高强高韧铁基粉末冶金合金及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种高强高韧铁基粉末冶金合金及其制备方法。背景技术 铁基粉末冶金结构件无需机加工， 节约了材料及加工工序， 大大节约了成本。 此外 粉末冶金材料偏析小， 组织较均匀， 因此铁基粉末冶金产品广泛应用在汽车、 农用工具、 家 用电器中。在近几十年中每辆汽车中所使用的铁基粉末冶金产品的比例呈上升趋势。然而 铁基粉末冶金材料中孔隙较多， 合金强度韧性较低， 限制了它的进一步使用。
目前提高粉末冶金材料的常用方法为添加昂贵合金元素 ( 如 Ni、 Mo 等 )、 改善压 制工艺、 增加后续处理工序。然而昂贵的合金元素大幅度增加了材料的成本 ； 温压， 快速压 制等需新的设备及仪器， 并且本发明不与温压等压制方法冲突 ； 而渗铜等后续处理增加了 工序和能源的使用， 大幅度增加成本及生产周期。
发明内容 本发明的目的是提供一种高强高韧铁基粉末冶金合金及其制备方法， 通过本发明 可以获得屈服强度为 520-566MPa、 抗拉强度为 900-953MPa、 硬度为 94-101HRB， 冲击韧性为 27-31J 的铁基粉末冶金合金。
本发明采用如下技术方案 ：
一种高强高韧铁基粉末冶金合金及其制备方法 ：
是将粒径小于 100 目的扩散合金化粉末 Fe-1.75Ni-0.5Mo-1.5Cu、 粒径小于 200 目 的高碳铬铁粉末、 粒径小于 200 目的高碳锰铁粉末、 粒径小于 200 目的二氧化铈粉末、 粒径 小于 300 目的石墨粉及粒径小于 100 目的润滑剂粉末置于球磨混料机上混料 1 小时， 再压 3 制成型， 得到生坯， 并将生坯密度控制在 6.9-7.2g/cm ， 最后在 1200-1260℃下烧结 1 小时， 最终得到铁基粉末冶金合金。
所述扩散合金化粉末 Fe-1.75Ni-0.5Mo-1.5Cu 为普通市购商用粉。
所述高碳铬铁粉末、 高碳锰铁粉末、 二氧化铈粉末、 石墨粉末及润滑剂粉末的 添 加 量 为 扩 散 合 金 化 粉 末 Fe-1.75Ni-0.5Mo-1.5Cu 质 量 的 1-5 ％、 1-4 ％、 0.1-0.8 ％、 0.1-0.7 ％、 0.4-0.9 ％， 所 加 入 的 高 碳 铬 铁 粉 末 中 的 碳、 铬及铁之间的质量比为 1 ∶ 7-8 ∶ 2-3， 所加入的高碳锰铁粉末中的碳、 锰及铁之间的质量比为 1 ∶ 9-10 ∶ 4-5。
所述润滑剂粉末为硬脂酸锌。
与现有技术相比， 本发明具有如下优点 ：
1、 添加的铬铁粉末、 锰铁粉末价格较低廉， 易于获得， 减少了昂贵合金元素 Ni、 Mo 的使用。此外高碳铬铁、 高碳锰铁易于研磨制成粉末。
2、 无需特殊的冷却工艺即可获得高强度高硬度的马氏体、 下贝氏体组织。
3、 无需额外的工序及设备， 流程简单
4、 所制备的合金同时满足高强度、 高韧性和高硬度， 拓宽了铁基粉末冶金材料的
应用领域。 附图说明
