用於粉末冶金產品的混合物及其製備方法
2023-07-05 07:29:36 1
專利名稱：用於粉末冶金產品的混合物及其製備方法
技術領域：
本發明涉及用於粉末冶金產品的混合物以及該混合物的製備方法。而且，本發明涉及一種粉末冶金產品以及該粉末冶金產品的製備方法。
背景技術：
在粉末冶金中，在按預定比對某些粉末進行混合之後，採用成套裝置，在壓力下將混合後的粉末製成所要求的形狀，然後燒結成最終的冶金產品。
粉末冶金產品的優點之一是不必進行機械加工操作，原因是不需要機械加工就可在模具中製成形狀與最終形狀基本相同的粉末冶金產品。最近，要求形狀的精度更高、更複雜。因此，即使對於粉末冶金產品，也要求進行機械加工操作。但是，一般地，粉末冶金產品的機械加工性能較差。
美國專利5,938,814和日本審定專利公報56-45964(此後，稱作「964公報」)公開了具有良好機械加工性能的鋼粉末。在此全部引入這些參考文獻的內容作為參考。
在「964公報」中公開的鋼粉末中，所述鋼粉末含有0.15-0.5％(重量)的S，Mn含量比Mn/S平衡量至多大0.3％(重量)。Mn用於與S結合。在Mn與S結合後，MnS不易氧化。
一般而言，粉末冶金產品的機械強度較差。推測原因是粉末冶金產品中存在許多孔隙，因為粉末冶金產品是通過壓力成型和燒結製備而成的。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種機械加工性能改善而疲勞強度基本未受損害的粉末冶金產品。
根據本發明的一個方面，用於粉末冶金產品的混合物包括鐵粉末、石墨粉末和約3.0-5.0％(重量)的銅(Cu)。鐵粉末包含其中含有MnS的鐵晶粒。該混合物含有約0.65-1.40％(重量)的MnS。混合物中存在石墨粉末以使粉末冶金產品中的碳含量(C)為約0.3-0.7％(重量)。通過確定碳含量(wt.％C)和銅含量(wt.％Cu)，便能夠基於如下關係式獲得目標疲勞強度FS(MPa)和目標硬度HR(HRB)FS＝66.63×(wt％C)+22.61×(wt％Cu)+280.84HR＝22.96×(wt％C)+2.99×(wt％Cu)+78.91.
根據本發明的另一個方面，一種粉末冶金產品由包括鐵粉末、石墨粉末和約3.0-5.0％(重量)的銅(Cu)的混合物製成。鐵粉末包含其中含有MnS的鐵晶粒。該混合物含有約0.65-1.40％(重量)的MnS。混合物中存在石墨粉末 的目的是使粉末冶金產品中的碳含量(C)為約0.3-0.7％(重量)。通過確定碳含量(wt.％C)和銅含量(wt.％Cu)，便能夠基於如下關係式獲得目標疲勞強度FS(MPa)和目標硬度HR(HRB)FS＝66.63×(wt％C)+22.61×(wt％Cu)+280.84HR＝22.96×(wt％C)+2.99×(wt％Cu)+78.91.
根據本發明的又一個方面，一種用於粉末冶金產品的混合物的製備方法包括在鐵粉末中的鐵晶粒中沉澱析出MnS；向鐵粉末中添加石墨粉末，以使粉末冶金產品中的碳含量(C)為約0.3-0.7％(重量)；向鐵粉末中添加約3.0-5.0％(重量)的銅(Cu)；以及，確定碳含量(wt.％C)和銅含量(wt.％Cu)，以便基於如下關係式來獲得目標疲勞強度FS(MPa)和目標硬度HR(HRB)
FS＝66.63×(wt％C)+22.61×(wt％Cu)+280.84HR＝22.96×(wt％C)+2.99×(wt％Cu)+78.91.
