CN101680063A - 铁基粉末及其组合物 - Google Patents

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Abstract

水雾化铁基粉末，其与0.75至1.1重量％的Ni、0.75至1.1重量％的Mo和最多0.45重量％Mn预合金化，进一步包括0.5至3.0重量％、优选0.5至2.5重量％、最优选0.5至2.0重量％的Cu和不可避免的杂质，余量为Fe。

Description

铁基粉末及其组合物
技术领域
本发明涉及合金化铁基粉末以及包含该合金化铁基粉末、石墨、润滑剂和其它添加剂的合金化铁基粉末组合物。该组合物被设计用于成本有效地制造具有良好机械性质的压制和烧结部件。
背景技术
在工业中，通过压实和烧结金属粉末组合物而制成的金属产品的应用越来越普及。制造出了许多不同的具有各种形状和厚度的产品，并在要求降低成本的同时，品质要求不断提高。用于汽车市场的P/M部件尤为如此，它是P/M工业的重要市场。在P/M工业中，合金元素，例如Mo、Ni和Cu，常用于改进压制和烧结部件的性能。但是，这些合金元素较昂贵，因此，如果可以将这些合金元素的含量保持尽可能低，同时维持该压制和烧结部件的充足性能，则是合意的。
为了实现压制和烧结部件的高强度，该材料的可淬硬性是基本的。使P/M部件硬化的成本有效的方式是所谓的烧结硬化法，其中在烧结后直接在冷却步骤中使该部件硬化。通过仔细选择合金元素和元素含量，可以在传统烧结炉中常用的冷却速率下实现烧结硬化。
在制造压制和烧结部件时，另一重要因素是不同烧结零件之间的尺寸差异，以避免烧结后的昂贵机械加工，这种差异应该尽可能小。此外，合意的是，生坯阶段(即压制后)的部件与已烧结后的部件之间的尺寸变化低，且碳含量变化对尺寸变化的影响尽可能低，以避免引入应力和部件的可能变形，因为这也会导致昂贵的机械加工。这对具有高硬度和强度的材料而言尤其重要，因为随着硬度和强度提高，机械加工成本提高。
另一重要因素是来自汽车工业的废料在要雾化的熔体制备中再循环的可能性，这具有大的环境影响。在这方面，该合金化铁基粉末中接受高达0.3％Mn含量的可能性是关键的，因为这样的Mn含量在再循环的钢废料中是常见的。
与Ni、Mo和Cu形成合金的铁基粉末广泛用作合金元素，并可从各种专利申请中获知。例如，授予Semel的美国专利6,068,813揭示了包含与含铜粉末和含镍粉末混合的、具有0.10至2.0重量％钼含量的预合金化的铁和钼粉的粉末组合物，其中含铜粉末和含镍粉末借助粘合剂结合到铁-钼粉上。该粉末组合物含有0.5至4.0重量％铜和0.5至8.0重量％镍。实施例中所用的铁基粉末具有0.56重量％的Mo含量、1.75％或4.00重量％的Ni含量和1.5重量％的Cu含量。
关于可以与Cu粉混合的含Ni、Mo和Mn的预合金化粉末的专利文献的另一实例是授予Mocarski的美国专利4,069,044。该专利公开了制造粉末的方法，该粉末适用于制造粉末锻造制品。该专利报道了含有0.4至0.65％Mo和Ni的优选组合物的锻造部件的试验结果。该专利还提到含有与石墨和Cu粉末或含Cu粉末混合的含0.2至1.0％Ni、0.2至0.8％Mo和0.25至0.6％Mn的预合金化铁基粉末的变体，由此产生要被压实、合适地在2250至2350°F烧结并热锻造的含有0.2至2.1％Cu的组合物。但是，没有显示高于0.60重量％的Ni含量的试验结果，也没有显示高于0.65重量％的Mo含量的试验结果。
对烧结硬化用途而言，存在多种市售粉末，例如可获自HoeganaesCorp.，NJ，US的Ancorsteel 737SH，和可获自Quebec Metal Powders，Canada的Atomet 4701。所提到的铁基粉末与Mo、Ni和Mn形成合金，且ATOMET 4701还另外与Cr形成合金。Ancorsteel 737SH是化学组成为0.42％Mn、1.25％Mo、1.40％Ni的预合金化钢粉。Atomet 4701的化学组成为0.45％Mn、1.00％Mo、0.9％Ni和0.45％Cr。
