轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料及制备方法与应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料及制备方法与应用。本发明通过先获得30CrNi4Mo合金钢粉末，然后向合金钢粉末中加入TiC颗粒，同时保证TiC颗粒均匀弥散分布在合金钢粉末之中，使TiC颗粒与30CrNi4Mo基体牢固结合，得到轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料。该复合材料的相对密度达97.6％以上，绝对密度低至6.83g/cm3，抗拉强度超过1000MPa；耐磨损性能在高速高载下较铸锻致密的30CrNi4Mo合金钢提高了10倍以上，因此，可用于制作结构件和/或耐磨损零件。本发明较好地实现了钢基复合材料的轻量化，为钢基复合材料的轻质高强度应用提供了新的配方和途径。
【专利说明】轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料及制备方法与应用
【技术领域】
[0001]本发明属于粉末冶金技术，特别涉及一种轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料及制备方法与应用。
【背景技术】
[0002]颗粒增强钢铁基复合材料是二十世纪五十年开始发展起来的一类金属基复合材料，主要是为了发展一类具有高的比强度和比模量、耐高温、耐磨损的复合材料。
[0003]目前颗粒增强钢铁基复合材料的研究中，基体材料主要有不锈钢、工具钢和高速钢，增强颗粒主要有金属碳化物、金属氮化物、金属氧化物和金属间化合物等。E.Pagounisand V.K.Lindroos利用热等静压技术制备了各种颗粒增强的不锈钢、工具钢复合材料，结果发现增强颗粒的加入能极大提高复合材料的耐磨损性能，但增强颗粒的加入恶化了复合材料的强度，各种不同成分复合材料的强度均低于700MPa(Materials Science andEngineering A, 1998，226:221-234)。钢铁材料密度较高，低密度增强颗粒的加入可明显降低复合材料的密度而实现复合材料的轻质化，达到材料轻量化的应用目标。因此，在提高材料的耐磨损性能和降低材料密度的同时最大限度的保证复合材料的强度，是一个值得进一步研究的问题。关于使用30CrNi4Mo合金钢作为基体的粉末冶金复合材料未见报道。
【发明内容】
[0004]本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料的制备方法。
[0005]本发明的另一目的在于提供通过上述制备方法得到的轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料。
[0006]本发明的再一目的在于提供所述轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料的应用。
[0007]本发明的目的通过下述技术方案实现:
[0008]一种轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料的制备方法，包括如下步骤:首先获得30CrNi4Mo合金钢粉末，然后向30CrNi4Mo合金钢粉末中加入TiC颗粒，TiC颗粒的终浓度为20vol%?30vol%，同时保证TiC颗粒均匀弥散分布在30CrNi4Mo合金钢粉末之中，使TiC颗粒与30CrNi4Mo基体牢固结合，得到轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料；
[0009]所述的30CrNi4Mo合金钢粉末的粒度为10?100 μ m ;更优选为40 μ m ;
[0010]所述的30CrNi4Mo合金钢粉末的组分和按质量百分比计的组成如下:C0.33%,Crl.32%,Ni3.3%,Mo0.31%,Mn0.32%,S1.25%，其余为铁和不可避免的微量杂质；
[0011]所述的TiC颗粒优选为平均粒度为3 μ m、纯度彡99.5%的TiC颗粒；
[0012]所述轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料的制备方法，优选包含如下步骤:
[0013](I)制粉:使用水雾化法制备30CrNi4Mo合金钢粉末；
[0014](2)配料:将30CrNi4Mo合金钢粉末与TiC颗粒按以下体积百分比用量进行配比:30CrNi4Mo70% ?80%, TiC20% ?30% ；
[0015](3)混合:将步骤⑵配比好的30CrNi4Mo合金钢粉末与TiC颗粒混合均匀；
[0016](4)球磨:将步骤⑶混合均匀的混合粉末进行球磨，球磨在惰性气体环境下进行；
[0017](5)热压烧结:将球磨后的复合粉末装入热压模具中，置于真空热压炉内进行热压烧结，得到轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料；
[0018]步骤(3)中所述的混合均匀优选为通过在V型混料机上干混至少2小时实现；
