CN1509830A - 制造粉末金属件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种由粉末金属制造零部件的方法，该方法包括以下步骤：提供一种冶金粉末，它含有铁、0－1.5wt％的硅、0.4wt％－0.9wt％的碳、0.5wt％－4.5wt％的镍、0.5wt％－1.0wt％的钼、0－0.5wt％的锰及0－1.5wt％的铜，所述重量百分比根据该粉末总重算得。接着，在25tsi－65tsi的压力下压制该冶金粉末以产生一密度为6.4g/cc－7.4g/cc的生压坯。在2100°F－2400°F的温度下高温烧结该压坯。然后，选择性地压实该压坯到大于7.6g/cc。烧结硬化该压坯以获得主要为马氏体的微观结构。如果不需要可选的压实，则可以直接高温烧结该压坯。也揭示了通过此方法而制成的材料。

Description

制造粉末金属件的方法
此申请要求保护在2002年12月12日提交的、名称为“METHOD OFPRODUCING POWDER METAL PARTS”的临时申请60/432823所公开的发明。在此，要求根据美国临时申请35USC第119(e)款的权益，因而，上述申请作为参考被加入。
技术领域
本发明涉及一种由冶金粉末制造材料的方法。本发明尤其涉及一种由含有铁和碳的冶金粉末制造材料的方法。
背景技术
烧结硬化是一种不使用传统热处理方法如批量热处理或感应加热淬火来制造高马氏体含量材料的方法。所述烧结硬化方法包括在升高温度下烧结压坯、在烧结炉末端快速冷却压坯以引发马氏体转变。
在本领域中常被用来制造粉末金属件的另一种方法就是两次压制烧结法(DPDS)。在此方法中，压制、预烧结混合粉末，随后定尺并经历高温烧结，然后进行热处理。与此方法有关的一个问题是耗时且成本较高。
因此，现有技术中需要一种制造粉末金属件的有效方法。
发明内容
一种由粉末金属制造零部件的方法包括以下步骤：提供含有铁、0-1.5重量％的硅、0.4-0.9重量％的碳、0.5-4.5重量％的镍、0.5-1.0重量％的钼、0-0.5重量％的锰和0-1.5重量％的铜的冶金粉末，其中，重量百分比是在粉末总重基础上计算的。接着，在25tsi-65tsi压力下压制冶金粉末，从而产生密度为6.4g/cc-7.4g/cc的生压坯。该压坯被加热至2100°F-2400°F达20分钟-60分钟并且在1000°F-1900°F的温度下保温5分钟-60分钟。然后，选择性地将压坯压实到大于7.6g/cc。再次将压坯加热至1650°F-2100°F达20分钟-80分钟并且以150°F-250°F/分的速度进行冷却。
附图说明
图1以框图表示用于制造粉末金属件的本发明步骤。
图2a、2b表示用于退火的现有技术的温度图。
图2c、2d表示用于退火的本发明方法的温度图。
具体实施方式
本发明提出了一种制造具有较高机械性能且尽量少地发生热变形的粉末金属件的方法。与现有技术中的常规烧结和热处理相比，本方法更快速且涉及的步骤更少。图1以框图表示制造粉末金属件的方法。在第一步骤中，混合出含有铁、0-1.5重量％硅及0.4-0.9重量％碳的冶金粉末混合物以便制造出一个生压坯。冶金粉末可以进一步含有其它元素如0.5-4.5重量％的镍、0.5-1.0重量％的钼、0-0.5重量％的锰和0-1.5重量％的铜，参见表1。
表1
 Fe  C  Si  Ni  Mo  Mn  Cu
新粉末 剩余 0.4-0.9  0-1.5  0.5-4.5  0.5-1.0  0-0.5  0-1.5
该方法的第二步骤是压制该粉末混合物。粉末以25tsi-65tsi的压力被压制，从而产生为6.4g/cc-7.4g/cc的初始密度。
本发明的第三步骤是烧结该压坯。根据所制造零部件是否需要高的表面耐用性、高的滚动接触疲劳和/或高的外形精度，以不同的方式完成烧结，如图1所示。如果需要高的表面耐用性、高的滚动接触疲劳和/或高的外形精度，则这些零部件必须经过高温烧结、退火，然后选择性地进行压实和烧结炉硬化。在一个优选实施例中，上述品质是必需的并且在2100°F-2400°F且最好是2300°F的高温下烧结该生压坯。该压坯保持在高温下达20分钟-60分钟并最好是40分钟。该压坯保持在烧结温度下达足够长的时间，这对保证单独的合金元素扩散至整个压坯是很重要的。
