专利名称：一种碳化钨颗粒增强的铁基粉末冶金材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及塑性成形技术和粉末冶金技术，具体是指一种碳化钨(WC)颗粒增强 的铁基粉末冶金材料及其制备方法。
背景技术：
铁基材料因具有价格便宜、资源丰富、性能优越及易实现规模化生产等特点而获 得了广泛使用，但随着现代工业和科学技术的发展，对其综合力学性能提出了更高的要求。 现有的一种i^e-Cu-Ni-Mo-C粉末冶金材料属于高强热处理钢，主要由基体铁和合金元素组 成，然而其抗摩擦磨损性能相对较低、高温下容易变形且热处理工艺较复杂，这一定程度上 限制了该类材料的应用。研究证实，颗粒增强金属基复合材料成本低廉、各向同性，能提高材料的弹性模 量、硬度、耐磨性和高温性能。因而，通过向铁基体中添加第二相增强颗粒WC以提高铁 基材料的综合力学性能是一种可行方法。如卡帕特(G. Kaptay)等，于1996年第205 207卷第2部分《非晶性固体杂志》(Journal of Non-Crystalline Solids)上发表的论 文《陶瓷增强非晶态金属基复合材料反应过程的界面现象》(Interface phenomena in processing of ceramic reinforced amorphous metal composites)中石if究了 WC 增强 Fe40Ni40Sil4B6基复合材料中WC颗粒与基体发生的界面反应。他们通过理论计算与试验 都得出!^40Ni40Sil4B6能很好地润湿WC颗粒，从而显著提高该复合材料的抗摩擦磨损性 能。宋延沛等，于2005年第36卷第10期《功能材料》上发表的论文“WC颗粒增强铁基复 合材料的性能研究”中研究了 WC颗粒对!^e-C复合材料力学性能的影响。研究结果表明 WC体积分数在65% 80%的WC/Fe-C复合材料中，WC颗粒以较大的颗粒尺寸(IOOum)和 较高的体积分数(约80%)均勻分布在贝氏体与石墨基体上，高硬度的WC颗粒能有效阻止 磨粒对基体的切削作用，减少基体的塑性变形和相对磨面的转移，从而可以大幅度提高该 复合材料的耐磨性能。同时，因为WC颗粒的存在，使得复合材料表面和内部形成许多微裂 纹，在热裂纹扩展过程中可转移裂纹尖端的部分应力，削弱其应力集中作用，且界面处的位 错强化作用和较高的界面结合强度都倾向于把热应力转移到WC颗粒上去，结果造成了 WC 颗粒的开裂，从而减慢了裂纹的扩展速度、提高了材料的抗冷热疲劳性能。但是该研究中添 加的WC颗粒体积百分数含量过高，不仅浪费了宝贵的钨资源，而且制备成本较高，不利于 大规模生产。吴承建等，于2006年冶金工业出版社出版的《金属材料学》中指出，钨是高速 钢获得热硬性的主要元素，在钢中以颗粒状碳化物的形式出现，淬火加热时大量未溶碳化 物可阻碍奥氏体晶粒长大，改善钢的韧性。通常，钼系高速钢的抗弯强度和冲击韧性高于钨 系，但是钼系钢在热处理时具有脱碳倾向。如果在钼系钢中加入适量的钨可提高其热塑性， 综合力学性能得到提高。虽然有关研究已表明，将高刚度和高强度的颗粒增强体加入到铁 基体中，可以提高其综合力学性能，但由于WC与含铁的粉末在高能球磨条件下，WC容易脱 碳，并且易与铁形成固溶物，从而削弱了 WC颗粒的增强作用，以至至今尚未见有关WC颗粒 增强!^e-Cu-Ni-Mo-C粉末冶金材料的报道。
