CN120099409A - 含Cr预合金基粉、CrMoNi预合金粉末冶金PM材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及粉末冶金技术领域，具体涉及含Cr预合金基粉、CrMoNi预合金粉末冶金PM材料及其制备方法。本发明的含Cr预合金基粉由如下质量百分比的化学成分组成：Cr 2.8%~3.3%、Si 0.90%~1.2%，余量为铁，且各化学成分的质量百分比之和为100%。利用本发明的含Cr预合金基粉，与预合金钼基粉、镍粉、铜粉、石墨、硬脂酸锌、助流剂和粘结剂混合，经压制、烧结以及回火处理，得到CrMoNi预合金粉末冶金PM材料。相比于现有的高强度含Cr预合金粉末冶金材料，本发明的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料具有更高的抗拉强度，满足市场对高强度、高性能含Cr预合金粉末冶金材料的需求。

Description

含Cr预合金基粉、CrMoNi预合金粉末冶金PM材料及其制备 方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，具体涉及含Cr预合金基粉、CrMoNi预合金粉末冶金PM材料及其制备方法。

背景技术

粉末冶金作为一种集材料制备与成形于一体的先进工艺，凭借其高效、节能、材料利用率高的优点，在现代工业中占据了举足轻重的地位。特别是在汽车、航空航天、兵器制造、电子信息的高技术领域，粉末冶金材料的应用日益广泛。

含Cr预合金粉末冶金材料，由于其良好的耐腐蚀性、高温强度和耐磨性，在特定工业环境下展现出独特的性能优势，成为众多领域不可或缺的关键材料。然而，市场上高强度的含Cr预合金粉末冶金材料以进口为主，其价格较高，限制了应用范围。同时，市场上高强度含Cr预合金粉末冶金材料的抗拉强度主要集中在700Mpa~850Mpa范围内，尚不能满足一些极端条件下的应用需求。因此，开发具有更高强度、更优性能的含Cr预合金粉末冶金材料及其制备方法，具有重要的战略意义和市场需求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了含Cr预合金基粉、CrMoNi预合金粉末冶金PM材料及其制备方法。本发明提供了一种含Cr预合金基粉，该含Cr预合金基粉通过精确控制Cr元素含量为2.8%~3.3%和Si元素含量0.90%~1.2%，实现了含Cr预合金基粉性能的优化。进一步地，采用本发明含Cr预合金基粉，与预合金钼基粉、镍粉、铜粉、石墨、硬脂酸锌、助流剂和粘结剂混合，经压制、烧结以及回火处理，制得的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料。相比于现有市场上的高强度含Cr预合金粉末冶金材料，本发明的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料具有更高的抗拉强度，满足市场对高强度、高性能含Cr预合金粉末冶金材料的需求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明的第一个目的是提供一种含Cr预合金基粉，所述含Cr预合金基粉由如下质量百分比的化学成分组成：Cr 2.8%~3.3%和Si 0.90%~1.2%，余量为铁，且各化学成分的质量百分比之和为100%。

优选的，含Cr预合金基粉的粒径为63μm~180μm；其中，含Cr预合金基粉的粒径分布会影响其松装密度，即含Cr预合金基粉在无外力作用下自然堆积时的密度；粒径越细，松装密度通常越小；而通过调整粒径分布，能够优化松装密度，从而影响粉末冶金制品的整体密度和机械性能。此外，粒径分布均匀的含Cr预合金基粉在烧结过程中更容易实现均匀致密化，有助于提高末冶金制品的密度和强度。相反，若粒径分布不均，则导致烧结不均匀，产生缺陷，降低材料性能。

本发明的第二个目的是提供上述含Cr预合金基粉的制备方法，包括以下步骤：

S1、根据含Cr预合金基粉化学成分的质量百分比，称取工业纯铁、金属铬和硅铁粉。

S2、将工业纯铁、金属铬和硅铁粉混合，并进行冶炼处理，得到钢水。

S3、将钢水进行雾化处理，得到含Cr预合金基粉。

优选的，冶炼处理的吹氧压力为0.6MPa~0.8MPa。

优选的，出钢温度为1690℃~1740℃。

优选的，雾化处理的温度为1650℃~1710℃，压力为11Mpa~12Mpa，真空度为-0.06Mpa~0.02Mpa。

其中，就雾化温度而言，若雾化温度高于或低于该范围，均会导致雾化过程失败，进而导致含Cr预合金基粉粒度偏粗或偏细；就压力而言，压力高于或低于该范围，均易造成含Cr预合金基粉成分超出允许偏差范围，影响最终含Cr预合金基粉的质量和性能；就真空度而言，若真空度超出规定范围，将显著增加含Cr预合金基粉的氢损，进而对含Cr预合金基粉的纯净度和使用效果产生不利影响。