发明目的
本发明的目的是提供具有低的Mo、Ni和Cu含量的新型铁基粉末和/或其粉末组合物。
本发明的进一步目的是：
-提供适用于制造压实和烧结硬化部件的新型铁基粉末和/或其粉末组合物，
-提供适用于制造在生坯阶段和烧结阶段之间具有低的尺寸变化的烧结产品的新型铁基粉末和/或其粉末组合物，
-提供新型铁基粉末和/或其粉末组合物，其中碳含量变化对尺寸变化的影响尽可能低，
-提供新型铁基粉末和/或其粉末组合物，该铁基合金粉末包含最多0.45重量％的Mn，以使该铁基合金化粉末可由便宜的废料制成。
发明概要
通过提供与0.75至1.1wt％(重量％)Mo、优选多于0.8重量％Mo、0.75至1.1重量％Ni、最多0.45重量％Mn和不可避免的杂质预合金化的铁基粉末，解决了至少一个上述目的和/或问题。
该铁基粉末具有最多0.25重量％的氧，优选最多0.20重量％O，最优选最多0.15重量％O。该铁基粉末还具有0.5至2.5重量％Cu，Cu以下列形式存在：1)扩散结合到预合金化的铁基粉末表面上，和/或2)借助粘合剂结合到预合金化的铁基粉末表面上，和/或3)与该铁基粉末混合。此外，其粉末组合物含有该铁基粉末、石墨、润滑剂和任选地机械加工性增强剂。
石墨含量优选为该粉末组合物的0.4至0.9重量％，更优选为0.5至0.9重量％，且润滑剂含量优选为该粉末组合物的0.05至1.0重量％。
在优选实施方案中，Cu扩散结合到所述预合金化铁基粉末的表面上。
根据本发明的一个实施方案，石墨、润滑剂和机械加工性改进剂中的至少一种结合到所述预合金化铁基粉末的表面上。
发明详述
合金化铁基粉末的制备
通过对制备成具有合金元素Ni、Mo和Mn的如上所述的组成的钢熔体施以任何已知的水雾化法，可以容易地制造本发明的合金化铁基粉末。
Mo的量
Mo用于通过改进可淬硬性以及通过溶体和沉淀硬化来提高钢的强度。已经发现，为确保在正常冷却速率下形成足量马氏体，Mo的量应该为0.75至1.1重量％。但是，Mo的含量优选大于0.8重量％，更优选大于0.85重量％，以确保在正常冷却速率下形成足量马氏体。
Ni的量
将Ni添加到P/M钢中的目的是提高强度和延性。Ni的添加还提高钢的可淬硬性。添加少于0.75重量％的Ni对机械性质的影响不足，而高于1.1重量％的添加量不会进一步改进钢的预期用途。
Mn的量
Mn通过改进可淬硬性和通过溶体硬化来提高钢的强度。但是，如果Mn的量变高，铁氧体硬度会通过溶体硬化而提高，导致该粉末的可压性较低。可接受最多0.45重量％的量，因为可压性的降低几乎可忽略不计，Mn的量优选低于0.35重量％。如果Mn的量低于0.08％，则不可以使用通常具有高于0.08％Mn含量的廉价再循环材料，除非在制钢过程中进行减少Mn的特殊处理。因此，根据本发明，Mn的优选量为0.09至0.45％。
C量
合金化铁基粉末中C不多于0.02重量％、优选不多于0.01重量％的原因在于，C是通过间隙固溶体硬化来使铁氧体基质硬化的元素。如果C含量超过0.02重量％，该粉末显著硬化，造成太差的可压性。
O量
O的量不应超过0.25重量％，O含量优选限于0.2重量％，最优选限于0.15重量％。
不可避免的杂质
该合金化铁基粉末中不可避免的杂质总量应总共不超过0.5重量％。
Cu的量
在P/M工业中通常使用微粒状Cu，因为铜粒子在达到烧结温度之前熔融，由此提高扩散速率并通过润湿而制造烧结颈。Cu的添加也提高了部件的强度。优选地，铜结合到铁基粉末上，以避免成分分离，这种分离可能造成铜的不均匀分布和部件中的性质变动。但也可以将Cu与铁基粉末混合。可以使用使Cu粒子或氧化铜粒子扩散退火结合到铁基粉末上的任何已知方法，以及通过有机粘合剂将Cu粒子粘合到铁基粉末上。Cu量应为0.5至3.0重量％，优选0.5至2.5重量％，更优选0.5至2.0重量％。
