專利名稱：一種碳化鎢顆粒增強的鐵基粉末冶金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及塑性成形技術(shù)和粉末冶金技術(shù)，具體是指一種碳化鎢(WC)顆粒增強 的鐵基粉末冶金材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
鐵基材料因具有價格便宜、資源豐富、性能優(yōu)越及易實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)等特點而獲 得了廣泛使用，但隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對其綜合力學(xué)性能提出了更高的要求。 現(xiàn)有的一種i^e-Cu-Ni-Mo-C粉末冶金材料屬于高強熱處理鋼，主要由基體鐵和合金元素組 成，然而其抗摩擦磨損性能相對較低、高溫下容易變形且熱處理工藝較復(fù)雜，這一定程度上 限制了該類材料的應(yīng)用。研究證實，顆粒增強金屬基復(fù)合材料成本低廉、各向同性，能提高材料的彈性模 量、硬度、耐磨性和高溫性能。因而，通過向鐵基體中添加第二相增強顆粒WC以提高鐵 基材料的綜合力學(xué)性能是一種可行方法。如卡帕特(G. Kaptay)等，于1996年第205 207卷第2部分《非晶性固體雜志》(Journal of Non-Crystalline Solids)上發(fā)表的論 文《陶瓷增強非晶態(tài)金屬基復(fù)合材料反應(yīng)過程的界面現(xiàn)象》(Interface phenomena in processing of ceramic reinforced amorphous metal composites)中石if究了 WC 增強 Fe40Ni40Sil4B6基復(fù)合材料中WC顆粒與基體發(fā)生的界面反應(yīng)。他們通過理論計算與試驗 都得出!^40Ni40Sil4B6能很好地潤濕WC顆粒，從而顯著提高該復(fù)合材料的抗摩擦磨損性 能。宋延沛等，于2005年第36卷第10期《功能材料》上發(fā)表的論文“WC顆粒增強鐵基復(fù) 合材料的性能研究”中研究了 WC顆粒對!^e-C復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明 WC體積分數(shù)在65% 80%的WC/Fe-C復(fù)合材料中，WC顆粒以較大的顆粒尺寸(IOOum)和 較高的體積分數(shù)(約80%)均勻分布在貝氏體與石墨基體上，高硬度的WC顆粒能有效阻止 磨粒對基體的切削作用，減少基體的塑性變形和相對磨面的轉(zhuǎn)移，從而可以大幅度提高該 復(fù)合材料的耐磨性能。同時，因為WC顆粒的存在，使得復(fù)合材料表面和內(nèi)部形成許多微裂 紋，在熱裂紋擴展過程中可轉(zhuǎn)移裂紋尖端的部分應(yīng)力，削弱其應(yīng)力集中作用，且界面處的位 錯強化作用和較高的界面結(jié)合強度都傾向于把熱應(yīng)力轉(zhuǎn)移到WC顆粒上去，結(jié)果造成了 WC 顆粒的開裂，從而減慢了裂紋的擴展速度、提高了材料的抗冷熱疲勞性能。但是該研究中添 加的WC顆粒體積百分數(shù)含量過高，不僅浪費了寶貴的鎢資源，而且制備成本較高，不利于 大規(guī)模生產(chǎn)。吳承建等，于2006年冶金工業(yè)出版社出版的《金屬材料學(xué)》中指出，鎢是高速 鋼獲得熱硬性的主要元素，在鋼中以顆粒狀碳化物的形式出現(xiàn)，淬火加熱時大量未溶碳化 物可阻礙奧氏體晶粒長大，改善鋼的韌性。通常，鉬系高速鋼的抗彎強度和沖擊韌性高于鎢 系，但是鉬系鋼在熱處理時具有脫碳傾向。如果在鉬系鋼中加入適量的鎢可提高其熱塑性， 綜合力學(xué)性能得到提高。雖然有關(guān)研究已表明，將高剛度和高強度的顆粒增強體加入到鐵 基體中，可以提高其綜合力學(xué)性能，但由于WC與含鐵的粉末在高能球磨條件下，WC容易脫 碳，并且易與鐵形成固溶物，從而削弱了 WC顆粒的增強作用，以至至今尚未見有關(guān)WC顆粒 增強!^e-Cu-Ni-Mo-C粉末冶金材料的報道。