CN101517110A

CN101517110A - 冶金粉末组合物及其制造方法

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Publication number: CN101517110A
Application number: CNA2007800349881A
Authority: CN
Inventors: O·贝格曼; P·D·努尔森
Original assignee: Hoganas AB
Current assignee: Hoganas AB
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2027-09-20
Also published as: RU2009115182A; ATE489486T1; RU2458172C2; CN101517110B; BRPI0718512B1; ES2357175T3; BRPI0718512A2; DE602007010800D1; TWI370180B; TW200829704A

Abstract

本发明涉及经退火的预合金水雾化铁基粉末，该粉末适于制造具有高耐磨性的压制烧结部件。所述铁基粉末包含15至30重量％的Cr，各为0.5至5重量％的Mo、W和V中的至少一种，和0.5至2％、优选0.7至2％、最优选1至2重量％的C。粉末具有含少于10重量％的Cr的基质，并且含有大的铬碳化物。本发明还涉及制造该铁基粉末的方法。

Description

冶金粉末组合物及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种铁基粉末。特别地，本发明涉及一种适于制备耐磨产品的粉末。

背景技术

具有高耐磨性的产品被广泛应用，并且人们一直渴望获得与现有的耐磨产品相比具有相同或更好的性能但更廉价的耐磨产品。

具有高耐磨性的产品的制备可以以例如粉末为基础，例如铁或铁基粉末，包括碳化物形式的碳。

一般来说，碳化物非常硬并具有高熔点，这些特点使它们在很多应用领域具有高的耐磨性。这种耐磨性通常使碳化物适于作为需要高耐磨性的钢(例如用于钻头、机床、阀座等的钢，例如高速钢HSS)中的组分。

具有高耐磨性的铁基粉末的常见例子公开于例如美国专利6,679,932(该专利涉及一种粉末混合物，其包括具有细分散的碳化物的工具钢粉末)和美国专利5,856,625(该专利涉及一种不锈钢粉末)中。

W、V、Mo、Ti和Nb是形成牢固碳化物的元素，因此这些金属特别有利于制造耐磨产品。Cr是另一种形成碳化物的元素。然而，这些常规的形成碳化物的元素大都价格昂贵，从而不利地导致产品价格昂贵。因此，粉末冶金工业需要价格较低的铁基粉末或高速钢，使得压制和烧结的产品(例如用于阀座的那些)具有足够的耐磨性。

与具有高耐磨性的常规粉末和硬相中所使用的其它同类金属相比，铬是一种便宜得多而且更容易得到的形成碳化物的金属，因此，如果能够使用铬作为主要的形成碳化物的金属将是理想的。那样的话，可以更廉价地制造粉末，并因此可以更廉价地制造压实的产物。

常见高速钢的碳化物通常非常小，但根据本发明，意想不到的是，用铬作为主要的形成碳化物的金属，只要碳化物足够大，就可以获得具有同样良好耐磨性的、用于例如阀座应用的粉末。

发明概要

因此，本发的目的是提供廉价的、用于制造具有高耐磨性的粉末冶金产品的铁基粉末。

根据本发明，上述目的以及根据下面的讨论明显看出的其它目的是通过经退火的预合金水雾化铁基粉末实现的，所述铁基粉末包含15至30重量％的Cr，Mo、W和V中的至少一种(每种各为0.5至5重量％)，和0.5至2％、优选0.7至2％、最优选1至2重量％的C，其中所述铁基粉末具有含小于10重量％的Cr的基质，并且其中所述铁基粉末含有大的铬碳化物。

虽然已发现15至30重量％的铬含量产生了足量的、具有适当类型、尺寸和硬度的碳化物，但发现18重量％或更高的铬含量强化了这种效果，并产生了特别大量的、具有适当类型、尺寸和硬度的碳化物。因此，在一些实施方案中，经退火的预合金水雾化铁基粉末含有18至30重量％的Cr。

在一些实施方案中，经退火的预合金水雾化铁基粉末含有15至30重量％的Cr、0.5至5重量％的Mo和1至2重量％的C。

根据本发明，通过制造铁基粉末的方法可以获得实现了上述目的的所述新型粉末，所述方法包括对铁基熔体进行水雾化，以获得铁基粉末颗粒，所述铁基熔体包含15至30重量％的Cr，Mo、W和V中的至少一种(每种各为0.5至5重量％)，和0.5至2％、优选0.7至2％、最优选1至2重量％的C，和将粉末颗粒在一定温度下退火一段时间，退火温度和时间足以获得在所述颗粒中的大的碳化物。

在优选的实施方案中，发现900至1000℃的温度和15至72小时的退火时间足以获得在所述颗粒中的所需碳化物。

在一些实施方案中，所述铁基熔体包含18至30重量％的Cr。

在一些实施方案中，所述铁基熔体包含15至30重量％的Cr、0.5至5重量％的Mo和1至2重量％的C。

附图简述

图1为A3基测试材料的微结构。

图2为M3/2基测试材料的微结构。

优选实施方案的具体描述

本发明的预合金粉末包含15至30％、优选18至25重量％的铬，钼、钨和钒中的至少一种(每种为0.5至5重量％)，和0.5至2％、优选0.7至2％、最优选1至2重量％的碳，余量为铁、任选的其它合金元素以及不可避免的杂质。