石墨
通常将石墨添加到P/M组合物中以改进机械性质。石墨也充当还原剂，这可降低烧结体中氧化物的量，从而进一步改进机械性质。烧结产品中C的量取决于添加到所述合金化铁基粉末组合物中的石墨粉末的量。为了实现烧结部件的充足性能，石墨量应为该组合物的0.4至0.9重量％，优选0.5至0.9重量％。
润滑剂
也可以将润滑剂添加到要压实的合金化铁基粉末中。在环境温度使用的润滑剂的代表性实例是
Figure G2008800200284D00051
亚乙基-双硬脂酰胺(EBS)、金属硬脂酸盐，例如硬脂酸锌，脂肪酸衍生物，例如油酰胺、硬脂酸甘油酯和聚乙烯蜡。
在升高的温度下使用的润滑剂(高温润滑剂)的代表性实例是聚酰胺、酰胺低聚物、聚酯。润滑剂的添加量通常最多为组合物的1重量％。
其它添加剂
任选根据本发明使用的其它添加剂包括硬相材料、机械加工性改进剂和流动增强剂。
压实和烧结
压实可以在单轴压制操作中、在环境温度或升高的温度、在最高达2000MPa的压力进行，但压力通常在400至800MPa之间。
在压实后，在大约1000℃至大约1400℃的温度进行所得部件的烧结。在1050℃至1200℃温度范围内的烧结实现了高性能部件的成本有效的制造。
通过下列非限制性实施例进一步例证本发明。
实施例
此实施例表明，对于由本发明的P/M组合物制成的部件，可以获得与具有较高合金元素Cu、Ni和Mo含量的材料相同水平的高拉伸强度。
通过对钢熔体施以水雾化，制造具有0.9重量％Mo、0.9重量％Ni和0.25重量％Mn的含量的合金化铁基粉末。在实验室炉中在潮湿氢气氛中，在960℃进行粗制水雾化粉末的退火。此外，向经退火的粉末中加入不同量的氧化亚铜，产生分别具有1％、2％和3重量％扩散结合的铜含量的粉末。扩散结合或退火是在实验室炉中在干燥氢气氛中在830℃进行的。将经退火的粉末压碎，研磨和筛分，所得粉末具有95％的小于大约180微米的粒子。
第一参照组合物，组合物10，基于与2重量％铜粉和0.75％石墨混合的、可获自Hoeganaes Corp.NJ，US的铁基粉末Ancorsteel 737。
另外三个参照组合物，组合物11至13，基于与2％铜粉和分别为0.65％、0.75％和0.85％的石墨混合的、具有0.6％M0、0.45％Ni和0.3％Mn含量的预合金化的铁基粉末。
通过添加不同量的石墨和0.8重量％的EBS润滑剂，制备本发明的粉末组合物和参照材料。表1显示了不同的组合物。
表1：受试组合物
组合物号   Mo含量，粉末的重量％   Ni含量，粉末的重量％   Mn含量，粉末的重量％   Cu含量，粉末的重量％ 石墨，组合物的重量％
  1   0.9   0.9   0.25   1 0.65
  2   0.9   0.9   0.25   1 0.75
  3   0.9   0.9   0.25   1 0.85
  4   0.9   0.9   0.25   2 0.65
5 0.9 0.9 0.25 2 0.75
  6   0.9   0.9   0.25   2 0.85
  7   0.9   0.9   0.25   3 0.65
  8   0.9   0.9   0.25   3 0.75
  9   0.9   0.9   0.25   3 0.85
  10[参照]Ancorsteel 737 1.25 1.40 0.42 2.1(混合的) 0.75
  11[参照]   0.6   0.45   0.30   2 0.65
  12[参照]   0.6   0.45   0.30   2 0.75
  13[参照]   0.6   0.45   0.30   2 0.85
通过在600MPa压实压力将组合物压实，制造根据SS-EN 10002-1的拉伸试棒。样品在实验室带式炉中在90％N2/10％H2气氛中、在1120℃烧结温度下烧结30分钟。