本发明的第三个目的是提供一种CrMoNi预合金粉末冶金PM材料，采用上述含Cr预合金基粉制得，所述CrMoNi预合金粉末冶金PM材料由如下质量百分比的化学成分组成：Cr1.0%~1.5%、Mo 0.60%~1.0%、Ni 2.0%~2.6%、Cu 1.6%~2.2%、C 0.8%~1.3%、硬脂酸锌0.6%~0.8%、助流剂0.5%、粘结剂0.03%，余量为铁和杂质，且各化学成分的质量百分比之和为100%。

本发明的第四个目的是提供上述CrMoNi预合金粉末冶金PM材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、根据CrMoNi预合金粉末冶金PM材料化学成分的质量百分比，称取含Cr预合金基粉、预合金钼基粉、镍粉、铜粉、石墨、硬脂酸锌、助流剂和粘结剂。

S2、将含Cr预合金基粉、预合金钼基粉、镍粉、铜粉、石墨、硬脂酸锌、助流剂和粘结剂进行混合，得到CrMoNi预合金粉末。

S3、将CrMoNi预合金粉末进行试棒压制，得到压制试棒。

S4、将压制试棒水平放置于陶瓷平板上，进行烧结处理，得到烧结试样棒。

S5、将烧结试样棒水平放置于陶瓷平板上进行回火处理，得到CrMoNi预合金粉末冶金PM材料。

优选的，CrMoNi预合金粉末的松装密度3.0g/cm³~3.3g/cm³，流动性28s/50g~36s/50g。

优选的，烧结处理的条件为：于1135℃~1145℃、网速110mm/min~130mm/min、风机12Hz~23Hz的条件下烧结2.0h~2.5h。

优选的，回火处理的条件为：于190℃~200℃、网速110mm/min~130mm/min的条件下，网带式回火处理1.5h~2.h。

优选的，压制试棒两端以及中间部位的厚度均为6.3mm±0.05mm，压制试棒的密度≥7.05g/cm³，且压制试棒的外观不能有裂纹。

优选的，预合金钼基粉中，钼的质量百分比为1.5%，余量为铁。

优选的，预合金钼基粉按照以下步骤制备：

将工业纯铁和金属钼混合，并于0.6MPa的吹氧压力下进行冶炼处理后，于1690℃下出钢，得到钢水；其中，金属钼的质量百分比为1.5%，余量为工业纯铁，工业纯铁与金属钼的质量百分比之和为100%；将钢水送入雾化装置，在温度为1650℃、雾化压力为11MPa以及真空度为-0.06MPa的条件下进行雾化处理，并于100℃下进行干燥，经粉碎筛分后，得到预合金钼基粉。

优选的，粘结剂选自助流剂R330。

优选的，助流剂选自粉末冶金粘结剂DCS-200 BAP-1。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供一种含Cr预合金基粉，所述含Cr预合金基粉由如下质量百分比的化学成分组成：Cr 2.8%~3.3%和Si 0.90%~1.2%，其余为铁，且各化学组分的质量百分比之和为100%。该含Cr预合金基粉的粒度分布较为均匀，其中-45μm以下的颗粒占到了58.28%，表明含Cr预合金基粉中细颗粒占比较大，有利于后续的加工和应用。

2、相较于当前市场上高强度含Cr预合金粉末冶金材料，其抗拉强度普遍为700MPa至850MPa。采用本发明的含Cr预合金基粉，与预合金钼基粉、镍粉、铜粉、石墨、硬脂酸锌、助流剂和粘结剂混合，经压制、烧结以及回火处理，制得的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料展现出了显著增强的性能特征，其抗拉强度高达950MPa至1100MPa，实现了性能上的飞跃。

