高硬度耐磨损粉末冶金滚套制备方法

专利名称：：高硬度耐磨损粉末冶金滚套制备方法
技术领域：
：本发明涉及一种高硬度耐磨损粉末冶金滚套制备方法，也可以应用到轴套领域。
背景技术：
：滚套或轴套广泛应用压縮机、泵、机床、电动工具、汽车等领域，其要求高强度、高硬度、高耐磨性。滚套或轴套可以采用铸造的合金制得，但合金元素含有镍、钼等贵重金属元素，参见中国发明专利ZL200410090214.9，公开了一种《铁基自润滑耐磨合金》(授权公告号CN1276116C)，该专利制得的合金材料具有高耐磨性能可用于制备滚套或轴套，但原料中含量镍、钼和钨等贵重金属，并通过熔炼、铸造方法生产，其成本居高不下，严重影响了其市场竞争了。也有采用低合金铁基粉末冶金材料，该材料一般也都含有大量的钼、钒、钨、铬、钴和镍等合金元素，合金元素总量大于10%，属于高合金钢。由于国际需求旺盛，近年来钼、鸽和镍等金属价格飞涨，不管是传统的铸造还是低合金铁基粉末冶金材料均直接导致原材料成本上升。为了解决原材料成本问题，有必要开发低成本的低合金材料。又粉末冶金零件是多孔零件，孔隙的存在降低了材料的宏观硬度和强度，所以一般粉末冶金滚套或轴套的性能难以达到压缩机、泵、机床、电动工具、汽车等的使用要求。开放低成本、高性能的粉末冶金材料，并将其应用到滚套或类似部件的轴套上，关键要降低材料中钼、钨、镍等贵重金属的用量，而且还需要提供合适的工艺要求以解决粉末冶金零件多孔问题。
发明内容本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种低成本、高硬度耐磨损粉末冶金滚套制备方法。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为该一种高硬度耐磨损粉末冶金滚套制备方法，其特征在于采用粉末冶金工艺制造，具体依次包括如下步骤①混粉，将铁粉、碳粉、铬粉或铬铁合金粉、及润滑剂混合，并保证铁、碳、铬的总组分中百分重量含量碳为0.3~2%，铬为0.5~4%,润滑剂0.1~2%，不超过2%的不可避免杂质，余量为铁；②成形，成形后密度大于6.8g/cm、③烧结，温度为1000-1350°C，时间为至少20分钟；机加工，对难以通过模具成形部分，采用机加工方式进行处理；⑤淬火，温度为800~950°C，时间为10-120分钟；冷处理，淬火后24小时内进行；⑦回火，温度17030(TC，时间为24小时。作为优选，步骤①中，铁粉、碳粉、络粉的总组分中百分含量碳为0.6%，铬为1.8%，润滑剂0.6%，不超过2%的不可避免杂质，余量为铁。作为优选，步骤①中，所述的铁粉采用雾化铁粉，该雾化铁粉中碳含量小于0.02%，氧含量小于0.2%，压縮性在490.3MPa下大于6.9g/cm3。所述的碳粉采用碳含量大于99%的石墨粉或碳黑，且该石墨粉或碳黑灰分小于1%，至少90%的颗粒直径小于4微米。所述的润滑剂采用硬脂酸盐或蜡。作为优选，步骤③中，所述的烧结的温度为U50135(TC。作为优选，步骤⑥中，所述的冷处理采用温度低于零下6(TC的工业冰箱，冷却时间20300分钟，或液氮环境中，冷却时间5120分钟。与现有技术相比，本发明的优点在于主要以铁、碳和铬组成，不含贵重金属元素镍、钼、钨等，成本低廉；抗拉强度、硬度、显微硬度等机械性能与铸造工艺所得产品还要优越，而热扩散系数和导热系数均比铸造工艺所得产品来的低。本发明所得产品热膨胀系数与尺寸稳定性都复合应用要求，本发明所得产品金相结构中还具有HVo.cn超过2100的析出型碳化物，本发明也可以应用于高硬度良好耐磨性的轴套上。。图1为滚套的剖面结构示意图。图2为未经冷处理的金相组织显微照片。图3为经过冷处理的金相组织显微照片。图4为铸造工艺滚套边缘的金相组织显微照片。图5为铸造工艺滚套心部的金相组织显微照片。图6为实施例滚套边缘的金相组织显微照片。图7为实施例滚套心部的金相组织显微照片。图8为实施例滚套进一步放大的金相组织显微照片。图9为铸造工艺滚套的热膨胀系数(12.8472*10—6)坐标图。