高強度低合金化燒結鋼的製作方法
2023-06-10 02:05:21
專利名稱：高強度低合金化燒結鋼的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種鐵基低合金化粉末以及一種含有這種粉末和添加劑的粉末組合物，由這種粉末組合物燒結部件的方法，以及由這種粉末組合物燒結而成的部件。這種粉末和粉末組合物被設計成可在生產粉末燒結零件產品時有效地降低成本。
背景技術：
在工業上，正在越來越廣泛地使用通過壓實和燒結金屬粉末組合物製成的金屬產品。在生產許多不同形狀和不同厚度的產品的同時，產品的質量要求也在不斷提高，而同時還希望降低成本。例如通過壓制和燒結鐵基粉末組合物並結合高度的材料利用率來獲得要求較少加工量來獲得成品形狀的網狀部件或近網狀部件，這一技術與傳統的金屬部件成形技術如鑄造、由棒材機加工部件或鍛造相比具有巨大的優勢。然而，與壓制和燒結方法相關聯的一個問題是燒結部件中存在一定數量的孔，這降低了部件的強度。克服由部件多孔性引起的對機械性能的負面影響從根本上有兩種方法1)通過添加合金化元素如碳、銅、鎳、鉬等可提高燒結部件的強度；幻可以通過增加粉末組合物的可壓縮性，和/或為了較高的壓坯密度(green density)增加壓實壓力，或者增加部件在燒結過程中的收縮率，可減少燒結部件的孔隙。實踐中，使用通過添加合金化元素和減少孔隙度相結合的方式強化部件。通常有三種方式合金化鐵粉末預合金化、混合和擴散合金化。預合金化的一個優點是可以保證合金化元素能在整個合金中較好的分布。可是，它的缺點是預合金材料中的合金化元素降低了可壓縮性。當通過混合添加合金化元素時，可壓縮性不受負面影響。但會出現分布和偏析的問題，這是因為為了提高燒結時的擴散能力，合金化元素顆粒經常需要比基礎材料顆粒小的多。擴散結合提供了一種中間路徑的解決方案。合金化元素混合到基礎材料中，然後在還原性氣氛中熱處理，從而使小的合金化元素顆粒通過擴散結合至大的顆粒，這樣就降低了偏析的危險且保持了較好的可壓縮性。鉻作為一種合金化元素可以通過固溶體硬化來強化基體。鉻會增加燒結體的可硬化性、抗氧化性和抗磨損性。目前的解決方案包括用鉻作為合金化元素。然而，這些產品為了能夠產生正面效果需要在燒結過程中很好的控制氣氛。本發明涉及在除鉻之外的合金， 因而降低了對燒結設備和/或控制的要求。在燒結時，已壓實或壓制部件(壓坯部件(green component))的金屬粉末顆粒將會以固體相互擴散形成強的結合，稱為燒結頸部(sintering neck)。結果得到了適合低等或中等性能應用的相對高密度的網狀部件或近網狀部件。典型地，由鐵粉末和銅及石墨混合製備燒結部件。其他類型的材料建議包括用鎳、鉬和少量的鎂預合金化的鐵粉末來提高鐵可硬化性且不會產生穩定的氧化物。也經常添加可以機加工性提高試劑如MnS。各種汽車部件已經通過壓制和燒結技術製造出來。期望改善燒結部件的性能，使更多的部件被這種節約成本的技術取代。然而，汽車部件的製造是大批量且成本敏感應用， 具有嚴格的性能、設計、耐用要求要求。因而非常需要價格有效的材料。
US3901661、US4069044、US4266974、US5605559、US6348080 和 W003/106079 描述了含鉬的粉末。當用鉬預合金化粉末來製造壓制和燒結的部件時，在燒結部件中容易生成貝氏體。特別地，當使用較低鉬含量的粉末時，生成的粗的貝氏體會有損部件的機加工性能， 這尤其對需要較好機加工性能的部件會是一個問題。另外，鉬是一種比較昂貴的合金化元
