CN102361997B - 铁钒粉末合金 - Google Patents

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Abstract

水雾化预合金化的无铬铁基钢粉末，按重量％计，其包含：0.05-0.4的V、0.09-0.3的Mn、少于0.1的Cr、少于0.1的Mo、少于0.1的Ni、少于0.2的Cu、少于0.1的C、少于0.25的O、少于0.5的不可避免的杂质，余量为铁。

Description

铁钒粉末合金
技术领域
本发明涉及基本不含铬、钼和镍的铁基含钒粉末，以及含有该粉末和其它添加剂的粉末组合物，和由该粉末组合物制成的粉末锻造的部件。该粉末和粉末组合物意在用于成本有效地制造粉末烧结或锻造的部件。
背景技术
在工业上，通过压制和烧结金属粉末组合物的金属产品制造法的应用日益广泛。生产了形状和厚度各异的许多不同产品，不断提高质量要求，同时希望降低成本。由于净形部件或近净形部件需要极少机械加工即可达到最终形状，它们通过铁粉组合物的压制和烧结而获得，兼具高的材料利用程度，因此这种技术与用于形成金属部件的传统技术(例如模制或由棒料或锻件机械加工)相比具有巨大的优势。
但是，与压制和烧结法相关的一个问题在于，烧结部件含有一定量的孔隙，这降低了部件强度。基本上有两种方式克服由部件多孔性造成的对机械性质的不利影响。1)可以通过引入合金化元素，例如碳、铜、镍、钼等，来提高烧结部件的强度。2)可以通过提高粉末组合物的可压缩性，和/或为较高生坯密度而提高压制压力，或提高烧结过程中的部件收缩，由此降低烧结部件的多孔性。在实践中，采用通过添加合金化元素来增强部件和将多孔性减至最小的组合。
铬用于通过固溶硬化来增强基质，提高烧结体的可淬硬性、抗氧化性和抗磨性。但是，含铬的铁粉难以烧结，因为它们常常需要高温和受控良好的气氛。
本发明涉及不包括铬、即没有有意的铬含量的合金。这导致对烧结炉设备和气氛控制的要求低于烧结含铬材料时。
粉末锻造包括使用锻打使烧结预成型坯快速致密化。结果得到适合高性能用途的完全致密的净形部件或近净形部件。通常，已经由与铜和石墨混合的铁粉制造粉末锻造的制品。所推荐的其它类型的材料包括与镍和钼和少量锰预合金化的铁粉，以提高铁可淬硬性而不产生稳定的氧化物。还常常加入机械加工性能增强剂，例如MnS。
最终部件中的碳提高强度和硬度。铜在达到烧结温度之前熔融，由此提高扩散速率和促进形成烧结颈。铜的添加改进强度、硬度和可淬硬性。
已通过粉末锻造技术成功制造内燃机连杆。当使用粉末锻造制造连杆时，通常对压实和烧结部件的大端施以裂解加工操作。将大端螺栓的孔和螺纹机械加工。内燃机中的连杆的一个基本性质是高压缩屈服强度，因为这种连杆受到拉伸载荷的三倍高的压缩载荷。另一基本材料性质是适当的可机械加工性，因为必须机械加工孔和螺纹，以在安装后连接分开的大端。但是，连杆制造是具有严格的性能、设计和耐久性要求的大规模的价格敏感用途。因此提供较低成本的材料或方法是高度合意的。
US 3,901,661、US 4,069,044、US 4,266,974、US 5,605,559、US 6,348,080和WO 03/106079描述了含钼粉末。当使用与钼预合金的粉末制造压制和烧结部件时，容易在烧结部件中形成贝氏体。特别地，当使用具有低钼含量的粉末时，形成的贝氏体是粗糙的以致损害可机械加工性，这对需要良好可机械加工性的连杆而言特别成问题。钼作为合金化元素也非常昂贵。
在US 5,605,559中，已通过使Mn保持非常低来用Mo合金粉末获得细珠光体微结构。但是，保持低Mn含量是成本高昂的，特别是在生产中使用廉价钢屑时，因为钢屑常常含有0.1重量％和更高的Mn。此外，Mo是昂贵的合金化元素。因此，由于低Mn含量和Mo的成本，制成的粉末相应地比较昂贵。
US 2003/0033904、US 2003/0196511和US2006/086204描述了可用于制造粉末锻造的连杆的粉末。该粉末含有与铜粉和石墨混合的预合金铁基、含锰和硫的粉末。US 2006/086204描述了由铁粉、石墨、硫化锰和铜粉的混合物制成的连杆。具有3重量％Cu和0.7重量％石墨的材料获得最高压缩屈服强度值775MPa。相应的硬度值为34.7HRC，这相当于大约340HV1。铜和碳含量的降低也造成降低的压缩屈服强度和硬度。
