碳化硅顆粒增強鐵基復(fù)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(fù)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(xué)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(dá)到45.4HRC和1859MPa。
【專利說明】碳化硅顆粒增強鐵基復(fù)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(fù)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(jìn)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(jìn)、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(xué)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?？梢?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(xué)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(jìn)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(dāng)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(dǎo)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(dāng)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(fù)合顆粒增強鐵基復(fù)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(xué)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(fù)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(fù)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(fù)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(jìn)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(jìn)行燒結(jié)，預(yù)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(yù)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(fù)合顆粒增強鐵基復(fù)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(xué)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(dá)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(fù)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(jìn)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(jìn)行燒結(jié)，預(yù)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(fù)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(jìn)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(jìn)行燒結(jié)，預(yù)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(fù)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(jìn)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(jìn)行燒結(jié)，預(yù)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(fù)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(jìn)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(jìn)行燒結(jié)，預(yù)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(fù)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(jìn)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(jìn)行燒結(jié)，預(yù)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(fù)合材料在1250°C燒結(jié)，然后經(jīng)淬滅-回火 熱處理后進(jìn)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(jìn)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(jìn)行燒結(jié)，預(yù)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(fù)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(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步 驟3)中預(yù)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(fù)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(fù)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(fù)合材料有限公司