碳化硅颗粒增强铁基复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种碳化硅颗粒增强铁基复合材料及其制备方法，成分及各成分质量百分含量为：Al1.0~5.8%，Mo3.5~7.5%，Cu1.0~3.5%，Sn0.1~1.6%，Gr10.0~22.6%，Mg2.4~4.8%，SiC1.2~1.6%，Si1.0~1.5%，B0.05~0.15%，余量为Fe。以碳化硅颗粒作为主要硬质相，能与基体良好结合，有效提高材料烧结及淬火后的力学性能，经淬火一回火热处理后,合金的硬度和强度有了较大提高,1250℃烧结的合金经淬灭-回火热处理后硬度和拉伸强度最高可达到45.4HRC和1859MPa。
【专利说明】碳化硅颗粒增强铁基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种碳化硅颗粒增强铁基复合材料及其制备方法，属于粉末冶金材料
【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 铁基粉末冶金材料是采用Fe、石墨、Cu、Ni、Co等合金元素的混合粉经过压制和烧 结制成，是最重要的粉末冶金材料之一。近些年来，随着汽车等行业的迅猛发展，铁基粉 末冶金材料已成为产量最大、应用最广的一类材料。铁基粉末冶金材料的制造技术及其生 产也得到了迅速发展，极大的拓宽了铁基粉末冶金机械零件的应用范围。目前，铁基粉末 冶金材料广泛应用于交通工具，家用电器与电动工具以及办公机械中。
[0003] 我国粉末冶金工业起步晚，研究与应用相对滞后，例如发动机中气门座的制备技 术难度较大，我国这方面的技术还在摸索阶段，材料还以合金铸铁为主，高性能的铁基粉 末冶金气门座主要依赖于进口。随着轿车、卡车的不断更新换代，高马力、强载重等能力的 需要，对发动机、进、排气门座、轮轴等零件的耐热、耐磨以及耐腐烛等性能提出了更高要 求，也给铁基粉末冶金材料提出了很大的挑战。高合金铁基粉末冶金材料因其具有高耐磨 性，耐热性和硬度大等特点，越来越受到研究学者的青睐。
[0004] 基体和硬质颗粒共同决定了硬质相强化型材料的耐磨性能。作为硬质相颗粒可以 是碳化物（1(：、]\1〇 2(：、￥(：、恥(：、1^)、氧化物仏1203)、氮化物（1^)等。]\1〇 2(：、1(：、￥(：可与？6-〇 基体发生反应生成新的碳化物硬质相。热力学稳定的NbC、TiN硬质相在烧结时不会发生反 应，特别适合于制备铁基材料。Al 2O3硬质相属于离子键结合，其外表面电子被束缚而带 电，由于其难以被金属润湿，所以需添加粘结剂进行烧结。金属间化合物因其性质与基体 差别小，且和基体界面的相容性好，也可用作硬质相材料。金属间化合物增强铁基粉末冶 金材料是以含有Cr、Mo、Ni、Co、W、V等合金元素的钢作为基体，并在此基体上添加 Fe-Mo、 Co-Mo-Si、Co-Cr-Mo-Si、Co-Mo、Cr-W等金属间化合物作为硬质相颗粒基体材料、硬质颗粒 类型和烧结度是制备硬质相强化型铁基合金的关键因素。但是当基体和硬质颗粒之间的物 化性质差别过于大的时候，硬质颗粒会剥落；而烧结温度过高，会造成硬质颗粒中的合金 元素向基体中的扩散量增大，导致硬质颗粒减少，还会造成基体硬度、硬质相硬度以及基 体和硬颗粒界面发生变化。例如：当硬质相中含有Mo、W等元素时，高温下会与基体中的 C发生反应生成M6C型碳化物，降低了材料硬度。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种碳化硅复合颗粒增强铁基复合材料及其制备方法，以碳 化硅颗粒作为主要硬质相，能与基体良好结合，有效提高材料烧结及淬火后的力学性能。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术手段为： 碳化硅颗粒增强铁基复合材料，成分及各成分质量百分含量为：Al l.(T5. 8%，Mo 3. 5?7. 5%，Cu L 0?3· 5%，Sn 0· 1 ?L 6%，Gr 10. 0?22· 6%，Mg 2. 4?4. 8%，Si C L 2?L 6%，Si I. (Tl. 5%，B 0· 05?0· 15%，余量为 Fe。
[0007] 碳化硅颗粒增强铁基复合材料，各成分质量百分含量优选为：Al 3. (Γ3. 8%，Mo 5?7%，Cu L 5?2. 5%，Sn 1 ?L 4%，Gr 15. (Γ20. 0%，Mg L 9?3. 6%，Si C L 3?L 5%，Si L 25%， B 0· 12%，余量为 Fe。
[0008] 所述Si C为颗粒状，粒径为1(Γ30 μ m。