附图说明

图1为实施例1的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料应力应变曲线图。

图2为实施例2的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料应力应变曲线图。

图3为实施例3的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料应力应变曲线图。

图4为市场上牌号为4300的高强度含Cr预合金粉末冶金材料应力应变曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的数据，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围，除非另有特别说明，本发明以下各实施例中用到的各种原料、试剂、仪器和设备均能够通过市场购买得到或者通过现有方法制备得到。其中，本发明的硅铁粉选自FeSi75-A，硅的质量百分比为74.5%~80%；粉末冶金助流剂R330，简记为R330，购自上海纳众化工新材料有限公司；粉末冶金粘结剂DCS-200 BAP-1，简记为DCS-200BAP-1，购自南京天诗润滑剂有限公司。

现有技术中，尽管粉末冶金工艺因其在材料制备与成形方面的独特优势而在多个高科技领域得到广泛应用，含Cr预合金粉末冶金材料也因其出色的耐腐蚀性、高温强度和耐磨性而备受青睐，但该技术仍面临诸多挑战。但市场上高强度含Cr预合金粉末冶金材料的供应主要依赖进口，高昂的价格使得其应用范围受限。此外，现有高强度含Cr预合金粉末冶金材料的抗拉强度区间虽能满足一般需求，但在某些极端条件下，如超高压、超高温或强腐蚀环境，其性能仍显不足。

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种含Cr预合金基粉由如下质量百分比的化学成分组成：Cr 2.8%~3.3%、Si 0.90%~1.2%，余量为铁，且各化学成分的质量百分比之和为100%。

本发明考虑到在粉末冶金材料中引入低成本的Cr元素，旨在通过Cr的添加形成细小且均匀散布的含Cr预合金基粉，这一特性显著增强了含Cr预合金基粉的硬度与耐磨性能。此外，Cr元素还能在含Cr预合金基粉表面自然形成一层致密的氧化保护膜，该膜层有效阻隔了腐蚀性介质的侵蚀，从而大幅度提升了含Cr预合金基粉的耐腐蚀性能。因此，本发明的含Cr预合金基粉能够适用于制造在极端腐蚀环境中作业的部件，包括但不限于化工设备的关键组件以及海洋工程装备中的重要零件，展现出广泛的应用潜力和价值。

利用本发明的含Cr预合金基粉，与预合金钼基粉、镍粉、铜粉、石墨、硬脂酸锌、助流剂和粘结剂混合，经压制、烧结以及回火处理，获得的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料具有高的抗拉强度和韧性，能够满足复杂工况下的使用要求。本发明的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料不仅能够在汽车DCT变速器粉末冶金同步器，发动机零部件，以及强度高的异形的结构零件中应用，还能够有效承受更高的载荷与应力水平，从而显著提升变速器的换挡平顺性与发动机的可靠性和耐久性。

实施例1

一种CrMoNi预合金粉末冶金PM材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、含Cr预合金基粉的制备：

首先，将96kg工业纯铁、3kg金属铬和1kg硅铁粉混合后，在温度为1690℃、吹氧压力0.6MPa的条件下进行冶炼处理，得到钢水；然后，将钢水送入雾化装置，在温度为1650℃、雾化压力为11MPa以及真空度为-0.06MPa的条件下进行雾化处理，并于100℃下进行干燥，经粉碎筛分后，得到含Cr预合金基粉。其中，含Cr预合金基粉的化学成分组成：硅0.9%、铬3.3%、铁95.8%。

S2、CrMoNi预合金粉末冶金PM材料的制备：

首先，将含Cr预合金基粉、预合金钼基粉、镍粉、铜粉、石墨、硬脂酸锌、R330和DCS-200 BAP-1按照43：52.04：2：2：0.55：0.35：0.03：0.03的质量比进行混合，得到CrMoNi预合金粉；然后，将CrMoNi预合金粉按照密度7.05g/cm³进行试棒压制，得到压制试棒；其中，压制试棒的中间厚度为6.3mm，两端厚度为6.3mm；接着，将压制试棒平放在陶瓷平板上，置于德国网带快冷烧结炉中进行快冷烧结，设置烧结的温度为1135℃，网速为110mm/min，风机为23Hz，得到烧结试样棒；最后，将烧结试样棒于200℃下进行回火处理1.5h后，自然冷却至室温，得到CrMoNi预合金粉末冶金PM材料。

得到的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料中，Cr 1.5wt%、Mo 1.0wt%、Ni 2.6wt%、Cu2.2wt%、C 1.3wt%。

实施例2

一种CrMoNi预合金粉末冶金PM材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、含Cr预合金基粉的制备：