[0019]步骤(4)中所述的球磨优选为使用行星球磨机上实现；
[0020]所述的球磨的条件优选如下:球磨介质为直径8?1mm的不锈钢球,球料按质量比为8:1，球磨机转速226转/分；
[0021]所述的球磨的时间优选为至少20小时；
[0022]步骤(4)中所述的惰性气体优选为氩气；
[0023]步骤(5)中所述的热压烧结的参数如下:烧结压力为50MPa，烧结温度为1100°C，从烧结开始到200°C的升温速率为5°C /min，200°C?1100°C的升温速率为10°C /min，保温时间为Ih ；
[0024]一种轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料，通过上述制备方法得到；
[0025]所述的轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料具有如下特点:相对密度达97.6%以上，绝对密度低至6.83g/cm3，抗拉强度超过lOOOMPa，耐磨损性能也有极大地提高，特别是在高速高载下，轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料的耐磨损性能较铸锻致密的30CrNi4Mo合金钢提高了 10倍以上；
[0026]所述的高速指的是滑动速度为0.98m/s ；
[0027]所述的高载指的是载荷为400N ；
[0028]所述的轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料可用作各种结构件，减轻构件重量，以及各种耐磨损零件，如轴承、齿轮等。
[0029]本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
[0030](I)本发明采用高能球磨的方法，解决了 TiC颗粒与30CrNi4Mo密度相差较大，难以分布均匀的问题，使TiC颗粒均匀镶嵌在30CrNi4Mo合金钢基体之中，使得增强颗粒和基体结合得更紧密，具有良好的成形性；
[0031](2)本发明采用一次热压烧结，实现压制、烧结一体化，缩短了成形流程，节约了成本；
[0032](3)本发明选用价格便宜的TiC颗粒作为增强相，可降低材料的成本，且TiC颗粒密度较低，实现了钢基复合材料的轻质化。
【具体实施方式】
[0033]下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0034]实施例1
[0035](I)制粉:采用水雾化法(按“黄培云.粉末冶金原理[M].北京:冶金工业出版社，2008:106-107.”制备)制备30CrNi4Mo合金钢粉末，其平均粒度(通过Mastersizer2000激光粒度分析仪测量)为40μπι。30CrNi4Mo合金钢粉末组分及其质量百分比(通过紫外光谱仪测量)含量如下:C0.33%,Crl.32%,Ni3.3%,Mo0.31%,Mn0.32%,S1.25%，其余为铁和不可避免的微量杂质。
[0036](2)配料:将30CrNi4Mo合金钢粉末与TiC颗粒按以下体积百分比用量进行配比:30CrNi4Mo70%，TiC30%。TiC 平均粒度为 3 μ m，纯度彡 99.5%。
[0037](3)混合:按上述配比备料后，在V型混料机上至少干混2小时。
[0038](4)球磨:将上述混合粉末在行星球磨机上球磨20小时,球磨介质为直径8?1mm的不锈钢球,球料比8:1 (质量)，球磨机转速226r/min,使用気气作保护气体。
[0039](5)热压烧结:将108g上述复合粉末放入Φ 70mm石墨模具中，置于真空热压烧结炉内进行热压烧结，烧结参数为:烧结压力为50MPa，烧结温度为1100°C (室温到200°C的升温速率为5°C /min，200°C?1100°C的升温速率为10°C /min)，保温时间为lh，得到轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料。
[0040]获得的复合材料相对密度(相对密度=绝对密度/理论密度，按“黄培云.粉末冶金原理[M].北京:冶金工业出版社，2008:371-373.”测量)达97.6%，基体组织由细小的珠光体、铁素体及少量残余奥氏体组成，绝对密度(按“黄培云.粉末冶金原理[M].北京:冶金工业出版社，2008:371-373.”测量)仅为6.83g/cm3，抗拉强度(通过CMT505拉伸试验机测量，执行标准为GB/T228-2002)为1087MPa，屈服强度(通过CMT505拉伸试验机测量，执行标准为GB/T228-2002)为1063MPa，其硬度(通过TH320全洛氏硬度计测量，执行标准为GB3773-1993)为53HRC，耐磨性较铸锻致密的30CrNi4Mo合金钢材料(市售)有极大地提升，在400N载荷下滑动摩擦30min，复合材料的磨损量仅为30CrNi4Mo合金钢材料的1/16。
[0041]实施例2
[0042](I)制粉:同实施例1步骤(I)，得到30CrNi4Mo合金钢粉末。
[0043](2)配料:将30CrNi4Mo合金钢粉末与TiC颗粒按以下体积百分比用量进行配比:30CrNi4Mo78%，TiC22%。TiC 平均粒度为 3 μ m，纯度彡 99.5%。
