一种铁基粉末冶金零件的制造方法
【专利摘要】一种铁基粉末冶金零件的制造方法，其特征在于步骤：1)设计材料组成；2）混料：其中碳元素采用镀铜石墨粉；3）成型：将上述已混合粉末进行压制，得到生坯；4）预烧结：将生坯在非氧化性气氛中进行预烧结，烧结温度800℃～1090℃，预烧结时间1～120分钟；5）加工：包括复压、机械加工、挤压、表面滚压；6）烧结：在非氧化性气氛中进行二次烧结，烧结温度大于1090℃。本发明采用镀铜石墨粉作为碳源，与传统的复压复烧或二次压烧工艺相比，其优势在于：其一，预烧结坯的硬度可以大幅度降低；其二，烧结较780～850℃预烧的充分，预烧后产品可以进行机械加工，表面滚压等受较大应力的处理。
【专利说明】一种铁基粉末冶金零件的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及粉末冶金领域，尤其是一种铁基粉末冶金零件的制造方法。
【背景技术】
[0002]粉末冶金是生产高强度和形状复杂的齿轮有效的工艺。目前，通过使用高性能的粉末、成型、烧结和特殊的后加工，粉末冶金工艺已经可以生产出密度超过7.4g/cm3的零件。复压复烧技术可以大幅提升产品的密度。采用普通的雾化铁粉经成形和烧结，铁基粉末冶金零件的密度只能达到7.lg/cm3左右。要想进一步提高粉末冶金零件的密度，可以采用成形-预烧结-复压-二次烧结的复压复烧工艺。预烧结有两个作用。其一，对成形时已经加工硬化的粉末进行退火，降低铁粉颗粒的屈服强度，利于二次压制时提高密度。其二，脱出产品中的有机润滑剂。有机润滑剂由于密度较低，在产品中占据较大的空间，成形时这些润滑剂难以压缩，密度的提高受到限制。而预烧时95%以上的润滑剂都能够脱出，复压时润滑剂占据的位置就可以压缩，利于提高密度。
[0003]碳是铁基粉末冶金材料的重要合金元素。一般的零件都不可避免地含有0.3%以上的碳。在铁基粉末冶金中，碳基本以石墨的形态在混料时加入。由铁粉与石墨粉的混合粉制成的结构零件，其材料的强度同样随着含碳量增加而增高。由铁粉与石墨粉的混合粉成形的压坯，在烧结时，石墨中的碳扩散到铁中，形成奥氏体(碳在高温形态铁中的固溶体)压还烧结后冷却到室温时，奥氏体发生相变，化合碳含量为0.80%时,形成珠光体(铁素体与渗碳体的共晶混合物);化合碳含量低于0.80%(即亚共析钢)时，形成铁素体与珠光体的混合物；化合碳含量高于0.80%(即过共析钢)时，形成珠光体与渗碳体的混合物。
[0004]为了避免或减缓碳的扩散，保留更多的铁素体，一般预烧结温度通常为780?850°C左右，随着预烧结温度的提升，碳的扩散增加，珠光体等组织比例显著增加。随着珠光体含量增加，复压的压力增加，同时模具损耗也增加。
[0005]但是，由于预烧结温度太低，烧结坯的强度不高，在封闭模腔中进行复压一般没有大的问题，但现在产品的要求越来越高，例如要求产品的密度大于7.4g/cm3，齿轮(链轮)齿面表面致密化。例如高碳产品的表面致密化时难以进行，采用预烧结的方式，由于强度不足，在滚压时整个齿部完全脱落，难以实现致密化。
[0006]因此，为了得到硬度较低有较高延伸率的材料，一般仅加入少量的石墨作为合金元素(碳低于0.3%)，产品主要通过渗碳热处理来进行增碳，由于产品密度提高，渗碳时间太长，强度难以达到要求。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题是提供一种在预烧结后具有较高的烧结强度，同时具有较低硬度的铁基粉末冶金零件的制造方法。
[0008]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种铁基粉末冶金零件的制造方法，其特征在于包括以下步骤:
[0009]I)设计材料组成:根据需要进行设计，除铁外，还至少包含有铜和碳两种合金元素，碳含量0.1?1.2wt%,铜含量0.1?5.0wt% ；
[0010]2)混料:其中碳元素采用镀铜石墨粉；
[0011]3)成型:将设计好的模具安装到粉末冶金成型压机上，并将上述已混合粉末进行压制，得到生坯；
[0012]4)预烧结:将成型的生坯在非氧化性气氛中进行预烧结，烧结温度800°C?1090°C，预烧结时间I?120分钟；
[0013]5)加工；
[0014]6)烧结:在非氧化性气氛中进行二次烧结，烧结温度大于1090°C，烧结时间5?90分钟。
[0015]作为优选，所述镀铜石墨粉的化学成分为:碳:铜=20?60%:40?80%，其中有不超过2%的不可避免的杂质，上述百分比为质量百分比。
[0016]作为优选，所述镀铜石墨粉的松装密度为2.0?6.0g/cm3,所述镀铜石墨粉的粒度为-100目到-5000目。
[0017]优选，所述步骤4)预烧结的烧结温度为950?1080°C，时间20?120分钟，烧结炉为网带炉、推杆炉、钟罩炉或真空炉。
[0018]优选，所述步骤4)和步骤6)的非氧化性气氛为氮基气氛或真空。