首先，将96kg工业纯铁、3kg金属铬和1kg硅铁粉混合后，于温度为1740℃、吹氧压力0.8MPa的条件下进行冶炼处理，得到钢水；然后，将钢水送入雾化装置，于温度为1710℃、雾化压力为12MPa以及真空度为0.02MPa的条件下进行雾化处理，并于100℃下进行干燥，经粉碎筛分后，得到含Cr预合金基粉。其中，含Cr预合金基粉的化学成分组成：硅1.2%、铬3%、铁95.8%。

S2、CrMoNi预合金粉末冶金PM材料的制备：

首先，将含Cr预合金基粉、预合金钼基粉、镍粉、铜粉、石墨、硬脂酸锌、R330和DCS-200 BAP-1按照43：52.04：2：2：0.55：0.35：0.03：0.03的质量比进行混合，得到CrMoNi预合金粉；然后，将CrMoNi预合金粉按照密度7.05g/cm³进行试棒压制，得到压制试棒；其中，压制试棒的中间厚度为6.25mm，两端厚度为6.25mm；接着，将压制试棒平放在陶瓷平板上，置于德国网带快冷烧结炉中进行快冷烧结，设置烧结的温度为1135℃，网速为110mm/min，风机为23Hz，得到烧结试样棒；最后，将烧结试样棒于200℃下进行回火处理1.5h后，自然冷却至室温，得到CrMoNi预合金粉末冶金PM材料。

得到的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料中，Cr 1.2wt%、Mo 0.8wt%、Ni 2.3wt%、Cu2.0wt%、C 1wt%。

实施例3

一种CrMoNi预合金粉末冶金PM材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、含Cr预合金基粉的制备：

首先，将96kg工业纯铁、3kg金属铬和1kg硅铁粉混合后，于温度为1740℃、吹氧压力0.8MPa的条件下进行冶炼处理，得到钢水；然后，将钢水送入雾化装置，于温度为1710℃、雾化压力为12MPa以及真空度为0.02MPa的条件下进行雾化处理，并于100℃下进行干燥，经粉碎筛分后，得到含Cr预合金基粉。其中，含Cr预合金基粉的化学成分组成：硅1%、铬2.8%、铁96.2%。

S2、CrMoNi预合金粉末冶金PM材料的制备：

首先，将含Cr预合金基粉、预合金钼基粉、镍粉、铜粉、石墨、硬脂酸锌、R330和DCS-200 BAP-1按照43：52.04：2：2：0.55：0.35：0.03：0.03的质量比进行混合，得到CrMoNi预合金粉；然后，将CrMoNi预合金粉按照密度7.05g/cm³进行试棒压制，得到压制试棒；其中，压制试棒的中间厚度为6.35mm，两端厚度为6.35mm；接着，将压制试棒平放在陶瓷平板上，置于德国快冷烧结炉中进行快冷烧结，设置烧结的温度为1135℃，网速为130mm/min，风机为23Hz，得到烧结试样棒；最后，将烧结试样棒于200℃下进行回火处理1.5h后，自然冷却至室温，得到CrMoNi预合金粉末冶金PM材料。

得到的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料中，Cr 1.0wt%、Mo 0.6wt%、Ni 2.0wt%、Cu1.6wt%、C 0.8wt%。

对上述实施例1制得的含Cr预合金基粉进行物理性能、筛分析、化学性能分析，结果如表1~表2所示：

表1 实施例1制得的含Cr预合金基粉物理性能表

表2 实施例1制得的含Cr预合金基粉筛分析结果表

结合表1和表2得出，本发明实施例1制得的含Cr预合金基粉具有良好的物理性能，其流动性为30.0S/50g，松装密度为2.97g/cm³，压坯密度高达6.68g/cm³。筛分析结果显示，该含Cr预合金基粉的粒度分布较为均匀，其中-45μm以下的颗粒占到了58.28%，表明含Cr预合金基粉中细颗粒占比较大，有利于后续的加工和应用。

以实施例1制得的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料为例，对其力学性能进行研究，结果如表3所示：

