CN102325915A - 制造扩散合金化的铁或铁基粉末的方法、扩散合金化粉末、包括该扩散合金化粉末的组合物以及由该组合物制成的压实和烧结的部件 - Google Patents

制造扩散合金化的铁或铁基粉末的方法、扩散合金化粉末、包括该扩散合金化粉末的组合物以及由该组合物制成的压实和烧结的部件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及制造扩散合金化粉末的方法，该扩散合金化粉末由铁或铁基芯粉构成，该铁或铁基芯粉具有结合到该芯粒表面上的含Cu和Ni的成合金粉末的粒子，所述方法包括：提供能够形成含Cu和Ni的合金的粒子的整体成合金粉末，将该整体成合金粉末与芯粉混合，和在500-1000℃的温度在非氧化或在还原气氛中将该混合粉末加热10-120分钟的时间以将所述成合金粉末转化成含Cu和Ni的合金，从而使Cu和Ni合金的粒子扩散结合到铁或铁基芯粉的表面上。所述成合金粉末可以是Cu和Ni合金、在加热时形成Cu和Ni合金的氧化物、碳酸盐或其它合适的化合物。优选地，Cu和Ni总含量为最多20重量％，Cu和Ni成合金粉末的粒度分布使得D50小于15微米，且Cu/Ni的重量百分数比率为9/1至3/1。由本发明的扩散合金化铁基粉末制成的压实和烧结部件表现出最低的部件间尺寸变化差异。

Description

制造扩散合金化的铁或铁基粉末的方法、扩散合金化粉末、包括该扩散合金化粉末的组合物以及由该组合物制成的压实和烧结的部件
技术领域
概括而言，本发明涉及适合用于制备烧结粉末冶金部件的新型扩散合金化铁或铁基粉末、以及制造该新型粉末的方法。
更具体地，本发明涉及制造扩散合金化粉末的新方法，该扩散合金化粉末由铁或铁基芯粉构成，该铁或铁基芯粉具有结合到芯粒表面上的含铜和镍的成合金粉末的粒子。
本发明还涉及扩散合金化铁或铁基芯粉，其具有结合到芯粒表面上的成合金粉末的粒子。
本发明还涉及扩散合金化的铁或铁基粉末组合物。
本发明还涉及由所述扩散合金化的铁基粉末组合物制成的压实和烧结的部件。
背景技术
粉末冶金法优于常规技术(例如锻造或铸造)的主要优点在于，通过压制和烧结成最终形状，可以制造复杂程度不等的部件，而不需要相对受限的机械加工。因此，最重要的是，烧结过程中的尺寸变化是可预测的，且部件间的尺寸变化差异尽可能小。这在是高强度钢(它在烧结后难以机械加工)的情况下尤其重要。
因此，在烧结过程中几乎不产生尺寸变化的材料和方法是优选的，因为接近零的压实和烧结部件之间的尺寸变化固有地造成部件间尺寸变化差异降低。
为了实现足够高的机械性质值，例如拉伸强度、韧度、硬度和疲劳强度，使用了各种成合金元素和成合金体系。
常用的成合金元素是碳，其有效提高了烧结部件的强度和硬度。碳几乎始终以石墨粉形式添加并在压实前与铁基粉末混合，因为如果该元素与铁基粉末预合金，则由于碳的硬化作用，会破坏该铁基粉末的可压缩性。
另一常用元素是铜，其还改进烧结部件的可淬硬性并另外促进烧结，因为在烧结温度下形成增强扩散的液相。使用微粒铜时的问题在于，其在烧结过程中造成膨胀。
镍是因其淬硬性提高作用和因其对韧度和伸长的正面作用而常用的另一元素。镍在烧结过程中造成收缩，以微粒材料形式添加以及在预合金状态下添加到铁基粉末中。
铜和镍可以以预合金元素形式和以微粒材料形式添加。以微粒材料形式添加铜和镍的优点在于，与成合金元素预合金时相比，较软的铁基粉末的可压缩性不受影响。但是，缺点在于，在大多数情况下明显比铁基粉末细的成合金元素在该混合物中倾向于分离，从而造成烧结部件的化学组成和机械性质的变化。因此，已发明各种方法以防止分离但保持基础粉末的可压缩性。