[0044](3)混合:按上述配比备料后，在V型混料机上至少干混2小时。
[0045](4)球磨:将上述混合粉末在行星球磨机上球磨20小时,球磨介质为直径8?1mm的不锈钢球,球料比8:1 (质量)，球磨机转速226r/min,使用気气作保护气体。
[0046](5)热压烧结:将Illg上述复合粉末放入Φ70mm石墨模具中，置于真空热压烧结炉内进行热压烧结，烧结参数为:烧结压力为50MPa，烧结温度为1100°C (室温到200°C的升温速率为5°C /min，200°C?1100°C的升温速率为10°C /min)，保温时间为lh，得到轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料。
[0047]获得的复合材料相对密度达98.2%，基体组织由细小的珠光体、铁素体及少量残余奥氏体组成，绝对密度仅为7.07/cm3，抗拉强度为1095MPa，屈服强度为1072MPa，其硬度为48HRC，耐磨性较铸锻致密的30CrNi4Mo合金钢材料有极大地提升，在400N载荷下滑动摩擦30min，复合材料的磨损量仅为30CrNi4Mo合金钢材料的1/12。
[0048]实施例3
[0049](I)制粉:同实施例1步骤(I)，得到30CrNi4Mo合金钢粉末。
[0050](2)配料:将30CrNi4Mo合金钢粉末与TiC颗粒按以下体积百分比用量进行配比:30CrNi4Mo80%，TiC20%。TiC 平均粒度为 3 μ m，纯度彡 99.5%。
[0051](3)混合:按上述配比备料后，在V型混料机上至少干混2小时。
[0052](4)球磨:将上述混合粉末在行星球磨机上球磨20小时,球磨介质为直径8?1mm的不锈钢球,球料比8:1 (质量)，球磨机转速226r/min,使用気气作保护气体。
[0053](5)热压烧结:将112g上述复合粉末放入Φ 70mm石墨模具中，置于真空热压烧结炉内进行热压烧结，烧结参数为:烧结压力为50MPa，烧结温度为1100°C (室温到200°C的升温速率为5°C /min，200°C?1100°C的升温速率为10°C /min)，保温时间为lh，得到轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料。
[0054]获得的复合材料相对密度达98.3%，基体组织由细小的珠光体、铁素体及少量残余奥氏体组成，绝对密度仅为7.14g/cm3，抗拉强度为1098MPa，屈服强度为1075MPa，其硬度为46HRC，耐磨性较铸锻致密的30CrNi4Mo合金钢材料有极大地提升，在400N载荷下滑动摩擦30min，复合材料的磨损量仅为30CrNi4Mo合金钢材料的1/10。
[0055]对比例I
[0056](I)制粉:同实施例1步骤(I)，得到30CrNi4Mo合金钢粉末。
[0057](2)配料:将30CrNi4Mo合金钢粉末与TiC颗粒按以下体积百分比用量进行配比:30CrNi4Mo70%，TiC30%。TiC 平均粒度为 3 μ m，纯度彡 99.5%。
[0058](3)混合:按上述配比备料后，在V型混料机上至少干混2小时。
[0059](4)热压烧结:将112g上述复合粉末放入Φ 70mm石墨模具中，置于真空热压烧结炉内进行热压烧结，烧结参数为:烧结压力为50MPa，烧结温度为1100°C (室温到200°C的升温速率为5°C /min，200°C?1100°C的升温速率为10°C /min)，保温时间为lh，得到复合材料。
[0060]获得的复合材料相对密度仅为91.2%，基体组织由细小的珠光体、铁素体及少量残余奥氏体组成，绝对密度仅为6.38g/cm3,抗拉强度为706MPa，屈服强度为683MPa，其硬度为52HRC，耐磨性较铸锻致密的30CrNi4Mo合金钢材料提升不多，在400N载荷下滑动摩擦30min,复合材料的磨损量为30CrNi4Mo合金钢材料的1/4。由于TiC颗粒与钢基体的结合较差，造成所获得的复合材料性能不理想。
[0061]对比例2
[0062](I)制粉:同实施例1步骤(I)，得到30CrNi4Mo合金钢粉末。
[0063](2)配料:将30CrNi4Mo合金钢粉末与TiC颗粒按以下体积百分比用量进行配比:30CrNi4Mo60%，TiC40%。TiC 平均粒度为 3 μ m，纯度彡 99.5%。
[0064](3)混合:按上述配比备料后，在V型混料机上至少干混2小时。
[0065](4)球磨:将上述混合粉末在行星球磨机上球磨20小时，球磨介质为直径8?1mm的不锈钢球,球料比8:1 (质量)，球磨机转速226r/min,使用気气作保护气体。
[0066](5)热压烧结:将103g上述复合粉末放入Φ 70mm石墨模具中，置于真空热压烧结炉内进行热压烧结，烧结参数为:烧结压力为50MPa，烧结温度为1100°C (室温到200°C的升温速率为5°C /min，200°C?1100°C的升温速率为10°C /min)，保温时间为lh，得到复合材料。
