CN1116944C - 用于制造烧结产品的钢粉 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备具有抗拉强度750Mpa的烧结产品的方法，包括下列步骤：在至少600Mpa的压力下压制水雾化的、退火的铁基粉末，所述铁基粉末含有(用重量%表示)：Cr 2.5-3.5，Mo 0.3-0.7，Mn 0.09-0.3，O＜0.2，C＜0.01，余量为铁，不可避免的杂质量不大于1%，在最高1220℃的温度下烧结所压制的坯体。本发明还涉及在所述方法中使用的退火粉末以及所述烧结产品。

Description

用于制造烧结产品的钢粉
本发明涉及一种铬基合金钢粉末。更具体地，本发明涉及一种低氧、低碳的合金钢粉末，除了含有铁和铬以外，还含有Mo和Mn，以及涉及这种粉末的制备方法。本发明还涉及用这种粉末制备烧结部件的方法以及所述烧结部件。
近来已经发展了强化材料的各种技术，用于通过粉末冶金由各种合金钢粉末生产烧结的机械零件。例如，在美国专利4 266 974和EP 0 653262中提出在低氧、低碳的铁粉中使用合金元素铬、钼和锰。在这两个公开文件中的原料是水雾化并还原退火的粉末。所述美国公开文件提出了为了获得低氧低碳含量的最重要步骤是退火步骤，所述退火步骤优选应该在减压下进行，特别是通过真空感应加热。所述美国专利还提出还原退火的其它方法存在限制其工业规模安装的缺点。在所述EP申请中没有提到关于所述还原退火的任何方面。根据所述美国专利的合金元素的有效量为在0.2-5.0wt％之间的铬、0.1-7.0wt％的钼、0.35-1.50wt％的锰。所述EP公开文件提出所述有效量应该为0.5-3wt％之间的铬、0.1-2wt％之间的钼和最多0.08wt％的锰。根据所述美国专利的发明的目的是提供一种粉末，满足在所述烧结体中所述粉末的可压缩性和模压性能高、热处理性能(如渗碳)和淬透性好的要求。在使用EP发明申请时的严重缺点是不能使用便宜的废料，因为这种废料通常含有超过0.08wt％的锰。在所述EP申请中提出为了减少Mn含量到不大于0.08wt％的水平，必须使用一种特殊的处理。另一个问题是没有提到任何还原退火和在含有对氧化敏感的元素(如铬、锰)的水雾化铁粉中获得低氧和低碳含量的可能性。在这方面给出的唯一信息似乎是在实施例1中，提出了必须进行最后的还原。
简而言之，本发明涉及一种铬基低氧、低碳的铁粉，含有2.5-3.5wt％的铬、0.3-0.7wt％的钼和0.09-0.3wt％的锰。这种组成可以从便宜的水雾化并经还原退火的原料生产具有优异机械性能的烧结部件。
令人意外地发现，用根据本发明的粉末制造的烧结产品具有高抗拉强度、高韧性和高的尺寸精确度的组合。更令人惊奇的是可以获得这些性质而没有对所述烧结产品的热处理。因此发现可以用成本有效的烧结设备，如高产量带式炉，在约1120℃约30分钟的烧结时间可以获得具有至少800Mpa的抗拉强度和至少19J的冲击强度的烧结产品。
优选的是Cr的量在2.7-3.3wt％之间变化，Mo的量在0.4-0.6wt％之间变化，Mn的量在0.09-0.3wt％之间变化。
通过使具有上述合金元素组成的钢锭经过任何已知的水雾化方法可以容易地生产本发明的合金钢粉末。优选的是所述水雾化粉末以这样一种方式制备，即在退火前，所述水雾化粉末具有重量比O∶C在1和4之间，优选在1.5-3.5之间，最优选在2-3之间，碳含量在0.1-0.9wt％之间。对于根据本发明的进一步加工，这种水雾化的粉末可以根据PCT/SE97/01292(在本文中引作参考)中所述的方法退火，该方法更具体地涉及一种包括下列步骤的方法：
a)制备一种水雾化粉末，基本组成为铁和任选的至少一种选自由
  铬、锰、铜、镍、钒、铌、硼、硅、钼和钨组成的组中的合金元
  素；
b)在至少含有H2和H2O的气氛中退火所述粉末；
c)测量在脱碳过程中形成的至少一种碳的氧化物的浓度；或者
d)或者在炉的纵向上相互之间处于一个预定距离的至少2点基本
  同时测量氧分压；或者
e)测量根据c)的浓度并结合测量在所述炉内的至少一点的氧分
  压；
f)在所述测量的帮助下，在脱碳气氛中调节H2O气的含量。
在共同未决的瑞典申请9800153-0中提出了可以用于制备低氧、低碳的铁基粉末(具有低含量的易氧化合金元素)的另一种方法。这种方法包括下列步骤：
-在基本为惰性气氛中在一个气密性炉中装填水雾化粉末并关闭该
 炉；
-提高炉温度，优选通过直接电加热或气体加热到800-1350℃；
-监测CO气体的形成量的增加，并且在观察到CO的形成明显增大
 时，从炉内排空气体。
-在CO的形成量增大停止时，冷却所述粉末。