为了研究冷却速率的影响，将一半数量的样品在烧结后以2℃/秒的冷却速率强制冷却，然后在200℃下回火60分钟，而另一半经受约0.8℃/秒的正常冷却速率。表2显示了与正常冷却速率对应的结果，表3显示了与强制冷却速率对应的结果。
结果
根据SS-EN 10002-1测量压实和烧结样品之间的尺寸变化以及拉伸强度，并根据EN IS06507-1测量在10克载荷下的显微维氏硬度。
表2：来自经受正常冷却速率的样品的尺寸变化测量、拉伸试验和硬度试验的结果
组合物号   C含量(重量％)   O含量(重量％)   尺寸变化(％)   拉伸强度(MPa)   硬度HV10
  1(1重量％Cu)   0.65   0.011   -0.18   661   196
  2，“   0.73   0.012   -0.17   655   199
  3，“   0.83   0.011   -0.16   694   227
  4(2重量％Cu)   0.59   0.009   0.01   836   264
  5，“   0.71   0.010   0.00   778   319
  6，“   0.78   0.011   -0.02   631   395
  7(3重量％Cu)   0.65   0.012   0.27   860   351
  8，“   0.71   0.011   0.21   696   356
  9，“   0.83   0.012   0.11   625   367
  10[参考]   0.71   0.014   0.12   723   411
  11[参考]   0.64   0.009   0.31   732   291
  12[参考]   0.72   0.010   0.32   739   332
  13[参考]   0.80   0.011   0.32   711   339
表3：来自经受强制冷却(烧结硬化)速率的样品的尺寸变化测量、拉伸试验和硬度试验的结果
组合物号   C含量(重量％)   O含量(重量％)   尺寸变化(％)   拉伸强度(MPa)   硬度，HV10
  1(1重量％Cu)   0.64   0.031   -0.06   1061   389
  2，“   0.75   0.034   -0.05   1040   406
  3，“   0.82   0.029   -0.08   998   400
  4(2重量％Cu)   0.65   0.033   0.11   1109   372
  5，“   0.76   0.034   0.07   1036   386
  6，“   0.83   0.029   0.03   953   388
  7(3重量％Cu)   0.63   0.030   0.33   1019   355
  8，“   0.75   0.030   0.21   993   372
  9，“   0.83   0.029   0.08   954   375
  10[参考]   0.74   0.032   0.14   980   394
  11[参考]   0.64   0.025   0.32   789   329
  12[参考]   0.73   0.024   0.32   801   359
  13[参考]   0.82   0.027   0.33   794   370
表2和3表明，对由组合物1至9制成的样品而言，烧结硬化样品和在正常冷却速率下冷却的样品的拉伸强度和硬度值都达到了与由具有较高的昂贵合金元素(例如Ni和Mo)含量的参照组合物10制成的样品相同的水平。
关于Cu含量(由于铜的高价格，其也需要保持尽可能低)，可以看出，具有3重量％Cu含量的组合物7至9的尺寸变化(在量和由碳含量变化引起的差异方面)远高于具有1重量％Cu含量的组合物1至3以及具有2重量％Cu含量的组合物4至6。因此，根据本发明，铜含量应优选为最多3重量％，更优选最多2.5重量％，更优选最多2.0重量％。
