CN102933731B - 一种用于制造烧结硬化钢零件的中间合金以及该烧结硬化零件的制造工艺 - Google Patents

一种用于制造烧结硬化钢零件的中间合金以及该烧结硬化零件的制造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种用于制造钢零件的中间合金，以及由这种中间合金制造烧结硬化钢零件的工艺。该粉末状中间合金包括由以下组成的组合物，包括：铁，大约1-5wt%的C，大约3-15wt%的Mn，大约3-15wt%的Cr，其中，该中间合金具有由该合金元素和碳的固溶体组成的微观结构，该微观结构包括：至少10V%奥氏体，剩余为铁化合物。该工艺包括：制备该中间合金，将该中间合金与钢粉末混合制造一种混合物，其中，该中间合金占该混合物的5-35wt%，将该混合物装入零件的模具中压缩，烧结该混合物以制造该钢零件，并在烧结之后控制冷却速率从而产生烧结硬化。该中间合金粉末还可在与低合金钢粉末混合时作为烧结硬化增强剂使用。

Description

一种用于制造烧结硬化钢零件的中间合金以及该烧结硬化零件的制造工艺
相关申请的交叉引用
本申请根据35USC§119(e)要求2010年2月15日提交的第61/304,600号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及一种用于通过烧结硬化技术制造硬化钢零件的中间合金，以及用于制造包含该中间合金的烧结硬化钢零件的工艺。
背景技术
硬化合金元素被广泛应用于粉末冶金中制造高性能钢零件。这种硬化合金元素包括：镍，钼和铜。这种合金元素的缺陷之一就是较高以及频繁波动的成本。
在传统的熟钢冶金中，附加的硬化合金元素包括：锰，铬和硅。锰是一种特别有效的硬化合金。这些附加的合金元素较便宜并且它们的成本更加稳定。这些较便宜的元素的主要缺点是它们易于氧化，因此直到目前，限制了它们在粉末冶金中的应用。
许多方法均可将合金元素引入粉末冶金组合物中。其中的一种方法涉及在雾化之前将合金元素加入到液体钢中（预合金pre-alloying）。另一种方法就是将合金元素作为一种添加剂加入到粉末混合物中（混合admixed）。一方面，预合金粉末展示出了一种相对较低的压缩率但是能够产生更均一的微观结构/特性。另一方面，混合合金元素较少地阻碍其压缩率但是要求更高的烧结温度从而确保雾化扩散，进而保证均一的微观结构/特性。
GB1,504,547（申请人：Zaft等人，受让人：companySintermetallwerkKrebsogeGmbH）公开了一种烧结合金钢，通过将一种粉末混合物与钢粉末和复合碳化物硬化铁合金一起进行冲压和烧结而制造，含有以下元素：25%的Cr，25%的Mo，25%的Mn，作为复合碳化物的10%的C，其余由Fe补足。这种唯一地含有的由Zaft等人公开的碳化物铁合金（carbideferro-alloy）非常坚硬，从而可能在钢零件的制造中引起使用的设备和工具的磨损（“一种制造合金钢烧结零件的工艺以及工艺中所使用的烧结粉末（Processformakingalloyedsteelsinteredpartsandsinterpowderforuseintheprocess），G.Zapf等人，专利GB1,504,547,1974）。Zaft等人公开的这种中间合金引起制造设备过量磨损的结论在“高性能应用的新的Cr-Mn-烧结钢（Newalloyedsinteredsteelforhigh-performanceapplications,PaulBeiss）”(AdvancesinPowderMetallurgy&ParticulateMaterials,Part7,Page24,2005)中进行了解释。
因此，对于硬化合金钢零件的制造需要一种更软或硬度较小的中间合金，减少了昂贵的硬化合金元素的使用，并且降低了在这些零件制造中的工具磨损，从而节省了材料以及制造成本，从而使得该工艺可行。这种中间合金还应该避免亲氧性元素例如锰和铬在制造过程中发生氧化。
发明内容
本发明公开的中间合金以及工艺允许使用较便宜的并且具有较高亲氧性的硬化合金元素。特别是，在含碳相的固溶体中，例如奥氏体以及含碳的其他化合物中，锰和铬被防止发生氧化。固溶体中碳的存在避免了这些合金元素在中间合金的制造以及随后的加工步骤（包括烧结硬化）发生氧化。