US 5,571,305描述了具有优异可机械加工性的粉末。主动使用硫和铬作为合金化元素。
发明目的
本发明的一个目的是提供合金化的铁基含钒粉末，其基本不含铬、钼和镍，并适合制造烧结态的(as-sintered)和任选地粉末锻造的部件，例如连杆。
本发明的另一目的是提供一种粉末，其能够形成具有高的压缩屈服应力CYS以及较低的维氏硬度的粉末锻造部件，使得烧结态的(as-sintered)和任选地粉末锻造的部件容易机械加工并仍足够强韧。需要高于2.25、优选高于2.30的CYS/硬度(HV1)比率，并具有至少830MPa的CYS值和最多420的硬度HV1。
本发明的另一目的是提供具有上述性质的粉末烧结或锻造部件，优选连杆。
发明概述
如下所述实现这些目的中的至少一个：
-水雾化低合金化的钢粉末，按重量％计，其包含：0.05-0.4的V、0.09-0.3的Mn、少于0.1的Cr、少于0.1的Mo、少于0.1的Ni、少于0.2的Cu、少于0.1的C、少于0.25的O、少于0.5的不可避免的杂质，余量为铁。
-基于所述钢粉末的铁基钢粉组合物，按该组合物的重量％计，其具有：0.35-1的石墨形式的C，和任选地0.05-2的润滑剂和/或1.5-4的铜粉形式的Cu，和/或1-4镍粉形式的Ni；和任选地硬相材料和机械加工性能增强剂。
-制造烧结的和任选地粉末锻造的部件的方法，包括下述步骤：
a)制备上述组成的铁基钢粉组合物，
b)对该组合物施以400至2000MPa的压制，以制造部件坯，
c)在还原气氛中在1,000-1,400℃的温度将所得部件坯烧结，和
d)任选地在高于500℃的温度锻造该经过加热的部件，或对所得经过烧结的部件施以热处理。
-由所述组合物制成的部件。
所述钢粉末具有低的和规定的锰和钒含量，基本不含铬、钼和镍，并已表明能够提供具有高于2.25的压缩屈服应力/硬度比率、并具有至少830MPa的CYS值和最多420的HV1的部件。
发明详述
铁基合金钢粉末的制备
通过含有规定量的合金化元素的钢熔体的水雾化来制造钢粉末。对该雾化粉末进一步施以如美国专利6,027,544中所述的还原退火工艺，所述专利经引用并入本文。钢粉末的粒度可以为任何尺寸，只要其与压制和烧结或粉末锻造法相容即可。合适的粒度的实例是可获自
Figure BDA0000092580580000041
AB，Sweden的已知粉末ABC 100.30的粒度——大约10重量％高于150微米且大约20重量％低于45微米。
钢粉末的成分
锰与铬一样提高钢粉的强度、硬度和可淬硬性。此外，如果锰含量太低，就不可能使用廉价回收废料，除非在制钢过程中进行专门的还原处理，这提高了成本。此外，锰可能与一部分存在的氧反应，由此减少氧化钒的形成。因此，锰含量不应低于0.09重量％，优选不低于0.1重量％。高于0.3重量％的锰含量可能提高钢粉中含锰夹杂物的形成，也可能由于固溶硬化和提高的铁素体硬度而对可压缩性具有不利影响，锰含量优选为最多0.20重量％，更优选最多0.15％。
钒通过沉淀硬化提高强度。钒还具有粒度细化作用，并在这方面被认为有助于形成合意的细粒状珠光体的/铁素体的微结构。在较高钒含量下，碳化钒和氮化钒沉淀物的尺寸提高，由此损害该粉末的特性。此外，较高钒含量促进氧吸收，由此提高由该粉末制成的部件中的氧含量。出于这些原因，钒应该为最多0.4重量％。低于0.05重量％的含量对所需性质的作用不明显。因此，钒含量应为0.05重量％至0.4重量％，优选0.1重量％至0.35重量％，更优选0.25至0.35重量％。
氧含量为最多0.25重量％，太高的氧化物含量会损害该烧结和任选锻造部件的强度，并损害该粉末的可压缩性。出于这些原因，氧优选为最多0.18重量％。
镍应少于0.1重量％，优选少于0.05重量％，更优选少于0.03重量％。铜应少于0.2重量％，优选少于0.15重量％，更优选少于0.1重量％。铬应少于0.1重量％，优选少于0.05重量％，更优选少于0.03重量％。为防止形成贝氏体以及保持低成本，由于钼是非常昂贵的合金化元素，钼应少于0.1重量％，优选少于0.05重量％，更优选少于0.03重量％。这些元素(Ni、Cu、Cr、Mo)都不需要，但容许低于上述含量。
