CN1276023A - 粉末金属烧结体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种制备粉末金属烧结体的方法。通过将不低于0.3wt.%的石墨粉末与铁基金属粉末混合,制备出一种粉末混合物(S1)。将所述粉末混合物压制成密度不低于7.3g/cm3的预型坯(S2)。在800—1000℃的温度下,烧结所述预型坯,以获得具有预定结构的粉末金属烧结体(S3)。所述粉末金属烧结体的预定结构包含铁基金属粒子和保留在所述铁基金属粒子之间的石墨粒子。

Description

粉末金属烧结体及其制备方法
技术领域
本发明涉及作为各种机器部件的粉末金属烧结体，以及制备该粉末金属烧结体的方法。
背景技术
制备粉末金属烧结体的方法基本上包括如下步骤：对各种原材料粉末进行混合，将所获粉末混合物压制成生坯，烧结该生坯，以及进行后处理例如热处理，以形成最终产品。尽管仅仅采用上述基本方法就可以制备出最终产品，但在许多情形下，需要根据各种应用场合的要求，对最终产品进行附加的加工和/或处理。
例如，为了获得机械强度较高的机器部件，日本专利申请一次公开1-123005公开了一种制备粉末金属烧结体的方法。该方法包括如下步骤：将粉末金属混合物压制成生坯，烧结该生坯以便形成预型坯，通过冷锻压缩预型坯，以及烧结该压缩后的预型坯以形成最终产品。具体地，该压缩(冷锻)步骤包括一个第一中间压缩步骤以及第二常规压缩步骤。在第一个中间压缩步骤中进行压缩之前，用润滑剂涂覆所述预型坯。在第一个中间压缩步骤中进行压缩之后，对该预型坯进行负压处理，以便蒸发并去除存在于预型坯多孔结构中细小孔穴内的润滑剂。然后，在第二常规压缩步骤中再压缩该预型坯。
根据所提出的方法，因为将存在预型坯多孔结构中细小孔穴内的润滑剂去除，所以，在第二个常规压缩步骤，该多孔结构受到挤压，并且，所述细小孔穴被消除掉。因此，该预型坯可以压缩成具有约7.4-7.5g/cm3的较高密度的最终产品，从而使最终产品的机械性能提高。
同时，为了进一步提高最终产品的机械强度，较好的办法是增加最终产品中的碳含量，即与金属粉末混合一起的石墨粉末的量。然后，一般而言，当所混合的石墨粉末的量增加时，通过烧结由所述粉末混合物制备而成的预型坯所获得的烧结体的延伸率降低，而硬度却增加，这就引起这样一个问题，即：当对预型坯进行再压缩时，预型坯的可变形性降低，从而不能对预型进行充分再压缩。
例如，在由日本粉末冶金协会于1985年11月15日出版发行的小册子题为“The Second Presentation of Developments in PowderMetallurgy”的第90页中，指出碳含量为0.05-0.5％的烧结体具有10％的延伸率以及洛氏B标度(HRB)83的硬度。依据经验可知，如果烧结体的延伸率不高于10％，以及硬度高于60HRB，则该烧结体不容易被再压制成最终产品。因此，要求所获得的烧结体具有增加的延伸率，降低的硬度以及优异的可变形性。
本发明人一直致力于获得由烧结金属制备而成的具有较高机械强度的机器部件的研究。根据发明人的研究，已注意到，当通过中间压缩金属粉末以形成预型坯，烧结该预型坯形成烧结体以及对该烧结体进行再压缩和再烧结来获得机械部件时，所述烧结体的特性是决定在再压缩步骤中的压缩性能和要获得的机器部件的机械性能的重要因素。而且，本发明人已认识到，为了获得机械强化的机器部件，必须使所形成的烧结体含有预定量的石墨，并且具有较高的延伸率，较低的硬度和良好的可变形性。
本发明人已经非常认真地对此进行了持续研究。作为本发明人认真研究的结果，已发现，烧结体的特定性能，特别是对烧结体的压缩性有显著影响的延伸率和硬度与预型坯的密度和烧结体的结构，尤其是烧结体结构中的石墨的状态密切相关。
本发明的一个目的是提供一种适于用来制造高强度的机械部件的粉末金属烧结体，该烧结体含有预定量的石墨，并且具有较高的延伸率，较低的硬度和良好的可变形性。
