CN103459632A - 含钒的粉状冶金粉末及其使用方法 - Google Patents

含钒的粉状冶金粉末及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明描述了包含钒的铁基冶金粉末以及由其制造的压实制品。这些制品具有改进的机械性质。

Description

含钒的粉状冶金粉末及其使用方法
与相关申请的交叉引用
本申请要求2011年4月6日提交的美国临时申请号61/472,262的利益，其全部内容在此引为参考。
技术领域
本发明涉及包含钒的改进的粉末冶金组合物。
背景技术
粉末冶金组合物在金属部件制造中正获得越来越多的应用。因此，对于改进的、能提供强度提高的烧结部件并且对烧结部件的性质没有负面影响的组合物，存在着需求。
发明概述
本发明涉及冶金粉末组合物，其包含以所述冶金粉末组合物的重量计至少90%的铁基冶金粉末；以及至少一种添加剂，其是包含钒的预制合金；其中所述组合物中钒的总含量为所述组合物重量的约0.05%至约1.0%。还描述了制造这些组合物的方法以及使用这些组合物制备的压实制品。
附图说明
图1示出了本发明的包含ANCORSTEEL30HP+0.7重量%石墨+Fe-V预制合金（80%钒）的实施方式的极限抗拉强度随烧结温度变化的比较。
图2示出了本发明的包含ANCORSTEEL30HP+0.7重量%石墨+Fe-V-Si预制合金（5%钒，19%硅）的实施方式的极限抗拉强度随烧结温度变化的比较。
图3示出了在包含（▲）ANCORSTEEL30HP+Fe-V-Si预制合金（沿着顶部x轴示出不同量的V）+0.7重量%石墨，（■）ANCORSTEEL30HP+Fe-V预制合金（沿着顶部x轴示出不同量的V）+0.7重量%石墨和（●）ANCORSTEEL HP（沿着底部x轴示出不同量的Mo）+0.7重量%石墨的实施方式中，烧结屈服强度的比较。
图4示出了在包含不同量的镍和（■）ANCORSTEEL1000B+0.7重量%石墨+3.5重量%Fe-V-Si预制合金（5%钒，19%硅），（◆）ANCORSTEEL1000B+0.7重量%石墨+0.2重量%Fe-V预制合金（80%钒）以及（●）ANCORSTEEL1000B+0.7重量%石墨的实施方式中，经受热处理后的极限抗拉强度的比较。
图5示出了不同量的碳和ANCORSTEEL30HP与不同量的碳和本发明的实施方式ANCORSTEEL30HP+Fe-V-Si预制合金之间的极限抗拉强度和伸长率的比较。
图6示出了ANCORSTEEL30HP、50HP和85HP与本发明的实施方式ANCORSTEEL30HP+0.16重量%钒相比的淬透性。
图7A示出了Fe+0.3重量%Mo+0.65%碳（烧结态）的显微结构。
图7B示出了本发明的实施方式Fe+0.3重量%Mo+0.3重量%钒+0.65%碳（烧结态）的显微结构。
图8A示出了本发明的实施方式Fe-0.3重量%Mo-0.7重量%石墨（热处理过的）的粒度。
图8B示出了本发明的实施方式Fe-0.3重量%Mo-0.7重量%石墨-0.14重量%V（热处理过的）的粒度。
示例性实施方式的详细描述
可能包含钒的铁基组合物以前已描述在例如美国专利号5,782,954、5,484,469、5,217,683、5,154,881、5,108,493和国际公布WO10/107372和WO09/085000中。然而，现在已发现，当将钒以本文中描述的量和形式掺入到组合物中时，为从这样的组合物制备的金属部件的性质提供了显著且出人意料的改进。
更具体来说，现在已发现，向铁基冶金粉末以本文中描述的量并且最优选地采取预制合金的形式添加钒（V），改进了使用这样的铁基粉末制备得到的压实制品的机械性质。在本发明的范围内，铁基冶金粉末组合物包含以所述铁基冶金粉末组合物的重量计约0.05重量%至约1.0重量%之间的钒。本发明的某些实施方式包括以冶金粉末组合物的重量计约0.1重量%至约0.5重量%之间的钒。本发明的优选实施方式包括以冶金粉末组合物的重量计少于约0.3重量%的钒。本发明的示例性实施方式包括以冶金粉末组合物的重量计约0.1至约0.2重量%的钒。
可以使用本文中描述的任一方法或其组合向铁基粉末添加钒，以形成本发明的冶金粉末组合物。钒可以以至少一种添加剂的形式向铁基粉末添加，所述添加剂是包含钒的预制合金。当在本文中使用时，本发明的“预制合金”添加剂如下制备：将添加剂的组成成分熔化以形成均质熔体，然后将熔体雾化，由此雾化的液滴在固化后形成预制合金添加剂。水雾化是用于生产本发明的预制合金添加剂的优选雾化技术，尽管也可以使用本领域已知的其他雾化技术。
据设想，钒可以与被考虑用于本发明的冶金粉末组合物的其他金属形成预制合金。在本发明的某些实施方式中，添加剂包含铁、铬、镍、硅、锰、铜、碳、硼和氮中的至少一种或多种以及钒。优选地，添加剂包含铁、铬、镍、硅、锰、铜和碳中的一种或多种以及钒。在本发明的优选实施方式中，添加剂是包含钒和铁（Fe）的预制合金。添加剂可能含有旨在用于最终粉末组合物的其他合金元素——也就是说，按一般说法，添加剂可以基本上由钒和铁组成——或者添加剂可以只限于钒和铁。