预合金粉末可任选地包含其它合金元素，例如最高达3重量％的钨、最高达3重量％的钒、最高达2重量％的硅。还可任选地包括其它合金元素或添加剂。在一个实施方案中，预合金粉末含最多达2重量％的硅。

应特别注意，在本发明的粉末中不需要昂贵的形成碳化物的金属铌和钛。

所述预合金粉末优选具有40至100μm、优选80μm的平均粒度。

在优选实施方案中，所述预合金粉末由20至25重量％的Cr、1至2重量％的Mo、1至2重量％的W、0.5至1.5重量％的V、0.2至1重量％的Si、1至2重量％的C和余量的铁组成，或由20至25重量％的Cr、2至4重量％的Mo、1至2重量％的C和余量的铁组成。

在其它优选实施方案中，预合金粉末由19至23重量％的Cr、1至2重量％的Mo、1.5至3.5重量％的W、0.5至1.5重量％的V、0.2至1重量％的Si、1至2重量％的C和余量的铁组成，或由20至25重量％的Cr、2至4重量％的Mo、1至2重量％的C和余量的铁组成。

本发明粉末的碳化物优选具有8至45μm、更优选8至30μm的平均粒度，并优选构成全部粉末的20至40体积％。

由于碳化物具有不规则形状，“粒度”是指在显微镜中测量的最长延伸。

虽然其它类型的大碳化物也是合适的，但在一些实施方案中，本发明粉末的大碳化物是M₂₃C₆型(M＝Cr、Fe、Mo、W)，即除了作为主要的形成碳化物的元素铬以外，还可以存在Fe、Mo、W中的一种或多种。所述大的碳化物还可以包含少量的上述形成碳化物的元素以外的元素。

为了获得这些大的碳化物，对预合金粉末进行延长的退火，优选在真空下进行退火。退火优选在900至1100℃、最优选在大约1000℃进行，在该温度下，预合金粉末的铬与碳反应形成铬碳化物。

在退火过程中，新的碳化物形成并生长，并且现有碳化物通过铬和碳之间的反应继续生长。退火优选持续15至72小时，更优选超过48小时，以获得期望尺寸的碳化物。退火持续时间越长，碳化物粒子长得越大。然而，退火消耗大量能量，并且如果其持续长时间也可能成为生产流程的瓶颈。因此，虽然碳化物平均粒度在20至30μm之间可能是最理想的，但是从经济的角度出发，当碳化物平均粒度约为10μm时，就可以较早地终止退火。

自退火温度进行非常缓慢的冷却，优选超过12小时。缓慢冷却使得碳化物进一步生长，因为较大量的碳化物在较低温度时是热力学稳定的。缓慢冷却还可以保证基质变成铁素体，这对于粉末的可压缩性非常重要。

除了碳化物生长以外，将粉末退火还有其它优点。

在退火过程中，基质颗粒生长，并且粉末颗粒的由于水雾化而产生的初应力被释放。这些因素使得粉末硬度较小且易于压实，即使得粉末具有较高的可压缩性。

在退火过程中，可以调整粉末中的碳和氧的含量。通常希望保持低的氧含量。在退火过程中，碳和氧反应生成气态碳氧化物，这减少了粉末中氧的含量。如果预合金粉末本身中没有足够的碳，为了形成碳化物和降低氧含量，可以为退火过程提供石墨粉形式的额外的碳。

由于在退火过程中预合金粉末中的许多铬从基质迁移到碳化物中，所获退火粉末的基质中溶解的铬的含量低于基质的10重量％，优选低于9重量％，最优选低于8重量％，因此粉末不是不锈的。

设计粉末的基质组成，使得在烧结过程中铁素体转变为奥氏体。这样，在烧结后的冷却过程中奥氏体可以转变为马氏体。马氏体基质中的大的碳化物将给压制和烧结的部件带来优异的耐磨性能。

虽然本发明粉末碳化物的主要部分是铬碳化物，但是通过预合金粉末中的其它形成碳化物的化合物，例如上述钼、钨和钒，也可能形成一些碳化物。

在压实和烧结以制造具有高耐磨性的产品之前，可将本发明的退火粉末与其它粉末成分混合，例如其它铁基粉末、石墨、蒸发式润滑剂、固体润滑剂、机械加工性增强剂等等。例如，可将本发明粉末与纯铁粉和石墨粉混合，或与不锈钢粉末混合。可以添加有利于压实并然后在在烧结过程中蒸发的润滑剂，例如蜡、硬脂酸酯/盐、金属皂等，以及减小在使用烧结产物时的摩擦力并还可增强其机械加工性的固体润滑剂，例如MnS、CaF₂、MoS₂。还可以添加其它机械加工性增强剂和粉末冶金领域的其它常规添加剂。