本发明的目的在于克服现有技术中制备的!^e-Cu-Ni-Mo-C粉末冶金材料的不足 之处，针对添加增强相碳化钨颗粒设计基体材料体系并优化烧结工艺，提供一种碳化钨颗 粒增强的铁基粉末冶金材料及其制备方法，从而使铁基粉末冶金材料具有更优异的高温硬 度、强度及抗蠕变、抗摩擦磨损等综合力学性能。通过如下措施实现本发明。一种碳化钨颗粒增强的铁基粉末冶金材料，它含有铁、铜、镍、钼和碳，其特征在 于它还含有增强相纳米级硬质颗粒碳化钨，按质量百分比计的组分及其含量如下基体材料85. 0 90. 0%，增强相碳化钨10. 0 15. 0% ；所述基体材料为铁、铜、镍、钼和碳的粉末，具体配方按质量百分比计的组分及其 含量为铜1. 4 2. 0 %，镍1. 7 2. 0 %，钼0. 9 1. 2 %，碳0. 7 1. 6 %，余量为铁。一种碳化钨颗粒增强的铁基粉末冶金材料的制备方法，其特征在于该方法包括 如下步骤及其工艺条件步骤一基体材料的成分设计按下述质量百分比计的组分及其含量配比基体材料铜1. 4 2. 0%，镍1. 7 2. 0%，钼0. 9 1. 2%，碳0. 7 1. 6%，余量为铁；步骤二 高能球磨基体材料将步骤一所述的基体材料置于高能球磨机中进行球磨，直至球磨粉末晶粒细化至 纳米级；步骤三混粉将基体材料与增强相按下述质量百分比计的配比混合粉末基体材料85.0 90. 0%，增强相碳化钨10. 0 15. 0%，其余为不可避免的微量杂质；将上述混合粉末置入球磨机中进行球磨，球磨速度为85 lOOr/min，球磨时间为 2 证，直至基体材料与增强相碳化钨颗粒混合均勻；步骤四放电等离子烧结将步骤三混合均勻的粉末装入石墨模具内，采用放电等离子烧结设备烧结，烧结 工艺条件如下烧结电流类型直流脉冲电流烧结压力30 50MPa烧结温度750 1000°C升温速率50 75 °C /min烧结保温时间0 5min烧结真空度彡4Pa经快速烧结即可得到组织细小、均勻的一种碳化钨颗粒增强的铁基粉末冶金材 料。所述铁、铜、镍、钼和碳，均以单质形式加入，其中，铁为纯度> 99. 5 %、粒度45 149 μ m的水雾化铁粉；铜为纯度彡99. 9%、粒度彡75 μ m的电解铜粉；镍为纯度彡99. 8%, 粒度3 5 μ m的羰基镍粉；钼为纯度彡99. 7%、粒度彡75 μ m的还原钼粉；碳为粒度2 3ym的胶体石墨。本发明与现有技术相比，具有以下优点1、本发明以化合物的形式向基体材料体系中加入纳米级硬质颗粒增强相碳化钨， 保留了碳化钨高硬度、高的弹性模量等性质，克服了碳化钨与含铁的粉末在高能球磨条件 下容易脱碳、易与铁形成固溶物的问题，且设计的复合材料在较低的烧结温度下可以烧结 成型致密。2、本发明利用放电等离子烧结成形与快速烧结一体化的方法，制备的纳米级碳化 钨颗粒增强的铁基粉末冶金材料具有组分、粒度分布均勻以及近全致密等特点，可以显著 提高材料的强度、抗摩擦磨损性能，尤其是高温硬度及抗蠕变性能。3、本发明减少了增强相碳化钨的添加量，节约了宝贵的钨资源，所制备的铁基粉 末冶金材料有望以较高的性价比进行产业化生产，工业化生产前景好。4、本发明所制备的铁基粉末冶金材料用途广泛，可用作耐磨材料、刀具材料等，可 减少我国刀具材料生产对钒、铬等贵重金属的进口依赖。
