鐵基粉末及其組合物的製作方法

2023-04-24 00:59:41

專利名稱：：鐵基粉末及其組合物的製作方法
技術領域：
：本發明涉及合金化鐵基粉末以及包含該合金化鐵基粉末、石墨、潤滑劑和其它添加劑的合金化41&粉末組合物。該組合物被設計用於成本有效地製造具有良好機械性質的壓制和燒結部件。
背景技術：
：在工業中，通過壓實和燒結金屬粉末組合物而製成的金屬產品的應用越來越普及。製造出了許多不同的具有各種形狀和厚度的產品，並在要求降低成本的同時，品質要求不斷提高。用於汽車市場的P/M部件尤為如此，它是P/M工業的重要市場。在P/M工業中，合金元素，例如Mo、Ni和Cu，常用於改進壓制和燒結部件的性能。但是，這些合金元素較昂貴，因此，如果可以將這些合金元素的含量保持儘可能低，同時維持該壓制和燒結部件的充足性能，則是合意的。為了實現壓制和燒結部件的高強度，該材料的可淬硬性是基本的。使P/M部件硬化的成本有效的方式是所謂的燒結硬化法；其中在燒結後直接在冷卻步驟中使該部件硬化。通過仔細選擇合金元素和元素含量，可以在傳統燒結爐中常用的冷卻速率下實現燒結硬化。在製造壓制和燒結部件時，另一重要因素是不同燒結零件之間的尺寸差異，以避免燒結後的昂貴機械加工，這種差異應該儘可能小。此外，合意的是，生坯階段(即壓制後)的部件與已燒結後的部件之間的尺寸變化低，且碳含量變化對尺寸變化的影響儘可能低，以避免引入應力和部件的可能變形，因為這也會導致昂貴的機械加工。這對具有高硬度和強度的材料而言尤其重要，因為隨著硬度和強度提高，機械加工成本提高。4另一重要因素是來自汽車工業的廢料在要霧化的熔體製備中再循環的可能性，這具有大的環境影響。在這方面，該合金化鐵基粉末中接受高達0.3%Mn含量的可能性是關鍵的，因為這樣的Mn含量在再循環的鋼廢料中是常見的。與Ni、Mo和Cu形成合金的鐵基粉末廣泛用作合金元素，並可從各種專利申請中獲知。例如，授予Semel的美國專利6,068,813揭示了包含與含銅粉末和含鎳粉末混合的、具有0.10至2.0重量％鉬含量的預合金化的鐵和鉬粉的粉末組合物，其中含銅粉末和含鎳粉末藉助粘合劑結合到鐵-鉬粉上。該粉末組合物含有0.5至4.0重量％銅和0.5至8.0重量％鎳。實施例中所用的g粉末具有0.56重量％的Mo含量、1.75%或4.00重量％的Ni含量和1.5重量％的Cu含量。關於可以與Cu粉混合的含Ni、Mo和Mn的預合金化粉末的專利文獻的另一實例是授予Mocarski的美國專利4,069,044。該專利公開了製造粉末的方法，該粉末適用於製造粉末鍛造製品。該專利報導了含有0.4至0.65%Mo和Ni的優選組合物的鍛造部件的試驗結果。該專利還提到含有與石墨和Cu粉末或舍Cu粉末混合的含0.2至1.0%Ni、0.2至0.8%Mo和0.25至0.6%Mn的預合金化4jt^粉末的變體，由此產生要,i^實、合適地在2250至235(^F燒結並熱鍛造的含有0.2至2.1%Cu的組合物。但是，沒有顯示高於0.60重量％的Ni含量的試驗結果，也沒有顯示高於0.65重量％的Mo含量的試驗結果。對燒結硬化用途而言，存在多種市售粉末，例如可獲自HoeganaesCorp.,NJ，US的Ancorsteel737SH,和可獲自QuebecMetalPowders,Canada的Atomet4701。所提到的鐵jj^末與Mo、Ni和Mn形成合金，且ATOMET4701還另外與Cr形成合金。Ancorsteel737SH是化學組成為0.42%Mn、1.25%Mo、1.40%Ni的預合金化鋼粉。Atomet4701的化學組成為0.45%Mn、1.00%Mo、0.9%Ni和0.45%Cr。發明目的本發明的目的是提供具有低的Mo、Ni和Cu含量的新型考&粉末和/或其粉末組合物。