CN100515612C - 用于粉末冶金的合金钢粉末 - Google Patents

Abstract

Mo源粉末加入含1.0%(质量)或更低的预合金化Mn的铁基粉末中并与之混合得到含0.2-10.0%(质量)Mo的粉末混合物，得到的粉末混合物在还原气氛中进行热处理以得到含部分扩散和粘结在铁基粉末颗粒表面上的粉末形式的Mo的合金钢粉末。制备的用于粉末冶金的合金钢粉末有令人满意的可压制性。使用这种合金钢粉末能够生产用于高强度烧结元件的烧结粉末金属体(在烧结粉末材料的再压制工艺中进行压制和预烧结后的中间材料)。

Description

用于粉末冶金的合金钢粉末

发明背景

1.发明领域

本发明涉及一种适用于各种高强度烧结元件的铁基粉末。具体来说，本发明涉及一种当将其进行烧结粉末预成型件的再压制时能够在轻负荷下经受再压制的合金钢粉末。

2.相关技术描述

粉末冶金技术能生产高精度尺寸的有称为“近于网状形状”的复杂形状的元件，并且能够显著降低切削和/或修整的费用。在这样一种近于网状形状中，为了得到或形成一种目标形状几乎不需要机械加工。因此，粉末冶金产品广泛应用在汽车及其它各种领域中。近来，为了使元件微型化和降低元件重量，已对这些粉末冶金产品有更高的强度提出要求。具体来说，强烈要求铁基粉末产品(烧结的铁基元件)有更高的强度。

生产烧结铁基元件(下面有时称为“烧结铁基压坯”或简际为“烧结压坯”)的基本过程包括下面三个连续步骤(1)-(3)：(1)往铁基粉末如铁粉或合金钢粉末中加入用于合金的粉末如石墨粉或铜粉和润滑剂如硬脂酸锌或硬脂酸锂以形成铁基混合粉末的步骤；(2)把铁基混合粉末置入模具，将其压制成生坯的步骤；和(3)将生坯烧结成烧结压坯的步骤。根据需要将得到的烧结压坯精压或切削以生产如机器零件的产品。当要求烧结压坯具有更高强度时，可降其进行热处理如渗碳或光亮淬火和回火。通过步骤(1)-(2)得到的生坯的密度最大为约6.6Mg/m³至约7.1Mg/m³。

为了进一步提高这些铁基烧结元件的强度，提高生坯密度以提高通过后续的烧结步骤得到的烧结元件(烧结压坯)的密度是有效的。有更高密度的元件的孔隙少，其机械性能如抗张强度，冲击值和疲劳强度更好。

例如，日本未审公开专利申请2-156002，日本未审公开专利申请7-103404和美国专利5368630公开了一种加热时压制金属粉末的温压技术，该技术能够提高生坯密度。例如，在含有4％(质量)的Ni，0.5％(质量)的Mo和1.5％(质量)的Cu的部分合金铁粉中，加入0.5％(质量)的石墨粉和0.6％(量)的润滑剂生产铁基混合粉末。在150℃的温度和686MPa的压力下将该铁基混合粉末进行温压，得到的生坯的密度是约7.3Mg/m³。但是，得到的生坯密度是需要密度的93％，还需要更高的密度。另外，应用温压技术需要将粉末加热到预定温度的设备。这就增加了生产成本并会因为模具的热变形而降低元件的尺寸精度。

将生坯直接进行热锻的烧结锻造法是公知的一种进一步提高生坯密度的方法。烧结锻造法能生产有基本是真密度的产品，但是与其它粉末冶金法相比增加了生产成本，并因为热变形而降低成品元件的尺寸精度。

作为可能解决这些问题的一种方法，例如，日本未审公开专利申请1-123005和11-117002和美国专利4393563提出了一种能生产有基本是真密度的产品的技术，其是粉末冶金技术和再压制技术如冷锻的结合(下面有时将这种提出的技术称为“烧结粉末预成型件的再压制”)。图3示出用烧结粉末预成型件的再压制方法生产烧结铁基元件的工艺的一个实施方案的一个实施例。

参考图3，原料粉末如石墨粉和润滑剂与铁基材料粉末混合生成铁基粉末混合物。然后将铁基粉末混合物压制成预成型件，然后将预成型件烧结生成烧结铁基粉末金属体。然后将烧结铁基粉末金属体进行再压制如冷锻生成再压制体。然后将得到的再压制体进行再烧结和/或热处理生成烧结铁基元件。