扩散合金化是一种这样的方法：其包括将金属或氧化物状态中的细粒成合金元素与铁基粉末掺合，然后是在使成合金金属扩散到铁基粉末表面中的条件下的退火步骤。结果产生具有良好可压缩性的部分合金化的粉末，并防止成合金元素分离。但是，由于碳的高扩散速率，碳是不可能扩散合金化的元素。
例如US 5,926,686(等人)中描述的另一成熟方法利用在基础粉末与成合金元素之间产生“机械”粘合的有机粘合剂。该方法也适于粘合石墨，因此防止碳分离。
在该专利文献中已提出利用铜和/或镍的合金作用的多种扩散合金化铁基粉末。其实例可见于下述文献。
US 5567890(Lindberg等人)公开了用于制造具有小的局部尺寸变化差异的高耐受部件的铁基粉末。该粉末含有0.5-4.5重量％的Ni、0.65-2.25重量％的Mo和0.35-0.65重量％的C。在一个优选实施方案中，使Ni扩散合金到与Mo预合金的铁基粉末上，将该粉末与石墨混合。
US 2008/0089801(Larsson)描述了一种金属粉末组合，其包含铁基粉末A、铁基粉末B和铁基粉末C，铁基粉末A基本由与Mo预合金并具有扩散结合到表面上的6-15％Cu的芯粒构成，粉末B基本由与Mo预合金并具有结合到其表面上的4.5-8％Ni的芯粒构成，铁基粉末C基本由与Mo预合金的铁粉构成。所述粉末组合能够制造烧结部件，其中烧结过程中的尺寸变化与石墨添加量无关。
JP 6116601公开了一种粉末，其适合制造具有高静态和动态机械强度和烧结过程中的尺寸变化差异低的烧结部件。该粉末由铁基粉末构成，该铁基粉末具有扩散粘合到铁粒子表面上的组分0.1-2.5％Mo、0.5-5.0％Ni和0.5-3.0％Cu中的至少一种。
JP 2145702公开了一种高纯铁粉，其具有扩散结合到铁粉表面上的组分0.5-1.0％Mo粉、6-8％Ni粉和最多2％Cu粉中的至少两种。该粉末适于制造具有高机械强度的烧结体。
JP 2217401公开了通过将下述两种粉末混合而获得的铁基粉末组合物：[1]通过添加金属粉末以获得0.1-5％Ni和0.1-2％Cu的混合率并退火而制成的合金，和[2]通过向还原铁粉添加Ni-Cu合金以获得0.1-5％Ni和0.1-2％Cu的混合率并退火而制成的合金。由该粉末制成的烧结部件的尺寸变化随混合率而变。
发明概要
本发明的一个目的是提供一种制造含扩散结合的铜和镍的铁或铁基芯粉的新方法，其在被压实和烧结时表现出降低的膨胀以及在烧结过程中最低的尺寸变化离散度(这与碳含量和烧结温度的变化相关)。
碳含量和烧结温度的变化通常发生在工业生产中。因此，本发明提供显著降低这种变化的影响的方法。
此外，本发明的一个目的是提供新型扩散结合的铁或铁基芯粉，其具有结合到芯粒表面上的成合金粉末的粒子，在被压实和烧结时表现出降低的膨胀以及在烧结过程中最低的尺寸变化离散度(这与碳含量和烧结温度的变化相关)。
再另外，本发明的一个目的是提供新型扩散合金化的铁或铁基粉末组合物，其用于压实和烧结部件的粉末冶金制造，并在烧结过程中具有最低的尺寸变化。
最后，本发明的一个目的是提供压实和烧结的部件，其由所述扩散合金化的铁基粉末组合物制成，并表现出最低的部件间尺寸变化差异。
