CN101506398A - 高碳表面致密化烧结钢产品及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供了用于制造包含铁或铁预合金化粉末的表面致密化高碳烧结钢制品的粉末混合物合金，该粉末混合物合金预先混合有至少0.4wt％的石墨、润滑剂以及任选地选自镍、铬、铜、锰和钼的至少一种合金化元素。利用该合金混合物制造部件，包括以下步骤：a)将金属粉末成型以获得成型体；b)在低温下将成型体预烧结以防止石墨扩散到铁中；c)将预烧结的成型体表面致密化直至预定的致密化深度；d)在中性气体或渗碳气氛中进行烧结；e)对烧结的成型体进行热处理。

Description

高碳表面致密化烧结钢产品及其制造方法

技术领域

本发明一般涉及烧结的铁基粉末金属合金制品。本发明还涉及具有均匀分布于其中的大量碳含量的烧结粉末金属合金制品。另外，本发明还涉及在不需要碳富集的情况下直接从烧结操作制造具有均匀高硬度的表面致密化部件。

背景技术

铁基烧结材料由于其固有的多孔结构因而一般不是用于高强度应用的特选材料。但是，烧结产品在形状方面具有高的通用性，并且很容易以相对低的成本制成复杂的形式。一般地，当从低碳材料形成时，烧结产品表现出低的强度，并且它们在包含大量碳时具有低的可成形性。

在低碳材料的情形中，表面致密化是极大改善力学性能和强度、特别是接触和弯曲疲劳性能的技术。该技术已被证明对于制造中等加载的汽车动力传动系部件是有效的，例如使用低碳或无碳材料的齿轮、链轮和座圈(race)。已提出几种方法使这些制品表面致密化。其中，几种方法已成功地在批量制造中实施，它们是以若干形式的冷成形工艺来执行表面致密化的那些方法。与热成形相比，冷成形具有四种关键优点：(1)导致高精度部件；(2)具有低的工具磨损；(3)避免工件的氧化；和(4)不需要对工件进行加热。但是，冷成形也有明显的局限。在金属成形技术中，众所周知，冷成形严重受到以下方面的限制：(1)材料的高屈服强度导致极高的成形应力，该极高的成形应力进而可引起工具失效，并且需要较大的成形设备；和(2)低的材料可加工性，因为材料在给定的应力状态下耐受塑性应变而不发生失效(例如断裂)的能力降低。这些有害效果会因粉末混合物中存在任何显著量的碳而恶化。虽然较高的碳浓度增加零部件的强度，但是这些较高碳部件只有在几乎不需要或不需要后烧结可加工性时才是有效的。

此外，碳的存在不利于烧结型体的密度增加。在大多数应用中，为了得到合理的性能，需要表面层的完全致密化，这通常与包含大量碳的合金是不相容的。

材料的可加工性或可成形性由于孔隙的存在而进一步受到限制，所述孔隙会极大降低引起断裂所需的应变。例如，具有多于0.3wt％的碳和5％以上的孔隙率的烧结钢在断裂之前被限于0.5-2％的变形。为了获得有效的致密化，密度为7.2g/cm³的部件将需要超过9％的变形以达到7.87g/cm³的全密度。如果零件的初始密度较低，那么所需要的变形水平将较高。

如上所述，表面致密化方法主要依赖于使用没有碳或碳含量很低(典型低于0.2wt％)的材料。铁(无碳)或低碳钢表现出的可加工性高于较高碳钢。但是，低碳钢的使用具有一些重要的实际限制。低碳钢不可以直接热处理；它们需要在热处理之前典型通过气体渗碳工艺添加碳。特别地对于大部件，渗碳工艺是耗时且昂贵的。这种热处理产生几毫米(0.1-2mm)深的硬表面层和相对无碳的软芯部。在应力局限于浅表面层的一些应用中，当前的技术产生了非常好的结果。实际上，仔细选择合金化元素和优化诸如渗碳工艺的后烧结操作已被成功应用于高性能表面致密化低碳粉末金属产品的制造中。如Trasorras，Nigarura和Sigl在SAE Paper # 0396，2006中以及U1f Engstrom在Gear Solutions Pages 18-22，July 2006中所报导的，当与低碳形变钢或锻造钢相比时，低碳粉末金属部件产品的表面致密化产生相当或更高的性能。

然而，粉末金属技术中的这些成功发展，例如美国专利No.3,992,763和No.4,002,471中公开的那些发展，不能提供必需穿透硬化的锻造部件的应用中所要求的性能。

因此，现有技术中缺少制造可与穿透硬化锻造部件竞争的表面致密化高碳材料的替代性方法。这样的方法需要能够制造如下的表面致密化产品：如果给予加速冷却则该产品可直接在烧结炉中硬化；可在烧结之后直接感应硬化或者可通过短的奥氏体化周期随后进行油淬而穿透硬化。