压坯的退火发生在高温烧结的冷却步骤期间内。在现有技术中，如在美国专利6338747号中，粉末金属件的制造方法使用了缓冷步骤，如先前技术图2a所示。缓冷步骤是难以控制的。现有技术的图2b表示零部件冷却至室温后出现的退火步骤。虽然此技术是可以接受的，但由于零部件需要冷却至室温并随后升温至退火温度而占用了大量时间和能量。
在一个优选实施例中，如图2c所示，压坯的退火就发生在高温烧结后的炉子冷却期间内。不允许该压坯冷却到室温，而允许炉子独立冷却到约比1000°F-1800°F的临界钢温低50°F。然后，该压坯保持在1000°F-1800°F的温度下达5分钟-60分钟，以便发生退火，从而改进用于压实的粉末金属件的可成形性。该冷却速度不是控制最终的压坯硬度的一个要素。
在一个替换实施例中，如图2d所示，退火发生在临界温度以下。如在以上的实施例中那样，炉子以炉冷却速度冷却至临界温度。该压坯保持在1600°F至1900°F的温度下达5分钟-60分钟。此外，该冷却速度不是控制最终压坯硬度的一个因素。然后，快速冷却该压坯。在退火过后，微观结构可以主要是球化珠光体或主要是珠光体。退火改善了用于随后压实的粉末金属件的可成形性。
下一压实步骤紧接在任一实施例的退火步骤之后并且利用机械加工或某些其它变形技术使烧结压坯的所有或预期部分或区域的密度增至大于7.6g/cc。机械加工例如包括定尺、轧制、辊磨光、喷丸处理或喷丸樱花、挤压、模锻和热加工成形。也可以使用本领域技术人员所知道的其它技术。
下一步骤是烧结炉硬化。压坯保持在1650°F-2100°F达20分钟-80分钟，然后以150°F/min-250°F/min的速度冷却。
如果不要求高的表面耐用性及高的抗滚动接触疲劳性，则不需要退火和压实。粉末金属件被高温烧结并随后进行烧结炉硬化。烧结炉硬化可以与高温烧结分开或通过在烧结炉末端增加快速冷却装置被结合在同一个高温烧结周期内完成。然后，在300°F-1000°F的温度下回火30分钟-90分钟。最后的微观结构主要为回火马氏体、0-20％的贝氏体及少于5％的残余奥氏体，所产生的金属件具有27HRC-50HRC的硬度。
例1
混合出含有0.60wt％碳、0.7wt％硅、0.03wt％铬、13wt％锰、4.4wt％镍及0.85wt％钼的粉末，参见表2。通过在25tsi-65tsi之间模铸粉末而形成一生压坯。该生压坯的密度为6.95g/cc。然后，在2300°F的温度下烧结压坯达40分钟。在接着的步骤中，在1850°F的温度下快速冷却25分钟地对压坯进行烧结炉硬化。最后，在400°F的温度下回火该压坯达60分钟。最终产品即25齿链轮显示出37HRC-39HRC的表观硬度及7.07g/cm3的总齿密度。测试该链轮的齿以了解在齿失效或断裂前可以施加多大负荷。在此实例中，使用三个直径为0.200”的销进行测试。与通过两次压制烧结方法制成的并通过感应加热淬火被热处理的、由MPIF FN-0208粉末制成的相同零部件相比，结果为7300lbf-8300lbf。经过两次压制烧结制成的粉末显示出在断齿之前能承受5000lbf-6500lbf的负荷。通过使用本发明的冶金粉末及本发明方法，即使齿密度较低，也可以实现较高的断齿强度。结果归纳于表3中。
表2
粉末 Fe  C  Si  Ni  Mo  Mn  Cu
新粉末 剩余 0.6  0.7  4.4  0.85  0.13
MPIFFN-0208 剩余 0.6-0.9  1.0-3.0  0-2.5
表3
特性 新方法 DPDS(两次压制烧结)
粉末 含有Si的新粉末 MPIF FN-0208
齿密度 7.07g/cm3 7.3g/cm3
齿断裂 7300lbf-8300lbf 5000lbf-6500lbf
