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一種粉末冶金低合金鋼及其制備方法

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一種粉末冶金低合金鋼及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于一種高強(qiáng)度高密度鐵基粉末冶金材料的制備方法,具體地說(shuō)是一種應(yīng) 用于包括液壓元件在內(nèi)高強(qiáng)度鐵基合金零部件的材料制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 近幾年來(lái),中國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)、水利、能源、交通等基礎(chǔ)領(lǐng)域的發(fā)展日漸重視。在機(jī)械工業(yè) 快速發(fā)展的帶動(dòng)下,液壓、氣壓動(dòng)力機(jī)械及元件制造行業(yè)也迎來(lái)黃金期,然而隨著國(guó)內(nèi)機(jī)械 產(chǎn)業(yè)從普通裝備向相關(guān)高端產(chǎn)品升級(jí),以及國(guó)際裝備制造業(yè)向中國(guó)的轉(zhuǎn)移,目前國(guó)內(nèi)的液 壓件、氣動(dòng)件、密封件等基礎(chǔ)件產(chǎn)品逐漸難以滿足高檔產(chǎn)品的市場(chǎng)需求。對(duì)基礎(chǔ)件產(chǎn)品的嚴(yán) 苛要求主要體現(xiàn)在對(duì)材料的選擇上,落實(shí)到原輔料上便是對(duì)鋼的嚴(yán)苛選擇。結(jié)合現(xiàn)代工業(yè) 逐漸嚴(yán)苛的工作條件,鋼鐵材料需要擁有更高的力學(xué)性能、更高的硬度及耐磨性以及更高 的精密度。傳統(tǒng)的相關(guān)元件制備工藝復(fù)雜、機(jī)械加工成本高,在性能上很難再有提高。
[0003] 粉末冶金技術(shù)就是采用粉末作為原料,經(jīng)過成形和燒結(jié)制造材料及制品的工藝技 術(shù)。由于粉末冶金工藝是一種無(wú)切削工藝,故采用該工藝制成的批量產(chǎn)品具有機(jī)械加工工 藝流程簡(jiǎn)短;產(chǎn)品形狀可以非常復(fù)雜同時(shí)兼顧尺寸精度的一致性;原料利用率高達(dá)95% ; 節(jié)約能源、節(jié)約工時(shí)等一系列優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 鐵基粉末冶金材料的物理及力學(xué)性能較好且價(jià)格相對(duì)低廉,因而成為產(chǎn)量最大, 應(yīng)用面最廣的粉末冶金產(chǎn)品。盡管我國(guó)已成為亞洲最大的鐵基產(chǎn)品生產(chǎn)基地,而國(guó)內(nèi)鐵基 粉末冶金產(chǎn)品大多屬于中低檔產(chǎn)品,密度僅為6. 4~7. lg/cm3,高達(dá)10%以上的孔隙大幅 度降低了材料的綜合力學(xué)性能,彎曲強(qiáng)度很難超過lOOOMpa,硬度不超過380HBW。這主要 是因?yàn)橹械蜋n產(chǎn)品使用的原料鐵粉完全采用霧化鐵粉,而常用的霧化鐵粉很難適用于高密 度、高強(qiáng)度的產(chǎn)品,為了達(dá)到高密高強(qiáng)的要求,必須加大成型壓力或采用多次復(fù)壓復(fù)燒,前 者對(duì)模具耗損大,模具費(fèi)用高昂,后者每多一次復(fù)壓復(fù)燒環(huán)節(jié),成本就要增加80%~120%; 此外,為了滿足高機(jī)械性能的要求,常用產(chǎn)品會(huì)以母合金粉的形式加入高含量的合金,然而 高含量的合金會(huì)增加材料成本以及大大影響產(chǎn)品的尺寸;另一方面,母合金易于氧化進(jìn)而 會(huì)對(duì)產(chǎn)品性能產(chǎn)生負(fù)面影響。