钢粉中的碳应为最多0.1重量％，优选少于0.05重量％，更优选少于0.02重量％，最优选少于0.01重量％，氮应为最多0.1重量％，优选少于0.05重量％，更优选少于0.02重量％，最优选少于0.01重量％。更高的碳和氮含量将不可接受地降低该粉末的可压缩性。
除上述元素外，不可避免的杂质(例如磷、硅、铝、硫等)的总量应少于0.5重量％，以便不损害钢粉的可压缩性或充当有害夹杂物的前体(formers)，优选少于0.3重量％。在不可避免的杂质中，硫应少于0.05重量％，优选少于0.03重量％，最优选少于0.02重量％，因为其可形成会改变钢的熔点并由此损害锻造工艺的FeS。此外，硫已知使钢中的游离石墨稳定化，这会影响烧结部件的铁素体/珠光体结构。其它不可避免的杂质应各自少于0.10重量％，优选少于0.05重量％，最优选少于0.03重量％，以便不损害钢粉的可压缩性或充当有害夹杂物的前体(formers)。
粉末组合物
在压制前，将铁基钢粉与石墨、和任选地与铜粉和/或润滑剂和/或镍粉、以及任选地与硬相材料和机械加工性能增强剂混合。
为了增强烧结部件的强度和硬度，在基质中引入碳。碳C以石墨形式以该组合物的0.35-1.0重量％、优选0.5-0.8重量％的量添加。小于0.35重量％的C量导致强度太低，高于1.0重量％的C量导致过度形成碳化物，以致硬度太高并损害可机械加工性。出于相同原因，石墨的优选添加量为0.5-0.8重量％。如果在烧结或锻造后要根据热处理工艺(包括渗碳法)对该部件热处理；石墨添加量可以小于0.35％。
将润滑剂添加到组合物中以促进压实和压实部件的推出。添加少于该组合物的0.05重量％的润滑剂具有不明显的作用，添加高于组合物的2重量％导致压实体的密度太低。润滑剂可选自具有润滑作用的金属硬脂酸盐、蜡、脂肪酸及其衍生物、低聚物、聚合物和其它有机物质。
铜Cu是粉末冶金技术中的常用合金化元素。Cu通过固溶硬化提高强度和硬度。Cu还促进烧结过程中烧结颈的形成，因为铜在达到烧结温度前熔融，以提供比固态烧结快的所谓液相烧结。所述粉末优选与Cu掺混或与Cu扩散结合，优选地，Cu量为1.5-4重量％，Cu量更优选为2.5-3.5重量％。
镍Ni是粉末冶金技术中的常用合金化元素。Ni提高强度和硬度，同时提供良好的延性。不同于铜，镍粉在烧结过程中不熔融。这种事实导致需要在掺混时使用较细粒子，因为较细粉末实现经由固态扩散的更好分布。粉末可任选地与Ni掺混或与Ni扩散结合，在这些情况下优选1-4重量％的Ni量。但是，由于镍是昂贵的元素，尤其是在细粉形式下，因此在本发明的优选实施方案中粉末不与Ni掺混也不与Ni扩散结合。
可以添加其它物质，例如硬相材料和机械加工性能增强剂，例如MnS、MoS2、CaF2、不同种类的矿物等。
烧结
将铁基粉末组合物转移到模具中，并施以大约400-2000MPa的压制压力，至高于大约6.75克/立方厘米的生坯密度。在还原气氛中在大约1000-1400℃、优选大约1100-1300℃的温度对所得部件坯进一步施以烧结。
后烧结处理
可以对烧结部件施以锻造操作以达到全密度。可以直接在烧结操作后在部件温度为大约500-1400℃时进行锻造操作，或在烧结部件冷却后，然后在锻造操作前将该冷却部件再加热至大约500-1400℃。
也可以通过热处理和通过受控冷却速率对所述经烧结或锻造的部件施以硬化法，以获得所需微结构。硬化法可包括已知方法，例如表面硬化、渗氮、感应硬化等。在热处理包括渗碳的情况下，添加的石墨的量可少于0.35％。
可以采用其它类型的后烧结处理，例如表面辊轧或喷丸，其引入压缩残余应力以提高疲劳寿命。
最终部件的性质
不同于烧结基于PM工业中常用的铁-铜-碳体系的部件时获得的铁素体/珠光体结构，且尤其对粉末锻造而言，本发明的合金钢粉意在获得较细的铁素体/珠光体结构。
不希望受制于任何具体理论，但据信，与由铁/铜/碳体系获得的材料相比，这种较细铁素体/珠光体结构有助于在相同硬度水平下实现高的压缩屈服强度。对连杆(例如粉末锻造的连杆)而言，对改进的压缩屈服强度的需求尤其显著。同时，应以经济方式机械加工连杆材料，因此该材料的硬度必须相对较低。本发明提供了具有高压缩屈服强度以及低硬度值从而得到高于2.25的CYS/HV1比率、并具有至少830MPa的CYS值和最多420的硬度HV1的新型低合金材料。
