CN104711472A - 低合金钢粉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低合金钢粉，更具体地涉及水雾化的预合金化铁基钢粉，按重量％计，其包含：0.2至1.5的Cr、0.05至0.4的V、0.09至0.6的Mn、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，余量是铁。

Description

低合金钢粉

本申请是申请号为200880125654.X、申请日为2008年12月18日、发明名称为“低合金钢粉”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及低合金化铁基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部件。该粉末和粉末组合物计划用于成本有效地制造粉末锻造部件，例如连杆。

背景技术

在工业中，通过压制和烧结金属粉末组合物而制成的金属产品的应用日益广泛。生产具有各种形状和厚度的许多不同产品，并在希望降低成本的同时不断提高质量要求。由于通过铁粉组合物的压制和烧结获得净形部件或只需极少机械加工就可达到最终形状的近净形部件以及高的材料利用程度，该技术大大优于金属部件的传统成形技术，例如由棒料或锻件模制或机械加工。

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，以致降低该部件的强度。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负面影响。1)可以通过引入合金元素，例如碳、铜、镍、钼等，来提高烧结部件的强度。2)通过提高该粉末组合物的可压缩性、和/或提高压制压力以获得更高生坯密度、或提高该部件在烧结过程中的收缩率，可以降低烧结部件的孔隙率。在实践中，采用通过添加合金元素来增强该部件与将孔隙率降至最低的组合。

粉末锻造包括使用锻造冲击使烧结的预成型坯快速致密化。结果获得了完全致密的净形或近净形的适合高性能用途的部件。通常，由与铜和石墨混合的铁粉制造粉末锻造制品。建议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，以在不产生稳定氧化物的情况下提高铁可淬硬性。也常加入机械加工性增强剂，例如MnS。

制成部件中的碳会提高强度和硬度。铜在达到烧结温度之间熔融，由此提高扩散速率和促进烧结颈的形成。添加铜会改进强度、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。当使用粉末锻造法制造连杆时，通常对该压制和烧结部件的大端施以裂解(fracture split)操作。对供大端螺栓用的孔和螺纹机械加工。内燃机中连杆的基本性质是高压缩屈服强度，因为这类连杆受到拉伸载荷三倍高的压缩载荷。另一基本的材料性质是适当的可机械加工性，因为必须对孔和螺纹机械加工以在安装后连接裂开的大端。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和价格敏感的用途。因此，提供较低成本的材料或方法非常合意。

US 3901661、US 4069044、US 4266974、US 5605559、US 6348080和WO03/106079描述了含钼粉末。当与钼预合金化的粉末用于制造压制和烧结部件时，在烧结部件中容易形成贝氏体。特别地，当使用具有低钼含量的粉末时，所形成的贝氏体粗大以致损害机械加工性，这对需要良好机械加工性的连杆而言特别成问题。钼作为合金元素也非常昂贵。

但是，在US 5605559中，通过使Mn保持非常低，用Mo合金粉末获得了细珠光体微结构。要指出，Mo通过碳化钼的固溶硬化和沉淀硬化等改进钢的强度。但是，当Mo含量小于大约0.1重量％时，其作用小。Mn通过改进其可淬硬性来改进热处理材料的强度。但是，当Mn含量超过大约0.08重量％时，在合金钢粉表面上产生氧化物，以致可压缩性降低和可淬硬性提高超出所需水平。因此，形成粗大的上贝氏体结构并且强度降低。但是，保持低Mn含量是昂贵的，特别是在生产中使用廉价的钢屑时，因为钢屑通常含有0.1重量％和更高的Mn。因此，由于低Mn含量和Mo的成本，制成的粉末因而相当昂贵。

US 2003/0033904、US 2003/0196511和US 2006/086204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化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％石墨的材料获得了775MPa的最高压缩屈服强度值。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导致降低的压缩屈服强度和硬度。

发明目的

本发明的目的是提供合金化铁基粉末，其适用于制造粉末锻造部件，例如连杆，且基本不含昂贵的合金元素，例如钼和镍。

本发明的另一目的是提供低合金钢粉，其适用于制造具有基本为珠光体/铁素体结构的粉末锻造部件。

本发明的另一目的是提供粉末，其能够形成具有高于820Mpa的高压缩屈服应力CYS以及最多380HV1、优选低于360HV1的维氏硬度的粉末锻造部件，以使该粉末锻造部件在仍足够强韧的情况下容易被机械加工。

