一種鎳碳鐵基粉末冶金合金及其制備方法與流程

本發(fā)明涉及鐵基粉末冶金領(lǐng)域，特別涉及一種增加鎳、碳元素的粉末冶金低合金鋼及其制備方法。

背景技術(shù)：
粉末冶金技術(shù)在材料的研發(fā)以及材料加工中有很多獨特的優(yōu)點，其中最主要的優(yōu)點如下：(1)通過粉末冶金技術(shù)制備出的合金材料相比于傳統(tǒng)工藝的制備的材料具有非常獨特的化學和物理性能。傳統(tǒng)鑄造方法和機械方法無法制備的材料以及很多難融金屬的加工件(如硬質(zhì)合金，功能陶瓷等)都可以通過粉末冶金技術(shù)來實現(xiàn)。(2)在粉末冶金材料制備的過程中可以很容易的改變合金中的成分及元素的添加量，在合金中添加的元素能夠分發(fā)揮各自的特性，制備出具有優(yōu)良性能的合金材料。(3)粉末冶金技術(shù)是一種近凈成形的技術(shù)，利用粉末冶金技術(shù)可以實現(xiàn)各種復雜零件的成形，同時能夠?qū)崿F(xiàn)材料的無切削和少切削加工，材料的利用率可以達到95％以上。因此粉末冶金技術(shù)具有成本低、效率高等特點并且是一種綠色制造技術(shù)。粉末冶金低合金鋼就是采用粉末冶金的方式將一定量的增強元素(如鎳、錳、鉻等)加入到鐵粉中(Fe≥90wt％)，并根據(jù)要求添加一定量的碳元素所組成的合金體系。上世紀30年代通過粉末冶金技術(shù)制備的多孔含油軸承的成功使得粉末冶金低合金鋼得到了廣泛的應用。到了上世紀60年代初期Fe-C，F(xiàn)e-Cu的粉末冶金低合金鋼產(chǎn)品占據(jù)了其主導位置，這些燒結(jié)后的合金的力學性能較差，拉伸強度大部分集中在150-300MPa之間，但在當時已經(jīng)能與鑄造件的性能相媲美。到了60年代中期Fe-Ni-Cu、Fe-Ni-Mo合金體系得到了廣泛的應用，其拉伸強度可以達到200-500MPa。到目前為止，隨著粉末冶金工藝(粉末制備，元素多樣化，成形工藝，燒結(jié)工藝)的改進，粉末冶金低合金鋼的性能有了較大的提升。隨后在Fe-Ni中加入C元素的制備出來的合金不但降低了粉末冶金制品的成本，同時也獲得了較好的性能，經(jīng)過淬火后，其拉伸性能已經(jīng)能夠超過800MPa，但是淬火后合金的塑性并沒有得到明顯的提升。Fe-Ni-C系粉末冶金因其具有較好的力學性能而得到廣泛的應用，但是對Fe-Ni-C系粉末冶金材料中Ni和C對鐵基粉末冶金制品性能的影響以及微觀結(jié)構(gòu)組織的變化研究較少，國內(nèi)外在對鐵基粉末冶金力學性能方面做了大量的研究，而且合金的強度和硬度都得到了較大的改善，但是針對于鐵基粉末冶金材料的塑性并沒有得到很明顯的提升，同時對添加元素對鐵基粉末冶金材料塑性影響的因素還沒有比較充分的解釋和研究，其應用范圍到目前為止仍然受到了限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是通過對Fe-Ni-C系粉末冶金低合金鋼的力學性能和微觀結(jié)構(gòu)的研究，期望能夠找到合理的配比，提供一種既能夠提高材料的強度和塑性，又能降低材料的生產(chǎn)成本的鐵基粉末冶金合金及其制備方法。