CN1295506A - 高强度金属固结体、氧钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明申请通过以静液压进行的压力加工使铁等的原料金属粉末固结而提供一种高强度金属固化体,它,比如,是一种高强度高韧性的钢材,它具有超细的组织,这包括由平均直径为5μm或更小,或更优选是3μm或更小的晶粒组成的结晶组织。此外,本发明提供一种包括在该高强度固结体中的钢质材料,它含有体积比为0.5—60%的直径小于0.2μm或更小的氧化物颗粒。

Description

高强度金属固结体、氧钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及高强度金属固结体、氧钢(oxygen steel)及其生产方法。详而言之，本发明涉及一种易于生产的，有极高强度和延伸率的金属粉末的高强度金属固结体，涉及作为该高强度金属固结体的一种特定类型的，无需附加元素，而且重量轻、刚性高的氧钢，并涉及通过压力加工生产该固结体的方法。

背景技术

按常规，在通过粉末的固结成形生产金属材料的情况下，用球磨机进行的机械合金化适于获得组织极细的粉末，从而提高所得固结体的强度，此外，采用HIP工艺以消除其中的孔洞。这种用于从金属粉末获取固结体的常规生产方法涉及很多工艺步骤，不仅需要庞大的生产系统，而且因耗费大量的生产时间和成本，而且因为是间歇进行的工艺，故供应大量原料有很多困难。

虽然省去机械合金化及HIP工艺的固化成形有利于大量生产，但另一方面，不仅因粗大的组织使得强度不够，而且由于其内部形成大量粗大的孔洞还使得延伸率和韧性不足。

因此，在生产金属粉末固结体时，认为机械合金化和其后的HIP工艺是必要的。所以一直认为，生产具有较高强度，又具有较高的延伸率的粉末固结体是困难的。

此外，在生产钢材时，不管是否为金属粉末的固结体，通过正确地加入附加元素，如，C、Si、Mn、Nb、Cu、Ni等(其量为0.22％(重量)或更高的Pcm)，然后施以淬火和回火，或用控制轧制或控制冷却工艺，可得到TS为590MPa或更高的高强度材料。但，以这种方式获得的钢材需要添加各种稀有元素，从而使所得的材料产生一些问题，如，它们不适于再利用，或在焊接时需要预热，或使得在焊接时受热影响的部位变硬。此外，因难以在整个横截面中都有均匀的组织，所以在钢材内部有非均质的材料分布。

发明的公开

因此，在重新审视常规技术知识和通常的观念时，本发明的第一目的在于提供一种高强度的金属固结体，它具有，比如450MPa或更高的强度及5％或更高的均匀的延伸率，该固结体能够不用机械合金化及后续的HIP工艺大量生产。

为解决上述课题，本申请的发明提供了这样一种固结体，它是一种以Fe或Ti作为主要组分的原料金属粉末的固结体，它的特征在于具有超细的组织，该组织是由平均晶粒直径5μm的或更小的晶粒构成的。

根据本发明申请的另一个方面，提供了一种与上述固结体相关的高强度金属固结体，它通过采用静液压进行的压力加工，尤其是通过采用选自平辊轧、有槽辊轧，挤压、旋锻中的至少一种压力加工而固结的，或提供了一种经过用护套材料进行的压力加工成的高强度金属固结体；或一种在不高于800℃的温度下固结的高强度金属固结体。

本发明申请的第2目的在于提供了一种新的钢质材料，它几乎不含附加元素，如Si、Mn、Nb、Cu和Ni，而具有，比如，590MPa或更高的强度、5％或更高的均匀延伸率、优越的韧性，而且由于克服了预热处理及热影响区硬化的问题而且显示优良的焊接性能，以及适于回收利用的优越性能。

作为上述目的解决方案，本发明申请提供了一种氧钢，这是一种直径0.2μm或更小的氧化物以0.5-60％的体积分散于其中的钢质材料。

此外，本发明申请提供了上述的氧钢，其中包括基体相的铁素体晶粒的平均直径为5μm或更小；或上述各种钢中的任一种氧钢的氧含量为0.05％(重量)或更多；此外还提供了一上述各种钢中的任一种氧钢，其中抗拉强度(MPa)×延伸率(％)之积为4000(MPa·％)或更大，而截面收缩率为50％或更高。

除上述的钢之外，本发明申请还提供了生产上述高强度金属固结体及氧钢的方法。

本发明申请特别是提供了生产高强度金属固结体的方法，该法包括借助于用静液压进行的压力加工使含有作为主要组分的Fe或Ti的原料金属粉末固结，从而产生具有优越组织的金属固结体，所述组织包括由平均直径为5μm或更小的晶粒构成的结晶组织。

