CN105339517B - 用于制造钢成型体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造钢成型体、尤其例如用于共轨喷射阀的构件的方法，包括以下方法步骤：由固体氧化物颗粒在添加碳和至少一种微合金元素的情况下形成基于氧化铁的粉末状组分，以调整贝氏体组织，将所述粉末状组分加热到烧结温度，还原通过烧结获得的成型体，和将烧结的成型体冷却到室温。由此在状态曲线图(10)内的三个基本状态相即铁素体‑珠光体状态区域(11)、贝氏体状态区域(12)和马氏体状态区域(13)中，优选构成中间温度区域中的贝氏体状态相，其方式是，铁素体‑珠光体状态区域(11)向更长的冷却时间移动并且马氏体状态区域(13)向更低的温度移动。

Description

用于制造钢成型体的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造钢成型体、尤其是例如用于共轨喷射阀的构件的方法。
背景技术
钢毛坯可借助熔化冶金方法制造。在此，在炼钢车间中由生铁通过所谓LD途径或由废铁通过所谓电炉途径融化成原始材料并且在熔液状态调整到希望的组分。接着，这样的钢毛坯在连续铸造设备中被连续地浇铸为预制材料，然后，所述预制材料在轧制车间中通过热机械式轧制在具有或没有接着有目的地进行的热处理的情况下轧制成棒钢，所述棒钢然后用作相应构件的切削加工的原始材料。
可用以制造金属构件的近净成形制造工艺作为粉末冶金制造方法已知。在此涉及金属粉末的压制和后续的烧结，或也涉及所谓热等静压。所谓金属粉末注射成型MIM(MetalInjection Molding)是一种特殊形式。在此，相应于所期望的目标组分预先合金化的金属粉末用作原始基体。
由EP 1 268 105 B1已知一种用于制造金属体的方法。在此，金属化合物颗粒与结合剂混合并压制成成型件。然后去除结合剂并通过以还原性气体通气在更高的温度中将金属化合物还原为金属，其中，在温度低于被还原的金属化合物的烧结温度的情况下实施还原并使用由可去除的成分和稳定的成分组成的结合剂混合物，然后将可去除的成分脱去；接着在氧化氛围中对成型体加载以550℃到950℃之间的温度，由此使稳定的结合剂部分转化为气态分解产物并从基体去除，然后将成型体在含碳的氛围中预还原并接着以含氢的气体中再还原。然而该现有技术没有明确针对本身具有突出的强度的、贝氏体构成的钢成型体的制造。
发明内容
本发明提出一种用于制造钢成型体的方法，具有以下方法步骤：由固体氧化物颗粒通过添加氧化镍和氧化钼以及添加金属粉末铬在添加碳和至少一种微合金元素的情况下形成基于氧化铁的粉末状组分，以调整贝氏体组织；将所述粉末状组分加热到烧结温度；还原通过烧结获得的成型体；和将烧结的成型体冷却到室温。
根据本发明的方法具有以下优点，通过预先确定的用于钢成型体的粉状原始组分，优选可在后面的过程步骤中调整到贝氏体相，所述原始组分以氧化铁(例如(Fe3O2))以及氧化物颗粒和微合金元素的混合为出发点。由此，借助粉末注射成型实现用于制造粉末冶金的钢成型体的近净成形方法，该钢成型体的材料特性相当于传统生产的高强度钢的材料特性。此外，根据本发明方法产生的钢成型体的特点是，该钢成型体由于其化学组分而是相变惰性的，使得在空冷时也构成具有有利的机械特性的贝氏体组织。因此相应于从约1100到1600MPa范围内的相对高的机械强度或者说静态强度和与之伴随的高延展性，该高延展性通过10％到15％之间的均匀应变来体现。基于材料特性，根据本发明的方法适合于天然承受高负荷的构件，尤其用于共轨喷射阀的构件，然而也适合于制造其他承受周期性负荷的构件。此外，与现有技术相比，通过所述近净成形方法有利地可以降低成本地减少例如由于切削造成的再加工耗费。
本发明还提出进一步的有利扩展和方案。
根据本发明方法的一种优选方案，粉末状组分的氧化物颗粒具有含量为约0.8％到1.9％的锰、含量为约0.3％到1.5％的硅、含量为约0.1％到1.8％的铬、含量为约0.2％到1.5％的镍和含量为约0.1％到0.5％的钼作为元素组成部分并且与氧化铁基体共同形成原始材料的基本组分，由此可在接着的工艺步骤中获得贝氏体组织。添加的微合金元素在此具有含量为0.01％到0.04％的铝、和/或含量小于等于0.0025％的硼和/或含量为0.05％到0.20％的钒。根据本发明的方法的一种方案变型可在于，借助过程气体、优选通过一氧化碳进行碳的添加。根据另一种方案变型，碳的添加可通过混入石墨和/或碳化物来进行。根据本发明的方法的一种变化，可借助含碳氢化合物的结合剂进行碳的添加，其中，在该情况下在根据本发明的方法中设定一跟随在烧结之后的工艺步骤，用于成型体的脱脂。
本发明方法的一种导致成型体的固有强度提高的有利改进方案在于，给在氧化铁基础上构成的组分混入形成碳化物的元素，其中，所述形成碳化物的元素包括含量为约0.01％到0.03％的钛和/或含量为约0.01％到0.04％的铌。