本发明的另一目的是提供具有上述性质的粉末锻造部件，优选连杆。

发明概述

通过下述各项实现了这些目的中的至少一个：

-水雾化的低合金钢粉，按重量％计，其包含：0.2至1.5的Cr、0.05至0.4的V、0.09至0.6的Mn、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，余量是铁。

-基于所述钢粉的组合物，按该组合物的重量％计，其具有：0.35至1的石墨形式的C、0.05至2的润滑剂、任选地0至4的铜粉形式的Cu；和任选地硬相材料和机械加工性增强剂。

-制造烧结和任选地粉末锻造的部件的方法，包括下述步骤：

a)制备上述铁基钢粉组合物，

b)对该组合物施以400至2000MPa的压制，

c)在还原气氛中在1000至1400℃的温度烧结所得生坯部件，和

d)任选地，在高于500℃的温度锻造所述经加热的部件，或对所得烧结部件施以热处理。

-由所述组合物制成的部件。

该钢粉具有低的和指定的铬、锰和钒含量且基本不含钼和镍，并且已表明能够提供具有高于820MPa的压缩屈服应力以及低于380HV1的硬度值的部件。

发明详述

铁基合金钢粉的制备

通过含有指定量的合金元素的钢熔体的水雾化制造钢粉。进一步对该雾化粉末施以如美国专利6027544中所述的还原退火法，该专利经此引用并入本文。该钢粉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AB,Sweden的已知粉末ABC100.30的粒度，其大约10重量％高于150微米且大约20重量％低于45微米。

钢粉的含量

铬用于通过固溶硬化增强基质。铬还提高烧结体的可淬硬性、抗氧化性和耐磨性。但是，高于1.5重量％的铬含量会降低钢粉的可压缩性，并导致较难形成铁素体/珠光体微结构。优选地，从可压缩性的角度看，上限含量为大约1.2重量％。

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，就不可能使用廉价的回收碎屑，除非在制钢过程中进行特定的处理以降低其含量，这提高了成本。因此，锰含量不应低于0.09重量％，优选高于0.1重量％，再更优选高于0.15重量％。高于0.6重量％的Mn含量会提高该钢粉中含锰夹杂物的形成，还由于固溶硬化和提高的铁素体硬度而对可压缩性具有负面影响。因此，Mn含量不应超过0.6重量％。

但是，如果锰和铬都具有高含量，则导致通过退火将氧含量降至低水平更难和更昂贵。因此，根据一个实施方案，当铬含量高于0.6重量％时，锰含量为最多0.3重量％。

如果具有较低的铬含量，则可以设定略高的锰下限以提高钢粉的强度、硬度和可淬硬性。因此，根据另一实施方案，当Cr的含量为0.2至0.6重量％时，Mn含量为0.2至0.6重量％。

钒通过沉淀硬化提高强度。钒也具有粒度细化作用，并在这种情况下被认为有助于形成合意的细粒珠光体/铁素体微结构。当钒含量高于0.4％时，碳化钒和氮化钒沉淀物的尺寸增大，由此损害该粉末的特性。低于0.05重量％的含量对所需性质具有不明显的作用。

在一个实施方案中，钒含量为0.05至0.20重量％，铬含量为0.2至0.6重量％且锰含量为0.2至0.6重量％。低的钒和铬含量提供了低成本粉末。

氧优选为最多0.25重量％，太高的氧化物含量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。由于这些原因，O优选为最多0.18重量％。

