本发明涉及一种粉末冶金材料，尤其涉及一种新型碳化物颗粒增强铁基粉末冶金材料。
背景技术：
颗粒增强铁基粉末冶金材料能将增强体的高强度、高硬度、耐磨性和基体的韧性结合起来，适合在服役条件差（如使用温度高、润滑性差等）的环境中使用，是一种比较理想的、发展潜力很大的新材料。在这类材料中，往往添加一些强的碳化物形成元素，如铬、钼、钒、钨等，从而在材料组织中形成大量碳化物强化颗粒，有利于提高材料的力学性能和耐磨性，但同时也会使材料的压制性能和烧结性能变差，致密化困难，从而使材料性能下降。熔渗工艺可以有效提高材料的密度和性能。
采用烧结和退火工艺可以制备具有高强度、高硬度的碳化物颗粒强化铁基粉末冶金材料， 用于大功率发动机新型顶置凸轮轴结构中与凸轮直接接触的间隙调整片。
技术实现要素：
本发明的目的是为了改善铁基粉末冶金材料的力学性能和耐磨性，设计了一种采用碳化物颗粒增强铁基粉末冶金材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
碳化物颗粒增强铁基粉末冶金材料的制备原料包括：Fe-40%V（质量分数，下同）、Fe-60%Mo和Fe-57%Cr合金粉，其添加量分别为5%，18%，8%，其粒径均小于75μm。此外，还添加了1.5%的石墨粉，其粒径小于75μm，其余为雾化铁粉，其粒径小于50μm。以0.5%硬脂酸锌作为润滑剂。
碳化物颗粒增强铁基粉末冶金材料的制备步骤为：进行滚动球磨混合，然后压制成尺寸为30mmX12mmX6mm和55mmX12mmX12mm的试样，压制压力为300-500MPa。然后采用真空烧结，烧结温度为1150℃，1180℃，1210℃，1240℃，1270℃，1300℃，保温时间为1-2h。将1270℃真空烧结后的材料在1200℃高温退火，保温时间为6h。用阿基米德排水法测试样的密度；采用D/MAX-RA型X射线衍射仪（XRD）进行物相分析；采用F1-M3型光学显微镜和Sirion200型场发射扫描电镜（SEM）观察显微组织，腐蚀液为硝酸溶液；采用A-200型硬度计测材料的表观硬度；采用LJ-3000A型机械试验机测力学性能，抗弯强度试样尺寸为30mmX12mmX6mm，冲击韧度试样尺寸为55mmX12mmX12mm。
本发明的有益效果是：
随着烧结温度的提高，碳化物由块状M6C碳化物向针状M2C碳化物转变；材料的相对密度和硬度先升后降，硬度在1270℃时达到最大，抗弯强度和冲击韧度在1240℃时最高；在晶界上呈半连续网状分布的针状碳化物脆性大，降低了材料的力学性能。高温退火能有效消除晶界上半连续网状分布的针状碳化物，使其分解、球化，从而显著提高材料的性能；其中密度略有提高，硬度、抗弯强度和冲击韧度分别提高了11.8%，20.8%和72.7%。
具体实施方式
实施案例1：
碳化物颗粒增强铁基粉末冶金材料的制备原料包括：Fe-40%V（质量分数，下同）、Fe-60%Mo和Fe-57%Cr合金粉，其添加量分别为5%，18%，8%，其粒径均小于75μm。此外，还添加了1.5%的石墨粉，其粒径小于75μm，其余为雾化铁粉，其粒径小于50μm。以0.5%硬脂酸锌作为润滑剂。碳化物颗粒增强铁基粉末冶金材料的制备步骤为：进行滚动球磨混合，然后压制成尺寸为30mmX12mmX6mm和55mmX12mmX12mm的试样，压制压力为300-500MPa。然后采用真空烧结，烧结温度为1150270℃，保温时间为1-2h。将1270℃真空烧结后的材料在1200℃高温退火，保温时间为6h。用阿基米德排水法测试样的密度；采用D/MAX-RA型X射线衍射仪（XRD）进行物相分析；采用F1-M3型光学显微镜和Sirion200型场发射扫描电镜（SEM）观察显微组织，腐蚀液为硝酸溶液；采用A-200型硬度计测材料的表观硬度；采用LJ-3000A型机械试验机测力学性能，抗弯强度试样尺寸为30mmX12mmX6mm，冲击韧度试样尺寸为55mmX12mmX12mm。