具体实施例方式通过如下实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不仅限于此。实施例1一种碳化钨颗粒增强的铁基粉末冶金材料的制备方法包括如下步骤步骤一基体材料的成分设计将铁、铜、镍、钼和碳的粉末作为基体材料，按下述质量百分比用量进行配比铁94. 4%，铜2. 0%，镍1. 7%，钼1. 2%，碳0. 7%，其余为不可避免的微量杂质；铁、铜、镍、钼和碳均以单质形式加入，其中，铁为水雾化铁粉，纯度≥99. 5%，粒度 45 149 μ m ；铜为电解铜粉，纯度≥99. 9%，粒度≤75 μ m ；镍为羰基镍粉，纯度≥99.8%, 粒度3 5μπι;钼为还原钼粉，纯度≥99. 7%，粒度≤75 μ m;碳为胶体石墨，粒度2 3 μ m0步骤二 高能球磨基体材料将步骤一所述的基体材料置于行星式球磨机中进行高能球磨，其球料比为 10 1，球磨速度为226r/min，并采用高纯氩气作为保护气氛，球磨时间为40h。步骤三混粉将基体材料与增强相按下述质量百分比计配比混合粉末基体材料90. 0%碳化钨10.0%其余为不可避免的微量杂质；碳化钨以化合物的形式加入，纯度≥99. 9%，粒度200 800nm。将上述混合粉末置于球磨机中进行球磨，其球料比为10 1，球磨速度为85r/ min，球磨时间为证。步骤四放电等离子烧结将步骤三混合均勻的20g粉末装入内径为20mm的石墨烧结模具中，在放电等离子 烧结设备中进行烧结，其中烧结压力为50MPa，烧结温度为750°C，升温速率为50°C /min,保温时间5min，真空度为4Pa。快速烧结后获得组织细小、均勻的一种碳化钨颗粒增强的 铁基粉末冶金材料，所得材料室温下的密度为7. 76g/cm3、硬度为45. 7HRC、横向断裂强度为 2335MPa、磨损量为1. 50X 10_3g(对磨件为Φ 10的GCr_15钢球、试验载荷为10N、振幅为 100 μ m、频率为50Hz和加载时间为20min)；经三次500°C保温lh，随炉冷却至室温，其硬度 为 44. 9HRC。实施例2一种碳化钨颗粒增强的铁基粉末冶金材料的制备方法包括如下步骤步骤一基体材料的成分设计将铁、铜、镍、钼和碳的粉末作为基体材料，按下述质量百分比用量进行配比铁94. 3%，铜1. 8%，镍1. 7%，钼1. 2%，碳1. 0%，其余为不可避免的微量杂质；铁、铜、镍、钼和碳均以单质形式加入。其中，铁为水雾化铁粉，纯度>99.5%，粒度 45 149 μ m ；铜为电解铜粉，纯度彡99. 9%，粒度彡75 μ m ；镍为羰基镍粉，纯度彡99.8%, 粒度3 5μπι;钼为还原钼粉，纯度彡99. 7%，粒度彡75 μ m;碳为胶体石墨，粒度2 3 μ m0步骤二 高能球磨基体将步骤一所述的基体材料置于行星式球磨机中进行高能球磨，其球料比为 10 1，球磨速度为226r/min，并采用高纯氩气作为保护气氛，球磨时间为40h。步骤三混粉将基体材料与增强相按下述质量百分比计的组分及其含量配比混合粉末基体材料88.0%碳化钨12.0%其余为不可避免的微量杂质；碳化钨以化合物的形式加入，纯度彡99. 9%，粒度200 800nm。将上述成分配比的混合粉末置于球磨机中进行球磨，其球料比为10 1，球磨速 度为96r/min，球磨时间为池。步骤四放电等离子烧结将步骤三混合均勻的20g粉末装入内径为20mm的石墨烧结模具中，在放电等离子 烧结设备中进行烧结，其中烧结压力为30MPa，烧结温度为1000°C，升温速率为65°C /min, 保温时间2min，真空度为3Pa。快速烧结后获得组织细小、均勻的一种碳化钨颗粒增强的 铁基粉末冶金材料，所得材料室温下的密度为7. 91g/cm3、硬度为45. 9HRC、横向断裂强度为 ^37MPa、磨损量为1. ^XKT3g(对磨件为Φ 10的GCr_15钢球、试验载荷为10N、振幅为 100 μ m、频率为50Hz和加载时间为20min)；经三次500°C保温lh，随炉冷却至室温，其硬度 为 45. 