一種低溫?zé)Y(jié)鋼及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于粉末冶金新材料制造關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種以電解錳、Cu-Sn合金粉、混合稀土為合金添加劑，既可用于制造粉末冶金結(jié)構(gòu)零件制造，也可用于減磨零件制造的粉末冶金低溫?zé)Y(jié)鋼及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]粉末冶金是制取金屬粉末或以金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經(jīng)過(guò)成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類(lèi)型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金材料具有獨(dú)特的化學(xué)組成和機(jī)械、物理性能，運(yùn)用粉末冶金技術(shù)可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油軸承/軸瓦等減磨件、齒輪/輪轂等結(jié)構(gòu)件，是一種少無(wú)切削工藝，因而燒結(jié)鋼及其零件的制造是粉末冶金技術(shù)的巨大貢獻(xiàn)的重要組成部分。
[0003]影響粉末冶金燒結(jié)材料與零件最終性能的主要因素為合金成分及成形與燒結(jié)工藝條件。為了降低互換性要求較高、結(jié)構(gòu)要求緊湊、批量大的機(jī)械零部件的制造成本，鐵基粉末冶金件成為機(jī)械工程師們的重要選項(xiàng)。一直以來(lái)，工程師們大多采用Fe-Cu-C或Fe-C系燒結(jié)材料制造減磨零件。此類(lèi)燒結(jié)材料的原材料成本、模具制造費(fèi)用與燒結(jié)溫度(一般為1050?IlO(TC)都較低，但其強(qiáng)度等力學(xué)性能較差，一般不適合結(jié)構(gòu)件的制造。由于燒結(jié)結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度等力學(xué)性能要求較高，工程師們通常在Fe-Cu-C或Fe-C系燒結(jié)材料中添加Mo、Ni等元素，但金屬M(fèi)o、Ni粉末價(jià)格昂貴，導(dǎo)致原材料成本直接攀升；另外，F(xiàn)e-Mo-N1-C系燒結(jié)材料的燒結(jié)溫度較高(一般為1150?1200°C)，從而使得鐵基結(jié)構(gòu)燒結(jié)合金的制造成本大幅上升。
[0004]在既要確保燒結(jié)零件的力學(xué)性能又要能降低制造成本的市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)下，優(yōu)化燒結(jié)合金鋼體系與制備工藝已成為研宄熱點(diǎn)，低溫?zé)Y(jié)結(jié)構(gòu)鋼合金體系、低成本原材料組合與低能耗制備工藝方案無(wú)疑已成為學(xué)者與企業(yè)家的共同努力方向。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中粉末冶金燒結(jié)鋼材質(zhì)與制備工藝存在的問(wèn)題與缺陷，本發(fā)明提供了一種低溫?zé)Y(jié)鋼，該燒結(jié)鋼以電解錳粉、Cu-Sn合金粉、混合稀土為合金添加劑，原材料成本低、燒結(jié)溫度低，既可用于制造粉末冶金結(jié)構(gòu)零件制造，也可用于減磨零件制造。
[0006]此外，還提供了一種低溫?zé)Y(jié)鋼的制備方法。
[0007]為實(shí)現(xiàn)以上技術(shù)目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種低溫?zé)Y(jié)鋼，其特征在于，其合金體系為Fe-Mn-Cu-Sn-Ce-C，原料包括電解猛粉、Cu-Sn合金粉、混合稀土粉、膠體石墨粉、鐵粉:以上各組分以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)分別為電解錳粉1.1%?1.5%、Cu-Sn合金粉4%?6%、混合稀土粉0.3%?0.7%、膠體石墨粉0.4%?0.6%、余量鐵粉。
[0008]較佳實(shí)施情況下，所述電解錳粉，其純度為99.9%、粒度為< 75um。
[0009]較佳實(shí)施情況下，所述Cu-Sn合金粉，其Cu:Sn質(zhì)量比為7:3，粒度為彡75um。
[0010]較佳實(shí)施情況下，所述混合稀土粉為富鈰混合稀土粉末，其粒度< 75um。
[0011]所述的任意一種低溫?zé)Y(jié)鋼，其是實(shí)質(zhì)上不含有鎳、鉬的無(wú)N1-M0廉價(jià)燒結(jié)鋼。
