專利名稱：制備高強度粉末冶金材料的燒結碳、銅復合滲方法
技術領域：
本發明涉及粉末冶金材料和機械零件的制備方法，特別是涉及一種制備高強度粉末冶金 材料的燒結碳、銅復合滲方法。
技術背景粉末冶金(P/M)是制備新材料和機械零件的重要工程技術，它是以金屬或部分非金屬粉 末為原料，以混料，成型和燒結三道工序來制備P/M材料。以此技術可以制造出用鑄造、鍛 造和機械加工等方法不能得到的制品，如飛機制動裝置的鐵基摩擦片、金屬粉末過濾器、硬 質合金、耐熱合金和磁性材料等。粉末冶金零件在計算機、電器產品和機械設備上有很大的 用量。國外每臺轎車粉末冶金材料的用量已經超過12公斤。某些零件采用粉末冶金材料后 可以實現以鐵取代銅，以鐵取代鋼，降低產品成本。例如，汽車上用的襯套、減速器外殼等 零件原來是青銅材料，改成粉末冶金鐵基材料后，每個零件節約2-3公斤銅，成本降低近十 倍，而且其耐熱性、抗壓強度、耐磨性有很大提高。在汽車行業用燒結粉末冶金材料代替傳 統的合金鑄鐵是必然趨勢。粉末冶金制品只需少量、甚至不需要切削加工就可以使用，它具有材料利用率高、節 能、成本低和價格低廉等一系列優點。目前粉末冶金技術已經在工業中得到了比較廣泛的應 用。對于常規P/M零件制造方法來說，至少需要經過配料，成形和燒結三個基本步驟才能獲 得P/M材料制品，其中的"配料"是把需要的各種金屬粉末均勻混合到一起；"成型"是把 混合后的粉末壓制成和零件形狀基本相同的壓坯；"燒結"是將壓坯在低于其主要組成成分 的熔點溫度以下進行高溫加熱，使壓坯發生冶金變化，變成可用的P/M材料。用常規方法生 產的P/M材料通常含有大量孔隙，造成強度降低，從而影響P/M材料的應用范圍。有很大一 部分P/M材料的使用條件要求制品具有高強度、高密度和高適應性等特點。單純依靠燒結很 難使P/M零件具有理想的密度。鐵基粉末冶金材料占實際應用粉末冶金材料的90%以上。由 于P/M燒結材料的密度和原始壓坯密度有密切聯系(高密度壓坯能燒結出高密度零件)。因 此，通過提高壓坯密度來獲得高密度壓坯的途徑一直受到粉末冶金行業的高度重視。由此已 經出現了壓坯溫壓成形技術(粉末在熱狀態塑性好，回彈小從而使溫壓成形壓坯具有較高的 密度，加熱介質是電或油)。壓坯溫壓成形技術是對己經裝填在模腔內的粉末進行加熱，加 熱溫度一般為15(T200度，粉末的加熱是通過被加熱模具的熱傳導來實現的。這種溫度成形 設備的結構復雜，加熱速度慢，生產效率低，生產成本高。目前沒有被廣泛采用。實際生產 中有時采用增加復壓和復燒工序來提高P/M材料密度。這兩道工序雖然能提高材料的密度， 但是工藝步驟復雜，同時也使生產成本增加了 15-25%。高強度鐵基粉末冶金零件需要進行滲碳處理，不管是氣體還是固體滲碳，傳統的滲碳步 驟都是在燒結后進行的。有些零件需要在燒結后進行浸銅處理。滲碳和浸銅都是在燒結后分 步驟進行的。發明內容本發明的目的在于為了克服現有粉末冶金材料常規制備方法存在的不足，提供一種簡 單、實用、有效的制備高強度粉末冶金材料的燒結碳、銅復合滲方法。該方法是一種針對粉 末冶金材料的碳、銅復合滲新工藝，它是在材料燒結時同時實施滲碳和滲銅的一種復合滲工 藝，適合制備高強度、高密度和高適應性粉末冶金材料。由于復合滲時共有三個現象發生， 即材料燒結、滲碳和滲銅，因此可以稱其為燒結復合滲工藝。該工藝包括燒結、滲碳和滲銅三種功能。其中的滲碳是固體滲碳，碳源來自工業固體滲 碳劑；其中的銅源來自覆蓋在材料壓坯上的銅粉或銅片。它與傳統方法的區別是燒結時滲碳 和滲銅是同時在燒結爐中完成的。在傳統方法中燒結和滲碳是分別進行的；滲碳工序是在燒 結后進行的，而滲銅是最后進行的。