本發(fā)明具體的技術(shù)方案如下：本發(fā)明提供一種鎳碳鐵基粉末冶金合金，包括以下重量百分比的原料：Ni-(1-7)wt％，C-(0.4-1)wt％，F(xiàn)e-(92-94.6)wt％；優(yōu)選的，包括以下重量百分比的原料：Ni-(5-7)wt％，C-(0.6-1)wt％，F(xiàn)e-(92-94.4)wt％；更優(yōu)選為，包括以下重量百分比的原料：Ni-7wt％，C-1wt％，F(xiàn)e-92wt％。本發(fā)明還提供上述鎳碳鐵基粉末冶金合金的制備方法，包括以下步驟：(1)球磨混合：將鎳源、碳源和鐵源進行球磨混合，球料比為(1-3)∶1，球罐轉(zhuǎn)速為200r/min-400r/min，球磨時間為6-8小時；(2)將所述步驟(1)得到的物料裝入模具，壓制成形；(3)將步驟(2)中壓制成形的模具埋在耐火沙中，在1100℃-1200℃下燒結(jié)1-2h后隨爐冷卻制得鎳碳鐵基粉末冶金合金，燒結(jié)過程中保護氣氛為(90-100)％N2+(0-10)％H2。其中，步驟(1)的混合物料中還包括0.8％硬脂酸鋅(ZnSt2)作為脫模劑，由于硬脂酸鋅在溫度為850℃時幾乎能夠全部分解，所以添加硬脂酸鋅對燒結(jié)材料性能和結(jié)構(gòu)的影響不大。本發(fā)明對鎳源、碳源和鐵源沒有特殊的限定，優(yōu)選使用羰基鎳粉、膠體石墨和LAP100.29水霧化鐵粉分別為鎳源、碳源和鐵源。在本發(fā)明中對球磨混合的裝置沒有特殊的限定，只要能起到充分混合的球磨裝置都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。本發(fā)明優(yōu)選采用臥式球磨機進行球磨。本發(fā)明對球磨機的材質(zhì)沒有具體的限定。優(yōu)選的，球磨機罐體材料和鋼球材料均為不銹鋼材質(zhì)。本發(fā)明中對球磨混合的批量沒有具體的限定，可以根據(jù)球磨裝置的不同或制備需要設定合適的球磨混合批量。在本發(fā)明中優(yōu)選采用500g物料為一個混料批量。在本發(fā)明步驟(1)球磨混合過程中不采用保護氣氛，空氣氣氛即可。在步驟(3)中的燒結(jié)過程中，保護氣氛可以為90％N2+10％H2，或者為氮氣。本發(fā)明在鐵基粉末冶金中增加鎳元素、碳元素，制造的合金微觀組織較好，孔隙度較小，孔隙球化，晶粒尺寸較小，并且硬度高，拉伸強度大，塑性好，同時成本較低，極有利于推廣應用。附圖說明圖1是本發(fā)明Fe-Ni-C系粉末冶金低合金鋼孔隙金相圖；其中，(a)0.6wt％C，1wt％Ni；(b)0.6wt％C，4wt％Ni；(c)0.6wt％C，7wt％Ni；(d)1.0wt％C，1wt％Ni；(e)1.0wt％C，4wt％Ni；(f)1.0wt％C，7wt％Ni。圖2是本發(fā)明Fe-Ni-C粉末冶金低合金鋼晶粒金相圖；其中，(a)0.4wt％C、7wt％Ni；(b)0.6wt％C、7wt％Ni；(c)0.8wt％C、7wt％Ni；(d)1.0wt％C、3wt％Ni；(e)1.0wt％C、5wt％Ni；(f)1.0wt％C、7wt％Ni；圖3是本發(fā)明Fe-Ni-C粉末冶金低合金鋼金相組織圖；其中，(a)1.0wt％C、3wt％Ni；(b)1.0wt％C、5wt％Ni；(c)1.0wt％C、7wt％Ni；(d)1.0wt％C、8wt％Ni；圖4是本發(fā)明Fe-Ni-C粉末冶金低合金鋼500倍下的金相組織圖；其中，(a)Fe-7Ni-0.4C、(b)Fe