專利名稱：制備高強(qiáng)度粉末冶金材料的燒結(jié)碳、銅復(fù)合滲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及粉末冶金材料和機(jī)械零件的制備方法，特別是涉及一種制備高強(qiáng)度粉末冶金 材料的燒結(jié)碳、銅復(fù)合滲方法。
技術(shù)背景粉末冶金(P/M)是制備新材料和機(jī)械零件的重要工程技術(shù)，它是以金屬或部分非金屬粉 末為原料，以混料，成型和燒結(jié)三道工序來(lái)制備P/M材料。以此技術(shù)可以制造出用鑄造、鍛 造和機(jī)械加工等方法不能得到的制品，如飛機(jī)制動(dòng)裝置的鐵基摩擦片、金屬粉末過(guò)濾器、硬 質(zhì)合金、耐熱合金和磁性材料等。粉末冶金零件在計(jì)算機(jī)、電器產(chǎn)品和機(jī)械設(shè)備上有很大的 用量。國(guó)外每臺(tái)轎車粉末冶金材料的用量已經(jīng)超過(guò)12公斤。某些零件采用粉末冶金材料后 可以實(shí)現(xiàn)以鐵取代銅，以鐵取代鋼，降低產(chǎn)品成本。例如，汽車上用的襯套、減速器外殼等 零件原來(lái)是青銅材料，改成粉末冶金鐵基材料后，每個(gè)零件節(jié)約2-3公斤銅，成本降低近十 倍，而且其耐熱性、抗壓強(qiáng)度、耐磨性有很大提高。在汽車行業(yè)用燒結(jié)粉末冶金材料代替?zhèn)?統(tǒng)的合金鑄鐵是必然趨勢(shì)。粉末冶金制品只需少量、甚至不需要切削加工就可以使用，它具有材料利用率高、節(jié) 能、成本低和價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前粉末冶金技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)中得到了比較廣泛的應(yīng) 用。對(duì)于常規(guī)P/M零件制造方法來(lái)說(shuō)，至少需要經(jīng)過(guò)配料，成形和燒結(jié)三個(gè)基本步驟才能獲 得P/M材料制品，其中的"配料"是把需要的各種金屬粉末均勻混合到一起；"成型"是把 混合后的粉末壓制成和零件形狀基本相同的壓坯；"燒結(jié)"是將壓坯在低于其主要組成成分 的熔點(diǎn)溫度以下進(jìn)行高溫加熱，使壓坯發(fā)生冶金變化，變成可用的P/M材料。用常規(guī)方法生 產(chǎn)的P/M材料通常含有大量孔隙，造成強(qiáng)度降低，從而影響P/M材料的應(yīng)用范圍。有很大一 部分P/M材料的使用條件要求制品具有高強(qiáng)度、高密度和高適應(yīng)性等特點(diǎn)。單純依靠燒結(jié)很 難使P/M零件具有理想的密度。鐵基粉末冶金材料占實(shí)際應(yīng)用粉末冶金材料的90%以上。由 于P/M燒結(jié)材料的密度和原始?jí)号髅芏扔忻芮新?lián)系(高密度壓坯能燒結(jié)出高密度零件)。因 此，通過(guò)提高壓坯密度來(lái)獲得高密度壓坯的途徑一直受到粉末冶金行業(yè)的高度重視。由此已 經(jīng)出現(xiàn)了壓坯溫壓成形技術(shù)(粉末在熱狀態(tài)塑性好，回彈小從而使溫壓成形壓坯具有較高的 密度，加熱介質(zhì)是電或油)。壓坯溫壓成形技術(shù)是對(duì)己經(jīng)裝填在模腔內(nèi)的粉末進(jìn)行加熱，加 熱溫度一般為15(T200度，粉末的加熱是通過(guò)被加熱模具的熱傳導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種溫度成形 設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加熱速度慢，生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高。目前沒(méi)有被廣泛采用。實(shí)際生產(chǎn) 中有時(shí)采用增加復(fù)壓和復(fù)燒工序來(lái)提高P/M材料密度。這兩道工序雖然能提高材料的密度， 但是工藝步驟復(fù)雜，同時(shí)也使生產(chǎn)成本增加了 15-25%。高強(qiáng)度鐵基粉末冶金零件需要進(jìn)行滲碳處理，不管是氣體還是固體滲碳，傳統(tǒng)的滲碳步 驟都是在燒結(jié)后進(jìn)行的。有些零件需要在燒結(jié)后進(jìn)行浸銅處理。