作为仅由Fe和V组成的预制合金的添加剂，可以包括以预制合金的重量计最高约99重量%的钒，其余部分包含铁。本领域技术人员可以容易地确定将要向铁基粉末添加的预制合金中钒的量，以便制备在总组合物中存在预先选定量的钒的本发明的冶金粉末组合物。Fe-V预制合金添加剂的优选实施方式包括以所述Fe-V预制合金添加剂的重量计最高约85%的钒，其余部分包含铁。Fe-V预制合金添加剂的其他实施方式包括以所述Fe-V预制合金添加剂的重量计约75%至约80%的钒，其余部分包含铁。在本发明的其他实施方式中，Fe-V预制合金添加剂包括以所述Fe-V预制合金添加剂的重量计约78%-80%的钒。
除了铁和钒之外，添加剂还可以含有硅（Fe-V-Si）。被设想用于本发明的冶金粉末组合物的其他金属可以被进一步包含在本发明的Fe-V-Si预制合金添加剂中。因此，在某些实施方式中，添加剂可能含有旨在用于最终粉末组合物的其他合金元素——也就是说，按一般说法，添加剂可以基本上由钒、铁和硅组成——或者添加剂可以只限于钒、铁和硅。
本发明的Fe-V-Si预制合金添加剂可以包括以所述Fe-V-Si预制合金添加剂的重量计最多约20%的钒，其余为铁和硅。本发明的优选Fe-V-Si预制合金添加剂可以包括以所述Fe-V-Si预制合金添加剂的重量计最多约15%的钒，其余为铁和硅。本发明的Fe-V-Si预制合金添加剂可以包括以所述Fe-V-Si预制合金添加剂的重量计约3%至约10.5%之间的钒，其余为铁和硅。在其他实施方式中，Fe-V-Si预制合金添加剂可以包括以所述预制合金添加剂的重量计约3%至约7%的钒。本发明的其他Fe-V-Si预制合金添加剂可以包括以所述Fe-V-Si预制合金添加剂的重量计约5%的钒。
本发明的某些Fe-V-Si预制合金添加剂可以包括以所述Fe-V-Si预制合金添加剂的重量计最多约60%的硅。本发明的某些Fe-V-Si预制合金添加剂可以包括以所述Fe-V-Si预制合金添加剂的重量计最多约45%的硅。本发明的某些Fe-V-Si预制合金添加剂可以包括以所述Fe-V-Si预制合金添加剂的重量计约17%至约30%之间的硅。本发明的某些Fe-V-Si预制合金添加剂可以包括以所述Fe-V-Si预制合金添加剂的重量计约17%至约21%之间的硅。本发明的其他Fe-V-Si预制合金添加剂包括以所述Fe-V-Si预制合金添加剂的重量计约19%的硅。
本发明所设想的其他金属元素也可以存在于本文描述的Fe-V和Fe-V-Si预制合金中，只要预制合金中钒的总含量如本文中所述即可。
本发明的添加剂的平均粒径（d50，使用本领域中任何常规技术包括筛分分析和激光衍射来测量）可以高达约70微米或高达约60微米。特别优选的添加剂实施方式包括d50小于或等于约20微米的添加剂，其中约20微米是优选的d50。在其他实施方式中，添加剂的d50小于或等于约15微米。其他优选实施方式包括d50小于或等于约10微米的添加剂。某些实施方式包括d50小于或等于5微米的添加剂。另一些实施方式包括d50约为2微米的添加剂。
本领域技术人员能够容易地计算使本发明的冶金粉末组合物中钒的总含量达到冶金粉末组合物重量的约0.05%至约1.0%所必需的添加剂的量。添加剂是本发明的冶金粉末组合物的次要组分，通常以冶金粉末组合物的重量计少于或等于20%的量存在。例如，取决于添加剂的钒含量，本发明的冶金粉末组合物可以包含以冶金粉末组合物的重量计约0.2%至约5%的所述至少一种添加剂。在其他实施方式中，本发明的冶金粉末组合物可以包含以冶金粉末组合物的重量计约0.2%至约3.5%的所述至少一种添加剂。示例性实施方式包含以冶金粉末组合物的重量计约3%的所述至少一种添加剂。
除了如上所述采取预制合金形式的添加剂之外，钒可以通过钒金属的其他形式掺入到本发明的冶金粉末组合物中。钒金属的示例性形式是五氧化二钒。钒还可以以扩散合金化的钒、例如与铁扩散合金化的钒的形式掺入到组合物中。还设想了可以将钒沉积到铁基粉末的外部上，或沉积在铁和其他金属元素例如钼、镍或其组合的预制合金的外部上。
本发明的冶金粉末组合物还包含铁基粉末。本发明的铁基粉末与上面描述的含有钒的预制合金添加剂不同，并且不应被解释为在上述预制合金添加剂的范围之内。本发明的冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计至少80%的铁基粉末。优选地，本发明的冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计至少90%的铁基粉末。在其他实施方式中，本发明的冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计至少约95%的铁基粉末。据设想，从任何已知铁基粉末制备的任何制品的机械性质，将得益于使用本文描述的方法向所述铁基粉末添加钒。除了包括本文中描述的钒添加剂和/或预制合金添加剂之外，组合物的剩余重量%可以包括在粉末冶金中常用的粘合剂、润滑剂、其他预制合金等。