本发明还提供了一种与上述方法相关的生产方法，其中的压力加工包括用平辊轧、有槽辊轧、挤压和旋锻进行的加工中的至少一种为代表的，包括用护套材料进行的压力加工，其中，该压力加工可在不高于800℃的温度下进行。

此外，除包括碾磨金属粉末，然后在将粉末保持于密封状态下对其施以压力加工使此粉末固结的为代表的方法外，本发明还提供一种生产钢质材料的方法，该法包括使用含有作为主要组分的Fe的原料粉末，其中，该原料粉末含0.05％(质量)或更高的氧，而且在500℃-Fe的转变温度的温度范围内进行压力加工，从而产生含有分散于其中的，0.5-60％(体积)的，平均直径为0.2μm或更小的氧化物颗粒的钢质材料。

本发明还提供了一种符合上述方法的生产方法，其中，含有作为主要组分的Fe的该原料粉末含0.05-0.5％(重量)的氧、0.01％(重量)或更少的C、0.1％(重量)或更少的Cr、0.1％(重量)或更少的Si、及0.5％(重量)或更少的Mn。

附图的简要说明

图1是应力-应变曲线图；

图2是用透射电子显微镜(TEM)观察到的金属组织；

图3展示了杨氏模量、密度、和杨氏模量与密度之比和氧浓度间的关系。

实施发明的最佳方式

虽然本发明的特征已简述于上，下面陈述本发明的实施方案。

对本发明的高强度金属固结体有如下2个要求：

1)该固结体是含有作为主要组分的Fe或Ti的原料金属粉末；

2)构成该结晶组织的晶粒的平均直径为5μm或更小，而更优选是为3μm或更小。

由于满足以上2要求，本发明提供了强度为450MPa或更高，均匀延伸率为5％或更高的高强度金属固结体。

至于含有作为主要组分的Fe或Ti的原料金属粉末可采用含有50％(原子)或更多，更优选是80％(原子)或更多的Fe或Ti的名种材料的粉末，如金属、合金或金属间化合物的粉末。该粉末无需是高纯度的，用普通工艺，如雾化工艺或KIP工艺(一种包括还原钢表面氧化皮的粉末生产工艺)生产的粉末是可用的。该粉末的平均直径为100μm或更小，更优选是30μm或更小。粉末的平均直径过大，如大于100μm的情况是不可取的，因为构成粉末的晶粒过粗。

如上所述，该固结体的结晶组织包含平均直径为5μm或更小，更优选是3μm或更小的晶粒。这是因为，若晶粒尺寸大于5μm，就不能期望因细的组织而产生的充分提高强度的效果。

本发明的高强度金属固结体的特征在于，它可以全然不用常规认为是基本手段的机械合金化以及后续的HIP工艺而生产。即，不用机械合金化或HIP工艺就可生产本发明的高强度固结体。

下面解释固结的方法，即生产该金属固结体的方法。在本发明中，采用静液压进行的压力加工是有益的。就压力加工而言，可具体利用选自平辊轧，有槽辊轧、挤压和旋锻中的一或几种加工方式。

之所以优选采用平辊轧，有槽辊轧、挤压或旋锻进行固结成形的原因在于，静液压压力加工抑制了组织中晶粒的不正常的生长，从而获得细的组织。此外，由于采用于平辊轧，有槽辊轧、挤压或旋锻，则可将材料内部的孔洞抑制到不影响强度或延伸率的程度。这些固结成形方法因其能在线进行(以一种自动化工艺进行)所以有利于大量生产。

该固结成形最好在不高于800℃的温度下进行。一般来说，以该温度进行的上述静液压压力加工优选以70％或更高，更优选以80％或更高的截面收缩率进行。

固结温度室为800℃或更低是因为若在高于800℃的温度下进行固结时，由于晶粒的不正常生长使组织变粗，从而使强度下降。

在固结时使用护套材料是可取的。该护套材料最好是管状材料，即其为管子的形状。该护套材料对于将原料粉末密封固定在该管中，然后在固结成形过程中施以静液压，从而抑制组织中的晶粒不正常生长是有效的。就在固结成形时施加静液压而言，最好是该护套的壁厚与粉末晶粒的直径之比为1/10或更大。关于作护套的材料无特别的限制。比如，诸如SS400、SM490，S45C之类的各种材料都可用。

在借助静液压的压力加工进行的固结作业之前，可对原料粉末进行碾磨处理。比如，可采用在惰性气氛中的行星式球磨(室温、10小时或更长)和旋转式球磨(室温、50小时或更长)。作为生产上述高强度金属固结体的一个例子，可生产一种新的钢质材料。