滲碳和浸銅都是在燒結(jié)后分 步驟進(jìn)行的。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于為了克服現(xiàn)有粉末冶金材料常規(guī)制備方法存在的不足，提供一種簡(jiǎn) 單、實(shí)用、有效的制備高強(qiáng)度粉末冶金材料的燒結(jié)碳、銅復(fù)合滲方法。該方法是一種針對(duì)粉 末冶金材料的碳、銅復(fù)合滲新工藝，它是在材料燒結(jié)時(shí)同時(shí)實(shí)施滲碳和滲銅的一種復(fù)合滲工 藝，適合制備高強(qiáng)度、高密度和高適應(yīng)性粉末冶金材料。由于復(fù)合滲時(shí)共有三個(gè)現(xiàn)象發(fā)生， 即材料燒結(jié)、滲碳和滲銅，因此可以稱其為燒結(jié)復(fù)合滲工藝。該工藝包括燒結(jié)、滲碳和滲銅三種功能。其中的滲碳是固體滲碳，碳源來(lái)自工業(yè)固體滲 碳劑；其中的銅源來(lái)自覆蓋在材料壓坯上的銅粉或銅片。它與傳統(tǒng)方法的區(qū)別是燒結(jié)時(shí)滲碳 和滲銅是同時(shí)在燒結(jié)爐中完成的。在傳統(tǒng)方法中燒結(jié)和滲碳是分別進(jìn)行的；滲碳工序是在燒 結(jié)后進(jìn)行的，而滲銅是最后進(jìn)行的。一種制備高強(qiáng)度粉末冶金材料的燒結(jié)碳、銅復(fù)合滲方法，其具體步驟是1) 配料按材料成分要求把各種鐵粉、碳粉、鉬粉和銅粉等元素按比例配好；2) 混料把配制好的粉末在混料機(jī)上充分混合，達(dá)到成分均勻；3) 制坯將混合后的粉末裝入模具，壓制成壓坯；4) 燒結(jié)滲碳和滲銅a) 先把壓坯放置在鋪有固體滲碳劑的鐵盒內(nèi)，在材料周圍添加滲碳劑，最后把由銅粉壓 制成的壓坯片放到每個(gè)預(yù)燒結(jié)件上，鐵盒可以用蓋封，亦可不用蓋(如圖2所示)；b) 把裝好的鐵盒放置在有保護(hù)氣氛的爐中進(jìn)行加熱，加熱溫度約1100C，時(shí)間廣3小時(shí)，同是完成燒結(jié)滲碳和滲銅。所說(shuō)的加熱爐內(nèi)的保護(hù)氣氛是由分解氨產(chǎn)生的氮?dú)夂蜌錃?，它們的比例是l: 3,滲碳劑應(yīng)能分解出活性碳，它的成分是10y。木炭+90。/。BaC03。 所說(shuō)的滲銅重量與待滲材料的重量比是5%~14%。經(jīng)燒結(jié)滲碳和滲銅的材料有足夠的碳含量和銅元素。其金相組織包括珠光體、滲碳體、 合金化合物和銅元素。經(jīng)測(cè)定其碳成分在0.9wt。/。以上，遠(yuǎn)高于原始含碳量。特別值得提出 的是在原材料中不加碳的情況下也能達(dá)到0.9wt。/。以上的高碳成分。這說(shuō)明燒結(jié)件中的碳元 素是滲進(jìn)來(lái)的。燒結(jié)件中的含碳量最高可以達(dá)到1.5wty。以上，完全能滿足材料要求。組織 中的滲碳體是滲碳產(chǎn)物。組織中的銅是銅片熔化后直接滲入的。滲入的銅在燒結(jié)材料內(nèi)部均 勻分布。經(jīng)燒結(jié)滲碳和滲銅的材料的硬度可以達(dá)到30HRC。大部分燒結(jié)滲碳和滲銅件是需要 熱處理的，即淬火和回火。淬火加熱溫度是78(T900C，保溫10分鐘或更長(zhǎng)些，淬火硬度能 達(dá)到55HRC;回火溫度是15(T500C保溫1小時(shí)，硬度降到45服C左右。此時(shí)材料的壓潰強(qiáng) 度能達(dá)到800MPa.本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及效果1 、比單一燒結(jié)材料密度提高0. 3 0. 6克/立方厘米或更高；鐵基材料的密度能達(dá)到7. 6 克/立方厘米。在等同壓坯密度情況下燒結(jié)滲碳和滲銅可以獲得高密度材料。這意味著允許 少用了壓制力。由此可以減少模具磨損，提高生產(chǎn)效率。其機(jī)理不同于單獨(dú)滲碳和滲銅，滲碳和滲銅作用可以比常規(guī)工藝的燒結(jié)溫度降低50 80度，減少能源消耗。2、 在現(xiàn)有加工方法中固體滲碳、燒結(jié)和滲銅工序是單獨(dú)進(jìn)行的，共需要三步，每一歩都需要對(duì)材料進(jìn)行一次加熱。把固體滲碳、燒結(jié)和滲銅工序合并成一個(gè)歩驟，只需要一次加 熱就夠了。比常規(guī)工藝減少工序和節(jié)約了能源。簡(jiǎn)化現(xiàn)有加工方法步驟，提高生產(chǎn)效率。3、 配合淬火和回火，材料達(dá)到高強(qiáng)度。4、 新方法中包括燒結(jié)、滲碳和滲銅，它們?nèi)呦嗷プ饔?，致密化機(jī)理與傳統(tǒng)理論不同， 是邊燒結(jié)、邊滲碳和邊滲銅。在壓坯不含碳的情況下也能獲得高含碳、高銅燒結(jié)材料。試驗(yàn) 表明用新方法對(duì)不含碳?jí)号鬟M(jìn)行燒結(jié)滲碳和滲銅，燒結(jié)材料的含碳量達(dá)到0. 9wt%~l. 5wt%。 使用不加碳?jí)号鳛樵級(jí)号魇切路椒ǖ囊粋€(gè)特色。