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中制備的!^e-Cu-Ni-Mo-C粉末冶金材料的不足 之處，針對添加增強相碳化鎢顆粒設(shè)計基體材料體系并優(yōu)化燒結(jié)工藝，提供一種碳化鎢顆 粒增強的鐵基粉末冶金材料及其制備方法，從而使鐵基粉末冶金材料具有更優(yōu)異的高溫硬 度、強度及抗蠕變、抗摩擦磨損等綜合力學(xué)性能。通過如下措施實現(xiàn)本發(fā)明。一種碳化鎢顆粒增強的鐵基粉末冶金材料，它含有鐵、銅、鎳、鉬和碳，其特征在 于它還含有增強相納米級硬質(zhì)顆粒碳化鎢，按質(zhì)量百分比計的組分及其含量如下基體材料85. 0 90. 0%，增強相碳化鎢10. 0 15. 0% ；所述基體材料為鐵、銅、鎳、鉬和碳的粉末，具體配方按質(zhì)量百分比計的組分及其 含量為銅1. 4 2. 0 %，鎳1. 7 2. 0 %，鉬0. 9 1. 2 %，碳0. 7 1. 6 %，余量為鐵。一種碳化鎢顆粒增強的鐵基粉末冶金材料的制備方法，其特征在于該方法包括 如下步驟及其工藝條件步驟一基體材料的成分設(shè)計按下述質(zhì)量百分比計的組分及其含量配比基體材料銅1. 4 2. 0%，鎳1. 7 2. 0%，鉬0. 9 1. 2%，碳0. 7 1. 6%，余量為鐵；步驟二 高能球磨基體材料將步驟一所述的基體材料置于高能球磨機中進行球磨，直至球磨粉末晶粒細化至 納米級；步驟三混粉將基體材料與增強相按下述質(zhì)量百分比計的配比混合粉末基體材料85.0 90. 0%，增強相碳化鎢10. 0 15. 0%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；將上述混合粉末置入球磨機中進行球磨，球磨速度為85 lOOr/min，球磨時間為 2 證，直至基體材料與增強相碳化鎢顆粒混合均勻；步驟四放電等離子燒結(jié)將步驟三混合均勻的粉末裝入石墨模具內(nèi)，采用放電等離子燒結(jié)設(shè)備燒結(jié)，燒結(jié) 工藝條件如下燒結(jié)電流類型直流脈沖電流燒結(jié)壓力30 50MPa燒結(jié)溫度750 1000°C升溫速率50 75 °C /min燒結(jié)保溫時間0 5min燒結(jié)真空度彡4Pa經(jīng)快速燒結(jié)即可得到組織細小、均勻的一種碳化鎢顆粒增強的鐵基粉末冶金材 料。所述鐵、銅、鎳、鉬和碳，均以單質(zhì)形式加入，其中，鐵為純度> 99. 5 %、粒度45 149 μ m的水霧化鐵粉；銅為純度彡99. 9%、粒度彡75 μ m的電解銅粉；鎳為純度彡99. 8%, 粒度3 5 μ m的羰基鎳粉；鉬為純度彡99. 7%、粒度彡75 μ m的還原鉬粉；碳為粒度2 3ym的膠體石墨。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明以化合物的形式向基體材料體系中加入納米級硬質(zhì)顆粒增強相碳化鎢， 保留了碳化鎢高硬度、高的彈性模量等性質(zhì)，克服了碳化鎢與含鐵的粉末在高能球磨條件 下容易脫碳、易與鐵形成固溶物的問題，且設(shè)計的復(fù)合材料在較低的燒結(jié)溫度下可以燒結(jié) 成型致密。2、本發(fā)明利用放電等離子燒結(jié)成形與快速燒結(jié)一體化的方法，制備的納米級碳化 鎢顆粒增強的鐵基粉末冶金材料具有組分、粒度分布均勻以及近全致密等特點，可以顯著 提高材料的強度、抗摩擦磨損性能，尤其是高溫硬度及抗蠕變性能。3、本發(fā)明減少了增強相碳化鎢的添加量，節(jié)約了寶貴的鎢資源，所制備的鐵基粉 末冶金材料有望以較高的性價比進行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，工業(yè)化生產(chǎn)前景好。4、本發(fā)明所制備的鐵基粉末冶金材料用途廣泛，可用作耐磨材料、刀具材料等，可 減少我國刀具材料生產(chǎn)對釩、鉻等貴重金屬的進口依賴。
