生產表面緻密的粉末金屬部件的方法
2024-03-22 09:05:05 2
專利名稱：生產表面緻密的粉末金屬部件的方法
技術領域：
本發明涉及一種生產粉末金屬部件的方法，具體地說本發明涉及一種生產具有高芯強度和堅硬緻密化表面的粉未金屬部件的方法。
背景技術：
傳統的用於生產金屬零件的方法包括，例如用鍛件、棒材或管材進行機加工。但是，與由粉末冶金生產(PM)的產品相比，這些傳統加工方法具有較差的材料利用性以及比較高的成本。採用PM生產方法的其它優點包括以單一的成形操作、最低精加工、高容量及高能效地形成形狀複雜形狀的製品。
儘管有上文所述的優點，當與低合金鍛鋼相比時，汽車中應用PM燒結部件仍然較少。在汽車工業中PM部件應用未來趨勢的一個領域歸於成功引入PM部件以進入要求更高應用領域如動力傳輸應用，例如，傳動齒輪。在過去由PM方法形成齒輪的一個問題是在齒輪的齒和根部區域中粉末金屬齒輪的彎曲疲勞強度已經減低，由於顯微組織中的殘餘孔隙，與由棒料或鍛件機械加工的齒輪相比齒根面上耐磨損性降低。成功生產PM傳動齒輪的一個方法在於軋制齒輪外部以使表面密實，如GB 2250227B所示。但是，從該方法認識到芯部密度比緻密化區域的密度低，典型約為鍛鋼完全理論密度的90％。其導致齒具有比其機械鍛鋼的齒輪低的耐彎曲疲勞性。
雖然燒結溫度可對以給定密度燒結的PM部件的動態性能上有顯著影響，但是任何燒結方法可達到的最終動態性能水平受所使用的合金系統和所獲得的燒結密度控制。雖然用典型的PM方法(有或沒有熱處理)以單一的最高7.2g/cm3的壓制密度水平獲得高抗張強度，但在循環載荷下動態性能如斷裂韌性和耐疲勞度將總是小於那些鋼的可比強度。因此，PM傳動齒輪的生產方法不能得到廣泛支持。這主要是由於殘餘孔隙的負面效果。因而，改善高載荷的PM部件性能的方法，必須考慮高載荷區域的緻密化和顯微組織，以獲得很好的循環彎曲壽命和表面耐久性。
從美國專利5729822、5540883和5997805中已經理解了用於改善PM部件性能的方法。
美國專利5729822公開了一種製造可用於齒輪的PM部件的方法，包括以下步驟a)燒結粉末金屬坯料使芯部密度介於7.4至7.6g/cm3之間；b)軋制齒輪坯料表面使其表面緻密；c)在真空爐中加熱已被軋制並燒結的齒輪然後滲碳。
美國專利5540883公開了一種生產可用於軸承的PM部件的方法，包括以下步驟a)將碳、鐵合金粉和潤滑劑與可壓縮的鐵粉混合形成混合物；b)壓制混合物以形成製品；c)燒結製品；d)用輥子滾壓成形該製品的至少部分表面；e)對該層進行熱處理。
美國專利5540883公開了一種生產高密度、高碳、燒結PM鋼的方法。該方法包括混合預期組分的粉末；壓制並燒結粉末；通過保持恆溫或緩冷冷卻已燒結的製品；其後成形該製品密度介於7.4至7.7g/cm3之間。在通過冷卻燒結的製品然後恆溫保持，獲得的低硬度的高碳材料用於其後的成形操作。
本發明提供一種用於生產PM部件的新方法，該PM部件的芯部的特徵在於具有中密度至高密度、高屈服強度，所述PM部件還具有高硬度、高密度的表面。
發明內容
簡單地說，本發明涉及一種用於任選為燒結粉末金屬部件的表面層緻密化的方法，該方法包括以下步驟使表面層脫碳以便軟化該部件的表面層；使該部件的表面層緻密。
對於一個燒結的部件，脫碳可作為燒結步驟的一部分也可作為燒結之後的一個獨立步驟。
本發明還涉及一種鐵合金的燒結粉末金屬部件，該合金在其芯部碳含量為0.3-1.0％而在其表面硬化外層為0.3-1.5％，優選0.5-0.9％。
具體實施例方式
脫碳的具體原因在於，軟化該部件的表面以便能夠對該部件進行有效的表面緻密化。脫碳表面層與芯部相比具有更低的屈服應力。表面層將密實而芯部上的應力將下降。根據本發明採用該方法，可以使用正常的壓力和工具材料來在具有高屈服強度的芯部和柔軟表面層的材料上進行密實化。所得到的部件將具有高尺寸精度和高芯部強度。為了增加表面硬度和抗磨損性，表面緻密化後，可進行任意的表面硬化或進行其他相當的表面硬化法處理。由於其較高的密度和表面硬化層，表面獲得一個優於芯部材料的硬度，並且抗彎曲疲勞及滾動接觸疲勞性能大大增加。在整個過程中部件芯部包含對於高的抗拉強度和屈服強度的最佳碳含量。