[0019]优选,所述非氧化性气氛为含氢10vol%的氮氢气氛。
[0020]最后，所述加工还包括机械加工之前的复压、和机械加工之后的挤压、表面滚压。[0021 ] 所述材料组成还包含有(λ 2?L 3wt%的钥或者0.1?5wt%铬。
[0022]与现有技术相比，本发明的优点在于:采用镀铜石墨粉作为碳源，与传统的复压复烧或二次压烧工艺相比，其优势在于:其一，预烧结坯的硬度可以大幅度降低；其二，烧结较780?850°C预烧的充分；另外产品可以进行机械加工，表面滚压等受较大应力的加工处理。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为镀铜石墨粉的照片；
[0024]图2为实施例1预烧结后的金相组织；
[0025]图3为实施例1烧结后的金相组织；
[0026]图4为实施例2预烧结后的金相组织；
[0027]图5为实施例2烧结后的金相组织；
[0028]图6为实施例3预烧结后的金相组织；
[0029]图7为实施例3烧结后的金相组织；
[0030]图8为实施例4预烧结后的金相组织；
[0031]图9为实施例4烧结后的金相组织；
[0032]图10为实施例5预烧结后的金相组织；
[0033]图11为实施例5烧结后的金相组织；
[0034]图12为零件表面的孔隙图鉴图；
[0035]图13为零件表面的孔隙图鉴图。
【具体实施方式】
[0036]以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0037]实施例1
[0038]I)设计材料组成:材料为MFIF FC0200，碳为0.3%，铜为1.6%，2%以下的不可避免的其他成分，余为铁，质量百分百。
[0039]2)混料，其中石墨采用含石墨为50%铜为50%的镀铜石墨粉，比例为0.6%，雾化纯铁粉为97.7%，电解铜粉:1.3%，润滑剂0.4% ;质量百分百。
[0040]3)成型:将设计好的模具安装到粉末冶金成型压机上，并将上述已混合粉末进行压制，得到生坯；
[0041]4)预烧结:将成型生坯在含氢10vol%的氮氢气氛中进行预烧结，烧结温度10500C，预烧结时间30钟；
[0042]5)烧结:烧结温度1120°C，烧结时间45分钟，气氛为含氢10vol%的氮氢气氛；
[0043]预烧结后硬度为HRB25?32，珠光体含量为0%，见图2。烧结后珠光体含量为20%，硬度为HRB38?42，金相组织见图3。
[0044]实施例2
[0045]I)设计材料组成:材料为MFIF FC0205，碳为0.6%，铜为1.6%，2%以下的不可避免的其他成分，余为铁，质量百分百。
[0046]2)混料，其中石墨采用含石墨为50%铜为50%的镀铜石墨粉，比例为1.2%，雾化铁粉为97.4%，电解铜粉:1.0%，润滑剂0.4% ;质量百分百。
[0047]3)成型:将设计好的模具安装到粉末冶金成型压机上，并将上述已混合粉末进行压制，得到生坯；
[0048]4)预烧结:将成型生坯在含氢10vol%的氮氢气氛中进行预烧结，烧结温度1040°C，预烧结时间30钟；
[0049]5)烧结:烧结温度大于1120°C，烧结时间60分钟，气氛为含氢10vol%的氮氢气氛；
[0050]预烧结后硬度为HRB43?50，珠光体含量为35%，金相组织见图4。烧结后珠光体含量为75%，硬度为HRB55?61，金相组织见图5。
[0051]实施例3
[0052]I)设计材料组成:碳为0.6%，铜为1.6%，钥为0.35%，2%以下的不可避免的其他成分，余为铁，质量百分百。
[0053]2)混料，其中石墨采用含石墨为50%铜为50%的镀铜石墨粉，比例为1.2%，含钥
0.85%的铁钥合金粉为40%，雾化铁粉为57.4%，电解铜粉:1.0%，润滑剂0.4% ;质量百分百。
[0054]3)成型:将设计好的模具安装到粉末冶金成型压机上，并将上述已混合粉末进行压制，得到生坯；
[0055]4)预烧结:将成型生坯在含氢10vol%的氮氢气氛中进行预烧结，烧结温度10600C，预烧结时间30钟；
[0056]5)烧结:烧结温度大于1120°C,烧结时间25分钟,气氛为含氢10vol%的氮氢气氛；
[0057]预烧结后硬度为HRB41?50，上贝氏体25%，铁素体75%，金相组织见图6。烧结后硬度为HRB65?68，上贝氏体50%，珠光体25%，铁素体25%，金相组织见图7。
[0058]实施例4
[0059]I)设计材料组成:碳为0.25%，铜为0.2%，铬为1.5%，2%以下的不可避免的其他成分，余为铁，质量百分百。
[0060]2)混料，其中石墨采用含石墨为50%铜为50%的镀铜石墨粉，比例为0.5%，含铬
1.5%铁铬合金粉为99.1%，润滑剂0.4% ;质量百分百。
[0061]3)成型:将设计好的模具安装到粉末冶金成型压机上，并将上述已混合粉末进行压制，得到生坯；