根据本发明方法的一种实施变型，将极细粒的陶瓷颗粒混入到粉末状组分中，其中，所述陶瓷颗粒由氧化锆、氧化硅、氧化铝、氧化钇、氮化硅、碳化硅组中的一种或多种形成。由此可提高在本发明方法结束时构成的成型体的静态强度。
附图说明
在后面的说明书中和在附图中详细解释本发明的实施例。附图以示意图示出：
图1用于说明本发明方法的作用机理的曲线图，其中，示出不同状态区域的相对于时间上的冷却行为的温度走向，
图2一种按照本发明方法制造的组织的极其示意性的视图，该组织由带有小体积分量的铁素体和珠光体的极细粒贝氏体构成；
图3一种按照本发明方法制造的组织的极其示意性的视图，该组织由极细粒贝氏体和微细析出的碳化物构成；和
图4一种按照本发明方法制造的组织的极其示意性的视图，该组织由极细粒贝氏体和非金属氧化物颗粒以及极细粒碳化物构成。
具体实施方式
图1借助示意性的状态曲线图10示出本发明方法的作用原理。在该状态曲线图的纵坐标轴上相对于在横坐标轴上延伸的冷却时间绘出钢的主要状态区域的温度走向。在状态曲线图10的上方温度区域中示出铁素体-珠光体状态区域11，在中间温度区域中示出贝氏体状态区域12并且在下方温度区域中示出马氏体状态区域13。本发明的作用机理在于，从氧化铁基体、例如Fe3O2出发，通过添加金属氧化物如氧化镍和氧化钼以及添加金属粉末如铬来形成粉末状的组分，在该粉末状组分的情况下，在烧结时从奥氏体到铁素体-珠光体状态区域11的相变被抑制或至少被推迟这么长的冷却时间：使得在从烧结温度到室温的缓慢冷却速度下也优选构成贝氏体。为此，通过添加合金元素如铬(Cr)、锰(Mn)、钼(Mo)、镍(Ni)和附加地添加微合金元素如钛(Ti)、钒(V)和/或硼(B)，使贝氏体状态区域12既在温度轴T上也在时间轴t上扩宽，其中，铁素体-珠光体状态区域11由于合金元素的添加而在状态曲线图10中向右、即朝向更长的冷却时间t移动，并且，马氏体状态区域13在状态曲线图10中向下、即向更低的温度移动。由此根据本发明可能的是，产生所谓的相变惰性材料，该材料不再以马氏体构成，而是以贝氏体构成。附加地，根据本发明，微合金元素和铝与碳和/或氮一起构成极微小的析出物，其阻止烧结期间的晶粒生长并进而导致极细粒的结构。
为此所需的基本组分以氧化铁基体为出发点包括0.8％到1.9％的锰含量、约0.2％到1.5％的硅含量、0.1％到1.2％的铬含量、0.2％到1.5％的镍含量为和约0.1％到0.5％的钼含量。
这些金属粉末可以作为预合金例如铁锰或铁钛来混合。
图2示出本发明的第一实施例。在此涉及贝氏体组织100，其由贝氏体晶粒101和占很小份额的铁素体/珠光体晶粒102构成，在晶界上具有小的、极细的析出物103。组织100极细粒地构成，其中，贝氏体晶粒101具有明显小于20微米的贝氏体针长。此外，贝氏体组织100具有处于从约1000MPa到1150MPa范围内的高的静态强度。此外附加地给基本组分添加微合金元素含量为0.01％到0.04％的铝、含量为小于等于0.0025％的硼和含量为0.05％到0.20％的钒，其中，该添加可通过从该组中选出的仅一种元素实现或者通过各个元素的混合实现。
此外，为了获得高的静态强度，需要添加最终含量为0.15％到0.3％的碳。碳的引入可或者通过过程气体例如一氧化碳(CO)进行，或者通过添加石墨来进行，其方式是将石墨混入到所述基本组分中。一种另外的可能性在于，混入可还原的碳化物，例如SiC，所述碳化物在烧结过程期间分解，使得自由的碳保留下来，然后该自由的碳可与氧化物粉末反应。碳的加入还可通过结合剂进行，该结合剂对于制造注射料是必需的并且由树脂即碳氢化合物构成。
图3示出本发明的第二实施例。在此涉及全贝氏体组织200，由贝氏体晶粒201组成，这些贝氏体晶粒包含纳米碳化物202，即纳米范围内的极细碳化物析出物和碳氮化合物析出物。该组织200具有从约1100MPa到1600MPa变化的静态强度。与第一实施例不同，在第二实施例中这样实现附加的强度提高：添加形成碳化物的元素，这些元素通过形成大小处于几纳米范围内的极细碳化物析出物来防止否则在金属晶格中可能出现的位错运动并从而提高强度，而不对韧性产生不利影响。含量为0.01％的钛和/或含量为0.01％到0.04％的铌用作形成碳化物的元素，它们或者同时一起混入到根据实施例1的氧化物粉末混合物中，或者也可根据希望的目标强度单独地混入。此外，为了构成碳化物需要供应碳和/或氮。与第一实施例不同，在本实施例中进行具有更高浓度的碳的供应，使得在金属晶格中出现碳过量，所述碳过量导致晶格应变和与之相关的、呈作为第二相的碳化物形式的析出物。碳的加入可以或者作为过程气体、通过添加石墨或者借助结合剂来进行。最终含量为0.01％到0.03％的氮的附加引入可作为过程气体例如N2或NH3在烧结时进行，因为氮也可在金属晶格中形成第二相。