所述混合物含有約0.65-1.40％(重量)的MnS。
根據本發明的又一個方面，一種粉末冶金產品的製備方法包括在混合物製備過程期間製備一種混合物；將混合物壓製成在壓力下成型為生坯；以及，燒結該生坯。所述混合物製備過程包括在鐵粉末中的鐵晶粒中沉澱析出MnS；向鐵粉末中添加石墨粉末，以使粉末冶金產品中的碳含量(C)為約0.3-0.7％(重量)；向鐵粉末中添加約3.0-5.0％(重量)的銅(Cu)；以及，確定碳含量(wt.％C)和銅含量(wt.％Cu)，以便基於如下關係式來獲得目標疲勞強度FS(MPa)和目標硬度HR(HRB)FS＝66.63×(wt％C)+22.61×(wt％Cu)+280.84HR＝22.96×(wt％C)+2.99×(wt％Cu)+78.91.
所述混合物含有約0.65-1.40％(重量)的MnS。
根據本發明的其它方面，一種粉末冶金產品含有鐵、約0.3-0.7％(重量)的碳(C)和約3.0-5.0％(重量)的銅(Cu)。所述鐵包含其中含有MnS的鐵晶粒。所述產品含有約0.65-1.40％(重量)的MnS。通過確定碳含量(wt.％C)和銅含量(wt.％Cu)，便能夠基於如下關係式獲得目標疲勞強度FS(MPa)和目標硬度HR(HRB)FS＝66.63×(wt％C)+22.61×(wt％Cu)+280.84HR＝22.96×(wt％C)+2.99×(wt％Cu)+78.91.
附圖簡述參照下面的詳細描述，特別是結合附圖分析時，將會容易地對本發明進行更為完全的評價，本發明伴隨的許多優點將變得更加明顯。所述附圖中
圖1是連杆的正視圖；
圖2是沉澱析出MnS的鐵粉末粒子(P)的橫截面放大視圖；圖3示出了與由沉澱析出MnS的鐵基粉末製成的粉末冶金產品的疲勞強度與其中的碳和銅含量之間的關係；圖4示出了由純鐵基粉末製成的粉末冶金產品疲勞強度與碳和銅含量之間的關係；圖5示出了疲勞強度(MPa)與銅含量(wt.％Cu)和碳含量(wt.％C)以及硬度(HRB)與銅含量(wt.％Cu)和碳含量(wt.％C)之間的關係。
優選實施方案描述現在，參照附圖對優選實施方案進行描述。
在粉末冶金中，在向鐵粉末中添加某些元素並與之混合後，採用模具組，在壓力下將所述混合物製成具有要求形狀的生坯，然後，將該生坯燒結並鍛造成最終的冶金產品。比如，這種冶金產品是圖1所示的連杆。連杆1例如用於汽車內燃機中。連杆1包括小端部2和大端部3。小端部2與活塞相連。大端部3與曲軸相連。大端部3包括相互間通過螺栓4相聯的兩部分(3a和3b)。
在本發明的這一實施方案中，將一種能夠提高粉末冶金產品機械加工性能的機加工性改進成分如MnS沉澱析出在鐵粉末的鐵晶粒中，以便改善粉末冶金產品的機械加工性。鐵粉末包含大量的鐵粒子。參照圖2，在沉澱析出的鐵粉末中，一個鐵粒子(P)包括多個鐵晶粒(g)。MnS，其在圖2中以點示出，基本上均勻沉澱析出在鐵晶粒(g)中。
除了MnS，還可以在鐵粒子中沉澱析出用於改善粉末冶金產品機械強度的元素如Ni和/或Mo。同樣，Ni和/或Mo粉末可以簡單地與鐵粉末混合。Ni和/或Mo還可以通過擴散結合與鐵粒子結合。
本發明的發明人研究了銅和碳的含量對粉末冶金產品的機械加工性能和疲勞強度的影響。為了進行此項研究，採用沉澱析出MnS的粉末、純鐵粉末和其中添加並混合0.3％(重量)的MnS粉末的純鐵粉末作為基礎粉末，製備出幾種Fe-Cu-C混合物。表1示出了純鐵粉末和沉澱析出MnS的粉末的化學組成(以％(重量)計)。
表1
