專利名稱：制備鐵基表面復合材料的燒結擴散法的制作方法
技術領域：
本發明為鐵基表面復合材料的制備方法，特別涉及一種制備鐵基表面復合材料的 燒結擴散法，屬于粉末冶金和復合材料領域。
背景技術：
隨著現代科學技術的飛速發展，工業中很多場合要求機械設備上的工件材料能承 受高溫、高速和劇烈磨損的工況，受摩擦零件被磨損的速度也越來越快，材料經常因為表面 的磨損而報廢。因此對材料的綜合性能提出了高的要求。越來越多的研究表明，耐磨材料 需要同時具有高硬度和高韌性，整體復合雖提高了強度，卻大大降低了韌性，而磨損只發生 在零件的特定表面。此外，整體復合不利于材料的回收與再利用，造成浪費和污染。因而發 展了在具有良好韌性的基材(如鋼)的表面生成一層高硬度的耐磨層(如高碳高釩鋼、高 錳鋼、高鉻鋼、高鉬鋼、陶瓷或金屬陶瓷)的表面復合材料，這種表面復合材料兼有良好的 表面耐磨性和基體韌性，可滿足實際工況對零件提出表面或局部耐磨的要求。一些專利或文獻公開了鐵基表面復合材料的制備方法。如專利03117493. 0公開 了一種無藥皮耐熱耐磨鑄鐵合金堆焊焊條及其制造方法，焊條沒有藥皮，只有焊芯，焊芯的 成分為(wt% ) :C 2. 5 6. 5%、Si 0. 8 2. 5%、Mn 0. 4 1. 5%、Cr 16 35%、Nb 0. 0 1. 5%,Mo :0. 0 3. 5%,Ni :0. 0 2. 0%、W :0. 0 2. 5%、V 0. 1 2. 0%、Ti :0. 0 0. 8%,Cu 0. 0 1. 00%,S 彡 0. 08%,P 彡 0. 10%,0 彡 0. 08%,N^ 0. 08%,A1 彡 0. 10%, 其余為Fe。該焊條用鑄造方法制造。堆焊法需要鑄(鍛)、焊兩次成型、工藝復雜、成本高、 且堆焊的表面質量差。高峰等在《有色金屬快報》2007年第7期報道了以Fe203、W03、Al、C為反應原料， 采用SHS-離心法制備W-C-Fe內襯復合鋼管。結果表明，涂層組織包括主相Fe3W3C及少量 的WC、W2C、Fe3C、Fe。涂層組織呈梯度分布，靠近基體處晶粒細小，遠離基體處晶粒呈粗大 樹枝狀。涂層硬度為(13.5±1.6)GPa。涂層的主要磨損機制為顯微切削。涂層的相對耐磨 性是淬火45鋼的16倍以上。該工藝目前已基本成熟，產品已實際應用，其缺點在于只能用 于旋轉體的表面增強，適合體系少，應用前景有限。專利200410011075. 6發明涉及一種表層或局部梯度強化的耐磨錳鋼復合材料及 制備工藝，該材料是基體為韌性較高的奧氏體、強化層為硬度較高的碳化鈦+馬氏體+介穩 定奧氏體、中間過渡層為梯度漸變的碳化鈦+馬氏體+奧氏體的復合組織結構；其制備工藝 包括以下步驟介穩定奧氏體錳鋼基體成分設計，C、Mn重量百分比含量為C :0. 8 1. 3%, Mn 6 13% ；用Ti-Fe合金粉末作合成介質放置在鑄型的特定部位，將錳鋼高溫熔體澆入 鑄型，得到表層或局部TiC增強體+介穩定奧氏體鑄態組織；對該表層或局部進行液氮深冷 處理獲得馬氏體相變梯度強化層。大幅度提高了高錳鋼的綜合機械性能，可廣泛適用于沖 擊磨粒磨損工況條件下服役的各類抗磨部件。但該法的不足之處是需要一個中間過渡層。專利03153373. 6本發明涉及一種在碳鋼或合金鋼表面制成高合金耐磨層復合材 料的生產工藝，首先選用粒度為0. 005-0. 8mm鉻、鉬、鎢、釩、鈦、鎳、鈷、錳、硼、碳組成的合金粉末或選用粒度為0. 4-0. 8mm的燒結硬質合金顆粒40-80%、粒度為0. 05-0. 1mm的鎳和 鉻的合金粉末20-60 %，粘結劑與合金粉末攪拌制成合金粉涂料，其次，將合金粉涂料涂敷 在鑄型側面上，第三是澆注成型。該發明的鑄滲法存在鑄件容易出現縮松、夾雜、氣孔等缺 陷，鑄滲層厚度不容易控制等缺點。

發明內容