本發明的進一步目的是組合物，-提供適用於製造在生坯階段和燒結階段之間具有低的尺寸變化的燒結產品的新型4AJ^粉末和/或其粉末組合物，-提供新型鐵基粉末和/或其粉末組合物，其中碳含量變化對尺寸變化的影響儘可能低，-提供新型鐵基粉末和/或其粉末組合物，該鐵基合金粉末包含最多0.45重量％的Mn，以使該4tt合金化粉末可由便宜的廢料製成。發明概要通過提供與0.75至1.1wt%(重量％)Mo、優選多於0.8重量Q/。Mo、0.75至1.1重量。/。Ni、最多0.45重量。/。Mn和不可避免的雜質預合金化的鐵基粉末，解決了至少一個上述目的和/或問題。該鐵基粉末具有最多0.25重量％的氧，優選最多0.20重量％0，最優選最多0.15重量％0。該鐵羞粉末還具有0,5至2.5重量y。Cu，Cu以下列形式存在1)擴散結合到預合金化的4失基粉末表面上，和/或2)藉助粘合劑結合到預合金化的鐵基粉末表面上，和/或3)與該g粉末混合。此外，其粉末組合物含有該4it&粉末、石墨、潤滑劑和任選地機械加工性增強劑。石墨含量優選為該粉末組合物的0.4至0.9重量％，更優選為0.5至0.9重量％，且潤滑劑含量優選為該粉末組合物的0.05至1.0重量％。在優選實施方案中，Cu擴散結合到所述預合金化鐵基粉末的表面上。根據本發明的一個實施方案，石墨、潤滑劑和機械加工性改進劑中的至少一種結合到所述預合金化4失基粉末的表面上。發明詳述合金化4A^粉末的製備通過對製備成具有合金元素Ni、Mo和Mn的如上所述的組成的鋼熔體施以任何已知的水霧化法，可以容易地製造本發明的合金化鐵基粉末。Mo的量Mo用於通過改進可淬硬性以及通過溶體和沉澱硬化來提高鋼的強度。已經發現，為確保在正常冷卻速率下形成足量馬氏體，Mo的量應該為0.75至1.1重量％。但是，Mo的含量優選大於0.8重量％，更優選大於0.85重量％，以確保在正常冷卻速率下形成足量馬氏體。Ni的量將Ni添加到P/M鋼中的目的是提高強度和延性。Ni的添加還提高鋼的可淬硬性。添加少於0.75重量％的Ni對機械性質的影響不足，而高於1.1重量％的添加量不會進一步改進鋼的預期用途。Mn的量Mn通過改進可淬硬性和通過溶體硬化來提高鋼的強度。但是，如果Mn的量變高，鐵氧體石￡>1會通過溶體硬化而提高，導致該粉末的可壓性較低。可接受最多0.45重量％的量，因為可壓性的降低幾乎可忽略不計，Mn的量優選低於0.35重量％。如果Mn的量低於0.08%，則不可以使用通常具有高於0.08%Mn含量的廉價再循環材料，除非在制鋼過程中進行減少Mn的特殊處理。因此，才艮據本發明，Mn的優選量為0.09至0.45%。C量合金化g粉末中C不多於0.02重量％、優選不多於0.01重量％的原因在於，C是通過間隙固溶體硬化來使鐵氧體基質硬化的元素。如果C含量超過0.02重量％,該粉末顯著硬化，造成太差的可壓性。7o量0的量不應超過0.25重量％，0含量優選限於0.2重量％，最優選限於0.15重量％。不可避免的雜質該合金化鐵基粉末中不可避免的雜質總量應總共不超過0.5重量％。Cu的量在P/M工業中通常使用微粒狀Cu，因為銅粒子在達到燒結溫度之前熔融，由此提高擴散速率並通過潤溼而製造燒結頸。Cu的添加也提高了部件的強度。優選地，銅結合到鐵基粉末上，以避免成分分離，這種分離可能造成銅的不均勻分布和部件中的性質變動。但也可以將Cu與4A^粉末混合。可以使用使Cu粒子或氧化銅粒子擴散退火結合到g粉末上的任何已知方法，以及通過有機粘合劑將Cu粒子粘合到鐵基粉末上。Cu量應為0.5至3.0重量％，優選0.5至2.5重量％，更優選0.5至2.0重量％。石墨通常將石墨添加到P/M組合物中以改進機械性質。石墨也充當還原劑，這可降低燒結體中氧化物的量，從而進一步改進機械性質。燒結產品中C的量取決於添加到所述合金化M粉末組合物中的石墨粉末的量。為了實現燒結部件的充足性能，石墨量應為該組合物的0.4至0.9重量％,優選0.5至0.9重量％。