本发明的某些实施方式使用基本上纯的铁粉，其含有不超过约1.0重量%、优选地不超过约0.5重量%的正常杂质。这样的冶金级铁粉的实例是可以从Hoeganaes Corporation,Cinnaminson,New Jersey获得的ANCORSTEEL1000系列的纯铁粉，例如1000、1000B和1000C。ANCORSTEEL1000铁粉具有约22重量%的粒子小于325号筛网（美国系列）并且约10重量%的粒子大于100号筛网，其余粒子在这两种尺寸之间（痕量粒子大于60号筛网）的典型筛分情况。ANCORSTEEL1000粉末具有约2.85-3.00g/cm3、通常为2.94g/cm3的表观密度。在本发明中使用的其他铁粉是典型的海绵铁粉，例如Hoeganaes的ANCORMH-100粉末。
本发明的铁基粉末可以任选地掺入增强最终金属部件的机械和其他性质的一种或多种合金元素。这样的铁基粉末是已与一种或多种这样的元素预先合金的铁、优选地基本上纯的铁的粉末。预先合金的粉末如下所述制备：制造铁和所需合金元素的基本上均质的熔体，然后将熔体雾化，从而雾化的液滴在固化后形成粉末。熔体掺混物使用常规雾化技术例如水雾化来雾化。在另一种实施方式中，通过首先提供金属基粉末，然后将所述粉末用合金材料包被，来制备磁性粉末。
与铁基粉末预先合金的合金元素的实例包括但不限于钼、锰、镁、铬、硅、铜、镍、钶（铌）、石墨、磷、钛、铝及其组合。掺入的一种或多种合金元素的量取决于最终组合物中所需的性质。可用于制备本发明的冶金粉末组合物的示例性铁基粉末包括可以从HoeganaesCorp,Cinnaminson,NJ获得的铁基粉末，例如ANCORSTEEL30HP、ANCORSTEEL50HP、ANCORSTEEL85HP、ANCORSTEEL150HP、ANCORSTEEL2000、ANCORSTEEL4600V、ANCORSTEEL721SH、ANCORSTEEL737SH、ANCORSTEEL FD-4600和ANCORSTEELFD-4800A。
铁基粉末的另一个实例是扩散粘结的铁基粉末，其是基本上纯的铁的粒子并具有扩散到其外表面中的一种或多种其他金属例如炼钢元素的层或涂层。可用于制备本发明的冶金粉末组合物的这样的可商购粉末，包括来自于Hoeganaes Corporation的DISTALOY4600A扩散粘结粉末，其含有约1.8%的镍、约0.55%的钼和约1.6%的铜，以及来自于Hoeganaes Corporation的DISTALOY4800A扩散粘结粉末，其含有约4.05%的镍、约0.55%的钼和约1.6%的铜。
在本发明的优选实施方式中，铁基冶金粉末组合物基本上不含钒。也就是说，钒仅仅通过本文中描述的添加剂掺入到最终组合物中。
优选地，本发明的冶金粉末组合物包括铁和钒以及适合情况下硅之外的元素。优选的元素包括钼、镍、碳（石墨）、铜及其组合。这些元素可以以如上所述的任何形式存在于本发明的冶金组合物中。例如，这些元素可以以元素形式或例如氧化物形式存在于本发明的冶金组合物中。这些元素也可以与本发明的铁基粉末组合物形成预制合金，或通过包含在钒预制合金添加剂中而被带入到组合物中。
如上所述，本发明的冶金粉末组合物可以包括钼。优选地，本发明的冶金粉末组合物包括以所述冶金粉末组合物的重量计约0.05%至约2.0%的钼。在其他实施方式中，本发明的冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约0.05%至约1.0%的钼。本发明的其他实施方式包含以所述冶金粉末组合物的重量计约0.05%至约0.35%的钼。优选实施方式包含以所述冶金粉末组合物的重量计约0.25%至约0.35%的钼。在其他实施方式中，冶金粉末组合物包含以组合物的重量计约0.3%至1.5%的钼。在优选实施方式中，冶金粉末组合物包含以组合物的重量计约0.3%至1.0%的钼。特别优选的实施方式包含以组合物的重量计约0.35%、约0.55%、约0.85%或约1.5%的钼。
如上所述，本发明的优选冶金粉末组合物可以包括碳，也称为石墨。优选地，本发明的冶金粉末组合物包含以组合物的重量计0.05%直至约2.0%的石墨。某些实施方式包含以组合物的重量计0.05至约1.5%的石墨。其他实施方式包含以组合物的重量计0.05至约1.0%的石墨。其他实施方式包含以组合物的重量计约0.7%的石墨。
如上所述，本发明的优选冶金粉末组合物可以包括镍。优选地，本发明的冶金粉末组合物包含以组合物的重量计约0.1%至约2.0%的镍。组合物包含以组合物的重量计约2.0%的镍。其他实施方式包含以组合物的重量计约0.2%至约1.85%的镍。某些实施方式包含以组合物的重量计约0.25%、约0.5%、约1.4%或约1.8%的镍。
如上所述，本发明的其他优选冶金粉末组合物可以包含铜。优选地，本发明的冶金粉末组合物包含以组合物的重量计最高约3.0%的铜。特别优选的是包含以组合物的重量计约2.0%的铜的组合物。
本发明的冶金粉末组合物还可以包含润滑剂，所述润滑剂的存在降低从压实模具腔中取出压实部件所需的脱模力。这样的润滑剂的实例包括硬脂酸盐化合物例如硬脂酸锂、硬脂酸锌、硬脂酸锰和硬脂酸钙，蜡例如乙撑双硬脂酰胺、聚乙烯蜡和聚烯烃，以及这些类型的润滑剂的混合物。其他润滑剂包括含有聚醚化合物的润滑剂例如在Luk的美国专利5,498,276中所描述的，可以在较高压实温度下使用的润滑剂例如在Luk的美国专利号5,368,630中所描述的，以及在Johnson等的美国专利号5,330,792中所描述的，所述每个专利在此以其全文引为参考。