本發明是針對目前制備鐵基表面復合材料方法存在的諸多不足之處，發明了一種 新的方法。首先將耐磨合金鋼混合粉末壓制成帶圓柱孔的生坯，然后將圓柱形的鋼芯棒放 入耐磨合金鋼生坯中，控制鋼芯棒的直徑以獲得最佳的間隙，二者同時放入真空爐中進行 燒結。耐磨合金鋼生坯與鋼芯棒進行真空燒結處理后，耐磨合金鋼生坯發生尺寸收縮，其心 部圓柱孔徑將略小于鋼芯棒直徑，因此在耐磨合金鋼生坯致密化的同時，也實現了與鋼芯 棒的緊密機械連接。同時，燒結過程中耐磨合金鋼與鋼芯棒接觸的邊界部分發生相互擴散， 保證了表面耐磨合金鋼層與心部高韌性碳鋼的冶金結合，本發明的示意圖見附圖1。本發明的制備鐵基表面復合材料的燒結擴散法，其特征在于依次包含以下步驟(1)將鉻鐵粉、磷鐵粉、鉬鐵粉、羰基鐵粉、銅粉和碳黑粉配制成耐磨合金鋼混合粉 末，其重量百分比為C 0. 1 2. 5%,P 0. 2 1. 0%，Cr :0 10%，Cu 0 10%，Mo 0 5%,Fe為余量；耐磨合金鋼混合粉末經過球磨、過濾、干燥后壓制成帶圓柱孔的生坯；(2)將圓柱形鋼芯棒放置在耐磨合金鋼生坯內孔中，鋼芯棒成分重量百分比為C 占0. 03 0. 7%，Fe為余量；鋼芯棒直徑的確定方法為擴散層厚度+生坯孔徑/收縮系 數，其中擴散層厚度為0. 1 2mm，收縮系數為1. 0 2. 0 ；(3)圓柱形鋼芯棒與耐磨合金鋼生坯一起放入真空爐中，先脫除成型劑，然后經過 燒結制備成鐵基表面復合材料，燒結溫度為900 1250°C，保溫時間為0. 5 3h，真空度為 1 5Pa。本發明的制備鐵基表面復合材料的燒結擴散法，其進一步的特征在于(1)配制耐磨合金鋼混合粉末所用的原料中鉻鐵粉含鉻60 70wt%，粒度為 10 20iim ；磷鐵粉含磷10 20wt%，粒度為10 20 ym，鉬鐵粉含鉬45 55 丨％，粒 度為10 20iim ；銅粉含銅> 99. 5wt%，粒度為10 20 y m ；羰基鐵粉含鐵> 98wt%，粒 度為1. 5 2. 5 ii m ；碳黑粉末含碳> 99. 5wt %，粒度0. 2 1. 5 y m ；耐磨合金鋼混合粉末 的球磨介質為無水乙醇，其加量為100 400ml，球磨速度為60 lOOr/min，球磨時間為 12 48h，研磨球為①6 8mm的lCrl8Ni9Ti不銹鋼球，球料重量比為2 1 5 1，成 型劑聚乙二醇6000的添加量為1 3wt% ；球磨后料漿經過200 400目篩網過濾，然后 在85°C 100°C下進行真空干燥，真空度為1 5Pa ；最后在200 400MPa下壓制成帶圓 柱孔的生坯；(2)在耐磨合金鋼生坯內孔中放置鋼芯棒時，二者的同心度為0. 1 0. 6mm ；(3)真空燒結過程脫除成型劑在400°C 600°C進行，保溫2 4h，真空度為10 15Pa。本發明的優點在于(1)用耐磨合金鋼與碳鋼構成表面復合材料，既保證了耐磨性與韌性的良好結合， 而且因節約合金元素而具有成本優勢；
(2)本發明的工藝簡單，而且表面耐磨層的厚度容易控制；(3)通過“機械連接”和“冶金結合”的雙重作用，表面耐磨層與內部高韌性的鋼之 間結合更緊密。


圖1本發明的制備鐵基表面復合材料的燒結擴散法示意圖
具體實施例方式實例1 配制耐磨合金鋼混合粉末所用的原料中磷鐵粉含磷16wt%，粒度為 10 um ；銅粉含銅99. 7wt %，粒度為15 ii m ；羰基鐵粉含鐵98. 5wt %，粒度為2. 5 y m ；碳黑粉 末含碳 99. 6wt%，粒度 1. Oil m ；耐磨合金鋼的成分為C 0. 45wt%,Cu :5wt%,P 0. 6wt%, Fe為余量；球磨介質為無水乙醇，其加量為300ml，球磨速度為60r/min，研磨時間為48h，研 磨球為①8mm的lCrl8Ni9Ti不銹鋼球，球料重量比為2 1，添加聚乙二醇6000為lwt%; 鐵基材料球磨后料漿的真空干燥處理溫度為85°C，真空度為5Pa ；在300MPa下壓制成高度 為5. 5mm，外徑為40mm，內徑為32mm的生坯；采用20號鋼(C占0. 2wt%，其余為Fe)作芯 棒，其直徑為20mm;鋼芯棒放置在耐磨合金鋼生坯內孔中進行真空燒結時，二者的同心度 為0. 4mm ；真空燒結過程脫除成型劑在450°C進行，保溫2h，真空度為lOPa ；最終在1200°C 燒結，保溫時間為lh，真空度為5Pa。便制成表面為耐磨合金鋼層內部為碳鋼、結合緊密的 表面耐磨材料。實例2 配制耐磨合金鋼混合粉末所用的原料中磷鐵粉含磷16wt%，粒度為 10 um ；鉻鐵粉含鉻60wt %，粒度為10 ii m ；鉬鐵粉含鉬45wt %，粒度為10 y m ；羰基鐵粉含 鐵98. 