CN1234484C - 用于粉末冶金产品的混合物及其制备方法，以及粉末冶金产品及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于粉末冶金产品的混合物，包括铁粉末、石墨粉末和约3.0-5.0%(重量)的铜(Cu)。铁粉末包含其中含有MnS的铁晶粒。该混合物含有约0.65-1.40%(重量)的MnS。混合物中存在石墨粉末的目的是使粉末冶金产品中的碳含量(C)为约3.0-7.0%(重量)。通过确定碳含量(wt.%C)和铜含量(wt.%Cu)，基于如下关系式，便能够获得目标疲劳强度FS(MPa)和目标硬度HR(HRB)：FS＝66.63×(wt.%C)+22.61×(wt.%Cu)+280.84；HR＝22.96×(wt.%C)+2.99×(wt.%Cu)+78.91。
Description
技术领域
本发明涉及用于粉末冶金产品的混合物以及该混合物的制备方法。而且，本发明涉及一种粉末冶金产品以及该粉末冶金产品的制备方法。
背景技术
在粉末冶金中，在按预定比对某些粉末进行混合之后，采用成套装置，在压力下将混合后的粉末制成所要求的形状，然后烧结成最终的冶金产品。
粉末冶金产品的优点之一是不必进行机械加工操作，原因是不需要机械加工就可在模具中制成形状与最终形状基本相同的粉末冶金产品。最近，要求形状的精度更高、更复杂。因此，即使对于粉末冶金产品，也要求进行机械加工操作。但是，一般地，粉末冶金产品的机械加工性能较差。
美国专利5,938,814和日本审定专利公报56-45964(此后，称作“964公报”)公开了具有良好机械加工性能的钢粉末。在此全部引入这些参考文献的内容作为参考。
在“964公报”中公开的钢粉末中，所述钢粉末含有0.15-0.5％(重量)的S，Mn含量最多为比Mn/S平衡量大0.3％(重量)。Mn用于与S结合。在Mn与S结合后，MnS不易氧化。
一般而言，粉末冶金产品的机械强度较差。推测原因是粉末冶金产品中存在许多孔隙，因为粉末冶金产品是通过压力成型和烧结制备而成的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种机械加工性能改善而疲劳强度基本未受损害的粉末冶金产品。
根据本发明的一个方面，用于粉末冶金产品的混合物包括铁粉末、石墨粉末和约3.0-5.0％(重量)的铜(Cu)。铁粉末包含其中含有MnS的铁晶粒。该混合物含有约0.65-1.40％(重量)的MnS。混合物中存在石墨粉末以使粉末冶金产品中的碳含量(C)为约0.3-0.7％(重量)。通过确定碳含量(wt.％C)和铜含量(wt.％Cu)，便能够基于如下关系式获得目标疲劳强度FS(MPa)和目标硬度HR(HRB)：
FS＝66.63x(wt％C)+22.61x(wt％Cu)+280.84
HR＝22.96x(wt％C)+2.99x(wt％Cu)+78.91.
根据本发明的另一个方面，一种粉末冶金产品由包括铁粉末、石墨粉末和约3.0-5.0％(重量)的铜(Cu)的混合物制成。铁粉末包含其中含有MnS的铁晶粒。该混合物含有约0.65-1.40％(重量)的MnS。混合物中存在石墨粉末的目的是使粉末冶金产品中的碳含量(C)为约0.3-0.7％(重量)。通过确定碳含量(wt.％C)和铜含量(wt.％Cu)，便能够基于如下关系式获得目标疲劳强度FS(MPa)和目标硬度HR(HRB)：
FS＝66.63x(wt％C)+22.61x(wt％Cu)+280.84
HR＝22.96x(wt％C)+2.99x(wt％Cu)+78.91.
根据本发明的又一个方面，一种用于粉末冶金产品的混合物的制备方法包括在铁粉末中的铁晶粒中沉淀析出MnS；向铁粉末中添加石墨粉末，以使粉末冶金产品中的碳含量(C)为约0.3-0.7％(重量)；向铁粉末中添加约3.0-5.0％(重量)的铜(Cu)；以及，确定碳含量(wt.％C)和铜含量(wt.％Cu)，以便基于如下关系式来获得目标疲劳强度FS(MPa)和目标硬度HR(HRB)：
FS＝66.63x(wt％C)+22.61x(wt％Cu)+280.84
HR＝22.96x(wt％C)+2.99x(wt％Cu)+78.91.
