間為45 min。
[0013] 步驟3)保溫回火溫度為200°C,保溫回火時間為2h。
[0014] 有益效果：本發(fā)明提供一種碳化硅復合顆粒增強鐵基復合材料及其制備方法，以 碳化硅顆粒作為主要硬質(zhì)相，能與基體良好結(jié)合，有效提高材料燒結(jié)及淬火后的力學性能， 經(jīng)淬火一回火熱處理后，合金的硬度和強度有了較大提高，1250°C燒結(jié)的合金經(jīng)淬滅-回 火熱處理后硬度和拉伸強度最高可達到45. 4HRC和1859MPa。

【具體實施方式】
[0015] 實施例中所用Si C為顆粒狀，粒徑為15 μ m。
[0016] 實施例I 碳化硅顆粒增強鐵基復合材料，成分及各成分質(zhì)量百分含量為：Al 1.0%，M〇 3. 5%，Cu L 0%，Sn 0· 1%，Gr 10. 0%，Mg 2. 4%，Si C L 2%，Si L 0%，B 0· 05%，余量為 Fe。
[0017] 制備方法，包括如下步驟： 1) 混料：將Cu、Si和Fe混合作為基體層，其余組分混合作為合金層；將合金層粉末 與基體層粉末按1:3的比例混合，最后加入剩余基體層粉末；混料在混料機中進行，轉(zhuǎn)速為 40rpm，混料時間為55min ; 2) 將步驟1)的混料加入到液壓機中壓制成型，壓制壓力為650MPa ; 3) 將步驟2)壓制好的試樣在燒結(jié)爐內(nèi)進行燒結(jié)，預熱溫度為550°C，燒結(jié)溫度為 1250°C，高溫下的燒結(jié)時間為20min，然后在900°C下保溫45min，用水淬滅，最后在200°C下 保溫回火2h。
[0018] 實施例2 碳化硅顆粒增強鐵基復合材料，成分及各成分質(zhì)量百分含量為：Al 5. 8%，Mo 7. 5%，Cu 3. 5%，Sn 1. 6%，Gr 22. 6%，Mg 4. 8%，Si C 1. 6%，Si 1. 5%，B 0· 15%，余量為 Fe。
[0019] 制備方法，包括如下步驟： 1) 混料：將Cu、Si和Fe混合作為基體層，其余組分混合作為合金層；將合金層粉末 與基體層粉末按1:3的比例混合，最后加入剩余基體層粉末；混料在混料機中進行，轉(zhuǎn)速為 40rpm，混料時間為55min ; 2) 將步驟1)的混料加入到液壓機中壓制成型，壓制壓力為650MPa ; 3) 將步驟2)壓制好的試樣在燒結(jié)爐內(nèi)進行燒結(jié)，預熱溫度為550°C，燒結(jié)溫度為 1250°C，高溫下的燒結(jié)時間為20min，然后在900°C下保溫45min，用水淬滅，最后在200°C下 保溫回火2h。
[0020] 實施例3 碳化硅顆粒增強鐵基復合材料，各成分質(zhì)量百分含量為：Al 3. 0%，M〇 5%，Cu 1.5%，Sn l%，Gr 15.0%，Mg 1.9%，Si C 1.3%，Si 1.25%，B 0.12%，余量為 Fe。
[0021] 制備方法，包括如下步驟： 1) 混料：將Cu、Si和Fe混合作為基體層，其余組分混合作為合金層；將合金層粉末 與基體層粉末按1:3的比例混合，最后加入剩余基體層粉末；混料在混料機中進行，轉(zhuǎn)速為 40rpm，混料時間為55min ; 2) 將步驟1)的混料加入到液壓機中壓制成型，壓制壓力為650MPa ; 3) 將步驟2)壓制好的試樣在燒結(jié)爐內(nèi)進行燒結(jié)，預熱溫度為550°C，燒結(jié)溫度為 1250°C，高溫下的燒結(jié)時間為20min，然后在900°C下保溫45min，用水淬滅，最后在200°C下 保溫回火2h。
[0022] 實施例4 碳化硅顆粒增強鐵基復合材料，各成分質(zhì)量百分含量為：Al 3. 5%，Mo 6%，Cu 2%，Sn 1. 1%，Gr 18%，Mg 2. 2%，Si C 1. 4%，Si 1. 25%，B 0· 12%，余量為 Fe。
[0023] 制備方法，包括如下步驟： 1) 混料：將Cu、Si和Fe混合作為基體層，其余組分混合作為合金層；將合金層粉末 與基體層粉末按1:3的比例混合，最后加入剩余基體層粉末；混料在混料機中進行，轉(zhuǎn)速為 40rpm，混料時間為55min ; 2) 將步驟1)的混料加入到液壓機中壓制成型，壓制壓力為650MPa ; 3) 將步驟2)壓制好的試樣在燒結(jié)爐內(nèi)進行燒結(jié)，預熱溫度為550°C，燒結(jié)溫度為 1250°C，高溫下的燒結(jié)時間為20min，然后在900°C下保溫45min，用水淬滅，最后在200°C下 保溫回火2h。