图 1 本发明制备的铁基粉末冶金合金与其他合金的力学性能对比。 图 2 本发明制备的密度为 7.0g/cm3 的铁基粉末冶金合金的组织结构。 图 3 本发明制备的密度为 7.0g/cm3 的铁基粉末冶金合金的拉伸断口形貌。 图 4 本发明制备的密度为 7.15g/cm3 的铁基粉末冶金合金的组织结构。 图 5 本发明制备的密度为 7.15g/cm3 的铁基粉末冶金合金的拉伸断口形貌。 图 6 本发明制备的铁基粉末冶金合金中的上贝氏体 / 离异珠光体组织。 图 7 本发明制备的铁基粉末冶金合金中的下贝氏体组织。 图 8 本发明制备的铁基粉末冶金合金中的马氏体组织。具体实施方式
一种高强高韧铁基粉末冶金合金及其制备方法 ：
是将粒径小于 100 目的扩散合金化粉末 Fe-1.75Ni-0.5Mo-1.5Cu、 粒径小于 200 目 的高碳铬铁粉末、 粒径小于 200 目的高碳锰铁粉末、 粒径小于 200 目的二氧化铈粉末、 粒径 小于 300 目的石墨粉及粒径小于 100 目的润滑剂粉末置于球磨混料机上混料 1 小时， 再压 3 制成型， 得到生坯， 并将生坯密度控制在 6.9-7.2g/cm ， 最后在 1200-1260℃下烧结 1 小时， 最终得到铁基粉末冶金合金。
所述扩散合金化粉末 Fe-1.75Ni-0.5Mo-1.5Cu 为普通市购商用粉。
所述高碳铬铁粉末、 高碳锰铁粉末、 二氧化铈粉末、 石墨粉末及润滑剂粉末的 添 加 量 为 扩 散 合 金 化 粉 末 Fe-1.75Ni-0.5Mo-1.5Cu 质 量 的 1-5 ％、 1-4 ％、 0.1-0.8 ％、 0.1-0.7 ％、 0.4-0.9 ％， 所 加 入 的 高 碳 铬 铁 粉 末 中 的 碳、 铬及铁之间的质量比为 1 ∶ 7-8 ∶ 2-3， 所加入的高碳锰铁粉末中的碳、 锰及铁之间的质量比为 1 ∶ 9-10 ∶ 4-5， 在本实施例中， 所述高碳铬铁粉末、 高碳锰铁粉末、 二氧化铈粉末、 石墨粉末及润滑剂粉末 的添加量可以为扩散合金化粉末 Fe-1.75Ni-0.5Mo-1.5Cu 质量的 1％、 1％、 0.1％、 0.1％、 0.4％， 3％、 2％、 0.4％、 0.3％、 0.7％或 5％、 4％、 0.8％、 0.7％、 0.9％。
所述润滑剂粉末为硬脂酸锌。
1- 本发明的具体工艺如下 ：
1、 混料后的粉末中碳含量由高碳锰铁中的碳、 高碳铬铁中的碳以及石墨粉三部分 构成， 总碳含量占混料后粉末的质量百分百控制在 0.3-0.8％。
2、 球磨时粉末及研磨球的总量不高于球磨罐体积的 1/3， 球磨速率为 70r/min。
3、 烧结时烧结气氛为氨分解气氛， 气氛露点不高于 -20℃， 且露点的降低有利于合 金强韧性的提高。
4、 烧结时压坯的升温速度控制在 10-20℃ /min， 此外应在 700℃下保温 20-30min 以达到脱脂的目的。
比较例 1 ： 将本发明制备的合金与其他合金 1 和其他合金 2 进行对比。下表为本 发明制备的合金与其他合金的成分及工艺对比。如图 1 所示， 本法明制备得到的合金同时 具有高强度和高韧性， 且与其他合金 2 相比， 本发明制备的铁基粉末冶金中含有更少的昂贵的 Ni， 降低了成本， 并且拥有更高的硬度。
本发明制备的合金与其他合金的成分与工艺的对比