本发明的另一个目的是提供一种制备该粉末金属烧结体的方法。
发明公开
根据本发明的一个方面，所提供的是一种制备粉末金属烧结体的方法，该方法包括如下步骤：
将石墨粉末与铁基金属粉末混合，以形成粉末混合物，所述石墨粉末的存在量不低于所述粉末混合物重量的0.3％。
将所述粉末混合物压制成密度不小于7.3g/cm3的预型坯；以及
在预定温度下烧结所述预型坯，以形成具有预定结构的粉末金属烧结体。
根据本发明的另一个方面，所提供的是采用包括如下步骤的方法制备的粉末金属烧结体：
将石墨粉末与铁基金属粉末混合，以形成粉末混合物，所述石墨粉末的存在量不低于所述粉末混合物重量的0.3％；
将所述粉末混合物压制成密度不小于7.3g/cm3的预型坯；以及
在预定温度下烧结所述预型坯，以形成具有预定结构的粉末金属烧结体。
根据本发明的又一个方面，所提供的一是种具有预定结构的粉末金属烧结体，所述预定结构包含：
铁基金属粒子；以及
保留在所述铁基金属粒子之间的石墨粒子。
附图简述
图1是一种根据本发明的粉末金属烧结体的制备方法的流程图。
图2A-2D是所述方法中的一部分的说明图，图中示出的是图1中的方法所使用的将金属粉末成型为预型坯的装置；
图3A是一数据表，表中所列数据反映的是预型坯的密度与由该预型坯制成的粉末金属烧结体的延伸率间的关系；
图3B是反映图3A中所示关系的图线；
图4是是所述粉末金属烧结体的结构示意图；
图5A是一数据表，表中所列数据反映的粉末金属烧结体的延伸率随密度为7.3g/cm3的预型坯中存在的石墨粉末的量以及烧结温度的变化情况；
图5B是反映图5A所示延伸率变化情况的图线；
图6A是与图5A类似的数据表，但其中烧结坯的密度为7.5g/cm3；
图6B是反映图6A中所示变化情况的曲线；
图7A是一数据表，表中所列数据反映的是粉末金属烧结体的硬度随密度为7.3g/cm3的预型坯中存在的石墨粉末的量以及烧结温度间的变化情况；
图7B是反映图7A中所示的硬度变化情况的曲线；
图8A是与图7A类似的数据表，但其中烧结坯的密度为7.5g/cm3；
图9A是反映烧结温度与粉末金属烧结体的屈服应力之间关系的数据表，其中，所述粉末金属烧结体采用密度不同且含有平均粒子尺寸为20μm的石墨粉末的预型坯制备而成；
图9B是反映图9A中所示关系的图线；
图10A是与图9A类似的数据表，但其中石墨粉末的平均粒子直径为5μm。
图10B是反映图10A中所示关系的图线；
图11A是此处所述及的实施例1，2和参照例1中所用试样的平面图；
图11B是沿图11A中的箭头11B所示方向的侧视图；以及
图12A和12B是径向压碎试验的说明图，展示的是此处述及的实施例3中所用试样的正视图和侧视图。
实施本发明的最佳模式
现在参照图1，对根据本发明的制备粉末金属烧结体的方法进行说明。在图1中，也对作为后处理的由粉末金属烧结体制造最终产品的附加步骤进行说明，其中所述粉末金属烧结体采用本发明的方法制备而成。
如图1所示，所述方法包括下述步骤S1，S2和S3，所述附加步骤包括S4和S5。
在步骤S1，将石墨粉末与铁基金属粉末混合以形成一种粉末混合物。所述石墨粉末的量不低于所述粉末混合物总量的0.3％，优选为0.3-0.8％。所述石墨粉末的平均粒子直径为5-30μm，所述铁基金属粉末的平均粒子直径为40-250μm。通过将不低于0.3wt.％的石墨粉末进行混合，将在所述附加步骤中由所述粉末金属烧结体制成的最终产品的机械强度可基本增至与铸造件和锻造件相同的水平。
然后，所述方法进行至步骤S2，在该步骤中，将步骤S1中制备的粉末混合物压制成密度不低于7.3g/cm3的预型坯，压制所用装置将在后面介绍。
随后，在步骤S3，在800-1000℃的预定温度烧结在步骤S2的预型坯，以获得具有后面所述预定结构的粉末金属烧结体。