所述混合物含有约0.65-1.40％(重量)的MnS。
根据本发明的又一个方面，一种粉末冶金产品的制备方法包括：在混合物制备过程期间制备一种混合物；将混合物压制成在压力下成型为生坯；以及，烧结该生坯。所述混合物制备过程包括：在铁粉末中的铁晶粒中沉淀析出MnS；向铁粉末中添加石墨粉末，以使粉末冶金产品中的碳含量(C)为约0.3-0.7％(重量)；向铁粉末中添加约3.0-5.0％(重量)的铜(Cu)；以及，确定碳含量(wt.％C)和铜含量(wt.％Cu)，以便基于如下关系式来获得目标疲劳强度FS(MPa)和目标硬度HR(HRB)：
FS＝66.63x(wt％C)+22.61x(wt％Cu)+280.84
HR＝22.96x(wt％C)+2.99x(wt％Cu)+78.91.
所述混合物含有约0.65-1.40％(重量)的MnS。
根据本发明的其它方面，一种粉末冶金产品含有：铁、约0.3-0.7％(重量)的碳(C)和约3.0-5.0％(重量)的铜(Cu)。所述铁包含其中含有MnS的铁晶粒。所述产品含有约0.65-1.40％(重量)的MnS。通过确定碳含量(wt.％C)和铜含量(wt.％Cu)，便能够基于如下关系式获得目标疲劳强度FS(MPa)和目标硬度HR(HRB)：
FS＝66.63x(wt％C)+22.61x(wt％Cu)+280.84
HR＝22.96x(wt％C)+2.99x(wt％Cu)+78.91.
附图说明
参照下面的详细描述，特别是结合附图分析时，将会容易地对本发明进行更为完全的评价，本发明伴随的许多优点将变得更加明显。
所述附图中：
图1是连杆的正视图；
图2是沉淀析出MnS的铁粉末粒子(P)的横截面放大视图；
图3示出了与由沉淀析出MnS的铁基粉末制成的粉末冶金产品的疲劳强度与其中的碳和铜含量之间的关系；
图4示出了由纯铁基粉末制成的粉末冶金产品疲劳强度与碳和铜含量之间的关系；
图5示出了疲劳强度(MPa)与铜含量(wt.％Cu)和碳含量(wt.％C)以及硬度(HRB)与铜含量(wt.％Cu)和碳含量(wt.％C)之间的关系。
具体实施方式
现在，参照附图对优选实施方案进行描述。
在粉末冶金中，在向铁粉末中添加某些元素并与之混合后，采用模具组，在压力下将所述混合物制成具有要求形状的生坯，然后，将该生坯烧结并锻造成最终的冶金产品。比如，这种冶金产品是图1所示的连杆。连杆1例如用于汽车内燃机中。连杆1包括小端部2和大端部3。小端部2与活塞相连。大端部3与曲轴相连。大端部3包括相互间通过螺栓4相联的两部分(3a和3b)。
在本发明的这一实施方案中，将一种能够提高粉末冶金产品机械加工性能的机加工性改进成分如MnS沉淀析出在铁粉末的铁晶粒中，以便改善粉末冶金产品的机械加工性。铁粉末包含大量的铁粒子。参照图2，在沉淀析出的铁粉末中，一个铁粒子(P)包括多个铁晶粒(g)。MnS，其在图2中以点示出，基本上均匀沉淀析出在铁晶粒(g)中。
除了MnS，还可以在铁粒子中沉淀析出用于改善粉末冶金产品机械强度的元素如Ni和/或Mo。同样，Ni和/或Mo粉末可以简单地与铁粉末混合。Ni和/或Mo还可以通过扩散结合与铁粒子结合。
本发明的发明人研究了铜和碳的含量对粉末冶金产品的机械加工性能和疲劳强度的影响。为了进行此项研究，采用沉淀析出MnS的粉末、纯铁粉末和其中添加并混合0.3％(重量)的MnS粉末的纯铁粉末作为基础粉末，制备出几种Fe-Cu-C混合物。表1示出了纯铁粉末和沉淀析出MnS的粉末的化学组成(以％(重量)计)。