根据本发明，这些目的是如下实现的：提供能够形成含Cu和Ni的合金的粒子的整体成合金粉末(unitary alloying powder)，将该整体成合金粉末与芯粉混合，并在500-1000℃的温度在非氧化或在还原气氛中将该混合粉末加热10-120分钟的时间，以将所述成合金粉末转化成含Cu和Ni的合金，从而使Cu和Ni合金的粒子扩散结合到铁或铁基芯粉表面上。优选地，Cu和Ni的总含量低于20重量％，例如1-20重量％，优选4-16重量％。优选地，Cu含量高于4.0重量％。在一个优选实施方案中，Cu含量为5-15重量％，Ni含量为0.5-5％，例如Cu 8-12重量％和Ni 1-4.5重量％。
根据本发明的一个方面，提供了制造扩散合金化粉末的方法，所述扩散合金化粉末包含最多20重量％的铜和镍总含量，其中铜含量高于4.0重量％且铜与镍的比率为9/1至3/1，所述粉末由铁或铁基芯粉构成，该铁或铁基芯粉具有结合到芯粉粒子表面上的含铜和镍的成合金粉末的粒子，所述方法包括：提供包含铜和镍的整体成合金粉末，所述整体成合金粉末具有使D50小于15微米的粒度分布；将该整体成合金粉末与芯粉混合；和在500-1000℃的温度在非氧化或在还原气氛中将该混合粉末加热10-120分钟的时间，以通过铜和镍成合金粉末的粒子扩散结合到铁或铁基芯粉的表面上而将所述成合金粉末转化成含铜和镍的合金。
根据本发明的另一个方面，提供了扩散合金化粉末，其包含最多20重量％的铜和镍总含量，其中铜含量高于4.0重量％且铜与镍的比率为9/1至3/1，所述粉末由铁或铁基芯粉构成，该铁或铁基芯粉具有结合到所述芯粒表面上的含铜和镍的整体成合金粉末的平均粒度小于15微米的粒子。
根据本发明的另一个方面，提供了扩散合金化的铁或铁基粉末组合物，其包含本发明上述方面的扩散合金化粉末，并且还包含石墨和任选地至少一种选自由有机润滑剂、硬相材料、固体润滑剂和其它成合金物质组成的组的添加剂。
根据本发明的另一个方面，提供了由下述材料构成的铁基粉末组合物：铁或铁基粉末；本发明上述方面的扩散合金化粉末；最多1重量％的石墨；和任选地至少一种选自由有机润滑剂、硬相材料、固体润滑剂和其它成合金物质组成的组的添加剂。
术语“整体粉末(unitary powder)”在本文中是指其独立粒子既含Cu又含Ni的粉末。因此，它不是含有Cu的粉末粒子与含有Ni的其它粉末粒子的混合物，而是例如既含Cu又含Ni的合金粉末粒子，或复合粉末粒子，其中不同类型的粒子相互结合形成复合粒子，各复合粒子既含Cu又含Ni。
该成合金粉末可以是Cu和Ni合金、在加热时形成Cu和Ni合金的氧化物、碳酸盐或其它合适的化合物。该Cu和Ni成合金粉末的粒度分布使得D50小于15微米，且按重量％计的Cu/Ni比率为9/1至3/1。
现在已经出乎意料地发现，如果在既含铜又含镍的整体成合金粉末(其与铁基粉末粒子扩散合金化)中存在铜和镍，可以获得含成合金元素铜和镍的压实铁基粉末在烧结过程中的最低尺寸变化。
附图简述
下面参照优选实施方案和附图更详细地描述本发明。
图1是显示在成合金粉末的各种平均粒度D50下随Cu/Ni比率而变的压制和烧结样品的硬度HV10的图。
图2是显示在成合金粉末的各种平均粒度D50下随Cu/Ni比率而变的压制和烧结样品的拉伸强度(MPa)的图。
图3是显示在成合金粉末的各种平均粒度D50下随Cu/Ni比率而变的样品在烧结过程中的尺寸变化离散度的图。
本发明的实施方式
用于制造扩散合金化粉末的基础粉末
该基础粉末优选是纯铁基粉末，例如AHC 100.29、ASC 100.29和ABC100.30，都可获自Hóganas AB，Sweden。但是，也可以使用其它预合金的铁基粉末。
基础粉末的粒度
对基础粉末的粒度没有限制，并因此对扩散合金化铁基粉末也没有限制。但是，优选使用PM工业中常用的粉末粒度。
含铜和镍的整体成合金粉末