[0009] 所述的碳化硅颗粒增强铁基复合材料的制备方法，包括如下步骤： 1) 混料：将Cu、Si和Fe混合作为基体层，其余组分混合作为合金层；将合金层粉末与 基体层粉末按1:2~4的比例混合，最后加入剩余基体层粉末；混料在混料机中进行，转速为 25?50rpm，混料时间为30?80min ; 2) 将步骤1)的混料加入到液压机中压制成型，压制压力为50(T900MPa ; 3) 将步骤2)压制好的试样在烧结炉内进行烧结，预热温度为50(T600°C，烧结温度为 115(Tl320°C，高温下的烧结时间为l(T30min，然后在85(T950°C下保温30?60 min，用水淬 灭，最后在18(T220°C下保温回火1?3h。
[0010] 步骤2)中压制压力为650MPa。
[0011] 步骤3)中预热温度为550°C，烧结温度为1250°C，高温下的烧结时间为20min。
[0012] 步骤3)中保温时间为45 min。
[0013] 步骤3)保温回火温度为200°C,保温回火时间为2h。
[0014] 有益效果：本发明提供一种碳化硅复合颗粒增强铁基复合材料及其制备方法，以 碳化硅颗粒作为主要硬质相，能与基体良好结合，有效提高材料烧结及淬火后的力学性能， 经淬火一回火热处理后，合金的硬度和强度有了较大提高，1250°C烧结的合金经淬灭-回 火热处理后硬度和拉伸强度最高可达到45. 4HRC和1859MPa。
【具体实施方式】
[0015] 实施例中所用Si C为颗粒状，粒径为15 μ m。
[0016] 实施例I 碳化硅颗粒增强铁基复合材料，成分及各成分质量百分含量为：Al 1.0%，M〇 3. 5%，Cu L 0%，Sn 0· 1%，Gr 10. 0%，Mg 2. 4%，Si C L 2%，Si L 0%，B 0· 05%，余量为 Fe。
[0017] 制备方法，包括如下步骤： 1) 混料：将Cu、Si和Fe混合作为基体层，其余组分混合作为合金层；将合金层粉末 与基体层粉末按1:3的比例混合，最后加入剩余基体层粉末；混料在混料机中进行，转速为 40rpm，混料时间为55min ; 2) 将步骤1)的混料加入到液压机中压制成型，压制压力为650MPa ; 3) 将步骤2)压制好的试样在烧结炉内进行烧结，预热温度为550°C，烧结温度为 1250°C，高温下的烧结时间为20min，然后在900°C下保温45min，用水淬灭，最后在200°C下 保温回火2h。
[0018] 实施例2 碳化硅颗粒增强铁基复合材料，成分及各成分质量百分含量为：Al 5. 8%，Mo 7. 5%，Cu 3. 5%，Sn 1. 6%，Gr 22. 6%，Mg 4. 8%，Si C 1. 6%，Si 1. 5%，B 0· 15%，余量为 Fe。
[0019] 制备方法，包括如下步骤： 1) 混料：将Cu、Si和Fe混合作为基体层，其余组分混合作为合金层；将合金层粉末 与基体层粉末按1:3的比例混合，最后加入剩余基体层粉末；混料在混料机中进行，转速为 40rpm，混料时间为55min ; 2) 将步骤1)的混料加入到液压机中压制成型，压制压力为650MPa ; 3) 将步骤2)压制好的试样在烧结炉内进行烧结，预热温度为550°C，烧结温度为 1250°C，高温下的烧结时间为20min，然后在900°C下保温45min，用水淬灭，最后在200°C下 保温回火2h。
[0020] 实施例3 碳化硅颗粒增强铁基复合材料，各成分质量百分含量为：Al 3. 0%，M〇 5%，Cu 1.5%，Sn l%，Gr 15.0%，Mg 1.9%，Si C 1.3%，Si 1.25%，B 0.12%，余量为 Fe。
[0021] 制备方法，包括如下步骤： 1) 混料：将Cu、Si和Fe混合作为基体层，其余组分混合作为合金层；将合金层粉末 与基体层粉末按1:3的比例混合，最后加入剩余基体层粉末；混料在混料机中进行，转速为 40rpm，混料时间为55min ; 2) 将步骤1)的混料加入到液压机中压制成型，压制压力为650MPa ; 3) 将步骤2)压制好的试样在烧结炉内进行烧结，预热温度为550°C，烧结温度为 1250°C，高温下的烧结时间为20min，然后在900°C下保温45min，用水淬灭，最后在200°C下 保温回火2h。
[0022] 实施例4 碳化硅颗粒增强铁基复合材料，各成分质量百分含量为：Al 3. 5%，Mo 6%，Cu 2%，Sn 1. 1%，Gr 18%，Mg 2. 2%，Si C 1. 4%，Si 1. 25%，B 0· 12%，余量为 Fe。