比如，可以提到如上所述的，由本发明提供的氧钢。

这些钢质材料含有分散于其中的，直径0.2μm或更小，占0.5％-60％(体积)的氧化物颗粒。在此情况下，氧化物颗粒具有在钢基体中形成细的组织的效果，而且该效果随着氧化物颗粒直径的减小而增大，但抑制晶粒生长的效果在所述直径大于0.2μm时则很小。此外，除非在钢的组织中具有占0.5％(体积)或更多的氧化物，否则细化基体组织的效果则变小。相反，另一方面，若氧化物在钢的组织中占60％(体积)或更大，则有损于该钢的延展性和韧性。

因此，欲被分散于本发明的钢中的氧化物颗粒的直径应为0.2μm或更小，而且该已分散的氧化物占钢整个体积的0.5-60％。

在分散氧化物方面，从钢的性能的观点来看，该钢的基体最好是铁素体，而且最好该铁素体晶粒的平均直径为5μm或更小。

在上述的本发明的氧钢中，不必象常规情况那样，过量地加入附加元素，如C、Si、Mn、Nb、Cu、Ni等，甚至可完全省去某些常规添加的元素。作为本发明的氧钢，可获得比如强度590MPa，均匀延伸率为5％或更高的高强度钢。

这样分散的氧化物的熔点高于氮化物或碳化物的熔点。因此在焊接热影响区，保持部分氧化物不熔，从而呈现了防止热影响区处基体粗化的效果。因而焊接热影响区也呈现了优越的韧性。必须存有0.05％(质量)或更多的氧，以便析出足够的氧化物。

随着氧化物的体积比增加，钢的刚度上升而密度下降。因此，可通过提高氧化物的体积比提供重量轻的高强度钢。

一般来说，抗拉强度和均匀延伸率是相互抵触的性能，即抗拉强度上升则均匀延伸率下降。

但，本发明钢的特征在于，均匀延伸率随着强度上升而上升。如上所述，本发明的钢尤以具有4000(MPa·％)或更高的抗拉强度(MPa)×均匀延伸率(％)的乘积值，同时还有50％或更高的截面收缩率为其特色。

在生产时，分散于钢组织中的氧化物会析出。

鉴于常规采用的原料成份，按需要添加除钢中的主要元素，即Fe之外的其它元素。几乎不需加入形成合金的元素。比如，本发明钢的成份中含(质量％)：0.5或更少的O、0.01或更少的C、0.1或更少的Cr、0.1或更少的Si及0.5或更少的Mn；特别是还可举出示例性的成份(质量)：O：0.2、C：0.002、Cr：0.05、Si：0.02、Mn：0.16。

以Fe为主要组分的原料粉末可用多种方法制备，所述的制备方法，比如是，雾化法和KIP法(包括还原钢的表面氧化皮的生产粉末的方法)。

经过析出分散的氧化物，比如是：Fe、Ti、Cr和Si相应的氧化物。

用于生产本发明的氧化物分散钢的代表性方法可举例如下：

首先，用行星式球磨机等将具有上述成份的原料铁粉碾磨10-20小时(在室温和Ar气氛下进行)。然后将磨过的原料铁粉气密地密封在一容器中，再用有槽辊轧辊将其于500-800℃，更优选是比如700℃(并在此温度下保温1.5小时)轧至80％或更高的截面收缩率。

当然，本发明的生产方法不限于上述的代表性的例子。在本发明中，钢质材料的生产过程可通过：可先碾磨含有作为主要组分的Fe的原料金属粉末，然后对所得的粉末施以静液压下的压力加工使之固结，从而获得其中分散着直径小于0.2μm或更小，0.5-60％(体积)的氧化物的钢质材料。在此情况下的压力加工可用平辊轧辊、有槽辊轧辊、挤压和旋锻中的至少一种进行，在此之中最好用有槽辊进行加工。

该原料金属粉末最好含0.05％(重量)或更多的氧，而为了使氧化物弥散析出，最好在500℃-铁的转变温度的温度范围实施压力加工。

有多种适于将氧含量控制在0.05％(质量)或更高的方法，但为将氧含量控制在0.05-0.5％(质量)的优选范围，比如，可对原料粉末作还原处理，以将氧含量降至预定范围。作为在此情况下所用的还原处理，可以提到的是在氢气中退火，其中，用退火时间和退火温度控制最终氧含量。

