CN100391659C - 生产表面致密的粉末金属部件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于任意烧结的粉末金属部件的表面层致密化的方法，包括以下步骤：使表面层脱碳以便软化部件的表面层；并且使部件的表面层致密。

Description

生产表面致密的粉末金属部件的方法
技术领域
本发明涉及一种生产粉末金属部件的方法，具体地说本发明涉及一种生产具有高芯强度和坚硬致密化表面的粉末金属部件的方法。
背景技术
传统的用于生产金属零件的方法包括，例如用锻件、棒材或管材进行机加工。但是，与由粉末冶金生产(PM)的产品相比，这些传统加工方法具有较差的材料利用性以及比较高的成本。采用PM生产方法的其它优点包括以单一的成形操作、最低精加工、高容量及高能效地形成形状复杂形状的制品。
尽管有上文所述的优点，当与低合金锻钢相比时，汽车中应用PM烧结部件仍然较少。在汽车工业中PM部件应用未来趋势的一个领域归于成功引入PM部件以进入要求更高应用领域如动力传输应用，例如，传动齿轮。在过去由PM方法形成齿轮的一个问题是在齿轮的齿和根部区域中粉末金属齿轮的弯曲疲劳强度已经减低，由于显微组织中的残余孔隙，与由棒料或锻件机械加工的齿轮相比，齿根面上耐磨损性降低。成功生产PM传动齿轮的一个方法在于轧制齿轮外部以使表面密实，如GB 2250227B所示。但是，从该方法认识到芯部密度比致密化区域的密度低，典型约为锻钢完全理论密度的90％。其导致齿具有比其机械锻钢的齿轮低的耐弯曲疲劳性。
虽然烧结温度可对以给定密度烧结的PM部件的动态性能上有显著影响，但是任何烧结方法可达到的最终动态性能水平受所使用的合金系统和所获得的烧结密度控制。虽然用典型的PM方法(有或没有热处理)以单一的最高7.2g/cm3的压制密度水平获得高抗张强度，但在循环载荷下动态性能如断裂韧性和耐疲劳度将总是小于那些钢的可比强度。因此，PM传动齿轮的生产方法不能得到广泛支持。这主要是由于残余孔隙的负面效果。因而，改善高载荷的PM部件性能的方法，必须考虑高载荷区域的致密化和显微组织，以获得很好的循环弯曲寿命和表面耐久性。
从美国专利5729822、5540883和5997805中已经理解了用于改善PM部件性能的方法。
美国专利5729822公开了一种制造可用于齿轮的PM部件的方法，包括以下步骤：a)烧结粉末金属坯料使芯部密度介于7.4至7.6g/cm3之间；b)轧制齿轮坯料表面使其表面致密；c)在真空炉中加热已被轧制并烧结的齿轮然后渗碳。
美国专利5540883公开了一种生产可用于轴承的PM部件的方法，包括以下步骤：a)将碳、铁合金粉和润滑剂与可压缩的铁粉混合形成混合物；b)压制混合物以形成制品；c)烧结制品；d)用辊子滚压成形该制品的至少部分表面；e)对该层进行热处理。
美国专利5540883公开了一种生产高密度、高碳、烧结PM钢的方法。该方法包括：混合预期组分的粉末；压制并烧结粉末；通过保持恒温或缓冷冷却已烧结的制品；其后成形该制品密度介于7.4至7.7g/cm3之间。在通过冷却烧结的制品然后恒温保持，获得的低硬度的高碳材料用于其后的成形操作。
本发明提供一种用于生产PM部件的新方法，该PM部件的芯部的特征在于具有中密度至高密度、高屈服强度，所述PM部件还具有高硬度、高密度的表面。
发明内容
简单地说，本发明涉及一种用于任选为烧结粉末金属部件的表面层致密化的方法，该方法包括以下步骤：使表面层脱碳以便软化该部件的表面层；使该部件的表面层致密。
对于一个烧结的部件，脱碳可作为烧结步骤的一部分也可作为烧结之后的一个独立步骤。
本发明还涉及一种铁合金的烧结粉末金属部件，该合金在其芯部碳含量为0.3-1.0％而在其表面硬化外层为0.3-1.5％，优选0.5-0.9％。
本发明提供以下技术方案：
(1)一种用于对由铁或铁基粉末制成的任选为烧结的含碳部件的表面层进行密实化的方法，该方法其包括以下步骤：使表面层脱碳以便使该部件表面层软化；通过机械成形使部件的表面层致密化。
(2)根据上述(1)所述的方法，其特征在于在足以提供具有厚度为0.1-1.5mm的软表面层的条件下进行脱碳。
(3)根据上述(2)所述的方法，其特征在于所述软表面层的厚度为0.8-1.2mm。
(4)根据上述(1)-(3)中任一项所述的方法，其特征在于足以在部件的软表面层提供0-0.5wt％的碳含量的条件下进行脱碳。
(5)根据上述(4)所述的方法，其特征在于所述碳含量为0.03-0.3wt％。
(6)根据上述(1)至(3)中的任一项所述的方法，其特征在于所述表面层致密化之后进行表面硬化。
(7)根据上述(6)所述的方法，其特征在于，所述表面硬化作为碳化过程进行。
(8)根据上述(6)所述的方法，其特征在于，在足以在部件表面层提供0.3-1.5wt％的碳含量的条件下进行表面硬化。
