專利名稱：一種粉末高速鋼與結構鋼雙金屬復合材料及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種雙金屬復合材料及其制造方法，特別是一種粉末高速鋼與結構鋼 雙金屬復合材料及其制造方法。
背景技術：
粉末冶金高速鋼具有高硬度、高耐磨、高切削韌性以及良好的二次硬化特性，在切 削工具、冷熱工模具以及其他高耐磨、耐高溫切削材料和結構零件中已有廣泛應用。在實際 生產中，有些工作部件常要求材料既有良好的韌性，以抵抗工作過程中的沖擊作用，同時又 要求其具有高的硬度及優良的磨損性能。雙金屬復合是根據零、構件的功能要求和工況條 件，通過設計和選擇兩種化學、物理性能不同的金屬材料，按一定的方式、比例、分布結合成 的。它兼具兩種金屬的優點，能在零件不同部位提供不同性能，達到單一材料無法達到的綜 合性能，并且可以有效的減少生產成本。常用雙金屬復合材料的制備工藝有三種，其一是焊接方法(如釬焊、摩擦焊、擴散 焊等)，但焊接質量不易控制，焊接面強度低；其二是軋制方法，該方法可實現合金工具鋼 如6CrW2Si等與低碳鋼的復合，但是不適合高速鋼與低碳鋼的復合，因為高速鋼的軋制溫 度為1150°C，且塑性較差，難以實現復合。其三是粉末燒結方法，該方法可實現高速鋼與結 構鋼的復合，但傳統燒結方法，界面結合強度低。吉林大學劉海峰采用砂型鑲鑄法得到的高速鋼/45鋼界面結合強度為50 300MPa，鄭州大學劉清梅復合鑄造法得到的高鉻鑄鐵/45鋼復合界面的剪切強度為80 320MPa，武漢理工的周小平采用傳統粉末燒結的45鋼與硬質合金結合強度達到400MPa。為此，有必要進一步改進粉末高速鋼與結構鋼雙金屬復合材料的制造方法，以充 分發揮高速鋼作為高溫切削材料的優良性能。

發明內容
本發明所要解決的首要技術問題是提供一種能實現粉末高速鋼與結構鋼的復合 且其結合強度能夠滿足金屬切削等工程應用的粉末高速鋼與結構鋼雙金屬復合材料。本發明所要解決的另一個技術問題是提供一種能實現粉末高速鋼與結構鋼的復 合且其結合強度能夠滿足金屬切削等工程應用的粉末高速鋼與結構鋼雙金屬復合材料的 制造方法。本發明解決上述首要技術問題所采用的技術方案為一種粉末高速鋼與結構鋼雙 金屬復合材料，其包括有粉末高速鋼燒結層、結構鋼材料層，其特征在于粉末高速鋼燒結層 和結構鋼材料層通過放電等離子燒結方法連接成整體件。所述的結構鋼材料層采用棒形結構或板狀結構。本發明解決上述另一個技術問題所采用的技術方案為一種粉末高速鋼與結構鋼 雙金屬復合材料的制造方法，其特征在于步驟依次為(1)原料選取選取出廠粒度50 100目(297 150 μ m)的高速鋼原料粉以及結構鋼料；(2)高速鋼粉末制備將原始粉末細化為粒度1 5 μ m ；(3)預成型將稱量好的高速鋼粉末以及準備好的結構鋼料自下而上按粉末、鋼 料放入模具，鋪粉末層時進行預壓；(4)燒結燒結溫度為960 980°C，燒結壓力為65 75MPa，保溫時間8 12分 鐘；所述步驟(1)中結構鋼料尺寸應適合模具大小。為使得原始高速鋼粉末細化，在所述步驟(2)中，使用星型球磨機球磨。球磨工藝 參數如下球料比7 1，磨球材料為瑪瑙，球磨機轉速(公轉)為270r/min，球磨介質為空 氣，球磨時間為24h。所述步驟(4)中，使用放電等離子燒結爐進行燒結。為嚴格控制燒結溫度，所述步驟(4)中，燒結爐內燒結溫度由高溫測溫計測得。