根据本发明的一方面，提供了一种包括一种组合物的中间合金，该组合物含有：大约占所述中间合金1-5wt%的C，大约占所述中间合金3-15wt%的Mn；大约占所述中间合金3-15wt%的Cr，其余由铁和不可避免的杂质补足；其中，该中间合金包括由所述合金元素和碳的固溶体组成的微观结构，该微观结构包括至少10V%的奥氏体，其余为铁化合物。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于制造烧结硬化钢零件的工艺，包括：制备一种包括一种组合物的中间合金的粉末，该组合物含有：大约占所述中间合金1-7wt%的C，大约占所述中间合金3-20wt%的Mn；大约占所述中间合金3-20wt%的Cr，其余由铁和不可避免的杂质补足；其中，该中间合金包括由所述合金元素和碳的固溶体组成的微观结构，该微观结构包括至少10V%的奥氏体，其余为铁化合物；将该中间合金粉末与钢粉末混合以制造一种混合物，其中该中间合金占该混合物的质量分数为5-35wt%；将该混合物压缩使该零件成形；烧结该混合物以制造该钢零件；并且在烧结之后控制冷却以形成烧结硬化。
根据本发明的一个常规方面，提供了一种用于烧结硬化钢零件的中间合金，该中间合金包括一种组合物，该组合物包括：铁；大约占所述中间合金1-5wt%的C；大约占所述中间合金3-15wt%的Mn；大约占所述中间合金3-15wt%的Cr，并且其中，所述中间合金包括由所述合金元素和碳的固溶体组成的微观结构，该微观结构包括至少10V%的奥氏体。
根据本发明的另一常规方面，提供了一种制造烧结硬化钢零件的工艺，包括：制备一种中间合金的粉末，所述中间合金包括由以下组成的一种组合物：铁；大约占所述中间合金1-7wt%的C；大约占所述中间合金3-20wt%的Mn；大约占所述中间合金3-20wt%的Cr，以及其中，所述中间合金包括由所述合金元素和碳的固溶体组成的微观结构，该微观结构包括至少10V%的奥氏体；将该中间合金粉末与钢粉末混合制造一种混合物，其中该中间合金占该混合物的5-35wt%；将所述混合物压实使所述零件成形；将该混合物烧结制造所述钢零件；以及在烧结之后控制冷却以形成烧结硬化。
根据本发明的另一常规方面，提供了一种通过上述工艺获得的烧结硬化钢零件。
根据本发明的又一常规方面，提供了一种用于制造钢零件的粉末混合物，包括：一种钢粉末；以及占所述粉末混合物大约5-35wt%的浓度的中间合金粉末，所述中间合金粉末包括：铁；大约占所述中间合金1-7wt%的C；大约占所述中间合金3-20wt%的Mn；大约占所述中间合金3-20wt%的Cr，以及其中，该中间合金包括由所述合金元素和碳的固溶体组成的微观结构，所述微观结构包括至少10V%的奥氏体。
在本说明书中，术语“中间合金”是指一种基底金属，例如与一种或多种附加元素进行预合金的铁，举例来说，可加入到基底金属熔化物中的碳（C），锰（Mn）和铬（Cr）。该中间合金通过对制备的中间合金与适合的高压介质（例如液体或气体）的熔池进行雾化获得。该中间合金微粒具有微米量级的尺寸。
在本说明书中，术语“铁合金ferroalloy”是指铁与高比例的一种或多种元素的各种合金。铁合金通过铸造，模塑和粉碎获得。该铁合金颗粒具有毫米量级的尺寸，例如，大约比中间合金颗粒大1000倍。
附图说明
请参考附图，本发明的特别实施方式通过举例示出，其中：
图1示出了根据一个实施方式制造中间合金粉末和烧结硬化钢零件的工艺的方框图；
图2示出了根据一个实施例的中间合金和两种市售的基底钢金属粉末的粒度（颗粒直径μm与体积%）分布图；
图3示出了根据例子1中描述的工艺的实施方式制造的烧结硬化钢零件的显微镜照片；
图4示出了根据例子2中描述的工艺的实施方式制造的第二烧结硬化钢零件的显微镜照片；以及
图5示出了根据例子3中描述的工艺的实施方式制造的第三烧结硬化钢零件的显微镜照片；以及
图6示出了根据例子4中描述的工艺的实施方式制造的第四烧结硬化钢零件的显微镜照片。
具体实施方式