发明内容

公开了一种方法，该方法基于使用大的碳含量来提供在最终硬化工艺的选择方面灵活的制造工艺和产品。在烧结炉内直接硬化或者烧结硬化；在烧结之后立即进行感应硬化或者后烧结奥氏体化并油淬，这些是特别有利的应用。该工艺提高了如下能力：冷成形粉末金属部件以便直接实现由热锻和形变钢技术制造的类似部件。

本发明提供了处理高碳烧结钢并在表面上使它们局部致密化的有效方法，对于具有6.8-7.4g/cm³芯部密度的所有部件可在表面上局部致密化到7.7g/cm³以上的密度。通过该方法制造的最终产品的组成利用包含铁或铁预合金化粉末的初始金属态的粉末混合物，该粉末混合物预先混合有至少0.3wt％且优选0.4-0.9wt％的石墨、约0-1％的蜡润滑剂以及选自由镍、铬、铜、锰和钼构成的组中的至少一种合金化元素或这些合金化元素的组合。选自该组中的每一种合金化元素的含量一般各自为0-3wt％且优选为2wt％。合金化元素的总重量百分比通常为0-5wt％。Mo优选被预合金化到基础铁粉末中，并且，其它的合金化元素以单质粉末形式被添加或者被预合金化到基础粉末中。

从公开的合金制造制品或部件的方法包括以下步骤：将包含铁或铁预合金化粉末的金属粉末成型(compact)以获得成型体，该金属粉末预先混合有至少0.3％且优选0.4-0.9wt％的石墨、润滑剂以及任选的选自镍、铬、铜、锰和钼中的至少一种合金化元素；在低温下将粉末金属制品预烧结以防止石墨扩散到铁中；在关键区域上对制品进行表面致密化以在这些区域中实现铁理论密度的至少97％；烧结制品以使碳进入溶体从而完成烧结过程，并且任选地热处理制品。

该方法能够使得高碳表面致密化烧结制品的制造成本有效。在预烧结状态中，高碳预制件表现出良好的可加工性并可容易地表面致密化。由于高的碳含量，因此，一旦被烧结，这些制品就具有高的淬硬性并可通过各种方法在烧结之后直接进行热处理，例如在烧结炉中快速冷却、在烧结炉中气体淬火、后烧结感应硬化、穿透硬化(奥氏体化和淬火)等。

结合以下的附图阅读本发明的以下详细说明，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。

附图说明

专利或申请文件包含至少一个彩制附图。在要求和支付必要的费用时事务所将提供具有彩色附图的该专利或专利申请公开的复本。

当结合以下的详细说明和附图进行考虑时，本发明的这些和其它特征及优点将变得更加容易理解，其中，

图1是高碳材料表面致密化部分的未刻蚀显微组织的显微照片。

图2是高碳材料的表面密度分布的图示。

图3是通过感应硬化执行的高碳材料的热处理显微组织的一系列显微照片。

图4是通过淬火和回火执行的高碳材料的热处理显微组织的一系列显微照片。

图5是现有技术的低碳材料的热处理、渗碳显微组织的显微照片。

图6是比较热处理的高碳材料和低碳材料的显微硬度分布的图示。

图7是比较表面致密化的高碳材料和低碳材料的疲劳寿命的图示。

具体实施方式

所述合金和相关的制造方法可被应用于希望有高强度且更特别是表面特征和形状适合于近净形状烧结材料的任何粉末金属部件。应用包含诸如传动齿轮的汽车驱动部件和气门机构部件。这些传动齿轮需要非常高的接触和弯曲疲劳强度。

粉末金属合金混合物可由以下组合物形成：97.40wt％的(Fe-Mo)预合金化粉末、2.0wt％的镍粉末、0.6％的石墨粉末和0.6wt％的蜡润滑剂。为了从所公开的合金组合物形成部件，在模具中以40-65psi对混合物进行冷成型，以形成具有约7.2g/cm³密度的试样。一般向模具施加诸如硬脂酸锌或有机润滑剂的外部润滑剂以促进适当的脱模。然后，在包含至少95％的氮气和余量氢气的气氛中，在1950℉下对形成的成型体预烧结0.5-1小时。该预烧结步骤被特别设计为促进粉末颗粒的结合而不促进碳扩散到部件材料的铁晶界之外。这产生更加易于耐受冷加工过程中的变形应力的预制件。

然后，通过冷成形在材料的加工表面上对预烧结的成型体或预制件进行致密化。该冷成形步骤可包含挤压、磨光、轧制或者在不借助由在载荷下接触的两种金属之间的摩擦产生的典型热以外的热量的情况下引起钢在冷态下塑性变形的任何其它方法。