一種制備高強度粉末冶金材料的燒結碳、銅復合滲方法，其具體步驟是1) 配料按材料成分要求把各種鐵粉、碳粉、鉬粉和銅粉等元素按比例配好；2) 混料把配制好的粉末在混料機上充分混合，達到成分均勻；3) 制坯將混合后的粉末裝入模具，壓制成壓坯；4) 燒結滲碳和滲銅a) 先把壓坯放置在鋪有固體滲碳劑的鐵盒內，在材料周圍添加滲碳劑，最后把由銅粉壓 制成的壓坯片放到每個預燒結件上，鐵盒可以用蓋封，亦可不用蓋(如圖2所示)；b) 把裝好的鐵盒放置在有保護氣氛的爐中進行加熱，加熱溫度約1100C，時間廣3小時，同是完成燒結滲碳和滲銅。所說的加熱爐內的保護氣氛是由分解氨產生的氮氣和氫氣，它們的比例是l: 3,滲碳劑應能分解出活性碳，它的成分是10y。木炭+90。/。BaC03。 所說的滲銅重量與待滲材料的重量比是5%~14%。經燒結滲碳和滲銅的材料有足夠的碳含量和銅元素。其金相組織包括珠光體、滲碳體、 合金化合物和銅元素。經測定其碳成分在0.9wt。/。以上，遠高于原始含碳量。特別值得提出 的是在原材料中不加碳的情況下也能達到0.9wt。/。以上的高碳成分。這說明燒結件中的碳元 素是滲進來的。燒結件中的含碳量最高可以達到1.5wty。以上，完全能滿足材料要求。組織 中的滲碳體是滲碳產物。組織中的銅是銅片熔化后直接滲入的。滲入的銅在燒結材料內部均 勻分布。經燒結滲碳和滲銅的材料的硬度可以達到30HRC。大部分燒結滲碳和滲銅件是需要 熱處理的，即淬火和回火。淬火加熱溫度是78(T900C，保溫10分鐘或更長些，淬火硬度能 達到55HRC;回火溫度是15(T500C保溫1小時，硬度降到45服C左右。此時材料的壓潰強 度能達到800MPa.本發明的優點及效果1 、比單一燒結材料密度提高0. 3 0. 6克/立方厘米或更高；鐵基材料的密度能達到7. 6 克/立方厘米。在等同壓坯密度情況下燒結滲碳和滲銅可以獲得高密度材料。這意味著允許 少用了壓制力。由此可以減少模具磨損，提高生產效率。其機理不同于單獨滲碳和滲銅，滲碳和滲銅作用可以比常規工藝的燒結溫度降低50 80度，減少能源消耗。2、 在現有加工方法中固體滲碳、燒結和滲銅工序是單獨進行的，共需要三步，每一歩都需要對材料進行一次加熱。把固體滲碳、燒結和滲銅工序合并成一個歩驟，只需要一次加 熱就夠了。比常規工藝減少工序和節約了能源。簡化現有加工方法步驟，提高生產效率。3、 配合淬火和回火，材料達到高強度。4、 新方法中包括燒結、滲碳和滲銅，它們三者相互作用，致密化機理與傳統理論不同， 是邊燒結、邊滲碳和邊滲銅。在壓坯不含碳的情況下也能獲得高含碳、高銅燒結材料。試驗 表明用新方法對不含碳壓坯進行燒結滲碳和滲銅，燒結材料的含碳量達到0. 9wt%~l. 5wt%。 使用不加碳壓坯為原始壓坯是新方法的一個特色。


圖1燒結滲碳和滲銅材料淬火+回火后組織，其中的白色組織是滲入材料內部的銅；黑 色組織是滲碳體和鐵素體組織。滲碳體的化學式是Fe:,C，它的形成說明碳滲入到材料內部。 放大倍數500x。圖2試樣在鋪有固體滲碳劑的鐵盒滲碳箱內的放置位置。
具體實施方式
下面結合附圖所示實施例進一步所說本發明的具體內容。 加工零件名稱發動機進氣和排氣氣門座圈。這里介紹用新方法制備粉末冶金氣門座圈。它們是發動機中的零件，在高溫下承受進氣 閥和排氣閥高頻率的往復沖擊磨損，是保持發動機氣缸密封性與氣缸向缸蓋散熱的關鍵性配 合件，因此要求具有耐磨、耐熱、耐蝕性能，又要求導熱性良好和不傷對偶。而座圈的磨損 量一般比氣閥的磨損量大，尤以排氣氣門座圈的工況更為惡劣。多年來，缸蓋一直是由灰鑄鐵制造的。但是，近年來，由于高功率發動機、渦輪增壓發 動機、液化石油氣發動機、無鉛汽油發動機，以及可使用多種燃料的發動機的開發與應用， 座圈部分必須用特種材料制造的鑲圈來補強，這種鑲圈就是通常所謂的氣門座圈。另一方面， 為減輕缸蓋重量，增強導熱性，改用鋁合金缸蓋者日益增多。鋁合金缸蓋必須鑲裝氣門座圈。 40多年前,大量的轎車汽油發動機就已經采用鋁合金缸蓋了。同期開始研究與開發粉末冶金 閥座圈。現在,美國、日本、德國等國家生產的內燃機都已在使用特制的粉末冶金閥座圈。 