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一種鐵基粉末冶金零件的制備方法.pdf

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一種 粉末冶金 零件 制備 方法
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摘要
申請專利號:

CN201510307205.9

申請日:

2015.06.05

公開號:

CN104889403A

公開日:

2015.09.09

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):B22F 3/16申請日:20150605|||公開
IPC分類號: B22F3/16; B22F3/20; C22C38/16; C22C38/22; C22C38/04 主分類號: B22F3/16
申請人: 東睦新材料集團股份有限公司
發明人: 包崇璽; 詹學救; 周國燕
地址: 315191浙江省寧波市鄞州工業園區(姜山)景江路8號
優先權:
專利代理機構: 寧波誠源專利事務所有限公司33102 代理人: 袁忠衛; 張群
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510307205.9

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.06.05|||2015.10.07|||2015.09.09

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種鐵基粉末冶金零件的制備方法,該方法結合了粉末冶金工藝與金屬擠壓成形的優點,通過使用不同結構的擠壓凸模,可以在燒結后擠壓制作各種形狀復雜的零件,而現有技術中制備形狀復雜的零件需要使用價格昂貴的CNC壓機,本發明的制備方法制備成本更低;由于在擠壓過程中,隨著凸模的移動,材料發生流動,從而提升了粉末冶金零件部分區域的密度,使所制備的粉末冶金零件具有較高的精度及強度,拓展了粉末冶金的應用領域;由于采用粉末冶金工藝成形的毛坯零件形狀較為接近最終產品的形狀,因此擠壓余量小,對模具的損耗小,在一定程度上延長了模具的壽命較長;同時,本發明的制備方法簡單,生產效率高。

權利要求書

權利要求書
1.  一種鐵基粉末冶金零件的制備方法,其特征在于包括以下步驟:
(1)設計材料組成:按重量百分比計,所使用材料包含0~1.0%碳、0~4%銅、0~20%鎳、0~25%鉬、0~6%鉻、0~1.0%磷、0~20%錳,不超過2%的不可避免雜質以及余量的鐵;
(2)混料:按照步驟(1)的材料組成,將各組分進行混合得到混合粉,并向該混合粉中加入占混料總質量0.1~1%的潤滑劑;
(3)壓制:將步驟(2)所得混合料在大于400MPa的壓力下,壓制成密度為6.4~7.4g/cm3的零件生坯;
(4)燒結:將步驟(3)所得零件生坯在非氧化性氣氛中進行燒結,燒結溫度為1000~1350℃,燒結時間為5~180min;
(5)擠壓:將步驟(4)所得零件生坯進行擠壓,擠壓深度為1~30mm。

2.  根據權利要求1所述的鐵基粉末冶金零件的制備方法,其特征在于:在步驟(4)完成后,步驟(5)開始前,在非氧化性氣氛中對燒結后的零件生坯進行退火處理,退火溫度為750~1080℃,退火保溫時間5~200min,退火處理完成后從退火溫度到300℃之間的冷卻速度小于1.5℃/s。

3.  根據權利要求1所述的鐵基粉末冶金零件的制備方法,其特征在于:在步驟(5)完成后,對所得零件進行熱處理,熱處理的硬化層深度0.2~5mm,淬火溫度為750~1250℃,保溫30~45min;回火溫度為150~600℃,保溫5~200min。

4.  根據權利要求1或2或3所述的鐵基粉末冶金零件的制備方法,其特征在于:步驟(5)所述的擠壓過程中,采用的擠壓凸模包括導向段及連接于該導向段上端的定徑段,所述導向段成型為圓錐角為125°~130°的圓錐狀。

5.  根據權利要求1或2或3所述的鐵基粉末冶金零件的制備方法,其特征在于:步驟(5)所述的擠壓過程中,采用的擠壓凸模包括導向段及連接于該導向段上端的定徑段,所述導向段成型為上端大、下端小的圓錐臺狀,且該圓錐臺斷面的斜邊與底邊之間所成的銳角為3°~5°。

6.  根據權利要求1或2或3所述的鐵基粉末冶金零件的制備方法,其特征在于:步驟(5)所述的擠壓過程中,采用的擠壓凸模包括導向段及連接于該導向段上端的定徑段,所述導向段自上而下端面直徑逐漸減小且側面成型為圓弧面。