[0012]一種低溫?zé)Y(jié)鋼的制備方法，其特征在于，包括以下工藝步驟:
I )Cu-Sn合金粉末的制備:以電解紫銅板和高純錫錠為原材料制備Cu-Sn合金粉末，使其Cu:Sn質(zhì)量比7:3、粒度彡75um ；
2)配粉與混料:將電解錳粉、Cu-Sn合金粉、混合稀土粉、膠體石墨粉、鐵粉分別按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%?1.5%、4.0%?6.0%、0.3%?0.7%、0.4%?0.6%、余量鐵粉混合均勻后備用；
3)成形:取步驟2)獲得的均質(zhì)混合粉，使混合粉末按特定制品技術(shù)要求成形為規(guī)定形狀與尺寸的壓坯；
4)低溫?zé)Y(jié):將步驟3)獲得的壓坯放入具有保護(hù)氣氛的粉末冶金燒結(jié)爐中實(shí)施低溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度為950?1050°C、保溫時(shí)間30?45min。
[0013]較佳實(shí)施情況下，所述步驟I)中采用高純氮?dú)鈬婌F法制備Cu-Sn合金粉末。
[0014]較佳實(shí)施情況下，所述步驟3)成形工序?yàn)闇貕撼尚危唧w操作為取步驟2)獲得的均質(zhì)混合粉，在按特定制品技術(shù)要求設(shè)計(jì)制造的剛性成形模中溫壓成形，獲得溫壓壓坯，主要工藝參數(shù)為混合粉預(yù)熱溫度130?150°C、成形模具溫度130?180°C、成形壓力300?600MPa、保壓時(shí)間5?15s。
[0015]較佳實(shí)施情況下，所述步驟4)低溫?zé)Y(jié)中保護(hù)氣氛為氮基保護(hù)氣氛，其具體制備方法為向氨燃燒發(fā)生器送入氨氣與壓縮空氣的混合氣體，經(jīng)燃燒、冷凍脫水、吸附凈化工序通過(guò)調(diào)節(jié)氨氣與壓縮空氣的混合比獲得露點(diǎn)為_(kāi)35°C、含氫體積分?jǐn)?shù)為3%?5%的氮基保護(hù)氣氛。
[0016]一種低溫?zé)Y(jié)滑動(dòng)軸承，其特征在于，其利用上述任意一種方法制備得到。
[0017]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明提供的一種低溫?zé)Y(jié)鋼，該燒結(jié)鋼以電解錳粉、Cu-Sn合金粉、混合稀土為合金添加劑，摒棄了價(jià)格昂貴的N1、Mo等合金元素，原材料成本低；燒結(jié)溫度低，與同等性價(jià)比的燒結(jié)結(jié)構(gòu)鋼相比，燒結(jié)溫度降低80?100°C，降低了燃料消耗、具有節(jié)能環(huán)保優(yōu)點(diǎn)；既可用于制造粉末冶金結(jié)構(gòu)零件制造，也可用于減磨零件制造，如作為減磨材料部分替代6-6-3燒結(jié)青銅制備滑動(dòng)軸承，從而收獲節(jié)能、省材、增效多重經(jīng)濟(jì)/社會(huì)效益。
[0018]本發(fā)明提供的一種低溫?zé)Y(jié)鋼的制備方法，該方法首先采用高純氮?dú)鈬婌F法制備得到Cu:Sn質(zhì)量比的7:3的Cu-Sn合金粉末，以保證燒結(jié)鋼的活化燒結(jié)與強(qiáng)化效果；其次引入富鈰混合稀土作為合金添加劑，以收獲脫氧保碳、變質(zhì)夾雜物、細(xì)化合金晶粒，從而提升燒結(jié)合金綜合性能；混料過(guò)程中均采用粉末冶金常規(guī)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)物料的均勻混合，無(wú)需添加價(jià)格昂貴的粘結(jié)劑、分散劑等添加劑，嚴(yán)格控制了工藝成本支出；并首先通過(guò)溫壓成形得到溫壓壓坯，成形過(guò)程中嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，得到的具有較高強(qiáng)度的壓坯成分均勻且致密，然后在含有新生態(tài)的有限氫(僅有3%?5%)的氮基保護(hù)氣氛下實(shí)施低溫?zé)Y(jié)，不僅燒結(jié)溫度比常規(guī)燒結(jié)結(jié)構(gòu)鋼降低了 80?100°C，而且燒結(jié)操作過(guò)程無(wú)爆鳴、爆炸之憂，燒結(jié)坯無(wú)脫碳傾向、表面具有明顯的金屬光澤，從而使制品的強(qiáng)度、硬度、耐磨性等力學(xué)性能提高的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，是一種可廣泛推廣使用的低溫?zé)Y(jié)鋼的制備方法。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)說(shuō)明。在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其他方式來(lái)實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類(lèi)似改進(jìn)，因此本發(fā)明不受下面公開(kāi)的具體實(shí)施的限制。
