含复合添加剂的易切削铁铜碳系烧结钢 本发明属于Fe-Cu-C系烧结钢及由其制造的各类粉末冶金机械零件的领域。
Fe-Cu-C系烧结钢国内外的基本情况
1、Fe-Cu-C系烧结钢的成分及制造工艺：
Fe-Cu-C系烧结钢是一种广泛应用于粉末冶金结构零件生产的烧结钢，其成分范围如表1所示。
表1.Fe-Cu-C系烧结钢成分 元素 Cu C Fe 含量(Wt％) 1.0～2.0 0.6～0.8 余量
Fe-Cu-C系烧结钢制造工艺可简述如下：
(1)混料：将如表1所示的Fe、Cu、C(石墨)粉末按比例配制，加入0.5～1.0wt％的润滑剂后在混料机中混合1.0～2.0小时；
(2)压制：视零件形状、尺寸进行单向或双向压制，一般应保证生坯密度在6.5～6.8g/cm3左右；
(3)烧结：生坯在700℃左右，分解氨气氛中预烧结40～60分钟，将润滑剂烧除之后，在高温区(温度为1100℃±20℃)烧结1.0小时，烧结密度一般为6.5～6.8g/cm3左右。
2.Fe-Cu-C系烧结钢的力学性能及显微组织：
对Fe-Cu-C系烧结钢的力学性能，一般要求测定其拉伸强度(σb)、冲击韧性(ak)及洛氏硬度(HRB)，取得范围如表2所示：
表2.Fe-Cu-C系烧结钢力学性能力学性能 (单位) 拉伸强度(σb) (MPa) 冲击韧性(ak) (J/m2) 硬度 (HRB)取值范围 350～400 4～5×104 45～55
一般而言，Fe-Cu-C系烧结钢的烧结组织为粗大片状珠光体加少量铁素体(视碳含量变化两者比例稍有变化)，Cu分布于孔隙中。
3.Fe-Cu-C系烧结钢的切削性能：
按前述成分及制造工艺所得的Fe-Cu-C系烧结钢的切削性能较差。车削时切削力较大，刀具寿命短；钻削时钻削力很大，钻头寿命几乎为零即无法实现钻削加工。实际生产中钻单孔时后刀面磨损(VB)就达到0.4～0.5毫米，而且经常发生钻头折断，这样，生产率极低，浪费惊人。
4.对烧结钢切削性能的改善：
据欧洲专利BP0183666记载，在烧结钢中添加0.5wt％左右的MnS作为易切削添加剂，可以明显改善其切削性能，而对烧结钢的烧结密度、尺寸变化及力学性能不产生明显的影响。但是，据Y.T.Chen在其文献(Fracture Toughness of Free Machining P/M Materials，Mod.ern Deverlopment of Powder Matallurgy，1989，P377)中所阐述，采用混合法添加剂MnS时，MnS分布在铁颗粒间烧结颈部，将影响到烧结钢的力学性能；也有人认为采用混合法添加MnS时，MnS在烧结过程中会与Fe、Cu、C元素反应并长大或发生自身的烧结长大，也将明显降低烧结钢的力学性能。
在实际应用中发现，添加0.5～1.0wt％的MnS时，Fe-Cu-C-MnS系烧结易切削钢的力学性能较Fe-Cu-C系烧结钢有较显著的降低，如表3所示：
表3.Fe-Cu-MnS烧结钢力学性能力学性能(单位)拉伸强度(σb) (MPa) 冲击韧性(αk) (J/m2) 洛氏硬度 (HRB)Fe-Cu-C系 350～400 4～5×104 45～55Fe-Cu-C-MnS系 250～300 2～3.5×104 40～50
这样，尽管添加MnS可以改善烧结钢的切削性能，但由于其力学性能的降低，使其实际应用受到很大限制。
本发明的目的在于：采用复合添加剂如MnS-CaF2(或MnS-其它钙盐如MnS-CaS、MnS-CaCl2等)既保证添加后Fe-Cu-C复合添加剂系烧结钢力学性能不低于(甚致略高于)Fe-Cu-C系烧结钢地力学性能，又能有效地改善Fe-Cu-C系烧结钢的切削性能，而且，不使其制造工艺因添加复合添加剂而变得复杂。
本发明的构成：是采用MnS与钙盐(CaF2或CaS、CaCl2)一种或几种复合添加剂，其复合添加剂的成分及混合工艺如下：