图10为实施例滚套的热膨胀系数(12.2497*10-6)坐标图。具体实施例方式以下结合附图实施例对本发明作进一歩详细描述。实施例本实施例中的高硬度耐磨损粉末冶金滚套制备方法，采用粉末冶金工艺制造，具体依次包括如下步骤-①混粉，将铁粉、碳粉、铬粉或铬铁合金粉、及润滑剂混合，并保证铁、碳、铬的总组分中百分重量含量碳为0.3-2%,铬为0.5~4%，润滑剂0.1~2%，不超过2%的不可避免杂质，余量为铁；②成形，成形后密度大于6.8g/cm3;③烧结，温度为1000-1350°C,优选为U50135(TC，时间为至少20分钟；机加工，对难以通过模具成形部分100(如图1中所示)，如安装槽等，采用机加工方式进行处理，机加工可以为车、铣、磨削、钻、镗等；淬火，温度为800~950°C,时间为10120分钟；⑥冷处理，淬火后24小时内进行；⑦回火，回火保温时间与产品的厚度有关，温度17030(TC，时间为24小时。其中，本实施例的步骤①中，铁、碳、铬的总组分中百分含量碳为0.6%，络为1.8%，润滑剂0.6%，不超过2%的不可避免杂质，余量为铁。铁粉采用雾化铁粉，该雾化铁粉中碳含量小于0.02%，氧含量小于0.2%，压缩性在490.3MPa下大于6.9g/cm3，碳粉采用碳含量大于99%的石墨粉或碳黑，且该石墨粉或碳黑灰分小于1%,至少90%的颗粒直径小于4微米，所述的润滑剂采用硬脂酸盐或蜡。步骤(D中，冷处理采用温度低于零下6(TC的工业冰箱，冷却时间20300分钟，或液氮环境中，冷却时间5~420分钟。混粉可以在双锥混料机内进行，混合时间为6090分钟。步骤②中，成形采用普通压机。压坯密度对产品的热处理及烧结硬度有很大的影响。密度为6.8g/cm3的压坯，烧结后硬度仅为HRB50，而7.1g/cm3的压坯则为HRB73。热处理后7.1gcm3的压坯的压坯高达HRC50，6.8g/cm3的仅为HRC43。成形密度为6.77.3g/cm3。密度大于7.1g/cm3的滚套的成形需要温压或其他方式压制。在本实施例中压制为普通粉末成形压力机，成形密度为7.07.1gcm3,成形的压力为630MPa。步骤③中，烧结可以采用真空炉、网带炉、推杆炉或其他烧结炉。烧结气氛可以为真空、氮基气氛、氢气等，但是不能使用吸热性气氛或放热性气氛。烧结时将产品放在网带或垫板上就可以了。烧结温度直接关系到粉末冶金产品的内在质量。热处理硬度、烧结密度与烧结温度影响不大，几乎在同样水平。烧结温度对热处理硬度影响不大主要由于最终产品的碳含量和密度相差不大。烧结温度对性能影响最大的参数主要是抗拉强度和材料的冲击韧性(冲击功)。随着烧结温度的增加抗拉强度和冲击功都显著增加。1000115(TC常温烧结时冲击功为5.9J，11501350。C高温烧结时增加到12J，增加了103%，抗拉强度常温烧结5时为455MPa，而高温烧结则为619MPa，增加了36°/。。烧结温度的提高对抗拉强度和冲击韧性的改善主要由于在高温下原子的扩散加强，促进了烧结过程，形成更多更大的烧结颈。高温烧结是提高强度得一项重要措施。通过高温烧结，可以使一部分氧化物还原，提高原子的扩散速率，增加成分均匀性，可以使孔隙充分球化，孔隙间距更大。常温烧结的温度为10001150°C，最佳112(TC，烧结时间为至少20分钟。本实施例采用高温烧结，高温烧结的温度为1150~1350°C，最佳1250°C，烧结时间为至少20分钟。步骤⑤中，淬火加热在渗碳气氛中进行，碳势为0.42.0%。淬火后的硬度大于HRC45。本发明试制密度为7.07.1g/cm3的零件淬火温度为820°C，保温时间为20分钟。淬火温度及保温时间与滚套的密度和壁厚有关。密度较高则保温时间较长，淬火温度较高。步骤⑥中，冷处理的保温时间与零件的壁厚相关，较厚的零件保温时间较长。冷处理是高尺寸稳定性零件必须要求的工序。经一60"C以下低温冷处理后硬度有所上升，约增加HRCl-2，外径尺寸变大。这主要由于在一般碳含量较高的钢材中淬火后或多或少都有一定量的残余奥氏体。残余奥氏体的存在对产品有如下影响第一，残余奥氏体是不稳定的相，在一定条件下会分解，影响产品尺寸稳定性。