CN104889403B - 一种铁基粉末冶金零件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铁基粉末冶金零件的制备方法，该方法结合了粉末冶金工艺与金属挤压成形的优点，通过使用不同结构的挤压凸模，可以在烧结后挤压制作各种形状复杂的零件，而现有技术中制备形状复杂的零件需要使用价格昂贵的CNC压机，本发明的制备方法制备成本更低；由于在挤压过程中，随着凸模的移动，材料发生流动，从而提升了粉末冶金零件部分区域的密度，使所制备的粉末冶金零件具有较高的精度及强度，拓展了粉末冶金的应用领域；由于采用粉末冶金工艺成形的毛坯零件形状较为接近最终产品的形状，因此挤压余量小，对模具的损耗小，在一定程度上延长了模具的寿命较长；同时，本发明的制备方法简单，生产效率高。
Description
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术领域，具体指一种铁基粉末冶金零件的制备方法。
背景技术
随着工业的发展，对零件的要求越来越高，受成本、交货周期和噪音等方面的影响，机械加工的零件往往难以满足要求。粉末冶金是一项能制造形状复杂零件的技术，具有节省原材料、节能、省工的特点，适合于大批量生产。
采用普通的雾化铁粉经成形和烧结，铁基粉末冶金零件的密度只能达到7.1g/cm3左右，采用成形-预烧结-复压-二次烧结的复压复烧工艺可进一步提高粉末冶金零件的密度。其中，预烧结有两个作用。一方面，对成形时已经加工硬化的粉末进行退火，降低铁粉颗粒的屈服强度，利于二次压制时提高密度；另一方面，脱出产品中的有机润滑剂。润滑剂会在产品中占据较大的空间，由于有机润滑剂的密度较低，成形时这些润滑剂难以压缩，导致粉末冶金零件密度的提高受到限制。经过预烧结后95％以上的润滑剂都能够脱出，这样复压时润滑剂占据的位置就可以被压缩，有利于提高粉末冶金零件的密度。然而，对于形状复杂的零件，成形时需要使用价格昂贵的CNC压机，且复压时难以使每个台阶都致密或者难以选择致密的部位。
其它材料的粉末冶金零件大都采用制粉、混合、包套、挤压(锻造)、机械加工等方式生产，零件的性能较好，甚至超过直接锻造的零件，但是，零件的制造流程长、制造成本高，且零件的制造不是近净成形工艺，粉末冶金工艺的优势得不到充分的发挥。对于机电应用零件，传统的方法都是通过机械加工成形的。目前，机械加工零件的主要加工方法有钢材直接通过机械加工的方法成形以及通过冷挤压成形。其中，机械加工的方法工序长、原材料利用率低，原材料利用率大约在40～60％之间，导致产品的生产成本高，且产品的一致性较差、生产效率低，难以满足大批量生产一致性好的产品的要求。而采用冷挤压的方法成形，一般需要温锻制坯，然后冷挤压成形，该方法可使材料的利用率达到90％左右，且生产效率较高，但是，冷挤压的方法对模具损耗较大，同样存在生产成本高的问题。
《表面致密化——一种提高烧结齿轮性能的有效方法》(粉末冶金技术；2005，23：62)介绍了表面齿轮致密化技术，这是一种实现齿面局部致密化的方法，主要通过局部致密化解决齿轮的失效问题，由于大部分失效为表面接触疲劳，因此提高密度可以提高零件的疲劳性能。然而，上述表面致密化技术仅适用于回转零件的外表面，例如齿轮、圆形零件等，对其它形状的零件并不适用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种铁基粉末冶金零件的制备方法，该方法工艺步骤简单、制备成本低、效率高，对模具损耗小，所制备的粉末冶金零件具有较高的精度及强度。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种铁基粉末冶金零件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)设计材料组成：按重量百分比计，所使用材料包含0～1.0％碳、0～4％铜、0～20％镍、0～25％钼、0～6％铬、0～1.0％磷、0～20％锰，不超过2％的不可避免杂质以及余量的铁；
