CN101868315A - 净形或近净形粉末冶金方法 - Google Patents

净形或近净形粉末冶金方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于生产净形或近净形产品的热等静压方法或单轴热压方法，在石墨成形装置和其所压制的金属粉末之间提供包含氮化硼的扩散过滤物。该扩散过滤物允许受控量的碳扩散进入压制部件的表面。通过喷涂以水性浆料形式方便地施涂氮化硼。为获得涂层和成形装置表面之间的附着，在施加一个或多个标准强度浆料层之前将浆料的一个或多个薄虚涂层施加到石墨成形装置的表面。在施加下一个层之前使各个涂层干燥，并且可以加热成形装置来干燥各个层。可加工长度大于2m的压制部件，由成形装置上的氮化硼涂层来适应冷却期间部件和成形装置的相对收缩。可通过试验确定涂层厚度以获得碳到压制部件表面内的受控扩散，并且选择成形装置的尺寸以适应涂层的厚度。

Description

净形或近净形粉末冶金方法
发明领域
本发明涉及净形或近净形粉末冶金方法。
本发明特别但不专门涉及在石墨成形装置(former)之间提供原子扩散过滤物(filter)，用以得到用于制造近净形粉末冶金部件的成品净形或近净形形式。
发明背景
用于生产部件和材料的已知制造方法通过热等静压来固结金属粉末。可任选地利用冷等静压来预固结金属粉末。
总而言之，将金属粉末置于腔室(containment)中并且在该腔室内施加真空，并密封该腔室。然后可以任选地通过对该腔室进行冷等静压方法(CIPing)以冷形式对其进行部分固结。然后对所含有的粉末进行热等静压(HIPing)。
HIPing处理以产生粉末的材料的固相线的大约(但并非必须)80％施加热量。该处理使金属粉末经受热机械应力，由此使金属粉末在超塑性条件下机械变形。粉末颗粒之间产生的紧密接触和移动产生作用于它们上的剪应力和压应力。作为该处理的结果，随后发生颗粒之间的原子相互作用(相互扩散)，从而除去所有先前的实际历程(practical history)，因此产生固体均质金属形式。
存在对能够产生相对于进行制造的部件为精确和/或接近精确的最终形状的某些部件的需要。这可以使用机加工至精确尺寸的石墨成形装置来进行。
我们意识到需要部分抑制或限制(过滤)碳原子从石墨到经受处理的粉末状金属中的扩散。
发明综述
根据本发明的一个方面，在热等静压方法或单轴热压方法中于石墨成形装置和待压制的金属粉末之间提供扩散过滤物。
我们优选将过滤物施加到精确机加工的成形装置。
优选地，使用氮化硼的水性悬浮液的湿法喷涂沉积来产生阻挡物/过滤物。可利用主要由涂层数目决定的涂层总厚度来控制所需的或能容许的碳扩散量。
喷涂方法的方式如下：对于一般应用采用手工喷涂，或者在高精确度要求情形中和在要求精确可重复性的应用中使用机器人。
可通过一系列试验来选择不同体积百分数的氮化硼的水性悬浮液，所述试验的目标是使喷涂构成(constitution)最优化并且能够进行精确喷涂。
优选基本上按通常方式(normally)施加氮化硼喷涂来提供多个薄多层。需要特别注意的是确保控制这些层的厚度以提供恰当的涂层总体过滤水平。
在施加氮化硼涂层的优选方法中，通过使用由喷涂施加的薄的虚涂层(ghost coat)来进行初始涂层的附着。这有助于在施加标准强度的次级涂层之前防止水性悬浮液滴落并且有助于提供涂层对碳/石墨成形装置的附着。
对于长度达2米和超过2米的大的精确部件，这种工序特别重要。
在水基载体滴落并带走氮化硼涂层从而留下无涂层的表面之前，必须加热部件以确保薄的虚涂层快速干燥。
可能需要多个虚涂层；在碳/石墨成形装置上产生高表面光洁度(surface finish)的一些情形中可能需要多达3个或更多个虚涂层。
在净形成型的情形中必须精确控制涂层的厚度以确保在固结后的成品尺寸是精确的。
控制所用的次级涂层的精确数目以基本上控制碳扩散的水平，但是成品部件的精确度也受涂层厚度影响。
优选定制碳/石墨成形装置的尺寸以适应所施加的氮化硼涂层的精确厚度/数目。该方法可涉及对扩散水平与零件的所需最终精度要求进行平衡。
在固结期间，被固结粉末的与氮化硼过滤物相邻的表面基本上通过受控制的从碳/石墨成形装置的碳扩散而得到改性。碳原子的活性在固结温度(即对于镍基合金而言为1000℃以上)高。
在许多情形中改性固结粉末的表面形态的能力是重要的，并且使得能够针对特定应用来调节表面。例如为提高抗磨损性和/或刚度并同时可以构建亚表面层以提供增加的韧性和/或抗腐蚀性。