第二，残余奥氏体硬度较低，会影响产品的硬度及耐磨性。冷处理后残余奥氏体明显减少，图3中白色的组织为残余奥氏体，而图4中这种白色组织明显大幅减少。冷处理对滚套性能的影响工艺硬度热处理外径变化情况淬火一回火HRC5卜52+0.39%淬火一冷处理一回火HRC53~54+0.45%淬火一回火一冷处理HRC52~53+0.51%本实施例中的组分配比及制备方法也可以应用于高硬度良好耐磨性的轴套上。在实际生成过程中，本申请人还作了如下对比试验碳含量对滚套性能的影响Cr含量，wt"5/。配入C含量，wt%烧结硬度热处理硬度烧结密度(g/cm3)1.0HRB88HRC466.830.8HRB79HRC516.990.6HRB73HRC507.07从上表可以看出，对于(^含量为0.54%的滚套，在烧结后硬度随碳含量增加而降6低，碳由1%降到0.6%时，烧结硬度由HRB88降到HRB73。但是热处理态的硬度并没有出现这种规律，高碳含量的滚套硬度还较低碳含量的低，例如碳含量为1.0%的滚套硬度为HRC46，而碳含量为0.6。/。的硬度却是HRC50。这主要由以下几方面原因造成的第一、热处理时三种碳含量的产品放到一起进行淬火，碳势相同。因此，烧结态的碳含量对最终表面的碳含量影响不大，因此表面硬度与先前的碳含量没有太大的关系。第二、成形时由于石墨的密度较低，在压坯中占较大的空间，因此石墨含量高的产品，在同样成形压力下压坯密度更低，直接导致烧结密度偏低，这一点已为表1所证实。第三、宏观硬度不仅与碳含量相关，还于产品的密度相关。对于碳含量相同的粉末冶金产品密度越高则宏观硬度越高。铬含量增加，产品的硬度和强度以及冲击韧性都会增力B。Cr含量由0.5%增加至2%，抗拉强度由558MPa增加到619MPa，增加了10.9%,冲击韧性由9J增加到12J，增加了33%，热处理后的硬度则由HRC36增加到HRC40。本实施例与铸造滚套性能比较，两种滚套的化学成分(wt。/。):成分总碳硅锰磷硫镍铬钼铸造3.2~3.51.8-2.50.5~1.00.2-0.30.15max0.2~0.40.5~1.00,15~0.40本实施例0.3~2.00.5~4.0祷造的合金元素含有Ni、Mo等贵重元素，而开发本实施例无贵合金元素可以降低一定的生产成本。机械性能比较:项目铸造的材料标准本实施例冲击功(J)热处理前—20热处理后—4抗拉强度(MPa)热处理前大于300大于500热处理后—大于1000硬度热处理前HRB95HRB>65热处理后HRC44~48HRC45~60密度(g/cm3)热处理后7.2大于7.1从上表可以看出，粉末冶金工艺生产的滚套在性能方面基本达到铸造的性能。显微硬度比较显微硬度HVai铸造728,752，749，654,699,752，770,860,637，761,741，730本实施例765，860,795，785，710，753，702，772，805，758,691，832从上表可以看出，粉末冶金开发的本实施例滚套硬度比较稳定，完全达到铸造工艺现有产品的水平。7铸造与本实施例生产的滚套的金相比较参考图4和图5所示，铸造滚套的金相主要为回火马氏体、碳化物、游离石墨和残余奥氏体。参考图6和图7所示，本实施例的产品的组织主要为回火马氏体、少许残余奥氏体和碳化物。粉末冶金工艺开发的产品的碳化物为粒状碳化物，通过测试显微硬度，发现HV0.01超过2100，这是析出型的碳化物(见图8)。而在铸造产品中没有发现这种碳化物。热物理性能比较:<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>'上表为铸造钢与本实施例的产品的热物理性能。从表中可以看出，本实施例的热扩散系数和导热系数均较铸造钢低，在IO(TC时铸造钢的热扩散系数为9.794mm2/S，而本实施例为8.634mm2/S，降低U6mm2/S;导热系数铸造钢为34.732W/(m*k),本实施例为29.965W/(m*k)，降低4.767W/(m*k)。比热容则较为复杂，30'C时本实施例略高，IO(TC和18(TC时本实施例的略低。