实施例 1 ： 将粒径小于 100 目的扩散合金化粉末 Fe-1.75Ni-0.5Mo-1.5Cu、 粒径小 于 200 目的高碳铬铁粉末、 粒径小于 200 目的高碳锰铁粉末、 粒径小于 200 目的二氧化铈粉 末、 粒径小于 300 目的石墨粉及粒径小于 100 目的润滑剂粉末置于球磨混料机上混料 1 小 时， 再压制成再压制成密度为 7.0g/cm3 的生坯， 最后在 1200-1260℃下烧结 1 小时， 最终得 到屈服强度为 540MPa、 抗拉强度为 848MPa、 硬度为 95HRB、 冲击韧性为 27J/cm3 的铁基粉末 冶金合金。
所述扩散合金化粉末 Fe-1.75Ni-0.5Mo-1.5Cu 为普通市购商用粉。
所述高碳铬铁粉末、 高碳锰铁粉末、 二氧化铈粉末、 石墨粉末及润滑剂粉末的 添 加 量 为 扩 散 合 金 化 粉 末 Fe-1.75Ni-0.5Mo-1.5Cu 质 量 的 1-5 ％、 1-4 ％、 0.1-0.8 ％、 0.1-0.7 ％、 0.4-0.9 ％， 所 加 入 的 高 碳 铬 铁 粉 末 中 的 碳、 铬及铁之间的质量比为 1 ∶ 7-8 ∶ 2-3， 所加入的高碳锰铁粉末中的碳、 锰及铁之间的质量比为 1 ∶ 9-10 ∶ 4-5。
所述润滑剂粉末为硬脂酸锌。
如图 2 所示， 合金的组织结构由孔隙、 铁素体、 上贝氏体 / 离异珠光体、 下贝氏体及 马氏体组成。
如图 3 所示， 合金的拉伸断口由河流花样、 韧窝及沿晶脆性断裂特征构成， 其中河 流花样较少， 沿晶脆性断裂特征比例很高。
实施例 2 ： 将粒径小于 100 目的扩散合金化粉末 Fe-1.75Ni-0.5Mo-1.5Cu、 粒径小 于 200 目的高碳铬铁粉末、 粒径小于 200 目的高碳锰铁粉末、 粒径小于 200 目的二氧化铈粉 末、 粒径小于 300 目的石墨粉及粒径小于 100 目的润滑剂粉末置于球磨混料机上混料 1 小 时， 再压制成再压制成密度为 7.15g/cm3 的生坯， 最后在 1200-1260℃下烧结 1 小时， 最终屈 3 服强度为 564MPa、 抗拉强度为 949MPa、 硬度为 97HRB、 冲击韧性为 30J/cm 的铁基粉末冶金 合金。
所述扩散合金化粉末 Fe-1.75Ni-0.5Mo-1.5Cu 为普通市购商用粉。
所述高碳铬铁粉末、 高碳锰铁粉末、 二氧化铈粉末、 石墨粉末及润滑剂粉末的 添 加 量 为 扩 散 合 金 化 粉 末 Fe-1.75Ni-0.5Mo-1.5Cu 质 量 的 1-5 ％、 1-4 ％、 0.1-0.8 ％、 0.1-0.7 ％、 0.4-0.9 ％， 所 加 入 的 高 碳 铬 铁 粉 末 中 的 碳、 铬及铁之间的质量比为
1 ∶ 7-8 ∶ 2-3， 所加入的高碳锰铁粉末中的碳、 锰及铁之间的质量比为 1 ∶ 9-10 ∶ 4-5。
所述润滑剂粉末为硬脂酸锌。
如图 4 所示， 密度为 7.15g/cm3 的铁基粉末冶金合金的组织结构由孔隙、 铁素体、 上贝氏体 / 离异珠光体、 下贝氏体及马氏体组成， 但孔隙较少。 3
如图 5 所示， 密度为 7.15g/cm 的铁基粉末冶金合金的拉伸断口由河流花样、 韧窝 及沿晶脆性断裂特征构成， 河流花样比例较高、 韧窝较多。
实施例 3 ： 一种高强高韧铁基粉末冶金合金及其制备方法 ：