在作为后处理的所述附加步骤，可以再压制并且随后再烧结所制备的粉末金属烧结体。在步骤S4，采用例如冷煅造对所述粉末金属烧结体进行再压制。然后，在步骤S5，对在步骤S4再压制的粉末金属烧结体进行再烧结，以便获得最终产品。
图2A-2D示出了在图1所示的步骤S2中实施的粉末混合物的压制过程，以及实施该过程所用的装置。
如图2A所示，所述装置包括一个具有模腔5和对模腔5起限定作用的冲模表面的冲模4，还包括适合进出模腔5的两个相对的上冲头6和下冲头7。将在步骤S1制备的粉末混合物3置入模腔5中。冲模4的模腔5一般为圆柱形，其包括一个较大直径部分9，一个较小直径部分10以及一个连接所述较大直径部分9和较小直径部分10的锥形部分11。
上冲头6的一部分为空心圆柱形，以便能够滑动进入冲模4的模腔5的较大直径部分9。对上冲头6进行设计使所述圆柱部分能够沿模腔的中心轴方向进入模腔5中。上冲头6能够在模腔5的较大直径部分9范围内，如图2B所示的预定压制位置停止轴向运动，在该位置，所述空心圆柱部分对粉末混合物进行压制。上冲头6在其空心圆柱部分的末端上具有上控制表面12。在预定的压制装置，上控制表面12挤压所述粉末混合物，从而形成如图2B所示的预型坯8的上表面的轮廓。下冲头7的一部分为能够滑动进入冲模4的模腔5的较小直径部分10的空心圆柱形。对下冲头7进行设计的目的是使所述空心圆柱部分可在模腔5中沿模腔5的中心轴方向移动。下冲头7具有在如2B所示的模腔5的较小直径部分10范围内的预定冲制位置，在该位置，所述下冲头的空心圆柱部分对所述粉末混合物3进行压制。下冲头7在其空心圆柱部分的末端具有下控制表面15。在预定的压制位置，下表面15挤压所述粉末混合物3，从而形成预型坯8的下表面的轮廓。上冲头6的上控制表面12和下冲头7的下控制表面15同冲模4的模表面一起，共同确定构成模腔5的一部分的预定模压体积空间的大小。
上冲头6和下冲头7中至少之一具有增加预定模压体积空间的凹进部分13。在本实施方案中，凹进部分13是形成于上冲头6的上控制表面12的圆周上的沟槽。所述沟槽在沿上冲头6的中心轴所做的剖面一般呈L型轮廓，如图2A所示。所述凹进部分13可以在下冲头7上形成，或者同时在上冲头6的控制表面12和下冲头7的控制表面15上形成。
一个圆柱形芯子14位于冲模4的模腔5内。所述芯子14具有一个下冲头7的空心圆柱部分可与之滑动配合的端部，而且，还具有一个上冲头6的空心圆柱部分可滑动进入的相对端部。所述芯子14具有将一般呈空心圆柱的空间限定在模压体积空间范围内的圆周表面16。所述一般呈空心圆柱形的空间用所述粉末混合物3填充，如图2A示，所述芯子14的圆周表面16与冲模4的冲模表面以及上冲头6的控制表面12和下冲头7的控制表面15一起，共同将所述粉末混合物3加工成总体呈柱形，部分呈截头锥形的空心预型坯8，如图2B-2D所示。
此后介绍所述装置的使用过程。
首先，如图2A所示，在通常温度下，将粉末混合物3添加到冲模4的模腔5中，下冲头7处于如图2A中所示的位置，此时，其圆柱部分的末端位于模腔5的较小直径部分10的范围内。
随后，如图2B所示，将上冲头6嵌入到模腔5的较大直径部分9中，并且移动至其预定压制位置。下冲头7进一步移动至其预定压制位置。上冲头6和下冲头7在各自的预定压制位置共同将所述粉末混合物3压制成总体呈空心圆柱形状的预型坯8。这时，冲模4的模表面紧紧贴压所述粉末混合物3，从而使预型坯8具有外圆周表面的轮廓，同时，芯子14的圆周表面16挤压所述粉末混合物3，从而使预型坯8具有内圆周表面的轮廓。同时，所述粉末混合物3的一部分进入上冲头6的凹进部分13，从而形成预型坯8中密度较小的部分。结果，预型坯8在密度较小的部分具有比余下其它部分更低的密度。
然后，如图2C所示，上冲头6向上移动以阻滞其圆柱部分与模腔5分离，冲模4向下移动到下冲头7的圆柱部分上。