圖1燒結(jié)滲碳和滲銅材料淬火+回火后組織，其中的白色組織是滲入材料內(nèi)部的銅；黑 色組織是滲碳體和鐵素體組織。滲碳體的化學(xué)式是Fe:,C，它的形成說(shuō)明碳滲入到材料內(nèi)部。 放大倍數(shù)500x。圖2試樣在鋪有固體滲碳劑的鐵盒滲碳箱內(nèi)的放置位置。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖所示實(shí)施例進(jìn)一步所說(shuō)本發(fā)明的具體內(nèi)容。 加工零件名稱發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣和排氣氣門座圈。這里介紹用新方法制備粉末冶金氣門座圈。它們是發(fā)動(dòng)機(jī)中的零件，在高溫下承受進(jìn)氣 閥和排氣閥高頻率的往復(fù)沖擊磨損，是保持發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸密封性與氣缸向缸蓋散熱的關(guān)鍵性配 合件，因此要求具有耐磨、耐熱、耐蝕性能，又要求導(dǎo)熱性良好和不傷對(duì)偶。而座圈的磨損 量一般比氣閥的磨損量大，尤以排氣氣門座圈的工況更為惡劣。多年來(lái)，缸蓋一直是由灰鑄鐵制造的。但是，近年來(lái)，由于高功率發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪增壓發(fā) 動(dòng)機(jī)、液化石油氣發(fā)動(dòng)機(jī)、無(wú)鉛汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，以及可使用多種燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用， 座圈部分必須用特種材料制造的鑲?cè)?lái)補(bǔ)強(qiáng)，這種鑲?cè)褪峭ǔＫ^的氣門座圈。另一方面， 為減輕缸蓋重量，增強(qiáng)導(dǎo)熱性，改用鋁合金缸蓋者日益增多。鋁合金缸蓋必須鑲裝氣門座圈。 40多年前,大量的轎車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)就已經(jīng)采用鋁合金缸蓋了。同期開始研究與開發(fā)粉末冶金 閥座圈?，F(xiàn)在,美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家生產(chǎn)的內(nèi)燃機(jī)都已在使用特制的粉末冶金閥座圈。 進(jìn)入90年代以后，我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展，粉末冶金氣門座圈合金的研制與生產(chǎn)，成為我國(guó)粉 末冶金零件生產(chǎn)企業(yè)的一個(gè)熱門課題。采用燒結(jié)粉末冶金氣門座圈代替?zhèn)鹘y(tǒng)的合金鑄鐵氣門 座圈已是必然趨勢(shì)。用新方法制備發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣和排氣氣門座圈二種零件。具體歩驟如下1)確定材料配方。 選定的成分如表1所示。表1進(jìn)氣和排氣閥座材料成分配方(wt%)cCrMnMoCoNiCuFe排氣0~0.60.4~0.80.4~0.80.4-0.80.1~0.80.2~1.00.4~1.2余量進(jìn)氣0~0.60.1~0.40.1~0.40.1~0.40.1~0.80.2 1.0余量2) 混料。把按表1配制粉末材料在混料機(jī)里把它們進(jìn)行均勻混合，混料時(shí)間廣3小時(shí)或以上。3) 壓制鐵基壓坯。把混好的料按常規(guī)粉末冶金方法在模具里壓制成型，獲得鐵基壓坯，壓制力為400MPa 左右。