将烧结粉末预成型件进行再压制的技术的目的是通过使烧结铁基粉末金属体进行再压制以增加得到的密度值接近真密度的方法来提高产品(烧结铁基元件)的机械强度。因为在再压制步骤中的热变形很小，所以该技术能生成具有高精度尺寸的元件。但是，用该技术生产高强度的烧结产品时，(1)烧结铁基粉末金属体必须有高变形性并且必须在轻负荷下能经受再压制，同时(2)这种再烧结和/或热处理后的烧结铁基元件必须有高强度。

另外，一般在铁基粉末中单独加入用于改善淬火性能的元素，以提高烧结铁基元件的强度。

例如，日本审结公开专利申请7-51721指出：当用0.2-1.5％(质量)的Mo和0.05-0.25％(质量)的Mn使铁粉预合金化时，得到的烧结压坯具有高密度，并且在压制过程中基本上不会损坏其可压缩性。

日本审结公开专利申请63-66362公开了一种由雾化合金钢粉末和至少有Cu和Ni的一种部分扩散和粘结在雾化合金钢粉末表面的粉末(颗粒)构成的粉末冶金合金钢粉末，其中雾化合金钢粉末中含有的预合金化Mo的组成范围不会对粉末的可压缩性产生有害影响。该专利指出：这种合金钢粉末包括预合金化Mo和部分预合金化Cu或Ni，因此能够同时得到在压制期间的高可压宿性和烧结后元件的高强度。

日本审结公开专利申请63-66362描述的合金钢粉末包括部分合金化的合金元素Ni和/或Cu以确保压制过程中的可压缩性。但是，Ni和Cu在钢粉末基体中极易扩散，当合金钢粉末进行烧结粉末预成型件的再压制加工时，Ni和Cu就扩散进钢粉末基体中。因此，通过临时烧结步骤得到的烧结铁基粉末金属体的硬度高，因此再压制时需要高负荷。

同样，日本审结公开专利申请7-51721中描述的合金钢粉末(铁基粉末)是一种预合金粉末，当对其进行烧结粉末预成型件的再压制加工时，通过预压制和预烧结得到的烧结铁基粉末金属体的硬度高，因此再压制时需要高负荷。结果，用于再压制的设备费用提高或者说缩短了模具的寿命。

因此，本发明的目的是提供一种有优秀可压缩性的合金钢粉末。这可以解决上述传统技术中存在的问题，可以降低通过压制和预烧结得到的烧结铁基粉末金属体的硬度，能够使再压制负荷最小化，能够提高通过再烧结和/或热处理得到的烧结铁基元件的强度。

发明概述

我们对适用于烧结粉末预成型件再压制加工的铁基材料粉末(铁基粉末)的组成进行认真研究后发现：当铁基粉末中预合金化Mn和可选的Mo基于所说的合金钢粉末总质量的含量小于或等于预定量且含有部分扩散和粘结在铁基粉末表面的Mo的量在预定范围内时，使用铁基粉末进行烧结粉末预成型件的再压制加工时，能显著降低再压制负荷并且能生产再压制和/或热处理后有高强度的烧结铁基元件。

本发明是基于这些发现而完成的。

因此，本发明提供一种合金钢粉末，其包括铁基粉末和约0.2％(质量)至约10.0％(质量)的部分扩散和粘结在铁基粉末颗粒表面上的粉末形式的Mo，其中铁基粉末包括约1.0％(质量)或更低的预合金化Mn，其余的平衡量基本由铁组成。

本发明还提供一种合金钢粉末，其包括铁基粉末和约0.2％(质量)至约10.0％(质量)的部分扩散和粘结在铁基粉末颗粒表面上的粉末形式的Mo，其中铁基粉末包括约1.0％(质量)或更低的预合金化Mn和低于约0.2％的预合金化Mo，其余的平衡量基本由铁组成。