接着，冲模4进一步向下移动至如图2D所示的位置，在该位置，位于下冲头7的圆柱部分的控制表面15上的预型坯8从冲模4的模腔5中露出。然后，可以从冲模4和下冲头7上取下预型坯8。
在本发明人所进行的实验中，已发现，当在压制阶段，向其中作为润滑剂的硬脂酸锌含量分别为0.2wt.％，0.3wt.％和0.4wt.％的粉末混合物3施加10吨力/cm2的载荷时，所获预型坯8的密度分别为7.57，7.55和7.47。
可以采用所谓的加热模压制备预型坯8，该方法中，压制粉末混合物3之前，需在预定温度加热粉末混合物3和冲模4，以便降低粉末混合物3的屈服点。
通过使用所述装置，可以很容易地获得作为生坯的密度不低于7.3g/cm3的预型坯8。
一般地，在压制粉末混合物时，被压制的坯体的密度越大，被压制的坯体与冲模间所产生的摩擦越高，而且，被压制坯体的弹性后效越大。这不利于被压制体从冲模中的容易取出，而且，特别是，当将密度较高的压制坯体从冲模中取出时，更是如此。
在根据本发明的装置和采用该装置的压制步骤中，上述这一问题能够加以解决。
即，由于冲模4的模腔5的锥形部分11起拉拔作用，所以，预型坯8可以很容易地从冲模4的模腔5中取出。结果，所述锥形部分11起到了使预型坯8从冲模4中的取出更加方便的作用。
另外，由于在上冲头6的控制表面12的周边布置有凹进部分13，模压体积空间得以增加，从而使预型坯8的密度局部降低。根据本发明的方法的S2中的压制过程结束时，靠近上冲头6的凹进部分13的预型坯8具有较低的密度，由于预型坯8中存在密度较低的部分，因此，有效限制了预型坯8与冲模4间的摩擦以及预型坯8的弹性后效，从而使得预型坯8从冲模4中的取出容易实现。
在步骤S3，通过在800-1000℃的温度下进行中间烧结，来将密度不低于7.3g/cm3的预型坯8加工成粉末金属烧结体。图3A和3B示出了作为生坯的预型坯的密度与由该预型坯制成的粉末金属烧结体的延伸率之间的关系。在图3A和3B中，通过在800℃下烧结密度为6.1-7.5g/cm3的预型坯来制备出各种粉末金属烧结体。每种所述粉末金属烧结体均由包括铁基金属粉末和含量为0.5wt.％的石墨粉末的粉末混合物制备而成。在图3A中，预型坯的密度用密度(g/cm3)表示，粉末金属烧结体的延伸率用延伸率(％)表示。在图3B中，所述粉末金属烧结体的延伸率和所述预型坯的密度的表示方法与图3A相同，0.5wt.％的石墨粉末表示为0.5％C。如图3A和3B所示，由密度不低于7.3g/cm3的预型坯制成的粉末金属烧结体的延伸率不低于10％。
通过在800-1000℃的温度下烧结在步骤S2制得的预型坯8所形成的粉末金属烧结体具有预定的结构，所述预定结构包括铁基金属粒子和保留在所述铁基金属粒子间的石墨粒子。具体地，所述粉末金属烧结体的预定结构包含保留在所述铁基金属粒子上的石墨粒子，但不含有沿所述铁基金属粒子的晶界析出的石墨粒子，也不含有总体上由珠光体组成的铁基金属粒子，当在所述粉末金属烧结体的预定结构中，所混和的石墨粒子的总量在铁基金属粒子间得以保留时，所述铁基金属粒子可以大体上由铁素体构成。当在该粉末金属烧结体的预定结构中，所混合的石墨粒子的一部分在铁基金属粒子间得以保留，而所混合的石墨粒子的余下部分结合进入铁基金属粒子的晶体结构中时，所述铁基金属粒子可以由作为基体的铁素体和靠近保留在铁素体之间的石墨粒子析出的珠光体构成，也就是说，所述珠光体分布在每个铁基金属粒子的表面部分。图4示出了后面这一情形时的预定结构。图4中，标记3a和3b分别指的是铁基金属粒子和保留在铁基金属粒子间的石墨粒子，标记F和P分别代表作为基体的铁素体和在保留的石墨粒子3b附近析出的珠光体。对于所述预定结构而言，所述粉末金属烧结体具有较高的延伸率和较低的硬度，因此具有优异的变形性能。