[0020]一種低溫?zé)Y(jié)鋼，其合金體系為Fe-Mn-Cu-Sn-Ce -C，原料包括電解錳粉、Cu-Sn合金粉、混合稀土粉、膠體石墨粉、鐵粉:以上各組分以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)分別為電解錳粉1.1%?1.5%、Cu-Sn合金粉4%?6%、混合稀土粉0.3%?0.7%、膠體石墨粉0.4%?0.6%、余量鐵粉。優(yōu)選的，所述電解錳粉，其純度為99.9%、粒度為< 75um ;所述Cu-Sn合金粉，其Cu:Sn質(zhì)量比為7:3，粒度為< 75um ;所述混合稀土粉為富鐘混合稀土粉末，其粒度< 75um ;所述的低溫?zé)Y(jié)鋼，其是實(shí)質(zhì)上不含有鎳、鉬的無(wú)N1-Mo廉價(jià)燒結(jié)鋼。
[0021]該燒結(jié)鋼以電解錳粉、Cu-Sn合金粉、混合稀土為合金添加劑，摒棄了價(jià)格昂貴的N1、Mo等合金元素，原材料成本低且力學(xué)性能優(yōu)異；燒結(jié)溫度低，與同等性價(jià)比的燒結(jié)結(jié)構(gòu)鋼相比，燒結(jié)溫度降低80?100°C，降低了燃料消耗、具有節(jié)能環(huán)保優(yōu)點(diǎn)。
[0022]上述低溫?zé)Y(jié)鋼的制備方法，包括以下工藝步驟:
I )Cu-Sn合金粉末的制備:以電解紫銅板和高純錫錠為原材料制備Cu-Sn合金粉末，使其Cu:Sn質(zhì)量比7:3、粒度< 75um ;優(yōu)選的，所述步驟I)中采用高純氮?dú)鈬婌F法制備Cu-Sn合金粉末；
該步驟采用高純氮?dú)鈬婌F法制備得到Cu:Sn質(zhì)量比的7:3的Cu-Sn合金粉末，以保證燒結(jié)鋼的活化燒結(jié)與強(qiáng)化效果。
[0023]2)配粉與混料:將電解錳粉、Cu-Sn合金粉、混合稀土粉、膠體石墨粉、鐵粉分別按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%?1.5%、4.0%?6.0%、0.3%?0.7%、0.4%?0.6%、余量鐵粉混合均勻后備用;
該步驟引入富鈰混合稀土作為合金添加劑，以收獲脫氧保碳、變質(zhì)夾雜物、細(xì)化合金晶粒，從而提升燒結(jié)合金綜合性能；同時(shí)混料過(guò)程中均采用粉末冶金常規(guī)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)物料的均勻混合，無(wú)需添加價(jià)格昂貴的粘結(jié)劑、干燥劑等添加劑，嚴(yán)格控制了工藝成本支出。
[0024]3)成形:取步驟2)獲得的均質(zhì)混合粉，使混合粉末按特定制品技術(shù)要求成形為規(guī)定形狀與尺寸的壓坯；
優(yōu)選的，所述步驟3)成形工序?yàn)闇貕撼尚危唧w操作為取步驟2)獲得的均質(zhì)混合粉，在按特定制品技術(shù)要求設(shè)計(jì)制造的剛性成形模中溫壓成形，獲得溫壓壓坯，主要工藝參數(shù)為混合粉預(yù)熱溫度130?150°C、成形模具溫度130?180°C、成形壓力300?600MPa、保壓時(shí)間5?15s ;可以理解，在其他實(shí)施方式中，制備粉末成形體還可以采用其他成形方法，只要能夠得粉末成形體即可；
該步驟先通過(guò)溫壓成形得到溫壓壓坯，成形過(guò)程中嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，得到的壓坯成分均勻且致密。
[0025]4)低溫?zé)Y(jié):將步驟3)獲得的壓坯放入具有保護(hù)氣氛的粉末冶金燒結(jié)爐中實(shí)施低溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度為950?1050°C、保溫時(shí)間30?45min ；
優(yōu)選的，所述步驟4)低溫?zé)Y(jié)中保護(hù)氣氛為氮基保護(hù)氣氛，其具體制備方法為向氨燃燒發(fā)生器送入氨氣與壓縮空氣的混合氣體，經(jīng)燃燒、冷凍脫水、吸附凈化工序通過(guò)調(diào)節(jié)氨氣與壓縮空氣的混合比獲得露點(diǎn)為_(kāi)35°C、含氫體積分?jǐn)?shù)為3%?5%的氮基保護(hù)氣氛；可以理解，在其他實(shí)施方式中，燒結(jié)過(guò)程中還可以采用其他氣氛保護(hù)，只要能夠?qū)崿F(xiàn)低溫?zé)Y(jié)即可；
該步驟在含有新