然后，在95％N₂/5％H₂的气氛中，在约2100℉的温度下将冷成形的预制件烧结25分钟。该氮气-氢气气氛必须能够化学还原在金属粉末中存在的任何氧和/或杂质含量，并且，该比例主要依赖于所利用的合金化元素的具体混合物。作为替代方案，可以在真空下进行烧结得到类似的结果。预制件中的碳含量的精确控制是关键的，并且应避免由脱碳导致的碳损失，所述脱碳是由于炉内高的水蒸气含量或高水平的氧引起的。在特定的情形中，可以在烧结炉内添加碳以增加最终零件中的总碳浓度以使其超过粉末中的混合石墨的水平。

根据合金化元素，烧结的部件可在烧结炉内在1000℉和400℉之间以至少1.5℉/sec的冷却速率快速冷却，以便在零件的整个截面中形成包含至少90％马氏体的显微组织。作为替代方案，通过以下方式硬化部件：(1)在关键表面上对烧结的部件感应加热约1-3秒，然后在油或水中淬火；或者(2)通过在炉中于1600-1950℉下在渗碳或中性碳气氛中进行加热并然后在油或水中淬火来进行奥氏体化。可通过烧结硬化、感应或奥氏体化和淬火执行热处理，它们中的任一种之后可以在空气中在300-450℉下回火1-2小时。

在制造过程中现有技术的材料一般在这一点上利用渗碳来实现碳在一定程度上渗入烧结零件中。用于低碳或无碳材料的典型渗碳参数包括：在高温下暴露于含碳气体超过4小时，以便在表面或近表面区域中在一定深度上实现高的碳浓度，所述深度由零件暴露于炉内的该碳气氛中的时间和温度决定。这样的渗碳零件的特征在于，从表面到碳为紧邻周围基质的0.4wt％的预定距离，存在碳浓度的梯度。该富碳部分的组织与仅在相对浅的表面层中提供高强度的马氏体组织对应。特别是当用于大零件时，该工艺是昂贵且麻烦的。在一些情形中，零件对于碳气体的不均匀暴露导致零件内的碳渗透不一致，这导致最终部件具有有限或不一致的结构强度和/或有限的性能。除了成本以外，在渗碳炉内高温长时保持的一个显著缺点是最终零件的晶粒尺寸增大。晶粒尺寸增大是不希望有的，这导致较低的强度和低的断裂抗力。

本文所公开的烧结部件表现出粉末金属部件所特有的相对小的晶粒尺寸，同时实现约0.5wt％的碳浓度，并且，该碳浓度一般在整个部件中均匀分布。整个零件中高的碳含量确保在零件的整个截面中形成马氏体组织，这不仅在零件表面上导致改善的性能，而且对于整个部件导致更加均匀的强度和断裂抗力。另外，渗碳步骤的省略导致部件制造中成本和时间的显著节省。

现在参照图1，该图示出高碳材料的表面致密化部分的典型未刻蚀显微组织。该图显示了由箭头5表示的1000μm区域内的完全致密化到较少致密化材料的梯度。完全致密化层为约100μm。如所标示，材料的密度从表面到芯部随着深度而逐渐减小，直至达到7.35g/cm³的芯部密度。根据代表材料中孔隙的黑点数的增加，密度在视觉上直观可见。图2示出随深度而变的密度分布。通过使用图像分析技术确定密度。在达到约0.8mm的深度时，材料的密度大于钢理论密度的97％(7.6g/cm³)。在图3和图4中示出表面致密化的高碳材料的典型显微组织。作为比较，在图5中示出表面致密化的无碳材料的显微组织。在图6中示出对比热处理之后的表面致密化高碳材料和现有技术的低碳材料的显微硬度分布，该图清楚地显示了芯部内各种深度上的硬度差异。

公开的方法根据后烧结热处理在最终内部显微组织方面提供了大的灵活性。从图3、图4和图5可以看出，内部显微组织可以根据这些参数完全为马氏体或者仅在表面层为马氏体。在图3中，在通过感应加热和淬火直接硬化之后，高碳材料实现至少2.5mm的马氏体深度硬化层。可通过在热处理期间利用的具体参数选择深度层。从图4可以看出，在奥氏体化和淬火之后，表面致密化的高碳材料穿透硬化并在所有零件截面中形成马氏体。如图3a所示，感应硬化部件的马氏体表面层10与珠光体芯部截面12形成对比。图3b和图3c中的较高的放大倍数更加清晰地揭示了马氏体和珠光体显微组织。图4示出通过奥氏体化和淬火穿透硬化的部件的类似特性。如图4a所示，显示了均匀的马氏体显微组织，而图4b和图4c以更高的放大倍数揭示不管零部件的尺寸或几何形状如何部件都完全转变成马氏体。