-7Ni-0.6C、(c)Fe-7Ni-0.8C、(d)Fe-7Ni-1.0C；圖5是本發(fā)明Fe-Ni-C粉末冶金低合金鋼金相組織圖；其中，(a)2wt％Ni、0.8wt％C；(b)3wt％Ni、0.8wt％C；(c)2wt％Ni、1.0wt％C；(d)3wt％Ni，1.0wt％C；(e)3wt％Ni，1.0wt％C；圖6是本發(fā)明Fe-Ni-C拉伸斷面斷面形貌圖；其中，(a)7wt％Ni、0.4wt％C；(b)3wt％Ni、1.0wt％C；(c)7wt％Ni、1.0wt％。具體實施方式下面將結(jié)合本發(fā)明中的實施例，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例.基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍.實施例1(1)采用LAP100.29水霧化鐵粉為原材料，采用膠體石墨和羰基鎳粉分別作為碳、鎳合金化元素的添加原料，按照表1中的比例配制鎳碳鐵基物料(余量為鐵)，添加質(zhì)量分數(shù)為0.8％的硬脂酸鋅(ZnSt2)作為脫模劑。(2)球磨混合：混料時以步驟(1)500g物料為一個混料批量，粉料采用臥式球磨機進行球磨，球磨罐體材料為不銹鋼，鋼球材料為不銹鋼，球料比為2∶1，球罐轉(zhuǎn)速設置為200r/min，球磨時間8小時，不采用保護氣氛。(3)將步驟(2)中物料裝入模具，壓制成形.(4)將步驟(3)中物料埋在燒結(jié)爐中的耐火沙中，燒結(jié)溫度為1120℃，燒結(jié)時間為兩小時，燒結(jié)保護氣氛為90％N2+10％H2，最后將燒結(jié)后試樣隨爐冷卻即可。1、碳、鎳含量對鐵基粉末冶金材料力學性能的影響經(jīng)過檢測，不同鎳、碳含量對鐵基粉末冶金材料力學性能的影響見表1。表1不同鎳、碳含量對鐵基粉末冶金材料力學性能的影響結(jié)果與分析：(1)不同的碳、鎳含量對合金硬度的影響：從表1可以看出，在碳含量不變時隨著鎳含量的增加，合金的硬度變化較為復雜。當碳含量為0.4wt％和0.6wt％時，隨著鎳含量的增加，合金的硬度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，與碳含量為0.4wt％和0.6wt％不同的是，當碳含量為0.8wt％和1.0wt％時，當鎳含量為1％wt-3wt％時，合金的硬度先增加后降低，當鎳含量高于3wt％時，合金的硬度隨著鎳含量的增加而增加，當鎳含量達到8wt％時，合金的硬度開始降低。合金Fe-7Ni-1.0C的硬度達到最高，為85.3HRB，與合金Fe-7Ni-0.4C、Fe-7Ni-0.6C、Fe-7Ni-0.8C的硬度相比，分別提高了12.3HRB、10HRB和6.1HRB。保持鎳含量不變，合金的硬度隨著碳含量的增加而增加。(2)碳、鎳含量對鐵基粉末冶金材料拉伸強度的影響：當鎳含量為0.4wt％和0.6wt％，合金的拉伸強度隨著鎳含量的增加而增加，當鎳含量為0.8wt％時，合金的拉伸強度開始降低。碳含量為0.8wt％和1.0wt％時，在鎳含量為1％wt～3wt％時，合金的拉伸強度同樣是先增加后降低，當鎳含量超過3wt％時，合金的硬度隨著鎳含量的增加而增加，鎳含量為7wt％時合金的拉伸強度都達到了最大值，其中合金Fe-7Ni-1.0C的拉伸強度最高，為511Mpa與合金Fe-7Ni-0.4C、Fe-7Ni-0.6C、Fe-7Ni-0.8C相比，拉伸強度分別提高了61MPa、53Mpa和41MPa。