潤滑劑也可以將潤滑劑添加到要壓實的合金化4驢粉末中。在環境溫度使用的潤滑劑的代表性實例是Kenolube⑧、亞乙基-雙硬脂醯胺(EBS)、金屬硬脂酸鹽，例如硬脂酸鋅，脂肪酸衍生物，例如油醯胺、硬脂酸甘油酯和8聚乙烯蠟。在升高的溫度下使用的潤滑劑(高溫潤滑劑)的代表性實例是聚醯胺、醯胺低聚物、聚酯。潤滑劑的添加量通常最多為組合物的1重量％。其它添加劑任選根據本發明使用的其它添加劑包括硬相材料、機械加工性改進劑和流動增強劑。壓實和燒結壓實可以在單軸壓制操作中、在環境溫度或升高的溫度、在最高達2000MPa的壓力進行，但壓力通常在400至800MPa之間。在壓實後，在大約IOOO'C至大約1400"C的溫度進行所得部件的燒結。在1050"C至1200X:溫度範圍內的燒結實現了高性能部件的成本有效的製造。通過下列非限制性實施例進一步例證本發明。實施例此實施例表明，對於由本發明的P/M組合物製成的部件，可以獲得與具有較高合金元素Cu、Ni和Mo含量的材料相同水平的高拉伸強度。通過對鋼熔體施以水霧化，製造具有0.9重量。/。Mo、0.9重量y。Ni和0.25重量。/。Mn的含量的合金化鐵基粉末。在實驗室爐中在潮溼氫氣氛中，在960。C進行粗製水霧化粉末的退火。此外，向經退火的粉末中加入不同量的氧化亞銅，產生分別具有1%、2%和3重量％擴散結合的銅含量的粉末。擴散結合或退火是在實驗室爐中在乾燥氫氣氛中在830^進行的。將經退火的粉末壓碎，研磨和篩分，所得粉末具有95%的小於大約180微米的粒子。第一參照組合物，組合物10，基於與2重量％銅粉和0.75%石墨混合的、可獲自HoeganaesCorp.NJ，US的糹絲粉末Ancorstee，737。9另外三個參照組合物，組合物11至13，基於與2%銅粉和分別為0.65%、0.75%和0.85。/0的石墨混合的、具有0.6y。Mo、0.45。/。Ni和0.3%Mn含量的預合金化的鐵基粉末。通過添加不同量的石墨和0.8重量％的EBS潤滑劑，製備本發明的粉末組合物和參照材料。表l顯示了不同的組合物。表l:受試組合物tableseeoriginaldocumentpage10通過在600MPa壓實壓力將組合物壓實，製造根據SS-EN10002-1的拉伸試棒。樣品在實驗室帶式爐中在90%^/10%112氣氛中、在1120"C燒結溫度下燒結30分鐘。為了研究冷卻速率的影響，將一半數量的樣品在燒結後以2C/秒的冷卻速率強制冷卻，然後在200匸下回火60分鐘，而另一半經受約0.8"C/秒的正常冷卻速率。表2顯示了與正常冷卻速率對應的結果，表3顯示了與強制冷卻速率對應的結果。結果根據SS-EN10002-1測量壓實和燒結樣品之間的尺寸變化以及拉伸強度，並根據ENISO6507-l測量在10克栽荷下的顯微維氏硬度。表2:來自經受正常冷卻速率的樣品的尺寸變化測量、拉伸試驗和硬度試驗的結果tableseeoriginaldocumentpage11tableseeoriginaldocumentpage12表2和3表明，對由組合物1至9製成的樣品而言，燒結硬化樣品和在正常冷卻速率下冷卻的樣品的拉伸強度和石更度值都達到了與由具有較高的昂貴合金元素(例如Ni和Mo)含量的參照組合物10製成的樣品相同的水平。關於Cu含量(由於銅的高價格，其也需要保持儘可能低)，可以看出，具有3重量％01含量的組合物7至9的尺寸變化(在量和由碳含量變化引起的差異方面)遠高於具有1重量。/。Cu含量的組合物1至3以及具有2重量。/。Cu含量的組合物4至6。因此，根據本發明，銅含量應優選為最多3重量％，更優選最多2.5重量％，更優選最多2.0重量％。關於組合物1至3，正常冷卻速率下的尺寸變化的量高於參照組合物10，但由碳含量引起的差異非常低，因此這些結果也相當好。但是，在強制冷卻速率下，尺寸變化的量以及其差異都低。