本发明描述了一种烧结硬化工艺，该烧结硬化工艺由控制烧结循环的冷却速率以形成相对较硬的微观结构组成，而不需要进行单独的热处理，该热处理特别地包括奥氏体化和在油或水中淬火，其中该微观结构含有马氏体，贝氏体和珍珠岩相的混合物。此处所引用的较便宜的合金元素（锰和铬）通过本发明的工艺实现了烧结硬化。单独的热处理的取消降低了该工艺的整体操作费用，并且减少了零件通常由于在油或水中淬火而引发的变形。最后，烧结硬化与油淬火热处理相比更便宜并且更加环境友好。烧结硬化避免了油烟在空气中的排放以及淬火零件的清理需求，并且降低了由高温油浴带来的健康与安全危害。本发明成功实现了使用较便宜的合金元素进行硬化钢零件的制造。通过在雾化之前提高液体金属的含碳量避免了合金元素发生氧化。
参考附图，图1示出了通过粉末状中间合金150的制造，根据本发明的烧结硬化钢零件450的制造工艺10的方框图。
用于制造烧结硬化钢零件的工艺10包括4个主要步骤。第一步骤100是粉末形式的中间合金的制造，包括雾化和研磨。第二步骤200是粉末状中间合金150与基底钢金属粉末SP的混合，其中SP代表“钢粉末steelpowder”。第三步骤300是粉末中间合金150与基底钢粉末SP的冲压或压实。该工艺的最后一步是烧结步骤400，该烧结步骤400通过控制冷却以产生理想的微观结构和特性。
中间合金粉末150的制备步骤100开始于多种元素的熔融105以形成中间合金的熔池（moltenbath）。该中间合金具有由以下元素组成的组合物：碳（C），锰（Mn），铬（Cr），以及可选地，钼（Mo），硅（Si）或铜（Cu）。其他的合金元素也可使用，包括但非仅限于：V，W，Nb,Ni,P和B。为了获得较低成本的中间合金以及所要求的硬化程度，附加的合金元素的选择通常根据市场情况而定。尽管根据熔化物的化学性质的不同允许做出一些变化，熔融工艺105的典型熔池温度大约是在1400-1700°C的范围内。该合金其余由铁和不可避免的杂质补足。
熔池中元素的典型浓度为：大约1-7wt%的C；大约3-20wt%的Mn；大约3-20wt%的Cr，其余由铁和不可避免的杂质补足。该中间合金的组合物可选择地包括0-10wt%的Mo，0-10wt%的Si，以及可选的0-10wt%的Cu。该中间合金的组合物还可选择地，包括0-5wt%的V，0-5wt%的W，0-5wt%的Nb,0-5wt%的Ni,0-1wt%的P以及0-0.1wt%的B。图1中的虚线表示可选择地在步骤100中加入Mo,Si以及其他合金元素。
在一个可选的实施方式中，该中间合金包括：大约1-5wt%的C；大约3-15wt%的Mn；以及大约3-15wt%的Cr。在又一实施方式中，该中间合金包括：大约2-5wt%的C；大约5-15wt%的Mn；大约5-15wt%的Cr。
在一个实施方式中，该中间合金的组合物包括至少60wt%的铁。
术语“wt%”定义为元素的质量占混合物的总质量的百分比。
随着中间合金的熔池制备完成，采用适合的高压介质（例如液体或气体）对该熔池进行雾化107（或者粉碎），从而制造出一种雾化的粉末。在一个实施方式中，雾化步骤107中采用的是水雾化工艺，保护气氛102为氩气。
该雾化粉末在一个干燥单元操作109中干燥，该操作为本领域技术人员所熟知。
对于该雾化/干燥中间合金粉末可进行一种可选的还原热处理，从而将可能在水雾化步骤中形成的氧化物还原或者去除。此外，该热处理还可能提高该中间合金粉末的压缩率。在一个实施例中，该还原热处理可在800-1100°C的温度范围内进行大约0.5-10小时。
该制备的雾化中间合金粉末可进行一个碾磨步骤111。该雾化粉末的碾磨步骤111可在以下任意一种设备中完成：球磨机，行星式轧机，冲唤磨机或者任何其他合适的研磨设备。经过碾磨之后，磨碎的中间合金粉末的d50为5-30μm之间，在一实施方式中，d50为5-15μm之间。
d50是指粒度分布的中间值。因此，在体积上，50%的微粒具有比d50大的尺寸，剩余的50%的微粒具有比d50小的尺寸。d10和d90分别代表10%的微粒尺寸比d10小和90%的微粒尺寸比d90小。
过程控制剂（processcontrolagents，PCA）作为添加剂在碾磨操作中的使用能够增强磨碎的粉末的细度。在一个实施方式中，所使用的过程控制剂是硬脂酸，该硬脂酸以大约0-2wt%的比例与雾化的中间合金粉末在碾磨之前混合。该硬脂酸分子粘附到在碾磨（断裂的微粒）中所产生的新的金属表面上同时阻碍聚合的发生，从而制造出更细小（finer）的中间合金粉末。通过使用这种过程控制剂，从而使制造出具有d50少于6μm的磨碎的中间合金粉末成为可能。
