一種粉末冶金耐磨鋼熔滲燒結淬火一體化工藝的製作方法
2023-06-18 20:46:22 1
本發明涉及金屬材料技術領域，尤其涉及一種粉末冶金耐磨鋼熔滲燒結淬火一體化工藝。
背景技術：
面對粉末冶金鋼磨損情況嚴重，目前普遍採用高碳、高合金材料提升粉末冶金鋼性能，而高碳、高合金粉末冶金鋼需要通過合適的熱處理才能充分發揮材料性能。鐵基粉末冶金材料燒結溫度為t燒＝(0.7～0.8)tm即1100℃～1230℃。w6mo5cr4v2高速鋼熱處理淬火溫度為1200℃左右。由此可知，本材料熔滲燒結溫度和熱處理溫度在同一溫度區間。粉末冶金材料燒結完成後再進行熱處理，一方面極大浪費了時間和能源。另一方面，為進一步提高粉末冶金耐磨鋼性能，本材料通過滲銅處理填充材料孔隙，但熱處理溫度需要加熱到cu熔點(1083℃)以上才能發揮材料性能，在此高溫下，原本熔滲燒結好的粉末冶金材料重新加熱到1083℃以上熱處理時，熱處理工藝參數控制不當將會有一定量的cu揮發和流失，造成cu表面殘留和表面孔隙，需要機械加工處理表面形貌，從而增加了成本。另外熔滲燒結後再次加熱淬火對材料中fe-mo和co-cr-mo硬質顆粒有一定影響。圖2為熔滲燒結後再次加熱淬火時，不同淬火溫度下材料顯微形貌，可以看出，淬火溫度達到1260℃時部分co-cr-mo硬質顆粒不能保持形貌，fe-mo硬質顆粒出現孔洞。對fe-mo和co-cr-mo硬質顆粒能譜掃描後發現，淬火溫度從1140℃升高到1260℃時，fe-mo顆粒mo元素含量從67.24％降低至58.09％，co-cr-mo顆粒mo元素含量從40.88％降低至35.92％。由此可知fe-mo和co-cr-mo硬質顆粒元素發生了明顯擴散，因此硬質顆粒硬度降低，摩擦磨損時硬質顆粒承受主要載荷作用減弱，基體材料與磨料接觸機會增大，材料耐磨性變差。
綜上所述，開發一種適合高碳、高合金粉末冶金材料熔滲燒結淬火一體化技術是本領域人員亟待解決的問題。
目前，現有針對粉末冶金耐磨鋼大多採用高碳、高合金材料製備，經常會用到滲銅處理來填充材料孔隙，提升材料物理和力學性能。中國專利(公開號cn103480849a，公開日2014.01.01)公開了一種天然氣發動機粉末冶金氣門座圈材料和製備方法，其材料為：c：0.6-1.5％、s：0.3-1.5％、cr：3-10％、mo：4-12％、ni：0.5-5％、co：3-10％、cu：10-20％、mn：1-2.5％、v：1-4％、w：2-7％、fe：餘量。製備工藝為：(1)按比例將原材料粉末進行混合均勻；(2)在壓機上將混合好的粉末進行壓製成型；(3)將成型毛坯在燒結爐中進行高溫燒結，同時進行滲銅處理；(4)用液氮對燒結毛坯進行冷處理；(5)在熱處理爐中對冷處理毛坯進行熱處理；(6)機加工成成品。相關文獻對粉末冶金耐磨鋼熔滲燒結後再次熱處理方式有以下幾種：①淬火(800～900℃)+回火；②直接回火；③水蒸氣處理。在上述熱處理後有時用到深冷處理。
上述方法存在有如下不足：
合金元素主要以固溶體和碳化物形式強化材料，滲銅後再進行熱處理存在以下幾個技術難題：
①當熔滲燒結後熱處理溫度低，c和合金元素不容易固溶到fe中，淬火後難以得到飽和的合金馬氏體，回火後不容易析出的彌散細小合金碳化物，影響合金元素強化效果。另外，熱處理溫度低，得到珠光體等較軟組織，而硬質顆粒硬度較高，這種硬度差別會造成基體和硬質顆粒剝落。
②當熔滲燒結後熱處理溫度高，原本熔滲燒結好的粉末冶金耐磨鋼重新加熱到1083℃以上熱處理時，fe-mo和co-cr-mo硬質顆粒再次發生擴散，硬度降低，摩擦磨損時硬質顆粒承受主要載荷作用減弱，基體材料與磨料接觸機會增大，材料耐磨性變差。另外，熱處理工藝參數控制不當將會有一定量的cu揮發和流失，造成cu表面殘留和表面孔隙，需要機械加工處理表面形貌，從而增加了成本。
③熔滲燒結後進行熱處理時間周期長，能源消耗大。
技術實現要素：
為了解決粉末冶金鋼磨損情況嚴重的問題，本發明目的在於提供一種粉末冶金耐磨鋼熔滲燒結淬火一體化工藝。