ο然而，在US560559中通過保持Mn非常低已經在鉬合金粉末中獲得了精細珠光體的微結構。據報導Mo通過Mo的碳化物的固溶體硬化和沉澱硬化等改善鋼的強度。然而， 當Mo的含量低於約0. 1重量％時，它的效果非常小。Mn通過改善其可硬化性來改善熱處理材料的強度。然而當Mn的含量超過約0. 08重量％時，會在合金鋼粉末的表面生成氧化物而降低其可壓實性。但保持Mn在較低含量需要較高的費用，尤其是使用便宜的廢鋼生產時，因為廢鋼中Mn的含量在0. 1重量％以上。因而由此生產的粉末也相對昂貴。US4954171中描述了一種用於粉末冶金方法生產燒結部件的粉末和一種高強度燒結合金鋼。但所述的合金鋼中含有高含量的Mo，例如其要求保護的0. 65-3. 50重量％。這些產品的獲得需要較高費用的工藝路線，例如雙壓實和高溫燒結。發明目的本發明的一個目的是提供一種適用於生產燒結部件例如生產汽車部件的鐵基低合金化粉末。本發明的另一個目的是提供一種具有較高性價比的擴散結合的粉末合金。本發明的再一個目的是提供一種通過經濟上高效的工藝路線生產的具有高強度的燒結部件，所述工藝路線優選一次壓實後以常規的溫度燒結，然後再進行熱處理。這樣的部件如齒輪，鏈輪例如凸輪軸和曲柄軸鏈輪，同步軸等。
發明內容
本發明的至少一個目的通過以下方式實現-一種水霧化(atomize)低合金化鋼粉末，其包含以百分比計0. 45-1. 50的Ni， 0. 3-0. 55的Mo，0. 09-0. 3的Mn,低於0. 2的Cu,低於0. 1的C,低於0. 25的0，低於0. 5的無法避免的雜質，餘量為鐵。其中M和Mo通過擴散合金化的方法進行合金化。-基於此鋼粉末的一種組合物，其具有以百分比計石墨形式的0.35-1.0的C，和任選的0. 05-2. 0的潤滑劑和/或銅粉形式的0-3. 0的Cu，和任選的硬質相材料和機加工性提高試劑。-一種生產燒結部件的方法，其包括以下步驟a)準備上述的鐵基鋼粉末組合物；b)在400_2000MPa的壓力下壓實所述組合物；c)在1000-1400°C的還原性氣氛中燒結獲得的壓坯部件；以及d)對生成的燒結部件進行熱處理，例如淬火和回火。-一種由上述組合物製得的部件。這種鋼粉末含有較低的和限定的含量的合金化元素，基本上不含鉻和釩，且能夠獲得在1120°C燒結20分鐘並隨後進行油淬火和回火時抗拉強度至少為lOOOMPa，優選高於 1020MPa，最優選高於1040MPa的部件。
下面將參照附圖對本發明進行說明，其中附圖1是第一材料材料A的金相圖(metallogic image)，顯示了按照本發明的幾乎全部是馬氏體結構和很少量的斑點狀富Ni奧氏體區域(附圖中的亮點)；以及，附圖2是現有技術材料ref2樣品的金相圖，其顯示了馬氏體結構中含有許多富Ni 奧氏體區域(附圖2中的亮點)。本發明實施例的具體說明製備鐵基合金鋼粉末由水霧化熔融鐵製備純鐵粉末，這些霧化的粉末在進行擴散合金化之前，可以進一步經過還原性退火處理。擴散結合合金粉末的顆粒度可以為任何的尺寸，只要它適合壓制和燒結或者粉末鍛造即可。合適的顆粒度是例如已知的瑞典HGganSsAB公司的 ASC100.四粉末的顆粒度，其在180um以上的最多為2. 0重量％，在45um以下的為15-30重量％。鋼粉末成分錳將增加鋼粉末的強度、硬度和可硬化性。同時，如果錳的含量太低除非在生產鋼的過程中進行特殊的降低處理，不能使用廉價的、回收的廢鋼，而這樣做將會增加成本。