本实施例的热扩散系数和导热系数略低，主要因为本实施例中含有一定的孔隙。孔隙里大部分为气体或者液体(如淬火冷却介质)，都是热的不良导体，而铸造钢则含有大量的石墨，为热的良导体。这是铸造与烧结工艺生产的产品热物理性能存在差异的重要原因。热膨胀系数比较20200'C间热膨胀系数见图9和图10。其中，图9的铸造产品测试样品长度为25.14mm，升温速率为3k/mm,支架系统为石英，标准样品为石英，图10中本实施例测试样品，长度为24.16mm，升温速率为3k/mm，支架系统为石英，标准样品为石英。由图可以看出，铸造钢与本实施例的热膨胀系数差别不大，本实施例约小4.65%。尺寸稳定性，经冷处理后，按照尺寸稳定性的测试要求，本实施例滚套冷处理尺寸变化情况测试结果如下<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>尺寸变化完全达到铸造钢的水平。权利要求1、一种高硬度耐磨损粉末冶金滚套制备方法，其特征在于采用粉末冶金工艺制造，具体依次包括如下步骤①混粉，将铁粉、碳粉、铬粉或铬铁合金粉、及润滑剂混合，并保证铁、碳、铬的总组分中百分重量含量碳为0.3～2％，铬为0.5～4％，润滑剂0.1～2％，不超过2％的不可避免杂质，余量为铁；②成形，成形后密度大于6.8g/cm3；③烧结，温度为1000～1350℃，时间为至少20分钟；④机加工，对难以通过模具成形部分，采用机加工方式进行处理；⑤淬火，温度为800～950℃，时间为10～120分钟；⑥冷处理，淬火后24小时内进行；⑦回火，温度170～300℃，时间为2～4小时。2、根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于步骤①中，铁粉、碳粉、铬粉的总组分中百分含量碳为0.6%，络为1.8%，润滑剂0.6%，不超过2%的不可避免杂质，余量为铁。3、根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于步骤①中，所述的铁粉采用雾化铁粉，该雾化铁粉中碳含量小于0.02%，氧含量小于0.2%，压縮性在490.3MPa下大于6.9g/cm3。4、根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于步骤①中，所述的碳粉采用碳含量大于99%的石墨粉或碳黑，且该石墨粉或碳黑灰分小于1%，至少90%的颗粒直径小于4微米。5、根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于步骤①中，所述的润滑剂采用硬脂酸盐或蜡。6、根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于步骤③中，所述的烧结的温度为1150~1350°C。7、根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于步骤⑥中，所述的冷处理采用温度低于零下60'C的工业冰箱，冷却时间20300分钟，或液氮环境中，冷却时间5~120分钟。全文摘要一种高硬度耐磨损粉末冶金滚套制备方法，其特征在于采用粉末冶金工艺制造，具体依次包括如下步骤①混粉，将铁粉、碳粉、铬粉或铬铁合金粉、及润滑剂混合，并保证铁、碳、铬的总组分中百分重量含量碳为0.3～2％，铬为0.3～4％，不超过2％的不可避免杂质，余量为铁；②成形，成形后密度大于6.8g/cm³；③烧结④机加工⑤淬火⑥冷处理⑦回火。与现有技术相比，本发明的优点在于主要以铁、碳和铬组成，不含贵重金属元素镍、钼、钨等，成本低廉；抗拉强度、硬度、显微硬度等机械性能比铸造工艺所得产品还要优越，而热扩散系数和导热系数均比铸造工艺所得产品来的低。文档编号B22F5/10GK101486098SQ200810059198公开日2009年7月22日申请日期2008年1月17日优先权日2008年1月17日发明者包崇玺,毛增光,舒正平申请人:东睦新材料集团股份有限公司