(2)混料：按照步骤(1)的材料组成，将各组分进行混合得到混合粉，并向该混合粉中加入占混料总质量0.1～1％的润滑剂；
(3)压制：将步骤(2)所得混合料在大于400MPa的压力下，压制成密度为6.4～7.4g/cm3的零件生坯；
(4)烧结：将步骤(3)所得零件生坯在非氧化性气氛中进行烧结，烧结温度为1000～1350℃，烧结时间为5～180min；
(5)挤压：将步骤(4)所得零件生坯进行挤压，挤压深度为1～30mm。
作为本发明的进一步改进，在步骤(4)完成后，步骤(5)开始前，在非氧化性气氛中对烧结后的零件生坯进行退火处理，退火温度为750～1080℃，退火保温时间5～200min，退火处理完成后从退火温度到300℃之间的冷却速度小于1.5℃/s。
再改进，在步骤(5)完成后，对所得零件进行热处理，热处理的硬化层深度0.2～5mm，淬火温度为750～1250℃，保温30～45min；回火温度为150～600℃，保温5～200min。
作为优选，步骤(5)所述的挤压过程中，采用的挤压凸模包括导向段及连接于该导向段上端的定径段，所述导向段成型为圆锥角为125°～130°的圆锥状。
优选地，步骤(5)所述的挤压过程中，采用的挤压凸模包括导向段及连接于该导向段上端的定径段，所述导向段成型为上端大、下端小的圆锥台状，且该圆锥台断面的斜边与底边之间所成的锐角为3°～5°。
优选地，步骤(5)所述的挤压过程中，采用的挤压凸模包括导向段及连接于该导向段上端的定径段，所述导向段自上而下端面直径逐渐减小且侧面成型为圆弧面。
采用上述挤压凸模的结构，可以根据需要对零件生坯进行单面或双面挤压，在烧结后通过挤压的方式在零件生坯上挤压出所需的各种复杂面形，而现有技术中需要材料价格昂贵的CNC成型机才能完成。
在上述各方案中，所述的非氧化性气氛是指真空环境或含氢1～75vol％的氮氢气氛。
在所述热处理完成后，对所得产品进行喷丸处理。这样的处理方式可以进一步提高产品的疲劳度和表面密度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明结合了粉末冶金工艺与金属挤压成形的优点，通过使用不同结构的挤压凸模，可以在烧结后挤压制作各种形状复杂的零件，而现有技术中制备形状复杂的零件需要使用价格昂贵的CNC压机，本发明的制备方法制备成本更低；
同时，由于在挤压过程中，凸模不断移动，使材料发生流动，从而提升了粉末冶金零件部分区域的密度，使所制备的粉末冶金零件具有较高的精度及强度，拓展了粉末冶金的应用领域；
由于采用粉末冶金工艺成形的毛坯零件形状较为接近最终产品的形状，因此挤压余量小，对模具的损耗小，在一定程度上延长了模具的寿命较长；
另外，本发明的制备方法简单，可根据所设计的材料组分灵活调整制备步骤，生产效率高；当碳含量低于0.2％时，可以省略退火处理及热处理，当碳含量大于0.4％时，增加退火处理及热处理，可有效提高零件的密度。
附图说明
图1为本发明实施例1、2中挤压凸模的结构示意图；
图2为本发明实施例3、4中挤压凸模的结构示意图；
图3为本发明实施例5、6中挤压凸模的结构示意图；
图4为图1中挤压凸模进行单面挤压时的结构示意图；
图5为图1中挤压凸模进行双面挤压时的结构示意图；
图6为图2中挤压凸模进行单面挤压时的结构示意图；
图7为图2中挤压凸模进行双面挤压时的结构示意图；
