温压弥散颗粒增强钢铁基粉末冶金复合材料的制备方法

摘要

本发明涉及粉末冶金技术，具体是指一种温压弥散颗粒增强钢铁基粉末冶金复合材料的制备方法。钢铁基粉末冶金复合材料是由弥散颗粒和金属基体经球磨工艺和温压技术相结合的方法，经配料、混合、球磨、加添加剂、温压、烧结而成。本法的弥散颗粒包括弥散金属碳化物和金属氧化物颗粒，金属基体包括铁基、不锈钢基、高速钢基等。颗粒增强的复合材料粉末在100－150℃和500－800MPa下温压成形，复合粉末的压缩性和成形性较好，生坯不出现层裂，相对密度提高2－4％，复合材料的颗粒弥散分布均匀，综合力学性能较佳。本发明制备工艺简单，成本低，为颗粒增强粉末冶金复合材料零件的精密成形开辟了新途径。

说明书

                         技术领域

本发明涉及粉末冶金技术，具体是指一种温压弥散颗粒增强钢铁基粉末冶金复合材料的制备方法。

                         背景技术

粉末冶金温压技术是二十世纪九十年代开发成功的一种高密度低成本成形机械零件的新方法，主要应用在粉末冶金烧结钢上，它能使零件的生坯密度提高了0.15～0.30g/m³，对提高粉末冶金铁基制品的性能具有重要的作用。

采用粉末冶金方法可以制备以钢铁为基掺入碳化物或氧化物等硬质陶瓷颗粒的金属基复合材料，但是由于掺入的硬质陶瓷颗粒和金属粉末物理化学性质、表面特征差异以及陶瓷颗粒的不可塑性、变形性而引起混合粉末的分散性、压缩性、成形性、烧结性差的问题，对复合材料粉末的近终成形不利，并最终导致颗粒增强的钢铁基粉末冶金复合材料零件难以推广应用。邹正光等在中国有色金属学报，2001，11(3)：408发表了题为“自蔓延高温合成TiC复合添加剂增强铁基粉末冶金材料”正文中第8-20行中也有提及“在铁粉或合金粉中加入陶瓷颗粒增强相，可进一步增强铁基材料，但效果不太理想。-----因此，如何解决陶瓷相加入后的分散性与成形性以及烧结温度的问题，并能较大地改善力学性能，是有待进一步研究的内容。”

                         技术内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提出一种硬质陶瓷颗粒能均匀弥散地掺入到钢铁基体之中，并通过温压工艺改善复合粉末的成形性和压缩性的温压弥散颗粒增强钢铁基粉末冶金复合材料的制备方法。

本发明可以通过如下措施来实现：

一种温压弥散颗粒增强钢铁基粉末冶金复合材料的制备方法，包括配料、混合、温压、烧结而成，其特征在于，钢铁基粉末冶金复合材料是由弥散颗粒和金属基体经球磨工艺和温压技术相结合的方法，经配料、混合、球磨、加添加剂、温压、烧结而成，具体步骤及其工艺条件如下：

步骤一：配料

按复合材料总量的质量百分比计5～20％、粒径为1～20μm的弥散颗粒金属碳化物或金属氧化物，78～95％、粒径为3～147μm的金属基体铁基或不锈钢基或高速钢基的配比备料；

步骤二：混合

先按上述配比备料后过GB6003规定的100目筛，然后在混粉机上至少干混20分钟；

步骤三：球磨

用球磨机球磨10～120分钟，并在氢气保护下于600～800℃退火0～2小时；

步骤四：加添加剂

在上述粉末中添加按复合材料总量的质量百分比计0～2.4％、粒径为5～20μm的金属磷化物粉末和0～1.0％、粒径为3-74μm的石墨粉和0.6～0.8％、粒径为5-10μm的EBS蜡粉，在混粉机上充分混合20～30分钟；

步骤五：温压

将上述粉末加热至100～150℃，以500～800MPa的压力成形；

步骤六：烧结

在钼丝炉或真空炉中烧结，烧结温度为1150～1350℃，保温时间1～2小时；即可获得高密度高性能弥散颗粒增强的钢铁基粉末冶金复合材料。

上述弥散金属碳化物颗粒选自碳化铌或碳化钛或碳化钨，弥散金属氧化物颗粒是指氧化铝；添加剂金属磷化物粉末是指磷铁或磷铜粉末。

本发明与现有技术相比具有如下突出优点：

1、本发明首次采用球磨工艺和温压技术相结合的方法来制备成形高密度高性能的弥散颗粒增强的钢铁基粉末冶金复合材料，有效地解决了增强颗粒加入钢铁基粉末后的分散性、成形性、压缩性差的问题，并能较大地改善复合材料的力学性能。采用本发明能实现钢铁基粉末冶金复合材料零件的近终成形，工艺简单，实用性好，因此具有良好的工业化生产前景。

2、采用本发明制备的温压弥散颗粒增强钢铁基粉末冶金复合材料的复合粉末具有良好的成形性和压缩性，在500～800MPa压力下成形，生坯不出现层裂，生坯的相对密度提高2～4％。