[0062]4)预烧结:将成型生坯在含氢10vol%的氮氢气氛中进行预烧结，烧结温度10600C，预烧结时间30钟；
[0063]5)烧结:烧结温度大于1120°C，烧结时间60分钟，气氛为含氢10vol%的氮氢气氛；
[0064]预烧结后硬度为HRB18?20，金相组织见图8。烧结后硬度为HRB53，金相组织见图9。
[0065]实施例5
[0066]I)设计材料组成:碳为0.65%，铜为0.65%，铬为1.5%，2%以下的不可避免的其他成分，余为铁，质量百分百。
[0067]2)混料，其中石墨采用含石墨为50%铜为50%的镀铜石墨粉，比例为1.3%，含铬
1.5%铁铬合金粉为98.3%，润滑剂0.4% ;质量百分百。
[0068]3)成型:将设计好的模具安装到粉末冶金成型压机上，并将上述已混合粉末进行压制，得到生坯；
[0069]4)预烧结:将成型生坯在含氢10vol%的氮氢气氛中进行预烧结，烧结温度10600C，预烧结时间30钟；
[0070]5)表面滚压:将零件放在表面滚压机上进行滚压。
[0071]6)烧结:烧结温度大于1120°C，烧结时间45分钟，气氛为含氢10vol%的氮氢气氛；
[0072]7)金相检测:预烧结后硬度为HRB70，金相组织见图10 ;烧结后硬度为HRB82，金相组织见图11。
[0073]零件表面的孔隙图鉴图12 ；
[0074]实施例6
[0075]I)设计材料组成:碳为0.65%，铜为0.65%，铬为1.5%，2%以下的不可避免的其他成分，余为铁，质量百分百。
[0076]2)混料，其中石墨采用石墨粉，比例为0.65%，铜为电解铜粉，比例为0.65%，含铬
1.5%铁铬合金粉为98.3%，润滑剂0.4% ;质量百分百。
[0077]3)成型:将设计好的模具安装到粉末冶金成型压机上，并将上述已混合粉末进行压制，得到生坯；
[0078]4)预烧结:将成型生坯在含氢10vol%的氮氢气氛中进行预烧结，烧结温度10600C，预烧结时间30钟；
[0079]5)表面滚压:将零件放在表面滚压机上进行滚压。
[0080]6)烧结:烧结温度大于1120°C，烧结时间45分钟，气氛为含氢10vol%的氮氢气氛；
[0081]7)金相检测:零件表面的孔隙图鉴图13。
[0082]由图12和图13对比可以看出，采用铜包覆石墨粉，在滚压后，可以有效减少孔隙的数量，同时表面致密层的厚度更深。
【权利要求】
1.一种铁基粉末冶金零件的制造方法，其特征在于包括以下步骤: .1)设计材料组成:根据需要进行设计，除铁外，还至少包含有铜和碳两种合金元素，碳含量0.1?1.2wt%,铜含量0.1?5.0wt% ； . 2)混料:其中碳元素采用镀铜石墨粉； .3)成型:将设计好的模具安装到粉末冶金成型压机上，并将上述已混合粉末进行压制，得到生坯； . 4)预烧结:将成型的生坯在非氧化性气氛中进行预烧结，烧结温度800°C?1090°C，预烧结时间1?120分钟； . 5)加工； . 6)烧结:在非氧化性气氛中进行二次烧结，烧结温度大于1090°C，烧结时间5?90分钟。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于:所述镀铜石墨粉的化学成分为:碳:铜=20?60%:40?80%，其中有不超过2%的不可避免的杂质，上述百分比为质量百分比。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于:所述镀铜石墨粉的松装密度为.2.0?6.0g/cm3，所述镀铜石墨粉的粒度为-100目到-5000目。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于:所述步骤4)预烧结的烧结温度为.950?1080°C，时间20?120分钟，烧结炉为网带炉、推杆炉、钟罩炉或真空炉。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于:所述步骤4)和步骤6)的非氧化性气氛为氮基气氛或真空。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于:所述非氧化性气氛为含氢10vol%的氮氢气氛。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于:所述加工包括机械加工，挤压成形，整形，复压，表面滚压致密化。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于:所述材料组成还包含有0.2?.1.3wt%的钥或者0.1?5wt%铬。
【文档编号】B22F3/16GK104368816SQ201310353629
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年8月14日 优先权日:2013年8月14日
【发明者】包崇玺, 王劲松 申请人:东睦新材料集团股份有限公司