镍应该少于0.1重量％且铜少于0.2重量％。

钼应该少于0.1重量％，以防止形成贝氏体以及保持低成本，因为钼是非常昂贵的合金元素。

钢粉中的碳应该为最多0.1重量％，氮最多0.1重量％。较高的含量会不可接受地降低粉末的可压缩性。

附带杂质，例如磷、硅、铝等的总量应少于0.5重量％以便不损害该钢粉的可压缩性或充当有害夹杂物的前体，优选少于0.3重量％。

粉末组合物

在压制之前，将铁基钢粉与石墨和润滑剂、任选的铜粉和任选的硬相材料和机械加工性增强剂混合。

为了提高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至1.0重量％的量添加。少于0.35重量％的C的量会导致太低的强度，高于1.0重量％的C的量会导致过度形成碳化物，从而产生太高的硬度和使机械加工性变差。如果在烧结或锻造后要根据包括渗碳的热处理法热处理该部件，则添加的石墨量可以少于0.35％。向该组合物中加入润滑剂，以利于压制和该压制部件的推出。添加少于所述组合物的0.05重量％的润滑剂具有不明显的作用，添加高于该组合物的2重量％会造成压制体的太低密度。润滑剂可选自金属硬脂酸盐、蜡、脂肪酸及其衍生物、具有润滑作用的低聚物、聚合物和其它有机物。

铜Cu是粉末冶金技术中常用的合金元素。Cu会通过固溶硬化提高强度和硬度。Cu也促进烧结过程中烧结颈的形成，因为铜在达到烧结温度之前熔融，以提供比固态烧结快的所谓的液相烧结。特别在该铁基钢粉具有0.2至0.6重量％的较低Cr含量时，该粉末优选与Cu混合或与Cu扩散结合，优选2至4重量％的Cu量，以补偿减弱的Cr作用，即达到高于820MPa的CYS，Cu量更优选为2.5至4重量％。但是，当Cr含量高于0.6重量％时，该粉末可以与或不与Cu混合或与或不与Cu扩散结合。

可以加入其它物质，例如硬相材料和机械加工性增强剂，例如MnS、MoS₂、CaF₂、不同种类的矿物等。

烧结

将该铁基粉末组合物转移到模具中，并施以大约400至2000MPa的压制压力至高于大约6.75克/立方厘米的生坯密度。所得生坯部件进一步在还原气氛中在大约1000至1400℃、优选大约1100至1300℃的温度烧结。

后烧结处理

可以对该烧结部件施以锻造操作以达到全密度。在部件温度为大约500至1400℃时，锻造操作可以直接在烧结操作后进行，或者在烧结部件的冷却后进行，然后在锻造操作之前将该冷却部件再加热至大约500至1400℃的温度。

也可以通过热处理和通过受控冷却速率对该烧结或锻造部件施以硬化过程，以获得所需微结构。该硬化法可包括已知方法，例如表面硬化、氮化、感应硬化等。在热处理包括渗碳的情况下，加入的石墨的量可以少于0.35％。

可以使用其它类型的后烧结处理，例如表面辊轧或喷丸硬化，其引入压缩残余应力以提高疲劳寿命。

制成部件的性质

与在PM工业中、尤其在粉末锻造中基于常用的铁-铜-碳体系的部件烧结时获得的铁素体/珠光体结构不同，本发明的合金钢粉预计获得较细的铁素体/珠光体结构

不希望受制于任何具体理论，但据信，与获自铁/铜/碳体系的材料相比，在相同硬度水平下，这种更细的铁素体/珠光体结构有助于更高的压缩屈服强度。连杆，例如粉末锻造的连杆，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该连杆材料，因此一定不能提高该材料的硬度。本发明提供了具有高于820MPa的改进的压缩屈服强度以及低于380HV1、优选低于360HV1的硬度值的新材料。

实施例

由钢熔体的水雾化制造各种预合金化铁基钢粉。将所得的未加工粉末进一步在还原气氛中退火，然后温和研磨以使烧结粉末块崩解。粉末粒度低于150微米。表1显示了不同粉末的化学组成。

表1

表1显示了钢粉A至J和参比1至3的化学组成。

将所得钢粉A至J与根据表2中规定的量的来自Asbury,USA的石墨1651和0.8％可获自AB,Sweden的Amide Wax PM混合。根据表2中规定的量，向一些该组合物中加入来自A Cu Powder,USA的铜粉Cu-165。

作为参比组合物，基于可获自AB,Sweden的铁粉AHC100.29和根据表2中规定的量的相同量的石墨和铜制备两种铁-铜碳组合物参比1和参比2。此外，分别向参比1和参比2中加入0.8重量％可获自AB,Sweden的Amide Wax PM。另一参比组合物参比3基于含有0.25重量％铬和0.25重量％锰的低合金Cr-Mn钢粉，其与根据表2中规定的量的相同量的铜和石墨和0.8％作为润滑剂的Amide Wax PM混合。