例2
混合出含有0.55wt％碳、0.7wt％硅、0.13wt％锰、4.4wt％镍及0.85wt％钼的粉末，参见表4。通过在25tsi-65tsi之间模铸粉末而形成一生压坯。该生压坯的密度为6.95g/cc。然后，在2300°F温度下烧结压坯达40分钟。在接着的步骤中，在1850°F的温度下快速冷却25分钟地对压坯进行烧结炉硬化。最后，在400°F温度下回火压坯达60分钟。最终产品即17齿链轮显示出38.5HRC的表观硬度及7.05g/cm3的总齿密度。测试链轮齿以了解在齿失效或断裂前可以施加多大负荷。在此实例中，使用三个直径为0.187”的销进行测试。与通过两次压制烧结方法制造的并利用感应加热淬火被热处理的、由MPIF FN-0208粉末制成的相同零部件相比，结果为3353lbf-4353lbf。两次压制烧结而成的粉末在发生断齿之前能承受2473lbf-3661lbf的负荷。通过使用本发明的冶金粉末及本发明的方法，即使齿密度较低，也可以实现较高的断齿强度。结果归纳于表5中。
表4
粉末 Fe  C  Si  Ni  Mo  Mn  Cu
新粉末 剩余 0.55  0.7  4.4  0.85  0.13
MPIFFN-0208 剩余 0.6-0.9  1.0-3.0  0-2.5
表5
特性 新方法 DPDS(两次压制烧结)
粉末 含有Si的新粉末 MPIF FN-0208
齿密度 7.05g/cm3 7.36g/cm3
齿断裂 3353lbf-4353lbf 2473lbf-3661lbf
例3
混合而成含有0.60wt％碳、0.7wt％硅、0.13wt％锰、4.4wt％镍及0.85wt％钼的粉末，参见表6。通过将在25tsi-65tsi之间模铸粉末而形成一生压坯。生压坯的密度为6.95g/cc。然后，在2300°F的温度下烧结压坯达40分钟。在接着的步骤中，在1850°F的温度下快速冷却25分钟地对压坯进行烧结炉硬化。最后，在400°F温度下回火压坯达60分钟。最终产品即26齿链轮显示出40HRC的表观硬度及7.06g/cm3的总齿密度。测试链轮齿以了解在齿失效或断裂前可以施加多大负荷。在此实例中，使用三个直径为0.187”的销进行测试。与通过两次压制烧结方法制成的并通过感应加热淬火而被热处理的、由MPIF FN-0208粉末制成的相同零部件相比，结果为4740lbf。两次压制烧结而成的粉末能够在断齿之前承受806lbf的负荷。通过使用本发明的冶金粉末及本发明的方法，即使齿密度较低，也可以实现较高的断齿强度。结果归纳于表7中。
表6
粉末 Fe  C  Si  Ni  Mo  Mn  Cu
新粉末 剩余 0.6  0.7  4.4  0.85  0.13
MPIFFN-0208 剩余 0.6-0.9  1.0-3.0  0-2.5
表7
特性 新方法 DPDS(两次压制烧结)
粉末 含有Si的新粉末 MPIF FN-0208
齿密度 7.06g/cm3 7.36g/cm3
齿断裂 4740lbf 806lbf
在使用上述方法制造金属件时，所产生的金属件的齿密度随压制压力及粉末压缩性而变，使用本发明的方法制造的齿密度范围位于6.75g/cc-7.25g/cc之间。
因此，应该理解的是，在此描述的本发明实施例只用于示范说明本发明原理的应用情况。在这里对所示实施例的细节的说明不是要限制权利要求书的范围，这些实施例本身描述了那些被视为是本发明实质内容的特征。

Claims (14)

1、一种由粉末金属制造零部件的方法，该方法包括以下步骤：
a)提供一种冶金粉末，它含有铁、0-1.5wt％的硅、0.4wt％-0.9wt％的碳、0.5wt％-4.5wt％的镍、0.5wt％-1.0wt％的钼、0-0.5wt％的锰及0-1.5wt％的铜，所述重量百分比根据粉末总重来计算；
b)在25tsi-65tsi的压力下压制该冶金粉末而产生一生压坯；
c)将该压坯加热至2100°F-2400°F达20分钟-60分钟；
d)将该压坯保持在1000°F至1900°F之间达5分钟-60分钟；
