CN101069927A - 烧结硬化粉末及其烧结体 - Google Patents

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Abstract

一种烧结硬化型粉末的成份及使用此种粉末经粉末冶金制程所制得的烧结体，此烧结体具有高硬度及高强度。此烧结硬化粉末的主要成分为铁，另外包含0.1～0.8wt％碳，3.5～12.0wt％镍，0.1～7.0wt％铬，及2wt％以下的钼。而粉末的平均粒度在150μm以下。所制得的烧结体不需经过淬火热处理即可具有高强度、高硬度及适当的延性。

Description

烧结硬化粉末及其烧结体
技术领域
本发明是有关于一种烧结硬化粉末及其烧结体，且特别是有关于一种烧结硬化型粉末的组成。
背景技术
一般粉末冶金零件为符合其应用的需求通常需具备良好的机械性质，因此零件常必须施以淬火、回火的硬化热处理以达到优良的机械性质。然而淬火时由于冷却速率快，零件易产生变形、尺寸不稳定、淬裂等问题，且热处理亦增加生产成本，故近年来已有烧结硬化型的粉末出现，在粉末中添加Mo、Ni、Mn、Cr等高硬化能合金元素，使在以传统压结方式压出胚体后，将生胚烧结即可得到HRC30以上的硬度，例如Hoeganaes公司的Ancorsteel 737SH(Fe-0.42Mn-1.40Ni-1.25Mo-C)或Quebec公司的ATOMET4701(Fe-0.45Mn-0.90Ni-1.00Mo-0.45Cr-C)等。这些材料所制成的零件在烧结炉内以每分钟约30℃以上的冷却速率冷却，可产生麻田散铁及变韧铁。虽然这些粉末经一般业者所常用的1120℃烧结30-40分钟后其合金元素成分仍不易均质化，但在相同密度及烧结处理条件下，不需施以淬火硬化处理其烧结后的机械性质已比一般非烧结硬化型的合金为佳。烧结硬化型合金虽节省烧结后热处理成本，不过为符合快速冷却速率的要求，仍需在原有烧结炉改装，增加特殊设计的高冷却速率设备，甚至改用全新的烧结炉，此方式仍造成额外的设备成本。此外，此制程的冷却速率虽远较淬火慢，但仍相当快，零件仍易有变形、尺寸不稳定、淬裂等缺点。又如美国专利US5682588乃将该专利的粉末以传统压结方式压出生胚后于1130-1230℃之间烧结，然后以5-20℃/分的冷却速率冷却，即可达到烧结硬化效果，改进了以往约30℃/分以上的高冷却速率，但该专利揭露的机械性质仍不佳，特别是韧性方面。
以干压成形制程而言，美国粉末冶金协会在2003年版的标准中已有烧结硬化型合金，其中机械性质较佳者为FLNC-4408(1.0-3.0％Ni，0.65-0.95％Mo，1.0-3.0％Cu，0.6-0.9％C，余铁)及FLC2-4808(1.2-1.6％Ni，1.1-1.4％Mo，1.0-3.0％Cu，0.3-0.5％Mn，0.6-0.9％C，余铁)，后者在烧结硬化并回火后于7.2g/cm3的密度下的拉伸强度可达1070MPa，硬度可达HRC 40，但延性不佳，低于1.0％。这些干压型合金虽为烧结硬化型，但机械性质仍不理想，且所需的冷却速率仍相当快。
就粉末冶金技术领域来说，除了干压成形烧结的制程外，金属射出成形也是另一种方法，此制程所使用的粉末较传统粉末冶金制程(干压与烧结)细，粒径约在30μm以下，而干压用粉末粒径约在150μm以下，由于细粉对合金元素而言扩散距离短，所以可以使添加的合金元素均匀扩散于基材中，因此以细粉烧结的零件比传统干压成形烧结零件具有较佳的机械性质。目前金属粉末射出成形常用合金为Fe-Ni-Mo-C系列合金，例如美国粉末冶金协会(Metal Powder Industries Federation)所公布的标准中机械性质最佳的MIM-4605(1.5-2.5％Ni，0.2-0.5％Mo，0.4-0.6％C，＜1.0％Si，余铁)，此合金在烧结后的拉伸强度可达415MPa，硬度可达HRB62，伸长率为15％，若要达到此材料的最佳机械性质则必须将烧结后的产品施以淬火、回火等烧结后热处理，其拉伸强度可达1655MPa，硬度可达HRC48，伸长率为2.0％。虽然目前金属射出成形工件已可藉烧结后热处理而得到优良的机械性质，但就金属射出成形工件而言，其热处理成本仍占其制造成本相当大的比例，如何降低其热处理成本为一重要课题，且由美国粉末冶金协会所示资料及各研究报导显示，目前尚无应用于金属粉末射出成形的烧结硬化型合金。