具體實施例方式通過如下實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明的實施方式不僅限于此。實施例1一種碳化鎢顆粒增強的鐵基粉末冶金材料的制備方法包括如下步驟步驟一基體材料的成分設(shè)計將鐵、銅、鎳、鉬和碳的粉末作為基體材料，按下述質(zhì)量百分比用量進行配比鐵94. 4%，銅2. 0%，鎳1. 7%，鉬1. 2%，碳0. 7%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；鐵、銅、鎳、鉬和碳均以單質(zhì)形式加入，其中，鐵為水霧化鐵粉，純度≥99. 5%，粒度 45 149 μ m ；銅為電解銅粉，純度≥99. 9%，粒度≤75 μ m ；鎳為羰基鎳粉，純度≥99.8%, 粒度3 5μπι;鉬為還原鉬粉，純度≥99. 7%，粒度≤75 μ m;碳為膠體石墨，粒度2 3 μ m0步驟二 高能球磨基體材料將步驟一所述的基體材料置于行星式球磨機中進行高能球磨，其球料比為 10 1，球磨速度為226r/min，并采用高純氬氣作為保護氣氛，球磨時間為40h。步驟三混粉將基體材料與增強相按下述質(zhì)量百分比計配比混合粉末基體材料90. 0%碳化鎢10.0%其余為不可避免的微量雜質(zhì)；碳化鎢以化合物的形式加入，純度≥99. 9%，粒度200 800nm。將上述混合粉末置于球磨機中進行球磨，其球料比為10 1，球磨速度為85r/ min，球磨時間為證。步驟四放電等離子燒結(jié)將步驟三混合均勻的20g粉末裝入內(nèi)徑為20mm的石墨燒結(jié)模具中，在放電等離子 燒結(jié)設(shè)備中進行燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為50MPa，燒結(jié)溫度為750°C，升溫速率為50°C /min,保溫時間5min，真空度為4Pa?？焖贌Y(jié)后獲得組織細小、均勻的一種碳化鎢顆粒增強的 鐵基粉末冶金材料，所得材料室溫下的密度為7. 76g/cm3、硬度為45. 7HRC、橫向斷裂強度為 2335MPa、磨損量為1. 50X 10_3g(對磨件為Φ 10的GCr_15鋼球、試驗載荷為10N、振幅為 100 μ m、頻率為50Hz和加載時間為20min)；經(jīng)三次500°C保溫lh，隨爐冷卻至室溫，其硬度 為 44. 9HRC。實施例2一種碳化鎢顆粒增強的鐵基粉末冶金材料的制備方法包括如下步驟步驟一基體材料的成分設(shè)計將鐵、銅、鎳、鉬和碳的粉末作為基體材料，按下述質(zhì)量百分比用量進行配比鐵94. 3%，銅1. 8%，鎳1. 7%，鉬1. 2%，碳1. 0%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；鐵、銅、鎳、鉬和碳均以單質(zhì)形式加入。其中，鐵為水霧化鐵粉，純度>99.5%，粒度 45 149 μ m ；銅為電解銅粉，純度彡99. 9%，粒度彡75 μ m ；鎳為羰基鎳粉，純度彡99.8%, 粒度3 5μπι;鉬為還原鉬粉，純度彡99. 7%，粒度彡75 μ m;碳為膠體石墨，粒度2 3 μ m0步驟二 高能球磨基體將步驟一所述的基體材料置于行星式球磨機中進行高能球磨，其球料比為 10 1，球磨速度為226r/min，并采用高純氬氣作為保護氣氛，球磨時間為40h。步驟三混粉將基體材料與增強相按下述質(zhì)量百分比計的組分及其含量配比混合粉末基體材料88.0%碳化鎢12.0%其余為不可避免的微量雜質(zhì)；碳化鎢以化合物的形式加入，純度彡99. 9%，粒度200 800nm。將上述成分配比的混合粉末置于球磨機中進行球磨，其球料比為10 1，球磨速 度為96r/min，球磨時間為池。步驟四放電等離子燒結(jié)將步驟三混合均勻的20g粉末裝入內(nèi)徑為20mm的石墨燒結(jié)模具中，在放電等離子 燒結(jié)設(shè)備中進行燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)溫度為1000°C，升溫速率為65°C /min, 保溫時間2min，真空度為3Pa?？焖贌Y(jié)后獲得組織細小、均勻的一種碳化鎢顆粒增強的 鐵基粉末冶金材料，所得材料室溫下的密度為7. 91g/cm3、硬度為45. 