表3 实施例1制得的CrMoNi预合金粉末的性能分析结果表

由表3得出，实施例1制得的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料在化学组成上严格满足了设计要求，石墨、硫、磷、锰、硅、氧杂质元素含量均控制在较低水平，而关键合金元素Cr、Mo、Cu的含量则精确控制在预定范围内，确保了CrMoNi预合金粉末冶金PM材料的优异性能。在物理性能方面，CrMoNi预合金粉末展现出良好的流动性和松装密度，有利于CrMoNi预合金粉末的压制成型。此外，其在600MPa压力下，压缩性达到了7.10g/cm³，表明CrMoNi预合金粉末具有良好的压缩成型能力和致密度。粒径分析结果显示，大部分颗粒集中在150目~63目之间，且＜63目的细颗粒占比高达37.8%，这有利于CrMoNi预合金粉末的均匀分布和烧结致密化。

表4 实施例1~实施例3制得的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料以及4300粉的力学性能表

观察图1、图2和图3，结合表4得出，实施例1~实施例3制得的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料在断后伸长率和抗拉强度上略有差异。具体而言，实施例2的断后伸长率最高，同时其抗拉强度也达到了最高的1103MPa，显示出较好的韧性和强度综合性能。相比于现有技术的4300粉，如图4，本发明实施例1~实施例3在断后伸长率和抗拉强度上均有显著提升，表明本发明通过利用本发明的含Cr预合金基粉制得的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料的力学性能得到了显著提升。

需要说明的是，本发明中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均能够选用，由于采用的步骤方法与实施例相同，为了防止赘述，本发明描述了优选的实施例。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则能够对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

Claims (10)

1.一种含Cr预合金基粉，其特征在于，含Cr预合金基粉由如下质量百分比的化学成分组成：Cr 2.8%~3.3%、Si 0.90%~1.2%，余量为铁，且各化学成分的质量百分比之和为100%。

2.根据权利要求1所述的含Cr预合金基粉，其特征在于，含Cr预合金基粉的粒径为63μm~180μm。

3.一种权利要求1所述的含Cr预合金基粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据含Cr预合金基粉化学成分的质量百分比，称取工业纯铁、金属铬和硅铁粉；

将工业纯铁、金属铬和硅铁粉混合，并进行冶炼处理后出钢，得到钢水；

将钢水进行雾化处理，经过干燥、粉筛，得到含Cr预合金基粉。

4.根据权利要求3所述的含Cr预合金基粉的制备方法，其特征在于，冶炼处理的吹氧压力为0.6MPa~0.8MPa。

5.根据权利要求3所述的含Cr预合金基粉的制备方法，其特征在于，出钢温度为1690℃~1740℃。

6.一种CrMoNi预合金粉末冶金PM材料，其特征在于，采用权利要求1所述的含Cr预合金基粉制得，所述CrMoNi预合金粉末冶金PM材料由如下质量百分比的化学成分组成：Cr 1.0%~1.5%、Mo 0.60%~1.0%、Ni 2.0%~2.6%、Cu 1.6%~2.2%、C 0.8%~1.3%、硬脂酸锌0.6%~0.8%、助流剂0.03%、粘结剂0.03%，余量为铁和杂质，且各化学成分的质量百分比之和为100%。

7.一种权利要求6所述的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据CrMoNi预合金粉末冶金PM材料化学成分的质量百分比，称取含Cr预合金基粉、预合金钼基粉、镍粉、铜粉、石墨、硬脂酸锌、助流剂和粘结剂；

将含Cr预合金基粉、预合金钼基粉、镍粉、铜粉、石墨、硬脂酸锌、助流剂和粘结剂进行混合，得到CrMoNi预合金粉末；

将CrMoNi预合金粉末进行试棒压制，得到压制试棒；

将压制试棒水平放置于陶瓷平板上，进行烧结处理，得到烧结试样棒；

将烧结试样棒放置于陶瓷平板上进行回火处理，得到CrMoNi预合金粉末冶金PM材料。

8.根据权利要求7所述的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料的制备方法，其特征在于，CrMoNi预合金粉末的松装密度为3.0g/cm³~3.3g/cm³，流动性为28s/50g~36s/50g。

9.根据权利要求7所述的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料的制备方法，其特征在于，烧结处理的条件为：于1135℃~1145℃、网速110mm/min~130mm/min、风机10Hz~23Hz的条件下烧结2h~2.5h。

10.根据权利要求7所述的CrMoNi预合金粉末冶金PM材料的制备方法，其特征在于，回火处理的条件为：于190℃~200℃、网速110mm/min~130mm/min的条件下，网带式回火处理1.5h~2h。