2HRC。实施例3一种碳化钨颗粒增强的铁基粉末冶金材料的制备方法包括如下步骤步骤一基体材料的成分设计将铁、铜、镍、钼和碳的粉末作为基体，按下述质量百分比用量进行配比铁94.6%，铜1.4%，镍2.0%，钼1.0%，碳1. 0%，其余为不可避免的微量杂质；铁、铜、镍、钼和碳均以单质形式加入。其中，铁为水雾化铁粉，纯度>99.5%，粒度45 149 μ m ；铜为电解铜粉，纯度彡99. 9%，粒度彡75 μ m ；镍为羰基镍粉，纯度彡99.8%, 粒度3 5μπι;钼为还原钼粉，纯度彡99. 7%，粒度彡75 μ m;碳为胶体石墨，粒度2 3 μ m0步骤二 高能球磨基体将步骤一所述的基体材料置于行星式球磨机中进行高能球磨，其球料比为 10 1，球磨速度为226r/min，并采用高纯氩气作为保护气氛，球磨时间为40h。步骤三混粉将基体与增强相按下述质量百分比计的组分及其含量配比混合粉末基体材料90.0%碳化钨10.0%其余为不可避免的微量杂质；碳化钨以化合物的形式加入，纯度彡99. 9%，粒度200 800nm。将上述成分配比的混合粉末置于球磨机中进行球磨，其球料比为10 1，球磨速 度为96r/min，球磨时间为池。步骤四放电等离子烧结将步骤三混合均勻的20g粉末装入内径为20mm的石墨烧结模具中，在放电等离子 烧结设备中进行烧结，其中烧结压力为50MPa，烧结温度为850°C，升温速率为75V /min, 保温时间Omin，真空度为3Pa。快速烧结后获得组织细小、均勻的一种碳化钨颗粒增强的 铁基粉末冶金材料，所得材料室温下的密度为8. 09g/cm3、硬度为49. 5HRC、横向断裂强度为 2781MPa、磨损量为0. 84X 10_3g(对磨件为Φ 10的GCr_15钢球、试验载荷为10N、振幅为 100 μ m、频率为50Hz和加载时间为20min)；经三次500°C保温lh，随炉冷却至室温，其硬度 为 48. !3HRC。实施例4一种碳化钨颗粒增强的铁基粉末冶金材料的制备方法包括如下步骤步骤一基体材料的成分设计将铁、铜、镍、钼和碳的粉末作为基体，按下述质量百分比用量进行配比铁93.8%，铜2.0%，镍1.7%，钼0.9%，碳1. 6%，其余为不可避免的微量杂质；铁、铜、镍、钼和碳均以单质形式加入。其中，铁为水雾化铁粉，纯度>99.5%，粒度 45 149 μ m ；铜为电解铜粉，纯度彡99. 9%，粒度彡75 μ m ；镍为羰基镍粉，纯度彡99.8%, 粒度3 5μπι;钼为还原钼粉，纯度彡99. 7%，粒度彡75 μ m;碳为胶体石墨，粒度2 3 μ m0步骤二 高能球磨基体将步骤一所述的基体材料置于行星式球磨机中进行高能球磨，其球料比为 10 1，球磨速度为226r/min，并采用高纯氩气作为保护气氛，球磨时间为40h。步骤三混粉将基体与增强相按下述质量百分比计的组分及其含量配比混合粉末基体材料85.0%碳化钨15.0%其余为不可避免的微量杂质；
碳化钨以化合物的形式加入，纯度彡99. 9%，粒度200 800nm。将上述成分配比的混合粉末置于球磨机中进行球磨，其球料比为10 1，球磨速 度为100r/min，球磨时间为池。步骤四放电等离子烧结将步骤三混合均勻的20g粉末装入内径为20mm的石墨烧结模具中，在放电等离子 烧结设备中进行烧结，其中烧结压力为40MPa，烧结温度为1000°C，升温速率为50°C /min, 保温时间lmin，真空度为lPa。快速烧结后获得组织细小、均勻的一种碳化钨颗粒增强的 铁基粉末冶金材料，所得材料室温下的密度为8. 42g/cm3、硬度为50. 6HRC、横向断裂强度为 ^22MPa、磨损量为1.08X10、(对磨件为Φ 10的GCr_15钢球、试验载荷为10N、振幅为 100 μ m、频率为50Hz和加载时间为20min)；经三次500°C保温lh，随炉冷却至室温，其硬度 为 49. !3HRC。