表1
| 粉末 | C | Si | Mn | S | [O] |
| 沉淀析出的铁 | 0.002 | 0.01 | 0.56 | 0.300 | 0.23 |
| 纯铁 | 0.001 | 0.01 | 0.20 | 0.010 | 0.16 |
在沉淀析出的铁的制备过程中，将锰(Mn)和硫(S)在熔化和精炼期间添加至钢熔体中。然后，在气雾化过程中制备出铁粉末。结果，MnS沉淀析出在铁晶粒中。日本审定专利公报(kokoku)56-45964公开了这样一种方法。在此全部引入此参考文献的内容作为参考。将石墨粉末和铜(Cu)添加到铁粉末中。图2示出了沉淀析出MnS的铁粉末的一个粒子(P)的横截面放大图。粒子(P)采用奈塔尔硝酸乙醇腐蚀液腐蚀，以便观察到晶界。MnS粒子基本均匀沉淀析出在铁粒子各处。铁粉末包括大量的铁粒子。参照图2，在沉淀析出的铁粉末中，一个铁粒子(P)包括多个铁晶粒(g)。MnS，其在图2中以点示出，基本上均匀沉淀析出在铁晶粒(g)中。
铜粉末采用150目(105μm)筛网进行筛分，90％的铜粉末能通过200目(75μm)筛网。石墨(Gr)粉末的D50为9.1μm，D90为20.9μm。润滑剂(Lub)选自纯石蜡级。MnS粉末的D50为8.5μm，D90为32.4μm。混合物是典型的Fe-Cu-C组成。所有的试样混合物均采用588MPa的单轴液压机制成外径为90mm、高度为45mm的试样产品。在一种推进式烧结炉内，纯氮气氛中，1140℃(2084°F)下，对这些试样产品烧结40分钟。
在为了实施锻造对这些试样进行预热之前，将石墨润滑剂涂覆在烧结材料表面上，以降低烧结材料与锻模壁之间的摩擦和防止氧化(或脱碳)。在锻造用预热炉中，在1050℃(1922°F)下，对烧结材料预热30分钟。使用1600吨的机械锻造压机，采用980MPa的压力进行锻造。
(1)疲劳强度
根据1974年颁布的JIS Z 2274制备JIS(日本工业标准)1型旋转弯曲疲劳试样，以测量疲劳强度。在此全部引入1974年颁布的JISZ 2274的内容作为参考。根据Ono旋转弯曲疲劳方法测量疲劳强度。旋转速度为3600rpm。确定疲劳极限为107次循环。
(2)机械加工性能
采用止推力，即钻孔期间的切削抗力决定机械加工性能。止推力下降意味着机械加工性能提高。钻孔条件如下：
钻头：直径5mm的高速钢钻头，
速度：800rpm，
钻孔深度：10mm，
给料速度：0.05mm/转，
润滑状况：无润滑。
表2
| 基础粉末 | 试样编号 | Cu | C | FS | TS | HRB | 止推力 |
| ％ | ％ | N/mm2 | N/mm2 | Kgf | |||
| 沉淀析出的铁 | 1 | 2.06 | 0.15 | 334 | 574 | 88.3 | 60 |
| 2 | 2.04 | 0.35 | 343 | 662 | 94.1 | 56 | |
| 3 | 2.02 | 0.43 | 363 | 697 | 94.2 | 62 | |
| 4 | 2.57 | 0.43 | 373 | 739 | 96.2 | 62 | |
| 5 | 2.96 | 0.15 | 363 | 616 | 90.6 | 56 | |
| 6 | 2.97 | 0.43 | 373 | 792 | 97.9 | 67 | |
