专利名称：耐磨塑性钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及粉末冶金领域以及耐磨钢种。本发明特别针对于适合于制造碎石机磨损部件的钢。
碎石机磨损部件在碎石造成的强烈磨损及动态表面压力下使用。在这里，石料是指矿石、矿物、待再生混凝土或其它相应材料，以及砾石。相应地，碎石机指圆锥、环动、颚式、辊式破碎机以及垂直或水平冲击锤式破碎机以及锤式破碎机。当待破碎石料微观上对材料面产生切削时，磨损即造成材料损耗。另外，磨损件表面受到由碎石时产生的表面压力引起的造成显微疲劳与开裂的力，这些力会导致严重的材料损失即磨损。由于显微疲劳与开裂产生的磨损很显著，特别是当作用于磨损部件的力很大而磨损件韧性又低时更是如此。
哈德菲尔德高锰钢是磨损件材料，其表面可因破碎机造成的表面压力而发生硬化。硬化表面的耐磨性比未硬化表面要好，而磨损件基体由于其奥氏体组织而仍保持塑性。哈德菲尔德高锰钢适合于要求高韧性及中等耐磨性的应用情况，不适合于用在破碎时造成的表面压力不产生表面硬化的情况下。
高铬铸铁，即所谓白口铁，富含碳化铬，主要分布在马氏体或奥氏体基体中。其耐磨性优良，但由于韧性低，主要在作用于磨损件上的力较小的情况下应用。用于某些碎石机，例如当用冲击锤式破碎机破碎大块石料时，缺乏耐磨但又有足够韧性的材料会导致强烈磨损及高的破碎成本。
现已发明一种根据权利要求1的材料，其特点是有良好耐磨性但同时又有足够的塑性以避免使用时磨损件的宏观开裂。根据本发明的材料以粉末冶金法生产，在温度和压力作用下将两种分别制备的粉末压实制成用于磨损件的致密材料。将具有不同性能的粉末相混合以得到良好塑性与耐磨性的结合，从而经压制后生产出所需性能匹配更加好的材料。致密材料的组织优选地由一种塑性奥氏体钢(面心立方结构)及一种主要为富含硬析出物如碳化物、氮化物及碳氮化物的马氏体组织所组成。
奥氏体组织比马氏体韧性好，它对于避免及阻止微观开裂是最好的，因而提供了一种开裂抗力更强的组织结构。因此，根据本发明的材料因其耐磨性更好，可用于受强作用力的磨损件而不会有开裂的危险。这在采用传统方法生产的材料如上文所述白口铁时是不可能的。
图示说明。
图1所示为压制组织的一例。该材料的压制是通过在1180℃的温度及110MPa压力下热等静压三小时，并在1100℃下退火三小时，随后进行水淬。预合金化粉末包括50体积百分比的哈德菲尔德高锰钢粉末(1.2重量百分比的C，11.0重量百分比的Mn，2.5重量百分比的Cr，0.4重量百分比的V，其余为铁及残留杂质)和50体积百分比高速钢粉末(1.3重量百分比的C，4.15重量百分比的Cr，4.95重量百分比的Mo，3.0重量百分比的V，6.4重量百分比的W，以及8.4重量百分比的Co，其余为铁及残留杂质)。
根据本发明的材料可包含两种以上不同粉末，但所用粉末中至少一种必须为铁基的、基本为奥氏体的粉末，用以改善韧性，一种为铁基的、包含碳化物、氮化物或碳氮化物的马氏体粉末，用以改善耐磨性。除不同粉末的体积百分比之外，还必须控制粉末的粒度分布以控制性能。
根据本发明的材料可包含几种不同的粉末混合物，或者除粉末混合物之外，一种或更多的分别制备的有均一成分的粉末，并部分或完全致密材料，从而形成所谓复合材料。这使得进一步提高材料与部件的耐磨性及冲击抗力成为可能。如果使用一种以上粉末混合物，不同的粉末混合物之间须用薄板或薄膜隔离。当采用致密或部分致密材料时，无须将其与粉末混合物隔开。
包含碳化物、氮化物及碳氮化物的铁基马氏体粉末必须含有足够的诸如铬或钼等的合金元素，以便获得足够的可硬化性并在热处理后得到主要为马氏体的组织。