要粘附到铁基粉末表面上的含铜和镍的成合金物质可以是金属合金、氧化物、或碳酸盐形式，或是产生本发明的铁基粉末的任何其它形式。在所述含铜和镍的成合金物质中，铜和镍之间的关系Ni(重量％)/Cu(重量％)优选为1/3至1/9。如果Ni和Cu之间的重量比高于1/3，则对硬度和屈服强度的影响不可接受，如果该比率低于1/9，则由不同的碳含量和烧结温度造成的尺寸变化的离散度太高，根据本文所述的方法高于约0.035重量％。
含铜和镍的成合金粉末的粒度优选使得D50——意味着50重量％的粉末具有小于该D50值的粒度——优选低于15微米，更优选低于13微米，最优选低于10微米。
新型粉末的制造
将基础粉末与所述含铜和镍的成合金粉末以下述比例混合：使得所述新型粉末中铜和镍的总含量为最多20重量％，优选1％至20重量％，更优选4％至16重量％。Cu含量优选高于4.0重量％。在一个优选实施方案中，Cu含量为5-15重量％，Ni含量为0.5-5％，例如Cu 8-12重量％和Ni1-4.5重量％。
低含量，例如低于1重量％的含量被认为太低，以致无法获得烧结部件的所需机械性质。如果含铜和镍的成合金粉末的含量超过20％，则成合金粉末与基础粉末的结合不足，并提高了分离风险。
然后对该均匀混合物施以扩散退火工艺，其中在10-120分钟的时间内在最高达500-1000℃的温度在还原气氛中将该粉末加热。然后将弱烧结的饼形式的所得扩散结合粉末温和压碎。
烧结部件的制造
在压实前，将所述新型粉末与最多1重量％(取决于最终部件的预期用途)的石墨，最多2重量％、优选0.05至1重量％的有机润滑剂，和任选地其它成合金物质、硬相材料和赋予最终部件润滑性质的无机固体润滑剂混合。
所述有机润滑剂降低了各个粒子之间的粒子间摩擦，以及在压实和推出过程中磨具壁与压实粉末或推出的压实体之间的摩擦。
所述固体润滑剂可选自具有合适的润滑性质的硬脂酸盐(例如硬脂酸锌)、酰胺或双酰胺(例如亚乙基-双-硬脂酰胺)、脂肪酸(例如硬脂酸，
Figure BDA0000085087100000071
)、其它有机物质或其组合。
所述新型粉末可以用纯铁粉或铁基粉末稀释，以获得铁基粉末组合物，其中铜和镍总含量不超过所述组合物的5重量％，例如0.5重量％至4.5重量％，或1.0重量％至4.0重量％，因为高于5重量％的含量可能不能成本有效地改进所需性质。被稀释的合金中铜和镍之间的关系Ni(重量％)/Cu(重量％)优选为1/3至1/9。
将所得铁粉组合物转移到压制模具中，并在环境温度或升高的温度下在最多2000MPa、优选400-1000MPa的压制压力下压制成压实的“生”坯。
在非氧化气氛中在1000至1300℃、优选1050-1250℃的温度下进行生坯烧结。
实施例
下述实施例例证本发明。
实施例1
首先将不同的成合金粉末——氧化亚铜Cu2O、Cu2O+Ni粉末和含Cu和Ni的粉末与铁粉ASC 100.29掺混，由此制造扩散结合的铁基粉末的三个样品。
将该均匀掺混的粉末混合物在75％氢/25％氮的气氛中在800℃扩散退火60分钟。在扩散退火后，将弱烧结的粉末饼温和压碎并筛分至基本低于150微米的粒度。
表1
Figure BDA0000085087100000081
表1显示了成合金粉末的粒度D50、和Cu/Ni比以及扩散退火粉末的Cu和Ni含量。平均粒度D50是在Sympatec仪器中通过激光扩散分析的。
通过将组分均匀混合制造三种铁基粉末组合物，它们由20重量％分别为扩散退火的铁基粉末1、2和3、0.5重量％石墨C-UF4和0.8重量％Amide Wax PM以及余量的ASC100.29构成。