錳的含量超過0.3重量％將會增加鋼粉末中含錳內含物的形成，但同時也會由於固溶體硬化和鐵素體硬度的增加而對可壓實性產生負面影響。因此，錳的含量不應該超過0. 3重量％。 因而錳的含量優選應大於0. 1重量％且低於0. 3重量％，更優選的含量範圍是0. 15-0. 3重量％。鎳將增加強度和硬度，同時還可提供良好的延展性能。然而，鎳含量低於0. 45重量％將不會產生足夠的可硬化性方面的合金化效果並同時不利於鎳在部件中的均勻分布。 鎳含量高於1. 50重量％將會傾向於在熱處理過程中形成富Ni奧氏體，這會降低材料的強度。但是，鎳還是一種昂貴的元素，因而希望鎳的含量儘可能的低。另外，我們發現當鎳的含量低於0. 9重量％，甚至低於0. 65重量％，當鎳擴散粘結至鐵粉末的表面時，將會獲得性能優良的成品。因此優選鎳的含量最高為0.9重量％，更優選最多為0.65重量％。因而鎳的含量範圍應當為0. 45-0. 90重量％，優選為0. 40-0. 65重量％。在這個範圍內，與鎳的預合金化相比，鎳的完全擴散結合更有助於提高燒結頸部強度。優選所有的鎳成分都是擴散結合的鎳，即都結合至鐵粉末的表面。然而小含量的鎳也可作為預合金化的鎳，優選含量低於0. 05重量％。氧含量最多為0. 25重量％。太高的氧含量有損於燒結部件並任選鍛造的部件的強度，而且會損害粉末的可壓實性。因為這些原因，0含量優選最多為0. 18重量％。銅的含量應當低於0.2重量％，鉻的含量應低於0. 1重量％。鉬在燒結後可穩定鐵素體。部件中鐵-鎳體系中鉬的含量低於0. 3重量％時硬度比較差。太高含量的鉬也不會顯著提高部件的性能。這個體系中鉬的最佳含量為0. 3-0. 55 重量％，優選為0. 35-0. 55重量％，最優選為0. 40-0. 55重量％。在這個範圍內，擴散結合的鉬更優於預合金化的鉬。原因在於有限數量的鉬位於顆粒邊界區域內對可硬化性的貢獻要優於位於基體內。優選所有的鉬都是擴散結合方式的鉬，即，都結合在鐵粉末的表面。然而小含量的鉬也可以作為預合金化的鉬，優選含量低於0. 05重量％。碳在鋼粉末中最多為0. 1重量％，氮最多為0. 1重量％。更高的含量將不可接受地降低粉末的可壓實性。偶然的雜質例如磷矽、鋁、鉻、釩以及類似物質的含量應低於0. 5重量％，以不損害鋼粉末的可壓實性或形成有害內含物，優選含量低於0. 3重量％。發明人驚訝地發現，粉末組合物產生的燒結頸部加強效果在燒結和熱處理後會產生比之前期望的更加優良的性能，由此得到在至少為7. 0g/Cm3MPa，優選至少為7. lg/cm3的燒結密度下，抗拉強度至少為lOOOMPa，優選高於1020MPa，最優選高於1040MPa的燒結部件。可以通過如下獲得這種等級的燒結密度和抗拉強度，即在600MI^下壓實後在1120°C燒結20分鐘，隨後進行油淬火和回火。粉末組合物在壓實前，鐵基鋼粉末與石墨、任選的銅粉和/或潤滑劑、任選的硬質相材料和機加工性提高試劑進行混合。為了增強燒結部件的強度和硬度，在基體中添加碳。以石墨形式的碳C以組合物的0. 35-1. 0%的量添加。低於0. 35重量％的碳會導致強度太低，而高於1. 0重量％的碳將導致產生過量的碳化物，使得硬度過高而有損機加工性能。如果在燒結後，按照包括滲碳或碳氮共滲的熱處理工藝對部件進行熱處理，石墨添加可以被排除或限制在0. 35%以下。在組合物中添加潤滑劑來使得部件的壓實和取出更加容易。添加的潤滑劑量低於組合物的0. 05重量％時效果不明顯，而高於組合物的2重量％會導致壓實體的密度低。