| 7 | 3.04 | 0.37 | 372 | 749 | 97.7 | 59 | |
| 纯铁+0.3％MnS | 8 | 3.01 | 0.54 | 383 | 838 | 99.6 | 69 |
| 9 | 1.98 | 0.44 | 343 | 729 | 90 | ||
| 10 | 2.10 | 0.65 | 372 | 890 | -- | ||
| 11 | 2.98 | 0.45 | 353 | 840 | -- | ||
| 12 | 3.09 | 0.65 | 382 | 999 | -- | ||
| 13 | 2.05 | 0.45 | 333 | 71 |
表2示出了粉末锻造试样的化学组成和机械性能。试样含有铜(2-3wt.％)与碳(0.2-0.6wt.％)的各种组合，以便研究它们对机械加工性能和疲劳强度的影响。某些试样，例如，2wt.％Cu-0.45wt.％C(试样3和9)，和3wt.％Cu-0.45wt.％C(试样6和11)对沉淀析出的基础材料和纯铁基础材料之间是等同可比的。根据这些比较，沉淀析出的基础材料的疲劳强度比纯铁基础材料更高。表2中，(FS)代表疲劳强度，(TS)代表抗拉强度，(HRB)代表硬度。
对试样3，9和13(Fe-2.0wt.％Cu-0.45wt.％C)的比较结果如下，在粉末锻造条件下，沉淀析出的铁粉末的疲劳强度比纯铁基础材料高20N/mm2(比混合MnS的基础材料高+30N/mm2)，止推力比纯铁基础材料低28kgf(比混合MnS的基础材料低9kgf)，即机械加工性能更好。
基础粉末 FS(N/mm2) 止推力(kgf)
纯铁(无MnS) 343 90
纯铁+0.3％MnS 333 71
沉淀析出的粉末 363 62
参看表2，对于沉淀析出的基础材料和纯铁基础材料，添加组元的作用似乎不同。为了确定添加组元对每种性能的影响，对沉淀析出的粉末和纯铁粉末的每种机械性能进行了回归分析。表3示出了下述方程的系数：
目标性能＝A×(wt.％Cu)+B×(wt.％C)+C (1)
wt.％Cu：铜的重量百分数
wt.％C：碳的重量百分数
A和B：系数。
表3
| 沉淀析出的铁 | FS | TS | YP | HRB | 止推力 |
| A | 22.61 | 75.28 | 65.47 | 2.993 | 2.01 |
| B | 66.63 | 525.66 | 234.43 | 22.960 | 22.81 |
| C | 280.84 | 326.60 | 294.95 | 78.912 | 47.99 |
| 纯铁 | FS | TS | YP | IV | |
| A | 9.15 | 106.64 | 99.53 | -1.38 | |
| B | 138.19 | 719.00 | 195.69 | -9.74 | |
| C | 263.71 | 200.26 | 220.24 | 15.43 |
对于疲劳强度(FS)，用于沉淀析出的粉末混合物时的铜的系数是纯铁粉末基础混合物时的两倍。确定碳对沉淀析出的粉末混合物的(FS)的影响仅为纯铁粉末基础混合物时的一半。另一方面，对于抗拉强度(TS)，铜和碳添加元素对基础材料的影响约为纯铁基础材料时的70％。
基于此结果，添加元素不仅对机械性能产生预期的影响，而且，这种影响也因基础粉末的不同而异。