实施案例2：
经1150℃烧结后的材料中主要碳化物类型为M6C，1270℃烧结后的主要碳化物类型为M2C。此外，烧结材料中还含有少量M23C6和MC碳化物。1270℃烧结的试样在1200℃退火后，碳化物类型发生了变化，主要为M6C碳化物，但M2C碳化物仍然存在，只是含量明显有所减少，M23C6和MC碳化物变化不大。
实施案例3：
烧结温度对材料组织和性能的影响非常显著。1210℃烧结时，没有出现液相，组织中存在聚集成块的碳化物，并有很多较大的孔洞，致密化程度低，力学性能也较差；甚至由于合金元素的扩散形成微孔，导致材料相对密度和性能下降。随着烧结温度提高到1240℃，烧结过程出现液相，孔洞变少、变小，组织中同时出现块状碳化物和针状碳化物，抗弯强度和冲击韧度达到最大；当烧结温度升至1270℃时，材料中的孔洞很少，相对密度进一步提高，硬度达到最高值；但是，在这个温度下烧结时，碳化物呈针状，并以半连续网状分布在晶界上。这种碳化物脆性大，割裂了基体，故而降低了材料的力学性能。当烧结温度升至1300℃时，材料的相对密度略有提高，但针状碳化物在晶界上的聚集更加明显，同时颗粒明显长大，大大降低了材料的力学性能。
实施案例4：
1270℃烧结后材料的孔洞少，相对密度高，硬度达到最高值。但是半连续网状分布在晶界上的针状碳化物降低了材料的力学性能。如果能消除这类碳化物，材料的性能有望得到进一步提高。1270℃烧结的材料在1200℃退火后，在晶界上呈半连续网状分布的针状碳化物开始分解并球化。晶内析出许多细小的块状碳化物，并且有长大和团聚的趋势。在长时间高温退火的过程中，合金元素将从针状碳化物上曲率半径较小处向曲率半径较大处扩散，使得针状碳化物在细颈处断开，并有球化倾向。因此，通过高温长时间退火，能有效消除晶界上半连续网状结构的针状碳化物，并且在晶内析出二次碳化物强化基体，使粉末冶金材料的性能得到提高。其中密度略有提高，硬度、抗弯强度、冲击韧度分别提高了11.8%，20.8%和72.7%。1270℃烧结后材料晶界上的针状碳化物非常明显，退火后，针状碳化物明显球化，块状碳化物数量增多，并出现团聚现象。材料中白色针状碳化物为富钼型碳化物。退火后的白色块状碳化物和白色针状碳化物均为富钼型碳化物。这两种碳化物的区别在于白色块状碳化物中的铁元素含量很高，钒元素含量较低。对于富钼型的M2C碳化物和M6C碳化物，有一个很明显的区别特征，就是M2C碳化物中铁元素含量低而钒元素含量高。因此白色块状碳化物 为M6C碳化物，白色针状碳化物为M2C碳化物。由此可见，针状碳化物的分解、球化和二次碳化物的析出、长大是通过合金元素的扩散来完成的。
实施案例5：
材料经1270℃烧结后，灰色组织中的铁元素含量很高，并含有部分合金元素。退火后灰色组织中的铁元素含量很高，合金元素含量较退火前灰色组织中的要高一些，这种灰色组织为基体。由此可得知，退火处理有助于基体中合金元素的扩散。在1200℃退火后的材料中还发现了灰色的块状碳化物，这种组织中钒元素含量很高，这种灰色块状碳化物为MC碳化物。
实施案例6：
1270℃烧结材料退火前的断口非常平整，为明显的脆性断裂。退火后的断口形貌中出现了很多细小的韧窝，表现出韧性断裂的特性。