关于组合物1至3，正常冷却速率下的尺寸变化的量高于参照组合物10，但由碳含量引起的差异非常低，因此这些结果也相当好。但是，在强制冷却速率下，尺寸变化的量以及其差异都低。
关于组合物4至6，正常冷却速率下的尺寸变化的量几乎为0，由碳含量引起的差异也非常低。在强制冷却速率下，尺寸变化的量略高，但仍低于参照组合物10。差异也略高，但由于量相当低，这不是重要问题。
关于参照组合物11、12和13，可以看出，获得较低的拉伸强度，尤其是对经受强制冷却的样品而言。此外，与本发明的组合物相比，尺寸变化相当高。
尺寸变化
压实和烧结样品之间的尺寸变化应低于±0.35％，优选低于±0.3％，更优选低于0.2％。
拉伸强度
在经受快速冷却和回火时，拉伸强度优选应高于900MPa，更优选高于920MPa。

Claims (17)

1.与Ni和Mo预合金化的水雾化铁基粉末，按重量％计，含量为：
0.75至1.1的Ni，
0.75至1.1的Mo和
Mn＜0.45，
该铁基粉末进一步包含0.5至3.0重量％、优选0.5至2.5重量％、最优选0.5至2.0重量％的Cu和不可避免的杂质，余量为Fe。
2.根据权利要求1的水雾化铁基粉末，其中Mo含量大于0.8重量％，优选大于0.85重量％。
3.根据权利要求1或2的水雾化铁基粉末，其中Mn含量小于0.35重量％。
4.根据权利要求1至3任一项的水雾化铁基粉末，其中至少一部分或全部量的Cu扩散结合到所述与Ni合金化和Mo合金化的Fe粉表面上。
5.根据权利要求4的水雾化铁基粉末，其中所有Cu扩散结合到所述与Ni合金化和Mo合金化的Fe粉表面上。
6.根据权利要求1至4任一项的水雾化铁基粉末，其中Cu全部量中的至少一部分借助粘合剂结合到所述与Ni合金化和Mo合金化的Fe粉表面上。
7.根据权利要求6的水雾化铁基粉末，其中所有Cu借助粘合剂结合到所述与Ni合金化和Mo合金化的Fe粉表面上。
8.根据权利要求1至4或6任一项的水雾化铁基粉末，其中至少一部分或全部量的Cu与所述与Ni合金化和Mo合金化的Fe粉混合。
9.根据权利要求8的水雾化铁基粉末，其中所有Cu与所述与Ni合金化和Mo合金化的Fe粉混合。
10.根据权利要求1至9任一项的水雾化铁基粉末，其中所述与Ni合金化和Mo合金化的Fe粉中的C含量为最多0.02重量％。
11.根据权利要求1至10任一项的水雾化铁基粉末，其中所述与Ni合金化和Mo合金化的Fe粉中的O含量为最多0.25重量％，优选最多0.2重量％，更优选最多0.15重量％。
12.合金化铁基粉末组合物，包含：
根据权利要求1至11任一项的水雾化铁基粉末，
0.4至0.9重量％、优选0.5至0.9重量％的量的石墨，
润滑剂，和
任选地，其它添加剂。
13.合金化铁基粉末组合物，含有：
根据权利要求1的水雾化铁基粉末，
0.4至0.9重量％、优选0.5至0.9重量％的量的石墨，
润滑剂，和
任选地，其它添加剂，
其中石墨、润滑剂和任选地其它成分中的至少一种结合到与Ni合金化和Mo合金化的Fe粉表面上。
14.制造部件的方法，包括：
a.提供根据权利要求12或13的粉末冶金组合物，
b.将该粉末冶金组合物压实；和
c.在还原性或中性气氛中，在大气压或更低压力，和在高于1000℃的温度，烧结所述压实的粉末冶金组合物。
15.根据权利要求14的方法，其中在b)中压实压力为最多2000MPa，压实压力优选为400至800MPa。
16.根据权利要求14或15的方法，其中在c)中烧结温度为1000℃至1400℃，优选为1050℃至1200℃。
17.烧结部件，由根据权利要求11或12的合金化铁基粉末组合物制成。
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