附图简述

图1是示出本发明粉末形式Mo和铁部分合金化的合金钢粉末的示意图；

图2是示出生产本发明的合金钢粉末的工艺的一个实施方案的方框图；和

图3是烧结粉末预成型件的再压制工艺的一个实施方案的示意性方框图。

发明详述

首先说明规定本发明的合金钢粉末组成的原因。

在合金钢粉末中用作铁基材料粉末的铁基粉末包括基于合金钢粉末总质量的约1.0％(质量)或更低的预合金化Mn和可选的低于0.2％(质量)的预合金化Mo，其余平衡量的铁基粉末基本由铁组成。

Mn是一种能够改善烧结铁基粉末金属体的淬硬性并且即使当把Mn进行预合金化时也不会使再压制负荷增加很大的元素。因此，铁基粉末中所含的预合金化Mn能够改善热处理后得到的烧结铁基元件(产品)的强度。如果Mn含量超过约1.0％(质量)，淬硬性不会随Mn含量的增加而有很大提高，得到的烧结铁基粉末金属体有略高的再压制负荷。因此，在考虑到经济性时，把Mn含量的上限规定为约1.0％(质量)。

Mn含量等于或大于约0.02％(质量)时能够得到上述优点，Mn含量等于或大于约0.04％(质量)时这些优点更显著。因此，Mn含量优选等于或大于约0.02％(质量)，更优选等于或大于约0.04％(质量)。因为这些原因，铁基粉末中的Mn含量小于或等于约1.0％(质量)，优选是约0.02％(质量)约1.0％(质量)，更优选是约0.04％(质量)至约1.0％(质量)。

除了Mn和可选的Mo外，铁基粉末中的平衡量基本由铁组成。本申请所用的术语“基本由铁组成”指的是平衡量包括Fe和本领域公知的不可避免的杂质。主要不可避免的杂质包括如C，O，N，Si，P和S。为了确保铁基粉末混合物的可压缩性，为了通过压制生产有足够高密度的预成型件，这些不可避免的杂质的优选含量是C：约0.05％(质量)或更低，O：约0.3％(质量)或更低，N：约0.005％(质量)或更低，Si：约0.2％(质量)或更低，优选约0.1％(质量)或更低，P：约0.1％(质量)或更低，和S：约0.1％(质量)或更低。从烧结铁基粉末金属体的质量角度考虑，没有必要规定这些杂质含量的下限。但是，从工业生产率的角度考虑，这些杂质的含量低于下述值时不经济：C：约0.0005％(质量)，O：约0.002％(质量)，N：约0.0005％(质量)，Si：约0.005％(质量)，P：约0.001％(质量)，和S：约0.001％(质量)。

本发明中使用的铁基粉末的平均粒径没有具体限制，但优选在约30μm至约120μm范围内，在工业上可以适当的费用生产该范围内的粉末。本申请所用的术语“平均粒径”指的是累积粒径分布在重量是50％处的点值(d₅₀)。

本发明的合金钢粉末包括部分扩散和粘结在铁基粉末颗粒表面上的粉末形式的Mo。部分扩散和粘结在铁基粉末颗粒表面上的粉末形式的部分合金化Mo的含量是基于合金钢粉末总质量的约0.2％(质量)至约10.0％(质量)。

Mo是一种用于改善得到的烧结铁基元件的淬硬性的元素，合金钢粉末中含有的Mo用于增加烧结产品的强度。如果铁基粉末含有的Mo作为预合金化元素时，得到的烧结铁基粉末金属体有过高的硬度，因此就降低了其可再压制性。因此，为了避免粉末金属体有高硬度，Mo部分扩散和粘结在铁基粉末颗粒表面上并部分合金化。

部分合金化Mo的含量等于或大于约0.2％(质量)时能够改善淬硬性，并且淬硬性随部分合金化Mo的含量的提高而提高。相反，部分合金化Mo的含量大于约10.0％(质量)时不会使淬火性能有大的改善，因此不能产生相应的预期优点，并且在经济上导致成本过高。另外，部分合金化Mo的含量过高将增加再压制负荷。因为这些原因，将部分合金化Mo的含量范围规定为约0.2％(质量)至约10.0％(质量)。

另外，本发明的铁基粉末包括基于合金钢粉末总质量的约1.0％(质量)或更低Mn的和可选的低于约0.2％(质量)的预合金化Mo，其余平衡量的铁基粉末基本由铁组成。

Mo是一种用于改善得到的烧结铁基坟坯的淬硬性的元素，铁基粉末中含有的Mo用于增加烧结产品的强度。基于合金钢粉末总质量的预合金化Mo的含量低于约0.2％(质量)时不会影响压制和预烧结后得到的烧结粉末金属体的再压制性。