本发明的冶金粉末组合物还可以包括粘合剂，特别是当铁基粉末含有采取独立粉末形式的合金元素时。可用于本发明的粘合剂是粉末冶金工业常用的粘合剂。例如，这样的粘合剂包括在Semel的美国专利号4,834,800、Engstrom的美国专利号4,483,905、Semel等的美国专利号5,298,055以及Luk的美国专利号5,368,630中所发现的那些粘合剂，所述每个专利的公开内容在此以其全文引为参考。
冶金粉末组合物中存在的粘合剂的量取决于多种因素，例如冶金粉末组合物中的元素合金粉末和基质铁粉的密度、粒径分布和量。一般来说，粘合剂以冶金粉末组合物的总重量计至少约0.005重量%、更优选地约0.005重量%至约1.0重量%、最优选地约0.05重量%至约0.5重量%的量添加。
粘合剂包括例如聚二醇类例如聚乙二醇或聚丙二醇，甘油，聚乙烯醇，乙酸乙烯酯的均聚物或共聚物，纤维素酯或醚树脂，甲基丙烯酸酯聚合物或共聚物，醇酸树脂，聚氨酯树脂，聚酯树脂或其组合。可以使用的粘合剂的其他实例是相对高分子量的基于聚亚烷基氧化物的组合物，例如在Semel等的美国专利号5,298,055中描述的粘合剂。有用的粘合剂还包括有机二元酸例如壬二酸，以及一种或多种极性组分例如聚醚（液体或固体）和丙烯酸树脂，正如在Luk的美国专利号5,290,336中所公开的，所述专利在此以其全文引为参考。Luk的‘336专利中的粘合剂也可以有利地起到粘合剂和润滑剂的组合的作用。其他有用的粘合剂包括纤维素酯树脂、羟基烷基纤维素树脂和热塑性酚醛树脂，例如在Luk的美国专利号5,368,630中所描述的粘合剂。
本发明的冶金粉末组合物可以按照本领域已知的技术压实、烧结和/或热处理。例如，将冶金粉末组合物置于压实模具腔中，并在例如约5至约200吨每平方英寸（tsi）之间、更常见地约10至100tsi之间、甚至更常见地约30至60tsi之间的压力下压实。然后将压实部件从模具腔中脱出。模具可以在环境温度下使用，或任选地冷却至低于室温或加热至高于室温。模具可以被加热至高于约100℉，例如高于约120℉或高达270℉，例如约150℉至约500℉。
尽管不希望受到任何特定理论的限制，但据信在本发明的压实、烧结、热处理过的制品中观察到的强度增加是由改良的粒度造成的。改良的粒度据信也在这些较高强度下提供了更好的冲击性能。由于更细的粒度，本发明的含有钒的实施方式的延展性和冲击强度高于不含钒的比较性材料，尽管其具有更高的强度。
实施例–Fe-V-Si预制合金的制备
将铁-钒（80%的钒，其余为铁，“Fe-V”）和75%铁-硅（“Fe-Si”）与铁一起在感应炉中熔化成名义组成为19%的硅-5%的钒-其余为铁的组合物。然后使用高压水雾化将液体金属用水雾化，以形成平均粒径（d50）在约25至约40微米之间的粉末。将粉末脱水并干燥，然后研磨或筛分以使最终粒径为约10至约20微米。添加剂的氧含量通常低于约0.50%。
实施例–向含钼铁基粉末添加钒的影响
混合物1：98.6重量%ANCORSTEEL30HP，0.7重量%石墨，0.7重量%ACRAWAX C（Lonza Inc.,Allendale,NJ）
混合物2：98.4重量%ANCORSTEEL30HP，0.7重量%石墨，0.7重量%ACRAWAX C，0.2重量%Fe-V预制合金（80%钒，HengyuanMetal%Alloy Powders Ltd.,Oakville,ON L6L1R4,Canada）
混合物3：95.1重量%ANCORSTEEL30HP，0.7重量%石墨，0.7重量%ACRAWAX C，3.5重量%F-V-Si预制合金（5%钒，19%硅,d50=约17微米）
*ANCORSTEEL30HP（Hoeganaes Corp.,Cinnaminson,NJ）通常是包含约0.30重量%至约0.4重量%的钼和约0.10重量%至约0.2重量%的锰的铁基粉末。
制备每种上述混合物并按照工业标准压实（50tsi）。然后将压实物在约2300℉烧结并测试得到的烧结部件的机械性质。那些测试的结果示出在表1中。正如可以从表1看到的，钒的添加引起烧结态机械性质的显著提高。在表1和整个说明书、实施例、表格和图中，“Ksi”是指psi x103。
表1
样品 0.2%YS UTS 伸长率 硬度 Sint.D 硬度 冲击 Sint.D TRS DC 硬度
（ksi） （ksi） （%） （HRA） （g/cm3） （HRA） （ft*lbs） （g/cm3） （ksi） （%） （HRA）
混合物1 51.0 71.7 3.82 46 7.13 46 15 7.18 145.8 0.06 48
混合物2 64.0 83.2 3.00 48 7.11 49 12 7.15 167.0 0.09 51
混合物3 89.0 107.1 1.77 57 7.07 58 12 7.11 202.9 0.07 59
将上面制备的烧结压实物在1650℉热处理1小时，然后在400℉下油淬。测试得到的热处理制品的机械性质。那些试验的结果示出在表2中。正如可以从表2看到的，钒的添加引起热处理制品机械性质的显著提高。
表2
样品 0.2%YS UTS 伸长率 硬度 Sint.D 硬度 冲击 Sint.D TRS DC 硬度