根據本發明可使用的優選粉為鐵粉或任意包括一種或多種成合金元素的鐵基粉末。該粉末可以例如包含最高達10％的一種或多種從由銅、鉻、鉬、鎳、錳、磷、釩和碳組成的組中所選的合金元素。該粉末可以是粉末混合物、預合金粉末和擴散結合(diffusion-bonded)合金粉末或其組合。
在壓力為400-1000MPa，優選為600-800MPa時進行壓實。
在1100-1350℃時進行燒結，該溫度為傳統的用於預合金和部分預合金化鐵的溫度。
在溫度為750-1200℃，優選為850-1000℃時在受控氣氛中進行脫碳。該氣氛優選由氫組成或由帶有任意添加的H2O的氫和氮的混合物組成，使用氮/氫混合物(其中50-100％的氫被H2O飽和)可得到特別好的結果。
脫碳層的厚度為0.1-1.5mm，優選0.8-1.2mm並且碳含量為0-0.5％，優選0.03-0.3％。
由於部件表面的低碳含量，當其被機械加工時該材料是軟的。表面層由於機械加工而達到完全緻密化，這就意味著可利用材料全部潛能。層厚度應充分容納部件作業環境所產生的應力。
表面緻密化可通過機械成形如表面壓制、表面軋制、噴丸硬化處理、精壓(sizing)或任何其他可以局部提高部件密度的方法進行。但是在精壓與軋制之間有一個顯著不同。精壓操作的主要目的是改善形狀公差，而增加局部密度僅為次要目的。
軋制操作是獲得與鍛件和表面硬化鋼相當的性能的關鍵。但是，作為第二功能，該軋制操作使形狀公差改善。必須為所關心的部件確定好精確的軋制次序及與軋制相關的其他參數。
表面緻密化之後的表面硬化將產生一個非常緻密而硬的表面。表面硬化在溫度為850-1000℃，優選900-950℃時在用0.3-1.5％碳，優選0.5-0.9％碳富集的氛圍中進行。術語「表面硬化」意為包含任何類型的包括添加一種硬化劑例如碳或氮的表面硬化。典型的硬化方法包括傳統的表面硬化、含碳的(carbo)氮化、含氮的(nitro)碳化、等離子氮化、離子氮化等等。
在表面硬化後表面層碳含量為0.3-1.5％，優選0.5-0.9％。芯部的碳含量保持在0.3-1.0％。
表面硬化後優選在低溫空氣中回火。
本發明現將就下列實例進一步說明。
圖1所示為不同表面處理後的顯微硬度曲線圖。
圖2所示為在脫碳表面上表面壓制結果的圖片。
圖3所示為在燒結樣品上表面壓制結果的圖片。
實例準備具有依據表1成分的鐵基合金。粉末混合物用約600MPa密實壓力壓製成測試部件從而產生約7.0g/cm3的生坯密度。其後被壓實的部件受到以下所示的五個不同的脫碳方法的處理。
A.以1120℃/30分鐘的速度在30％N2/70％H2中燒結，隨後以0.5-2.0℃/s的速度冷卻。
B.(單一過程)以1120℃/25分鐘的速度在90％N2/10％H2的混合物中燒結，其後以1120℃/5分鐘的速度在33％溼氣以及67％乾燥的90％N2/10％H2的混合物中燒結(脫碳)，並以0.5-2.0℃/s的速度在33％溼氣以及67％乾燥的90％N2/10％H2的混合物中冷卻。
C.(單一過程)以1120℃/25分鐘的速度在90％N2/10％H2的混合物中燒結，其後以1120℃/5分鐘的速度在20％溼氣以及80％乾燥的90％N2/10％H2的混合物中燒結(脫碳)，並以0.5-2.0℃/s的速度在20％溼氣以及80％乾燥的90％N2/10％H2的混合物中冷卻。
D.以1120℃/30分鐘的速度在具有0.65％CO2的吸熱型氣體中燒結，其後以0.5-2.0℃/s的速度冷卻。
E.(雙重過程)以1120℃/30分鐘的速度在30％N2/70％H2的混合物中燒結，其後以950℃/20分鐘的速度在50％溼氣以及50％乾燥的H2中脫碳，並以0.5-2.0℃/S的速度冷卻。表1