在碾磨时将过程控制剂加入到粉末混合物中可降低冷焊的影响。该PCA可以是固体，液体，或者气体。它们大多数，但是并不一定是有机化合物，作为表面活性剂使用。该PCA吸附于粉末颗粒的表面上，并且最小化粉末颗粒之间的冷焊，从而阻止结块。本领域技术人员将会感到欣慰，因为其他的过程控制剂也可使用，而并不仅限于甲醇，乙醇，己烷，以及“Suryanarayana”和“Mechanicalalloyingandmilling”中所引用的过程控制剂。“ProgressinMaterialsScience46(2001),pp.1-184”通过引用合并于此。
一种可选的退火热处理112可施加于中间合金粉末上，从而降低其硬度并提高该粉末的压缩率。
该磨碎的以及可选退火的中间合金粉末可进行分级步骤113，通过使用众多已知方法中的任意一种，例如筛选，或风力分级。该分级步骤113通常可去除大于45μm的微粒。使d50保持在5-30μm的范围内，在一更窄的实施方式中，d50为5-15μm之间，而d90在20-45μm的范围内，在一更窄的实施方式中，d90小于30μm。
该分级或筛选的微粒可选择地进行磁性分离步骤115以移除氧化物残留，该氧化物残留可能是在制备中间合金100的之前的任意一个工艺步骤中形成的。因此，经过一个或多个分级/磁性分离步骤之后，该粉末状中间合金150可用于之后的加工，以制造烧结硬化钢零件450。
本发明的一个重要方面在于中间合金中碳的形成。事实上，中间合金颗粒中含有的碳以固溶体的形式存在于奥氏体（austenite）和化合物中，并在烧结中重新分布。含有固溶体形式的碳的奥氏体的存在实现了中间合金150的硬度的降低，而不破坏对具有较高的氧亲和力的元素的保护。此外，事实是碳被预合金到中间合金中还有助于减少或完全避免混合物中石墨的添加。但是这一点明显取决于所需要的零件的最终化学性能以及所使用的中间合金150的数量。混合物中石墨量的减少有助于减少分离并且进而降低最终零件的性能变化。同时还降低了石墨在空气中的排放量，有利于健康以及环境。最后，中间合金硬度的降低减少了压实工具的磨损。
作为举例而非限制，钢粉末混合物的组合物可以包括0-0.4wt%的石墨。这要比铁粉冶金中所使用的典型石墨添加量低，在铁粉冶金中烧结硬化以及其他高强度应用中的石墨添加量通常要高于0.5wt%。
碳和合金元素在烧结时通过雾化扩散重新分布。事实是，与碳以石墨粉末或铁合金与石墨的混合物的形式存在相比，将碳预合金到中间合金粉末中还增强了合金元素在钢颗粒中雾化扩散的效率。
中间合金中的碳含量是由众多因素所决定的，包括雾化中间合金的硬度，合金元素的抗氧化，以及添加到混合物中的石墨量。
“奥氏体”应理解为碳在γ-Fe中的固溶体，γ-Fe是一种具有合金元素的铁或铁的固溶体的非磁性同素异形体。
纯净的奥氏体可以含有最多2.1wt%的固溶体的碳。当奥氏体饱和时（即，Cwt％>2.1wt%），另一富碳相保持平衡形成，特别是渗碳体（碳化铁）或石墨。为了获得石墨，合金必须还要含有石墨化的合金元素，例如硅，并且固化/涂层相对较慢地进行。这并不是本发明所适用的情况。当Cwt%>2.1%时，两相的相对比例可以通过补入获得。因此：含有2.1%的碳的合金含有100%富含碳的奥氏体；含有6.7%的碳的合金含有100%的渗碳体（Fe3C）。
因此，具有在2.1-6.7wt%之间的碳含量的组成的合金具有奥氏体和渗碳体两相的混合物。碳的wt%越低，奥氏体在合金微观结构中的体积分数越大。
因此，当中间合金含有大量的铁相时，与碳化铁相（例如渗碳体）相比，其中的一种是相对较软的奥氏体相。随着碳在中间合金中量的减少，奥氏体的比例增加。奥氏体在中间合金中的出现使其硬度变小，从而减少在压实过程中的工具磨损。20wt%的奥氏体的水平通过中间合金中含有4.5wt%的C获得，产生大约850HV的硬度。该微观结构组成（包括奥氏体和渗碳体相以及，可能地，一个或多个其他相）的V%通常通过精密的显微镜观察获得。
因此，该中间合金通过雾化制造，理想的颗粒尺寸通过随后的研磨步骤获得。