图8为图3中挤压凸模进行单面挤压时的结构示意图；
图9为图3中挤压凸模进行双面挤压时的结构示意图；
图10为本发明实施例1中挤压区域的形貌图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例中铁基粉末冶金零件的制备方法包括以下步骤：
(1)设计材料组成：按重量百分比计，所使用材料包含雾化铁粉97.2％、碳0.7％、铜粉2％；
(2)混料：按照步骤(1)的材料组成，将各组分进行混合得到混合粉，并向该混合粉中加入占混料总质量0.1％的润滑剂；
(3)压制：将步骤(2)所得混合料在600MPa的压力下，压制成密度为6.4g/cm3的零件生坯；
(4)烧结：将步骤(3)所得零件生坯在含氢1vol％的氮氢气氛中进行烧结，烧结温度为1000℃，烧结时间为5min；
(5)退火处理：在含氢1vol％的氮氢气氛中对烧结后的零件生坯进行退火处理，退火温度为750℃，退火保温时间200min，退火处理完成后从退火温度到300℃之间的冷却速度为1℃/s；
(6)挤压：将步骤(5)所得零件生坯进行挤压，挤压深度为8mm；如图1所示，所采用的挤压凸模包括导向段及连接于该导向段上端的定径段，导向段成型为圆锥角α为125°的圆锥状；如图4所示，图4a、4b、4c分别为根据不同要求采用该挤压凸模对零件生坯进行单面挤压的结构示意图，其中，4a’、4b’、4c’为根据不同要求采用该挤压凸模对零件生坯进行单面挤压的俯视图，4a”、4b”、4c”为根据不同要求采用该挤压凸模对零件生坯进行单面挤压的剖视图；图10为挤压区域的形貌图，可以看出，经挤压后，零件生坯的局部区域密度变大；
(7)热处理：热处理的硬化层深度0.2mm，淬火温度为750℃，保温45min；回火温度为600℃，保温5min；
(8)喷丸处理。
实施例2：
本实施例中铁基粉末冶金零件的制备方法包括以下步骤：
(1)设计材料组成：按重量百分比计，所使用材料包含50％铁合金粉、48.7％纯铁粉及0.8％碳，其中，铁合金粉中铬含量为3％，钼含量为25％，不可避免杂质含量小于1％，余量为铁；
(2)混料：按照步骤(1)的材料组成，将各组分进行混合得到混合粉，并向该混合粉中加入占混料总质量0.5％的润滑剂；
(3)压制：将步骤(2)所得混合料在大于500MPa的压力下，压制成密度为7.2g/cm3的零件生坯；
(4)烧结：将步骤(3)所得零件生坯在含氢10vol％的氮氢气氛中进行烧结，烧结温度为1120℃，烧结时间为20min；
(5)退火处理：在含氢10vol％的氮氢气氛中对烧结后的零件生坯进行退火处理，退火温度为850℃，退火保温时间60min，退火处理完成后从退火温度到300℃之间的冷却速度小于1.2℃/s；
(6)挤压：将步骤(5)所得零件生坯进行挤压，挤压深度为5mm；如图1所示，所采用的挤压凸模包括导向段及连接于该导向段上端的定径段，导向段成型为圆锥角α为130°的圆锥状；如图5所示，图5a、5b、5c分别为根据不同要求采用该挤压凸模对零件生坯进行双面挤压的结构示意图，其中，5a’、5b’、5c’为根据不同要求采用该挤压凸模对零件生坯进行双面挤压的俯视图，5a”、5b”、5c”为根据不同要求采用该挤压凸模对零件生坯进行双面挤压的剖视图；
(7)热处理：热处理的硬化层深度5mm，淬火温度为1250℃，保温30min；回火温度为150℃，保温200min；
(8)喷丸处理。
实施例3：
本实施例中铁基粉末冶金零件的制备方法包括以下步骤：
(1)设计材料组成：按重量百分比计，所使用材料包含98.7％铁合金粉、0.3％碳，其中，铁合金粉中包含铬6％，钼1％，不可避免杂质小于1％，余量为铁；