7.  根據權利要求1或2或3所述的鐵基粉末冶金零件的制備方法,其特征在于:所述的非氧化性氣氛是指真空環境或含氫1~75vol%的氮氫氣氛。

8.  根據權利要求3所述的鐵基粉末冶金零件的制備方法,其特征在于:在所述熱 處理完成后,對所得產品進行噴丸處理。

說明書

說明書一種鐵基粉末冶金零件的制備方法
技術領域
本發明涉及粉末冶金技術領域,具體指一種鐵基粉末冶金零件的制備方法。
背景技術
隨著工業的發展,對零件的要求越來越高,受成本、交貨周期和噪音等方面的影響,機械加工的零件往往難以滿足要求。粉末冶金是一項能制造形狀復雜零件的技術,具有節省原材料、節能、省工的特點,適合于大批量生產。
采用普通的霧化鐵粉經成形和燒結,鐵基粉末冶金零件的密度只能達到7.1g/cm3左右,采用成形-預燒結-復壓-二次燒結的復壓復燒工藝可進一步提高粉末冶金零件的密度。其中,預燒結有兩個作用。一方面,對成形時已經加工硬化的粉末進行退火,降低鐵粉顆粒的屈服強度,利于二次壓制時提高密度;另一方面,脫出產品中的有機潤滑劑。潤滑劑會在產品中占據較大的空間,由于有機潤滑劑的密度較低,成形時這些潤滑劑難以壓縮,導致粉末冶金零件密度的提高受到限制。經過預燒結后95%以上的潤滑劑都能夠脫出,這樣復壓時潤滑劑占據的位置就可以被壓縮,有利于提高粉末冶金零件的密度。然而,對于形狀復雜的零件,成形時需要使用價格昂貴的CNC壓機,且復壓時難以使每個臺階都致密或者難以選擇致密的部位。
其它材料的粉末冶金零件大都采用制粉、混合、包套、擠壓(鍛造)、機械加工等方式生產,零件的性能較好,甚至超過直接鍛造的零件,但是,零件的制造流程長、制造成本高,且零件的制造不是近凈成形工藝,粉末冶金工藝的優勢得不到充分的發揮。對于機電應用零件,傳統的方法都是通過機械加工成形的。目前,機械加工零件的主要加工方法有鋼材直接通過機械加工的方法成形以及通過冷擠壓成形。其中,機械加工的方法工序長、原材料利用率低,原材料利用率大約在40~60%之間,導致產品的生產成本高,且產品的一致性較差、生產效率低,難以滿足大批量生產一致性好的產品的要求。而采用冷擠壓的方法成形,一般需要溫鍛制坯,然后冷擠壓成形,該方法可使材料的利用率達到90%左右,且生產效率較高,但是,冷擠壓的方法對模具損耗較大,同樣存在生產成本高的問題。
《表面致密化——一種提高燒結齒輪性能的有效方法》(粉末冶金技術;2005,23:62)介紹了表面齒輪致密化技術,這是一種實現齒面局部致密化的方法,主要通過局部致密化解決齒輪的失效問題,由于大部分失效為表面接觸疲勞,因此提高密度可以提高 零件的疲勞性能。然而,上述表面致密化技術僅適用于回轉零件的外表面,例如齒輪、圓形零件等,對其它形狀的零件并不適用。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的現狀,提供一種鐵基粉末冶金零件的制備方法,該方法工藝步驟簡單、制備成本低、效率高,對模具損耗小,所制備的粉末冶金零件具有較高的精度及強度。
本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為:一種鐵基粉末冶金零件的制備方法,其特征在于包括以下步驟:
(1)設計材料組成:按重量百分比計,所使用材料包含0~1.0%碳、0~4%銅、0~20%鎳、0~25%鉬、0~6%鉻、0~1.0%磷、0~20%錳,不超過2%的不可避免雜質以及余量的鐵;
(2)混料:按照步驟(1)的材料組成,將各組分進行混合得到混合粉,并向該混合粉中加入占混料總質量0.1~1%的潤滑劑;
(3)壓制:將步驟(2)所得混合料在大于400MPa的壓力下,壓制成密度為6.4~7.4g/cm3的零件生坯;
(4)燒結:將步驟(3)所得零件生坯在非氧化性氣氛中進行燒結,燒結溫度為1000~1350℃,燒結時間為5~180min;
(5)擠壓:將步驟(4)所得零件生坯進行擠壓,擠壓深度為1~30mm。
