专利名称：制备铁基表面复合材料的烧结扩散法的制作方法
技术领域：
本发明为铁基表面复合材料的制备方法，特别涉及一种制备铁基表面复合材料的 烧结扩散法，属于粉末冶金和复合材料领域。
背景技术：
随着现代科学技术的飞速发展，工业中很多场合要求机械设备上的工件材料能承 受高温、高速和剧烈磨损的工况，受摩擦零件被磨损的速度也越来越快，材料经常因为表面 的磨损而报废。因此对材料的综合性能提出了高的要求。越来越多的研究表明，耐磨材料 需要同时具有高硬度和高韧性，整体复合虽提高了强度，却大大降低了韧性，而磨损只发生 在零件的特定表面。此外，整体复合不利于材料的回收与再利用，造成浪费和污染。因而发 展了在具有良好韧性的基材(如钢)的表面生成一层高硬度的耐磨层(如高碳高钒钢、高 锰钢、高铬钢、高钼钢、陶瓷或金属陶瓷)的表面复合材料，这种表面复合材料兼有良好的 表面耐磨性和基体韧性，可满足实际工况对零件提出表面或局部耐磨的要求。一些专利或文献公开了铁基表面复合材料的制备方法。如专利03117493. 0公开 了一种无药皮耐热耐磨铸铁合金堆焊焊条及其制造方法，焊条没有药皮，只有焊芯，焊芯的 成分为(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%, 其余为Fe。该焊条用铸造方法制造。堆焊法需要铸(锻)、焊两次成型、工艺复杂、成本高、 且堆焊的表面质量差。高峰等在《有色金属快报》2007年第7期报道了以Fe203、W03、Al、C为反应原料， 采用SHS-离心法制备W-C-Fe内衬复合钢管。结果表明，涂层组织包括主相Fe3W3C及少量 的WC、W2C、Fe3C、Fe。涂层组织呈梯度分布，靠近基体处晶粒细小，远离基体处晶粒呈粗大 树枝状。涂层硬度为(13.5±1.6)GPa。涂层的主要磨损机制为显微切削。涂层的相对耐磨 性是淬火45钢的16倍以上。该工艺目前已基本成熟，产品已实际应用，其缺点在于只能用 于旋转体的表面增强，适合体系少，应用前景有限。专利200410011075. 6发明涉及一种表层或局部梯度强化的耐磨锰钢复合材料及 制备工艺，该材料是基体为韧性较高的奥氏体、强化层为硬度较高的碳化钛+马氏体+介稳 定奥氏体、中间过渡层为梯度渐变的碳化钛+马氏体+奥氏体的复合组织结构；其制备工艺 包括以下步骤介稳定奥氏体锰钢基体成分设计，C、Mn重量百分比含量为C :0. 8 1. 3%, Mn 6 13% ；用Ti-Fe合金粉末作合成介质放置在铸型的特定部位，将锰钢高温熔体浇入 铸型，得到表层或局部TiC增强体+介稳定奥氏体铸态组织；对该表层或局部进行液氮深冷 处理获得马氏体相变梯度强化层。大幅度提高了高锰钢的综合机械性能，可广泛适用于冲 击磨粒磨损工况条件下服役的各类抗磨部件。但该法的不足之处是需要一个中间过渡层。专利03153373. 6本发明涉及一种在碳钢或合金钢表面制成高合金耐磨层复合材 料的生产工艺，首先选用粒度为0. 005-0. 8mm铬、钼、钨、钒、钛、镍、钴、锰、硼、碳组成的合金粉末或选用粒度为0. 4-0. 8mm的烧结硬质合金颗粒40-80%、粒度为0. 05-0. 1mm的镍和 铬的合金粉末20-60 %，粘结剂与合金粉末搅拌制成合金粉涂料，其次，将合金粉涂料涂敷 在铸型侧面上，第三是浇注成型。该发明的铸渗法存在铸件容易出现缩松、夹杂、气孔等缺 陷，铸渗层厚度不容易控制等缺点。
发明内容
本发明是针对目前制备铁基表面复合材料方法存在的诸多不足之处，发明了一种 新的方法。首先将耐磨合金钢混合粉末压制成带圆柱孔的生坯，然后将圆柱形的钢芯棒放 入耐磨合金钢生坯中，控制钢芯棒的直径以获得最佳的间隙，二者同时放入真空炉中进行 烧结。耐磨合金钢生坯与钢芯棒进行真空烧结处理后，耐磨合金钢生坯发生尺寸收缩，其心 部圆柱孔径将略小于钢芯棒直径，因此在耐磨合金钢生坯致密化的同时，也实现了与钢芯 棒的紧密机械连接。同时，烧结过程中耐磨合金钢与钢芯棒接触的边界部分发生相互扩散， 保证了表面耐磨合金钢层与心部高韧性碳钢的冶金结合，本发明的示意图见附图1。