在鎳含量不變時，燒結(jié)合金的拉伸強度隨著碳含量的增加而增加。(3)鎳、碳含量對鐵基粉末冶金材料斷裂伸長率的影響：常規(guī)的鑄造材料，當強度增加時，塑性會相應的降低。但是在粉末冶金中會出現(xiàn)不同的現(xiàn)象，那就是強度增加的同時，材料的塑性也在增加。碳含量為0.4wt％和0.6wt％時隨著鎳含量的增加合金的伸長率在逐漸增加，當鎳含量為8wt％時合金的伸長率達到最大值，為5.18％，但與鎳含量為7wt％時相比伸長率僅僅提高了0.03％.當碳含量為0.6wt％、0.8wt％和1.0wt％時，在鎳含量為1wt％～4wt％時，合金的伸長率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，當鎳含量超過4wt％時，合金的伸長率隨著鎳含量的增加而增加。合金Fe-7Ni-1.0C伸長率為4.66％，與合金Fe-7Ni-0.4C、Fe-7Ni-0.6C、Fe-7Ni-0.6C、Fe-8Ni-1.0C相比伸長率下降分別降低了0.36％、0.19％和0.06％和0.09％，伸長率變化范圍并不大。在鎳含量不變的情況下，隨著碳含量增加，合金伸長率降低，因此碳的加入對合金材料的伸長率起到削弱作用。通過以上碳、鎳含量對鐵基粉末冶金材料的力學性能研究，考慮到合金材料的綜合性能，F(xiàn)e-7Ni-1.0C合金的性能最優(yōu)，硬度和強度分別為85.3HRB，511MPa，此時伸長率為4.66％。2、微觀結(jié)構(gòu)分析圖1給出的是分別為Fe-0.4C-7Ni、Fe-0.6C-7Ni、Fe-0.8C-7Ni、Fe-1.0C-3Ni、Fe-1.0C-5Ni、Fe-1.0C-7Ni的金相圖(拋光態(tài))，在鎳含量不變的條件下，隨著碳含量從0.4wt％增加到1.0wt％，從圖1(a)、(b)、(c)和(f)可以看出，孔隙尺寸增大，數(shù)量增多，孔隙之連通性增加，但孔隙變的更加圓滑，這一方面是由于在鎳含量相同時隨著碳含量的增加聚集在鐵粉和鎳粉顆粒周圍，碳元素擴散到鐵素體中，在原有的位置留下孔隙；另一方面是由于碳粉顆粒和鐵粉顆粒大小不同，在燒結(jié)過程中發(fā)生Kirkendall效應引起的顆粒重排形成較大的孔隙?？紫兜脑黾雍托螤畹牟灰?guī)則，對合金的強度和塑性起到削弱的作用。對比圖1(d)、(e)和(f)，可以看出，在碳含量不變的條件下，隨著鎳含量的增加，孔隙的尺寸逐漸減小，孔隙之間的連通性降低。由于鎳元素的增加，能夠形成富鎳奧氏體，促進鐵粉之間的擴散，具有較強的燒結(jié)活化作用，能夠使得孔隙尺寸收縮同時促進孔隙球化。從圖1中同樣可以看出，隨著鎳含量的增加聚集在晶界處的孔隙數(shù)量增加，這是由于鎳含量增加導致過多的碳無法及時的擴散到奧氏體中，造成在晶界處存在更多的碳殘留，從而在晶界處出現(xiàn)更多較小的孔隙。因此，由圖1可以看出當加入鎳后，組織中的孔隙尺寸和孔隙度在降低，鎳和碳的加入都能促進孔隙球化，這對合金的塑性起到了促進作用。與單獨添加碳相比，添加鎳元素后合金的斷裂伸長率和強度增加；與單獨添加鎳元素相比，鐵基中添加碳，合金的強度增加，但伸長率降低，這與孔隙的變化有著密切的關(guān)系.