如上所述，金属射出成形工件使用细粉，所以可改善合金元素的均质化，提高工件的机械性质，但细粉亦可用于传统干压制程，只是细粉流动性不佳，在成形时无法顺利填充入模穴中，因此无法以自动成形机成形，但此问题可藉造粒制程使粉末聚集成较大粒径且成球形而予以克服，因此细粉仍可使用于干压成形制程。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种烧结硬化粉，其在烧结后于一般的降温速率(3-20℃/min)在传统烧结炉中冷却，即可得到良好的机械性质。
本发明的另一目的是提供一种造粒粉，其具有良好的机械性质。
本发明的又一目的是提供一种烧结体，其所使用的粉末为前述的烧结硬化粉。
本发明的又一目的是提供一种烧结体，其所使用的粉末为前述的造粒粉。
为达上述目的，本发明提供一种烧结硬化合金粉，其粉末直径在150μm以下，使以粉末冶金方法制造出的烧结体有高的硬化能(即烧结硬化型合金)，其中该烧结体的成分包含铁、碳、镍、铬、钼，其比例以重量百分比表示为镍含量：3.5-12.0％，碳含量：0.1-0.8％，铬含量：0.1-7.0％，钼含量：2.0％以下，剩余为铁含量。
本发明的烧结硬化粉亦可再添加一种以上的强化元素，此强化元素为Cu、Ti、Al、Mn、Si、P、Co、Nb任一种。其中铜含量：2.0％以下，钛含量：1.0％以下，铝含量：1.0％以下，锰含量：1.0％以下，硅含量：1.0％以下，磷含量：1.0％以下，钴含量：4.0％以下，铌含量：1.0％以下。在一较佳实施例中，各个成分的含量如下：碳含量：0.3-0.7％，镍含量：6.0-10.0％，铬含量：0.3-6.0％，钼含量：0.1-1.0％。而强化元素更理想的含量如下：铜同：0.1-1.0％，锰：0.1-0.8％，硅：0.1-0.5％，钴：0.1-3.0％。
在本发明一较佳实施例中，碳可以是由添加的石墨粉所提供，亦可以是由含碳的羰基铁粉所提供。
在本发明一较佳实施例中，烧结硬化粉的粉末平均直径例如为0.1～30μm，而此时的铬含量为0.1-2.0％。而在本发明的另一实施例中，烧结硬化粉的粉末平均直径例如为30-150μm，而此时的铬含量为1-6％。
在本发明一较佳实施例中，烧结硬化粉为元素粉、铁系预合金粉或是两者的混合粉。在本发明的另一较佳实施例中，元素粉及铁系预合金粉是以混合方式、扩散接合方式或以粘结方式存在。
为达上述目的，本发明提供一种造粒粉，其原始烧结硬化粉的粉末平均直径为0.1～30μm，粉末组成为前述的烧结硬化粉，经造粒后此造粒粉的平均粒径在20至150μm之间。在一较佳实施例中，造粒粉的平均粒径例如是在40-80μm之间。
前述粉末所组成的烧结体，不需经淬火处理即具有拉伸强度大于1200MPa、硬度大于HRC30及伸长率大于1％的特性。换言的，本发明是采用粉末冶金制程将上述烧结硬化型金属粉末制成烧结体，该烧结体可不经淬火的热处理而仅以低温回火处理即可达到良好的机械性质。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1(a)：无铬时镍在铁基地内的分布不平均。
图1(b)：加入铬后镍的均质化情形已有所改善。
图2：使用细铁粉时，铬的添加量在大约0.7％时其硬度可到达最大值。
图3：使用粗铁粉时，铬的添加量在大约3.0％时其硬度可到达最大值。
具体实施方式