[0067]获得的复合材料相对密度仅为94.2%，基体组织由细小的珠光体、铁素体及少量残余奥氏体组成，绝对密度仅为6.29g/cm3,抗拉强度为653MPa，屈服强度为627MPa，其硬度为61HRC，耐磨性较铸锻致密的30CrNi4Mo合金钢材料提升较多，在400N载荷下滑动摩擦30min，复合材料的磨损量为30CrNi4Mo合金钢材料的1/13。但由于TiC颗粒含量过高，极大降低了复合材料相对密度，对复合材料的力学性能恶化较大，不符合高强度要求。
[0068]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤:首先获得30CrNi4Mo合金钢粉末，然后向30CrNi4Mo合金钢粉末中加入TiC颗粒，TiC颗粒的终浓度为20vol %?30vol %，同时保证TiC颗粒均匀弥散分布在30CrNi4Mo合金钢粉末之中，使TiC颗粒与30CrNi4Mo基体牢固结合，得到轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料。
2.根据权利要求1所述轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料的制备方法，其特征在于:所述的30CrNi4Mo合金钢粉末的粒度为10?100 μ m ; 所述的TiC颗粒是平均粒度为3 μ m、纯度彡99.5%的TiC颗粒。
3.根据权利要求1所述轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料的制备方法，其特征在于:所述的30CrNi4Mo合金钢粉末的组分和按质量百分比计的组成如下:C0.33%,Crl.32%,Ni3.3%,Mo0.31%,Mn0.32%,S1.25%，其余为铁和不可避免的微量杂质。
4.根据权利要求1?3任一项所述轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料的制备方法，其特征在于包含如下步骤: (1)制粉:使用水雾化法制备30CrNi4Mo合金钢粉末； (2)配料:将30CrNi4Mo合金钢粉末与TiC颗粒按以下体积百分比用量进行配比:30CrNi4Mo70%?80%, TiC20%?30% ； (3)混合:将步骤(2)配比好的30CrNi4Mo合金钢粉末与TiC颗粒混合均匀； (4)球磨:将步骤(3)混合均匀的混合粉末进行球磨，球磨在惰性气体环境下进行； (5)热压烧结:将球磨后的复合粉末装入热压模具中，置于真空热压炉内进行热压烧结，得到轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料。
5.根据权利要求4所述轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料的制备方法，其特征在于:步骤(3)中所述的混合均匀为通过在V型混料机上干混至少2小时实现；步骤(4)中所述的惰性气体为氩气。
6.根据权利要求4所述轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料的制备方法，其特征在于:步骤(4)中所述的球磨为使用行星球磨机上实现； 所述的球磨的条件如下:球磨介质为直径8?1mm的不锈钢球,球料按质量比为8:1,球磨机转速226转/分； 所述的球磨的时间为至少20小时。
7.根据权利要求5所述轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料的制备方法，其特征在于:步骤(5)中所述的加压烧结的参数如下:烧结压力为50MPa，烧结温度为1100°C，从烧结开始到200°C的升温速率为5°C /min，200°C?1100°C的升温速率为10°C /min，保温时间为lh。
8.一种轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料，通过权利要求1?7任一项所述的制备方法得到。
9.根据权利要求8所述的轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料，其特征在于:所述的轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料具有如下特点:相对密度达97.6%以上，绝对密度低至6.83g/cm3，抗拉强度超过100MPa ;耐磨损性能在0.98m/s滑动速度、400N载荷条件下，较铸锻致密的30CrNi4Mo合金钢提高了 10倍以上。
10.权利要求8和9所述的轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料的应用，其特征在于:所述的轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料用于制作结构件和/或耐磨损零件。
【文档编号】C22C38/50GK104233041SQ201410387218
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】肖志瑜, 付文超, 陈露, 张文, 温利平 申请人:华南理工大学