用于制造烧结硬化钢零件450的工艺10的第二步骤200是一混合步骤，其中该微粒的中间合金150和基底钢粉末SP进行混合。在一个实施方式中，高度可压缩的钢粉末作为基底钢金属粉末使用。例如，基底钢粉末SP可以是几乎纯净的钢粉末或低合金钢粉末，可以是预合金或扩散结合，都是市售的并且适用于粉末冶金中。在一个实施方式中，该钢粉末SP包括大约少于0.01wt%的碳。在一个实施方式中，低合金钢粉末SP的合金元素的总含量低于大约2wt%。
根据所使用的中间合金的数量，化学性质，以及零件中所要求的最终碳含量，少量的石墨粉末201可选择地添加到混合物中。本领域技术人员公知的润滑技术（例如混合润滑剂或模壁润滑203）均可被使用从而获得更加可压缩的混合物。通过润滑的作用可获得直到1wt%的总的钢粉末混合物。
当中间合金150以更高的重量百分比使用时，这种新工艺十分有效。
该中间合金150还可在与润滑剂，石墨或其他添加剂混合之前选择性地扩散结合至基底钢粉末。
其他粉末状的添加剂，例如铜和镍粉末也可选择地在步骤200混入混合物中。该操作为本领域技术人员熟知。
与现有技术相比，本工艺在基底钢粉末SP中使用了更高比例的中间合金150的粉末。从而导致了合金元素，以及具有更宽的烧结温度的微观结构组成的更加均匀的空间分布。此外，上述中间合金并不像先前发展出的硬化铁合金一样坚硬，该硬化铁合金仅仅包含碳化物形式的碳。上述中间合金的较低硬度还减少了工具的磨损。
该中间合金在微粒混合物250中的质量百分比在5-35wt%之间变化，在一个实施例中为5-20wt%之间。
对于微粒混合步骤200，较高质量百分比的中间合金与基底钢粉末SP的结合，中间合金150的较好粒度分布，以及中间合金在SP混合物中良好的空间分布，其特征在于均十分适合于强烈的烧结硬化。上述特征为制造的钢产品或零件提供了高水平的微观结构的均一性，而中间合金中固溶体的碳阻止更容易被氧化的元素（例如锰）在雾化以及后续工艺中被氧化。
图1所示的制造工艺10的第三步骤300就是对前面所描述的混合物250进行压实或冲压。该微粒混合物250通过多种压缩方法中的任意一种放置于定形模具中，该压缩方法为本领域技术人员公知，但并不仅限于室温压实，温压成形，锻造和热等静压（hotisostaticpressing，HIP），从而制造出压缩零件或压缩件350。
该制造工艺10的第四步骤是烧结步骤400。该压缩微粒或压缩件350在熔炉中进行高温烧结407，该高温包括但不仅限于1100-1300°C，该熔炉使用的气体氛围举例但不仅限于H2/N2气氛。这些常规使用的气体气氛均为本领域技术人员公知。制造烧结零件的烧结步骤407的时长通常是在15-60分钟之间。
烧结步骤400的最后一步就是烧结硬化，通过将烧结零件在通常为550-350°C的临界温度范围内，并以大于0.5°C/s（30°C/min）的冷却速率下进行控制冷却409，从而形成硬化钢制组件。换句话说，当温度到达大约550°C时，对冷却速率进行控制直到温度降低到大约350°C。该冷却速率的控制使其形成适宜的微观结构，该微观结构主要由高冷却速率的马氏体，低冷却速率的贝氏体/珍珠岩/铁素体，以及中冷却速率的马氏体/贝氏体/珍珠体/铁素体组成。各微观结构导致了不同的机械性能。合金元素的适当选择以及控制冷却步骤的结合给予了钢零件450的硬化特征。最后的冷却步骤411要求达到室温。
对烧结零件进行退火热处理（图1未示出）可增强零件的延展性和韧性。在微观层面上，在烧结硬化中形成的坚硬相（马氏体）进行了退火。与烧结的马氏体相相比退火的马氏体韧性更好，较不易碎。在一个实施方式中，退火在150-250°C下进行多达60分钟。
在退火热处理之前或者之后，可对烧结钢零件进行可选择的第二操作，例如机械加工，浸渍，渗入，或者涂层。
例子
本发明的工艺通过以下实施例进行进一步描述。表1示出了以下实施例中所使用的不同基底钢粉末和中间合金的元素组成。粉末A基本上是一种非合金的以及高度可压缩的钢粉末，而粉末B是一种预合金的钢粉末。
表1:例子1，2，3和4中所使用的粉末
粉末和中间合金的粒度分布如图2所示，其中绘制出了颗粒直径（μm）与体积百分数（V%）的关系。表2记载了各个体积分数的颗粒尺寸的数值。
表2:粒度分布特征
粉末 d10(μm) d50(μm) d90(μm)
粉末A 49 116 214
粉末B 49 110 203