[0023] 制备方法，包括如下步骤： 1) 混料：将Cu、Si和Fe混合作为基体层，其余组分混合作为合金层；将合金层粉末 与基体层粉末按1:3的比例混合，最后加入剩余基体层粉末；混料在混料机中进行，转速为 40rpm，混料时间为55min ; 2) 将步骤1)的混料加入到液压机中压制成型，压制压力为650MPa ; 3) 将步骤2)压制好的试样在烧结炉内进行烧结，预热温度为550°C，烧结温度为 1250°C，高温下的烧结时间为20min，然后在900°C下保温45min，用水淬灭，最后在200°C下 保温回火2h。
[0024] 实施例5 碳化硅颗粒增强铁基复合材料，各成分质量百分含量优选为：Al 3. 8%，Mo 7%，Cu 2. 5%，Sn L 4%，Gr 20. 0%，Mg 3. 6%，Si C L 5%，Si L 25%，B 0· 12%，余量为 Fe。
[0025] 制备方法，包括如下步骤： 1) 混料：将Cu、Si和Fe混合作为基体层，其余组分混合作为合金层；将合金层粉末 与基体层粉末按1:3的比例混合，最后加入剩余基体层粉末；混料在混料机中进行，转速为 40rpm，混料时间为55min ; 2) 将步骤1)的混料加入到液压机中压制成型，压制压力为650MPa ; 3) 将步骤2)压制好的试样在烧结炉内进行烧结，预热温度为550°C，烧结温度为 1250°C，高温下的烧结时间为20min，然后在900°C下保温45min，用水淬灭，最后在200°C下 保温回火2h。
[0026] 对实施例广5的碳化硅颗粒增强铁基复合材料在1250°C烧结，然后经淬灭-回火 热处理后进行硬度和拉伸强度测试，结果见表1所示。
[0027] 表]，
【权利要求】
1. 碳化硅颗粒增强铁基复合材料，其特征在于成分及各成分质量百分含量为：A1 1. 0^5. 8%, Mo 3. 5^7. 5%, Cu 1. 0^3. 5%, Sn 0. Tl. 6%, Gr 10. 0^22. 6%, Mg 2. 4^4. 8%, SiC 1. 2?1. 6%，Si 1. 0?1. 5%，B 0? 05?0? 15%，余量为 Fe。
2. 根据权利要求1所述的碳化硅颗粒增强铁基复合材料，其特征在于各成分质量百分 含量为：A1 3. 0?3. 8%，Mo 5?7%，Cu 1. 5?2. 5%，Sn 1 ?1. 4%，Gr 15. 0?20. 0%，Mg 1. 9?3. 6%， Si C 1.3?1.5%，Si 1.25%，B 0.12%，余量为 Fe。
3. 根据权利要求1所述的碳化硅颗粒增强铁基复合材料，其特征在于：所述SiC为颗 粒状，粒径为l(T30iim。
4. 权利要求1~3中任意一项所述的碳化硅颗粒增强铁基复合材料的制备方法，其特征 在于包括如下步骤： 1) 混料：将Cu、Si和Fe混合作为基体层，其余组分混合作为合金层；将合金层粉末与 基体层粉末按1:2~4的比例混合，最后加入剩余基体层粉末；混料在混料机中进行，转速为 25?50rpm，混料时间为30?80min ; 2) 将步骤1)的混料加入到液压机中压制成型，压制压力为50(T900MPa ; 3) 将步骤2)压制好的试样在烧结炉内进行烧结，预热温度为50(T600°C，烧结温度为 115(Tl320°C，高温下的烧结时间为l(T30min，然后在85(T950°C下保温30?60 min，用水淬 灭，最后在18(T220°C下保温回火1?3h。
5. 根据权利要求4所述的碳化硅颗粒增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于：步 骤2)中压制压力为650MPa。
6. 根据权利要求4所述的碳化硅颗粒增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于：步 骤3)中预热温度为550°C，烧结温度为1250°C，高温下的烧结时间为20min。
7. 根据权利要求4所述的碳化硅颗粒增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于：步 骤3)中保温时间为45 min。
8. 根据权利要求4所述的碳化硅颗粒增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于：步 骤3)保温回火温度为200°C，保温回火时间为2h。
【文档编号】C22C33/02GK104372254SQ201410588351
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】刘莉, 王爽, 刘晓东 申请人:苏州莱特复合材料有限公司