(2)混料：按照步骤(1)的材料组成，将各组分进行混合得到混合粉，并向该混合粉中加入占混料总质量1％的润滑剂；
(3)压制：将步骤(2)所得混合料在大于600MPa的压力下，压制成密度为6.6g/cm3的零件生坯；
(4)烧结：将步骤(3)所得零件生坯在真空气氛中进行烧结，烧结温度为1350℃，烧结时间为60min；
(5)退火处理：在真空气氛中对烧结后的零件生坯进行退火处理，退火温度为890℃，退火保温时间60min，退火处理完成后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.15℃/s；
(6)挤压：将步骤(5)所得零件生坯进行挤压，挤压深度为17mm；如图2所示，采用的挤压凸模包括导向段及连接于该导向段上端的定径段，导向段成型为上端大、下端小的圆锥台状，且该圆锥台断面的斜边与底边之间所成的锐角β为3°；如图6所示，图6a、6b、6c分别为根据不同要求采用该挤压凸模对零件生坯进行单面挤压的结构示意图，其中，6a’、6b’、6c’为根据不同要求采用该挤压凸模对零件生坯进行单面挤压的俯视图，6a”、6b”、6c”为根据不同要求采用该挤压凸模对零件生坯进行单面挤压的剖视图；
(7)热处理：渗碳淬火，渗碳温度为920℃，回火温度为200℃，保温130min；
(8)喷丸处理。
实施例4：
本实施例中铁基粉末冶金零件的制备方法包括以下步骤：
(1)设计材料组成：按重量百分比计，所使用材料包含98.7％铁合金粉、1.0％碳，其中，铁合金粉中钼含量为0.5％，铜含量为4％，镍含量为1.75％，不可避免杂质小于1％，余量为铁；
(2)混料：按照步骤(1)的材料组成，将各组分进行混合得到混合粉，并向该混合粉中加入占混料总质量0.3％的润滑剂；
(3)压制：将步骤(2)所得混合料在大于800MPa的压力下，压制成密度为7.4g/cm3的零件生坯；
(4)烧结：将步骤(3)所得零件生坯在含氢75vol％的氮氢气氛中进行烧结，烧结温度为1350℃，烧结时间为5min；
(5)退火处理：在含氢75vol％的氮氢气氛中对烧结后的零件生坯进行退火处理，退火温度为1080℃，退火保温时间10min，退火处理完成后从退火温度到300℃之间的冷却速度小于1.0℃/s；
(6)挤压：将步骤(5)所得零件生坯进行挤压，挤压深度为15mm；如图2所示，采用的挤压凸模包括导向段及连接于该导向段上端的定径段，导向段成型为上端大、下端小的圆锥台状，且该圆锥台断面的斜边与底边之间所成的锐角β为5°；如图7所示，图7a、7b、7c分别为根据不同要求采用该挤压凸模对零件生坯进行双面挤压的结构示意图，其中，7a’、7b’、7c’为根据不同要求采用该挤压凸模对零件生坯进行双面挤压的俯视图，7a”、7b”、7c”为根据不同要求采用该挤压凸模对零件生坯进行双面挤压的剖视图；
(7)热处理：热处理的硬化层深度5mm，淬火温度为1250℃，保温30min；回火温度为180℃，保温100min；
(8)喷丸处理。
实施例5：
本实施例中铁基粉末冶金零件的制备方法包括以下步骤：
(1)设计材料组成：按重量百分比计，所使用材料包含铁粉96.5％、3％Fe3P；
(2)混料：按照步骤(1)的材料组成，将各组分进行混合得到混合粉，并向该混合粉中加入占混料总质量0.5％的润滑剂；
(3)压制：将步骤(2)所得混合料在大于700MPa的压力下，压制成密度为7.0g/cm3的零件生坯；
(4)烧结：将步骤(3)所得零件生坯在含氢25vol％的氮氢气氛中进行烧结，烧结温度为1120℃，烧结时间为20min；