权利要求
1.一种碳化钨颗粒增强的铁基粉末冶金材料，它含有铁、铜、镍、钼和碳，其特征在于 它还含有增强相纳米级硬质颗粒碳化钨，具体配方按质量百分比计的组分及其含量如下基体材料85. 0 90. 0%，增强相碳化钨10. 0 15. 0% ；所述基体材料为铁、铜、镍、钼和碳的粉末，按质量百分比计的组分及其含量为铜 1. 4 2. 0%，镍1. 7 2. 0%，钼0. 9 1. 2%，碳0. 7 1. 6%，余量为铁。
2.一种碳化钨颗粒增强的铁基粉末冶金材料的制备方法，其特征在于该方法包括如 下步骤及其工艺条件步骤一基体材料的成分设计按下述质量百分比计的组分及其含量配比基体材料铜1. 4 2. 0%，镍1. 7 2. 0%， 钼0.9 1.2%，碳0.7 1.6%，余量为铁； 步骤二 高能球磨基体材料将步骤一所述的基体材料置于高能球磨机中进行球磨，直至球磨粉末晶粒细化至纳米级；步骤三混粉将基体材料与增强相按下述质量百分比计配比混合粉末基体材料85. 0 90. 0%，增 强相碳化钨10. 0 15. 0%，其余为不可避免的微量杂质；将上述混合粉末置于球磨机中进行球磨，球磨速度为85 lOOr/min，球磨时间为2 证，直至基体材料与增强相碳化钨颗粒混合均勻； 步骤四放电等离子烧结将步骤三混合均勻的粉末装入石墨模具内，采用放电等离子烧结设备烧结，烧结工艺 条件如下烧结电流类型直流脉冲电流 烧结压力30 5OMPa 烧结温度750 1000°C 升温速率50 75 °C /min 烧结保温时间0 5min 烧结真空度<4Pa经快速烧结即可得到组织细小、均勻的一种碳化钨颗粒增强的铁基粉末冶金材料。
3.根据权利要求2所述的一种碳化钨颗粒增强的铁基粉末冶金材料的制备方法，其特 征在于所述铁、铜、镍、钼和碳，均以单质形式加入，其中，铁为纯度>99.5%、粒度45 149 μ m的水雾化铁粉；铜为纯度彡99. 9%、粒度彡75 μ m的电解铜粉；镍为纯度彡99. 8%, 粒度3 5 μ m的羰基镍粉；钼为纯度彡99. 7%、粒度彡75 μ m的还原钼粉；碳为粒度2 3ym的胶体石墨。
全文摘要
本发明涉及塑性成形技术和粉末冶金技术，具体是指一种碳化钨颗粒增强的铁基粉末冶金材料及其制备方法。铁基粉末冶金材料具体配方按质量百分比计的组分及其含量如下基体材料85.0～90.0％，增强相碳化钨10.0～15.0％；所述基体材料按质量百分比计的组分及其含量为铜1.4～2.0％，镍1.7～2.0％，钼0.9～1.2％，碳0.7～1.6％，余量为铁。本发明采用放电等离子快速烧结，所得材料具有近全致密、硬度高、室温抗弯强度好和高温力学性能优异等特点，可用作耐磨材料、刀具材料等，可减少我国刀具材料生产对钒、铬等贵重金属的进口依赖。本发明性价比高，工业化生产前景好。
文档编号C22C32/00GK102071360SQ20111000827
公开日2011年5月25日 申请日期2011年1月14日 优先权日2011年1月14日
发明者叶永权, 李元元, 李小强, 赖燕根, 陈志成 申请人:华南理工大学