是将粒径小于 100 目的扩散合金化粉末 Fe-1.75Ni-0.5Mo-1.5Cu、 粒径小于 200 目 的高碳铬铁粉末、 粒径小于 200 目的高碳锰铁粉末、 粒径小于 200 目的二氧化铈粉末、 粒径 小于 300 目的石墨粉及粒径小于 100 目的润滑剂粉末置于球磨混料机上混料 1 小时， 再压 3 制成型， 得到生坯， 并将生坯密度控制在 6.9-7.2g/cm ， 最后在 1200-1260℃下烧结 1 小时， 最终得到铁基粉末冶金合金。
所述扩散合金化粉末 Fe-1.75Ni-0.5Mo-1.5Cu 为普通市购商用粉。
所述高碳铬铁粉末、 高碳锰铁粉末、 二氧化铈粉末、 石墨粉末及润滑剂粉末的 添 加 量 为 扩 散 合 金 化 粉 末 Fe-1.75Ni-0.5Mo-1.5Cu 质 量 的 1-5 ％、 1-4 ％、 0.1-0.8 ％、 0.1-0.7 ％、 0.4-0.9 ％， 所 加 入 的 高 碳 铬 铁 粉 末 中 的 碳、 铬及铁之间的质量比为 1 ∶ 7-8 ∶ 2-3， 所加入的高碳锰铁粉末中的碳、 锰及铁之间的质量比为 1 ∶ 9-10 ∶ 4-5。 所述润滑剂粉末为硬脂酸锌。
所述生坯密度控制的可以采用公知的方法加以确定， 即： 通过称量一定质量的粉 末在不同的压力下压制成标准试件 ( 例如 ： 拉伸试件或冲击试件 ) 来控制生坯密度， 具体来 说，
(1) 定量称取在球磨混料机上混料后的粉末， 然后将混料后的粉末压制成标准试 件， 再测量标准试件的密度，
(2) 不断调整所称取的混料后的粉末的质量， 重复 (1)， 直至标准试件的密度为 3 6.9-7.2g/cm ， 从而得到混料后粉末的质量、 生坯的体积与生坯密度为 6.9-7.2g/cm3 之间 的关系， 再根据混料后粉末的质量、 生坯的体积与生坯密度为 6.9-7.2g/cm3 之间的关系， 计 算出生坯的最终体积对应的待压制混料后粉末的质量， 最后， 按照计算得到的待压制混料 后粉末的质量称取混料后的粉末并将所称取的混料后的粉末压制至生坯的最终体积。
参照图 1， 比较例 1 中本发明制备的合金与其他合金的力学性能对比， 本发明制备 的合金同时具有高强度与高韧性。
参照图 2， 实施例 1 中制备得到的铁基粉末冶金合金的组织结构， 由孔隙、 铁素体、 上贝氏体 / 离异珠光体、 下贝氏体及马氏体组成。
参照图 3， 实施例 1 中制备得到的铁基粉末冶金合金的拉伸断口形貌， 由河流花 样、 韧窝及沿晶脆性断裂特征构成， 其中河流花样较少， 沿晶脆性断裂特征比例很高
参照图 4， 实施例 2 中制备得到的铁基粉末冶金合金的组织结构， 由孔隙、 铁素体、 上贝氏体 / 离异珠光体、 下贝氏体及马氏体组成， 但孔隙较少。
参照图 5， 实施例 2 中制备得到的铁基粉末冶金合金的拉伸断口形貌， 由河流花 样、 韧窝及沿晶脆性断裂特征构成， 河流花样比例较高、 韧窝较多。
参照图 6， 实施例 2 中制备的铁基粉末冶金合金组织结构中的上贝氏体 / 离异珠光
体组织， 此组织韧性较高， 但强度较低。
参照图 7， 实施例 2 中制备的铁基粉末冶金合金组织结构中的下贝氏体组织， 此组 织具有良好的强韧性。
参照图 8， 实施例 2 中制备的铁基粉末冶金合金组织结构中的马氏体组织， 此组织 强度高、 硬度高， 但韧性较低。