本发明添加镍乃因其具有高硬化能指数，能提供烧结体高硬度及高韧性，本发明所用的镍含量介于3.5％至12.0％之间，此乃因镍低于3.5％时烧结硬化的效果不佳，而当镍含量高于12.0％时，硬化能提升的效率逐渐降低，且价格将太高。镍虽然硬化能效果佳，但由于其不易扩散入铁基地中，所以用于粉末冶金产品时其烧结硬化效果不佳，且由于未均质化的关系反而会形成软、弱的富镍区，使得测试强度时或实际使用于机器中时，裂痕由此区产生而导致破坏。
为了充分发挥镍的效果，我们发现添加铬可以帮助镍的均质化，例如图1a中显示未加铬时镍的分布不均，但加了铬后则大幅改善如图1b所示。所以铬可以帮助镍的均质化并消除软弱的富镍区，此可大幅提升工件的机械性质。以图2为例，依Fe-8Ni-0.8Mo-0.5C-XCr的成份，将羰基铁粉与其他合金粉末混合好后，依一般金属射出成形制程制作出烧结体，此烧结体的硬度随着铬含量的增加而上升，在大约0.7％Cr时到达最高点，随后又下降。由于此例使用细铁粉，镍的均质化程度并不差，所以铬的添加量不需太多，但若使用粗铁粉时，铬的使用量则必须增加。以图3为例，将平均粒径为72μm的铁粉与镍粉、钼粉、铁铬预合金粉及石墨粉，依Fe-4Ni-0.8Mo-0.5C-XCr的成份所制作的烧结体，其硬度随着铬含量的增加而上升，在3.0％Cr时达到最大值，超过3.0％Cr时，硬度则又开始降低。
因此本发明的主要特征在于设计一烧结硬化型合金配方应用于金属射出成形制程或传统粉末冶金制程(干压、烧结)，可使其工件于较低生产成本下，制造出具有高强度、高密度、高硬度及韧性佳的烧结体成品。本发明的一较佳主体在于一烧结硬化粉的组成，其中碳含量为0.3-0.7％，镍含量在3.5-10.0％，铬含量在0.3-6.0％，钼含量在0.1-1.0％。而另一主体为当使用的铁粉粉末平均粒径在0.1-30μm之间时，其铬含量在0.1-2.0％，而当铁粉粉末平均粒径在30-150μm之间时，其铬含量在1-6％，而本发明的烧结硬化粉末可以是元素粉、预合金粉或是两者的混合物。
以下将参照表1及表2的烧结体元素成分和机械性质，其中表2的例1-2为金属射出成形方法所制得的烧结体性质，表2的例3至例6为传统粉末冶金方法所制得的烧结体性质，由表1及表2说明本发明的烧结体元素成分及其制造方法，其中例1至例6为本发明，例A至例D为对照组，乃现有文献报导中的资料。
例1：以表1中所示例1的成分将0.1-30μm的各种所需成分的粉末与7wt％的粘结剂，于Z型高剪力混炼机以150℃混炼一小时后冷却，以得到颗粒状的射料，将此射料投入射出机中制作拉伸试棒(美国粉末冶金协会MPIF50的标准试棒)，射出后的试棒以工业界习用的脱脂步骤脱脂，然后于真空烧结炉中以每分钟5℃的升温速率由室温升至650℃并持温一小时，随后再以每分钟10℃的速率升至1200℃，再于1200℃烧结两小时后以炉冷方式降温冷却，不需经热处理，即可得到HRC51的硬度及1.0％的延性。经180℃回火两小时，可改善延性而得到1800MPa的强度，HRC45的硬度及3.0％的延性，如表2所示。此例1显示由此合金成分可得到具高强度、高硬度且延性佳的产品。相较于美国粉末冶金协会射出成形工件中机械性质最佳者为MIM-4605，此MIM-4605若未经热处理的话仅有415MPa，HRB62，及15％的延性，如表2的例A所示。若经淬火、回火热处理者，其性质为1655MPa，HRC48及2％的延性，，如表2的例B所示。故MIM-4605需经淬火硬化处理方可达到与本发明的烧结体的机械性质相近的结果(无须淬火硬化处理)。
例2：如同例1的制程，但成分改为以表1中所示例2的成分，所制得试棒经回火后的强度可达1780MPa的拉伸强度，HRC45的硬度及4％的延性。
例3：以表1中所示例3的成分，以75μm的Fe-3Cr-1.5Mo预合金粉末，添加镍粉、石墨粉及润滑剂后予以干压成形，然后于550℃脱脂15分钟，再于1250℃烧结两小时，此时烧结体的密度为7.2g/cm3，所得试棒经回火后可达1320MPa的强度，HRC39的硬度及2％的伸长率。
