一种粉末烧结双层材料及其制备方法与流程

本发明属于粉末冶金烧结材料领域，尤其是涉及一种粉末烧结双层材料及其制备方法。

背景技术：

1、粉末冶金工艺作为常见的金属成型方式，具有很多优点，比如可以压制成最终尺寸的压坯，不需要或少使用机械加工，用这种方法生产金属的损耗只有1％-5％，而一般的机械加工成型则会耗损金属的80％；粉末冶金工艺特别适合对统一形状数量众多的产品进行生产，它可以极大降低生产成本，节约原材料。

2、为了充分发挥粉末冶金材料的功能，研发人员设计开发了双层粉末冶金材料。申请号为cn202111552612.8的专利文献，公开了一种铁基双层烧结材料及其制备方法，主要是通过控制表层粉末的铜含量大于基体层粉末的铜含量，烧结过程中，表层中的铜会有部分进入基体中，使表层形成更高的孔隙率，基体层形成更高的密度。金属的膨胀系数，因其成分、温度范围等不同，会存在差异，公开资料显示，一般认为铜的线膨胀系数为17.0μm/(m.k)，铁的线膨胀系数:10-12μm/(m.k)，显然铜的膨胀系数明显大于铁的膨胀系数。cn202111552612.8文献中的双层材料，由于表层和基体的铜含量不一样，在烧结过程中，铜的膨胀系数和铁的膨胀系数存在较大差别，导致烧结出来的双层材料，表面发生变形，变形量较大，平面度较差。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种粉末烧结双层材料及其制备方法，以减少双层材料在烧结过程的变形。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种粉末烧结双层材料的制备方法，所述双层烧结材料包括基体层和表层，所述双层烧结材料的制备方法包括以下步骤：

4、(1)制备粉末：分别配制表层粉末和基体层粉末，所述表层粉末为铁基材料，铝含量为0.01-0.5％；进一步优选的，所述表层粉末中铝含量为0.1～0.3wt％；所述基体材料为铁基材料，铝含量为0-0.01％，基体层粉末中的铝含量小于表层粉末的铝含量；所述表层粉末和基体层粉末中包括润滑剂、粘结剂，还包括铜、石墨、钼、镍中的一种或多种。

5、(2)压制压坯：模具在使用前作退磁处理，先称取表层粉末，填充到模具型腔中并铺平；然后称取基体层粉末填充到已经填充有表层粉末的模具型腔中，并铺平；然后进行压制成型制备得到压坯；

6、(3)烧结处理：将压坯放置在高温炉中，进行烧结处理，得到铁基双层烧结材料。优选的，所述烧结处理的温度为1080℃-1150℃，压坯放置时按照基体层朝下、表层朝上的位置放置；所述加热设备为高温炉。所述的高温炉可以为网带式烧结炉。

7、本发明的第二个目的是提供一种铁基双层烧结材料，所述铁基双层烧结材料是采用上述所述的制备方法制备所得；所述表层的显微组织中含有铝元素，含量为0.01％-0.5％。优选的，所述表层的厚度为1-4mm，具体可以为1mm、2.5mm、3mm、4mm等数值。进一步优选的，所述铁基双层烧结材料的显微组织还包括铁素体、奥氏体、珠光体、马氏体、石墨中的一种或几种。

8、与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

9、cn202111552612.8的专利文献，主要是通过控制表层粉末的铜含量大于基体层粉末的铜含量，烧结过程中，表层中的铜会有部分进入基体中，使表层形成更高的孔隙率，基体层形成更高的密度。但这种方式，由于表层和基体的铜含量不一样，在烧结过程中，铜的膨胀系数和铁的膨胀系数存在较大差别，导致烧结出来的双层材料，表面发生变形，平面度较差，在制作机械零件时，加工量比较大，降低材料的利用率。

10、本技术在表层材料中添加铝，在烧结过程中，铝和铁发生反应，生成铁铝化合物，在反应时，铁元素和铝元素之间扩散系数的差异，可以起到造孔的作用，铝含量添加较多时，如大于0.5％，与铝反应的量比较多，表层材料就会变得疏松，材料的物理性能明显下降。本技术使用铝成分增加铁基材料表面的空隙率，与cn202111552612.8相比，可以减少材料配比中的铜的使用率，降低原材料成本；在烧结后，在表层材料相同空隙率的前提下，双层材料的变形量大幅度降低，可以减少后期材料的机械加工量；同时还可以降低材料的比重，使机械零件轻量化。

11、另外，铜属于国家战略物资，历来被世界各国作为仓单交易和库存融资的首选品种，而中国是全球电解铜第一大生产与消费国，但中国铜资源极度匮乏，自给率不足30％，且呈现逐年扩大之势，本技术的技术方案，可以减少铜资源的消耗，具有重大意义。

12、fe-al系化合物包括fe3al、feal、feal2、fe2al5、feal3五种典型结构。富fe的fe-al系化合物具有b2和do3两种有序结构。b2型feal化合物密度为5.56g/cm3，do3型feal化合物密度为6.72g/cm3。本技术中，fe含量远远大于铝含量，属于富fe的条件。b2和do3两种有序结构，表1为1mol物质对应的体积，由表1可知，在本技术中，烧结反应产物无论是哪一种化合物或者是两者的混合物，产物的体积都小于反应前fe和al的体积和，即相同量的物质发生反应，反应以后体积减少；体积减少，在材料内部就会出现孔隙，从而达到造孔的目的。

13、本技术中，表层材料的孔隙，一部分是由于fe和al反应后体积减少产生的孔隙，这部分孔隙不会引起表层材料的膨胀，即不会增加双层材料的变形量；一部分是铁和铝反应时，因扩散系数的差异，引起表层材料的膨胀，增加双层材料的变形量；这两部分效果相互作用和叠加，通过试验确定，添加铝成分时，表层材料会发生膨胀，这就导致双层材料产生一些变形量。

14、表1 fe、al及其化合物的密度和体积

15、 物质种类 物质的量 重量 密度 体积 fe 1mol 56g <![cdata[7.86g/cm³]]> <![cdata[7.123cm³]]> al 1mol 27g <![cdata[2.7g/cm³]]> <![cdata[10cm³]]> b2型feal化合物 1mol 83g <![cdata[5.56g/cm³]]> <![cdata[14.928cm³]]> do3型feal化合物 1mol 83g <![cdata[6.72g/cm³]]> <![cdata[12.51cm³]]>