在沉澱析出的鐵的製備過程中，將錳(Mn)和硫(S)在熔化和精煉期間添加至鋼熔體中。然後，在氣霧化過程中製備出鐵粉末。結果，MnS沉澱析出在鐵晶粒中。日本審定專利公報(kokoku)56-45964公開了這樣一種方法。在此全部引入此參考文獻的內容作為參考。將石墨粉末和銅(Cu)添加到鐵粉末中。圖2示出了沉澱析出MnS的鐵粉末的一個粒子(P)的橫截面放大圖。粒子(P)採用奈塔爾硝酸乙醇腐蝕液腐蝕，以便觀察到晶界。MnS粒子基本均勻沉澱析出在鐵粒子各處。鐵粉末包括大量的鐵粒子。參照圖2，在沉澱析出的鐵粉末中，一個鐵粒子(P)包括多個鐵晶粒(g)。MnS，其在圖2中以點示出，基本上均勻沉澱析出在鐵晶粒(g)中。
銅粉末採用150目(105μm)篩網進行篩分，90％的銅粉末能通過200目(75μm)篩網。石墨(Gr)粉末的D50為9.1μm，D90為20.9μm。潤滑劑(Lub)選自純石蠟級。MnS粉末的D50為8.5μm，D90為32.4μm。混合物是典型的Fe-Cu-C組成。所有的試樣混合物均採用588MPa的單軸液壓機製成外徑為90mm、高度為45mm的試樣產品。在一種推進式燒結爐內，純氮氣氛中，1140℃(2084°F)下，對這些試樣產品燒結40分鐘。
在為了實施鍛造對這些試樣進行預熱之前，將石墨潤滑劑塗覆在燒結材料表面上，以降低燒結材料與鍛模壁之間的摩擦和防止氧化(或脫碳)。在鍛造用預熱爐中，在1050℃(1922°F)下，對燒結材料預熱30分鐘。使用1600噸的機械鍛造壓機，採用980MPa的壓力進行鍛造。
(1)疲勞強度根據1974年頒布的JIS Z 2274製備JIS(日本工業標準)1型旋轉彎曲疲勞試樣，以測量疲勞強度。在此全部引入1974年頒布的JISZ 2274的內容作為參考。根據Ono旋轉彎曲疲勞方法測量疲勞強度。旋轉速度為3600rpm。確定疲勞極限為107次循環。
(2)機械加工性能採用止推力，即鑽孔期間的切削抗力決定機械加工性能。止推力下降意味著機械加工性能提高。鑽孔條件如下鑽頭直徑5mm的高速鋼鑽頭，速度800rpm，鑽孔深度10mm，給料速度0.05mm/轉，潤滑狀況無潤滑。
表2
表2示出了粉末鍛造試樣的化學組成和機械性能。試樣含有銅(2-3wt.％)與碳(0.2-0.6wt.％)的各種組合，以便研究它們對機械加工性能和疲勞強度的影響。某些試樣，例如，2wt.％Cu-0.45wt.％C(試樣3和9)，和3wt.％Cu-0.45wt.％C(試樣6和11)對沉澱析出的基礎材料和純鐵基礎材料之間是等同可比的。根據這些比較，沉澱析出的基礎材料的疲勞強度比純鐵基礎材料更高。表2中，(FS)代表疲勞強度，(TS)代表抗拉強度，(HRB)代表硬度。
對試樣3，9和13(Fe-2.0wt.％Cu-0.45wt.％C)的比較結果如下，在粉末鍛造條件下，沉澱析出的鐵粉末的疲勞強度比純鐵基礎材料高20N/mm2(比混合MnS的基礎材料高+30N/mm2)，止推力比純鐵基礎材料低28kgf(比混合MnS的基礎材料低9kgf)，即機械加工性能更好。
基礎粉末FS(N/mm2) 止推力(kgf)純鐵(無MnS) 34390純鐵+0.3％MnS 33371沉澱析出的粉末36362參看表2，對於沉澱析出的基礎材料和純鐵基礎材料，添加組元的作用似乎不同。為了確定添加組元對每種性能的影響，對沉澱析出的粉末和純鐵粉末的每種機械性能進行了回歸分析。表3示出了下述方程的係數目標性能＝A×(wt.％Cu)+B×(wt.％C)+C (1)wt.％Cu銅的重量百分數wt.％C碳的重量百分數A和B係數。
表3
對於疲勞強度(FS)，用於沉澱析出的粉末混合物時的銅的係數是純鐵粉末基礎混合物時的兩倍。確定碳對沉澱析出的粉末混合物的(FS)的影響僅為純鐵粉末基礎混合物時的一半。另一方面，對於抗拉強度(TS)，銅和碳添加元素對基礎材料的影響約為純鐵基礎材料時的70％。