图4示出本发明的第三实施例。在此涉及组织300，由极细粒的贝氏体301、碳化物析出物或碳氮化合物析出物302以及陶瓷颗粒303组成的。与第二实施例不同，在本实施例中附加地进行具有亚微米范围内的大小的极细粒氧化物陶瓷颗粒的添加。作为陶瓷颗粒设置有氧化锆(ZrO2)、氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化钇(Y2O3)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)。这些颗粒被添加给原始混合物并且经过各个方法步骤而保持，即这些化合物在还原烧结期间不溶入到金属晶格中，而是基于其大小和在晶格内的分布而阻止晶格中否则可能的位错运动，其方式是，所述化合物在生坯材料中、即在贝氏体基本组织中形成外源的且热稳定的第二相。由此使在根据本发明的方法结束时获得的毛坯材料的静态强度Rm提高，而不会显著影响其韧性。
总而言之，根据本发明的用于制造钢成型体或者毛坯、尤其构件的方法包括这些方法步骤：由氧化物颗粒和结合剂在添加碳和微合金元素的情况下构成基于氧化铁的粉末状组分，以调整贝氏体组织；压制毛坯；将毛坯加热到450℃到600℃之间的等温保持阶段以脱脂，其中，去除含碳氢化合物的结合剂；加热到烧结温度以还原通过压制获得的成型体；将烧结的成型体冷却到室温，其中，为了冷却而设定预限定的冷却梯度或温度梯度。由此，在状态曲线图10内的三个基本状态相即铁素体-珠光体状态区域11、贝氏体状态区域12和马氏体状态区域13中，优选构成中间温度区域中的贝氏体状态相，其方式是，铁素体-珠光体状态区域11向更长的冷却时间移动并且马氏体状态区域13向更低的温度移动。

Claims (14)

1.用于制造钢成型体的方法，具有以下方法步骤：
-由固体氧化物颗粒在添加碳和至少一种微合金元素的情况下形成基于氧化铁的粉末状组分，以调整贝氏体组织，
-将所述粉末状组分加热到烧结温度，
-还原通过烧结获得的成型体，和
-将烧结的成型体冷却到室温，
其中，所述粉末状组分的氧化物颗粒具有含量为0.8％到1.9％的锰、含量为0.2％到1.5％的硅、含量为0.1％到1.8％的铬、含量为0.2％到1.5％的镍和含量为0.1％到0.5％的钼作为元素组成部分。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，给基于氧化铁的所述粉末状组分添加微合金元素，所述微合金元素具有含量为0.01％到0.04％的铝，和/或含量为小于等于0.0025％的硼和/或含量为0.05％到0.20％的钒。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，碳的添加借助过程气体进行。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，碳的添加通过混入石墨和/或碳化物来进行。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，碳的添加借助含碳氢化合物的结合剂来进行。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，碳的添加以在0.15％到0.3％之间的范围内的最终含量进行。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，给基于氧化铁构成的组分混入形成碳化物的元素，其中，所述形成碳化物的元素具有含量为0.01％到0.03％的钛和/或含量为0.01％到0.04％的铌。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，与所述形成碳化物的元素一起引入碳和/或氮。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，氮以在0.01％到0.03％的范围内的最终含量作为过程气体在烧结时被引入。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将极细粒的陶瓷颗粒混入到所述粉末状组分中，其中，所述陶瓷颗粒由氧化锆、氧化硅、氧化铝、氧化钇、氮化硅、碳化硅组中的一种或多种构成。
11.如权利要求5所述的方法，其特征在于，实施用于所述成型体的脱脂的工艺步骤。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述钢成型体是用于共轨喷射阀的构件。
13.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，碳的添加通过一氧化碳进行。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，氮的所述引入通过N2或NH3进行。
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