图1是示出合金钢粉末4的示意图，其中部分扩散和粘结在铁基粉末1表面上的粉末颗粒形式的Mo部分合金化。在图1中，只有一种Mo颗粒2部分扩散和粘结在铁基粉末颗粒1的表面上。但是多于一种的Mo颗粒2可以自然地扩散和粘结在铁基粉末颗粒1的表面上。

在合金钢粉末颗粒4中，Mo粉末颗粒2部分扩散进入铁基粉末颗粒1中，粘结在铁基粉末颗粒1的表面上并与之部分合金化。在铁基粉末颗粒1和Mo源粉末颗粒2之间的粘结部分，部分Mo扩散进入铁基粉末颗粒1中形成Mo扩散区3(合金区)，其余的Mo源粉末颗粒2以粉末形式粘结在铁基粉末颗粒1的表面上。

本申请中所用的Mo源粉末优选包括但不限定为如金属Mo粉末，Mo氧化物粉末如典型的MoO₃和钼铁粉末。

如图3所示，在烧结粉末预成型件的再压制工艺中用这样的合金钢粉末作为铁基材料粉末能产生下述优点：

首先，即使在预烧结后部分合金化Mo也不会完全分散到铁基粉末基体中，因此，与用同样组成的预合金钢粉末作为铁基材料粉末相比，其在轻负荷下能够经受再压制以生成密度接近真密度的再压制体。

另外，对密度接近真密度的再压制体进行再烧结能够提高Mo的扩散性。通过对烧结压坯进行热处理如气体渗碳，真空渗碳，光亮淬火和回火或感应淬火和回火得到的烧结压坯或元件与用同样组成的预合金钢粉末作为铁基材料粉末得到的烧结压坯或元件有相同的强度。另外，本发明的合金钢粉末颗粒的硬度比有同样组成的预合金钢粉末颗粒的硬度低，因此，即使在相同的压制压力下压制时也能生成有更高密度的烧结铁基粉末金属体。就此而论，在烧结粉末预成型件的再压制工艺中，烧结铁基粉末金属体的密度越大，越是优选。

除了Mn和Mo外，平衡量(余量)的合金钢粉末基本由铁组成，即由Fe和不可避免的杂质组成。为了确保铁基粉末混合物的可压缩性，为了通过压制生产有足够高密度的预成型件，这些附随杂质的优选含量是C：约0.05％(质量)或更低，O：约0.3％(质量)或更低，N：约0.005％(质量)或更低，Si：约0.2％(质量)或更低，优选约0.1％(质量)或更低，P：约0.1％(质量)或更低，和S：0.1％(质量)或更低。从烧结铁基粉末金属体的质量角度考虑，没有必要规定这些杂质含量的下限。但是，从工业生产率的角度考虑，这些杂质的含量低于下述值时不经济：C：约0.0005％(质量)，O：约0.002％(质量)，N：约0.0005％(质量)，Si：约0.005％(质量)，P：约0.001％(质量），和S：约0.001％(质量)。本发明中使用的合金钢粉末的平均粒径没有具体限制，但优选在约30μm至约120μm范围内，在工业上可以适当的费用生产该范围内的粉末。

接下来说明合金钢粉末的生产过程。

图2示出本发明的合金钢粉末的生产过程的一个实施方案。首先制备预定量的Mo源粉末和含Mn和可选Mo的铁基粉末。雾化铁粉和还原铁粉均可用作铁基粉末。这样的雾化粉末通常在雾化后在还原气氛如氢气气氛中进行热处理以还原碳和氧。但是，没有进行这样的还原热处理的雾化铁粉也可用在本发明中。

前面提及的金属Mo粉末，Mo氧化物粉末如MoO₃和钼铁粉末可优选用作Mo源粉末。

然后使铁基粉末和Mo源粉末混合，其比例是使得到的合金钢粉末中的Mo含量落在前面提及的数值范围内(约0.2％(质量)至约10.0％(质量))。在该混合工序中可以使用任意传统上公知的设备如Henshel型混合器和锥形混合器。混合时可以加入粘结剂如锭子油以提高铁基粉末和Mo源粉末之间的粘结力。基于100重量份的铁基粉末和Mo源粉末总重量的粘结剂含量优选是约0.001重量份至约0.1重量份。