關於組合物4至6，正常冷卻速率下的尺寸變化的量幾乎為0，由碳含量引起的差異也非常低。在強制冷卻速率下，尺寸變化的量略高，但仍低於參照組合物IO。差異也略高，但由於量相當低，這不是重要問題。關於參照組合物ll、12和13,可以看出，獲得較低的拉伸強度，尤其是對經受強制冷卻的樣品而言。此外，與本發明的組合物相比，尺寸變化相當高。尺寸變化壓實和燒結樣品之間的尺寸變化應低於±0.35%，優選低於士0.3%，更優選低於0.2%。拉伸強度在經受快速冷卻和回火時，拉伸強度優選應高於900MPa，更優選高於920MPa。1權利要求1.與Ni和Mo預合金化的水霧化鐵基粉末，按重量％計，含量為0.75至1.1的Ni，0.75至1.1的Mo和Mn＜0.45，該鐵基粉末進一步包含0.5至3.0重量％、優選0.5至2.5重量％、最優選0.5至2.0重量％的Cu和不可避免的雜質，餘量為Fe。2.根據權利要求1的水霧化鐵基粉末，其中Mo含量大於0.8重量％，優選大於0.85重量％。3.根據權利要求1或2的水霧化4植粉末，其中Mn含量小於0.35重量％。4.根據權利要求1至3任一項的水霧化4A^粉末，其中至少一部分或全部量的Cu擴散結合到所述與Ni合金化和Mo合金化的Fe粉表面上。5.根據權利要求4的水霧化4A^粉末，其中所有Cu擴散結合到所述與Ni合金化和Mo合金化的Fe粉表面上。6.根據權利要求1至4任一項的水霧化鐵基粉末，其中Cu全部量中的至少一部分藉助粘合劑結合到所述與Ni合金化和Mo合金化的Fe粉表面上。7.根據權利要求6的水霧化鐵基粉末，其中所有Cu藉助粘合劑結合到所述與Ni合金化和Mo合金化的Fe粉表面上。8.根據權利要求1至4或6任一項的水霧化鐵基粉末，其中至少一部分或全部量的Cu與所述與Ni合金化和Mo合金化的Fe粉混合。9.根據權利要求8的水霧化4失基粉末，其中所有Cn與所述與Ni合金化和Mo合金化的Fe粉混合。10.根據權利要求1至9任一項的水霧化4A^粉末，其中所述與Ni合金化和Mo合金化的Fe粉中的C含量為最多0.02重量％。11.根據權利要求1至10任一項的水霧化4絲粉末，其中所述與Ni合金化和Mo合金化的Fe粉中的O含量為最多0.25重量％，優選最多0.2重量％，更優選最多0.15重量％。12.合金化鐵基粉末組合物，包含根據權利要求1至11任一項的水霧化鐵基粉末，0.4至0.9重量％、優選0.5至0.9重量％的量的石墨，潤滑劑，和任選地，其它添加劑。13.合金化4&粉末組合物，含有根據權利要求1的水霧化4A&粉末，0.4至0.9重量％、優選0.5至0.9重量％的量的石墨，潤滑劑，和4壬選地，其它添力口劑，其中石墨、潤滑劑和任選地其它成分中的至少一種結合到與Ni合金化和Mo合金化的Fe粉表面上。14.製造部件的方法，包括a.提供根據權利要求12或13的粉末冶金組合物，b.將該粉末冶金組合物壓實；和c.在還原性或中性氣氛中，在大氣壓或更低壓力，和在高於1000'C的溫度，燒結所述壓實的粉末冶金組合物。15.根據權利要求14的方法，其中在b)中壓實壓力為最多2000MPa，壓實壓力優選為400至800MPa。16.根據權利要求14或15的方法，其中在c)中燒結溫度為1000'C至1400°C，優選為1050'C至1200匸。17.燒結部件，由根據權利要求11或12的合金化4AS粉末組合物製成。全文摘要水霧化鐵基粉末，其與0.75至1.1重量％的Ni、0.75至1.1重量％的Mo和最多0.45重量％Mn預合金化，進一步包括0.5至3.0重量％、優選0.5至2.5重量％、最優選0.5至2.0重量％的Cu和不可避免的雜質，餘量為Fe。文檔編號C22C38/08GK101680063SQ200880020028公開日2010年3月24日申請日期2008年6月12日優先權日2007年6月14日發明者C·拉爾森,S·貝裡,U·恩施特羅姆申請人:霍加納斯股份有限公司