e)将该压坯的至少一部分的密度增至大于7.6k/cc；
f)将该压坯加热至1650°F-2100°F达20分钟-80分钟；
g)以150-250°F/分钟的速度冷却该压坯；
h)将该压坯加热至300°F-1000°F达30分钟-90分钟，从而该压坯的微观结构变为回火马氏体、0-20％的贝氏体和少于5％的残余奥氏体并且具有27HRC-50HRC的硬度。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述零部件为链轮。
3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述链轮具有6.75g/cc-7.25g/cc的齿密度。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压制该冶金粉末的步骤制造出一个密度为6.4g/cc-7.4g/cc的压坯。
5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，该压坯被加热至2300°F达40分钟。
6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤d)中，该压坯保持在1000°F-1800°F之间。
7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤d)中，该压坯保持在1500°F-1900°F之间。
8、如权利要求1所述的方法，其特征在于，该压坯在步骤c)与步骤d)之间没有经历附加的冷却或加热。
9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤c)中所产生的该压坯具有一临界温度并且该压坯在步骤d)中保持低于该临界温度。
10、如权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤c)中所产生的该压坯具有一临界温度并且该压坯在步骤d)中保持在该临界温度上。
11、如权利要求1所述的方法，其特征在于，该珠光体可以经过球化处理。
12、一种由粉末金属制造零部件的方法，该方法包括以下步骤：
a)提供一种冶金粉末，它含有铁、0-1.5wt％的硅、0.4wt％-0.9wt％的碳、0.5wt％-4.5wt％的镍、0.5wt％-1.0wt％的钼、0-0.5wt％的锰及0-1.5wt％的铜，所述重量百分比根据该粉末总重算得；
b)在25tsi-65tsi的压力下压制该冶金粉末以产生一个密度为6.4g/cc-7.4g/cc的压坯；
c)将该压坯加热至2100°F-2400°F达20分钟-60分钟并且将该压坯冷却至室温；
d)将该压坯加热至1650°F-2100°F达20分钟-80分钟；
e)以150-250°F/分钟的速度冷却该压坯；并且
f)将该压坯加热至300°F-1000°F达30分钟-90分钟。
13、如权利要求12所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，该压坯被加热至2300°F达40分钟。
14、一种由粉末金属制造零部件的方法，该方法包括以下步骤：
a)提供一种冶金粉末，它含有铁、0-1.5wt％的硅、0.4wt％-0.9wt％的碳、0.5wt％-4.5wt％的镍、0.5wt％-1.0wt％的钼、0-0.5wt％的锰及0-1.5wt％的铜，所述重量百分比根据该粉末总重算得；
b)在25tsi-65tsi的压力下压制该冶金粉末以产生一个密度为6.4g/cc-7.4g/cc的压坯；
c)将该压坯加热至1650°F-2100°F达20分钟-80分钟；
d)以150-250°F/分钟的速度冷却该压坯；并且
e)将该压坯加热至300°F-1000°F达30分钟-90分钟。
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