此外，部件中的氧含量太高是不合意的，因为这将对机械性质具有不利影响。因此，优选具有低于0.1重量％的氧含量。
实施例
通过钢熔体的水雾化，制造预合金化的铁基钢粉。将所得粗制粉末在还原气氛中进一步退火，然后温和研磨以使烧结粉末饼崩解。该粉末的粒度低于150微米。表1显示了不同粉末的化学组成。
表1
  粉末   Mn[wt％]   V[wt％]   C[wt％]   O[wt％]  N[wt％]   S[wt％]
  A   0.09   0.14   0.004   0.11  0.006   0.001
  B   0.11   0.05   0.003   0.13  0.001   0.003
C 0.13 0.20   0.004   0.18  0.002   0.004
  D   0.09   0.46   0.002   0.19  0.002   0.001
F 0.12 0.28   0.005   0.20  0.007   0.003
  G   0.17   0.20   0.004   0.17  0.003   0.004
  参比   ＜0.01   ＜0.01   不适用   不适用  不适用   不适用
表1显示了钢粉的化学组成。
将所得钢粉A-G与根据表2中规定的量的来自Kropfmühl的石墨UF4、和0.8重量％可获自
Figure BDA0000092580580000081
AB，Sweden的Amide Wax PM混合。根据表2中规定的量添加来自A Cu Powder，USA的铜粉Cu-165。
作为参照，基于可获自
Figure BDA0000092580580000082
AB，Sweden的铁粉ASC 100.29和根据表2中规定的量的相同量和石墨和铜，制备铁-铜-碳组合物。此外，将0.8重量％可获自
Figure BDA0000092580580000083
AB，Sweden的Amide Wax PM分别添加到参比1、参比2和参比3中。
将所得粉末组合物转移到模中，并在490MPa的压制压力下压制，形成部件坯。将经过压制的部件坯在炉中在1120℃在还原气氛中放置大约40分钟。从炉中取出经过烧结和加热的部件，此后立即在封闭腔中锻造至全密度。在锻造法后，使该部件在空气中在室温下冷却。
将该锻造部件根据ASTM E9-89c机械加工成压缩屈服强度试样，并根据ASTM E9-89c测试压缩屈服强度CYS。
根据EN ISO 6507-1对相同部件测试硬度HV1，并对压缩屈服强度试样对铜、碳和氧进行化学分析。
下表2显示了在制造试样之前添加到该组合物中的石墨量。其还显示了试样的C、Cu和O的化学分析。试样的Cu分析量相当于在该组合物中掺混的Cu粉的量。该表还显示了来自样品的CYS和硬度试验的结果。
表2
Figure BDA0000092580580000091
表2显示了添加的石墨量、制成的样品的分析C和Cu含量、以及来自CYS和硬度测试的结果。
由A1至F2的所有组合物(除B1和参比1-3之外)制成的样品都提供了高于830MPa的足够的CYS值，以及高于2.25的CYS/HV1比率，和小于420的硬度HV1。添加了0.6重量％石墨的B1未提供足够的CYS值。但是，在将添加的石墨量提高到0.7重量％时，CYS值达到高于830MPa，且CYS/HV1比率达到较宽的目标值(2.25)但低于优选比率(2.30)。因此可以推断，钒含量的下限接近0.05重量％。但是优选具有高于0.1重量％的钒含量。
对实施例D1和D2而言，最终样品中的氧含量高于0.1重量％，这是不合意的，因为高氧含量会损害机械性质。这被认为由高于0.4重量％的钒含量造成，因为钒具有高的氧亲合力。因此，高于0.4重量％的钒含量不合意。
如表中可以看出，样品F1和F2表现出非常好的结果。
样品G1和G2表明，即使0.17重量％的锰含量提供了可以接受的结果，但是优选如结果更好的样品C1和C2中那样使该含量保持低于0.15重量％。
由参比1-3组合物制成的样品表现出太低的压缩屈服应力，尽管碳和铜含量相对较高。碳和铜的进一步增加可能实现足够的压缩屈服应力，但硬度变得太高，由此进一步降低CYS/HV1比率。
在另一实例中，根据表3中规定的量，将基于表1的粉末A和参比粉末的粉末组合物与来自Kropfmühl的石墨UF4、和0.8重量％可获自