对于在静液压下的压力加工前进行的碾磨而言，可采用旋转式球磨机、行星式球磨机等。在本发明中，一般在室温下进行适当的处理，而用旋转式球磨机时进行50小时或更长的时间，而用行星式球磨机时，进行10小时或更长的时间。

参照以下实施例，详述本发明。

实施例

实施例1

在表1所述条件下处理化学成份为(％质量)0.002C、0.16Mn、0.2O及余量Fe的KIP铁粉，结果得到12mm方截面的800mm长的棒状试样。更具体而言，将未曾施以球磨和HIP工艺的KIP粉密封在管内，其护套材料的外径为40mm，内径为30mm，长150mm，它是用维氏硬度223，壁厚为5mm的钢材(S45C)制成的。然后于700℃，在静液压下，用有槽辊轧辊(本文中所用的有槽辊轧辊的形状为40mm见方-14.3mm见方)对此密封产物进行压力加工以使其固结，从而得到一棒状试样。用所得试样的平行部位产生直径4mm，长16mm的拉伸试样，然后进行拉伸试验。结果示于表1中。虽然未施以球磨及HIP工艺，但本发明该实施例的固结产物得到了450Mpa以上的抗拉强度(TS)及5％以上的均匀延伸率。

构成该结晶组织的晶粒的平均直径细到2.8μm的程度。

实施例2

以与实施例1相同的方式进行有槽辊轧制处理，但不同的是在此处理之前球磨此KIP铁粉30小时。

参见表1，虽然未施以HIP工艺，这样获得的固结产物的强度为600MPa，均匀延伸率为5％。此外，构成该结晶组织的晶粒直径细到2.0μm的程度。对比例1

将与实施例1相同的KIP铁粉球磨200小时，然后进行HIP工艺。如表1所示，在这样获得的试样上基本上未见均匀的延伸率。

构成该结晶组织的晶粒的直径相当大。对比例2

在700℃时对与实施例1相同的KIP铁粉进行1小时HIP处理，然后以与实施例1相同的方式对其作有槽辊轧制处理。

参见表1，这样获得固结产物的结晶组织的晶粒的平均直径大到5.5μm的程度，而强度低至396MPa。对比例3

进行与对比例2的相同工序，但不进行有槽辊轧制处理。构成该结晶组织的晶粒的平均直径为33μm，而其强度低至360MPa的程度。表1

试验	球磨	HIP	有槽辊轧制	标称晶粒直径(μm)	TS(MPa)	均匀延伸率(％)
							实施例1	无	无	700℃，85％	2.8	470	8
实施例2	30小时	无	700℃，85％	2.0	600	5
							对比例1	200小时	700℃1小时	无	未得到	910	0
对比例2	无	700℃1小时	700℃，85％	5.5	396	8
							对比例3	无	700℃1小时	无	23	360	15

从表1可知，虽然省略了在常规技术中认为是必要的用球磨进行机械合金化及后续的HIP工艺，本发明申请仍能提供高强度的，高韧性的材料，它具有全由平均直径为5μm或更小，甚至由直径为3μm或更小的晶粒构成的组织。因此，可知，不按常规技术添加过量的元素也可得到细的结晶组织；因而本发明在节约资源和节能的方面是有用的。

实施例3

将化学成份(％质量)为0.002C、0.16Mn、0.2O及余量Fe的KIP铁粉行星球磨20小时，然后将其填入外径40mm，内径30mm的S45C管状材料中，然后于480℃抽真空封装15小时。在炉内冷却所得的产物。然后将此产物再加热至700℃，在此温度下保持1.5小时，然后用有槽辊轧辊以89％的压缩比减小其面积。

表2列出了拉伸试验结果。可见，虽然加入的合金元素很少，但该产物的强度比对比例的强度高，而且还有7％优良的均匀延伸率。对比例4

将化学成份(％质量)含：0.055C、0.25Si、1.5Mn、0.010Nb、0.10Ni、0.10Cu和余量Fe的钢于1100℃保温600秒，然后在300℃保温1200秒，空冷结果得到贝氏体钢。对这样得到的对比试样作拉伸试验，结果列于表2。表2

	实施例3	对比例4
			抗拉强度(MPa)	850	731
均匀延伸率(％)	7	4
			总延伸率(％)	20	12
截面收缩率(％)	74	-
			氧化物直径(μm)	30	-
体积比(％)	1	量约与不可避免杂质的量相当
			基体中的铁素体晶粒直径(μm)	0.4	-
氧含量(％)	0.2	量约与不可避免的杂质的量相当