除马氏体和析出物这外，粉末还可包含少量奥氏体。通过以适当比例的铬、钼和钒等还有碳和氮对该粉末进行充分的合金化，就可在组织中引入碳化物、氮化物及碳氮化物等以改善耐磨性。含析出物的马氏体粉末应含有形成碳化物、氮化物及碳氮化物的合金元素。其含量至少为8重量百分比，最优选为从10至20重量百分比，以及碳和氮至少0.8重量百分比，最优选为从1.8至3.6重量百分比。氮可在雾化前加入熔融金属中，通过在气体雾化时使用氮作为雾化气体。或是通过氮化金属粉以固态形式加入。形成析出物的合金元素的含量应根据各工件的耐磨性要求来选择。
铁基奥氏体粉末应包含足够的已知可在室温产生奥氏体组织的合金元素。这类合金元素包括镍、锰、氮及碳，还有其它一些元素。奥氏体铁基粉末优选地应为哈德菲尔德高锰钢，其典型成分为从0.5至1.8重量百分比的碳，从5至20重量百分比的锰，其余为铁及残留杂质。哈德菲尔德高锰钢还可含有形成碳化物、氮化物及碳氮化物的合金元素，如铬、钼及钒，但不超过10重量百分比，以避免韧性降低。其它奥氏体铁基粉末，如镍合金化的奥氏体粉末也可与哈德菲尔德高锰钢粉一起使用或单独使用，但哈德菲尔高锰钢因其耐磨性较好而成为优先选择。奥氏体铁基粉末的体积百分比应为从15至70重量百分比以保证足够的塑性。如果体积百分比再大则耐磨性下降太多，如果体积百分比太小，则得不到足够的韧性。
应选择粉末的颗粒尺寸分布以使铁基奥氏体组织在较硬、较脆的含析出物的马氏体组织区域周围基本形成一个基体，从而能够避免显微裂纹的传播。含析出物的马氏体组织区域不应太大，从而不会由于冲击载荷而萌生太大的微裂纹。另一方面，如果含析出物的马氏体组织区域太小，加工过程中的界面扩散会使形成析出物的合金元素量及析出物数量减少，从而降低耐磨性。
根据本发明的材料的生产优选地包括如下步骤通过气体雾化制备各种粉末，将其过筛得到所需颗粒尺寸(i)将各种粉末以适当比例互相混合(ii)将混合粉末或不同的预合金化粉末填入薄板模(iii)将容器抽真空，关闭使其气密(iv)通过热与压力将该粉体致密化制成基本致密的材料(v)热处理粉末混合物的致密化可通过众所周知的方法如热等静压、单向压及其它热加工方法实现。致密化也可通过不同方法的组合实现，如先通过热等静压制成锭子，再采用锻压、轧制或挤压等热模压至所需形状。
在制备过程中，加工温度和压力必须足够以使材料致密化，但另一方面又不可太高，以免造成不同种粉末之间过多的扩散使得性能下降。加工温度对于压实或热处理都应低于1250℃，优选地不超过1125℃。
根据本发明的材料的性能可通过控制所用粉末的数量、成分及颗粒尺寸分布来调整以适应不同的用途。下列实施例将表明，如何能够通过改变粉末性质与数量来影响材料性能。实施例1表明，如何通过增加含碳化物的马氏体粉末比例来改善耐磨性，但同时以无缺口冲击试验测得的韧性又降低。实施例2表明，如何通过提高含碳化物的马氏体粉末的碳含量和形成碳化物的合金元素的含量来改善材料的耐磨性。
实施例1粉末的不同体积百分比对冲击韧性和耐磨性的影响哈德菲尔德高速钢粉磨损试验失重无缺口高锰钢粉 ASTM G 65 冲击韧性％体积％体积g J1000 1.1015065 35 0.925650 50 0.8323粉末致密化在1180℃的温度和110MPa压力下热等静压3小时热处理在1100℃的温度下保温3小时，随后水淬粉末化学成分(重量百分比)哈德菲尔德高锰钢粉C Mn Cr V1.211.0 2.5 0.4其余为铁及残留杂质。
高速钢粉末C Cr Mo W Co V1.34.154.956.4 8.4 3.0其余为铁及残留杂质。
