CN1705533B - 通过高压压制制备铁基部件的方法及制备该铁基部件的完全合金化钢粉 - Google Patents

通过高压压制制备铁基部件的方法及制备该铁基部件的完全合金化钢粉 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制备高密度压坯的方法，包括如下步骤：提供一种完全合金化钢粉，其中具有45μm以下尺寸的粉末颗粒少于5％，并且添加到该粉末的润滑剂的含量按重量计算在0.05％到0.6％之间；在至少800MPa的压制压力下，在一模具中单轴地压制该粉末；以及将压坯从该模具中脱出。本发明还涉及在该方法中使用的粉末。

Description

通过高压压制制备铁基部件的方法及制备该铁基部件的完全合金化钢粉
技术领域
本发明涉及粉末冶金工业中使用的金属粉末组合物。更具体地，本发明涉及一种使用这些组合物制备高密度部件的方法。
背景技术
与传统的使用真密度(full dense)钢的相应方法相比，使用粉末冶金法生产结构部件有一些优点。以这种方式，能量的消耗大大降低，并且材料的利用大大提高。粉末冶金法的另一个主要优点在于，具有网状或近似网状的部件在烧结过程后可以直接出产，而不需要高成本的成形加工，例如车削、铣削、镗削或磨削。然而，通常真密度钢材料具有优于粉末冶金(PM)部件的机械性能。这主要是由于粉末冶金部件具有多孔性。因此，研究的方向是提高PM部件的密度，以使其尽可能接近真密度钢的密度值。
在使PM部件达到较高密度的方法中，粉末锻造方法具有可获得真密度部件的优点。然而，该方法成本非常高，并且主要用于重型部件，例如连杆的批量生产。真密度材料也可以在高温高压，例如热等静压即HIP下获得，但这种方法成本也非常高。
通过使用热压制(compaction)，即在通常120℃到250℃的高温下进行压制的方法，密度可以增加约0.2g/cm3，这对机械性能有相当大的提高。然而，热压制法的缺点是包括附加的投资和处理。其它的方法，例如两次压制、两次烧结、高温烧结等，可以进一步提高密度。这些方法同样会进一步增加生产成本，从而降低总成本效率。
为了扩大粉末冶金部件的市场并利用粉末冶金技术的优点，需要一种获得具有改进的静态和动态机械强度的高密度压制件的简单且低成本的方法。
发明内容
现已发现，通过使用高的压制压力和粗粉末，可以获得高密度部件。根据常识，通常使用的粉末，即包含精细颗粒的粉末，不可能被压制到高密度而又不出现例如压制件表面被损伤或损坏的问题，这个结果是人们非常不希望的。具体而言，本发明的方法包括如下步骤：提供基本上没有精细颗粒的铁基粉末；可选地将所述粉末与石墨和其它添加剂混合；在高压下在一模具中单轴地压制该粉末，并使压坯脱出，该压坯随后被烧结。
特别地，本发明提供一种制备高密度压坯的方法，包括如下步骤：提供一种完全合金化钢粉，其中具有45μm以下尺寸的粉末颗粒少于5％，并且添加到该粉末的润滑剂的含量按重量计算在0.05％到0.6％之间；在至少800MPa的压制压力下，在一模具中单轴地压制该粉末；以及将压坯从该模具中脱出。
本发明还提供一种包括完全合金化钢粉的粉末组合物，其中，尺寸小于45μm的粉末颗粒少于5％；石墨按重量计算占0.1-1.0％；并且添加到该粉末的润滑剂的含量按重量计算在0.05％到0.6％之间。
附图说明
图1-1和1-2示出根据本发明一个方面的较高的压坯密度和较低的推顶力。
图2-1和2-2示出根据本发明另一个方面的较高的压坯密度和较低的推顶力。
具体实施方式
术语“高密度”是指压制件的密度约至少7.3g/cm3。当然(本方法)也可以生产较低密度的部件，但通常认为这具有较少的益处。
本发明的铁基粉末包括纯铁粉末，例如雾化铁粉，海绵铁粉，还原铁粉；部分扩散合金化钢粉；以及完全合金化钢粉。该部分扩散合金化钢粉优选是一种与Cu，Ni，Mo中的一种或多种部分合金化的钢粉。该完全合金化钢粉优选是一种与Mn，Cu，Ni，Cr，Mo，V，Co，W，Nb，Ti，Al，P，S和B合金化的钢粉。(使用)不锈钢粉末也是有益的。
关于颗粒的形状，优选地，当通过水雾化获得时，颗粒具有不规则形状。同样，具有不规则形状的颗粒的海绵铁粉也是有益的。
本发明的一个关键特征是所使用的粉末具有粗颗粒，即该粉末基本上没有精细颗粒。术语“基本上没有精细颗粒”是指通过SS-EN 24 497中描述的方法测量的尺寸在45μm以下的粉末颗粒少于约5％。到目前为止，已经用主要包括大于约106μm的颗粒尤其是大于约212μm的颗粒的粉末取得了最有益的结果。术语“主要包括”是指至少50％，优选地至少60％，并且最优选地至少70％的颗粒具有分别大于106和212μm的颗粒尺寸。最大的颗粒尺寸可以是约2mm。在PM生产中使用的铁基粉末的颗粒尺寸通常按高斯分布曲线进行分布，其平均颗粒直径在30到100μm范围内，并且约10-30％小于45μm。通过去除粉末中较精细的部分或通过生产具有预定颗粒尺寸分布的粉末，可以获得基本上没有精细颗粒的铁基粉末。
颗粒尺寸分布以及颗粒形状对压制性能和压制件性能的影响已经得到了认真的研究。例如，US专利5,594,186公开了一种通过使用具有三角形截面的基本上是细长的针状金属颗粒，来生产密度高于理论密度的95％的PM部件的方法。这种颗粒适于通过机加工方法或粉碎方法来生产。
包含粗颗粒的粉末还用于制造软磁部件。例如，US专利6309748公开了一种铁磁粉末，该粉末的颗粒的直径尺寸在40到600μm之间。与本发明的铁基粉末颗粒相比，这些粉末颗粒具有涂层。