盡管現(xiàn)在逐漸產(chǎn)生了微波燒結(jié)、自蔓延高溫合成法,等靜壓燒 結(jié)等高致密材料制備方法,然而其成本卻讓許多企業(yè)望而卻步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種組分配比合理、制備方法簡(jiǎn)單 的粉末冶金低合金鋼及制備方法。本發(fā)明提供的粉末冶金低合金鋼具有合金含量低、致密 度高、強(qiáng)度高、硬度高等優(yōu)異性能。
[0006] 本發(fā)明一種粉末冶金低合金鋼,包括下述組分按質(zhì)量百分比組成:
[0007] Mo :2.3-3. 6%,
[0008] Cr: 1.2-3%,
[0009] V :0.5-1. 8%,
[0010] Mn :0.2-0. 7%,
[0011] C :0. 6-2. 2%,余量為Fe,各組分質(zhì)量百分之和為100%。
[0012] 本發(fā)明一種粉末冶金低合金鋼,包括下述組分按質(zhì)量百分比組成:
[0013] Mo :2.5-3. 2%,
[0014] Cr :1.5-2. 5%,
[0015] V :0.8-1. 5%,
[0016] Mn :0.3-0. 5%,
[0017] C :0.8-2. 0%,余量為Fe,各組分質(zhì)量百分之和為100%。
[0018] 本發(fā)明一種粉末冶金低合金鋼,包括下述組分按質(zhì)量百分比組成:
[0019] Mo :2· 7-3.0%,
[0020] Cr :1, 8-2. 2%,
[0021] V :1. 0-1. 3%,
[0022] Mn :0.3-0. 5%,
[0023] C :1. 0-1. 8%,余量為Fe,各組分質(zhì)量百分之和為100%。
[0024] 本發(fā)明一種粉末冶金低合金鋼,所述Mo、Cr、V、Mn元素均以鐵基預(yù)合金粉末經(jīng)過 球磨活化后加入,Mo、Cr、V、Mn的鐵基預(yù)合金粉末的粒度< 45um,經(jīng)球磨至粒度為2-10um 的活化合金粉末;C以微粉石墨的形式加入,C的微粉石墨粒度< 45um。
[0025] 本發(fā)明一種粉末冶金低合金鋼,所述Fe以微細(xì)鐵粉與霧化鐵粉的形式加入,微細(xì) 鐵粉與霧化鐵粉按質(zhì)量比1~5 :1匹配。
[0026] 本發(fā)明一種粉末冶金低合金鋼,所述微細(xì)鐵粉的粒度< 20um,純度多99. 5% (即 鐵的質(zhì)量百分含量彡99. 5% );霧化鐵粉的粒度彡100um,純度彡99%。
[0027] 本發(fā)明一種粉末冶金低合金鋼的制備方法,包括下述步驟:
[0028] 第一步:配料
[0029] 按設(shè)計(jì)的粉末冶金低合金鋼的組分配比,分別稱取Mo、Cr、V、Mn的鐵基預(yù)合金粉 末、微粉石墨及鐵粉,其中,鐵粉由微細(xì)鐵粉與霧化鐵粉按質(zhì)量比1~5 :1匹配組成;
[0030] 第二步:合金化元素粉末的球磨活化
[0031] 將第一步稱取的Mo、Cr、V、Mn的鐵基預(yù)合金粉末球磨至粒度為2-10um的活化合 金粉,備用;
[0032] 第三步:混料成型
[0033] 將第一步稱取的鐵粉、微粉石墨與第二步得到的活化合金粉及成型劑和潤(rùn)滑劑混 合,球磨分散均勻后,壓制成型,得到密度為6. 84~7. 09g/cm3的成型坯;
[0034] 第四步:脫脂/脫氧
[0035] 將第三步得到的成型坯在還原性氣氛(氫氣)的保護(hù)下于650~850°C進(jìn)行脫脂、 脫氧處理,去除壓坯中的成型劑和潤(rùn)滑劑,以及鐵粉、合金粉中的氧原子,得到初坯;
[0036] 第五步:燒結(jié)