实施例2马氏体粉末中形成碳化物的合金元素对耐磨性及冲击韧性的影响哈德菲尔德 高速钢粉末 磨损试验无缺口高锰钢粉末 失重冲击韧性％体积 ％体积 ASTMG65 Jg65 35A型 0.925665 35B型 0.471850 50A型 0.832350 50B型 0.4323粉末致密化在1180℃的温度和110MPa压力下热等静压3小时热处理在1100℃的温度下保温3小时，随后水淬粉末化学成分(重量百分比)哈德菲尔德高锰钢粉C Mn CrV1.2 11.0 2.5 0.4其余为铁及残留杂质。
高速钢粉A型CCrMoWCoV1.3 4.15 4.95 6.4 8.4 3.0其余为铁及残留杂质。
高速钢粉B型CCrMoWCoV2.3 4.15 7.1 6.4 10.5 6.4其余为铁及残留杂质。
权利要求
1.通过将两种或更多不同种类的粉末相互混合，通过压力和温度将其压实成致密材料而制成的粉末冶金耐磨材料，其特征在于至少一种粉末为铁基面心立方(奥氏体)粉末，另一种粉末为铁基、基本为马氏体的粉末，上述第二种粉末含有至少总共0.8重量百分比的碳和氮以及至少8重量百分比的形成析出物(碳化物、氮化物、碳氮化物)的合金元素如铬、钼、钛、铌、钽、钨及钒。
2.根据权利要求1的材料，其特征在于面心立方(奥氏体)粉末为哈德菲尔德高锰钢(C0.5至1.8重量百分比，Mn5至20重量百分比，不超过10重量百分比的析出物形成合金元素如Cr，Mo，Ti，Ta，Nb，W及V，其余为铁及残留杂质)或是含有足量Ni，Mn及N以产生奥氏体组织的铁基粉末。
3.根据权利要求1或2的材料，其特征在于铁基、基本为马氏体的粉末含有总共1.8至3.6重量百分比的碳和氮，6至16重量百分比的钒及不超过12重量百分比的其它析出物形成合金元素如铬、钼、钛、铌、钽及钨，其余为铁及残留杂质。
4.根据权利要求1至3中任一项的材料，其特征在于铁基面心立方(奥氏体)粉末的体积百分比为百分之15至70。
5.根据权利要求1至4中任一项的材料，其特征在于铁基面心立方(奥氏体)粉末的体积百分比为百分之30至50。
6.根据权利要求1至5中任一项的材料，其特征在于所有体积百分比大于百分之15的粉末的平均颗粒尺寸小于1000微米。
7.根据权利要求1至6中任一项的材料，其特征在于铁基面心立方(奥氏体)粉末的平均颗粒尺寸小于铁基、基本为马氏体、包含析出物的粉末的平均颗粒尺寸。
8.根据权利要求1至7中任一项的材料，其特征在于制备时使用一种以上粉末混合物，或是完全或部分致密化材料及一种或一种以上粉末混合物，经致密化制成复合结构。
9.根据权利要求1至8中任一项的材料，其特征在于除一种或更多预合金化粉末之外，还使用至少一种单独生产的具有均一成分的粉末，经致密化制成复合结构。
10.根据权利要求1至9中任一项的材料，其特征在于通过压力和温度的同时作用，如通过热等静压、热加工及其相结合的方法制成基本致密的材料。
11.根据权利要求1至10中任一项的材料，其特征在于用于粉末致密化和热处理的温度不超过1250℃，优选地不超过1125℃。
12.根据权利要求1至11中任一项的材料用于碎石机磨损件。
13.根据权利要求1至11中任一项的材料用于冲击锤式破碎机。
全文摘要
本发明涉及粉末冶金领域，公开了一种通过压力和热量作用由粉末混合物而形成的致密钢料，其组织主要由两部分组成。第一部分为奥氏体(例如哈德菲尔德高锰钢)组织，而第二部分主要为富含硬质析出物的马氏体组织，它有效地防止了微裂纹的扩展。因此该材料适合用在要经受大冲压力的部件，如碎石机。
文档编号C22C38/38GK1163943SQ9710230
公开日1997年11月5日 申请日期1997年1月21日 优先权日1996年1月22日
发明者J·I·利马泰宁, M·A·A·库姆普拉 申请人:劳马材料技术公司