制备铁基表面复合材料的烧结扩散法制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术具有工艺简单、成本低、表面铁基耐磨材料与内部钢材结合紧密的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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专利技术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本专利技术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。该专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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，专利技术了一种 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，本专利技术的示意图见附图1。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的优点在于(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)本专利技术的工艺简单，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。附图说明图1本专利技术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 1本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：Ｃ：０．１～２．５％，Ｐ：０．２～１．０％，Ｃｒ：０～２０％，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℃，保温时间为０．５～３ｈ，真空度为１～５Ｐａ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：熊计，郭智兴，杨梅，熊素建，陈建中，杨天恩，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]