中间合金MA1 4 14 30
对MAI中间合金进行光学显微镜和电子显微镜检查，该中间合金的组成为4.5wt%C，5.39wt%Mn，5.4wt%Cr，1.27wt%Mo和1.98wt%Si(占中间合金的质量分数)。该雾化中间合金（MAI）含有三个不同的相：渗碳体，奥氏体以及富含Mo的第三相（phase3）。该第一相是渗碳体（Fe3C）合金，该渗碳体含有固溶体形式的Cr,Mn以及少量的Mo。该第二相是含有固溶体形式的Mn，Cr，Si和C的奥氏体。因此，碳在该相中不是以碳化物的形式存在。第三相中相对地富含Mo，但是仍然含有Si，Mn，Cr和C。
该结果还显示出了合金元素（例如Cr，Mn和Mo）在雾化以及随后的工艺中均未发生氧化。雾化粉末的总含氧量大约为0.2wt%。在一个实施方式中，雾化粉末的总含氧量应当保持在大约1wt%以下，在另一个实施例中，该总含氧量应当保持在大约0.5wt%以下。该数值通过还原热处理和/或研磨可得到进一步降低，因为还原热处理和研磨操作有助于去除在水雾化时不可避免地围绕颗粒形成的薄氧化层。因此，使用高碳浓度的熔融物以在雾化和随后的加工中保护该合金元素的概念因此是有效的。这些含碳相的形成使得合金元素免被氧化。这些相为奥氏体的固溶体或含有合金元素和碳的其他化合物和/或相。
例子1-4的烧结硬化钢零件的计算的最终化学组成如表3中所示。
表3：烧结零件的化学组成
例1
根据上述工艺的一个实施方式制造的中间合金MAI与钢粉末A进行混合。在例1中，15wt%的中间合金MAI与84wt%的粉末A，1wt%的元素铜粉，以及0.7wt%的Kenolub（普通聚合润滑剂）进行混合。该润滑剂并不计算在包括中间合金和钢粉末的混合物的组成中，因为该润滑剂在烧结时会被蒸发出去，因此在该烧结零件中不留下任何痕迹。
MAI和钢粉末A的混合物被压缩成尺寸为10mmx10mmx75mm的矩形条（悬臂梁式冲击试验），密度为大约6.95g/cm3。
该压缩样品在1200°C下烧结30分钟，该烧结是在配备有对流式冷却系统的半工业炉中进行，工作频率可变化（0-60Hz）。频率越高，冷却速率越快。试样在90N2-10H2气氛中烧结，并在烧结循环终止后进行可控的冷却。该对流式冷却系统的频率设置在15Hz，该频率代表中冷却速率。
例1中的烧结硬化钢零件（200x,etchedwith2%nital/4%picral）的微观结构如图3中所示。例1中的钢零件的微观结构由大约60%的马氏体和40%的贝氏体/珍珠岩混合物（体积比）组成，其中，马氏体为明亮相，深色区域由贝氏体/珍珠岩混合物构成。
例1中的钢零件的表观硬度大约为34HRC（6.95g/cm3），HRC代表洛氏硬度标度C。
因此，将大约15wt%的中间合金添加到基本纯净的钢粉末中为最终的烧结硬化钢零件提供了烧结硬化的可能性。
例2
在例2中，该混合物由93.6wt%的粉末B，5wt%的中间合金MAI和0.4wt%的石墨组成。例2中的所有工艺条件包括润滑剂和铜的添加，压实，烧结和可控冷却，均如例1中所述。
例2中的烧结硬化钢零件的微观结构（l00x,etchedwith2%nital/4%picral）如图4中所示，由大约50%的马氏体和50%的贝氏体/珍珠岩混合物组成（此处的%为V%）。例2中的钢零件的表观硬度大约为35HRC（7.02g/cm3）。
对照混合物中不含中间合金，由98.4wt%的粉末C，1wt%的元素铜，0.7wt%的石墨以及0.7wt%的Kenolube组成，采用与例2中相同的条件进行冲压和烧结，结果显示出其表观硬度仅仅89HRB(~8.5HRC）。HRB代表了洛氏硬度标度B，是比HRC更软的硬度指标。
将大约5wt%的中间合金添加到低合金钢粉末B中增加了最终的烧结硬化钢零件的烧结硬化的可能性。
例3
在例3中，该混合物由大约79wt%的粉末A，20wt%的中间合金MAI，1wt%的元素铜粉，以及0.7wt%的Kenolub组成。该压实的样品在试验炉中以可控的冷却速率在流动的氩气氛下进行烧结。例3中在550-350°C的温度范围内的有效冷却速率大约为0.65°C/s（39°C/min）。