圖2給出的分別是Fe-0.4C-7Ni、Fe-0.6C-7Ni、Fe-0.8C-7Ni、Fe-1.0C-3Ni、Fe-1.0C-5Ni、Fe-1.0C-7Ni的金相組織圖。根據(jù)碳含量對鐵基粉末冶金材料晶粒度影響可知，隨著碳含量的增加晶粒大小是增加的。但是從圖2(a)、2(b)、2(c)和2(f)中都可以看出，當鐵粉中加入鎳元素后，隨著碳含量的增加，金相組織中的晶粒尺寸是減小的。這是由于鎳的加入促使組織中的相變發(fā)生在不同的溫度和不同的區(qū)域中，這就導致在加熱過程中α和γ相共存，在相變過程中這阻礙了較大晶粒的生長2。隨著鎳含量的增加，圖2(d)、2(e)和2(f)是Fe-1.0C-3Ni、Fe-1.0C-5Ni、Fe-1.0C-7Ni的金相圖，組織中的晶粒尺寸同樣是減小的，這是由于隨著鎳含量的增加，組織中出現(xiàn)第二相富鎳區(qū)，阻礙了晶界的擴散，與此同時，鎳含量增多使得晶界處存在更多較小的孔隙，所以在碳含量不變的情況下，隨著鎳含量的增加，晶粒尺寸同樣是減小的。圖3給出的是Fe-3Ni-1.0C、Fe-5Ni-1.0C、Fe-7Ni-1.0C和Fe-8Ni-1.0C金相圖。從圖3中可以看出，組織中都出現(xiàn)了富鎳奧氏體，并且隨著碳含量的增加組織中富鎳奧氏體含量增加，這是由于鎳在固相燒結(jié)時擴散很慢，通過常規(guī)的燒結(jié)方式，鎳元素很難擴散均勻，所以隨著鎳含量的增加，合金中富鎳區(qū)含量增多。在富鎳奧氏體周圍碳含量較高，組織為馬氏體，這是由于鎳的加入，降低了共析體中碳的含量，所以隨著鎳的增加，更多的碳元素在富鎳奧氏體周圍堆積，壓制后的燒結(jié)坯在高溫下燒結(jié)屬于一種熱處理過程，所以當燒結(jié)后的材料在隨后的冷卻過程中，在富鎳奧氏體周圍形成馬氏體。馬氏體屬于硬質(zhì)相，并且對缺口敏感，而組織中的孔隙又是缺口，富鎳奧氏體的存在能夠改善馬氏體對缺口的敏感性，從而合提高了合金的硬度和拉伸強度，同時富鎳奧氏體具有良好的塑性，所以合金的伸長率同樣也增加。當鎳含量增加到8wt％時，如圖3(d)所示，富鎳區(qū)的面積進一步增加，合金的硬度和拉伸強度開始降低。圖4是Fe-7Ni-0.4C、Fe-7Ni-0.6C、Fe-7Ni-0.8C、Fe-7Ni-1.0C放大倍數(shù)為500倍下的金相組織圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在富鎳奧氏體周圍都存在著馬氏體，當碳含量為0.4wt％時，富鎳奧氏體周圍的馬氏體含量較少，隨著碳含量的增加，富鎳奧氏體周圍的馬氏體含量增加，所以在鎳含量相同時，合金的硬度和拉伸強度隨著碳含量的增加而增加，伸長率的變化與之相反。在對碳、鎳含量對鐵基粉末冶金材料的力學性能影響的曲線中，出現(xiàn)了兩個特殊的點，分別是合金Fe-3Ni-0.8C和Fe-3Ni-1.0C，在該處合金的硬度和拉伸強度是降低的，為此我們這兩種合金的金相組織進行了分析，解釋了其強度和硬度降低的原因。圖5給出的是Fe-2Ni-0.8C、Fe-3Ni-0.8C，F(xiàn)e-2Ni-1.0C和Fe-3Ni-1.0C的金相組織圖.圖5(a)、(c)金相組織中主要是以珠光體為主，沒有出現(xiàn)富鎳奧氏體，但是當鎳含量增加到3％wt時金相組織中出現(xiàn)了富鎳奧氏體，對Fe-3Ni-1.0C合金的金相組織放大到500倍后，如圖5(e)所示，在富鎳區(qū)周圍馬氏體含量較少，因此富鎳奧氏體開始出現(xiàn)是合金Fe-3Ni-0.8C和Fe-3Ni-1.0C的硬度和拉伸強度降低的原因。