实施例1

将含21.5重量％的Cr、1.5重量％的Mo、1.5重量％的W、1重量％的V、0.5重量％的Si、1.5重量％的C和余量Fe的熔体水雾化，形成预合金粉末。然后将所获粉末在1000℃真空退火约48小时，总退火时间约60小时，之后粉末颗粒在铁素体基质中包含约30体积％的平均粒度大约10μm的铬碳化物。

实施例2

将含21.5重量％的Cr、3重量％的Mo、1.5重量％的C和余量Fe的熔体水雾化，形成预合金粉末。然后将所获粉末在1000℃真空退火约48小时，总退火时间约60小时，之后粉末颗粒在铁素体基质中包含约30体积％的平均粒度大约10μm的铬碳化物。

实施例3

将含21.0重量％的Cr、1.5重量％的Mo、2.5重量％的W、1重量％的V、0.5重量％的Si、1.6重量％的C和余量Fe的熔体水雾化，形成预合金粉末。然后将所获粉末在1000℃真空退火约48小时，总退火时间约60小时，之后粉末颗粒在铁素体基质中包含约30体积％的平均粒度大约10μm的铬碳化物。

将所获粉末(下文称为A3)与0.5重量％的石墨和0.75重量％的蒸发式润滑剂混合。在700MPa的压力将该混合物压成测试棒。在90N₂/10H₂的气氛中在1120℃的温度将所获样品烧结。烧结后，在液氮中对样品进行低温冷却，然后在550℃回火。

制备基于已知HSS粉末M3/2的类似混合物，并使用与上述相同的方法制造测试棒。

根据Vickers法测定测试棒的硬度。在三个不同温度(300/400/500℃)测试热硬度。结果概括在下表中。

A3测试材料的微结构(见图1)包括许多在马氏体基质中的大碳化物，而对比材料的微结构(见图2)则在马氏体基质中有相当多较小的碳化物。

A3材料的孔隙率稍高于M3/2材料，这说明了为什么A3的硬度值(HV5)低于M3/2材料但这两种材料的微硬度值(HV0.025)却几乎一样。在制备PM VSI部件时，多孔性常被烧结过程中的铜渗透所消除，因此这些影响可以忽略。考虑到这一点，A3材料的硬度值与对比材料M3/2的相当，这充分表明这些材料应当具有相当的耐磨性。特别地，在升高的温度下保持硬度对于VSI应用中的耐磨性非常重要。热硬度测试显示A3材料符合这些要求。

实施例4

处理这些粉末，将其与0.5重量％的石墨和0.75重量％的蒸发式润滑剂混合，以与实施例3中相同的方法制造测试棒，所得微结构非常类似于图1所示。

Claims

1.一种经退火的预合金水雾化铁基粉末，包含：

15至30重量％的Cr；

Mo、W和V中的至少一种，每种各为0.5至5重量％；和

0.5至2％、优选0.7至2％、最优选1至2重量％的C；

其中所述铁基粉末具有含少于10重量％Cr的基质，并且其中所述铁基粉末包含大的铬碳化物。

2.根据权利要求1的铁基粉末，包含18至25重量％的Cr。

3.根据权利要求1的铁基粉末，包含：

15至30重量％的Cr；

0.5至5重量％的Mo；和

1至2重量％的C。

4.根据权利要求1至3任一项的铁基粉末，包含平均粒度为8至45μm的碳化物。

5.根据权利要求1至3任一项的铁基粉末，包含平均粒度为8至30μm的碳化物。

6.根据权利要求1至5任一项的铁基粉末，包含20至40体积％的碳化物。

7.根据权利要求1至6任一项的铁基粉末，其中所述基质不是不锈的。

8.根据权利要求1至7任一项的铁基粉末，其中所述粉末进一步包含0至3％W、0至3％V和0至2％Si。

9.根据权利要求1至7任一项的铁基粉末，其中所述粉末进一步包含0至2％Si。

10.根据权利要求1至9任一项的铁基粉末，其平均粒度为40至100μm。

11.根据权利要求1至10任一项的铁基粉末，由20至25重量％的Cr、1至2重量％的Mo、1至2重量％的W、0.5至1.5重量％的V、0.2至1重量％的Si、1至2重量％的C和余量的铁组成。

12.根据权利要求1至10任一项的铁基粉末，由19至23重量％的Cr、1至2重量％的Mo、1.5至3.5重量％的W、0.5至1.5重量％的V、0.2至1重量％的Si、1至2重量％的C和余量的铁组成。

13.根据权利要求1至11任一项的铁基粉末，由20至25重量％的Cr、2至4重量％的Mo、1至2重量％的C和余量的铁组成。

14.制造铁基粉末的方法，包括：

对铁基熔体进行水雾化，以获得铁基粉末颗粒，所述铁基熔体包含15至30重量％的Cr，每种各为0.5至5重量％的Mo、W和V中的至少一种，0.5至2％、优选0.7至2％、最优选1至2重量％的C；和

将粉末颗粒在一定温度下退火一段时间，退火温度和时间足以获得在所述颗粒中的大的碳化物。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述铁基熔体包含18至25重量％的Cr。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述铁基熔体包含：

15至30重量％的Cr；

0.5至5重量％的Mo；和

1至2重量％的C。