另外，具有7.3g/cm3或更高的的预型坯8的结构对所述粉末金属烧结体的延伸率有更显著影响。在具有所述密度的预型件8的结构中，铁基金属粒子以更密实状态存在，从而使得粒子间的空隙很有限，结果导致在随后的烧结步骤S3，烧结炉内的环境气体不能深入到预型坯8的结构中。这会限制预型坯8在所述烧结步骤发生渗碳，结果使得所述粉末金属烧结体具有较高的延伸率。此外，由于在烧结步骤3，碳很难在密度为7.3g/cm3或更高的预型坯8的结构中扩散，因此，由预型坯8制成的粉末金属烧结体的延伸率可能受到的所混合的石墨粉末的量的影响较小，而且，所述粉末金属烧结体的硬度能够得以降低。
此外，在烧结步骤3，烧结在较大程度上由出现在预型坯8中铁基金属粒子的共同的接触表面上的表面扩散或熔化所引起，因此，所述粉末金属烧结体可以具有较大的延伸率，即，10％或更高的延伸率。
通过在800-1000℃的温度下，烧结预型坯8，所述粉末金属烧结体能够具有良好的可变形性，适于在随后的再压制步骤S4如冷锻造成型为具有预定形状的最终产品。具有良好可变形性的粉末金属烧结体的变形抗力较小，因此，能够容易地将所述粉末金属烧结体加工成最终产品。良好的可变形性的一个因素在于通过在800-1000℃的温度下烧结预型坯8所形成的粉末金属烧结体的延伸率较高，等于或高于10％。
图5A和5B中示出了在700-1100℃下，烧结预型坯8所形成的粉末金属烧结体的延伸率的变化情况，所述预型坯8由包括铁基金属粉末和含量分别为0.3wt.％，0.5wt.％，1.0wt.％和2.0wt.％的石墨粉末的粉末混合物3制备而成，并且其密度为7.3g/cm3。在图5A中，所述粉末金属烧结体的延伸率表示为延伸率(％)，所混有的石墨粉末的量表示为石墨的量(混合态，wt.％)。在图5B中，所述粉末金属烧结体的延伸率的表示方法与图5A相同，所混入的石墨粉末的各个量分别表示产0.3％C，0.5％C，1.0％C和2.0％C。
图6A和6B示出了所述粉末金属烧结体的延伸率的变化情况，这两个图与图5A和5B相似，只是所述粉末金属烧结体由密度为7.5g/cm3的预型坯制备而成。
由图5A，5B，6A和6B可看出，通过在800-1000℃下，烧结密度为7.3g/cm3和7.5g/cm3以及石墨含量为0.3-2.0wt.％的预型坯8所形成的粉末金属烧结体的延伸率不低于10％。将意识到的是，通过烧结密度为7.3-7.5g/cm3的预型坯8，可以获得具有10％或更大的较高延伸率的粉末金属烧结体。
图7A和7B示出了在700-1000℃下，烧结预型坯8所形成的粉末金属烧结体的硬度的变化情况，所述预型坯8由包括铁基金属粉末和含量分别为0.3wt.％，0.5wt.％，1.0wt.％和2.0wt.％的石墨粉末的粉末混合物3制备而成，并且其密度为7.3g/cm3。在图7A中，所述粉末金属烧结体的硬度表示为洛氏B标度硬度(HRB)，所混入的石墨粉末的量表示为石墨的量(混合态，wt.％)。在图7B中，所混入的石墨粉末的各个量的表示方法与图5B相同。
图8A和8B示出了所述粉末金属烧结体的硬度的变化情况，这两个图与图7A和7B相似，只是所述粉末金属烧结体由密度为7.5g/cm3的预型坯8制备而成。
由图7A，7B，8A和8B可看出，通过在800-1000℃的温度下，烧结密度为7.3g/cm3和7.5g/cm3，以及石墨含量为0.3-2.0wt.％的预型坯8所形成的粉末金属烧结体的硬度基本上不高于60HRB。应该意识到的是，通过在800-1000℃的温度下，对密度为7.3-7.5g/cm3和石墨含量为0.3-2.0wt.％的预型坯8烧结，能够获得硬度基本上低于或等于60HRB的粉末金属烧结体。不高于60HRB的硬度值比含碳量约0.2％的低碳钢的退火硬度还低。
图9A和9B示出了烧结温度与所述粉末金属烧结体的屈服应力间的关系，所述粉末金属烧结体通过在700-1100℃下烧结密度分别为7.3g/cm3和7.5g/cm3的预型坯8来获得。所述预型坯8由粉末混合物3制备而成，所述粉末混合物包含平均粒子直径为80μm的铁基金属粉末和0.5wt.％的平均粒子直径为20μm的石墨粉末。在图9A中，粉末金属烧结体的屈服应力表示为屈服点(MPa)。