然后使得到的由铁基粉末和Mo源粉末构成的混合物在还原气氛如氢气气氛中在约800℃至约1000℃的温度范围内热处理约10分钟至约3小时。这种热处理使Mo部分扩散和粘结在铁基粉末颗粒的表面上以生成部分合金钢粉末。即使使用Mo氧化物粉末作为Mo源粉末时，Mo氧化物也在热处理步骤中还原成金属，得到的金属Mo颗粒和用金属Mo粉末或钼铁作为Mo源粉末一样部分扩散和粘结在铁基粉末颗粒的表面上生成部分合金钢粉末。

用于形成部分合金粉末的热处理使所有粉末松烧结和堆垛，因此，将得到的粉末破碎并分出需要的粒径，可根据需要进行进一步退火，这样就最终生成成品合金钢粉末。

可通过单个合金钢粉末颗粒的横截面进行元素分布分析如公知的电子探针显微分析(EPMA)来评估Mo源粉末是否充分扩散和粘结在铁基粉末的表面上。通过在单个合金钢粉末颗粒的抛光横截面上绘制Mo分布图可直接观察Mo源颗粒的粘结状况。当用Mo氧化物作为Mo源粉末且合金钢粉末中的氧含量足够低时(如，低于或等于上述的杂质含量值约0.3％(质量))，可认为Mo源粉末是充分扩散和粘结的，没有剩余大量的Mo氧化物。

然后根据需要使合金钢粉末和其它原料如石墨粉，合金粉末或润滑剂混合，然后进行压制、预烧结，生成烧结铁基粉末金属体。然后将该烧结铁基粉末金属体进行再压制如冷锻或辊轧成型，然后根据需要进行再烧结和/或热处理以生成烧结铁基元件。用本发明的合金钢粉末制备的烧结铁基粉末金属体在进行充分的再压制时有如此轻的再压制负荷。但是，通过再烧结和/或热处理得到的烧结铁基元件是有令人满意淬硬性的高强度元件。

该合金钢粉末除了在烧结粉末预成型件的再压制工艺中可用作铁基材料粉末外，还可在整个粉末冶金领域应用烧结和/或热处理后的高可压制性和高强度的领域中。

实施例

下面参考几个本发明的实施例，对比实施例和传统实施例进一步详细说明本发明，这些实施例不是为了限定本发明的保护范围。

制备一系列表1所示的含预合金化Mn和/或Mo的铁基粉末。铁基粉末A2是没有进行还原热处理的水雾化铁基粉末，其它粉末都在雾化后在氢气气氛中进行还原。这些铁基粉末的每一种都以表2和3所示的得到的合金钢粉末中的预定比与表2和3所示的Mo源粉末混合。然后在100重量份的铁基粉末和Mo源粉末的总和中加入0.01重量份的锭子油作为粘结剂，得到的混合物在V型混合器中掺混15分钟以生成混合粉末。在一般的实施例(合金钢粉24-26)中，金属Ni粉末和/或金属Cu粉末以表3所示的得到的合金钢粉末中的预定比加入含预合金化Mo的铁基粉末中(铁基粉末E)。

这些混合粉末的每一种都在氢气气氛中在900℃下热处理1小时，使Mo源粉末部分扩散和粘结在铁基粉末颗粒的表面上以生成部分合金钢粉末。

对得到的合金钢粉末中的每一种都进行化学分析后发现其含有小于或等于0.01％(质量)的C，小于或等于0.25％(质量)的O和小于或等于0.0030％(质量)的N。即使使用水雾化铁基粉末A2，铁粉也在热处理过程中被还原，得到的粉末中的氧含量降至0.25％(质量)或更低。铁基粉末和合金钢粉末中的Si，P和S含量都小于或等于0.05％(质量)。

对每一种得到的合金钢粉末的横截面都进行EPMA以证明Mo源粉末是粘结在铁基粉末的表面上并且是部分扩散的。在这种分析中，对50粒合金钢粉末进行分析。每一种合金钢粉末颗粒的平均粒径是60μm至80μm。