（ksi） （ksi） （%） （HRA） （g/cm3） （HRA） （ft*lbs） （g/cm3） （ksi） （%） （HRA）
混合物1 115.5 147.2 0.89 71 7.12 72 8 7.16 228.9 0.03 71
混合物2 142.1 163.5 1.11 71 7.11 71 10 7.13 249.3 0.23 72
混合物3 134.0 163.7 1.11 72 7.04 72 10 7.09 263.1 0.16 74
图1和2显示了Fe-V预制合金和Fe-Si-V预制合金对ANCORSTEEL30HP+0.70重量%石墨的极限抗拉强度的影响随烧结温度的变化。如图1和2中所示，所述性质随着烧结温度增加而提高。烧结温度为2300℉。
图3证实了本发明实施方式的烧结态屈服强度的增加是钒水平的函数。30HP+FeV曲线与ANCORSTEEL的钼等级之间的关联线表明，向30HP添加.16%的钒具有等同于接近1.3重量%的钼的屈服强度。同样地，30HP+Fe-Si-V的屈服强度（名义上0.30重量%的Mo-0.60重量%的Si和0.08重量%的钒）等同于ANCORSTEEL150HP的屈服强度。向30HP添加3.5重量%的Fe-Si-V（名义上0.30重量%的Mo-0.60重量%的Si和0.16重量%的钒）在烧结后的情况下引起与ANCORSTEEL150HP相比更优越的屈服强度（84ksi比71ksi）。
实施例–向含镍铁基粉末添加钒的影响
混合物4：97.3重量%ANCORSTEEL1000B，0.7重量%石墨，0.7重量%ACRAWAX C，2.0重量%镍
混合物5：97.1重量%ANCORSTEEL1000B，0.7重量%石墨，0.7重量%ACRAWAX C，2.0重量%镍，0.2%Fe-V预制合金（80%的钒）
混合物6：93.8重量%ANCORSTEEL1000B，0.7重量%石墨，0.7重量%ACRAWAX C，2.0重量%镍，3.5重量%Fe-V-Si预制合金（5%的钒，19%的硅，d50=约17微米）
ANCORSTEEL1000B（Hoeganaes Corp.,Cinnaminson,NJ）
制备每种上述混合物并按照工业标准压实（50tsi）。然后将压实物在约2300℉烧结并测试得到的烧结部件的机械性质。那些测试的结果示出在表3中。正如可以从表中看到的，在包含钒的实施方式中，烧结后的强度和硬度两方面都提高。
表3
样品 0.2%YS UTS 伸长率 硬度 Sint.D 硬度 冲击 Sint.D TRS DC 硬度
（ksi） （ksi） （%） （HRA） （g/cm3） （HRA） （ft*lbs） （g/cm3） （ksi） （%） （HRA）
混合物4 46.6 80.0 4.24 48 7.18 46 20 7.23 162.7 -0.08 49
混合物5 64.3 93.9 3.83 51 7.16 53 16 7.21 185.6 -0.02 53
混合物6 80.2 108.5 2.56 57 7.10 58 16 7.14 213.2 -0.05 59
将上面制备的烧结压实物在1650℉热处理1小时，然后在400℉下油淬。测试得到的热处理制品的机械性质。那些试验的结果示出在表4中。正如可以从表中看到的，在包含钒的实施方式中，强度和硬度两方面都提高，并伴有延展性和冲击能的增加。
表4
样品 0.2%YS UTS 伸长率 硬度 Sint.D 硬度 冲击 Sint.D TRS DC 硬度
（ksi） （ksi） （%） （HRA） （g/cm3） （HRA） （ft*lbs） （g/cm3） （ksi） （%） （HRA）
混合物4 108.2 132.8 0.81 72 7.18 71 11 7.22 208.1 -0.08 73
混合物5 108.0 140.1 0.87 71 7.16 72 12 7.21 260.2 0.04 73
混合物6 156.6 165.7 1.11 72 7.10 73 13 7.13 274.8 -0.2 74
图4显示了本发明的实施方式与含有基本上不含镍的Fe-V和Fe-Si-V预制合金添加剂的ANCORSTEEL1000B相比，热处理后的极限抗拉强度随镍含量的变化。正如可以从图4看到的，Fe-V预制合金的添加等同于约0.8重量%镍的添加，而Fe-Si-V预制合金的添加给出比2重量%镍的添加更高的热处理后的UTS。
实施例–向含碳铁基粉末添加钒的影响
混合物7：98.6重量%ANCORSTEEL1000B，0.7重量%石墨，0.7重量%ACRAWAX C
混合物8：98.4重量%ANCORSTEEL1000B，0.7重量%石墨，0.7重量%ACRAWAX C，0.2重量%Fe-V预制合金（80%的钒）
混合物9：95.1重量%ANCORSTEEL1000B，0.7重量%石墨，0.7重量%ACRAWAX C，3.5重量%Fe-V-Si预制合金（5%的钒，19%的硅，约17微米）
制备每种上述混合物并按照工业标准压实（50tsi）。然后将压实物在约2300℉烧结并测试得到的烧结部件的机械性质。那些测试的结果示出在表5中。正如可以从表中看到的，钒的添加导致强度和硬度提高。
表5