*+0.6％ Kenolube**以石墨添加在軋制壓力為15-35KN並且軋制轉數為5-40R的條件下在部件上通過表面軋制進行表面緻密。
表面硬化在緻密部件上通過使部件以9500℃/60分鐘的速度在0.5％碳勢的氛圍中進行，其後以185℃/60分鐘的速度在空氣中回火。
為了表徵脫碳的效果和其對表面緻密化的影響，進行脫碳部件剖面的表面硬度測量(HV10)和顯微組織觀測(LOM)。分析給出的表面硬度和軟脫碳層厚度的信息。
表面硬度測量的結果如表2和圖1所示。清楚可見表面硬度在脫碳後降低，而在表面緻密化和表面硬化後增大。
圖2和3所示分別為表面壓制(壓力60KN)對被脫碳後和燒結態的表面的影響(材料Distaloy AE+0.6％C)。表2
*wg＝溼氣在不同的脫碳處理後的碳含量如表3所示。從表中可見單獨的脫碳過程(方法E，雙重過程)所得的表面脫碳效果比單一過程(方法B和C)大得多，雖然後者具有一定的脫碳效果。與單一的和雙重的過程相比，燒結對表面脫碳的影響非常有限。這主要由反應中的動力學效果決定。
表3
*wg＝溼氣**DP＝雙重過程在整體而不是在樣品表面上進行碳測量。樣品表面上碳含量應比現測量的數值低得多。
在1120℃持續30分鐘在90％N2/10％H2的氣氛中燒結的樣品上進行拉伸測試。其結果如表4所示。
表4
*氣氛90％N2/10％H權利要求
1.一種用於對由鐵或鐵基粉末製成的任選為燒結的含碳部件的表面層進行密實化的方法，該方法其包括以下步驟使表面層脫碳以便使該部件表面層軟化；通過機械成形使部件的表面層緻密化。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於在足以提供具有厚度為0.1-1.5mm，優選0.8-1.2mm的軟表面層的條件下進行脫碳。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於足以在部件的軟表面層提供0-0.5wt％的碳含量，優選0.03-0.3wt％的條件下進行脫碳。
4.根據權利要求1至3中的任一項所述的方法，其特徵在於所述表面緻密之後進行表面硬化。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述表面緻密化作為碳化過程進行。
6.根據權利要求4或5所述的方法，其特徵在於，在足以在部件表面層提供0.3-1.5wt％的碳含量，優選為0.5-0.9wt％的條件下進行表面硬化。
7.根據權利要求4至6中任一項所述的方法，其特徵在於，所述表面硬化部件的芯部的碳含量為0.3-1.0wt％。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的方法，其特徵在於，脫碳步驟包括在受控氣氛中在750-1200℃，優選850-1000℃下加熱該部件。
9.根據權利要求1至8中的任一項所述的方法，其特徵在於所述部件包括一種或多種選自銅、鉻、鉬、鎳、錳、磷、釩和碳的合金元素。
10.一種用於生產具有高密度和緻密化表面的粉末金屬部件的方法，包括如下步驟燒結壓制的部件並在一部分燒結過程中對部件表面層進行脫碳以軟化表面層；使部件的軟化表面層緻密化。
11.一種鐵合金的燒結粉末金屬部件，該鐵合金在其芯部具有0.3-1.0％的碳含量且在其表面硬化外層為0.3-1.5％，優選0.5-0.9％。
全文摘要
一種用於任意燒結的粉末金屬部件的表面層緻密化的方法，包括以下步驟使表面層脫碳以便軟化部件的表面層；並且使部件的表面層緻密。
文檔編號C21D1/06GK1438926SQ0181185
公開日2003年8月27日 申請日期2001年6月25日 優先權日2000年6月28日
發明者S·苯特森, 于洋, M·斯文森 申請人:赫加奈斯公司