本發明採取的技術方案是：
本發明的粉末冶金耐磨鋼材料的製備工藝的具體步驟如下：
1、將原材料按比例進行稱量；
2、將配好的粉末原料進行混料；
3、用液壓機壓製成壓坯；
4、在真空燒結爐中進行燒結，同時進行滲銅處理；
5、熔滲燒結完成後即刻進行真空淬火處理，然後回火；
6、機械加工成成品。
本發明的粉末冶金耐磨鋼材料以w6mo5cr4v2高速鋼粉末為基體材料，添加有co-cr-mo和fe-mo硬質顆粒、cu；成分質量百分比為w6mo5cr4v2為45％～57％；co-cr-mo為13％～17％；fe-mo為4％～7％；cu為17％～22％；固體潤滑劑和易切削成分為2％～3％，其中元素質量百分比含量組成如下：c：0.7～1.4％、cr：3.5～12.5％、mo：7.6～16％、co：3.1～12％、cu：18～22％、mn：1-2.5％、s：0.5-1.5％、v：1-4％、w：2.4～7.3％、雜質3％以下，fe：餘量。
所述的雜質包括ca、f、si等。
所述的固體潤滑劑是caf2。
所述的易切削成分是mns。
所述的粉末冶金耐磨鋼材料中基體材料添加cu，cu有5％左右為混合在壓坯中即與其它粉末混合壓制，剩餘cu粉為單獨壓製成與材料同尺寸的塊狀，放置在材料上，通過熔滲燒結(1180℃～1220℃)，熔化成液態，滲入材料壓坯孔隙中。
步驟(4)，真空燒結溫度是1180℃～1220℃，燒結時間40min～100min，60min效果好。真空度1.0×10-3pa左右左右。
步驟(5)，回火1-3次，每次1h。
具體步驟是：將篩分好的粉末按質量分數配好，置入雙錐高效混合機中混合2h，將混好的粉末放入模具中壓製成圓環型坯料，壓坯尺寸為φ42mm×φ28mm×9.4mm，密度控制在6.7g/cm3左右，壓制好的生坯(包含材料主體壓坯和放置在上面的cu-fe-mn，cu佔90％以上，壓制的銅環)在wzc-30型真空燒結爐中進行一步法熔滲燒結，真空度1.0×10-3pa左右，升溫速度10℃/min，在600℃和800℃各保溫15min，燒結溫度1180℃～1220℃，燒結時間40min～100min，燒結完成後迅速淬火。
製備表面形貌良好、性能優異和時間周期短的高碳、高合金粉末冶金耐磨鋼原理：粉末冶金耐磨鋼在真空加熱下熔滲燒結，形貌良好。經過一定時間保溫，燒結頸長大，孔隙減少，基體連接成團。隨燒結保溫，基體形成奧氏體組織，並溶入大量合金元素，通過及時淬火處理得到高合金馬氏體組織，回火減少殘餘奧氏體含量，並析出大量彌散細小合金碳化物，因此提高了材料性能，縮短了製備時間，節約了能源。
本發明的積極效果如下：
本發明採用w6mo5cr4v2高速鋼粉末為基體材料製備粉末冶金耐磨鋼。w6mo5cr4v2高速鋼問世已50多年，成分配比合理，性能穩定，淬火後能得到飽和合金馬氏體，回火後能彌散析出較多和較穩定的合金碳化物。採用熔滲燒結淬火一體化技術比熔滲燒結後再熱處理溫度低，這是因為一體化中cu的液相燒結可以促進燒結和合金元素的擴散，降低燒結和熱處理溫度。粉末冶金耐磨鋼表面形貌良好，又能得到合金馬氏體組織，耐磨性提高，並且縮短了粉末冶金耐磨鋼製備時間，節約了能源。
絕大部分的專利、文獻沒有提到過將高碳、高合金粉末冶金材料熔滲燒結後直接淬火製備。我們材料的特殊之處在於將w6mo5cr4v2高速鋼滲銅處理後直接淬火然後回火熱處理。如不進行熱處理，材料硬度為30hrc，硬度較低，耐磨性較差，故需要熱處理提升材料性能。而又不能像w6mo5cr4v2高速鋼高溫熱處理，硬度達到60hrc以上，這樣存在加工困難，cu流出導致形貌破壞，因此本試驗材料進行滲銅處理，起到填充孔隙、降低硬度，從而易於加工，另外，可以提高材料熱導率。本材料還添加有約20％左右的co-cr-mo、fe-mo硬質顆粒，熔滲後進行熱處理相比熔滲後直接取出淬火增添了工序，增加生產了成本。本材料以w6mo5cr4v2高速鋼為基體材料，熱處理溫度高，高溫淬火保溫時，cu容易滲出，破壞形貌，cu所覆蓋區域碳化物溫度低，碳化物難以溶入奧氏體，因為w6mo5cr4v2淬火溫度要在1200℃左右，而cu所覆蓋區域溫度只能達到1083℃。同時，熔滲後進行熱處理，co-cr-mo、fe-mo硬質顆粒再次發生擴散，硬度降低，承受載荷作用減弱，材料耐磨性降低。故材料不進行熱處理是難以發揮w6mo5cr4v2基體材料性能，進行熱處理又受限於銅和硬質顆粒對材料的影響。所以，本材料能夠有一種不進行熱處理工序，又能達到熱處理效果的熔滲燒結淬火一體化技術，是一種非常實用、有效、節能和提高生產效率的方法。