样品 0.2%YS UTS 伸长率 硬度 Sint.D 硬度 冲击 Sint.D TRS DC 硬度
（ksi） （ksi） （%） （HRA） （g/cm3） （HRA） （ft*lbs） （g/cm3） （ksi） （%） （HRA）
混合物7 38.2 60.4 4.80 41 7.13 41 16 7.17 124.9 0.14 42
混合物8 53.8 72.1 3.40 47 7.11 47 12 7.15 140.3 0.18 48
混合物9 63.2 85.1 2.93 52 7.05 52 13 7.10 173.9 0.14 54
将上面制备的烧结压实物在1650℉热处理1小时，然后在400℉下油淬。测试得到的热处理制品的机械性质。那些试验的结果示出在表6中。
表6
样品 0.2%YS UTS 伸长率 硬度 Sint.D 硬度 冲击 Sint.D TRS DC 硬度
（ksi） （ksi） （%） （HRA） （g/cm3） （HRA） （ft*lbs） （g/cm3） （ksi） （%） （HRA）
混合物7 121.0 138.7 0.87 73 7.13 71 8 7.17 207.6 0.17 73
混合物8 109.3 120.0 1.15 65 7.12 66 10 7.15 210.6 0.27 68
混合物9 125.0 146.7 0.86 71 7.06 72 10 7.10 228.1 0.24 72
图5显示了ANCORSTEEL30HP与含有Fe-Si-V预制合金添加剂的ANCORSTEEL30HP的极限抗拉强度（热处理过的）随碳水平变化的比较。正如可以从图5看到的，不含添加剂的ANCORSTEEL30HP的延展性随着碳含量增加而持续降低。碳含量高于约1.1重量%时，极限抗拉强度开始降低。当添加Fe-Si-V预制合金时，抗拉伸长率保持相对恒定，而UTS强度持续增加，直到碳含量高于约1.1重量%。
实施例–向含铜铁基粉末添加钒的影响
混合物10：96.6重量%ANCORSTEEL1000B，0.7重量%石墨，0.7重量%ACRAWAX C，2.0重量%铜
混合物11：96.4重量%ANCORSTEEL1000B，0.7重量%石墨，0.7重量%ACRAWAX C，2.0重量%铜，0.2重量%Fe-V预制合金（80%的钒）
混合物12：93.1重量%ANCORSTEEL1000B，0.7重量%石墨，0.7重量%ACRAWAX C，2.0重量%铜，3.5重量%Fe-V-Si预制合金（5%的钒，19%的硅，约17微米）
制备每种上述混合物并按照工业标准压实（50tsi）。然后将压实物在约2300℉烧结并测试得到的烧结部件的机械性质。那些测试的结果示出在表7中。
表7
样品 0.2%YS UTS 伸长率 硬度 Sint.D TRS DC 硬度 Sint.D 硬度 冲击
（ksi） （ksi） （%） （HRA） （g/cm3） （ksi） （%） （HRA） （g/cm3） （HRA） （ft*lbs）
混合物10 70.6 92.9 2.66 52 7.12 190.9 0.33 54 7.07 53 14
混合物11 73.5 91.5 2.35 53 7.10 183.4 0.39 54 7.05 53 12
混合物12 80.6 96.3 1.58 55 6.99 185.3 0.54 55 6.97 55 10
将上面制备的烧结压实物在1650℉热处理1小时，然后在400℉下油淬。测试得到的热处理制品的机械性质。那些试验的结果示出在表8中。
表8
样品 0.2%YS UTS 伸长率 硬度 Sint.D TRS DC 硬度 Sint.D 硬度 冲击
（ksi） （ksi） （%） （HRA） （g/cm3） （ksi） （%） （HRA） （g/cm3） （HRA） （ft*lbs）
混合物10 98.1 122.2 0.67 70 7.11 212.6 0.36 71 7.07 71 9
混合物11 120.8 138.8 0.85 71 7.09 227.1 0.47 71 7.05 70 8
混合物12 140.9 153.5 0.91 71 6.99 226.8 0.57 71 6.96 72 8
实施例-淬透性
进行了淬透性研究，在其中按照本领域已知的程序将标准包含坯料（inclusion slug）在1650℉下奥氏体化并油淬。获取穿过所述包含坯料的厚度的显微压痕硬度读数以模拟末端淬透性试验。这些测量的结果示出在图6中。
在图6中，将各种ANCORSTEEL Mo等级（30HP、50HP和85HP，各自含有0.4重量%的石墨）的淬透性与具有0.16重量%的钒（通过Fe-V预制合金来添加）的ANCORSTEEL30HP进行比较。正如在图6中所证实的，含有钒的ANCORSTEEL30HP的淬透性超过ANCORSTEEL30HP。此外，含有钒的ANCORSTEEL30HP等同于或优于ANCORSTEEL50HP。含有0.4重量%石墨的ANCORSTEEL85HP一直硬化到0.25英寸的深度。
实施例–金相结果
在烧结的ANCORSTEEL30HP中Fe-V预制合金添加剂的金相结果示出在图7A和7B中。正如可以从图7A和7B看到的，钒的添加产生更具层状的珠光体结构。随着钒的添加，珠光体的间隔也更小。这两种因素据信有助于烧结态条件中强度的增加。