图10A和10B示出了烧结温度与粉末金属烧结体的屈服应力间的关系，这两个图与图9A和9B类似，只是粉末混合物3中含有的石墨粉末的平均粒子直径为5μm。
从图9A，9B，10A和10B可看出，当在800-1000℃下烧结密度分别为7.3g/cm3和7.5g/cm3的预型坯8时，所述粉末金属烧结体的屈服应力为202-272MPa。粉末金属烧结体的屈服应力越低，其变形抗力越小。202-272MPa的屈服应力比碳含量约0.2％的低碳钢的屈服应力还低。
由如上介绍可知，采用本发明的方法，能够制备出具有10％或更多的较高延伸率，基本上低于或等于60HRB的较低硬度和202-272MPa的较低屈服力、进而展现出优异的可变形性能的粉末金属烧结体。
而且，根据本发明，可获得具有预定结构的粉末金属烧结体，所述预定结构包括一定量的保留在铁基金属粒子间的石墨粒子，这有利于提高粉末金属烧结体的延伸率和降低所述烧结体的硬度。
实施例
通过实施例并参照附图对本发明进行更详细地描述。然而，这些实施例只是说明性的，并未打算对本发明的范围加以限制。
实施例1
通过将0.5wt.％的石墨粉末与铁基金属粉末混合，制备出一种粉末混合物。所混合的石墨粉末的平均粒子直径为20μm，铁基金属粉末的平均粒子直径为80μm。将所制备的粉末混合物压制成密度为7.3g/cm3的预型坯。然后，在一种不锈钢网烧结炉内，于氮气氛中烧结所述预型坯，烧结温度为900℃，烧结时间在60-120分钟之间变化，以便成型为粉末金属烧结体。对所形成的粉末金属烧结体进行延伸率试验和硬度试验，以测定其延伸率和硬度的大小。
然后，由通过冷锻造所述粉末金属烧结体并且在1100℃下再烧结冷锻后的粉末金属烧结体获得的产品制备出如图11A和11B所示的拉伸试样100。试样100具有7.81-7.85g/cm3的密度，此值与碳钢的密度相等。如图11A和11B所示，试样100具有棒状构形，而且具有一个笔直部分102和在该笔直部分102的相对的端点处形成的两个头部。在图11A和11B中，尺寸单位为毫米。对试样100进行拉伸试验以测定其抗拉强度。也对试样100进行热处理，之后再进行拉伸试验，以测定其抗拉强度。
结果，已发现，所述粉末金属烧结体的延伸率和硬度分别为：延伸率-16.2％；硬度-48.8HRB。已认识到，烧结时间在上述范围内变化对所述粉末金属烧结体的延伸率和硬度的影响较小。
已发现，在前一种情形时的试样100的抗拉强度结果是637N/mm2，在后一种情形时的试样100的抗拉强度结果是1000N/mm2。
实施例2
采用与实施例1相同的步骤，制备出一种粉末混合物并将其加工成预型坯，只是预型坯的密度为7.5g/cm3。采用与实施例1相同的步骤由所获预型坯制备出粉末金属烧结体。对所获粉末金属烧结体进行延伸率试验和硬度试验，以测定其延伸率和硬度的大小，所采用的测试步骤与实施例1相同。
接着，采用与实施例1相同的步骤制备出拉伸试样100。重复实施例1中所述的拉伸试验。
已发现，所述粉末金属烧结体的延伸率和硬度分别是：延伸率-16.9％；硬度-50.6HRB。已认识到，烧结时间在上述范围内的变化对所述粉末金属烧结体的延伸率和硬度的影响较小。
已发现，抗拉强度的试验结果与实施例1中所述的试验结果相同。
实施例3