作為本發明的進一步改進,在步驟(4)完成后,步驟(5)開始前,在非氧化性氣氛中對燒結后的零件生坯進行退火處理,退火溫度為750~1080℃,退火保溫時間5~200min,退火處理完成后從退火溫度到300℃之間的冷卻速度小于1.5℃/s。
再改進,在步驟(5)完成后,對所得零件進行熱處理,熱處理的硬化層深度0.2~5mm,淬火溫度為750~1250℃,保溫30~45min;回火溫度為150~600℃,保溫5~200min。
作為優選,步驟(5)所述的擠壓過程中,采用的擠壓凸模包括導向段及連接于該導向段上端的定徑段,所述導向段成型為圓錐角為125°~130°的圓錐狀。
優選地,步驟(5)所述的擠壓過程中,采用的擠壓凸模包括導向段及連接于該導向段上端的定徑段,所述導向段成型為上端大、下端小的圓錐臺狀,且該圓錐臺斷面的斜邊與底邊之間所成的銳角為3°~5°。
優選地,步驟(5)所述的擠壓過程中,采用的擠壓凸模包括導向段及連接于該導向段上端的定徑段,所述導向段自上而下端面直徑逐漸減小且側面成型為圓弧面。
采用上述擠壓凸模的結構,可以根據需要對零件生坯進行單面或雙面擠壓,在燒結后通過擠壓的方式在零件生坯上擠壓出所需的各種復雜面形,而現有技術中需要材料價 格昂貴的CNC成型機才能完成。
在上述各方案中,所述的非氧化性氣氛是指真空環境或含氫1~75vol%的氮氫氣氛。
在所述熱處理完成后,對所得產品進行噴丸處理。這樣的處理方式可以進一步提高產品的疲勞度和表面密度。
與現有技術相比,本發明的優點在于:
本發明結合了粉末冶金工藝與金屬擠壓成形的優點,通過使用不同結構的擠壓凸模,可以在燒結后擠壓制作各種形狀復雜的零件,而現有技術中制備形狀復雜的零件需要使用價格昂貴的CNC壓機,本發明的制備方法制備成本更低;
同時,由于在擠壓過程中,凸模不斷移動,使材料發生流動,從而提升了粉末冶金零件部分區域的密度,使所制備的粉末冶金零件具有較高的精度及強度,拓展了粉末冶金的應用領域;
由于采用粉末冶金工藝成形的毛坯零件形狀較為接近最終產品的形狀,因此擠壓余量小,對模具的損耗小,在一定程度上延長了模具的壽命較長;
另外,本發明的制備方法簡單,可根據所設計的材料組分靈活調整制備步驟,生產效率高;當碳含量低于0.2%時,可以省略退火處理及熱處理,當碳含量大于0.4%時,增加退火處理及熱處理,可有效提高零件的密度。
附圖說明
圖1為本發明實施例1、2中擠壓凸模的結構示意圖;
圖2為本發明實施例3、4中擠壓凸模的結構示意圖;
圖3為本發明實施例5、6中擠壓凸模的結構示意圖;
圖4為圖1中擠壓凸模進行單面擠壓時的結構示意圖;
圖5為圖1中擠壓凸模進行雙面擠壓時的結構示意圖;
圖6為圖2中擠壓凸模進行單面擠壓時的結構示意圖;
圖7為圖2中擠壓凸模進行雙面擠壓時的結構示意圖;
圖8為圖3中擠壓凸模進行單面擠壓時的結構示意圖;
圖9為圖3中擠壓凸模進行雙面擠壓時的結構示意圖;
圖10為本發明實施例1中擠壓區域的形貌圖。
具體實施方式
以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
實施例1:
本實施例中鐵基粉末冶金零件的制備方法包括以下步驟:
(1)設計材料組成:按重量百分比計,所使用材料包含霧化鐵粉97.2%、碳0.7%、銅粉2%;
(2)混料:按照步驟(1)的材料組成,將各組分進行混合得到混合粉,并向該混合粉中加入占混料總質量0.1%的潤滑劑;
(3)壓制:將步驟(2)所得混合料在600MPa的壓力下,壓制成密度為6.4g/cm3的零件生坯;
(4)燒結:將步驟(3)所得零件生坯在含氫1vol%的氮氫氣氛中進行燒結,燒結溫度為1000℃,燒結時間為5min;
(5)退火處理:在含氫1vol%的氮氫氣氛中對燒結后的零件生坯進行退火處理,退火溫度為750℃,退火保溫時間200min,退火處理完成后從退火溫度到300℃之間的冷卻速度為1℃/s;