然后把所退火的低氧、低碳粉末与石墨粉末和任选的至少一种合金元素混合，所述合金元素选自由Cu、P、B、Nb、V、Ni和W组成的组中，其加入量取决于烧结产品的用途。石墨的加入量通常在所述铁基粉末重量的0.15-0.65wt％之间变化，以及一种润滑剂，如硬脂酸锌或H-蜡，加入量最多为所述铁基粉末的重量的1％。然后把这种混合粉末在传统的压制压力，即400-800Mpa的压力下压块并在1100-1300℃之间的温度下烧结。但是，优选地并且最出乎意料地，用根据本发明的粉末制造的产品在所述粉末在低温，即低于1220℃的温度，优选低于约1200℃或者甚至低于约1150℃的温度下，相对较短的烧结时间，即1小时以下(如45分钟)烧结时，也表现出优异的机械性能。通常所述烧结时间约为30分钟。
在本发明的合金钢粉末和烧结体中的各个组分限制在某一范围内的原因如下：
在所述合金钢粉末中C含量不大于0.01％的原因是因为C是一种通过在渗入钢中时形成固溶体来硬化铁素体基质的元素。如果碳(C)含量超过0.01wt％，所述粉末硬化显著，这将导致将用于工业用途的粉末的压缩性能太差。
烧结产品中的C量由与本发明合金钢粉末混合的石墨粉末的量决定。典型地，所述粉末中石墨的加入量在0.15-0.65wt％之间。对于Cr含量在3-3.5wt％之间的粉末，石墨的加入量略低并且优选在0.15-0.5之间。在所述烧结制品中的C含量基本与加入到所述粉末中的石墨量相同。
对于合金钢粉末和烧结体，下列组分的限制量是相同的。
组分Mn通过改进淬透性并通过固溶强化改善钢的强度。然而，如果Mn的量超过0.3％，通过固溶强化，所述铁素体硬度增大，这又导致粉末的可压缩性差。如果所述Mn量小于0.08，使用Mn含量通常高于0.08％的便宜的废料是不可能，除非在钢的制造过程中进行减少Mn的特殊处理(参考EP 653 262第4页，42-44行)。因此，根据本发明的Mn的优选量为0.09-0.3％。与低于0.007％的C含量结合，这种Mn含量范围得到最有意义的结果。
组分Cr在钢粉中是合适的合金元素，因为它提供具有改善淬透性的烧结产品但不会明显增大铁素体硬度。为了获得足够的烧结后强度，2.5％或更多的Cr含量是优选的。Cr含量高于3.5％会产生形成氧化物和/或碳化物的问题。此外，如果Cr含量超过3.5wt％，对于所述烧结产品的实际应用来说，其淬透性变得太高。在所附图1中进一步提出了选择2.5-3.5％的Cr的狭窄范围对于获得高抗拉强度和冲击强度的组合的重要性。
组分Mo用于通过改善淬透性并通过溶解和沉淀硬化改善钢的强度。低于0.3％的Mo含量对于所述性能仅有微小的作用。此外，优选的是Mo含量应该不超过0.7％，因为该合金元素成本高。
一般来说，需要低含量的，即含量低于0.01的S和P来获得高强度烧结体和可压缩性高的粉末，根据本发明的粉末中的S和P含量是低于0.01wt％。
组分O对于所述烧结体的机械强度有很大影响，一般来说，优选的是O含量应该保持尽可能低。O与Cr形成稳定的氧化物，这使得合适的烧结机制被阻止。因此，优选的是O含量不超过0.2％。如果O含量超过0.25％，会产生大量氧化物。
所压制的坯体的烧结优选在低于1220℃，更优选低于1200℃，最优选低于1150℃的温度下进行。如在下列实施例中公开的，在低至1120℃的温度仅烧结30分钟，获得了出乎意料的优良抗拉强度而没有任何随后的热处理。在高温，即高于1220℃烧结会导致成本不希望地增大，这使得根据本发明的粉末和方法在工业观点来看非常吸引人。
低于0.5℃/秒的冷却速度导致铁素体的形成，超过2℃/秒的冷却速度导致马氏体形成。取决于所述铁粉的组成和石墨的加入量，带式炉典型的冷却速度即0.5-2℃/秒导致完全的贝氏体组织，这对于强度和韧性的良好组合是理想的。在本文中，还应该提出，根据本发明的烧结优选在带式炉中进行。
通过下列实施例进一步说明本发明。
实施例1
如在专利申请PCT/SE 97/01292中所述的一样，水雾化并退火具有Cr含量在2-3wt％之间，Mo含量为0.5wt％，Mn含量为0.11wt％的钢粉。石墨(C-UF4)的加入量从0.3变化到0.7wt％，并加入0.8wt％的润滑剂，H蜡。把所述粉末在700Mpa下压块，然后在1120℃下在90％N2/10H2的气氛下烧结。下表1、2和3公开了所制备产品的生坯密度(GD)、尺寸变化(dl/L)、硬度(Hv10)、抗拉强度(TS)、屈服强度(YS)和冲击能量(夏氏冲击能)。表1粉末：2Cr 0.5Mo 0.11Mn
  石墨加入量％    GDg/cc   dl/L     Hv10     TSMPa     YSMPa    夏氏冲击能J
