通過高壓壓制製備鐵基部件的方法
2023-06-01 04:57:31 2
專利名稱：通過高壓壓制製備鐵基部件的方法
技術領域：
本發明涉及粉末冶金工業中使用的金屬粉末組合物。更具體地，本發明涉及一種使用這些組合物製備高密度部件的方法。
背景技術：
與傳統的使用真密度(full dense)鋼的相應方法相比，使用粉末冶金法生產結構部件有一些優點。以這種方式，能量的消耗大大降低，並且材料的利用大大提高。粉末冶金法的另一個主要優點在於，具有網狀或近似網狀的部件在燒結過程後可以直接出產，而不需要高成本的成形加工，例如車削、銑削、鏜削或磨削。然而，通常真密度鋼材料具有優於粉末冶金(PM)部件的機械性能。這主要是由於粉末冶金部件具有多孔性。因此，研究的方向是提高PM部件的密度，以使其儘可能接近真密度鋼的密度值。
在使PM部件達到較高密度的方法中，粉末鍛造方法具有可獲得真密度部件的優點。然而，該方法成本非常高，並且主要用於重型部件，例如連杆的批量生產。真密度材料也可以在高溫高壓，例如熱等靜壓即HIP下獲得，但這種方法成本也非常高。
通過使用熱壓制(compaction)，即在通常120℃到250℃的高溫下進行壓制的方法，密度可以增加約0.2g/cm3，這對機械性能有相當大的提高。然而，熱壓製法的缺點是包括附加的投資和處理。其它的方法，例如兩次壓制、兩次燒結、高溫燒結等，可以進一步提高密度。這些方法同樣會進一步增加生產成本，從而降低總成本效率。
為了擴大粉末冶金部件的市場並利用粉末冶金技術的優點，需要一種獲得具有改進的靜態和動態機械強度的高密度壓製件的簡單且低成本的方法。
發明內容
現已發現，通過使用高的壓制壓力和粗粉末，可以獲得高密度部件。根據常識，通常使用的粉末，即包含精細顆粒的粉末，不可能被壓制到高密度而又不出現例如壓製件表面被損傷或損壞的問題，這個結果是人們非常不希望的。具體而言，本發明的方法包括如下步驟提供基本上沒有精細顆粒的鐵基粉末；可選地將所述粉末與石墨和其它添加劑混合；在高壓下在一模具中單軸地壓制該粉末，並使壓坯脫出，該壓坯隨後被燒結。
具體實施例方式
術語「高密度」是指壓製件的密度約至少7.3g/cm3。當然(本方法)也可以生產較低密度的部件，但通常認為這具有較少的益處。
本發明的鐵基粉末包括純鐵粉末，例如霧化鐵粉，海綿鐵粉，還原鐵粉；部分擴散合金化鋼粉；以及完全合金化鋼粉。該部分擴散合金化鋼粉優選是一種與Cu，Ni，Mo中的一種或多種部分合金化的鋼粉。該完全合金化鋼粉優選是一種與Mn，Cu，Ni，Cr，Mo，V，Co，W，Nb，Ti，Al，P，S和B合金化的鋼粉。(使用)不鏽鋼粉末也是有益的。
關於顆粒的形狀，優選地，當通過水霧化獲得時，顆粒具有不規則形狀。同樣，具有不規則形狀的顆粒的海綿鐵粉也是有益的。
本發明的一個關鍵特徵是所使用的粉末具有粗顆粒，即該粉末基本上沒有精細顆粒。術語「基本上沒有精細顆粒」是指通過SS-EN 24 497中描述的方法測量的尺寸在45μm以下的粉末顆粒少於約5％。到目前為止，已經用主要包括大於約106μm的顆粒尤其是大於約212μm的顆粒的粉末取得了最有益的結果。術語「主要包括」是指至少50％，優選地至少60％，並且最優選地至少70％的顆粒具有分別大於106和212μm的顆粒尺寸。最大的顆粒尺寸可以是約2mm。在PM生產中使用的鐵基粉末的顆粒尺寸通常按高斯分布曲線進行分布，其平均顆粒直徑在30到100μm範圍內，並且約10-30％小於45μm。通過去除粉末中較精細的部分或通過生產具有預定顆粒尺寸分布的粉末，可以獲得基本上沒有精細顆粒的鐵基粉末。