(6)擠壓:將步驟(5)所得零件生坯進行擠壓,擠壓深度為8mm;如圖1所示,所采用的擠壓凸模包括導向段及連接于該導向段上端的定徑段,導向段成型為圓錐角α為125°的圓錐狀;如圖4所示,圖4a、4b、4c分別為根據不同要求采用該擠壓凸模對零件生坯進行單面擠壓的結構示意圖,其中,4a’、4b’、4c’為根據不同要求采用該擠壓凸模對零件生坯進行單面擠壓的俯視圖,4a”、4b”、4c”為根據不同要求采用該擠壓凸模對零件生坯進行單面擠壓的剖視圖;圖10為擠壓區域的形貌圖,可以看出,經擠壓后,零件生坯的局部區域密度變大;
(7)熱處理:熱處理的硬化層深度0.2mm,淬火溫度為750℃,保溫45min;回火溫度為600℃,保溫5min;
(8)噴丸處理。
實施例2:
本實施例中鐵基粉末冶金零件的制備方法包括以下步驟:
(1)設計材料組成:按重量百分比計,所使用材料包含50%鐵合金粉、48.7%純鐵粉及0.8%碳,其中,鐵合金粉中鉻含量為3%,鉬含量為25%,不可避免雜質含量小于1%,余量為鐵;
(2)混料:按照步驟(1)的材料組成,將各組分進行混合得到混合粉,并向該混合粉中加入占混料總質量0.5%的潤滑劑;
(3)壓制:將步驟(2)所得混合料在大于500MPa的壓力下,壓制成密度為7.2g/cm3的零件生坯;
(4)燒結:將步驟(3)所得零件生坯在含氫10vol%的氮氫氣氛中進行燒結,燒結溫度為1120℃,燒結時間為20min;
(5)退火處理:在含氫10vol%的氮氫氣氛中對燒結后的零件生坯進行退火處理,退火溫度為850℃,退火保溫時間60min,退火處理完成后從退火溫度到300℃之間的冷卻速度小于1.2℃/s;
(6)擠壓:將步驟(5)所得零件生坯進行擠壓,擠壓深度為5mm;如圖1所示,所采用的擠壓凸模包括導向段及連接于該導向段上端的定徑段,導向段成型為圓錐角α為130°的圓錐狀;如圖5所示,圖5a、5b、5c分別為根據不同要求采用該擠壓凸模對零件生坯進行雙面擠壓的結構示意圖,其中,5a’、5b’、5c’為根據不同要求采用該擠壓凸模對零件生坯進行雙面擠壓的俯視圖,5a”、5b”、5c”為根據不同要求采用該擠壓凸模對零件生坯進行雙面擠壓的剖視圖;
(7)熱處理:熱處理的硬化層深度5mm,淬火溫度為1250℃,保溫30min;回火溫度為150℃,保溫200min;
(8)噴丸處理。
實施例3:
本實施例中鐵基粉末冶金零件的制備方法包括以下步驟:
(1)設計材料組成:按重量百分比計,所使用材料包含98.7%鐵合金粉、0.3%碳,其中,鐵合金粉中包含鉻6%,鉬1%,不可避免雜質小于1%,余量為鐵;
(2)混料:按照步驟(1)的材料組成,將各組分進行混合得到混合粉,并向該混合粉中加入占混料總質量1%的潤滑劑;
(3)壓制:將步驟(2)所得混合料在大于600MPa的壓力下,壓制成密度為6.6g/cm3的零件生坯;
(4)燒結:將步驟(3)所得零件生坯在真空氣氛中進行燒結,燒結溫度為1350℃,燒結時間為60min;
(5)退火處理:在真空氣氛中對燒結后的零件生坯進行退火處理,退火溫度為890℃,退火保溫時間60min,退火處理完成后從退火溫度到300℃之間的冷卻速度為0.15℃/s;
(6)擠壓:將步驟(5)所得零件生坯進行擠壓,擠壓深度為17mm;如圖2所示,采用的擠壓凸模包括導向段及連接于該導向段上端的定徑段,導向段成型為上端大、下端小的圓錐臺狀,且該圓錐臺斷面的斜邊與底邊之間所成的銳角β為3°;如圖6所示,圖6a、6b、6c分別為根據不同要求采用該擠壓凸模對零件生坯進行單面擠壓的結構示意圖,其中,6a’、6b’、6c’為根據不同要求采用該擠壓凸模對零件生坯進行單面擠壓的俯視圖,6a”、6b”、6c”為根據不同要求采用該擠壓凸模對零件生坯進行單面擠壓的剖視圖;
(7)熱處理:滲碳淬火,滲碳溫度為920℃,回火溫度為200℃,保溫130min;
(8)噴丸處理。
實施例4:
本實施例中鐵基粉末冶金零件的制備方法包括以下步驟:
(1)設計材料組成:按重量百分比計,所使用材料包含98.7%鐵合金粉、1.0%碳,其中,鐵合金粉中鉬含量為0.5%,銅含量為4%,鎳含量為1.75%,不可避免雜質小于1%,余量為鐵;
(2)混料:按照步驟(1)的材料組成,將各組分進行混合得到混合粉,并向該混合粉中加入占混料總質量0.3%的潤滑劑;
(3)壓制:將步驟(2)所得混合料在大于800MPa的壓力下,壓制成密度為7.4g/cm3的零件生坯;
(4)燒結:將步驟(3)所得零件生坯在含氫75vol%的氮氫氣氛中進行燒結,燒結溫度為1350℃,燒結時間為5min;
(5)退火處理:在含氫75vol%的氮氫氣氛中對燒結后的零件生坯進行退火處理,退火溫度為1080℃,退火保溫時間10min,退火處理完成后從退火溫度到300℃之間的冷卻速度小于1.0℃/s;
(6)擠壓:將步驟(5)所得零件生坯進行擠壓,擠壓深度為15mm;如圖2所示,采用的擠壓凸模包括導向段及連接于該導向段上端的定徑段,導向段成型為上端大、下端小的圓錐臺狀,且該圓錐臺斷面的斜邊與底邊之間所成的銳角β為5°;如圖7所示,圖7a、7b、7c分別為根據不同要求采用該擠壓凸模對零件生坯進行雙面擠壓的結構示意圖,其中,7a’、7b’、7c’為根據不同要求采用該擠壓凸模對零件生坯進行雙面擠壓的俯視圖,7a”、7b”、7c”為根據不同要求采用該擠壓凸模對零件生坯進行雙面擠壓的剖視圖;
(7)熱處理:熱處理的硬化層深度5mm,淬火溫度為1250℃,保溫30min;回火溫度為180℃,保溫100min;
(8)噴丸處理。
實施例5:
本實施例中鐵基粉末冶金零件的制備方法包括以下步驟:
(1)設計材料組成:按重量百分比計,所使用材料包含鐵粉96.5%、3%Fe3P;
(2)混料:按照步驟(1)的材料組成,將各組分進行混合得到混合粉,并向該混合粉中加入占混料總質量0.5%的潤滑劑;
(3)壓制:將步驟(2)所得混合料在大于700MPa的壓力下,壓制成密度為7.0g/cm3的零件生坯;
(4)燒結:將步驟(3)所得零件生坯在含氫25vol%的氮氫氣氛中進行燒結,燒結溫度為1120℃,燒結時間為20min;
(5)擠壓:將步驟(4)所得零件生坯進行擠壓,擠壓深度為25mm;如圖3所示,采用的擠壓凸模包括導向段及連接于該導向段上端的定徑段,導向段自上而下端面直徑逐漸減小且側面成型為圓弧面;如圖8所示,圖8a、8b、8c分別為根據不同要求采用該擠壓凸模對零件生坯進行單面擠壓的結構示意圖,其中,8a’、8b’、8c’為根據不同要求采用該擠壓凸模對零件生坯進行單面擠壓的俯視圖,8a”、8b”、8c”為根據不同要求采用該擠壓凸模對零件生坯進行單面擠壓的剖視圖。
實施例6:
本實施例中鐵基粉末冶金零件的制備方法包括以下步驟:
(1)設計材料組成:按重量百分比計,所使用材料包含鐵粉76.3%、鐵錳粉22.2%、碳1%,其中,鐵錳粉中錳含量為85%;
(2)混料:按照步驟(1)的材料組成,將各組分進行混合得到混合粉,并向該混合粉中加入占混料總質量0.5%的潤滑劑;
(3)壓制:將步驟(2)所得混合料在大于600MPa的壓力下,壓制成密度為6.4g/cm3的零件生坯;
(4)燒結:將步驟(3)所得零件生坯在含氫20vol%的氮氫氣氛中進行燒結,燒結溫度為1350℃,燒結時間為20min;
(5)擠壓:將步驟(4)所得零件生坯進行擠壓,擠壓深度為30mm;如圖3所示,采用的擠壓凸模包括導向段及連接于該導向段上端的定徑段,導向段自上而下端面直徑逐漸減小且側面成型為圓弧面;如圖9所示,圖9a、9b、9c分別為根據不同要求采用該擠壓凸模對零件生坯進行雙面擠壓的結構示意圖,其中,9a’、9b’、9c’為根據不同要求采用該擠壓凸模對零件生坯進行雙面擠壓的俯視圖,9a”、9b”、9c”為根據不同要求采用該擠壓凸模對零件生坯進行雙面擠壓的剖視圖。

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