将MnS粉末，与CaF2或CaS、CaCl2等钙盐粉末混合，其中MnS含量为50～80wt％，钙盐含量为20～50wt％。将混合粉研磨、混合1.0～3.0小时。待其混合均匀后，按总量的0.5～1.0wt％加入Fe-Cu-C混合粉中，组成Fe-Cu-C及复合添加剂混合粉，再按前述Fe-Cu-C系烧结钢制造工艺制成Fe-Cu-C复合添加剂系烧结钢。
复合添加剂作用原理：是在MnS中混入钙盐时，在前述烧结制度下，钙盐将与MnS反应，并包覆在MnS颗粒表面，从而改变MnS形状，使之保持原始颗粒尺寸，并使MnS自身烧结或与Fe、Cu、C元素间反应长大趋势降低。这样，分布于Fe颗粒烧结颈部的MnS-Ca盐类杂物尺寸明显减小，提高了力学性能，同时，也进一步改善了切削性能。
本发明的优点在于：
1.与Fe-Cu-C系烧结钢相比，Fe-Cu-C复合添加剂系烧结钢的力性能的一些指标如拉伸强度(σb)和洛氏硬度(HRB)有所提高，而冲击韧性(αk)保持不变，如表4所示
2、对于Fe-Cu-C系，Fe-Cu-C-MnS系及Fe-Cu-C复合添加剂系烧结钢进行相同条件下的钻削实验发现，刀具耐用度明显提高，如表5所示。表4.复合添加剂对Fe-Cu-C-复合添加剂烧结易切削钢力学性能的影响力学性能 (单位)拉伸强度(σb) (MPa)冲击韧性(ak) (J/m2) 洛氏硬度 (HRB) Fe-Cu-C系 350～400 4～5×104 45～55 Fe-Cu-C-MnS系 250～300 2～3.5×104 40～50 Fe-Cu-C-复合添加剂 400～450 4～5×104 60～70表5.Fe-Cu-C复合添加剂烧结易切削钢与Fe-Cu-C、Fe-Cu-C-MnS系烧结钢切削性能比较结果：(切削范围：15.0～31.0m/min，进给量：0.17mm/r，钻头Φ6.5mm，GB1436-85规定材料、尺寸、角度)力学性能(单位)切削力(Fz) (N) 扭矩(M) (N.M)钻头后刀面磨损(VB)* (mm)Fe-Cu-C系 1000～1200 5～6钻单孔时0.3～0.4Fe-Cu-C-MnS系 700～800 4～5钻32孔时0.15～0.25Fe-Cu-C-复合系 700～800 3～5钻32孔时0.08～0.10
*按GB1436-85规定预定钻头耐用度30～35孔
实施例：
1、使用MnS-CaF2复合添加剂改善Fe-Cu-C系烧结钢切削性能：
在Fe-2.0wt％Cu-0.8wt％C烧结钢中添加0.8wt％的MnS-CaF2复合添加剂，其中MnS占70％，CaF2占30％，组成Fe-2.0wt％Cu-0.8wt％，C-0.8wt％(MnS＋CaF2)易切削烧结混合粉，按前述制造工艺进行混合、压制、烧结、烧结钢的烧结密度为6.6g/Cm3，拉伸强度(σb)为479MPa，冲击韧性(ak)为48866J/m2，洛氏硬度(HRB)为70。进行如表5所示钻削实验，钻削力为68N，扭矩为3.76N·M，钻32孔后VB＝0.10mm。
2、使用MnS-CaF2复合添加剂时对Fe-Cu-C-P烧结钢切削性能进行改善：
在Fe-Cu-C烧结钢(成分如例1)中加入少量磷铁粉，以提高强度。采用与例1中完全相同的方法及复合添加剂成分、数量(及比例)制成Fe-2.0wt％Cu-0.8wt％C-0.4wt％P-0.8wt％复合添加剂烧结钢，烧结密度6.7g/Cm3，拉伸强度(σb)为497MPa，冲击韧性(ak)47257N·M，硬度(HRB)70，进行如表5所示钻削实验，钻削力681N，扭矩4.48N·M，钻32孔后VB＝0.09mm。
3、在配制MnS-钙盐复合添加剂时，可混合使用几种钙盐，如组成MnS-(CaF2＋CaS)或MnS-(CaF2＋CaCl2)等复合添加剂，其比例为MnS占50％～80wt％，钙盐混合物为20～50wt％。如在F-Cu-C烧结钢(成分如例1)中加入0.8wt％的CaF2＋CaS(其中MnS占50wt％，CaF2和CaS各占25wt％)，组成F-Cu-C-复合添加剂烧结钢，烧结密度6.6g/cm3，拉伸强度(σb)470MPa，冲击韧性(ak)为45768N·M，硬度(HRB)66，进行如表5所示钻削实验，钻削力735N，扭矩4.8N·M，钻32孔后VB＝0.10mm。