接下来，在每一种上述制备的合金钢粉末中加入0.2％(质量)的天然石墨和0.3％(质量)的硬脂酸锌(润滑剂)以生成铁基混合粉末混合物。石墨和硬脂酸锌的量是用相对于铁基粉末混合物的总重量的量表示。然后将铁基粉末混合物置入模具中压制生成直径是30mm、高是15mm的片状预成型件。然后使预成型件在氢气气氛中在1100℃下预烧结1800秒以生成烧结铁基粉末金属体。压制过程中施加的负荷设定为使得到的烧结铁基粉末金属体的密度为7.4Mg/m³。

每一种上述制备的烧结铁基粉末金属体都进行再压制。具体来说，通过使其向后挤压而将其冷锻成杯子形状，面积压缩率是80％，这样就生产出杯状体。测定冷锻过程中施加的负荷。

然后使杯状体在80vol.％的氮气和20vol.％的氢气气氛中在1140℃下预烧结1800秒，在1.0％的碳势下的渗碳气氛中在870℃下维温3600秒，在油中淬火，在150℃下回火。经过这些热处理，可得到杯状体。测定得到的杯状体的洛氏C标度表面硬度(HRC)。这些结果示于表2和3。

表1

A2：没有进行其它处理的水雾化粉末

每一个本发明的实施例在冷锻(再压制)时都使用低负荷，且显示出令人满意的可再压制性。合金钢粉末1和21，4和23及11和22的对比示出：部分扩散、粘结和部分合金化的Mo能够降低冷锻(再压制)负荷。本发明的实施例在冷锻再压制时需要的负荷比传统的通过部分扩散和粘结Ni和/或Cu得到的含0.2％或更多的预合金化Mo和部分合金化Ni和/或Cu的实施例(合金钢粉末24-26)在冷锻再压制时需要的负荷低得多。

每一个本发明的实施例在热处理后的HRC标度的表面硬度等于或大于58，和含有预合金化Mn和Mo的对比实施例(合金钢粉末21-23)及含有预合金化Mo和部分合金化Cu和/或Ni的传统实施例(合金钢粉末24-26)在热处理后的硬度相比具有较高的硬度并能形成高强度的铁基烧结元件。相反，含有大量Mo的对比实施例(合金钢粉末8和14)的可再压制性降低，不能在再压制过程中模铸成预定的尺寸。含有大量预合金化Mn的一个对比实施例(合金钢粉末20)再压制需要的负荷与传统实施例(合金钢粉末24-26)需要的负荷一样高。含有少量Mo的一个对比实施例(合金钢粉末27)在热处理后的硬度低。另外，合金钢粉末28和22的对比示出：即使Mo被预合金化，如果预合金化Mo的含量在本发明的保护范围内，冷锻(再压制)时的负荷仍然保持很低。另一方面，合金钢粉末28和29的对比示出：当预合金化Mo的含量超出本发明的保护范围时，冷锻时的负荷就会增高。

如上所述，本发明改善了烧结铁基粉末金属体的可变形性，能够生产密度接近真密度的高密度再压制体，能够生产有高精度尺寸的高强度烧结铁基元件，并能取得显著的工业上的益处。

其它的实施方案和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，本发明不限定为上述的具体情形。

Claims (2)

1、一种用于粉末冶金的合金钢粉末，其包括：

铁基粉末，所述铁基粉末包含基于所述合金钢粉末总量为1.0％质量或更低的预合金化Mn，所述铁基粉末的其余的平衡量由铁和不可避免的杂质组成，和

基于所述合金钢粉末总量为0.2-10.0％质量的部分扩散和粘结在所述铁基粉末颗粒表面上的粉末形式的Mo；

并且，所述合金钢粉末的除Mn和Mo外的平衡量由铁和不可避免的杂质组成。

2、一种用于粉末冶金的合金钢粉末，其包括：

铁基粉末，所述铁基粉末包含基于所述合金钢粉末总量为1.0％质量或更低的预合金化Mn和低于0.2％质量的预合金化Mo，所述铁基粉末的其余的平衡量由铁和不可避免的杂质组成，和

基于所述合金钢粉末总量为0.2-10.0％质量的部分扩散和粘结在所述铁基粉末颗粒表面上的粉末形式的Mo；

并且，所述合金钢粉末的除Mn和Mo外的平衡量由铁和不可避免的杂质组成。

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