例4：如同例3的制程，但成分改为表1中所示例4的成分，所得试棒经回火后可达1280MPa的强度，HRC38的硬度及2％的伸长率。
例5：如同例3的制程，但成分改为以表1中所示例5的成分，而基础粉末改用Fe-1.5Cr-0.2Mo预合金粉，此粉末经烧结后只需经回火180℃两小时后的强度即可达1270MPa的拉伸强度，HRC31的硬度及2％的延性。
例6：以表1中例6的成分将含有C及Si的5μm羰基铁粉与Mo及Ni元素粉以及Fe-Cr预合金粉混合，然后再将粉与水和粘结剂如聚乙烯醇等混合搅拌成泥浆状，经由喷嘴高速喷出，喷出物受热空气或热氮气吹袭，使得其中的水分蒸发仅剩细粉与粘结剂结合成粒度较大直径约40μm且具流动性的球形粗粉，将粗粉填入模穴中经自动成形机压结成形而得生胚试棒，成形后的试棒以工业界习用的脱脂步骤脱脂，如以每分钟5℃的升温速率由室温升至400℃后，再以每分钟3℃的速率升至1100℃，持温一小时，然后以每分钟10℃的速率升至1200℃，再于1200℃烧结一小时后以炉冷方式降温冷却，不需经淬火热处理，只需经180℃回火两小时，即可得到1650MPa的强度，HRC43的硬度及4.0％的延性，如表2所示。显示由此合金成分可得到具高强度、高硬度且延性佳的产品。相较于美国粉末冶金协会干压成形结构工件中机械性质最佳的烧结硬化合金为FLNC-4408，此FLNC-4408仅有970MPa，HRC30，及1.0％的延性。
例A：以美国粉末冶金协会MPIF-35标准中射出成形用的MIM-4605的成分(见表1)所制得烧结品的机械性质，如表2所示。
例B：同例A，但产品经过热处理后机械性质大幅改善，如表2所示。
例C：以美国粉末冶金协会MPIF-35标准中射出成形用的MIM-2700的成分(见表1)所制得烧结品的机械性质，如表2所示。
例D：以美国粉末冶金协会MPIF-35标准中传统干压成形用的烧结硬化型合金FLC2-4808的成分(见表1)所制得烧结品的机械性质，如表2所示，此为MPIF烧结硬化合金标准中机械性质最佳者。
表1  本发明的例1至例6及美国粉末冶金协会MPIF标准及业界习用的例A至例D的成分(以重量百分比表示)
  元素   例1   例2   例3   例4   例5   例6   例A&B   例C   例D
    C   0.36％   0.34％ 0.5％   0.5％   0.6％   0.4％ 0.4-0.6％     ＜0.1％ 0.6-0.9％
    Ni   8.0％   9.0％ 4.0％   3.1％   4.0％   7.5％ 1.5-2.5％     6.5-8.5％ 1.2-1.6％
    Mo   0.8％   0.8％ 0.5％   0.5％   0.2％   0.8％ 0.2-0.5％     ＜0.5％ 1.1-1.4％
    Cr   0.8％   0.8％ 3.0％   3.0％   1.5％   0.5％ -     - -
    Mn   0.6％   - -   -   -   - -     - 0.3-0.5％
    Cu   -   - -   1.0％   -   - -     - 1.0-3.0％
    Si   0.3％   0.3％ -   -   -   0.3％ ＜1.0     ＜1.0 -
    Fe   余   余 余   余   余   余 余     余 余
表2  例1至例6的合金与例A至例D的合金机械性质的比较
   例   密度(g/cm3)   淬火硬化处理   拉伸强度(MPa)   硬度 伸长率(％)
    1     7.6     无*     1800   HRC45     3
    2     7.6.     无*     1780   HRC45     4