進入90年代以后，我國汽車工業的發展，粉末冶金氣門座圈合金的研制與生產，成為我國粉 末冶金零件生產企業的一個熱門課題。采用燒結粉末冶金氣門座圈代替傳統的合金鑄鐵氣門 座圈已是必然趨勢。用新方法制備發動機進氣和排氣氣門座圈二種零件。具體歩驟如下1)確定材料配方。 選定的成分如表1所示。表1進氣和排氣閥座材料成分配方(wt%)cCrMnMoCoNiCuFe排氣0~0.60.4~0.80.4~0.80.4-0.80.1~0.80.2~1.00.4~1.2余量進氣0~0.60.1~0.40.1~0.40.1~0.40.1~0.80.2 1.0余量2) 混料。把按表1配制粉末材料在混料機里把它們進行均勻混合，混料時間廣3小時或以上。3) 壓制鐵基壓坯。把混好的料按常規粉末冶金方法在模具里壓制成型，獲得鐵基壓坯，壓制力為400MPa 左右。壓坯重量為30克。4) 壓制銅壓坯(銅片)。按粉末冶金壓坯正常工藝把純銅粉末壓制成銅片，銅片的重量為鐵基壓坯重量的5 14%， 這里用的是3克。銅片厚lmra，其截面尺寸和鐵基壓坯截面相同。5) 燒結滲碳和滲銅。先把鐵基壓坯放置在鋪有滲碳劑的鐵盒內，把銅片放在每個鐵基壓坯上，在材料周圍添 加滲碳劑，材料上面可以覆蓋滲碳劑，材料被滲碳劑包圍，參閱圖2所示。把裝好的鐵盒放 置在有保護氣氛的粉末冶金燒結爐中進行加熱，實施燒結滲碳和滲銅。加熱溫度是1150C左 右，時間是廣3小時。加熱爐內的保護氣氛是分解氨產生的氮氣和氫氣。滲碳劑的成分是-10wt。/。木炭+90wt。/6BaCO36) 整形。按粉末冶金常規方法對燒結件整形。其目的是消除燒結材料的變形。7) 淬火。把零件從盒中取出，對它們進行淬火、回火處理。淬火溫度是78(T900C (淬火介質為 油)，保溫0.5 1小時。回火溫度是15(T500C保溫1小時。8) 機械加工至要求尺寸。用以上方法制備的柴油機氣門座圈，已通過二汽東風朝陽柴油機有限公司的600小時高 負荷臺架實驗，符合使用要求。產品性能列于表2表2氣門座圈性能硬度 (HRC)密 氣 g/W壓潰強度 MPa熱膨脹系數 X 10—7K熱傳導率 W/mK進氣閥作40-50382012.637. 5排氣閥座40-50381012. 538
權利要求
1、一種制備高強度粉末冶金材料的燒結碳、銅復合滲方法，其特征在于具體步驟是1)配料按材料成分要求把各種鐵粉、碳粉、鉬粉和銅粉等元素按比例配好；2)混料把配制好的粉末在混料機上充分混合，達到成分均勻；3)制坯將混合后的粉末裝入模具，壓制成壓坯；4)燒結滲碳和滲銅a)先把壓坯放置在鋪有固體滲碳劑的鐵盒內，在材料周圍添加滲碳劑，最后把由銅粉壓制成的壓坯片放到每個預燒結件上，鐵盒不需要蓋；b)把裝好的鐵盒放置在有保護氣氛的爐中進行加熱，加熱溫度約1100C，時間1~3小時，同時完成燒結滲碳和滲銅。
2、 根據權利要求1所述的制備高強度粉末冶金材料的燒結碳、銅復合滲方法，其特征在于所說的加熱爐內的保護氣氛是由分解氨產生的氮氣和氫氣，它們的比例是l: 3，滲碳劑應能分解出活性碳，它的成分是10y。木炭+9Cr/。BaC03。
3、 根據權利要求1所述的制備高強度粉末冶金材料的燒結碳、銅復合滲方法，其特征 在于所說的滲銅重量與待滲材料的重量比是5% 14%。
全文摘要
發明涉及一種制備高強度粉末冶金材料的燒結碳、銅復合滲方法。它是由混料、壓制、燒結滲碳、滲銅和淬火、回火步驟組成。其顯著特點是把燒結滲碳和滲銅合成一步，變成一道工序。由此而降低燒結溫度，減少生產成本。其中的不含碳壓坯為最終獲得高性能材料奠定了基礎。燒結滲碳和滲銅方法的復合有利于獲得高性能粉末冶金材料。在成分配方合理的情況下，可以制備多種高密度和高強度零件。
文檔編號C22C1/05GK101245420SQ20081005023
公開日2008年8月20日 申請日期2008年1月9日 優先權日2008年1月9日
發明者劉雙宇, 劉玉華, 王紅穎, 胡建東, 董鮮峰, 賀小龍, 郭作興 申請人:吉林大學