    0.3   7.14   -0.072     200     669     521     23.5
    0.4   7.11   -0.085     210     720     538     20.8
    0.5   7.12   -0.072     221     761     576     21.2
    0.6   7.10   -0.056     237     808     612     18.6
    0.7   7.12   -0.025     261     861     698     16.8
表2粉末：2.5Cr 0.5Mo 0.11Mn
石墨加入量％  GDg/cc   dl/L  Hv10  TSMPa  YSMPa 夏氏冲击能J
 0.3  7.13   -0.089  218  731  534  25.8
 0.4  7.12   -0.077  227  762  561  22.1
 0.5  7.11   -0.065  251  814  595  20.4
 0.6  7.11   -0.044  268  877  679  18.5
 0.7  7.07   -0.019  361  1007  732  16.1
表3粉末：3Cr 0.5Mo 0.11Mn
石墨加入量％  GDg/cc   dl/L  Hv10  TSMPa  YSMPa 夏氏冲击能J
 0.3  7.10 -0.106  234  754  526  24.0
 0.4  7.10 -0.076  247  804  563  20.7
 0.5  7.10 -0.034  257  856  623  18.0
 0.6  7.09 -0.001  315  969  704  16.4
 0.7  7.04  508  685  15.6
实施例2
太高的Mn含量由于通过固溶强化增大了铁素体硬度，对可压缩性有不利的影响。这表示于表2，表2表示了用润滑的模具在600Mpa下Fe-3Cr-0.5Mo粉末的可压缩性。
表4
 粉末 C(％) O(％) Mn(％) GD(g/cc)
  A  0.003  0.12  0.09  7.00
  B  0.004  0.14  0.12  6.98
  C  0.004  0.13  0.18  6.90
  D  0.004  0.13  0.28  6.81

Claims (11)

1.一种水雾化的、退火的铁基粉末，包括，以重量％表示：
Cr 2.5-3.5
Mo 0.3-0.7
Mn 0.09-0.3
Cu ＜0.10
Ni ＜0.15
P  ＜0.02
N  ＜0.01
V  ＜0.10
Si ＜0.10
W  ＜0.10
O  ＜0.25
C  ＜0.01
余量为铁和不大于0.5％的不可避免的杂质。
2.根据权利要求1的水雾化的、退火的铁基粉末，包括，以重量％表示：
Cr 2.7-3.3
Mo 0.4-0.6
Mn 0.09-0.25
O  ＜0.15
C  ＜0.007
余量为铁和不大于0.2％的不可避免的杂质。
3.制备抗拉强度至少750Mpa的烧结产品而无需随后的热处理的方法，包括下列步骤：
水雾化一种铁基粉末，所述粉末含有根据上述权利要求中任一项的含量的合金元素Cr、Mo和Mn；
退火所述水雾化的粉末；
加入石墨和任选至少一种合金元素，所述合金元素选自由Cu、P、B、Nb、V、Ni和W组成的组中，其含量由所述烧结产品的最终用途确定；
把所退火的粉末在至少600Mpa的压力下压块；
使所压制的坯体经过烧结。
4.根据权利要求3的方法，其中，所述还原在H2和可控含量的H2O的存在下的还原气氛下在大气压下进行。
5.根据权利要求3的方法，其中，所述还原在基本为惰性气氛和CO排空的条件下在低压下进行。
6.根据权利要求3-5的任一项的方法，其中，退火前水雾化粉末的O∶C重量比在1和4之间，碳含量在0.1-0.9wt％。
7.根据权利要求3-6的任一项的方法，其中，在压制步骤之前，向所述粉末中加入石墨的量为0.25-0.65wt％。
8.根据权利要求3-7的任一项的方法，其中，对于Cr含量为3-3.5wt％的粉末，石墨的量为0.25-0.5wt％。
9.根据权利要求3的方法，其中，所述烧结温度最高1220℃。
10.根据权利要求3的方法，其中，所述烧结时间小于60分钟。
11.一种根据权利要求5-8的任一项的方法制备的烧结产品，其中结合的碳含量至少0.25％。
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