优选调节预固结粉末的化学分析(analysis)以适应碳的扩散。镍基合金和铁合金即为这样。
可以利用表面改性来增强已构造的粉末成形零件。这可提供原位操作，该操作不需要进一步的扩散处理，并且特别是对于某些镍基合金，不需要进一步的热处理加工来获得最佳硬度。
涂层的厚度还控制/影响部件固结界面的表面光洁度。在固结期间，氮化硼的厚层对界面粉末具有高水平的顺应性(conformance)，从而所述表面将具有粉末颗粒形状的形貌。较薄涂层(具有随后较高水平的碳扩散)对碳/石墨成形装置具有较小的顺应性(conformant)并且具有与碳/石墨成形装置较接近的表面相似性。在这种情形中，如果向成形装置施加高等级的光洁度，则固结的粉末也将具有类似的表面光洁度。
当以水性悬浮液施加氮化硼时，固结之前必须对已涂覆的石墨成形装置进行充分干燥。
氮化硼将在HIPing和CIPing两者期间固结，并且当使用两者的组合时，可以从一系列试验进行尺寸预测。
这具有提高表面硬度的效果，并且特别有利，因为不需要进一步机加工来达到最终尺寸。否则硬化表面的进一步机加工将是困难的。
在石墨成形装置上使用氮化硼可起到另外且非常重要的作用。这允许粉末状金属与碳/石墨成形装置之间的不一致膨胀。当两种材料从固结温度冷却时，这在冷却循环期间特别重要。这可以例如从超过1000℃的温度开始，并且镍超级合金和某些石墨之间所典型具有的不一致膨胀可高至11×10-6/℃。这种不一致膨胀可成为主要问题。然而，氮化硼的存在能够/确实允许两种材料之间发生移动，从而防止工件受到破坏或最大损坏。
对于长部件例如线性发动机和/或泵，这种特征特别重要。在该情形中，在不采用这种技术的情况下将不可能通过该方法生产达到和大于2米的部件。特别是当固结硬材料和/或硬金属基质复合粉末时，可不进行进一步的机加工和或形状成形，因此这种技术的设立是重要的。
石墨的热膨胀系数可为4×10-6/℃至接近6×10-6/℃不等，这是显著的差异，但是不如可用于这种方法的不同类型粉末状金属之间的潜在差异(可以为15×10-6/℃至9×10-6/℃不等)显著。可清楚地看出，在冷却时需要非常仔细以适应成形装置和固结粉末之间的CTE差异。
根据本发明的实施例
(A)在用于生产PM镍基合金(含有例如Cr、Fe、B、Si、C)的净形/近净形型材的石墨成形物的情形中，5个BN薄水性层(每层1μm至2μm)起到令人满意的作用。这允许受控量的碳扩散进入Ni合金至100μm-500μm的深度。这略微增加该100μm区域内的析出CrC的尺寸，从而将宏观硬度从正常的55Rc提高到约57Rc。硬度的这种略微提高增加了固结材料的抗磨损性并同时限制脆性行为。施加1μm至250μm和超过250μm的多个层构成的涂层来控制和调节固结材料的表面形态和性能。
此外在本发明的这种具体应用中，BN层还充当允许在HIPing后移去石墨成形装置的脱膜剂。此处净形零件的表面光洁度是重要的。因此另外重要的是确保均匀且精确地沉积BN层。
(B)可以生产用于高性能汽车工业的薄壳净形靠模孔壁。要求以高品质的钢铁合金(ferrous steel alloy)制造这些部件，并且在本发明的这种具体应用中，重要的是控制碳扩散进入周围钢零件的水平并保持其尽可能地低。然而在这种情形中精确度不是非常重要，材料的品质和后续性能非常重要。在该应用中施加BN扩散阻挡层至一定厚度，选择该厚度以便将碳到钢内的扩散降低到可忽略的水平。
(C)用于表面处理的合适合金的选择
适合于通过碳扩散进行表面改性的典型材料是含有Si、B、Fe、Cr和C的镍基合金，在这种情况中通过在HIPing处理期间另外碳的扩散来增加合金的碳含量。可能需要调节规定的碳和/或铬含量以优化材料的后加工性能。
已发现有益的是使碳到许多镍基材料和铁基材料中的扩散谐调，但为渗碳而特定设计的合金钢特别适用于这种应用。
镍基合金典型地为：
C 1.0、Cr 15、Si 4.0、B 3.5、Fe 4.5、Ni余量，以重量％计。
铁合金典型地为：
C 0.13、Si 0.20、Mn 0.50、P 0.020、S 0.020、Mo 0.18、Ni 3.40，以重量％计。
此外可以编制特定材料组成以便为特殊要求而优化加工潜力。
碳扩散进入其它合金钢并然后进行适当的热处理，这可以有益于提高部件的刚度和表面性能，尽管通常不以这样的方式处理该材料。
在所有情形中可调节HIPing峰值温度的持续时间以优化碳扩散的深度；条件是时间的增加不会对固结材料的总体形貌产生有害影响。例如增加的晶粒生长和/或不合需要地影响析出物的体积分数或尺寸。