将0.5wt.％的平均粒子直径为5μm的石墨粉末与99.5wt.％的铁基粉末KIP301A混合，以制备一种粉末混合物，所述铁基粉末KIP301A的生产商为Kawasaki Steel Corporation，该粉末的组成为不高于0.01wt.％ C，不高于0.05wt.％ Si，0.1-0.25wt.％ Mn，不高于0.025wt.％ P，不高于0.025wt.％ S，不高于0.25wt.％ O，余者为Fe。使用500吨的压制装置对所制备的粉末混合物进行压制，从而制备出密度为7.5g/cm3的总体呈扁柱形的预型坯。同时，用一种长为0.15mm的环状凸体对每个预型坯的一个端面进行成型，所述预型坯的外径为30mm，由所述环状凸体限定的内径为26mm，长度为13mm。在一种不锈钢网炉内，于氮气氛中，900℃下烧结所制备的预型坯，时间为60分钟。采用400吨的冷锻压制设备冷锻所获得的烧结预型坯，从而制备出具有中心孔的冷锻圆柱体。线切割所述冷锻圆柱体以形成空心圆柱轴承。在1130℃下再烧结所形成的轴承，时间为20分钟，然后，对其再进行热处理，包括渗碳。淬火和回火，以便制备如图12A和12B所示的径向压碎试样300。所形成的径向压碎试样300的外径为30.0mm，在图12A中表示为D，厚度为3.35mm，在图12A中表示为T，长度为10.0mm，在图12B中表示为L。
根据JISZ2507对试样300进行径向压碎试验，如图12A和12B所示，每个试样300均置于与试样300的中心轴平行的两个相对的压制面302和304之间，并且施加用图12A和12B中的箭头P表示的压力。
已发现，试样300的径向压碎强度为8755(N)。试样300的径向压碎强度常数可通过采用下公式(1)，由径向压碎强度计算出：
K＝P(D-T)/LT2                              (1)
其中，K：径向压碎强度常数(N/mm2)
      P：径向压碎强度(N)
      D：轴承外径(mm)
      T：轴承厚度(mm)
      L：轴承长度(mm)
计算结果如下：
      K＝2079.0(N/mm2)(最大值)
通过采用下述的U.S.A.MPIF*转换公式(2)，可由上面计算出的试样300的径向压碎强度常数计算出该试样的抗拉强度：
抗拉强度＝2.14K/4    (N/mm2)     (2)
*：金属粉末工业联合会
所述试样300的抗拉强度的计算结果为1112.3(N/mm2)(最大值)。
可以认为，冷锻后的柱体的抗拉强度比试样300的上述抗拉强度计算值要高。这是因为在随后进行的再烧结和热处理过程中，冷锻后的柱体的抗拉强度降低，而其硬度在这些过程中则增加。抗拉强度较高的冷煅柱体可以用在各种要求良好的可变形性，但不必进行所述随后的处理的应用场合。
对照例1
采用与实施例1相同的方式制备出粉末混合物，只是所混后的石墨粉末的量分别为0.5wt.％，0.8wt.％和1.0wt.％。采用与实施例1相同的步骤由所获得的粉末混合物制备出预型坯，然后，再将预型坯加工成粉末金属烧结体。采用与实施例1相同的步骤制备出试样100，并且，然后进行拉伸试验，以测量所述试样的屈服强度。
已发现，所述试样屈服强度的试验结果分别为15kg/mm2，20kg/mm2和25kg/mm2。当所混合的石墨粉末不高于0.8wt.％时，试样的屈服强度低于或等于20kg/mm2。低于或等于20kg/mm2的屈服强度能够满足降低所述粉末金属烧结体变形抗力的要求，从而使其具有良好的可变形性。可以了解到，所混合的石墨粉末的量不超过0.8wt.％时有利于使所述的粉末金属烧结体具有良好的可变形性。同时，当所混合的石墨粉末为0.8-1.0wt.％时，所述试样的屈服强度比碳含量0.3％的普通钢碳钢退火后的屈服强度还低。可以认为，采用本发明的方法制备的粉末金属烧结体可以具有较低的变形抗力，其可变形性优于退火后的变通碳钢。因此，可注意到，由于变形抗力降低，在作为后处理的过程中，再压制所述粉末金属烧结体所需要的载荷可以减小。再压制载荷的减小能够省去磷酸盐表面处理步骤，这种表面处理一般在随后的再压制步骤中的冷锻之前进行，目的是降低退火的普碳钢与冲模间的摩擦阻力，以及使粉末金属烧结体从冲模中更易于取出。这就节省了制造时间，而且，还消除了在磷酸盐表面处理时所用的磷酸盐的废液对环境的有害影响。