[0024] 實施例5 碳化硅顆粒增強鐵基復合材料，各成分質(zhì)量百分含量優(yōu)選為：Al 3. 8%，Mo 7%，Cu 2. 5%，Sn L 4%，Gr 20. 0%，Mg 3. 6%，Si C L 5%，Si L 25%，B 0· 12%，余量為 Fe。
[0025] 制備方法，包括如下步驟： 1) 混料：將Cu、Si和Fe混合作為基體層，其余組分混合作為合金層；將合金層粉末 與基體層粉末按1:3的比例混合，最后加入剩余基體層粉末；混料在混料機中進行，轉(zhuǎn)速為 40rpm，混料時間為55min ; 2) 將步驟1)的混料加入到液壓機中壓制成型，壓制壓力為650MPa ; 3) 將步驟2)壓制好的試樣在燒結(jié)爐內(nèi)進行燒結(jié)，預熱溫度為550°C，燒結(jié)溫度為 1250°C，高溫下的燒結(jié)時間為20min，然后在900°C下保溫45min，用水淬滅，最后在200°C下 保溫回火2h。
[0026] 對實施例廣5的碳化硅顆粒增強鐵基復合材料在1250°C燒結(jié)，然后經(jīng)淬滅-回火 熱處理后進行硬度和拉伸強度測試，結(jié)果見表1所示。
[0027] 表]，

【權(quán)利要求】
1. 碳化硅顆粒增強鐵基復合材料，其特征在于成分及各成分質(zhì)量百分含量為：A1 1. 0^5. 8%, Mo 3. 5^7. 5%, Cu 1. 0^3. 5%, Sn 0. Tl. 6%, Gr 10. 0^22. 6%, Mg 2. 4^4. 8%, SiC 1. 2?1. 6%，Si 1. 0?1. 5%，B 0? 05?0? 15%，余量為 Fe。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅顆粒增強鐵基復合材料，其特征在于各成分質(zhì)量百分 含量為：A1 3. 0?3. 8%，Mo 5?7%，Cu 1. 5?2. 5%，Sn 1 ?1. 4%，Gr 15. 0?20. 0%，Mg 1. 9?3. 6%， Si C 1.3?1.5%，Si 1.25%，B 0.12%，余量為 Fe。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅顆粒增強鐵基復合材料，其特征在于：所述SiC為顆 粒狀，粒徑為l(T30iim。
4. 權(quán)利要求1~3中任意一項所述的碳化硅顆粒增強鐵基復合材料的制備方法，其特征 在于包括如下步驟： 1) 混料：將Cu、Si和Fe混合作為基體層，其余組分混合作為合金層；將合金層粉末與 基體層粉末按1:2~4的比例混合，最后加入剩余基體層粉末；混料在混料機中進行，轉(zhuǎn)速為 25?50rpm，混料時間為30?80min ; 2) 將步驟1)的混料加入到液壓機中壓制成型，壓制壓力為50(T900MPa ; 3) 將步驟2)壓制好的試樣在燒結(jié)爐內(nèi)進行燒結(jié)，預熱溫度為50(T600°C，燒結(jié)溫度為 115(Tl320°C，高溫下的燒結(jié)時間為l(T30min，然后在85(T950°C下保溫30?60 min，用水淬 滅，最后在18(T220°C下保溫回火1?3h。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化硅顆粒增強鐵基復合材料的制備方法，其特征在于：步 驟2)中壓制壓力為650MPa。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化硅顆粒增強鐵基復合材料的制備方法，其特征在于：步 驟3)中預熱溫度為550°C，燒結(jié)溫度為1250°C，高溫下的燒結(jié)時間為20min。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化硅顆粒增強鐵基復合材料的制備方法，其特征在于：步 驟3)中保溫時間為45 min。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化硅顆粒增強鐵基復合材料的制備方法，其特征在于：步 驟3)保溫回火溫度為200°C，保溫回火時間為2h。
【文檔編號】C22C33/02GK104372254SQ201410588351
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月29日
【發(fā)明者】劉莉, 王爽, 劉曉東 申請人:蘇州萊特復合材料有限公司