潤滑劑可選自金屬硬脂酸鹽、蠟、脂肪酸及衍生物，低聚物、聚合物和具有潤滑效果的其它有機物。銅Cu是一種粉末冶金領域中經常使用的合金化元素。銅將會通過固溶體硬化來增強強度和硬度，銅也會使得更容易在燒結過程中產生燒結頸部，因為銅在燒結溫度之前便熔化而發生所謂的液相燒結。粉末中可任選混合銅，優選量為0-3重量％的Cu。其它的物質，例如硬質相材料，機加工性提高試劑，例如MnS、MoS2, CaF2以及其它不同類型的物質也可以添加。燒結鐵基粉末組合物被轉移到模具中，然後施加大約400-2000MPa的壓實壓力至高於約6. 75g/cm3的壓坯密度。進一步將得到的壓坯部件在大約1000-1400°C的還原性氣氛中燒結。如果上述部件在一般溫度下燒結，這一溫度通常是1000-1200°C，優選為1050-1180°C， 最優選為1080-1160°C。如果上述部件在高溫下燒結，這一溫度通常為1200-1400°C，優選為 1200-1300°C，最優選為 1220-U80°C。燒結後處理為了能獲得期望的微結構，燒結後的部件可進行包括控制的冷卻速率的熱處理。 硬化處理工藝可包括已知的工藝如淬火和回火，表面硬化，滲氮，滲碳，氮碳共滲，碳氮共滲，感應淬火或者類似工藝。或者，可採用高的冷卻速率下的燒結硬化工藝。例如對於包括滲碳的熱處理工藝， 添加的石墨量可以為0. 15-0. 35重量％。也可使用其它類型的燒結後處理工藝，例如表面滾壓或噴丸硬化，其由於產生了壓縮的殘餘應力而提高了疲勞壽命。成品部件的性能本發明提供了一種新的低合金化材料，其具有至少IOOOMPa的抗拉強度，優選超過1020MPa，最優選超過1040MPa，，燒結密度至少為7. Og/cm3,優選至少為7. lg/cm3。這種等級的燒結密度和抗拉強度可以例如通過以下工藝獲得，即在600MPa下壓實、然後在1120°C 下燒結20分鐘，然後進行油淬火和回火。使用本發明的低合金化水霧化粉末，可以製備出其微結構的特徵在於在包含馬氏體的基體中斑點狀富鎳奧氏體的含量受限或較低的燒結部件。基體中還可包括馬氏體和貝氏體和/或珠光體。所述基體的特徵還在於具有不均勻分布的鉬。發明人驚訝地發現根據本發明的燒結態部件的機加工性能要明顯好於通過高合金化材料燒結製備的部件。實施例1通過向純鐵粉末中添加合金化元素，並在還原性氣氛中熱處理粉末混合物來製備合金化的鐵基鋼粉末，小顆粒度的合金化元素顆粒通過擴散結合至大顆粒度的顆粒。表1 列出了不同粉末的化學組成。所有粉末(A，B, Refl-3)的顆粒度尺寸都低於150um。粉末 A，B都基於110@31^8 48公司生產的43(100.四鐵粉末，並通過擴散結合含鎳粉末(基本純鎳的細顆粒)和含鉬粉末(含鉬氧化物的細顆粒)。Ref. 1基於IKganSs AB公司生產的鐵粉末ASC100.四，並通過擴散結合含鎳粉末(基本純鎳的細顆粒)和含鉬粉末(含鉬氧化物的細顆粒)；Ref. 2基於HSganSs AB公司生產的鐵粉末ASCIOO. 29，並通過擴散結合含鎳粉末(基本純鎳的細顆粒)、含鉬粉末(含鉬氧化物的細顆粒)和含銅粉末(基本純銅的細顆粒)。Ref. 3通過預合金化製備而成。擴散結合的各種粉末(A，B, Ref. 1，Ref. 2)和預合金化的粉末(Ref. 3)的化學分析如表1所示。表1、鋼粉末A，B和參考粉末的化學成分