基於此結果，添加元素不僅對機械性能產生預期的影響，而且，這種影響也因基礎粉末的不同而異。
圖3和4示出了銅含量與碳含量之間的關係，以便根據方程(1)獲得各個疲勞強度。顯然，在粉末鍛造條件下，純鐵基粉末鍛造(P/F)的材料的疲勞強度比沉澱析出的基礎粉末鍛造的材料對碳含量更為敏感。這表明與沉澱析出的基礎材料相比，在整個製造過程中，為了獲得均勻的性能，純鐵基材料要求更精確的碳含量控制。另一方面，儘管沉澱析出的基礎材料比純鐵基材料對銅含量更為敏感，但銅的作用低於碳的1/3。已知有幾種防止添加元素偏聚的方法，如擴散結合方法、有機粘結劑處理等。這些經處理的粉末能夠有效防止偏聚的發生，但也僅僅是指在生坯狀態。在對粉末鍛造的部件進行加工時，不僅會與基礎粉末中的氧作用發生脫碳，而且在燒結和鍛造期間也會發生脫碳。沉澱析出的粉末用於粉末鍛造場合的益處之一在於其對碳含量的敏感性較低。
在純鐵基粉末中，如果不損害機加工性能，已基本不可能再使疲勞強度提高。然而，本發明人發現通過調整銅含量(wt.％Cu)與碳含量(wt.％C)，能夠在不損害機加工性能的條件下提高疲勞強度。隨著硬度降低，機加工性能改善。根據方程(1)和表3，本發明人發現疲勞強度FS(MPa)與銅含量(wt.％Cu)和碳含量(wt.％C)的關係，以及硬度(HRB)與銅含量(wt.％Cu)和碳含量(wt.％C)的關係如下目標疲勞強度(MPa)＝22.61×(wt.％Cu)+66.63×(wt.％C)+280.84目標硬度(HRB)＝2.99×(wt.％Cu)+22.96×(wt.％C)+78.91確定了銅含量(wt.％Cu)和碳含量(wt.％C)，便可依據上述關係獲得目標疲勞強度FS(MPa)和目標硬度HR(HRB)。
圖5示出了疲勞強度(MPa)與銅含量(wt.％Cu)和碳含量(wt.％C)的關係，以及硬度(HRB)與銅含量(wt.％Cu)和碳含量(wt.％C)的關係。線(F)代表獲得383MPa的疲勞強度FS時的C和Cu含量的組合。在線(F)以上，獲得高於383MPa的疲勞強度FS。線(H)代表獲得104(HRB)的硬度HR時的C和Cu含量的組合。在線(H)以下，獲得低於104(HRB)的硬度HR。為了在不損害機加工性能和不增大成本的條件下提高疲勞強度，碳(C)含量為約0.3-0.7％(重量)，銅(Cu)含量為約2.0-5.0％(重量)。優選銅(Cu)含量為約3.0-5.0％(重量)。
在所述粉末中，沉澱析出在鐵晶粒中的MnS量為約0.65-1.40％(重量)。如果MnS含量降至低於0.65％(重量)，則機加工性能下降。另一方面，如果MnS含量增至高於1.40％(重量)，則疲勞強度下降。優選MnS量為約0.65-1.00％(重量)。在此範圍，能夠在不損害機加工性能和基本不增大成本的條件下提高疲勞強度。更優選MnS量為約0.65-0.90％(重量)。
用於粉末冶金的混合物包括鐵粉末、石墨粉末和約2.0-5.0％(重量)的銅(Cu)。優選銅(Cu)含量為約3.0-5.0％(重量)。鐵粉末包含其中含有MnS的鐵晶粒。該混合物含有約0.65-1.40％(重量)的MnS。混合物中存在石墨粉末以使粉末冶金產品中的碳含量為約0.3-0.7％(重量)。確定碳含量(wt.％C)和銅含量(wt.％Cu)，以便基於如下關係式來獲得目標疲勞強度FS(MPa)和目標硬度HR(HRB)FS＝66.63×(wt％C)+22.61×(wt％Cu)+280.84HR＝22.96×(wt％C)+2.99×(wt％Cu)+78.91.