壓坯重量為30克。4) 壓制銅壓坯(銅片)。按粉末冶金壓坯正常工藝把純銅粉末壓制成銅片，銅片的重量為鐵基壓坯重量的5 14%， 這里用的是3克。銅片厚lmra，其截面尺寸和鐵基壓坯截面相同。5) 燒結(jié)滲碳和滲銅。先把鐵基壓坯放置在鋪有滲碳劑的鐵盒內(nèi)，把銅片放在每個(gè)鐵基壓坯上，在材料周圍添 加滲碳劑，材料上面可以覆蓋滲碳劑，材料被滲碳劑包圍，參閱圖2所示。把裝好的鐵盒放 置在有保護(hù)氣氛的粉末冶金燒結(jié)爐中進(jìn)行加熱，實(shí)施燒結(jié)滲碳和滲銅。加熱溫度是1150C左 右，時(shí)間是廣3小時(shí)。加熱爐內(nèi)的保護(hù)氣氛是分解氨產(chǎn)生的氮?dú)夂蜌錃?。滲碳劑的成分是-10wt。/。木炭+90wt。/6BaCO36) 整形。按粉末冶金常規(guī)方法對(duì)燒結(jié)件整形。其目的是消除燒結(jié)材料的變形。7) 淬火。把零件從盒中取出，對(duì)它們進(jìn)行淬火、回火處理。淬火溫度是78(T900C (淬火介質(zhì)為 油)，保溫0.5 1小時(shí)?；鼗饻囟仁?5(T500C保溫1小時(shí)。8) 機(jī)械加工至要求尺寸。用以上方法制備的柴油機(jī)氣門座圈，已通過(guò)二汽東風(fēng)朝陽(yáng)柴油機(jī)有限公司的600小時(shí)高 負(fù)荷臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，符合使用要求。產(chǎn)品性能列于表2表2氣門座圈性能硬度 (HRC)密 氣 g/W壓潰強(qiáng)度 MPa熱膨脹系數(shù) X 10—7K熱傳導(dǎo)率 W/mK進(jìn)氣閥作40-50382012.637. 5排氣閥座40-50381012. 538
權(quán)利要求
1、一種制備高強(qiáng)度粉末冶金材料的燒結(jié)碳、銅復(fù)合滲方法，其特征在于具體步驟是1)配料按材料成分要求把各種鐵粉、碳粉、鉬粉和銅粉等元素按比例配好；2)混料把配制好的粉末在混料機(jī)上充分混合，達(dá)到成分均勻；3)制坯將混合后的粉末裝入模具，壓制成壓坯；4)燒結(jié)滲碳和滲銅a)先把壓坯放置在鋪有固體滲碳劑的鐵盒內(nèi)，在材料周圍添加滲碳劑，最后把由銅粉壓制成的壓坯片放到每個(gè)預(yù)燒結(jié)件上，鐵盒不需要蓋；b)把裝好的鐵盒放置在有保護(hù)氣氛的爐中進(jìn)行加熱，加熱溫度約1100C，時(shí)間1~3小時(shí)，同時(shí)完成燒結(jié)滲碳和滲銅。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備高強(qiáng)度粉末冶金材料的燒結(jié)碳、銅復(fù)合滲方法，其特征在于所說(shuō)的加熱爐內(nèi)的保護(hù)氣氛是由分解氨產(chǎn)生的氮?dú)夂蜌錃?，它們的比例是l: 3，滲碳劑應(yīng)能分解出活性碳，它的成分是10y。木炭+9Cr/。BaC03。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備高強(qiáng)度粉末冶金材料的燒結(jié)碳、銅復(fù)合滲方法，其特征 在于所說(shuō)的滲銅重量與待滲材料的重量比是5% 14%。
全文摘要
發(fā)明涉及一種制備高強(qiáng)度粉末冶金材料的燒結(jié)碳、銅復(fù)合滲方法。它是由混料、壓制、燒結(jié)滲碳、滲銅和淬火、回火步驟組成。其顯著特點(diǎn)是把燒結(jié)滲碳和滲銅合成一步，變成一道工序。由此而降低燒結(jié)溫度，減少生產(chǎn)成本。其中的不含碳?jí)号鳛樽罱K獲得高性能材料奠定了基礎(chǔ)。燒結(jié)滲碳和滲銅方法的復(fù)合有利于獲得高性能粉末冶金材料。在成分配方合理的情況下，可以制備多種高密度和高強(qiáng)度零件。
文檔編號(hào)C22C1/05GK101245420SQ20081005023
公開日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2008年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月9日
發(fā)明者劉雙宇, 劉玉華, 王紅穎, 胡建東, 董鮮峰, 賀小龍, 郭作興 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)