图3和4示出了铜含量与碳含量之间的关系，以便根据方程(1)获得各个疲劳强度。显然，在粉末锻造条件下，纯铁基粉末锻造(P/F)的材料的疲劳强度比沉淀析出的基础粉末锻造的材料对碳含量更为敏感。这表明：与沉淀析出的基础材料相比，在整个制造过程中，为了获得均匀的性能，纯铁基材料要求更精确的碳含量控制。另一方面，尽管沉淀析出的基础材料比纯铁基材料对铜含量更为敏感，但铜的作用低于碳的1/3。已知有几种防止添加元素偏聚的方法，如扩散结合方法、有机粘结剂处理等。这些经处理的粉末能够有效防止偏聚的发生，但也仅仅是指在生坯状态。在对粉末锻造的部件进行加工时，不仅会与基础粉末中的氧作用发生脱碳，而且在烧结和锻造期间也会发生脱碳。沉淀析出的粉末用于粉末锻造场合的益处之一在于其对碳含量的敏感性较低。
在纯铁基粉末中，如果不损害机加工性能，已基本不可能再使疲劳强度提高。然而，本发明人发现：通过调整铜含量(wt.％Cu)与碳含量(wt.％C)，能够在不损害机加工性能的条件下提高疲劳强度。随着硬度降低，机加工性能改善。根据方程(1)和表3，本发明人发现：疲劳强度FS(MPa)与铜含量(wt.％Cu)和碳含量(wt.％C)的关系，以及硬度(HRB)与铜含量(wt.％Cu)和碳含量(wt.％C)的关系如下：
目标疲劳强度(MPa)＝22.61×(wt.％Cu)+66.63×(wt.％C)+280.84
目标硬度(HRB)＝2.99×(wt.％Cu)+22.96×(wt.％C)+78.91
确定了铜含量(wt.％Cu)和碳含量(wt.％C)，便可依据上述关系获得目标疲劳强度FS(MPa)和目标硬度HR(HRB)。
图5示出了疲劳强度(MPa)与铜含量(wt.％Cu)和碳含量(wt.％C)的关系，以及硬度(HRB)与铜含量(wt.％Cu)和碳含量(wt.％C)的关系。线(F)代表获得383MPa的疲劳强度FS时的C和Cu含量的组合。在线(F)以上，获得高于383MPa的疲劳强度FS。线(H)代表获得104(HRB)的硬度HR时的C和Cu含量的组合。在线(H)以下，获得低于104(HRB)的硬度HR。为了在不损害机加工性能和不增大成本的条件下提高疲劳强度，碳(C)含量为约0.3-0.7％(重量)，铜(Cu)含量为约2.0-5.0％(重量)。优选铜(Cu)含量为约3.0-5.0％(重量)。
在所述粉末中，沉淀析出在铁晶粒中的MnS量为约0.65-1.40％(重量)。如果MnS含量降至低于0.65％(重量)，则机加工性能下降。另一方面，如果MnS含量增至高于1.40％(重量)，则疲劳强度下降。优选MnS量为约0.65-1.00％(重量)。在此范围，能够在不损害机加工性能和基本不增大成本的条件下提高疲劳强度。更优选MnS量为约0.65-0.90％(重量)。
用于粉末冶金的混合物包括铁粉末、石墨粉末和约2.0-5.0％(重量)的铜(Cu)。优选铜(Cu)含量为约3.0-5.0％(重量)。铁粉末包含其中含有MnS的铁晶粒。该混合物含有约0.65-1.40％(重量)的MnS。混合物中存在石墨粉末以使粉末冶金产品中的碳含量为约0.3-0.7％(重量)。确定碳含量(wt.％C)和铜含量(wt.％Cu)，以便基于如下关系式来获得目标疲劳强度FS(MPa)和目标硬度HR(HRB)：
FS＝66.63x(wt％C)+22.61x(wt％Cu)+280.84
HR＝22.96x(wt％C)+2.99x(wt％Cu)+78.91.