US专利4,190,441中公开了一种用于生产烧结软磁部件的粉末组合物。在该专利中，铁粉包含少于5％的大于417μm的颗粒，并且少于约20％的粉末颗粒具有小于147μm的尺寸。该专利指出，因为小于147μm的颗粒的含量非常低，所以由这些粗的高纯度粉末生产的部件的机械性能非常低。此外，该专利指出，如果需要更高的强度，则不可能既增加尺寸小于147μm的颗粒的含量，同时又不降低软磁的性能。因此，该粉末混有特定量的磷铁。可以在本发明的组合物中使用的石墨在该专利中没有提及，而且石墨的存在将降低磁性。
US专利5225459(EP 554 009)也公开了包含粗颗粒的粉末混合物，该专利还涉及用于制备软磁部件的粉末混合物。这些粉末混合物中也不包含石墨。
在粉末锻造领域，还已知的是，可以使用包含粗颗粒的预合金化铁基粉末。US专利3 901 661公开了这种粉末。该专利指出，(该粉末)可以包含一种润滑剂，特别是，按重量计算该润滑剂的含量应当是1％(例1)。然而，如果本发明的粉末混有如此高含量的润滑剂，那么该粉末不可能获得很高的密度。
为获得根据本发明的其烧结部件具有令人满意的机械烧结性能的压制件，需要将一定量的石墨添加到要被压制的粉末混合物中。因此，在压制前，可以添加按全部混合物重量计算在0.1-1％，优选地0.2-1.0％并且最优选地0.2-0.8％之间的石墨。
在压制前，也可以将其它添加剂，例如，包括Mn，Cu，Ni，Cr，Mo，V，Co，W，Nb，Ti，Al，P，S和B的合金元素添加到铁基粉末中。按重量计算，这些合金元素共计可添加到10％。还有一些添加剂是可以提高可加工性的化合物，硬相(hard phase)材料和流动剂。
在将铁基粉末放入模具之前，也可使铁基粉末与润滑剂结合(内部润滑)。添加润滑剂是用于在压制或挤压(pressing)步骤中减少金属粉末颗粒之间以及颗粒和模具之间的摩擦。合适的润滑剂是例如硬脂酸盐，蜡，脂肪酸及其衍生物，低聚物，聚合物，以及具有润滑作用的其它有机物。润滑剂优选以颗粒的形式添加，但也可以粘结和/或覆盖在颗粒上。根据本发明，添加到铁基粉末中的润滑剂的量按混合物的重量计算可以在0.05-0.6％之间，优选地在0.1-0.5％之间。
根据本发明的方法还可以使用外部润滑(模具壁润滑)进行，即在压制之前在模具的壁上设置润滑剂。也可以将外部润滑和内部润滑结合使用。
术语“在高压制压力下”是指在约至少800MPa的压力下。在更高的压力，例如高于900Mpa，优选地高于1000Mpa，更优选地高于1100MPa的压力下可以获得更有益的结果。
一般认为，使用常规使用的包含较精细颗粒的粉末，添加少量润滑剂(按重量计算少于0.6％)，在高压即高于约800MPa的压力下进行的常规压制方法是不合适的，因为该方法需要很大的力才能将压制件从模具中脱出，并伴随有模具的严重磨损，而且部件表面很可能不够光泽或受损。通过使用本发明的粉末，意外地发现，在约1000MPa的高压下的推顶力(ejection force)减小了，并且发现当不使用模具壁润滑时同样可获得具有合格甚至完美的表面的部件。
所述压制(过程)可以使用标准设备进行，这意味着这种新的方法不需要很高的投资就可以实施。该压制可以在环境温度或高温下在单独一个步骤内单轴地进行。或者，该压制可以在专利出版物WO 02/38315中描述的一种撞击机(Hydropulsor公司的HYP35-4机型)的帮助下进行。
烧结可以在PM领域通常所使用的温度，例如在1080℃和1160℃之间的标准温度，或者高于1160℃的较高温度下，并且在常规使用的气氛下进行。
还可以对坯件或烧结部件进行其它的处理，例如机械加工，表面硬化，表面密化，或者其它在PM技术中使用的方法。
简言之，使用本发明的方法的优点是，可以低成本地生产高密度压坯。这种新方法还可以生产用常规技术难以生产的较高(密度)的部件。另外，可使用标准的压制设备生产具有合格甚至完美的表面光洁度的高密度压制件。
适合通过这种新方法生产的产品的例子是连杆、齿轮以及承受高负荷的其它结构部件。通过使用不锈钢粉末所生产的法兰具有特别的益处。
通过下面的例子对本发明作进一步的说明。
例1
根据本发明的两种不同的铁基粉末组合物与一种标准的铁基粉末组合物比较。所有这三种组合物都是由瑞典AB公司的Astaloy Mo生产的，并添加有按重量计算占0.2％的石墨和按重量计算占0.4％的润滑剂(KenolubeTM)。在本发明的一种铁基粉末组合物中，直径小于45μm的Astaloy Mo颗粒被去除，并且在本发明的另一种组合物中，(直径)小于212μm的Astaloy Mo颗粒被去除。在常温下和标准设备中进行压制。从图1-1中可以看出，使用颗粒尺寸大于212μm的粉末，在所有的压制压力下密度都有明显的增加。
图1-2表明，为获得没有受损表面的部件，最重要的因素是减少或消除最小的颗粒，即小于45μm的颗粒。而且从图中还可以看出，与使用具有约20％的小于45μm的颗粒的标准铁基粉末组合物生产的压制件需要的推顶力相比，使用没有小于212μm的颗粒的铁基粉末组合物生产的压制件需要的推顶力有显著的减少。与使用该标准粉末相比，使用没有小于45μm的颗粒的本发明的铁基粉末组合物生产的压制件需要的推顶力也有所减少。
一个值得注意的现象是，根据本发明生产的压制件需要的推顶力随着脱模压力的增加而减小，而对于该标准组合物却相反。
还可以观察到，将该标准粉末在高于700MPa的压力下压制得到的压制件具有受损表面，因此是不合格的。将基本上没有小于45μm的颗粒的粉末在高于700MPa的压力下压制得到的压制件具有不够光泽的表面，这至少在某些情况下是合格的。
例2
对例1进行重复，但是使用0.5％的EBS(亚乙基双硬脂酰胺)润滑剂，并且压制在一种撞击机(瑞典Hydropulsor公司的HYP35-4机型)的帮助下进行。
分别从图2-1和2-2可以看出，与具有标准粉末的粉末组合物相比，本发明的粉末组合物可以获得较高的压坯密度和较低的推顶力。还可以看出，在所有的压制压力下，由该标准粉末生产的部件都有受损表面。

