[发明专利]一种添加剂活化的低合金含量铁基粉末及其制备烧结材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于铁基粉末冶金材料的制备方法，特别是涉及通过添加剂的选择与设计制备较高性能的低合金含量铁基粉末及其烧结材料的方法。

背景技术

粉末冶金技术具有节材、节能、可低成本大批量生产出具有近终形状和尺寸精度零件等特点，是典型的绿色制造技术。

铁基粉末冶金材料一类重要的粉末冶金材料，铁基粉末及制品占粉末冶金市场的70%，就铁基粉末冶金制品而言，齿轮是应用量最大、范围最广、最具代表性的一类零部件。粉末冶金法制造齿轮具有材料利用率高、密度可控、噪声等级小、成本低的特点，在汽车、摩托车、机电等各种齿轮生产中应用非常广泛。采用一次压制/烧结的常规粉末冶金工艺生产出来的部件密度一般低于7.2g/cm³，尚不能直接用于汽车传动系统。当密度达到7.2g/cm以上，其抗拉强度、硬度、疲劳强度等力学性能都会随密度的增加而呈几何级数增大。由于齿轮的失效大部分为表面接触疲劳，因此当密度达到7.2g/cm³以上，烧结齿轮的心部能够达到一定的强度要求，齿轮表面可通过各种表面致密化技术来提高其抗疲劳性能。

铁基粉末冶金的发展主要取决于能够提供现今密度更高产品的技术，制品密度提高迄今主要依靠的是粉末制备和压制工艺的改进，包括高压缩性原料粉体、复压复烧、粉末锻造、温压、高速压制等。复压复烧技术由于额外的工序而相应增加了成本，通过改进应可以将成本增加控制在较低水平，通常采用复压复烧制备的铁基粉末冶金制品密度为7.3~7.4g/cm³，仍有提高的空间。粉末锻造可以制备接近全致密的粉末冶金制品，但由于在高温下进行，对模具要求较高，且制品的表面光洁度较差。温压技术在于利用有机物的融化与填充增加粉末颗粒间的润滑效果，而有机物的排出不利于提高烧结密度，且易造成环境污染。高速压制在制备形状相对复杂的制品时受到限制。

烧结是运用最广的一种合金强化方式，在铁基粉末冶金中，也可通过液相烧结来提高烧结制品的密度。磷化物（如Cu₃P、Fe₃P等）是一种典型的烧结活化剂，在高合金含量铁基粉末冶金尤其是粉末不锈钢与粉末高速钢中有较多的研究（主要文献有：R M German.Supersolidus liquid phase sintering,partⅠ:process review.International Journal of Powder Metallurgy，1990,26(1):23;S K Jensen,E Maahn.Sintering additive for liquid phase sintering of AISI316L stainless steel.Powder Metallurgy World Congress,1994,VIII:2113-2116;A Molinari,G Straffelini,T Pieczonka,J Kazior.Persistent liquid phase sintering of316L stainless steel.International Journal of Powder Metallurgy，1998,34(2):21-28;H Preusse,J D Bolton.Use of phosphide phase additions to promote liquid phase sintering in316L stainless steels.Powder Metallurgy，1999,42(1):51-62;F Akhtar,S J Guo,K A Shah.Effect of Cu₃P addition on sintering behaviour ofelemental powders in the composition of465stainless steel.Powder Metallurgy，2006,49(1):28-33.），专利“一种粉末不锈钢的强化烧结方法”（专利申请号200510053521.4）中也提到磷化亚铜作为烧结活化剂制备316L不锈钢，但通常磷化亚铜的添加量至少在2wt.%（即P的含量约0.3wt.%）以上，优选为4~8wt.%，而在低合金含量（总合金含量≤5wt.%）铁基粉末冶金材料中鲜有报道。由于磷(P)具有扩大α-Fe相区和封闭γ-Fe相区的作用（P含量高于0.6wt.%时γ-Fe相区封闭），而铁原子在α-Fe中的自扩散系数比在γ-Fe中高100倍左右，利用Fe₃P-Fe在1050℃发生共晶反应的特点，添加9.4wt.%(Cu-8.5%P)共晶合金粉末的高速钢T15等在1150℃下真空烧结得到了全致密的材料。一般认为磷在致密钢铁材料中含量过高会引起钢的冷脆，降低塑性，属于有害元素，虽然在铁基粉末冶金材料中孔隙对基体力学性能的影响大于磷的作用，但在提高密度的同时也应该控制磷的含量，消除磷的不利影响。此外，专利“一种高性能铁基粉末冶金零件的低温烧结方法”（专利申请号：201110070535.2）中通过向普通铁粉末中加入纳米铜粉的方法明显降低了其烧结温度，但在烧结温度下铜在基体铁中的溶解度大于铁在铜中的溶解度，单独加入纳米铜粉所起到液相烧结效果十分有限。