9HRC、橫向斷裂強度為 ^37MPa、磨損量為1. ^XKT3g(對磨件為Φ 10的GCr_15鋼球、試驗載荷為10N、振幅為 100 μ m、頻率為50Hz和加載時間為20min)；經(jīng)三次500°C保溫lh，隨爐冷卻至室溫，其硬度 為 45. 2HRC。實施例3一種碳化鎢顆粒增強的鐵基粉末冶金材料的制備方法包括如下步驟步驟一基體材料的成分設(shè)計將鐵、銅、鎳、鉬和碳的粉末作為基體，按下述質(zhì)量百分比用量進行配比鐵94.6%，銅1.4%，鎳2.0%，鉬1.0%，碳1. 0%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；鐵、銅、鎳、鉬和碳均以單質(zhì)形式加入。其中，鐵為水霧化鐵粉，純度>99.5%，粒度45 149 μ m ；銅為電解銅粉，純度彡99. 9%，粒度彡75 μ m ；鎳為羰基鎳粉，純度彡99.8%, 粒度3 5μπι;鉬為還原鉬粉，純度彡99. 7%，粒度彡75 μ m;碳為膠體石墨，粒度2 3 μ m0步驟二 高能球磨基體將步驟一所述的基體材料置于行星式球磨機中進行高能球磨，其球料比為 10 1，球磨速度為226r/min，并采用高純氬氣作為保護氣氛，球磨時間為40h。步驟三混粉將基體與增強相按下述質(zhì)量百分比計的組分及其含量配比混合粉末基體材料90.0%碳化鎢10.0%其余為不可避免的微量雜質(zhì)；碳化鎢以化合物的形式加入，純度彡99. 9%，粒度200 800nm。將上述成分配比的混合粉末置于球磨機中進行球磨，其球料比為10 1，球磨速 度為96r/min，球磨時間為池。步驟四放電等離子燒結(jié)將步驟三混合均勻的20g粉末裝入內(nèi)徑為20mm的石墨燒結(jié)模具中，在放電等離子 燒結(jié)設(shè)備中進行燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為50MPa，燒結(jié)溫度為850°C，升溫速率為75V /min, 保溫時間Omin，真空度為3Pa?？焖贌Y(jié)后獲得組織細小、均勻的一種碳化鎢顆粒增強的 鐵基粉末冶金材料，所得材料室溫下的密度為8. 09g/cm3、硬度為49. 5HRC、橫向斷裂強度為 2781MPa、磨損量為0. 84X 10_3g(對磨件為Φ 10的GCr_15鋼球、試驗載荷為10N、振幅為 100 μ m、頻率為50Hz和加載時間為20min)；經(jīng)三次500°C保溫lh，隨爐冷卻至室溫，其硬度 為 48. !3HRC。實施例4一種碳化鎢顆粒增強的鐵基粉末冶金材料的制備方法包括如下步驟步驟一基體材料的成分設(shè)計將鐵、銅、鎳、鉬和碳的粉末作為基體，按下述質(zhì)量百分比用量進行配比鐵93.8%，銅2.0%，鎳1.7%，鉬0.9%，碳1. 6%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；鐵、銅、鎳、鉬和碳均以單質(zhì)形式加入。其中，鐵為水霧化鐵粉，純度>99.5%，粒度 45 149 μ m ；銅為電解銅粉，純度彡99. 9%，粒度彡75 μ m ；鎳為羰基鎳粉，純度彡99.8%, 粒度3 5μπι;鉬為還原鉬粉，純度彡99. 7%，粒度彡75 μ m;碳為膠體石墨，粒度2 3 μ m0步驟二 高能球磨基體將步驟一所述的基體材料置于行星式球磨機中進行高能球磨，其球料比為 10 1，球磨速度為226r/min，并采用高純氬氣作為保護氣氛，球磨時間為40h。步驟三混粉將基體與增強相按下述質(zhì)量百分比計的組分及其含量配比混合粉末基體材料85.0%碳化鎢15.0%其余為不可避免的微量雜質(zhì)；
