[发明专利]Nb微合金化高强度粉末冶金材料及其成型方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Nb微合金化高强度粉末冶金材料及其成型方法。属粉末冶金技术领域。

背景技术

Nb(铌)对钢铁的强化作用远远超过Cu，Ni，Mo，达到同样的强化效果所需的合金元素含量很低，推广使用可以为国家节约大量昂贵的合金元素。但因为Nb的熔点与硬度太高，且Nb与铁固相扩散速率太低，无法用于粉末冶金生产。Nb(铌)对致密钢铁材料的强化方式为：在钢水中加入NbFe，在1550℃时NbFe溶解在钢水中并扩散均匀，冷切后形成Nb强化的微合金钢。Nb微合金化所需加入NbFe量最佳范围为0.05％～0.40％。而粉末冶金烧结为固相烧结，温度为1120℃，远低于钢水温度。在正常粉末冶金烧结温度下，NbFe的液相溶解无法发生，固相扩散要达到合金化需烧结200h以上，与通常烧结所需的5h相差太远，加之NbFe硬度为Hv1300，直接压制会降低压坯密度0.4g/cm³，无法用于粉末冶金生产。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种能将Nb用于粉末冶金生产以降低粉末冶金材料成本的Nb微合金化高强度粉末冶金材料。

本发明的目的是这样实现的：一种Nb微合金化高强度粉末冶金材料，其特征在于所述材料主要由以下质量配比的原料成份组成：NbCl₄0.12％～0.15％、石墨粉0.5～0.7％、硬脂酸锌0.7～0.9％和铁粉98.35％～98.58％。

一种利用Nb微合金化高强度粉末冶金材料制备粉末冶金零件的成型方法，该法包括以下工艺步骤：

a、按照NbCl₄0.12％～0.15％、石墨粉0.5～0.7％、硬脂酸锌0.7～0.9％和铁粉98.35％～98.58％的质量配比配好材料；

b、配好的材料在双锥混合器内以19～21r/min的转速混合30～35min；

c、将混好的材料在500MPa～600MPa的压力下于模具中压制成型为零件压坯；

d、将压坯在1120℃±5℃温度下，保护气氛组成为88～92％N₂，7.5～8.5％H₂，0.1～0.4％CH₄下烧结5小时±1小时。

本发明采用低熔点(720℃)，低硬度(Hv140：与铁粉颗粒相近)，低分解温度(880℃)的NbCl₄作为Nb的携带剂与铁粉、石墨粉和润滑剂混合，然后普通压制压力下压制成零件坯料并烧结。在烧结过程中发生反应：NbCl₄+H₂→Nb+HCl。生成的HCl在该温度下与零件中的Fe颗粒表面的氧化物反应：Fe_XO_Y+HCl→Fe^X++H₂O+Cl^-，本反应生成Fe^X+与上一步反应生成的Nb原子表面无氧化物薄膜，为新生态原子，具有很高的化学与物理活性(扩散系数高3个数量级)，使相接触的Nb与Fe通过体积扩散与表面扩散形成Nb与Fe的固溶体。而由于粉末冶金所特有的细晶粒，宏观均匀，微观不匀的金相组织，使所得的粉末冶金零件金相组织为细小硬质相(NbC+NbFe)均匀分布在软质基体(珠光体+铁素体)上，最大限度的利用了Nb的强化作用。经过实验，发现Nb微合金化粉末冶金材料的屈服强度随Nb含量的增加先增大后减小，存在一最佳配比。本发明确认了Nb在粉末冶金材料中的引入方式与Nb添加量的最佳范围及烧结气氛的最佳组成。零件烧结态屈服强度与冲击功超过美国金属联合会MPIF-35FN-0405-35牌号，热处理态屈服强度与冲击功超过FN-0405-130HT牌号的典型性能，其中耐磨性能超出标准2.6倍。每吨零件可节约Ni粉40kg，铜粉15kg，成本降低20000元/吨。

具体实施方式

A、按照NbCl₄0.13％、石墨粉0.6％、硬脂酸锌0.8％、铁粉98.47％的质量配比配好材料。

B、配好的材料在双锥混合器内以19～21r/min的转速混合30～35min。

C、将混好的材料在500MPa～600MPa的压力下于模具中压制成型为零件压坯。

D、将压坯在1120℃温度下，保护气氛组成为88～92％N₂，7.5～8.5％H₂，0.1～0.4％CH₄下烧结5小时。