5wt%，粒度為2. 5 ii m ；碳黑粉末含碳99. 6wt%，粒度1. 0 y m ；耐磨合金鋼的成分為 C 2. Owt%, Cr :5wt%, Mo :3wt%, P :0. 5wt%, Fe為余量；球磨介質為無水乙醇，其加量為 300ml，球磨速度為80r/min，研磨時間為24h，研磨球為①8mm的lCrl8Ni9Ti不銹鋼球，球 料重量比為2. 5 1，添加聚乙二醇6000為1. 5襯％;鐵基材料球磨后料漿的真空干燥處理 溫度為85°C，真空度為5Pa ；在350MPa下壓制成高度為6mm，外徑為35mm，內徑為23mm的生 坯；采用45號鋼(C占0. 45wt%，其余為Fe)作芯棒，其直徑為16mm ；鋼芯棒放置在耐磨合 金鋼生坯內孔中進行真空燒結時，二者的同心度0. 5mm ；真空燒結過程脫除成型劑在550°C 進行，保溫2h，真空度為15Pa ；最終在1050°C燒結，保溫時間為1. 5h，真空度為5Pa。便制 成表面為耐磨合金鋼層內部為碳鋼、結合緊密的表面耐磨材料。
權利要求
一種制備鐵基表面復合材料的燒結擴散法，其特征在于依次包含以下步驟(1)將鉻鐵粉、磷鐵粉、鉬鐵粉、羰基鐵粉、銅粉和碳黑粉配制成耐磨合金鋼混合粉末，其重量百分比為C0.1～2.5％，P0.2～1.0％，Cr0～20％，Cu0～10％，Mo0～5％，Fe為余量；耐磨合金鋼混合粉末經過球磨、過濾、干燥后壓制成帶圓柱孔的生坯；(2)將圓柱形鋼芯棒放置在耐磨合金鋼生坯內孔中，鋼芯棒成分重量百分比為C占0.03～0.7％，Fe為余量；鋼芯棒直徑的確定方法為擴散層厚度+生坯孔徑/收縮系數，其中擴散層厚度為0.1～2mm，收縮系數為1.0～2.0；(3)圓柱形鋼芯棒與耐磨合金鋼生坯一起放入真空爐中，先脫除成型劑，然后經過燒結制備成鐵基表面復合材料，燒結溫度為900～1250℃，保溫時間為0.5～3h，真空度為1～5Pa。
2.根據權利要求1所述的制備鐵基表面復合材料的燒結擴散法，其進一步的特征在于(1)配制耐磨合金鋼混合粉末所用的原料中鉻鐵粉含鉻60 70wt%，粒度為10 20 um ；磷鐵粉含磷10 20wt %，粒度為10 20 ii m,鉬鐵粉含鉬45 55wt %，粒度為10 20 um ；銅粉含銅> 99. 5wt %，粒度為10 20 y m ；羰基鐵粉含鐵> 98wt %，粒度為1. 5 2. 5um ；碳黑粉末含碳> 99. 5wt%,粒度0. 2 1. 5 y m ；耐磨合金鋼混合粉末的球磨介質 為無水乙醇，其加量為100 400ml，球磨速度為60 100r/min，球磨時間為12 48h，研 磨球為①6 8mm的lCrl8Ni9Ti不銹鋼球，球料重量比為2 1 5 1，成型劑聚乙二醇 6000的添加量為1 3襯％;球磨后料漿經過200 400目篩網過濾，然后在85°C 100°C 下進行真空干燥，真空度為1 5Pa ；最后在200 400MPa下壓制成帶圓柱孔的生坯；(2)在耐磨合金鋼生坯內孔中放置鋼芯棒時，二者的同心度為0.1 0. 6mm;真空燒結 過程脫除成型劑在400°C 600°C進行，保溫2 4h，真空度為10 15Pa。
全文摘要
本發明公開了一種制備鐵基表面復合材料的燒結擴散法，其特征是先利用粉末冶金方法制備心部有圓柱孔的鐵基材料生坯；然后將一定尺寸的鋼質芯棒放置在生坯的圓柱孔中；鐵基材料生坯與鋼質芯棒在900℃～1250℃下進行真空燒結處理。鐵基材料生坯發生尺寸收縮實現致密化，控制其心部圓柱孔徑小于鋼質芯棒直徑，便實現了與鋼質芯棒的緊密機械連接。同時，燒結過程中鐵基材料與鋼質芯棒接觸的邊界部分發生相互擴散，保證了表面鐵基材料層與心部鋼材的冶金結合。本發明具有工藝簡單、成本低、表面鐵基耐磨材料與內部鋼材結合緊密的優點。
文檔編號B22F7/04GK101829785SQ201010183700
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月26日 優先權日2010年5月26日
發明者楊天恩, 楊梅, 熊素建, 熊計, 郭智興, 陳建中 申請人:四川大學