銅粉末採用150目(105μm)篩網進行篩分，90％的銅粉末能通過200目(75μm)篩網。石墨(Gr)粉末的D50為9.1μm，D90為20.9μm。潤滑劑(Lub)選自純石蠟級。MnS粉末的D50為8.5μm，D90為32.4μm。混合物是典型的Fe-Cu-C組成。將混合物成型為具有預定形狀的生坯。在一種推進式燒結爐內，純氮氣氛中，1140℃(2084°F)下，對生坯進行燒結40分鐘。在為了實施鍛造對這些燒結坯體進行預熱之前，將石墨潤滑劑塗覆在燒結坯體表面上，以降低燒結坯體與鍛模壁之間的摩擦和防止氧化(或脫碳)。在鍛造用預熱爐中，在1050℃(1922°F)下，對燒結坯體預熱30分鐘。使用1600噸的機械鍛造壓機，採用980MPa的壓力進行鍛造。這樣，就製備出粉末冶金產品。
顯然，根據上述介紹，能夠對本發明進行眾多的修正和改變。因此，應該了解的是除了此處具體介紹的情形之外，本發明可以在附後的權利要求範圍內實施。
權利要求
1.一種用於粉末冶金產品的混合物，包括包含其中含有MnS的鐵晶粒的鐵粉末，所述混合物含有約0.65-1.40％(重量)的MnS；石墨粉末，混合物中存在於石墨粉末中以使粉末冶金產品中的碳含量(C)為約0.3-0.7％(重量)；以及約3.0-5.0％(重量)的銅(Cu)，其中，通過確定所述碳含量(wt.％C)和所述銅含量(wt.％Cu)，基於如下關係式，以獲得目標疲勞強度FS(MPa)和目標硬度HR(HRB)FS＝66.63×(wt％C)+22.61×(wt％Cu)+280.84HR＝22.96×(wt％C)+2.99×(wt％Cu)+78.91.
2.根據權利要求1的混合物，其中，所述碳含量(wt.％C)和所述銅含量(wt.％Cu)滿足關係66.63×(wt％C)+22.61×(wt％Cu)≥102.16 和22.96×(wt％C)+2.99×(wt％Cu)≤25.09.
3.根據權利要求1的混合物，其中，所述混合物含有約0.65-1.00％(重量)的MnS。
4.根據權利要求3的混合物，其中，所述混合物含有約0.65-0.90％(重量)的MnS。
5.一種由混合物製成的粉末冶金產品，所述混合物包括包含其中含有MnS的鐵晶粒的鐵粉末，所述混合物含有約0.65-1.40％(重量)的MnS；石墨粉末，混合物中存在於石墨粉末中以使粉末冶金產品中的碳含量(C)為約0.3-0.7％(重量)；以及約3.0-5.0％(重量)的銅(Cu)，其中，通過確定所述碳含量(wt.％C)和所述銅含量(wt.％Cu)，基於如下關係式，以獲得目標疲勞強度FS(MPa)和目標硬度HR(HRB)FS＝66.63×(wt％C)+22.61×(wt％Cu)+280.84HR＝22.96×(wt％C)+2.99×(wt％Cu)+78.91.