例3中的烧结硬化钢零件的微观结构（l00x,etchedwith2%nital/4%picral）如图5中所示，由大约70%的马氏体和30%的贝氏体/珍珠岩混合物（此处的%为V%）组成。例3中烧结条件下的钢零件的表观硬度大约为37HRC（6.9g/cm3）。在200°C下退火热处理1小时之后，该钢零件在退火状态下的表观硬度为33HRC（6.9g/cm3）。
通过使用较高的冷却速率，有可能提高例3中描述的混合物的烧结硬化响应。因此，对于在550-350°C的温度范围内的有效冷却速率大约为1.9°C/s（115°C/min），该零件在烧结硬化后的表观硬度到达45HRC。该烧结的微观结构包括80%的马氏体和20%的贝氏体/珍珠岩混合物（此处的%为V%）。在退火状态下观察得到的宏观硬度为37HRC（200°C下1小时）。
例4
在例4中，该混合物由89wt%的粉末A，10wt%的中间合金MAI，1wt%的元素铜粉，以及0.7wt%的Kenolub组成。例4中的压实和烧结条件与例3中的一样。例4中在550-350°C的温度范围内的有效冷却速率与例3中不同，大约为1.4°C/s（83°C/min）。
例4中的烧结硬化钢零件的微观结构（l00x,etchedwith2%nital/4%picral）如图6中所示，由大约20%的马氏体和80%的贝氏体/珍珠岩混合物（此处的%为V%）组成。例4中烧结状态下的钢零件的表观硬度大约为25HRC（7.0g/cm3）。
例3和例4示出了冷却速率以及随后的热处理对烧结零件性能的影响，如果有的话，还包括硬度。
通过雾化和研磨获得的中间合金与通过铸造，冲压和研磨获得的铁合金相比具有更好的微观结构。
此外，包括中间合金和基底钢粉末的混合物与常规使用的预合金的烧结硬化粉末以及基底钢粉末和铁合金的混合物相比压缩性更好。
如前所述本发明的实施例都是典型的，仅仅根据前面描述的实施例，本领域的技术人员在不脱离本发明实质的基础上，可以做出各种组合和修改。因此，本发明应当包括对该实施例作出的所有组合，修改或者变形，均落入本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (29)

1.一种用于烧结硬化钢零件的中间合金，其特征在于，所述中间合金包括由以下组成的组合物：
铁；
占所述中间合金1-5wt％的C；
占所述中间合金3-15wt％的Mn；
占所述中间合金3-15wt％的Cr，
除了不可避免的杂质之外占所述中间合金0wt％的Si，以及
其中，所述中间合金包括由所述合金元素和碳的固溶体组成的微观结构，所述微观结构包括至少10V％的奥氏体。
2.如权利要求1所述的中间合金，其特征在于，所述微观结构包括至少60V％的奥氏体，所述奥氏体含有固溶体的合金元素和碳。
3.如权利要求1所述的中间合金，其特征在于，所述中间合金以通过雾化制造的微粒的形式存在，所述微粒尺寸通过雾化和研磨控制。
4.如权利要求1所述的中间合金，其特征在于，所述中间合金的维氏硬度低于900。
5.如权利要求1所述的中间合金，其特征在于，所述中间合金以微粒的形式存在，所述微粒的d50在5-30μm之间，d90在20-60μm之间。
6.如权利要求1所述的中间合金，其特征在于，所述组合物进一步包括占所述中间合金的少于10wt％的Mo。
7.如权利要求1所述的中间合金，其特征在于，所述组合物进一步包括占所述中间合金的少于10wt％的Cu。
8.如权利要求1所述的中间合金，其特征在于，所述组合物进一步包括占所述中间合金的少于5wt％的V，少于5wt％的W，少于5wt％的Nb，少于5wt％的Ni，少于1wt％的P，少于0.1wt％的B，其中所述组合物的剩余量由铁和不可避免的杂质补足。
9.如权利要求1所述的中间合金，其特征在于，所述中间合金具有雾化微粒的外形，并且具有低于1wt％的总含氧量。
10.如权利要求1所述的中间合金，其特征在于，所述中间合金包括至少60wt％的铁。
11.一种用于制造烧结硬化钢零件的工艺，其特征在于，所述工艺包括：
制备一种中间合金的粉末，所述中间合金包括由以下组成的组合物：
铁；
占所述中间合金1-7wt％的C；
占所述中间合金3-20wt％的Mn；
占所述中间合金3-20wt％的Cr，
除了不可避免的杂质之外占所述中间合金0wt％的Si，以及
其中，所述中间合金包括由所述合金元素和碳的固溶体组成的微观结构，所述微观结构包括至少10V％的奥氏体；