将所得粉末组合物转移到模头中，并在490MPa的压制压力压制，形成生坯部件。将该压制的生坯部件在还原气氛中在1120℃的炉中放置大约40分钟。从炉中取出该烧结和加热的部件，并在此后立即在封闭腔中锻造至全密度。在该锻造过程后，使部件在空气中冷却。

根据ASTM E9-89c将锻造部件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，并对该压缩屈服强度试样进行铜、碳和氧的化学分析。

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。该表还显示了试样的C、O和Cu的化学分析。试样的Cu分析量相当于该组合物中混入的Cu粉的量。没有分析基于无混入的Cu的组合物的试样的Cu含量。该表也显示来自样品的CYS和硬度试验的结果。粉末组合物D1和D2由分别与0.45和0.55重量％的石墨混合的粉末D构成。粉末组合物B1和B2由分别与0.3和0.5重量％的石墨混合的粉末B构成。

表2

表2显示了加入的石墨量和制成的样品的分析C、O和Cu含量，以及来自CYS和硬度测试的结果。

由组合物A、B1、D1、D2、F、G和H制成的样品都表现出高于820MPa的充足CYS值以及低于380HV1的硬度值。

由参比1、2和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充足的压缩屈服应力，但硬度变得太高。

由粉末I和J组合物制成的样品表现出太低的压缩屈服强度，粉末I组合物是由于未加入铜，粉末J组合物是由于铜含量太低。如组合物F和G所示，提高混入的Cu量会在保持低于380HV1的硬度的同时提高压缩屈服强度。

由组合物B2制成的样品也表现出太低的压缩屈服强度，原因是碳含量相对较低。如组合物B1所示，提高混入的石墨量会在保持低于380HV1的强度的同时提高压缩屈服强度。

Claims (14)

1.铁基粉末组合物，其包含与水雾化的预合金化铁基钢粉混合的下述材料：该组合物的0.35至1重量％的石墨、该组合物的0.05至2重量％的润滑剂、任选地硬相材料和机械加工性增强剂，其中该组合物不含混入的Cu，

所述铁基钢粉按重量％计包含：

0.6至1.2的Cr，

0.05至0.4的V，

0.09至0.3的Mn，

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，

余量是铁。

2.根据权利要求1的铁基粉末组合物，其中Mn含量为0.1至0.3重量％。

3.根据权利要求1或2的铁基粉末组合物，其中混入的石墨的量为0.35至0.6重量％。

4.铁基粉末组合物，其包含与水雾化的预合金化铁基钢粉混合的下述材料：该组合物的0.35至1重量％的石墨、该组合物的0.05至2重量％的润滑剂、该组合物的2至4重量％的Cu、任选地硬相材料和机械加工性增强剂，

所述铁基钢粉按重量％计包含：

0.2至0.6的Cr，

0.05至0.4的V，

0.2至0.6的Mn，

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，

余量是铁。

5.根据权利要求4的铁基粉末组合物，其中V含量为0.05至0.2重量％。

6.根据权利要求4或5的铁基粉末组合物，其中混入的石墨的量为0.35至0.6重量％。

7.根据权利要求4或5的铁基粉末组合物，其中混入的Cu的量为组合物的2.5至4重量％。

8.制造烧结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1至7任一项的铁基粉末组合物，

b)对该组合物施以400至2000MPa的压制，

c)在还原气氛中在1000至1400℃的温度烧结所得生坯部件，

d)任选地，在高于500℃的温度锻造所述经加热的部件，或对所得烧结部件施以热处理步骤。

9.粉末锻造部件，其由根据权利要求1至7任一项的铁基粉末组合物制成。

10.根据权利要求9的粉末锻造部件，其中该部件具有基本为珠光体/铁素体的微结构。

11.根据权利要求9的粉末锻造部件，其中该部件是连杆。

12.根据权利要求10的粉末锻造部件，其中该部件是连杆。

13.根据权利要求9至12任一项的粉末锻造部件，其中该部件具有高于820MPa的压缩屈服应力CYS以及最多380HV1的维氏硬度。

14.根据权利要求13的粉末锻造部件，其中该部件具有低于360HV1的维氏硬度。