6.根據權利要求5的粉末冶金產品，其中，所述混合物含有約0.65-1.00％(重量)的MnS。
7.根據權利要求6的粉末冶金產品，其中，所述混合物含有約0.65-0.90％(重量)的MnS。
8.根據權利要求5的粉末冶金產品，其中，所述粉末冶金產品是一種通過對在壓力下已成型為所要求形狀的混合物進行鍛造製備而成的鍛造產品。
9.一種製備用於粉末冶金產品的混合物的方法，包括在鐵粉末的鐵晶粒中預合金化MnS，所述混合物含有約0.65-1.40％(重量)的MnS；向鐵粉末中添加石墨粉末，使粉末冶金產品中的碳含量(C)為約0.3-0.7％(重量)；向鐵粉末中添加約3.0-5.0％(重量)的銅(Cu)；通過確定所述碳含量(wt.％C)和所述銅含量(wt.％Cu)，基於如下關係式，以獲得目標疲勞強度FS(MPa)和目標硬度HR(HRB)FS＝66.63×(wt％C)+22.61×(wt％Cu)+280.84HR＝22.96×(wt％C)+2.99×(wt％Cu)+78.91.
10.根據權利要求9的方法，其中，所述混合物含有約0.65-1.00％(重量)的MnS。
11.根據權利要求10的方法，其中，所述混合物含有約0.65-0.90％(重量)的MnS。
12.一種生產粉末冶金產品的方法，包括在混合物製備過程中製備一種混合物，所述過程包括在鐵粉末的鐵晶粒中預合金化MnS，所述混合物含有約0.65-1.40％(重量)的MnS；向鐵粉末中添加石墨粉末，使粉末冶金產品中的碳含量(C)為約0.3-0.7％(重量)；向鐵粉末中添加約3.0-5.0％(重量)的銅(Cu)；以及通過確定所述碳含量(wt.％C)和所述銅含量(wt.％Cu)，基於如下關係式，以獲得目標疲勞強度FS(MPa)和目標硬度HR(HRB)FS＝66.63×(wt％C)+22.61×(wt％Cu)+280.84HR＝22.96×(wt％C)+2.99×(wt％Cu)+78.91；在壓力下將混合物製成生坯；以及燒結該生坯。
13.根據權利要求12的方法，進一步包括對已燒結的生坯進行鍛造。
14.根據權利要求12的方法，其中，所述混合物含有約0.65-1.00％(重量)的MnS。
15.根據權利要求14的方法，其中，所述混合物含有約0.65-0.90％(重量)的MnS。
16.一種粉末冶金產品，包括包含其中含有MnS的鐵晶粒的鐵，所述產品含有約0.65-1.40％(重量)的MnS；約0.3-0.7％(重量)的碳(C)；以及約3.0-5.0％(重量)的銅(Cu)，其中，通過確定所述碳含量(wt.％C)和所述銅含量(wt.％Cu)，基於如下關係式，以獲得目標疲勞強度FS(MPa)和目標硬度HR(HRB)FS＝66.63×(wt％C)+22.61×(wt％Cu)+280.84HR＝22.96×(wt％C)+2.99×(wt％Cu)+78.91.
全文摘要
一種用於粉末冶金產品的混合物，包括鐵粉末、石墨粉末和約3.0－5.0％(重量)的銅(Cu)。鐵粉末包含其中含有MnS的鐵晶粒。該混合物含有約0.65－1.40％(重量)的MnS。混合物中存在石墨粉末的目的是使粉末冶金產品中的碳含量(C)為約3.0－7.0％(重量)。通過確定碳含量(wt.％C)和銅含量(wt.％Cu)，基於如下關係式，便能夠獲得目標疲勞強度FS(MPa)和目標硬度HR(HRB)FS＝66.63×(wt.％C)+22.61×(wt.％Cu)+280.84；HR＝22.96×(wt.％C)+2.99×(wt.％Cu)+78.91。
文檔編號B22F1/00GK1478005SQ01819749
公開日2004年2月25日 申請日期2001年11月9日 優先權日2000年11月9日
發明者赤城宣明, 河合信也, 佐藤正昭, 關義和, 天野政樹, 牛尾英明, R·T·斯科特, 也, 斯科特, 明, 昭, 樹 申請人:美國科柏克金屬粉末公司, 株式會社神戶制鋼所, 本田技研工業株式會社