所述的燒結是采用梯度狀程序升溫方法。與現有技術相比，本方面的顯著優點在于(1)因放電等離子燒結技術具有升溫 速度快、受熱均勻、燒結時間短，燒結體晶粒均勻細小、相對密度高等優點，可獲得優于傳統 粉末冶金方法制備的粉末冶金高速鋼材料。(2) —次性實現了粉末冶金高速鋼的燒結及其 與結構鋼的復合。(3)復合界面是冶金結合，界面兩側有元素擴散，界面結合強度在500 600MPa，界面結合強度高于目前砂型鑲鑄、復合鑄造、傳統燒結方法等制備的雙金屬復合材 料，且節省能源、造價低廉、節約粉末高速鋼用量。


圖1為粉末高速鋼與結構鋼連接示意圖；圖2為本發明石墨模具圖示意圖；圖3為粉末高速鋼與結構鋼雙金屬復合材料制備工藝示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。實施例一 :M42 (W2M9Cr4VCo8)粉末高速鋼與45結構鋼雙金屬復合材料的制備如圖1所示意，1為結構鋼棒料，2為高速鋼粉末；如圖2所示意，3為石墨模具，4為模具上下沖頭；如圖3所示意，粉末高速鋼與結構鋼雙金屬復合材料制備工藝示意圖。(1)選取M42 (W2M9Cr4VCo8)高速鋼原料粉，以及45結構鋼棒料；(2)將M42 (W2M9Cr4VCo8)高速鋼原料粉在高能星型球磨機上球磨。球磨工藝參數 如下球料比7 1，磨球材料為瑪瑙，球磨機轉速(公轉)為270r/min，球磨介質為空氣， 球磨時間為24h。將45結構鋼板料加工成直徑20mm(長度6 IOmm)的圓柱形棒料；(3)稱量IOg球磨后的高速鋼原料粉，自下而上按照粉末、45結構鋼棒料順序放入 如圖2所示的石墨模具中，每鋪一層后進行預壓；(4)燒結采用型號為日本住友石炭株式會社制造SPS-1030的放電等離子燒結爐 燒結；燒結溫度為970°C，燒結具體過程如下500°C /6min—650°C /2min—750°C /lmin—85O0C /2min—900°C /lmin-970°C /lmin-970°C /lOmin，燒結壓力為 70MPa，溫度由高溫測溫計測得。最后獲得了一種粉末高速鋼與結構鋼雙金屬復合材料，粉末高速鋼燒結層和結構 鋼材料層通過放電等離子燒結方法連接成整體件，結構鋼材料層采用棒狀結構，粉末高速 鋼燒結層厚度在6 IOmm范圍，結構鋼材料層厚度在6 IOmm范圍。采用本發明，成功解決了粉末高速鋼與結構鋼雙金屬復合材料的制備問題，為實 現提高粉末高速鋼利用率邁出了一大步，采用此發制備的雙金屬復合材料，可用于制造雙 金屬粉末高速鋼刀具，粉末高速鋼刀刃能滿足切削要求、而結構鋼刀柄能承受工作沖擊載 荷，相比全部使用粉末高速鋼制造的刀具成本低廉，且用該復合材料結構制造的刀具性能 可滿足在金屬切削、木材切削等方面廣泛應用。實施例二 :W18Cr4V粉束高速鋼與45結構鋼雙金屬復合材料的制備(1)選取W18Cr4V高速鋼原料粉，以及45結構鋼板料；(2)將W18Cr4V高速鋼原料粉在高能星型球磨機上球磨。球磨工藝參數如下球 料比7 1，磨球材料為瑪瑙，球磨機轉速(公轉)為270r/min，球磨介質為空氣，球磨時間 為24h。