实施例–粒度
图8A和8B显示，在含有钒（通过Fe-V预制合金添加的）的材料中，热处理条件中的马氏体针细得多，表明淬火前其奥氏体粒度更细。更细的粒度据信导致更高的极限抗拉强度以及更好的延展性和冲击能，正如在上面的实施例中所证实的。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种冶金粉末组合物，其包含
以所述冶金粉末组合物的重量计至少90%的铁基冶金粉末；以及
至少一种添加剂，所述添加剂是包含铁、钒和硅的预制合金；
其中所述组合物中钒的总含量为所述组合物重量的约0.05%至约1.0%；以及
其中所述添加剂包含以所述添加剂的重量计约3%至约10.5%的钒，以及以所述添加剂的重量计约17%至约30%的硅。
2.一种冶金粉末组合物，其包含
以所述冶金粉末组合物的重量计至少90%的铁基冶金粉末；和
至少一种添加剂，所述添加剂是包含铁和钒的预制合金，其中所述添加剂包含以所述添加剂的重量计至少约75%的钒；
其中所述组合物中钒的总含量为所述组合物重量的约0.05%至约1.0%。
3.权利要求2的冶金粉末组合物，其中所述添加剂包含以所述添加剂的重量计约78%-80%的钒。
4.权利要求1或2的冶金粉末组合物，其中所述添加剂包含以所述添加剂的重量计约3%至约7%的钒，以及以所述添加剂的重量计约17%至约21%的硅。
5.前述权利要求任一项的冶金粉末组合物，其中所述添加剂包含以所述添加剂的重量计少于约0.50%的氧。
6.前述权利要求任一项的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约0.2%至约5%的添加剂。
7.权利要求6的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约3.5%的所述添加剂。
8.前述权利要求任一项的冶金粉末组合物，其中所述添加剂具有约10微米至20微米的平均粒径（d50）。
9.前述权利要求任一项的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物还包含约0.05重量%至约2.0重量%的钼、约0.1重量%至约2.0重量%的镍、约0.05重量%至约2.0重量%的石墨、最高约3.0重量%的铜或其组合。
10.权利要求9的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约0.05%至约2.0%的钼。
11.权利要求10的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约0.05%至约1%的钼。
12.权利要求11的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约0.05%至约0.35%的钼。
13.权利要求12的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约0.25%至约0.35%的钼。
14.权利要求9的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约0.1%至约2.0%的镍。
15.权利要求9的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约0.05%至约2.0%的石墨。
16.权利要求15的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约0.7%的石墨。
17.权利要求9的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计最高约3.0%的铜。
18.权利要求17的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约2.0%的铜。
19.前述权利要求任一项的冶金粉末组合物，其中铁基冶金粉末组合物是预制合金。
20.前述权利要求任一项的冶金粉末组合物，其中铁基冶金粉末组合物基本上不含钒。
21.前述权利要求任一项的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物中钒的总含量由所述至少一种添加剂提供。
22.前述权利要求任一项的冶金粉末组合物，其还包含润滑剂。
23.前述权利要求任一项的冶金粉末组合物，其还包含粘合剂。
24.一种压实部件，其包含前述权利要求任一项的冶金粉末组合物。
25.权利要求24的压实部件，其中所述部件被烧结。
26.一种制造冶金粉末组合物的方法，所述方法包括将铁基冶金粉末与添加剂合并，所述添加剂是包含钒的预制合金。
27.权利要求26的方法，其中所述添加剂还包含铁、硅或其组合。
28.一种用于粉末冶金应用的添加剂，其是预制合金，所述添加剂包含铁、硅和钒。
29.权利要求28的添加剂，其中所述添加剂由铁、硅和钒组成。
30.前述权利要求任一项的冶金粉末组合物，其中所述添加剂还包含铬、镍、锰、铜、硼和氮中的至少一种或多种。