顆粒尺寸分布以及顆粒形狀對壓制性能和壓製件性能的影響已經得到了認真的研究。例如，US專利5,594,186公開了一種通過使用具有三角形截面的基本上是細長的針狀金屬顆粒，來生產密度高於理論密度的95％的PM部件的方法。這種顆粒適於通過機加工方法或粉碎方法來生產。
包含粗顆粒的粉末還用於製造軟磁部件。例如，US專利6 309 748公開了一種鐵磁粉末，該粉末的顆粒的直徑尺寸在40到600μm之間。與本發明的鐵基粉末顆粒相比，這些粉末顆粒具有塗層。
US專利4,190,441中公開了一種用於生產燒結軟磁部件的粉末組合物。在該專利中，鐵粉包含少於5％的大於417μm的顆粒，並且少於約20％的粉末顆粒具有小於147μm的尺寸。該專利指出，因為小於147μm的顆粒的含量非常低，所以由這些粗的高純度粉末生產的部件的機械性能非常低。此外，該專利指出，如果需要更高的強度，則不可能既增加尺寸小於147μm的顆粒的含量，同時又不降低軟磁的性能。因此，該粉末混有特定量的磷鐵。可以在本發明的組合物中使用的石墨在該專利中沒有提及，而且石墨的存在將降低磁性。
US專利5225459(EP 554 009)也公開了包含粗顆粒的粉末混合物，該專利還涉及用於製備軟磁部件的粉末混合物。這些粉末混合物中也不包含石墨。
在粉末鍛造領域，還已知的是，可以使用包含粗顆粒的預合金化鐵基粉末。US專利3 901 661公開了這種粉末。該專利指出，(該粉末)可以包含一種潤滑劑，特別是，按重量計算該潤滑劑的含量應當是1％(例1)。然而，如果本發明的粉末混有如此高含量的潤滑劑，那麼該粉末不可能獲得很高的密度。
為獲得根據本發明的其燒結部件具有令人滿意的機械燒結性能的壓製件，需要將一定量的石墨添加到要被壓制的粉末混合物中。因此，在壓制前，可以添加按全部混合物重量計算在0.1-1％，優選地0.2-1.0％並且最優選地0.2-0.8％之間的石墨。
在壓制前，也可以將其它添加劑，例如，包括Mn，Cu，Ni，Cr，Mo，V，Co，W，Nb，Ti，Al，P，S和B的合金元素添加到鐵基粉末中。按重量計算，這些合金元素共計可添加到10％。還有一些添加劑是可以提高可加工性的化合物，硬相(hard phase)材料和流動劑。
在將鐵基粉末放入模具之前，也可使鐵基粉末與潤滑劑結合(內部潤滑)。添加潤滑劑是用於在壓制或擠壓(pressing)步驟中減少金屬粉末顆粒之間以及顆粒和模具之間的摩擦。合適的潤滑劑是例如硬脂酸鹽，蠟，脂肪酸及其衍生物，低聚物，聚合物，以及具有潤滑作用的其它有機物。潤滑劑優選以顆粒的形式添加，但也可以粘結和/或覆蓋在顆粒上。根據本發明，添加到鐵基粉末中的潤滑劑的量按混合物的重量計算可以在0.05-0.6％之間，優選地在0.1-0.5％之間。
根據本發明的方法還可以使用外部潤滑(模具壁潤滑)進行，即在壓制之前在模具的壁上設置潤滑劑。也可以將外部潤滑和內部潤滑結合使用。
術語「在高壓制壓力下」是指在約至少800MPa的壓力下。在更高的壓力，例如高於900Mpa，優選地高於1000Mpa，更優選地高於1100MPa的壓力下可以獲得更有益的結果。
一般認為，使用常規使用的包含較精細顆粒的粉末，添加少量潤滑劑(按重量計算少於0.6％)，在高壓即高於約800MPa的壓力下進行的常規壓制方法是不合適的，因為該方法需要很大的力才能將壓製件從模具中脫出，並伴隨有模具的嚴重磨損，而且部件表面很可能不夠光澤或受損。通過使用本發明的粉末，意外地發現，在約1000MPa的高壓下的推頂力(ejection force)減小了，並且發現當不使用模具壁潤滑時同樣可獲得具有合格甚至完美的表面的部件。