根据ISO 2740将这三种组合物在600MPa下由各组合物压制成七个拉伸强度样品。将各样品在90％氮/10％氢的气氛中在1120℃烧结30分钟。根据ISO 4492和EN 10002-1测量尺寸变化以及机械性质。根据ISO 4498测量硬度HV10。
表2
Figure BDA0000085087100000091
表2表明，在使用本发明的扩散退火的铁基粉末时，获得了压实和烧结部件之间的尺寸变化以及不同部件之间的尺寸变化差异的显著降低。
参照物2表明，当使用氧化亚铜和镍粉制造扩散结合粉末时，烧结过程中的膨胀降低。本发明的样品3具有与对照物2相同的铜和镍含量，但表现出更显著降低的膨胀和离散度。
实施例2
使用根据表3的具有不同铜与镍的比率以及不同粒度分布的各种类型的含铜/镍的成合金粉末作为含铜和镍的成合金粉末。作为参照，使用可获自American Chemet的氧化亚铜粉末Cu2O。在Sympatec仪器中通过激光衍射分析粒度分布。为了简化该评测，D50小于8.5微米的粉末被称作“细”，8.5微米至小于15.1微米的被称作“中等”，高于15.1的被称作“粗”。
表3
  铁基扩散退火粉末号   Cu/Ni比   D50，微米
  1(参照物)   ∞   8.8(中等)
  2   19   7.1(细)
  3   19   9.9(中等)
  4   19   15.5(粗)
  5   9   4.7(细)
  6   9   10.1(中等)
  7   9   21.1(粗)
  8   4   4.2(细)
  9   4   8.5(中等)
  10   4   15.1(粗)
  11   1   6.4(细)
作为基础粉末，使用可获自Hóganas AB的纯铁粉ASC 100.29。
将ASC 100.29与含铜和镍的成合金粉末以使得扩散结合的退火粉末中铜和镍总含量为10重量％的比例混合，由此制备具有2千克重量扩散结合粉末的各种样品。
将铁粉与氧化亚铜混合，使得扩散结合的退火粉末中铜总含量为10重量％，由此制备参照样品。
将混合粉末样品在实验室炉中在75％氢/25％氮的气氛中在800℃退火60分钟。在冷却后，将所得弱烧结的粉末饼温和研磨，并筛分至基本低于150微米的粒度。
将组分均匀混合，制造33种铁基粉末组合物，它们由20重量％扩散退火的铁基粉末1-11、分别为0.4、0.6和0.8重量％的石墨C-UF4、0.8重量％的Amide Wax PM、以及余量的ASC100.29构成。
根据实施例1将不同组合物在600MPa压制成拉伸强度样品。
将由添加了0.6％石墨的组合物制成的拉伸试验样品在90％氮/10％氢的气氛中分别在三种不同温度1090℃、1120℃和1150℃烧结30分钟，每个烧结轮次使用七个样品。将由添加了0.4％石墨的组合物制成的样品和由添加了0.8％石墨的组合物制成的样品在90％氮/10％氢的气氛中在1120℃烧结30分钟，每个烧结轮次也使用七个样品。根据实施例1中描述的程序测量尺寸变化以及机械性质，包括硬度。
下表4描述了试验系列。
表4
Figure BDA0000085087100000111
试验系列
下表5显示了烧结过程中的尺寸变化的测量结果以及烧结样品的C、Cu和Ni的分析结果。
表5
Figure BDA0000085087100000121
下表6显示了由压制和烧结的组合物制成的样品的机械测试结果，所述组合物由20重量％不同铁基扩散退火粉末、0.8重量％Amide Wax PM、0.6％石墨、以及余量ASC 100.29构成。