將45結構鋼板料加工成直徑20mm(長度6 IOmm)的圓柱形棒料；(3)稱量IOg球磨后的高速鋼原料粉，之下而上按照粉末、45結構鋼棒料順序放入 如圖2所示的石墨模具中，每鋪一層后進行預壓；(4)燒結采用型號為日本住友石炭株式會社制造SPS-1030的放電等離子燒結爐 燒結；燒結溫度為970°C，燒結具體過程如下500°C /6min—650°C /2min—750°C/lmin-85 0°C /2min—900°C /lmin-970°C /lmin-970°C /lOmin，燒結壓力為 70MPa，各個溫度由高溫測 溫計測得。最后獲得了一種粉末高速鋼與結構鋼雙金屬復合材料，粉末高速鋼燒結層和結構 鋼材料層通過放電等離子燒結方法連接成整體件，結構鋼材料層采用棒狀結構，粉末高速 鋼燒結層厚度在6 IOmm范圍，結構鋼材料層厚度在6 IOmm范圍。當然，也可以采用板狀的結構鋼材料層，原理是類似的。采用本發明，成功解決了粉末高速鋼與結構鋼雙金屬復合材料的制備問題，為實 現提高粉末高速鋼利用率邁出了一大步，采用此發明制備的雙金屬復合材料，可用于制造 雙金屬粉末高速鋼刀具，粉末高速鋼刀刃能滿足切削要求、而結構鋼刀柄能承受工作沖擊 載荷，相比全部使用粉末高速鋼制造的刀具成本低廉，且用該復合材料結構制造的刀具性 能可滿足在金屬切削、木材切削等方面廣泛應用。
權利要求
一種粉末高速鋼與結構鋼雙金屬復合材料，其包括有結構鋼材料層，其特征在于粉末高速鋼層和結構鋼材料層通過放電等離子燒結方法而連接成整體件。
2.根據權利要求1所述的雙金屬復合材料，其特征在于所述的結構鋼材料層采用棒形 結構或者板狀結構。
3.一種粉末高速鋼與結構鋼雙金屬復合材料的制造方法，其特征在于步驟依次為(1)原料選取選取出廠粒度50 100目的粉末冶金高速鋼原料粉以及結構鋼料；(2)粉末冶金高速鋼粉末制備將冶金高速鋼原料的原始粉末細化為粒度1 5μ m :(3)預成型將稱量好的冶金高速鋼原料的粉末以及準備好的結構鋼自下而上按粉 末、結構鋼放入模具，鋪粉末層時進行預壓；(4)燒結燒結溫度為960 980°C，燒結壓力為65 75MPa，保溫時間8 12分鐘。
4.根據權利要求3所述的制造方法，其特征在于所述步驟(1)中結構鋼料采用棒料 或者板料，尺寸應適合模具大小。
5.根據權利要求3所述的制造方法，其特征在于所述步驟(2)中，使用高能星型球磨 機球磨。
6.根據權利要求3所述的制造方法，其特征在于所述步驟(4)中，使用放電等離子燒 結爐進行燒結。
7.根據權利要求3所述的制造方法，其特征在于所述步驟(4)中，燒結爐內燒結溫度 由高溫測溫計測得。
8.根據權利要求3至7任意一項權利要求所述的制造方法，其特征在于所述步驟(4) 中的燒結是采用梯度狀程序升溫方法。
全文摘要
一種粉末高速鋼與結構鋼雙金屬復合材料及其制造方法，其包括有結構鋼材料層，其特征在于粉末高速鋼燒結層和結構鋼材料層通過放電等離子燒結方法連接成整體件；其制造方法，步驟依次為原料選取；粉末冶金高速鋼粉末制備；預成型；燒結。其實現了粉末高速鋼與結構鋼的復合，同時粉末高速鋼的燒結及其與結構鋼的復合為一次性完成，復合界面是冶金界面，界面兩側有元素擴散，界面結合強度在500～600MPa，界面結合強度高于砂型鑲鑄、復合鑄造、傳統燒結方法等制備的雙金屬復合材料，且節省能源、造價低廉、節約高速鋼用量。
文檔編號B22F7/04GK101885069SQ20091009850
公開日2010年11月17日 申請日期2009年5月12日 優先權日2009年5月12日
發明者徐金富, 文小浩 申請人:寧波工程學院