[发明专利]一种高致密复相合金材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种高致密复相合金材料及其制备方法，所述包括以下步骤：将纳米晶铁基粉末和芯/壳结构微米晶铁基粉末充分混合，进行放电等离子烧结，即得到所述高致密复相合金材料；其中，所述纳米晶铁基粉末含有抑制晶粒长大的合金元素或第二相粒子；所述芯/壳结构微米晶铁基粉末为表面为纳米晶结构，芯部为微米晶结构的粉末。本发明方法可在较低烧结温度下完成纳米晶粉末和微米晶粉末共同致密化烧结，烧结时间短，实施方便；只需改变纳米晶粉末和芯/壳结构微米晶粉末的配比，就能精确调整复相铁基合金材料中高强度铁素体相和高塑性亚稳奥氏体相的数量比例，特别适用于高致密复相铁基合金材料的制备。

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，涉及一种高致密复相合金材料及其制备方法。

背景技术

铁基粉末冶金产品以其相对低廉的价格和出色的机械性能，成为产量最大，应用领域最广的粉末冶金制品。与此同时，一半以上的铁基粉末冶金制品应用于汽车零部件工业，包括汽车带轮、链轮、齿毂、凸轮、连杆、阀座等。近年来，随着燃料消耗引致的环境污染和能源问题日趋严重，轻量化成为汽车产业发展的重要方向。在保证汽车强度和安全性能的前提下实现汽车轻量化，对铁基粉末冶金制品提出更高的强塑性要求。

要获得高强塑性，最有效的手段应是通过合理的组织调控以获得高强度铁素体相和高塑性亚稳奥氏体相的复相结构，且亚稳奥氏体相比例不低于30％，其抗拉强度与伸长率的乘积(强塑积)可高达30GPa·％。目前，获得高强度铁素体相和高塑性亚稳奥氏体相的复相结构有两种手段，PQ(淬火和配分)和奥氏体逆转变。然而，PQ工艺提供的亚稳奥氏体量少，无法获得理想的综合性能；采用奥氏体逆转变方法，尽管能够产生体积分数在30％以上的亚稳奥氏体相，但工艺条件十分苛刻，须要严格控制合金成分、退火温度以及退火时间等。

通过现有技术制备高强塑铁素体+亚稳奥氏体复相铁基粉末冶金材料，成本高，工艺复杂，且亚稳奥氏体相数量难以准确控制。目前在烧结纳米晶和微米晶混合粉末时，由于微米晶粉末的表面活性较纳米晶粉末低得多，需要在相对高的温度才能完成致密化烧结。然而相对高的烧结温度会导致纳米晶粉末因过热而晶粒粗化，失去原有结构和特性，无法达到纳米晶强化效果。若要保持纳米晶粉末结构，则需要降低烧结温度。但由于温度不足，微米晶粉末不能有效烧结，烧结体致密度低而严重影响制品的使用性能。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供在于克服现有粉末冶金制品复相结构制备技术组织调控能力不足、加工工艺复杂等缺点，提供一种高致密复相合金材料的制备方法，实现高强塑复合组织结构的精准控制和快速制备。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种高致密复相合金材料的制备方法，包括以下步骤：将纳米晶铁基粉末和芯/壳结构微米晶铁基粉末充分混合，进行放电等离子烧结，即得到所述高致密复相合金材料；其中，所述纳米晶铁基粉末含有抑制晶粒长大的合金元素或第二相粒子；所述芯/壳结构微米晶铁基粉末为表面为纳米晶结构，芯部为微米晶结构的粉末。

所述纳米晶铁基粉末或所述芯/壳结构微米晶铁基粉末的质量分别不为0。本发明制备高致密复相合金材料的原理是：通过对微米晶粉末进行表面纳米化处理，形成壳/核结构，使微米晶粉末的表面烧结活性与纳米晶粉末一致，但又保持了心部原来的结构和性能。随后，利用放电等离子烧结过程中强脉冲电流产生的焦耳热及其他电场效应，在两种具有纳米晶结构的表面(纳米晶粉末表面和壳核粉末表面)产生局部高温和形成巨大的物质迁移驱动力，从而在极短时间内和较低烧结温度下，完成纳米晶粉末和微米晶粉末共同致密化烧结，并保留各自原有结构和性能，实现高致密复相铁基合金材料的精准控制和快速制备。

本发明制备方法中的纳米晶铁基粉末和芯/壳结构微米晶铁基粉末可根据所需的合金性质以任意比例混合进行合金合成；所得合金中的纳米晶相和微米晶相的质量比与二者烧结前基本一致。

作为本发明的优选实施方式，所述纳米晶铁基粉末为元素粉末通过球磨制得。