    3     7.2     无*     1320   HRC39     2
    4     7.1     无*     1280   HRC38     2
    5     7.3     无*     1270   HRC31     2
    6     7.5     无*     1650   HRC43     4
    A     7.5     无     415   HRB62     15
    B     7.5     有**     1655   HRC48     2
    C     7.6     无     440   HRB69     26
    D     7.2     无*     1070   HRC40     ＜1
*烧结后于180℃回火2小时
**860℃奥斯田铁化后油淬火，再于180℃回火2小时
综上所述，相较于美国粉末冶金协会(Metal Powder IndustriesFederation，MPIF)所列经过淬火、回火处理后的射出成形最佳合金(MIM-4605)及干压成形结构件的最佳烧结硬化合金(FLC2-4808)，本发明的烧结硬化型合金，除具有不需淬火硬化处理即可达到相似甚至更佳的机械性质外，并可避免因淬火硬化所衍生的零件易产生变形、尺寸不稳定、淬裂等问题，且可节省淬火热处理的生产成本。对于传统粉末冶金的压结制程虽有所谓的烧结硬化型合金，但其粉末合金配方所制的烧结体所需冷却速率比本发明为快，工件较易变形，且机械性质不佳。故本发明所揭示的内容兼具优良的机械性质、尺寸稳定性与低成本等优点。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (14)

1、一种烧结硬化粉，其特征在于其主成分为铁，另包含碳、镍、铬、钼，且其合金比例以重量百分比表示为碳含量：0.1-0.8％，镍含量：3.5-12.0％，铬含量：0.1-0.7％，钼含量：2.0％以下，而粉末平均粒径在150μm以下。
2、根据权利要求1所述的烧结硬化粉，其特征在于其更包括至少下列一种其他强化元素，其含量为2.0％以下的铜，1.0％以下的钛，1.0％以下的铝，1.0％以下的锰，1.0％以下的硅，1.0％以下的铌，4.0％以下的钴，1.0％以下的磷。
3、根据权利要求1所述的烧结硬化粉，其特征在于其中碳含量：0.3-0.7％，镍含量：6.0-10.0％，铬含量：0.3-6.0％，钼含量：0.1-1.0％。
4、根据权利要求2所述的烧结硬化粉，其特征在于其中铜含量：0.1-1.0％，锰含量：0.1-0.8％，钴含量：0.1-3.0％，硅含量：0.1-0.5％。
5、根据权利要求1所述的烧结硬化粉，其特征在于其中碳是由添加的石墨粉所提供。
6、根据权利要求1所述的烧结硬化粉，其特征在于其中碳是由含碳的羰基铁粉所提供。
7、根据权利要求1所述的烧结硬化粉，其特征在于其粉末平均直径为0.1～30μm，此时的铬含量为0.1-2.0％。
8、根据权利要求1所述的烧结硬化粉，其特征在于其粉末平均直径为30～150μm，此时的铬含量为1-6％。
9、根据权利要求1所述的烧结硬化粉，其特征在于此烧结硬化粉为元素粉、铁系预合金粉或是两者的混合粉。
10、根据权利要求9所述的烧结硬化粉，其特征在于其中元素粉及铁系预合金粉是以混合方式、扩散接合方式或以粘结方式存在。
11、一种造粒粉，其特征在于其粉末组成是根据权利要求1所述的烧结硬化粉，且造粒粉的平均粒径在20至150μm之间。
12、根据权利要求11所述的造粒粉，其特征在于其平均粒径在40～80μm之间。
13、一种烧结体，其特征在于其所使用的粉末为权利要求1所述的烧结硬化粉。
14、一种烧结体，其特征在于其所使用的粉末为权利要求11所述的造粒粉。
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