粉末Mo[%]Ni[%]Cu[%]Mn[%]c[%]0[%]A0.500.50-0.170.0020.08B0.510.87-0.120.0020.08Ref. 10.890.89-<0.100.0020.08Ref.20.504.01.5<0.100.0020.08Ref.3 (預合金化)0.600.450.30.0040.13製得的鋼粉末與0. 6重量％的購於KropfmUhl的石墨UF4和0. 8重量％的購於瑞典HSganas AB公司的Amide Wax PM的組合物混合。製得的粉末組合物裝入模具，然後再在600MPa的壓實壓力下壓實形成壓坯部件。 壓實的壓坯部件在實驗室帶式爐中在90%的氮氣和10%的氫氣的氣氛中、在1120°C燒結 20分鐘。燒結的試樣在碳勢(carbon potential)為0. 6%的氣氛中在840°C熱處理20分鐘，然後進行油淬火。然後試樣再進一步在200°C回火60分鐘。燒結試樣根據ASTME9-89C測試伸長率和測試抗拉強度，根據SS-EN ISO 6508-1測試硬度HRC。根據Em0045-1測試衝擊能。表2示出了在製備試樣前添加到組合物中的石墨的量，以及在1120°C燒結和熱處理的試樣的化學分析的結果。還示出了抗拉強度測試、衝擊能測試和硬度測試的結果。表2、添加的石墨量、C分析，抗拉強度、衝擊能以及硬度測試
權利要求
1.一種水霧化鐵基鋼粉末，以重量百分含量計其包括 0. 45-0. 90 的 Ni,0. 30-0. 55 的 Mo， 0. 1-0. 3 的 Mn， 低於0. 2的Cu， 低於0. 1的C， 低於0. 25的0，低於0. 5的不可避免的雜質，並且餘量為鐵，並且其中的Ni和Mo通過擴散合金化工藝被合金化。
2.根據權利要求1所述的粉末，其中Ni的含量範圍為0.45-0. 65重量％。
3.根據權利要求1或2所述的粉末，其中Mo的含量範圍為0.45-0. 55重量％。
4.根據權利要求1-3任一項所述的粉末，其中Mn的含量高於0.15重量％。
5.一種鐵基粉末組合物，包括根據權利要求1-4任一項所述的鋼粉末並與組合物的 0. 35-1. 0重量％的石墨、任選的組合物的0. 05-2. 0重量％的潤滑劑、和/或0-3. 0重量％ 的銅、以及任選的添加硬質相材料和機加工性提高試劑混合。
6.一種製備燒結部件的方法，包括以下步驟a)製備如權利要求65所述的鐵基鋼粉末組合物；b)對所述組合物在400-2000MPa的壓力下進行壓實，優選400-1OOOMPa，更優選 500-800MPa ；c)在1000-1400°C下在還原性氣氛中燒結製得的壓坯部件，優選1100-1300°C；和d)任選地將製得的燒結部件進行熱處理，如淬火和回火。
7.一種由權利要求5所述的組合物製得的燒結部件。
8.根據權利要求7所述的部件，其具有至少為IOOOMPa的抗拉強度，優選超過 1020MPa，最優選超過1040MPa，燒結密度至少為7. Og/cm3，優選至少為7. lg/cm3，並且優選具有特徵在於在含馬氏體基體中斑點狀富M奧氏體含量較少的微觀結構。
全文摘要
一種水霧化鐵基鋼粉末，以重量百分含量計其包括0.45-1.50的Ni，0.30-0.55的Mo，低於0.3的Mn，低於0.2的Cu，低於0.1的C，低於0.25的O，低於0.5的不可避免的雜質，餘量為鐵，並且其中的Ni和Mo通過擴散合金化工藝被合金化。
文檔編號B22F9/08GK102439189SQ201080022591
公開日2012年5月2日 申請日期2010年5月21日 優先權日2009年5月22日
發明者Y·於, 弘世德光 申請人:霍加納斯公司(Publ)