所述壓制(過程)可以使用標準設備進行，這意味著這種新的方法不需要很高的投資就可以實施。該壓制可以在環境溫度或高溫下在單獨一個步驟內單軸地進行。或者，該壓制可以在專利出版物WO 02/38315中描述的一種撞擊機(Hydropulsor公司的HYP35-4機型)的幫助下進行。
燒結可以在PM領域通常所使用的溫度，例如在1080℃和1160℃之間的標準溫度，或者高於1160℃的較高溫度下，並且在常規使用的氣氛下進行。
還可以對坯件或燒結部件進行其它的處理，例如機械加工，表面硬化，表面密化，或者其它在PM技術中使用的方法。
簡言之，使用本發明的方法的優點是，可以低成本地生產高密度壓坯。這種新方法還可以生產用常規技術難以生產的較高(密度)的部件。另外，可使用標準的壓制設備生產具有合格甚至完美的表面光潔度的高密度壓製件。
適合通過這種新方法生產的產品的例子是連杆、齒輪以及承受高負荷的其它結構部件。通過使用不鏽鋼粉末所生產的法蘭具有特別的益處。
通過下面的例子對本發明作進一步的說明。
例1根據本發明的兩種不同的鐵基粉末組合物與一種標準的鐵基粉末組合物比較。所有這三種組合物都是由瑞典Hgans AB公司的Astaloy Mo生產的，並添加有按重量計算佔0.2％的石墨和按重量計算佔0.4％的潤滑劑(KenolubeTM)。在本發明的一種鐵基粉末組合物中，直徑小於45μm的Astaloy Mo顆粒被去除，並且在本發明的另一種組合物中，(直徑)小於212μm的Astaloy Mo顆粒被去除。在常溫下和標準設備中進行壓制。從
圖1-1中可以看出，使用顆粒尺寸大於212μm的粉末，在所有的壓制壓力下密度都有明顯的增加。
圖1-2表明，為獲得沒有受損表面的部件，最重要的因素是減少或消除最小的顆粒，即小於45μm的顆粒。而且從圖中還可以看出，與使用具有約20％的小於45μm的顆粒的標準鐵基粉末組合物生產的壓製件需要的推頂力相比，使用沒有小於212μm的顆粒的鐵基粉末組合物生產的壓製件需要的推頂力有顯著的減少。與使用該標準粉末相比，使用沒有小於45μm的顆粒的本發明的鐵基粉末組合物生產的壓製件需要的推頂力也有所減少。
一個值得注意的現象是，根據本發明生產的壓製件需要的推頂力隨著脫模壓力的增加而減小，而對於該標準組合物卻相反。
還可以觀察到，將該標準粉末在高於700MPa的壓力下壓製得到的壓製件具有受損表面，因此是不合格的。將基本上沒有小於45μm的顆粒的粉末在高於700MPa的壓力下壓製得到的壓製件具有不夠光澤的表面，這至少在某些情況下是合格的。
例2對例1進行重複，但是使用0.5％的EBS(亞乙基雙硬脂醯胺)潤滑劑，並且壓制在一種撞擊機(瑞典Hydropulsor公司的HYP35-4機型)的幫助下進行。
分別從圖2-1和2-2可以看出，與具有標準粉末的粉末組合物相比，本發明的粉末組合物可以獲得較高的壓坯密度和較低的推頂力。還可以看出，在所有的壓制壓力下，由該標準粉末生產的部件都有受損表面。
權利要求