本发明的制备铁基表面复合材料的烧结扩散法，其特征在于依次包含以下步骤(1)将铬铁粉、磷铁粉、钼铁粉、羰基铁粉、铜粉和碳黑粉配制成耐磨合金钢混合粉 末，其重量百分比为C 0. 1 2. 5%,P 0. 2 1. 0%，Cr :0 10%，Cu 0 10%，Mo 0 5%,Fe为余量；耐磨合金钢混合粉末经过球磨、过滤、干燥后压制成带圆柱孔的生坯；(2)将圆柱形钢芯棒放置在耐磨合金钢生坯内孔中，钢芯棒成分重量百分比为C 占0. 03 0. 7%，Fe为余量；钢芯棒直径的确定方法为扩散层厚度+生坯孔径/收缩系 数，其中扩散层厚度为0. 1 2mm，收缩系数为1. 0 2. 0 ；(3)圆柱形钢芯棒与耐磨合金钢生坯一起放入真空炉中，先脱除成型剂，然后经过 烧结制备成铁基表面复合材料，烧结温度为900 1250°C，保温时间为0. 5 3h，真空度为 1 5Pa。本发明的制备铁基表面复合材料的烧结扩散法，其进一步的特征在于(1)配制耐磨合金钢混合粉末所用的原料中铬铁粉含铬60 70wt%，粒度为 10 20iim ；磷铁粉含磷10 20wt%，粒度为10 20 ym，钼铁粉含钼45 55 丨％，粒 度为10 20iim ；铜粉含铜> 99. 5wt%，粒度为10 20 y m ；羰基铁粉含铁> 98wt%，粒 度为1. 5 2. 5 ii m ；碳黑粉末含碳> 99. 5wt %，粒度0. 2 1. 5 y m ；耐磨合金钢混合粉末 的球磨介质为无水乙醇，其加量为100 400ml，球磨速度为60 lOOr/min，球磨时间为 12 48h，研磨球为①6 8mm的lCrl8Ni9Ti不锈钢球，球料重量比为2 1 5 1，成 型剂聚乙二醇6000的添加量为1 3wt% ；球磨后料浆经过200 400目筛网过滤，然后 在85°C 100°C下进行真空干燥，真空度为1 5Pa ；最后在200 400MPa下压制成带圆 柱孔的生坯；(2)在耐磨合金钢生坯内孔中放置钢芯棒时，二者的同心度为0. 1 0. 6mm ；(3)真空烧结过程脱除成型剂在400°C 600°C进行，保温2 4h，真空度为10 15Pa。本发明的优点在于(1)用耐磨合金钢与碳钢构成表面复合材料，既保证了耐磨性与韧性的良好结合， 而且因节约合金元素而具有成本优势；
(2)本发明的工艺简单，而且表面耐磨层的厚度容易控制；(3)通过“机械连接”和“冶金结合”的双重作用，表面耐磨层与内部高韧性的钢之 间结合更紧密。
图1本发明的制备铁基表面复合材料的烧结扩散法示意图
具体实施例方式实例1 配制耐磨合金钢混合粉末所用的原料中磷铁粉含磷16wt%，粒度为 10 um ；铜粉含铜99. 7wt %，粒度为15 ii m ；羰基铁粉含铁98. 5wt %，粒度为2. 5 y m ；碳黑粉 末含碳 99. 6wt%，粒度 1. Oil m ；耐磨合金钢的成分为C 0. 45wt%,Cu :5wt%,P 0. 6wt%, Fe为余量；球磨介质为无水乙醇，其加量为300ml，球磨速度为60r/min，研磨时间为48h，研 磨球为①8mm的lCrl8Ni9Ti不锈钢球，球料重量比为2 1，添加聚乙二醇6000为lwt%; 铁基材料球磨后料浆的真空干燥处理温度为85°C，真空度为5Pa ；在300MPa下压制成高度 为5. 5mm，外径为40mm，内径为32mm的生坯；采用20号钢(C占0. 2wt%，其余为Fe)作芯 棒，其直径为20mm;钢芯棒放置在耐磨合金钢生坯内孔中进行真空烧结时，二者的同心度 为0. 4mm ；真空烧结过程脱除成型剂在450°C进行，保温2h，真空度为lOPa ；最终在1200°C 烧结，保温时间为lh，真空度为5Pa。便制成表面为耐磨合金钢层内部为碳钢、结合紧密的 表面耐磨材料。实例2 配制耐磨合金钢混合粉末所用的原料中磷铁粉含磷16wt%，粒度为 10 um ；铬铁粉含铬60wt %，粒度为10 ii m ；钼铁粉含钼45wt %，粒度为10 y m ；羰基铁粉含 铁98. 5wt%，粒度为2. 5 ii m ；碳黑粉末含碳99. 