Figure BDA0000092580580000101
AB，Sweden的Amide Wax PM、和任选地铜粉(来自A CuPowder，USA的铜粉Cu-165)混合。表1的参比粉末是可获自
Figure BDA0000092580580000102
AB，Sweden的铁粉ASC 100.29。组合物A3、A4、参比4和参比5不添加铜粉，组合物A5、A6、参比6和参比7与2重量％铜粉掺混。
表3
Figure BDA0000092580580000111
将所得粉末组合物转移到模中，并在600MPa的压制压力下压制，形成部件坯。将压实的部件坯在炉中在1120℃的温度在还原气氛中放置大约30分钟。
根据SS-EN ISO 2740制备试样，其根据SS-EN 1002-1测试极限抗拉强度(UTS)和屈服强度(YS)。
当比较参比4和参比6的结果时，可以看出，参比6的YS比参比4高160MPa，这相当于每添加1％Cu就高80MPa。如果我们比较A3和参比4，则可以看出A3的YS比参比4高109MPa，这相当于每添加0.1重量％V就高大约80MPa。添加V的这种强作用是出乎意料的。此外，这也适用于更高碳的粉末混合物(A4/参比5)和含铜和碳的混合物(A5/参比6和A6/参比7)。

Claims (17)

1.水雾化预合金化的铁基钢粉末，按重量％计，其包含：
0.05-0.4的V，
0.09-0.3的Mn，
少于0.1的Cr，
少于0.1的Mo，
少于0.1的Ni，
少于0.2的Cu，
少于0.1的C，
少于0.25的O，
少于0.5的不可避免的杂质，
余量为铁。
2.根据权利要求1的粉末，其中V的含量在0.1-0.35的范围内。
3.根据权利要求2的粉末，其中V的含量在0.2-0.35的范围内。
4.根据权利要求1-3任一项的粉末，其中Mn含量在0.09-0.2重量％的范围内。
5.根据权利要求1-3任一项的粉末，其中S的含量小于0.05重量％。
6.根据权利要求4的粉末，其中S的含量小于0.05重量％。
7.根据权利要求1-3和6任一项的粉末，其中Cr的含量小于0.05重量％，Ni的含量小于0.05重量％，Mo的含量小于0.05重量％，Cu的含量小于0.15重量％，S的含量小于0.03重量％，且附带的杂质的总量小于0.3重量％。
8.根据权利要求4的粉末，其中Cr的含量小于0.05重量％，Ni的含量小于0.05重量％，Mo的含量小于0.05重量％，Cu的含量小于0.15重量％，S的含量小于0.03重量％，且附带的杂质的总量小于0.3重量％。
9.根据权利要求5的粉末，其中Cr的含量小于0.05重量％，Ni的含量小于0.05重量％，Mo的含量小于0.05重量％，Cu的含量小于0.15重量％，S的含量小于0.03重量％，且附带的杂质的总量小于0.3重量％。
10.铁基粉末组合物，其包含根据权利要求1-9任一项的钢粉末，该钢粉末与下述物质混合：所述组合物的0.35-1重量％的石墨，和任选地所述组合物的0.05-2重量％的润滑剂，和/或1.5-4重量％的量的铜，和/或1-4％的量的镍；和任选地硬相材料和机械加工性能增强剂。
11.根据权利要求10的铁基粉末组合物，其中该粉末不与Ni混合。
12.制造烧结的和任选地粉末锻造的部件的方法，包括下述步骤：
a）制备根据权利要求10或11的铁基粉末组合物，
b）对该组合物施以400至2000MPa的压制，
c）在还原气氛中在1,000-1400℃的温度将所得部件坯烧结，
d）任选地，在高于500℃的温度锻造该经过加热的部件，或对所得经过烧结的部件施以热处理步骤。
13.粉末锻造的部件，由根据权利要求10或11的铁基粉末组合物制造。
14.根据权利要求13的粉末锻造的部件，其中该部件具有基本珠光体的/铁素体的微结构。
15.根据权利要求13的部件，其中该部件是连杆。
16.根据权利要求14的部件，其中该部件是连杆。
17.根据权利要求13-16任一项的粉末锻造的部件，其中该部件具有至少830MPa的压缩屈服强度CYS，和至少2.25的压缩屈服应力CYS与维氏硬度HV1比率，在计算该比率时压缩屈服应力以MPa为单位。
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