1.一種製備高密度壓坯的方法，包括如下步驟-提供一種鐵的粉末或鐵基粉末，其中具有45μm以下尺寸的鐵基粉顆粒少於約5％；-可選地將所述粉末與石墨和其它添加劑混合；-在至少約800MPa的壓制壓力下，在一模具中單軸地壓制該粉末；以及-將壓坯從該模具中脫出。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述壓制是在單獨一個步驟中進行的。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，至少50％，優選地至少60％並且最優選地至少70％的該鐵基粉末由顆粒尺寸大於約106μm的顆粒組成。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的方法，其特徵在於，至少50％，優選地至少60％並且最優選地至少70％的該鐵基粉末由顆粒尺寸大於約212μm的顆粒組成。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，最大的顆粒尺寸約為2mm。
6.根據權利要求2-5中任一項所述的方法，其特徵在於，該石墨的含量為0.1-1.0％。
7.根據權利要求1-6中任一項所述的方法，其特徵在於，在壓制前，將所述鐵基粉末與按重量計算其含量在0.05-0.6％之間的一種潤滑劑相結合。
8.根據權利要求1-6中任一項所述的方法，其特徵在於，所述壓制在一塗有潤滑劑的模具中進行。
9.根據權利要求7-8中任一項所述的方法，其特徵在於，所述壓制通過使用內部潤滑和外部潤滑的結合而進行。
10.根據權利要求1-9中任一項所述的方法，其特徵在於，該添加劑從包括合金元素例如Mn，Cu，Ni，Cr，Mo，V，Co，W，Nb，Ti，Al，P，S和B，可加工性提高劑，硬相材料以及流動劑的集合中選取。
11.根據權利要求1-10中任一項所述的方法，其特徵在於，所述壓制在至少900MPa，更優選地至少1000Mpa並且最優選地高於1100MPa的壓力下進行。
12.根據權利要求1-11中任一項所述的方法，其特徵在於，所述壓制在環境溫度下進行。
13.根據權利要求1-11中任一項所述的方法，其特徵在於，所述壓制在高溫下進行。
14.根據權利要求1-13中任一項所述的製備燒結產品的方法，其特徵在於，所述方法還包括在高於1100℃的溫度下的單獨一個燒結步驟。
15.一種包括鐵的粉末或鐵基粉末的粉末組合物，其中，尺寸小於45μm的該粉末顆粒少於約5％；並且石墨按重量計算佔0.1-1.0％。
16.根據權利要求15所述的粉末組合物，其特徵在於，還包括按重量計算佔0.05-0.6％的一種潤滑劑。
17.根據權利要求15或16所述的組合物，其特徵在於，至少50％，優選地至少60％並且最優選地至少70％的該鐵基粉末的顆粒尺寸大於約106μm。
18.根據權利要求17所述的組合物，其特徵在於，至少50％的該鐵基粉末的顆粒尺寸大於約212μm。
19.根據權利要求15-18中任一項所述的組合物，其特徵在於，還包括從包含合金元素例如Mn，Cu，Ni，Cr，Mo，V，Co，W，Nb，Ti，Al，P，S和B，可加工性提高劑，硬相材料以及流動劑的集合中選取的添加劑。
全文摘要
本發明涉及一種製備高密度壓坯的方法，包括如下步驟提供一種基本上沒有精細顆粒的鐵基粉末；可選地將所述粉末與石墨和其它添加劑混合；在至少約800MPa的壓制壓力下，在一模具中單軸地壓制該粉末；以及使壓坯脫出。本發明還涉及在該方法中使用的粉末。
文檔編號B22F1/00GK1705533SQ200380101698
公開日2005年12月7日 申請日期2003年10月22日 優先權日2002年10月22日
發明者M·凱茨埃爾曼, P·斯科格隆, H·維達爾森 申請人:霍加納斯股份有限公司