工业应用性
本发明的粉末金属烧结体具有适于提高作为最终产品的机器部件的机械强度的石墨含量，而且，还表现出特定的性能，即提高的延伸率，降低的硬度和良好的可变形性。采用根据本发明的制备粉末金属烧结体的方法，能够制备出具有上述特定性能的粉末金属烧结体。对本发明的粉末金属烧结体进行后处理，能够获得其机械强度与铸造或锻造基本相同的最终产品。

Claims (17)

1.一种制备粉末金属烧结体的方法，其包括如下步骤：
将石墨粉末与铁基金属粉末混合，以形成一种粉末混合物，所述石墨粉末的量不低于所述粉末混合物的重量的0.3％；
将所述粉末混合物压制成密度不低于7.3g/cm3的预型坯；以及
在预定温度下烧结所述预型坯，以便获得具有预定结构的粉末金属烧结体。
2.根据权利要求1的方法，其中所述预定温度为800-1000℃。
3.根据权利要求1的方法，其中所述粉末金属烧结体的延伸率不低于10％，洛氏B标度硬度(HRB)为60或更低。
4.根据权利要求1的方法，其中所述预定结构包含铁基金属粒子，以及保留在铁基金属粒子之间的石墨粒子。
5.根据权利要求1的方法，其中，压制所述粉末混合物的步骤包括将所述粉末混合物的一部分成型为所述预型坯中的密度较低的部分。
6.根据权利要求1的方法，其中，压制所述粉末混合物的步骤包括：
将具有第一控制表面的第一个冲头置于在冲模中形成的模腔内；
将所述粉末混合物添加至所述模腔中；
在所述模腔内，将所述第一个冲头移动至第一个预定压制位置；以及
将具有第二个控制表面的第二个冲头移动至处于所述模腔范围内的第二个预定压制位置，其中，限定所述模腔的所述第一个和第二个控制表面与冲模表面一起，将所述粉末混合物压制成具有密度较低部分的所述预型坯。
7.根据权利要求6的方法，其中，所述第一个冲头和第二个冲头中至少之一具有增加预定的模压体积空间的凹进部分，所述模压体积空间由所述第一个和第二个控制表面与所述冲模表面一起共同形成。
8.根据权利要求7的方法，其中，所述凹进部分包括在所述第一个和第二个冲头中至少之一的控制表面的圆周上形成的沟槽。
9.根据权利要求7的方法，其中，所述模腔总体上呈圆柱状，而且，包括一个较大直径部分，一个较小直径部分和一个将较大直径部分和较小直径部分连接一起的锥形部分，所述第一个冲头可移动进入所述模腔的所述较大直径部分，所述第二个冲头可移动进入所述较小直径部分。
10.采用包括下述步骤的方法制备的粉末金属烧结体：
将石墨粉末与铁基金属粉末混合，以制备一种粉末混合物，所述石墨粉末的量不低于所述粉末混合物重量的0.3％；
将所述粉末混合物压制成密度不小于7.3g/cm3的预型坯；以及
在预定温度下烧结所述预型坯，以形成具有预定结构的粉末金属烧结体。
11.根据权利要求10的粉末金属烧结体，其中，所述粉末金属烧结体的延伸率不低于10％，洛氏B标度硬度(HRB)为60或更低。
12.根据权利要求10的粉末金属烧结体，其中，所述预定温度为800-1000℃。
13.根据权利要求10的粉末金属烧结体，其中，所述预定结构包含铁基金属粒子，以及保留在所述铁基金属粒子之间的石墨粒子。
14.根据权利要求10的粉末金属烧结体，其中，压制所述粉末混合物的步骤包括压缩所述粉末混合物，并且同时使一部分所述粉末混合物形成所述预型坯中的密度较低的部分。
15.具有预定结构的粉末金属烧结体，所述预定结构包含：
铁基金属粒子；以及
保留在所述铁基金属粒子之间的石墨粒子。
16.根据权利要求15的粉末金属烧结体，其中，所述粉末金属烧结体含有的碳的量不低于所述粉末金属烧结体重量的0.3％。
17.根据权利要求15的粉末金属烧结体，其中，所述粉末烧结体的延伸率不低于10％，洛氏B标度硬度(HRB)为60或更低。
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