Claims (15)

1.一种用于生产净形或近净形产品的热等静压方法或单轴热压方法，其中在石墨成形装置和其所压制的金属粉末之间提供包含氮化硼的扩散过滤物。
2.如权利要求1中所述的方法，其中对扩散过滤物进行配置以允许受控量的碳扩散进入压制部件的表面。
3.如权利要求1或2中所述的方法，其中在将金属粉末设置成靠近成形装置之前，将包含氮化硼的涂层材料的一个或多个层施加到石墨成形装置的表面。
4.如权利要求3中所述的方法，其中通过将涂层材料的浆料施加到石墨成形装置的表面而将所述一个或多个层施加到该表面。
5.如权利要求4中所述的方法，其中所述浆料为水性浆料。
6.如权利要求4或权利要求5中所述的方法，其中通过喷涂来施加所述浆料。
7.如权利要求4至6中任一项所述的方法，其中在施加一个或多个标准强度的浆料层之前，向石墨成形装置的表面施加一个或多个薄的浆料虚涂层。
8.如权利要求7中所述的方法，其中在施加下一个层之前使各个涂层干燥/将其干燥。
9.如权利要求8中所述的方法，其中加热成形装置以干燥所述层中的至少一个层。
10.如权利要求4或者权利要求4-9中任一项所述的方法，其中金属粉末为PM镍基合金，并且其中所述一个或多个层在干态时的厚度为1μm至2μm。
11.前述权利要求中任一项所述的方法，其用于生产长度大于2m的压制部件，通过成形装置上的氮化硼涂层来适应在部件冷却期间部件和成形装置的相对收缩。
12.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述合金具有以下组成：
C 1.0，Cr 15，Si 4.0，B 3.5，Fe 4.5，Ni余量。
13.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其中所述合金具有以下组成：
C 0.13，Si 0.20，Mn 0.50，P 0.020，S 0.020，Mo 0.18，Ni 3.40。
14.一种用于热等静压方法或单轴热压方法的石墨成形装置，该成形装置在其表面上提供有涂层，在使用该成形装置中该成形装置压制金属粉末，所述涂层包含氮化硼以充当扩散过滤物，通过试验确定涂层厚度以实现碳到压制部件表面内的受控扩散。
15.通过如权利要求1至10中任一项的方法生产的部件，其中在压制期间部件表面纳入了从石墨成形装置扩散进入表面中的受控量的碳，通过成形装置上碳含量如何随氮化硼涂层厚度变化的试验，并且通过根据所需涂层厚度和所需的压制部件最终尺寸选择未涂覆的成形装置的尺寸，来确定成品部件表面的碳含量。
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