附圖說明
圖1是一種粉末冶金耐磨鋼熔滲燒結淬火一體化工藝曲線圖。
圖2是熔滲燒結後再次加熱淬火時，不同淬火溫度下材料顯微形貌圖。
具體實施方式
下面的實施例是對本發明的進一步詳細描述。
(1)將原材料按比例進行稱量。w6mo5cr4v2高速鋼粉末顆粒≤150目，co-cr-mo和fe-mo硬質顆粒≤250目。
(2)將配好的粉末原料在混料機置入雙錐高效混合機中混合2h。
(3)用液壓機壓製成壓坯。材料主體坯料密度控制6.7g/cm3左右；滲銅粉壓製成環狀，密度控制在6.5～6.8g/cm3。
本發明的粉末冶金耐磨鋼材料以w6mo5cr4v2高速鋼粉末為基體材料，添加有co-cr-mo和fe-mo硬質顆粒、cu；成分質量百分比為w6mo5cr4v2為45％～57％；co-cr-mo為13％～17％；fe-mo為4％～7％；cu為17％～22％；固體潤滑劑和易切削成分為2％～3％，其中元素質量百分比含量組成如下：c：0.7～1.4％、cr：3.5～12.5％、mo：7.6～16％、co：3.1～12％、cu：18～22％、mn：1-2.5％、s：0.5-1.5％、v：1-4％、w：2.4～7.3％、雜質3％以下，fe：餘量。
所述的雜質包括ca、f、si等。
所述的固體潤滑劑是caf2。
所述的易切削成分是mns。
所述的粉末冶金耐磨鋼材料中基體材料添加cu，cu有5％左右為混合在壓坯中即與其它粉末混合壓制，剩餘cu粉為單獨壓製成與材料同尺寸的塊狀，放置在材料上，通過熔滲燒結(1180℃～1220℃)，熔化成液態，滲入材料壓坯孔隙中。
實施例1
(1)在真空燒結爐中進行直接熔滲燒結，於600℃和800℃保溫20min，1180℃保溫40min～100min，升溫速度10℃/min，熔滲燒結完成後立即在溫油(50℃左右)中淬火。
(2)加熱到580℃，保溫60min回火處理3次。
(3)機械加工成成品
實施例2
(1)在真空燒結爐中進行直接熔滲燒結，於600℃和800℃保溫20min，1200℃保溫40min～100min，升溫速度10℃/min，熔滲燒結完成後立即在溫油(50℃左右)中淬火。
(2)加熱到580℃，保溫60min回火處理3次。
(3)機械加工成成品
實施例3
(1)在真空燒結爐中進行直接熔滲燒結，於600℃和800℃保溫20min，1220℃保溫40min～100min，升溫速度10℃/min，熔滲燒結完成後立即在溫油(50℃左右)中淬火。
(2)加熱到580℃，保溫60min回火處理3次。
(3)機械加工成成品
在本發明實施熔滲燒結後立即淬火時採用wzc-30型真空油淬爐。wzc-30型真空油淬爐分為前室真空淬火和後室真空加熱，後室最高溫度可大1300℃，前室和後室中間為一道密封性閘門。
耐磨性試驗。試驗條件：磨損試驗在m-2000型摩擦磨損試驗機上進行，採用盤-銷磨損，樹脂氧化鋁材料作磨料，載荷為120n，摩擦速度為200r/min，磨損時間為30min。
利用本發明技術方案製備的粉末冶金耐磨鋼具體指標為：
表1
註：①上述方案用時未計算真空爐冷卻時間；熔滲燒結後形貌良好，再熱處理時選擇合理熱處理工藝參數，表面形貌得到控制，不影響加工和使用。②總用時為開始加熱到試樣冷卻用時。
儘管已經示出和描述了本發明的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由所附權利要求及其等同物限定。