(5)挤压：将步骤(4)所得零件生坯进行挤压，挤压深度为25mm；如图3所示，采用的挤压凸模包括导向段及连接于该导向段上端的定径段，导向段自上而下端面直径逐渐减小且侧面成型为圆弧面；如图8所示，图8a、8b、8c分别为根据不同要求采用该挤压凸模对零件生坯进行单面挤压的结构示意图，其中，8a’、8b’、8c’为根据不同要求采用该挤压凸模对零件生坯进行单面挤压的俯视图，8a”、8b”、8c”为根据不同要求采用该挤压凸模对零件生坯进行单面挤压的剖视图。
实施例6：
本实施例中铁基粉末冶金零件的制备方法包括以下步骤：
(1)设计材料组成：按重量百分比计，所使用材料包含铁粉76.3％、铁锰粉22.2％、碳1％，其中，铁锰粉中锰含量为85％；
(2)混料：按照步骤(1)的材料组成，将各组分进行混合得到混合粉，并向该混合粉中加入占混料总质量0.5％的润滑剂；
(3)压制：将步骤(2)所得混合料在大于600MPa的压力下，压制成密度为6.4g/cm3的零件生坯；
(4)烧结：将步骤(3)所得零件生坯在含氢20vol％的氮氢气氛中进行烧结，烧结温度为1350℃，烧结时间为20min；
(5)挤压：将步骤(4)所得零件生坯进行挤压，挤压深度为30mm；如图3所示，采用的挤压凸模包括导向段及连接于该导向段上端的定径段，导向段自上而下端面直径逐渐减小且侧面成型为圆弧面；如图9所示，图9a、9b、9c分别为根据不同要求采用该挤压凸模对零件生坯进行双面挤压的结构示意图，其中，9a’、9b’、9c’为根据不同要求采用该挤压凸模对零件生坯进行双面挤压的俯视图，9a”、9b”、9c”为根据不同要求采用该挤压凸模对零件生坯进行双面挤压的剖视图。
Claims (3)
1.一种铁基粉末冶金零件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)设计材料组成：按重量百分比计，所使用材料包含0～1.0％碳、0～4％铜、0～20％镍、0～25％钼、0～6％铬、0～1.0％磷、0～20％锰，不超过2％的不可避免杂质以及余量的铁；
(2)混料：按照步骤(1)的材料组成，将各组分进行混合得到混合粉，并向该混合粉中加入占混料总质量0.1～1％的润滑剂；
(3)压制：将步骤(2)所得混合料在大于400MPa的压力下，压制成密度为6.4～7.4g/cm3的零件生坯；
(4)烧结：将步骤(3)所得零件生坯在非氧化性气氛中进行烧结，烧结温度为1000～1350℃，烧结时间为5～180min；在非氧化性气氛中对烧结后的零件生坯进行退火处理，退火温度为750～1080℃，退火保温时间5～200min，退火处理完成后从退火温度到300℃之间的冷却速度小于1.5℃/s；
(5)挤压：将步骤(4)所得零件生坯进行挤压，挤压深度为1～30mm；对所得零件进行热处理，热处理的硬化层深度0.2～5mm，淬火温度为750～1250℃，保温30～45min；回火温度为150～600℃，保温5～200min；
该过程中所采用的挤压凸模包括导向段及连接于该导向段上端的定径段，所述导向段成型为圆锥角为125°～130°的圆锥状；或者
挤压凸模包括导向段及连接于该导向段上端的定径段，所述导向段成型为上端大、下端小的圆锥台状，且该圆锥台断面的斜边与底边之间所成的锐角为3°～5°；或者
挤压凸模包括导向段及连接于该导向段上端的定径段，所述导向段自上而下端面直径逐渐减小且侧面成型为圆弧面。
2.根据权利要求1所述的铁基粉末冶金零件的制备方法，其特征在于：所述的非氧化性气氛是指真空环境或含氢1～75vol％的氮氢气氛。
3.根据权利要求1所述的铁基粉末冶金零件的制备方法，其特征在于：在所述热处理完成后，对所得产品进行喷丸处理。
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