铜粉末采用150目(105μm)筛网进行筛分，90％的铜粉末能通过200目(75μm)筛网。石墨(Gr)粉末的D50为9.1μm，D90为20.9μm。润滑剂(Lub)选自纯石蜡级。MnS粉末的D50为8.5μm，D90为32.4μm。混合物是典型的Fe-Cu-C组成。将混合物成型为具有预定形状的生坯。在一种推进式烧结炉内，纯氮气氛中，1140℃(2084°F)下，对生坯进行烧结40分钟。在为了实施锻造对这些烧结坯体进行预热之前，将石墨润滑剂涂覆在烧结坯体表面上，以降低烧结坯体与锻模壁之间的摩擦和防止氧化(或脱碳)。在锻造用预热炉中，在1050℃(1922°F)下，对烧结坯体预热30分钟。使用1600吨的机械锻造压机，采用980MPa的压力进行锻造。这样，就制备出粉末冶金产品。
显然，根据上述介绍，能够对本发明进行众多的修正和改变。因此，应该了解的是：除了此处具体介绍的情形之外，本发明可以在附后的权利要求范围内实施。
Claims (12)
1.一种用于粉末冶金产品的混合物，包括：
包含其中含有MnS的铁晶粒的铁粉末，所述混合物含有0.65-1.40％重量的MnS；
石墨粉末，混合物中存在的石墨粉末使得粉末冶金产品中的碳(C)含量为0.3-0.7％重量；以及
3.0-5.0％重量的铜(Cu)，
其中，通过确定所述碳重量百分含量(wt％C)和所述铜重量百分含量(wt％Cu)，基于如下关系式，以获得目标疲劳强度FS和目标硬度HR：
FS＝66.63×(wt％C)+22.61×(wt％Cu)+280.84，单位是MPa
HR＝22.96×(wt％C)+2.99×(wt％Cu)+78.91，单位是HRB。
2.根据权利要求1的混合物，其中，所述碳重量百分含量(wt％C)和所述铜重量百分含量(wt％Cu)满足关系
66.63×(wt％C)+22.61×(wt％Cu)≥102.16和
22.96×(wt％C)+2.99×(wt％Cu)≤25.09。
3.根据权利要求1的混合物，其中，所述混合物含有0.65-1.00％重量的MnS。
4.根据权利要求3的混合物，其中，所述混合物含有0.65-0.90％重量的MnS。
5.一种制备用于粉末冶金产品的混合物的方法，包括：
在铁粉末的铁晶粒中预合金化MnS，所述混合物含有0.65-1.40％重量的MnS；
向铁粉末中添加石墨粉末，使粉末冶金产品中的碳(C)含量为0.3-0.7％重量；
向铁粉末中添加3.0-5.0％重量的铜(Cu)；
通过确定所述碳重量百分含量(wt％C)和所述铜重量百分含量(wt％Cu)，基于如下关系式，以获得目标疲劳强度FS和目标硬度HR：
FS＝66.63×(wt％C)+22.61×(wt％Cu)+280.84，单位是MPa
HR＝22.96×(wt％C)+2.99×(wt％Cu)+78.91，单位是HRB。
6.根据权利要求5的方法，其中，所述混合物含有0.65-1.00％重量的MnS。
7.根据权利要求6的方法，其中，所述混合物含有0.65-0.90％重量的MnS。
8.一种生产粉末冶金产品的方法，包括：
在混合物制备过程中制备一种混合物，所述过程包括：
在铁粉末的铁晶粒中预合金化MnS，所述混合物含有0.65-1.40％重量的MnS；
向铁粉末中添加石墨粉末，使粉末冶金产品中的碳(C)含量为0.3-0.7％重量；
向铁粉末中添加3.0-5.0％重量的铜(Cu)；以及
通过确定所述碳重量百分含量(wt％C)和所述铜重量百分含量(wt％Cu)，基于如下关系式，以获得目标疲劳强度FS和目标硬度HR：
FS＝66.63×(wt％C)+22.61×(wt％Cu)+280.84，单位是MPa
HR＝22.96×(wt％C)+2.99×(wt％Cu)+78.91，单位是HRB；
在压力下将混合物制成生坯；以及
烧结该生坯。
9.根据权利要求8的方法，进一步包括：
对已烧结的生坯进行锻造。
10.根据权利要求8的方法，其中，所述混合物含有0.65-1.00％重量的MnS。
11.根据权利要求10的方法，其中，所述混合物含有0.65-0.90％重量的MnS。
12.一种粉末冶金产品，包括：
包含其中含有MnS的铁晶粒的铁，所述产品含有0.65-1.40％重量的MnS；
0.3-0.7％重量的碳(C)；以及
3.0-5.0％重量的铜(Cu)，
其中，通过确定所述碳重量百分含量(wt％C)和所述铜重量百分含量(wt％Cu)，基于如下关系式，以获得目标疲劳强度FS和目标硬度HR：
FS＝66.63×(wt％C)+22.61×(wt％Cu)+280。84，单位是MPa
HR＝22.96×(wtC)+2.99×(wt％Cu)+78.91，单位是HRB。
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