图1展示了于实施例3和对比例4中所得钢材的应力-应变曲线。

关于抗拉强度(MPa)与均匀延伸率(％)之积，于实施例3中所得产物之该值为5920(MPa·％)，而对比例4中所得的该值为2924(MPa％)。

可知，于实施例3中所得钢材的抗拉强度比对比例4中的产品高120MPa，而且前者的均匀延伸率也高于后者。即，这清楚地表明，实施例3中所得的钢材的抗拉强度-均匀延伸率的组合优于对比例中所得的该值。

图2展示了于实施例3中得到的钢材的TEM照片。它证明，经20小时行星球磨而得的材料含有均匀而精细地分布于其中的氧化物。此外，该基体中的铁素体晶粒很细，其直径为约0.5μm。该组织均匀存在于直径10mm的整个最终产品中。

图3展示了刚度的模量、平均密度、及刚度的模量与密度之比([刚度的模量]/[密度]比)的变化与氧浓度之关系。

可见随着氧浓度的上升，杨氏模量稍有上升，而密度下降。因此，[杨氏模量]/[密度]比随氧浓度升高而升高，并代表相对的刚度模量。这表明，该材料随此比值增大而变轻，而且刚度变高，并表明该材料可抗挠曲。因此，本发明能够提供重量轻，抗挠曲的钢材。图3中还示出了Al和Ti的[杨氏模量]/[密度]比的数据。可知本发明的氧钢优于Al和Ti。

因此，已证实本发明无需大量添加常规的合金元素就可提供高强度钢材，该钢材有优越的韧性及无需预热处理并能防止热影响区硬化的优良的焊接性能。

由于本发明的钢材几乎不含附加元素，所以节约了资源、降低了生产成本，并适于回收利用。

此外，本发明提供了一种较轻的高强度钢。

工业实用性

本发明申请的金属固结体，可以是一种强度450MPa或更高，均匀延伸率5％或更高的，对其未施用机械含金化及后续的HIP工艺的高强度金属固结体。

此外还提供了基本上未加合金元素的，具有优良韧性及焊接性能的高强度钢质材料。

Claims (17)

1．一种高强度金属固结体，是含作为主要组分的铁或钛的原料金属粉末的固结体，其特征在于具有超细组织，所述组织包括由平均晶粒直径为5μm或更小的晶粒组成的结晶组织。

2．权利要求1的高强度金属固结体，它是通过用静液压进行的压力加工固结的。

3．权利要求2的高强度金属固结体，其中的压力加工包括平辊轧、有槽辊轧、挤压和旋锻进行的压力加工中的至少一种。

4．权利要求2或3的高强度金属固结体，其中的压力加工采用护套材料进行。

5．权利要求2-4中之一项的高强度金属固结体，它是在不高于800℃的温度下固结的。

6．氧钢，它是一种钢质材料，其中分散着占0.5-60％(体积)的直径为0.2μm或更小的氧化物颗粒。

7．权利要求6的氧钢，其中包含基体相的铁素体晶粒的直径为5μm或更小。

8．权利要求6或7的氧钢，其中的氧含量为0.05％(质量)或更多。

9．权利要求6-8中之一项的氧钢，其中的抗拉强度(MPa)与均匀延伸率(％)的乘积值为4000(MPa％)或更高，而截面收缩率为50％或更多。

10．高强度金属固结体的生产方法，它包括通过用静液压进行的压力加工使含有作为主要组分的铁或钛的原料金属粉末固结，从而形成具有超细组织的金属固结体，所述组织包括由平均直径为5μm或更小的晶粒构成的结晶组织。

11．权利要求10的生产方法，其中该压力加工包括用平辊轧，有槽辊轧，挤压和旋锻进行的压力加工中的至少一种。

12．权利要求10或11的生产方法，其中的压力加工包括使用护套材料。

13．权利要求10-12中之一项的生产方法，其中的压力加工在800℃或以下的温度下进行。

14．权利要求10-13中之一项的生产方法，其中的原料金属粉末经碾磨，然后经压力加工而固结。

15．权利要求14的生产方法，其中的原料金属粉末是以铁作为主要组分的金属粉末。

16．权利要求15的生产方法，其中的原料粉末含0.05％(质量)或更多的氧，而其按该法以从500℃至铁的转变温度的温度范围内进行压力加工，从而产生一种钢质材料，其中平均直径为0.2μm或更小的氧化物颗粒以0.5-60％的体积比被分散。

17．权利要求16的生产方法，其中的以铁为主要组分的原料粉末还含(％质量)：0.05-0.5％O、0.01％或更小的C、0.1％或更少的Cr、0.1％或更少的Si、0.5％或更少的Mn。

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