(9)根据上述(8)所述的方法，其特征在于，所述碳含量是0.5-0.9wt％。
(10)根据上述(6)所述的方法，其特征在于，所述表面硬化部件的芯部的碳含量为0.3-1.0wt％。
(11)根据上述(1)至(3)中任一项所述的方法，其特征在于，脱碳步骤包括在受控气氛中在750-1200℃加热该部件。
(12)根据上述(11)所述的方法，所述加热在850-1000℃下进行。
(13)根据上述(1)至(3)中的任一项所述的方法，其特征在于所述部件包括一种或多种选自铜、铬、钼、镍、锰、磷、钒和碳的合金元素。
(14)一种用于生产具有高密度和致密化表面的粉末金属部件的方法，包括如下步骤：烧结压制的部件并在一部分烧结过程中对部件表面层进行脱碳以软化表面层；使部件的软化表面层致密化。
具体实施方式
脱碳的具体原因在于，软化该部件的表面以便能够对该部件进行有效的表面致密化。脱碳表面层与芯部相比具有更低的屈服应力。表面层将密实而芯部上的应力将下降。根据本发明采用该方法，可以使用正常的压力和工具材料来在具有高屈服强度的芯部和柔软表面层的材料上进行密实化。所得到的部件将具有高尺寸精度和高芯部强度。为了增加表面硬度和抗磨损性，表面致密化后，可进行任意的表面硬化或进行其他相当的表面硬化法处理。由于其较高的密度和表面硬化层，表面获得一个优于芯部材料的硬度，并且抗弯曲疲劳及滚动接触疲劳性能大大增加。在整个过程中部件芯部包含对于高的抗拉强度和屈服强度的最佳碳含量。
根据本发明可使用的优选粉为铁粉或任意包括一种或多种成合金元素的铁基粉末。该粉末可以例如包含最高达10％的一种或多种从由铜、铬、钼、镍、锰、磷、钒和碳组成的组中所选的合金元素。该粉末可以是粉末混合物、预合金粉末和扩散结合(diffusion-bonded)合金粉末或其组合。
在压力为400-1000MPa，优选为600-800MPa时进行压实。
在1100-1350℃时进行烧结，该温度为传统的用于预合金和部分预合金化铁的温度。
在温度为750-1200℃，优选为850-1000℃时在受控气氛中进行脱碳。该气氛优选由氢组成或由带有任意添加的H2O的氢和氮的混合物组成，使用氮/氢混合物(其中50-100％的氢被H2O饱和)可得到特别好的结果。
脱碳层的厚度为0.1-1.5mm，优选0.8-1.2mm并且碳含量为0-0.5％，优选0.03-0.3％。
由于部件表面的低碳含量，当其被机械加工时该材料是软的。表面层由于机械加工而达到完全致密化，这就意味着可利用材料全部潜能。层厚度应充分容纳部件作业环境所产生的应力。
表面致密化可通过机械成形如表面压制、表面轧制、喷丸硬化处理、精压(sizing)或任何其他可以局部提高部件密度的方法进行。但是在精压与轧制之间有一个显著不同。精压操作的主要目的是改善形状公差，而增加局部密度仅为次要目的。
轧制操作是获得与锻件和表面硬化钢相当的性能的关键。但是，作为第二功能，该轧制操作使形状公差改善。必须为所关心的部件确定好精确的轧制次序及与轧制相关的其他参数。
表面致密化之后的表面硬化将产生一个非常致密而硬的表面。表面硬化在温度为850-1000℃，优选900-950℃时在用0.3-1.5％碳，优选0.5-0.9％碳富集的氛围中进行。术语“表面硬化”意为包含任何类型的包括添加一种硬化剂例如碳或氮的表面硬化。典型的硬化方法包括：传统的表面硬化、含碳的(carbo)氮化、含氮的(nitro)碳化、等离子氮化、离子氮化等等。
在表面硬化后表面层碳含量为0.3-1.5％，优选0.5-0.9％。芯部的碳含量保持在0.3-1.0％。
表面硬化后优选在低温空气中回火。
本发明现将就下列实例进一步说明。
附图说明
图1所示为不同表面处理后的显微硬度曲线图。
图2所示为在脱碳表面上表面压制结果的图片。
图3所示为在烧结样品上表面压制结果的图片。
实例
准备具有依据表1成分的铁基合金。粉末混合物用约600MPa密实压力压制成测试部件从而产生约7.0g/cm3的生坯密度。其后被压实的部件受到以下所示的五个不同的脱碳方法的处理。
A.以1120℃/30分钟的速度在30％N2/70％H2中烧结，随后以0.5-2.0℃/s的速度冷却。
B.(单一过程)以1120℃/25分钟的速度在90％N2/10％H2的混合物中烧结，其后以1120℃/5分钟的速度在33％湿气以及67％干燥的90％N2/10％H2的混合物中烧结(脱碳)，并以0.5-2.0℃/s的速度在33％湿气以及67％干燥的90％N2/10％H2的混合物中冷却。
C.(单一过程)以1120℃/25分钟的速度在90％N2/10％H2的混合物中烧结，其后以1120℃/5分钟的速度在20％湿气以及80％干燥的90％N2/10％H2的混合物中烧结(脱碳)，并以0.5-2.0℃/s的速度在20％湿气以及80％干燥的90％N2/10％H2的混合物中冷却。
D.以1120℃/30分钟的速度在具有0.65％CO2的吸热型气体中烧结，其后以0.5-2.0℃/s的速度冷却。