[0037] 將第四步得到的初坯進(jìn)行兩段真空燒結(jié),隨爐冷卻,得到粉末冶金低合金鋼;
[0038] 燒結(jié)工藝條件為:真空度KT1~10 _2Pa ;
[0039] 第一段升溫速度8~12°C /min,保溫溫度855~935°C,保溫時(shí)間30~50min ;
[0040] 第二段升溫速度4~10°C /min,保溫溫度1120~1320°C,保溫時(shí)間40~120min。
[0041] 本發(fā)明一種粉末冶金低合金鋼的制備方法,第一步中,所述Mo、Cr、V、Mn的鐵 基預(yù)合金粉末的粒度及微粉石墨的粒度均< 45um ;鐵粉中微細(xì)鐵粉的粒度< 20um,純度 彡99. 5%,霧化鐵粉的粒度彡100um,純度彡99%。
[0042] 本發(fā)明一種粉末冶金低合金鋼的制備方法,第二步中,球磨活化采用濕式球磨,分 散介質(zhì)為酒精、汽油、水、丙酮、甘油、己烷中的一種。
[0043] 本發(fā)明一種粉末冶金低合金鋼的制備方法,第二步中,采用行星式球磨機(jī)轉(zhuǎn)速 220~280r/min,球磨時(shí)間7~14h,磨球?yàn)橛操|(zhì)合金球,球磨罐材質(zhì)為硬質(zhì)合金。
[0044] 本發(fā)明一種粉末冶金低合金鋼的制備方法,第三步中,成型劑和潤(rùn)滑劑為石賭,粒 度< 45um,石蠟的加入量為粉末冶金低合金鋼各組分質(zhì)量之和的0. 75~I. 85wt%。
[0045] 本發(fā)明一種粉末冶金低合金鋼的制備方法,第三步中,混料采用行星式球磨機(jī)進(jìn) 行,磨球?yàn)椴讳P鋼球,球磨罐材料為不銹鋼,分散介質(zhì)為酒精、汽油、水、丙酮、甘油、己烷中 的一種,行星式球磨機(jī)轉(zhuǎn)速60~130r/min,混料時(shí)間20~30h。
[0046] 本發(fā)明一種粉末冶金低合金鋼的制備方法,第三步中,成型采用兩步成型,首先, 以280-380Mpa的壓力預(yù)壓成型,保壓3~5s后,以550~750Mpa的壓力進(jìn)行壓制,得到密 度6. 84~7. 09g/cm3的成型還。
[0047] 本發(fā)明一種粉末冶金低合金鋼的制備方法,第四步中,脫脂、脫氧處理保溫時(shí)間為 0.5-lh〇
[0048] 本發(fā)明一種粉末冶金低合金鋼的制備方法,得到的粉末冶金低合金鋼密度達(dá)到 7. 56~7. 85g/cm3,彎曲強(qiáng)度達(dá)到1720~2410Mpa,拉伸強(qiáng)度達(dá)到831-1150Mpa。
[0049] 本發(fā)明由于采用上述技術(shù)方案,首先,組分中,合金化元素含量低,可以有效降低 制品的成本,且含量合理的鉬元素能夠快速擴(kuò)散入鐵基體并迅速均勻化,達(dá)到固溶強(qiáng)化的 效果;含量合理的鉻元素能夠與碳結(jié)合生成碳化鉻,起到顆粒強(qiáng)化的作用,且可以明顯增加 鐵基合金的硬度;含量合理的錳元素能夠溶入滲碳體以復(fù)合碳化物的形態(tài)存在,增加基體 機(jī)械性能;而含量合理的釩元素能夠大幅度細(xì)化鐵基合金的晶粒,使得材料在小尺寸晶粒 下獲得高的強(qiáng)度與韌性。
[0050] 本發(fā)明采用微細(xì)鐵粉與霧化鐵粉合理的配比,較之僅使用霧化鐵粉的坯體有效改 善了粉末顆粒之間的嵌合形式,在燒結(jié)過程中原位生成增強(qiáng)鐵基材料的碳化物相,避免了 合金的氧化,通過機(jī)械球磨活化降低材料燒結(jié)所需能量,即大幅降低其擴(kuò)散固溶入基體所 需的能量,且能夠大大提高其在基體中的均勻度,再通過真空燒結(jié)產(chǎn)生的壓力差最大限度 地將材料中的孔隙排出,在中低溫下獲得高致密度、高強(qiáng)
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