通过比较，表面致密化的低碳材料在表面上形成浅的马氏体层14并在零件截面的大部分中形成软的铁素体组织16。特别是在需要高疲劳强度的应用中，该图所示的显微组织差异对于性能具有显著的影响。为了表征具有不同基础碳含量的表面致密化材料之间的疲劳强度差异，在疲劳试验机上对用两类材料制成的表面致密化部件进行评价。

对于低碳材料和高碳材料在图7中绘出至失效的循环次数。与渗碳的低碳材料相比，根据所公开方法制造的高碳材料的疲劳寿命增加三倍。这在接触疲劳方面是显著的改善，这表明了芯部硬度对重载荷部件的疲劳寿命的关键影响。

除了强度、接触疲劳和弯曲疲劳的改善之外，由根据本发明的烧结粉末金属组合物制成的制品显示出优异的尺寸稳定性和良好的机加工性，从制造和性能的观点看，这些性能都是十分关键的。

虽然在附图中示出并在上述详细说明中描述了本发明的具体实施方案，但应进一步理解，本发明不仅限于公开的实施方案，相反它们能够按下列权利要求中所述那样进行大量的重新配置、修改和替换。

Claims (24)

1.一种制造高碳表面致密化烧结钢制品的方法，包括以下步骤：

a)将在粉末混合物中包含至少0.4wt％C的铁基粉末成型以形成制品；

b)在低于1950℉的温度下将制品预烧结；

c)使制品经受表面致密化；和

d)烧结制品。

2.根据权利要求1的方法，还包括对烧结的制品进行热处理的最终步骤。

3.根据权利要求1的方法，其中所述的铁基粉末包含至少0.5wt％的碳。

4.根据权利要求1的方法，其中所述的铁基粉末还包含：

0.4-0.9wt％的石墨；

0.5-5wt％的选自镍、铬、铜、锰和钼的至少一种合金化元素；和

0.3-0.75wt％的润滑剂。

5.根据权利要求1的方法，其中将制品成型至6.8-7.4g/cm³的芯部密度。

6.根据权利要求1的方法，其中将制品在1400-1950℉的温度下预烧结。

7.根据权利要求6的方法，其中石墨的扩散减少并被保持在铁晶界处。

8.根据权利要求1的方法，其中至少一部分制品表面被致密化为铁理论密度的至少97％。

9.根据权利要求1的方法，其中在中性或渗碳气氛中烧结制品。

10.根据权利要求9的方法，其中制品在烧结炉内快速冷却以便在整个制品截面中形成硬的马氏体显微组织。

11.根据权利要求1的方法，其中制品被感应硬化到0.5-3mm的预定深度。

12.根据权利要求9的方法，其中在1600-1900℉的温度下将制品奥氏体化。

13.根据权利要求12的方法，其中将制品油淬或水淬。

14.通过以下步骤形成的烧结钢制品：

a)将在粉末混合物中包含至少0.4wt％C的铁基粉末成型以形成制品；

b)在低于1950℉的温度下将制品预烧结，使得所述制品的芯部密度为6.8-7.6g/cc；

c)使制品经受表面致密化，使得表面密度具有大于所述芯部密度的局部化密度直到0.1-2.0mm的深度；和

d)烧结所述制品。

15.根据权利要求14的制品，还包括对烧结的制品进行热处理的最终步骤。

16.根据权利要求14的制品，其中所述的铁基粉末包含至少0.5wt％的碳。

17.根据权利要求14的制品，其中所述表面致密化层的密度是铁的完全理论密度的至少97％。

18.根据权利要求14的制品，其中所述制品包含具有55-65HRC硬度的致密化表面。

19.根据权利要求14的制品，其中所述铁基粉末还包含：

0.4-0.9wt％的石墨；

0.5-5wt％的选自镍、铬、铜、锰和钼的至少一种合金化元素；和

0.3-0.75wt％的润滑剂。

20.从包含至少0.4wt％的C的铁基粉末形成的烧结钢制品，包含：

a)6.8-7.6g/cc的芯部密度；

b)达到0.1-2.0mm深度的比所述芯部密度大的表面密度；和

c)整个制品中的马氏体显微组织。

21.根据权利要求20的制品，其中所述的铁基粉末包含至少0.5wt％的碳。

22.根据权利要求20的制品，其中所述表面致密化层的密度是铁的完全理论密度的至少97％。

23.根据权利要求20的制品，其中所述制品包含具有55-65HRC硬度的致密化表面。

24.根据权利要求20的制品，其中所述铁基粉末还包含：

0.4-0.9wt％的石墨；

0.5-5wt％的选自镍、铬、铜、锰和钼的至少一种合金化元素；和

0.3-0.75wt％的润滑剂。

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