31.前述权利要求任一项的粉末冶金组合物，其中所述添加剂不包含碳。
32.前述权利要求任一项的粉末冶金组合物，其中所述添加剂还包含氮并且不包含碳。

Claims (35)

1.一种冶金粉末组合物，其包含
以所述冶金粉末组合物的重量计至少90%的铁基冶金粉末；以及
至少一种添加剂，所述添加剂是包含钒的预制合金；
其中所述组合物中钒的总含量为所述组合物重量的约0.05%至约1.0%。
2.权利要求1的冶金粉末组合物，其中所述添加剂包含钒以及包含铁、铬、镍、硅、锰、铜、碳、硼和氮中的至少一种或多种。
3.权利要求2的冶金粉末组合物，其中所述添加剂包含钒和铁。
4.权利要求3的冶金粉末组合物，其中所述添加剂由钒和铁组成。
5.前述权利要求任一项的冶金粉末组合物，其中所述添加剂包含以所述添加剂的重量计至少约75%的钒。
6.权利要求5的冶金粉末组合物，其中所述添加剂包含以所述添加剂的重量计约78%-80%的钒。
7.权利要求1、2、3、5或6任一项的冶金粉末组合物，其中所述添加剂包含铁、硅和钒。
8.权利要求7的冶金粉末组合物，其中所述添加剂由铁、硅和钒组成。
9.权利要求1、2、3、7或8任一项的冶金粉末组合物，其中所述添加剂包含以所述添加剂的重量计约3%至约10.5%的钒，以及以所述添加剂的重量计约17%至约30%的硅。
10.权利要求9的冶金粉末组合物，其中所述添加剂包含以所述添加剂的重量计约3%至约7%的钒，以及以所述添加剂的重量计约17%至约21%的硅。
11.权利要求1、2、3、5、6、7、9或10任一项的冶金粉末组合物，其中所述添加剂包含以所述添加剂的重量计少于约0.50%的氧。
12.前述权利要求任一项的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约0.2%至约5%的添加剂。
13.权利要求12的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约3.5%的所述添加剂。
14.前述权利要求任一项的冶金粉末组合物，其中所述添加剂具有约10微米至20微米的平均粒径（d50）。
15.前述权利要求任一项的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物还包含约0.05重量%至约2.0重量%的钼、约0.1重量%至约2.0重量%的镍、约0.05重量%至约2.0重量%的石墨、最高约3.0重量%的铜或其组合。
16.权利要求15的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约0.05%至约2.0%的钼。
17.权利要求16的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约0.05%至约1%的钼。
18.权利要求17的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约0.05%至约0.35%的钼。
19.权利要求18的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约0.25%至约0.35%的钼。
20.权利要求15的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约0.1%至约2.0%的镍。
21.权利要求15的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约0.05%至约2.0%的石墨。
22.权利要求21的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约0.7%的石墨。
23.权利要求15的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计最高约3.0%的铜。
24.权利要求23的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物包含以所述冶金粉末组合物的重量计约2.0%的铜。
25.前述权利要求任一项的冶金粉末组合物，其中铁基冶金粉末组合物是预制合金。
26.前述权利要求任一项的冶金粉末组合物，其中铁基冶金粉末组合物基本上不含钒。
27.前述权利要求任一项的冶金粉末组合物，其中所述冶金粉末组合物中钒的总含量由所述至少一种添加剂提供。
28.前述权利要求任一项的冶金粉末组合物，其还包含润滑剂。
29.前述权利要求任一项的冶金粉末组合物，其还包含粘合剂。
30.一种压实部件，其包含前述权利要求任一项的冶金粉末组合物。
31.权利要求30的压实部件，其中所述部件被烧结。
32.一种制造冶金粉末组合物的方法，所述方法包括将铁基冶金粉末与添加剂合并，所述添加剂是包含钒的预制合金。
33.权利要求32的方法，其中所述添加剂还包含铁、硅或其组合。
34.一种用于粉末冶金应用的添加剂，其是预制合金，所述添加剂包含铁、硅和钒。
35.权利要求34的添加剂，其中所述添加剂由铁、硅和钒组成。
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