3、本发明提供的颗粒增强钢铁基粉末冶金复合材料，陶瓷增强颗粒均匀掺杂，不偏析，烧结性能良好，可用于制造高强度高耐磨的结构零件。

                      具体实施方式

通过如下实施例对本发明作进一步说明：

实施例1

步骤一：配料

按复合材料总量的质量百分比计10％、粒径在15～20μm范围内的弥散颗粒碳化钛TiC颗粒，质量百分比为86％、粒径≤147μm的雾化铁粉备料；

步骤二：混合

按上述配比配料后过GB6003规定的100目筛，然后用V型高效混粉机干混20分钟；

步骤三：球磨

在QM--ISP行星式高能球磨机球磨20分钟；

步骤四：加添加剂

在上述粉末中添加按复合材料总量的质量百分比计2.4％、粒径在15～20μm范围内的磷铁Fe₃P粉末，再添加质量百分比用量为1.0％、粒径在45～74μm范围内的石墨粉，质量百分比用量为0.6％、粒径在5～10μm范围内的EBS蜡粉，在V型高效混粉机混合20分钟；

步骤五：温压

将复合材料粉末加热至100℃，以700MPa压力下成形；

步骤六：烧结

在分解氨钼丝炉中于1150℃烧结1个小时。

即得到温压弥散碳化钛颗粒增强的铁基粉末冶金复合材料，该复合材料的生坯相对密度比室温下压制提高4.0％，生坯不出现层裂，拉伸强度为520～580MPa，耐磨性比60碳钢提高250％。

实施例2

步骤一：配料

按复合材料总量的质量百分比计5％、粒径在10～15μm范围内的弥散颗粒氧化铝Al₂O₃颗粒，质量百分比为94.4％、粒径≤147μm的316L不锈钢粉备料；

步骤二：混合

按上述配比配料后过GB6003规定的100目筛，然后用V型高效混粉机干混30分钟；

步骤三：球磨

ZMJ-20搅拌式高能球磨机球磨120分钟，并在氢气保护下于600℃退火2小时；

步骤四：加添加剂

在上述粉末中添加按复合材料总量的质量百分比计0.6％、粒径在5～10μm范围内的的EBS蜡粉，在V型高效混粉机混合20分钟；

步骤五：温压

将复合材料粉末加热至130℃，以800MPa压力下成形；

步骤六：烧结

在分解氨钼丝炉中于1300℃烧结2个小时。

即得到温压弥散氧化铝颗粒增强的不锈钢基粉末冶金复合材料，该复合材料的生坯相对密度比室温下压制提高3.0％，生坯不出现层裂，复合材料拉伸强度为350～400MPa，耐磨性比316L不锈钢提高200％。

实施例3

步骤一：配料

按复合材料总量的质量百分比计20％、粒径在2～3μm范围内的弥散颗粒碳化铌NbC颗粒，质量百分比为79.2％、粒径≤74μm的M3高速钢粉备料；

步骤二：混合

按上述配比配料后过GB6003规定的100目筛，然后用V型高效混粉机干混40分钟；

步骤三：球磨

在QM--ISP行星式高能球磨机球磨60分钟，并在氢气保护下于800℃退火2小时；

步骤四：加添加剂

在上述粉末中添加按复合材料总量的质量百分比计0.8％、粒径在5～10μm范围内的EBS蜡粉，在V型高效混粉机混合30分钟；

步骤五：温压

将复合材料粉末加热至150℃，以600MPa压力下成形；

步骤六：烧结

在真空炉炉中于1300℃烧结1.5个小时。

即得到温压弥散碳化铌颗粒增强的高速钢基粉末冶金复合材料，该复合材料的生坯相对密度比室温下压制提高2.5％，生坯不出现层裂，复合材料抗弯强度为950～1000MPa，耐磨性比12CrNi3A热处理态提高300～350％。

实施例4

步骤一：配料

按复合材料总量的质量百分比计10％、粒径在2～5μm范围内的弥散颗粒碳化钨WC颗粒，质量百分比为85.9％、粒径≤74μm的铁粉备料；

步骤二：混合

按上述配比配料后过GB6003规定的100目筛，然后用V型高效混粉机干混40分钟；

步骤三：球磨

在QM--ISP行星式高能球磨机球磨60分钟，并在氢气保护下于700℃退火2小时；

步骤四：加添加剂

在上述粉末中添加按复合材料总量的质量百分比计2.4％、粒径在15～20μm范围内的磷铜Cu₃P粉末，再添加质量百分比用量为1.0％、粒径在3～5μm范围内的石墨粉和质量百分比用量为0.7％、粒径在5～10μm范围内的EBS蜡粉，在V型高效混粉机混合20分钟；

步骤五：温压

将复合材料粉末加热至130℃，以600MPa压力下成形；

步骤六：烧结

在真空炉炉中于1200℃烧结1.5个小时。

即得到温压弥散碳化钨颗粒增强的铁基粉末冶金复合材料，该复合材料的生坯相对密度比室温下压制提高2％，生坯不出现层裂，复合材料拉伸强度为450～500MPa，耐磨性比45碳钢提高350％。