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，中國對農(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)展的帶動下，液壓、氣壓動力機(jī)械及元件制造行業(yè)也迎來黃金期，然而隨著國內(nèi)機(jī)械 產(chǎn)業(yè)從普通裝備向相關(guān)高端產(chǎn)品升級，以及國際裝備制造業(yè)向中國的轉(zhuǎn)移，目前國內(nèi)的液 壓件、氣動件、密封件等基礎(chǔ)件產(chǎn)品逐漸難以滿足高檔產(chǎn)品的市場需求。對基礎(chǔ)件產(chǎn)品的嚴(yán) 苛要求主要體現(xiàn)在對材料的選擇上，落實到原輔料上便是對鋼的嚴(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 藝流程簡短；產(chǎn)品形狀可以非常復(fù)雜同時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)性能較好且價格相對低廉，因而成為產(chǎn)量最大， 應(yīng)用面最廣的粉末冶金產(chǎn)品。盡管我國已成為亞洲最大的鐵基產(chǎn)品生產(chǎn)基地，而國內(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 是因為中低檔產(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 會對產(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，球磨時間7~14h，磨球為硬質(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，磨球為不銹鋼球，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)