在90％氮/10％氢的气氛中在1120℃进行烧结30分钟。
表6
Figure BDA0000085087100000131
显示了汇编试验结果的图1和2表明，当铁基扩散退火粉末中Cu/Ni比率低于3/1(高于30％的Ni)时，硬度和拉伸强度受到的影响不可接受。
此外，图3表明当Cu/Ni比超过9/1(小于10％的Ni)时，烧结过程中尺寸变化(这与碳含量和烧结温度的变化相关)的离散度高，不可接受。
工业适用性
本发明适用于粉末冶金工艺，其中由新型粉末制成的部件表现出最低的部件间尺寸变化差异。

Claims (15)

1.制造扩散合金化粉末的方法，所述扩散合金化粉末包含最多20重量％的铜和镍总含量，其中铜含量高于4.0重量％且铜与镍的比率为9/1至3/1，所述粉末由铁或铁基芯粉构成，该铁或铁基芯粉具有结合到该芯粉粒子表面上的含铜和镍的成合金粉末的粒子，所述方法包括：
-提供包含铜和镍的整体成合金粉末，所述整体成合金粉末具有使D50小于15微米的粒度分布，
-将该整体成合金粉末与芯粉混合，和
-在500-1000℃的温度在非氧化或在还原气氛中将该混合粉末加热10-120分钟的时间，以通过铜和镍成合金粉末的粒子扩散结合到所述铁或铁基芯粉的表面上而将该成合金粉末转化成含铜和镍的合金。
2.如权利要求1中所述的方法，其中所述整体成合金粉末是基本由铜和镍构成的合金。
3.如权利要求1中所述的方法，其中所述整体成合金粉末基本是铜和镍的金属合金、氧化物、碳酸盐或其它合适的化合物。
4.如权利要求1-3任一项中所述的方法，其中铜和镍成合金粉末的粒子扩散结合到铁或铁基芯粉表面上产生了弱烧结的饼，然后将该弱烧结的饼温和压碎并筛分至基本低于150微米的粒度。
5.如权利要求1-4任一项中所述的方法，其中所述扩散合金化粉末具有5-15重量％的铜含量和0.5-5％的镍含量。
6.如权利要求1-5任一项中所述的方法，其中所述扩散合金化粉末具有4重量％至16重量％的铜和镍总含量。
7.扩散合金化粉末，其包含最多20重量％的铜和镍总含量，其中铜含量高于4.0重量％且铜与镍的比率为9/1至3/1，所述粉末由铁或铁基芯粉构成，该铁或铁基芯粉具有结合到该芯粒表面上的含铜和镍的整体成合金粉末的平均粒度小于15微米的粒子。
8.如权利要求7中所述的扩散合金化粉末，其中该扩散合金化粉末具有基本低于150微米的粒度。
9.如权利要求7-8任一项中所述的扩散合金化粉末，其中铜含量为5-15重量％且镍含量为0.5-5％。
10.扩散合金化的铁或铁基粉末组合物，其包含如权利要求7-9任一项中所述的扩散合金化粉末，并且还包含石墨和任选地至少一种选自由有机润滑剂、硬相材料、固体润滑剂和其它成合金物质组成的组的添加剂。
11.铁基粉末组合物，由下述材料构成：
-铁或铁基粉末
-如权利要求7-9任一项中所述的扩散合金化粉末
-最多1重量％的石墨
-任选地，至少一种选自由有机润滑剂、硬相材料、固体润滑剂和其它成合金物质组成的组的添加剂。
12.根据权利要求11的组合物，其中所述铁或铁基粉末由基本纯的铁构成。
13.根据权利要求11-12任一项的组合物，其中铜和镍总含量不超过该组合物的5重量％。
14.根据权利要求10-13任一项的组合物，其中铜与镍的比率为9/1至3/1。
15.压实和烧结的部件，由如权利要求10-14任一项中所述的粉末组合物制成。
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