E.(双重过程)以1120℃/30分钟的速度在30％N2/70％H2的混合物中烧结，其后以950℃/20分钟的速度在50％湿气以及50％干燥的H2中脱碳，并以0.5-2.0℃/S的速度冷却。
表1
Figure C0181185700081
*+0.6％Kenolube
**以石墨添加
在轧制压力为15-35KN并且轧制转数为5-40R的条件下在部件上通过表面轧制进行表面致密。
表面硬化在致密部件上通过使部件以950℃/60分钟的速度在0.5％碳势的氛围中进行，其后以185℃/60分钟的速度在空气中回火。
为了表征脱碳的效果和其对表面致密化的影响，进行脱碳部件剖面的表面硬度测量(HV10)和显微组织观测(LOM)。分析给出的表面硬度和软脱碳层厚度的信息。
表面硬度测量的结果如表2和图1所示。清楚可见表面硬度在脱碳后降低，而在表面致密化和表面硬化后增大。
图2和3所示分别为表面压制(压力60KN)对被脱碳后和烧结态的表面的影响(材料：Distaloy AE+0.6％C)。
表2
Figure C0181185700082
*wg＝湿气
在不同的脱碳处理后的碳含量如表3所示。从表中可见单独的脱碳过程(方法E，双重过程)所得的表面脱碳效果比单一过程(方法B和C)大得多，虽然后者具有一定的脱碳效果。与单一的和双重的过程相比，烧结对表面脱碳的影响非常有限。这主要由反应中的动力学效果决定。
表3
Figure C0181185700091
*wg＝湿气
**DP＝双重过程
在整体而不是在样品表面上进行碳测量。样品表面上碳含量应比现测量的数值低得多。
在1120℃持续30分钟在90％N2/10％H2的气氛中烧结的样品上进行拉伸测试。其结果如表4所示。
表4
  序号   碳含量(％)   拉伸强度/屈服强度(在1120℃/30分钟烧结)*
  1   0.6   732/400
  2   0.5   734/398
  3   0.4   686/376
  4   0.6   550/425
  5   0.5   537/421
  6   0.4   518/407
*气氛：90％N2/10％H2

Claims (14)

1.一种对烧结的含碳部件的表面层进行密实化的方法，所述烧结的含碳部件由铁或铁基粉末制成，该方法其包括以下步骤：使表面层脱碳以便使该部件表面层软化；通过机械成形使部件的表面层致密化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在足以提供具有厚度为0.1-1.5mm的软表面层的条件下进行脱碳。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述软表面层的厚度为0.8-1.2mm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于在足以在部件的软表面层提供0-0.5wt％的碳含量的条件下进行脱碳。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述碳含量为0.03-0.3wt％。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于所述表面层致密化之后进行表面硬化。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述表面硬化作为碳化过程进行。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在足以在部件表面层提供0.3-1.5wt％的碳含量的条件下进行表面硬化。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述碳含量是0.5-0.9wt％。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述表面硬化部件的芯部的碳含量为0.3-1.0wt％。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，脱碳步骤包括在受控气氛中在750-1200℃加热该部件。
12.根据权利要求11所述的方法，所述加热在850-1000℃下进行。
13.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于所述部件包括一种或多种选自铜、铬、钼、镍、锰、磷、钒和碳的合金元素。
14.一种用于生产具有高密度和致密化表面的粉末金属部件的方法，包括如下步骤：烧结压制的部件并在一部分烧结过程中对部件表面层进行脱碳以软化表面层；使部件的软化表面层致密化。
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