圖6分別是Fe-7Ni-0.4C、Fe-3Ni-1.0C和Fe-7Ni-1.0C試樣的斷面形貌圖。在圖6(a)中可以看出斷面主要由韌窩、少量的河流狀花紋和一定數(shù)量的孔隙組成，韌窩較多且較深，屬于韌性斷裂，當碳含量增加到1.0wt％后，如圖6(b)所示，與合金Fe-7Ni-0.4C相比合金Fe-7Ni-1.0C的斷面形貌上的韌窩數(shù)量減少，解理面增多，孔隙數(shù)量增加，F(xiàn)e-7Ni-1.0C的塑性降低。由圖6(c)可以看出，圖Fe-3Ni-1.0C合金的斷面由孔隙，河流狀花紋和韌窩組成，斷面上的韌窩數(shù)量較少，河流狀花紋居多，合金屬于脆性斷裂，隨著鎳含量增加到7wt％，F(xiàn)e-7Ni-1.0C合金與Fe-3Ni-1.0C相比，斷口上的孔隙數(shù)量減少，韌窩數(shù)量增加，合金斷口呈現(xiàn)韌窩、解理河流花紋綜合特征，合金Fe-7Ni-1.0C為準解理斷裂。因此，通過微觀結(jié)構(gòu)分析不同的鎳和碳元素對鐵基粉末冶金低合金鋼的孔隙、晶粒尺寸以及相變的影響，最后分析在鎳和碳含量對鐵基粉末冶金低合金鋼斷口形貌的影響，得出試樣的斷裂方式.結(jié)論如下：(1)對燒結(jié)材料的孔隙度研究中發(fā)現(xiàn)，保持鎳含量不變，隨著碳含量的增加，孔隙度增加，孔隙球化的程度增強，球化的孔隙不利于裂紋的擴散，在一定程度上促進了材料的塑性。保持碳含量不變，隨著鎳的增加，組織中沿晶界處小的孔隙增多，且分布比較均勻，孔隙度降低，這對合金的強度和塑性都起到促進的作用。(2)在對燒結(jié)材料的晶粒尺寸研究發(fā)現(xiàn)，當鐵粉中同時加入碳粉和鎳粉后，晶粒度增加，這意味著碳和鎳同時加入后，晶粒得到了細化，對合金的強度和塑性都起到了促進作用.(3)在研究碳和鎳含量對合金的金相組織的影響時發(fā)現(xiàn)，隨著鎳含量增加，珠光體含量增加，組織中出現(xiàn)了富鎳奧氏體，并且隨著鎳含量的增加，富鎳奧氏體含量也在增加。在富鎳奧氏體周圍存在馬氏體，并隨著碳含量的增加，富鎳奧氏體周圍的馬氏體含量也在增加。(4)對合金的斷口形貌觀察發(fā)現(xiàn)，在鎳含量為7wt％時，隨著碳含量的增加，合金斷口上的韌窩數(shù)量減少，合金由韌性斷裂變?yōu)闇式饫頂嗔?。在碳含量?.0wt％，隨著鎳含量的增加，合金斷面上韌窩的數(shù)量增加，河流狀花紋減少，合金斷口呈現(xiàn)韌窩、解理河流花紋綜合特征，材料由脆性斷裂變?yōu)闇式饫頂嗔眩辖鹚苄栽黾?上述實施方式旨在舉例說明本發(fā)明可為本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員實現(xiàn)或使用，對上述實施方式進行修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，故本發(fā)明包括但不限于上述實施方式，任何符合本權(quán)利要求書或說明書描述，符合與本文所公開的原理和新穎性、創(chuàng)造性特點的方法、工藝、產(chǎn)品，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。