6wt%，粒度1. 0 y m ；耐磨合金钢的成分为 C 2. Owt%, Cr :5wt%, Mo :3wt%, P :0. 5wt%, Fe为余量；球磨介质为无水乙醇，其加量为 300ml，球磨速度为80r/min，研磨时间为24h，研磨球为①8mm的lCrl8Ni9Ti不锈钢球，球 料重量比为2. 5 1，添加聚乙二醇6000为1. 5衬％;铁基材料球磨后料浆的真空干燥处理 温度为85°C，真空度为5Pa ；在350MPa下压制成高度为6mm，外径为35mm，内径为23mm的生 坯；采用45号钢(C占0. 45wt%，其余为Fe)作芯棒，其直径为16mm ；钢芯棒放置在耐磨合 金钢生坯内孔中进行真空烧结时，二者的同心度0. 5mm ；真空烧结过程脱除成型剂在550°C 进行，保温2h，真空度为15Pa ；最终在1050°C烧结，保温时间为1. 5h，真空度为5Pa。便制 成表面为耐磨合金钢层内部为碳钢、结合紧密的表面耐磨材料。
权利要求
一种制备铁基表面复合材料的烧结扩散法，其特征在于依次包含以下步骤(1)将铬铁粉、磷铁粉、钼铁粉、羰基铁粉、铜粉和碳黑粉配制成耐磨合金钢混合粉末，其重量百分比为C0.1～2.5％，P0.2～1.0％，Cr0～20％，Cu0～10％，Mo0～5％，Fe为余量；耐磨合金钢混合粉末经过球磨、过滤、干燥后压制成带圆柱孔的生坯；(2)将圆柱形钢芯棒放置在耐磨合金钢生坯内孔中，钢芯棒成分重量百分比为C占0.03～0.7％，Fe为余量；钢芯棒直径的确定方法为扩散层厚度+生坯孔径/收缩系数，其中扩散层厚度为0.1～2mm，收缩系数为1.0～2.0；(3)圆柱形钢芯棒与耐磨合金钢生坯一起放入真空炉中，先脱除成型剂，然后经过烧结制备成铁基表面复合材料，烧结温度为900～1250℃，保温时间为0.5～3h，真空度为1～5Pa。
2.根据权利要求1所述的制备铁基表面复合材料的烧结扩散法，其进一步的特征在于(1)配制耐磨合金钢混合粉末所用的原料中铬铁粉含铬60 70wt%，粒度为10 20 um ；磷铁粉含磷10 20wt %，粒度为10 20 ii m,钼铁粉含钼45 55wt %，粒度为10 20 um ；铜粉含铜> 99. 5wt %，粒度为10 20 y m ；羰基铁粉含铁> 98wt %，粒度为1. 5 2. 5um ；碳黑粉末含碳> 99. 5wt%,粒度0. 2 1. 5 y m ；耐磨合金钢混合粉末的球磨介质 为无水乙醇，其加量为100 400ml，球磨速度为60 100r/min，球磨时间为12 48h，研 磨球为①6 8mm的lCrl8Ni9Ti不锈钢球，球料重量比为2 1 5 1，成型剂聚乙二醇 6000的添加量为1 3衬％;球磨后料浆经过200 400目筛网过滤，然后在85°C 100°C 下进行真空干燥，真空度为1 5Pa ；最后在200 400MPa下压制成带圆柱孔的生坯；(2)在耐磨合金钢生坯内孔中放置钢芯棒时，二者的同心度为0.1 0. 6mm;真空烧结 过程脱除成型剂在400°C 600°C进行，保温2 4h，真空度为10 15Pa。
全文摘要
本发明公开了一种制备铁基表面复合材料的烧结扩散法，其特征是先利用粉末冶金方法制备心部有圆柱孔的铁基材料生坯；然后将一定尺寸的钢质芯棒放置在生坯的圆柱孔中；铁基材料生坯与钢质芯棒在900℃～1250℃下进行真空烧结处理。铁基材料生坯发生尺寸收缩实现致密化，控制其心部圆柱孔径小于钢质芯棒直径，便实现了与钢质芯棒的紧密机械连接。同时，烧结过程中铁基材料与钢质芯棒接触的边界部分发生相互扩散，保证了表面铁基材料层与心部钢材的冶金结合。本发明具有工艺简单、成本低、表面铁基耐磨材料与内部钢材结合紧密的优点。
文档编号B22F7/04GK101829785SQ201010183700
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月26日 优先权日2010年5月26日
发明者杨天恩, 杨梅, 熊素建, 熊计, 郭智兴, 陈建中 申请人:四川大学