碳化鎢以化合物的形式加入，純度彡99. 9%，粒度200 800nm。將上述成分配比的混合粉末置于球磨機中進行球磨，其球料比為10 1，球磨速 度為100r/min，球磨時間為池。步驟四放電等離子燒結(jié)將步驟三混合均勻的20g粉末裝入內(nèi)徑為20mm的石墨燒結(jié)模具中，在放電等離子 燒結(jié)設(shè)備中進行燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為40MPa，燒結(jié)溫度為1000°C，升溫速率為50°C /min, 保溫時間lmin，真空度為lPa?？焖贌Y(jié)后獲得組織細小、均勻的一種碳化鎢顆粒增強的 鐵基粉末冶金材料，所得材料室溫下的密度為8. 42g/cm3、硬度為50. 6HRC、橫向斷裂強度為 ^22MPa、磨損量為1.08X10、(對磨件為Φ 10的GCr_15鋼球、試驗載荷為10N、振幅為 100 μ m、頻率為50Hz和加載時間為20min)；經(jīng)三次500°C保溫lh，隨爐冷卻至室溫，其硬度 為 49. !3HRC。
權(quán)利要求
1.一種碳化鎢顆粒增強的鐵基粉末冶金材料，它含有鐵、銅、鎳、鉬和碳，其特征在于 它還含有增強相納米級硬質(zhì)顆粒碳化鎢，具體配方按質(zhì)量百分比計的組分及其含量如下基體材料85. 0 90. 0%，增強相碳化鎢10. 0 15. 0% ；所述基體材料為鐵、銅、鎳、鉬和碳的粉末，按質(zhì)量百分比計的組分及其含量為銅 1. 4 2. 0%，鎳1. 7 2. 0%，鉬0. 9 1. 2%，碳0. 7 1. 6%，余量為鐵。
2.一種碳化鎢顆粒增強的鐵基粉末冶金材料的制備方法，其特征在于該方法包括如 下步驟及其工藝條件步驟一基體材料的成分設(shè)計按下述質(zhì)量百分比計的組分及其含量配比基體材料銅1. 4 2. 0%，鎳1. 7 2. 0%， 鉬0.9 1.2%，碳0.7 1.6%，余量為鐵； 步驟二 高能球磨基體材料將步驟一所述的基體材料置于高能球磨機中進行球磨，直至球磨粉末晶粒細化至納米級；步驟三混粉將基體材料與增強相按下述質(zhì)量百分比計配比混合粉末基體材料85. 0 90. 0%，增 強相碳化鎢10. 0 15. 0%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；將上述混合粉末置于球磨機中進行球磨，球磨速度為85 lOOr/min，球磨時間為2 證，直至基體材料與增強相碳化鎢顆粒混合均勻； 步驟四放電等離子燒結(jié)將步驟三混合均勻的粉末裝入石墨模具內(nèi)，采用放電等離子燒結(jié)設(shè)備燒結(jié)，燒結(jié)工藝 條件如下燒結(jié)電流類型直流脈沖電流 燒結(jié)壓力30 5OMPa 燒結(jié)溫度750 1000°C 升溫速率50 75 °C /min 燒結(jié)保溫時間0 5min 燒結(jié)真空度<4Pa經(jīng)快速燒結(jié)即可得到組織細小、均勻的一種碳化鎢顆粒增強的鐵基粉末冶金材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種碳化鎢顆粒增強的鐵基粉末冶金材料的制備方法，其特 征在于所述鐵、銅、鎳、鉬和碳，均以單質(zhì)形式加入，其中，鐵為純度>99.5%、粒度45 149 μ m的水霧化鐵粉；銅為純度彡99. 9%、粒度彡75 μ m的電解銅粉；鎳為純度彡99. 8%, 粒度3 5 μ m的羰基鎳粉；鉬為純度彡99. 7%、粒度彡75 μ m的還原鉬粉；碳為粒度2 3ym的膠體石墨。
全文摘要
本發(fā)明涉及塑性成形技術(shù)和粉末冶金技術(shù)，具體是指一種碳化鎢顆粒增強的鐵基粉末冶金材料及其制備方法。鐵基粉末冶金材料具體配方按質(zhì)量百分比計的組分及其含量如下基體材料85.0～90.0％，增強相碳化鎢10.0～15.0％；所述基體材料按質(zhì)量百分比計的組分及其含量為銅1.4～2.0％，鎳1.7～2.0％，鉬0.9～1.2％，碳0.7～1.6％，余量為鐵。本發(fā)明采用放電等離子快速燒結(jié)，所得材料具有近全致密、硬度高、室溫抗彎強度好和高溫力學(xué)性能優(yōu)異等特點，可用作耐磨材料、刀具材料等，可減少我國刀具材料生產(chǎn)對釩、鉻等貴重金屬的進口依賴。本發(fā)明性價比高，工業(yè)化生產(chǎn)前景好。
文檔編號C22C32/00GK102071360SQ20111000827
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月14日
發(fā)明者葉永權(quán), 李元元, 李小強, 賴燕根, 陳志成 申請人:華南理工大學(xué)