Claims (17)

1.一种制备高密度压坯的方法，包括如下步骤：
-提供一种完全合金化钢粉，其中具有45μm以下尺寸的粉末颗粒少于5％，并且添加到该粉末的润滑剂的含量按重量计算在0.05％到0.6％之间；
-在至少800MPa的压制压力下，在一模具中单轴地压制该粉末；以及
-将压坯从该模具中脱出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压制是在单独一个步骤中进行的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少50％的该合金化钢粉由颗粒尺寸大于106μm的颗粒组成。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少50％的该合金化钢粉由颗粒尺寸大于212μm的颗粒组成。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，最大的颗粒尺寸为2mm。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括在单轴压制步骤之前将该合金化钢粉与石墨和其它添加剂混合的步骤，其中该石墨的含量为0.1-1.0％。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述压制在一涂有润滑剂的模具中进行。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述压制通过使用内部润滑和外部润滑的结合而进行。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该添加剂从包括Mn，Cu，Ni，Cr，Mo，V，Co，W，Nb，Ti，Al，P，S和B，可加工性提高剂，硬相材料以及流动剂的集合中选取。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述压制在至少900MPa的压力下进行。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述压制在环境温度下进行。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述压制在120-250℃的温度下进行。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了制备烧结产品，所述方法还包括在高于1100℃的温度下的单独一个烧结步骤。
14.一种包括完全合金化钢粉的粉末组合物，其中，尺寸小于45μm的粉末颗粒少于5％；石墨按重量计算占0.1-1.0％；并且添加到该粉末的润滑剂的含量按重量计算在0.05％到0.6％之间。
15.根据权利要求14所述的组合物，其特征在于，至少50％的该合金化钢粉的颗粒尺寸大于106μm。
16.根据权利要求15所述的组合物，其特征在于，至少50％的该合金化钢粉的颗粒尺寸大于212μm。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的组合物，其特征在于，还包括从包含Mn，Cu，Ni，Cr，Mo，V，Co，W，Nb，Ti，Al，P，S和B，可加工性提高剂，硬相材料以及流动剂的集合中选取的添加剂。
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Assignee: Hege Nath (China) Co., Ltd.

Assignor: Hoeganaes AB

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Denomination of invention: Method of preparing iron-based components by compaction with elevated pressures

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