将所述中间合金粉末与钢粉末混合制造一种混合物，其中所述中间合金占所述混合物的5-35wt％；
将所述混合物压实使所述零件成形；
将所述混合物烧结以制造所述钢零件；以及
烧结之后控制冷却以形成烧结硬化。
12.如权利要求11所述的工艺，其特征在于，所述工艺进一步包括：对所述烧结钢零件进行退火热处理，其中，所述烧结钢零件的退火热处理是在150-250℃的温度范围内进行60分钟。
13.如权利要求11所述的工艺，其特征在于，所述工艺进一步包括至少一个以下操作：对所述烧结硬化钢零件进行机械加工，热处理，浸渍，渗透以及涂层。
14.如权利要求11所述的工艺，其特征在于，所述中间合金粉末的制备包括：
在熔池中熔融所述组合物；
采用一种流体对所述组合物进行雾化制造出一种雾化粉末；
将所述雾化粉末进行干燥制造出一种干燥的雾化粉末；
对所述干燥的雾化粉末进行研磨制造出一种磨碎的粉末；以及
对所述磨碎的粉末进行筛选制造出所述中间合金粉末。
15.如权利要求14所述的工艺，其特征在于，所述工艺进一步包括对所述干燥的雾化粉末进行热处理，使得至少部分地去除所述中间合金中的氧化物残留；
对所述雾化粉末进行碾磨，从而将氧化物从所述中间合金粉末的表面去除；以及
其中，所述研磨进一步包括：加入一种过程控制剂以增强所述磨碎的中间合金粉末的细度，其中所述过程控制剂包括硬脂酸。
16.如权利要求14所述的工艺，其特征在于，所述工艺进一步包括：对所述筛选的中间合金粉末进行磁性分离从而移除氧化物颗粒；以及
对所述磨碎的合金粉末进行退火热处理，以软化所述颗粒的微观结构。
17.如权利要求14所述的工艺，其特征在于，所述组合物的熔融在1400-1700℃的温度范围内进行；并且所述雾化采用水在氩气氛中进行。
18.如权利要求11所述的工艺，其特征在于，所述混合物的压实和烧结包括：
将所述混合物放置在定形条件下，制造出一种被压缩的组分；
在1100-1300℃的温度范围内烧结所述压缩的组分，以制造出一种烧结的零件，其中，所述烧结在N2/H2气氛中进行；以及
以可控制的高于0.2℃/s的冷却速率将所述烧结零件从550℃冷却到350℃，以制造一种部分地或完全硬化的钢零件。
19.如权利要求11所述的工艺，其特征在于，进一步包括：将包含所述中间合金粉末和所述钢粉末的混合物与石墨混合，所述石墨在所述混合物中的质量分数为0-0.4wt％，其中，所述钢粉末选自：基本纯净的钢粉末和低合金钢粉末。
20.如权利要求11所述的工艺，其特征在于，所述混合进一步包括在将所述中间合金粉末和所述钢粉末的混合物与石墨粉和润滑剂中的至少一种混合之前，对所述中间合金粉末与所述钢粉末进行扩散压合。
21.如权利要求11所述的工艺，其特征在于，所述烧结硬化钢零件包括马氏体，贝氏体，铁素体和珠光体中的至少一种。
22.一种根据权利要求11-21中任意一项所述的工艺获得的烧结硬化钢零件。
23.一种用于制造钢零件的粉末混合物，其特征在于，包括：
一种钢粉末；以及
占所述粉末混合物5-35wt％的浓度的中间合金粉末，所述中间合金粉末包括：
铁；
占所述中间合金1-7wt％的C；
占所述中间合金3-20wt％的Mn；
占所述中间合金3-20wt％的Cr，
除了不可避免的杂质之外占所述中间合金0wt％的Si，以及
其中，所述中间合金包括由所述合金元素和碳的固溶体组成的微观结构，所述微观结构包括至少10V％的奥氏体。
24.如权利要求23所述的粉末混合物，其特征在于，所述混合物进一步包括0-1wt％的润滑剂。
25.如权利要求23所述的粉末混合物，其特征在于，所述钢粉末选自：基本纯净的钢粉末和低合金钢粉末。
26.如权利要求25所述的粉末混合物，其特征在于，所述钢粉末具有低于0.01wt％的碳含量。
27.如权利要求23所述的粉末混合物，其特征在于，所述钢粉末包括低的预合金钢粉末，所述预合金钢粉末具有低于2wt％的合金元素的总含量。
28.如权利要求23所述的粉末混合物，其特征在于，所述混合物包括占10-25wt％的所述中间合金。
29.如权利要求23所述的粉末混合物，其特征在于，所述混合物进一步包括石墨，所述石墨在所述混合物中的质量分数为0-0.4wt％。
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