CN1942601A - 铜基合金及其用于粉末金属零件渗透的用途 - Google Patents

铜基合金及其用于粉末金属零件渗透的用途 Download PDF

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Abstract

本发明是用于渗透粉末金属零件的铜合金的锻件形式、用于制备这些铜合金和及其锻件形式的方法、用于将其渗透入粉末金属零件中的方法和用具有整体上一般均匀的铜分布的新型合金渗透的浸渗金属零件，并呈现高横向断裂强度、抗拉强度和屈服强度。通过使用降低量的新型浸渗剂渗透粉末金属零件所制备的浸渗金属零件通常重量较轻并和使用标准方法和常规渗透制备的相似制备的浸渗金属零件相比具有较高的强度。

Description

铜基合金及其用于粉末金属零件渗透的用途
                    交叉引用相关申请
本申请要求在2005年2月11日提交的美国临时专利申请60/652,333的优先权，该申请在此全文引用。
                        背景技术
本公开涉及一种金属合金的制造和用途，特别是，涉及该金属合金用于渗透粉末金属零件的用途。金属粉末通过使用压制和烧结加工而可用于经济地形成各种形状复杂的金属构件或压坯。使用这种方法只需最少或不需机器加工就可提供一种近于最终形状，即最终所需尺寸和形状的粉末金属零件。然而，所得的粉末金属零件是松散地保持在一起并呈现相对低的冲击和疲劳强度。这些特性可通过在零件中渗入浸渗剂来改善，这些浸渗剂通常是可含有可选组分，例如润滑剂和石墨的铜基粉末。该浸渗剂粉末在烧结加工中渗入到粉末金属零件的孔结构中。该浸渗剂粉末通常是铜和一种或多种其它金属的混合物。
用于铜基浸渗剂的渗透方法通常开始是将铜基粉末浸渗剂与被压制的和/或烧结的粉末金属零件相接触并对该混合物进行加热步骤，该加热工序熔融铜基粉末。当浸渗剂粉末熔融时，该熔化材料流入压坯的孔中。浸渗剂的组分能熔融并以不同的速率扩散到压坯中。因此，铜在浸渍粉末金属零件的整体中的分布是变化的。有着不均匀铜分布的浸渍物件在经受各种力量时更容易破裂。
通常，浸渗剂的提供者或用户将浸渗剂粉末压制成如空心圆柱、压块或丸粒的特定形状以便于管理、载运和/或储存并且使其和要浸渍物品的接触的表面积最大。然后压制的浸渗剂压块以这些不同形式进行运输并在各种渗入加工中进行应用。然而，这些压制的浸渗剂压块仍然是脆弱的并且在它们载运和管理中易于断裂。该断裂增加了浪费和管理成本以及因处理所得的浸渗剂颗粒或灰尘所引起的环境成本，这些颗粒或灰尘能在空气中悬浮并最终沉降在工件表面。必须保护工人免于吸入该灰尘，所以必须将它从车间除去。因此，基于上述，改善的浸渗剂和它们掺入粉末金属零件的方法是需要的。这种改善的浸渗剂和其使用方法应当避免上述浸渗粉末的主要缺点。特别地，这种改善的浸渗剂应当不易于破裂和粉化，应当在一般狭窄温度范围内熔融，在渗透入粉末金属压块时，往往提供均匀的铜含量和使得浸渗的物品具有足以其使用的强度。本公开解决了所述需求。
简述
本公开一方面提供了一种用于以一种金属合金的锻件形式渗入粉末金属零件中的方法。该方法可包括选择粉末金属零件、选择具有适于接触该粉末金属零件的表面部分的锻件形式的金属合金、将合金和金属零件的表面接触并加热该合金达到足够的温度使得合金熔融并渗透该粉末金属零件。
各种粉末金属零件都适合于用新型合金渗透只要它的组分在较合金更高的温度下熔融即可。除了常规铁基粉末金属零件，粉末金属零件也可以是基于各种其它的材料，包括，但不限于不锈钢、镍基合金、钴基合金和包含高熔点金属的系统。“粉末金属零件”意味着广泛包括任何能用铜基合金渗透以形成更紧密的金属零件的粉末金属零件。
在一个实施方式中，该金属合金包括铜、铁和任选的，锰和锌，而铜是主要组分。在一个优选的实施方式中，该铜基合金包括至少约85重量％的铜、约0.5-约3.5重量％铁、约0.5-约5.5重量％锰和约0.5-约5.5重量％锌。该铜基合金可包含较少量的各种杂质或偶存元素而不会显著地影响最终浸渗产品的加工参数和/或特性。
本公开的渗透方法能包括将粉末金属零件与合金浸渗剂的锻件形式接触；热处理混合的组分、该热处理包括一个或两个步骤的加工；并且将热浸渗零件进行冷却循环以凝固该浸渗剂。在热处理中该合金被加热到足够高的温度以形成可流入粉末金属零件的孔中的熔化的合金。该方法提供了一种浸渗粉末金属零件，该粉末金属零件和用其它已知方法和其它已知浸渗剂渗入的零件相比在较低的渗透程度下显示了更高的抗磨损性和增强的强度。该方法能在各种气氛条件下进行，例如，真空或部分真空，或可包含氮气和/或氢气的高度还原性气氛或吸热气氛中进行。
本公开的另一方面，本公开方法制备的浸渗金属零件和使用已知渗透方法的浸渗金属零件相比在整体上显示铜的一般均匀分布和改善的机械性能，这些机械性能包括，但不限于，增强的横向断裂强度，增强的抗拉强度和增强的屈服强度。该改善的强度在较低渗入程度下特别突出。
本公开的另一方面包括用于制备一种以具有三维形式的渗透合金的方法。该方法包括形成一种含有至少约85重量％的铜、约0.5-约3.5重量％铁、约0.5-约5.5重量％锰和约0.5-约5.5重量％锌的混合物；加热该混合物直至足以形成均匀的熔体的温度；将该熔体转换成三维形式并通过冷却凝固所述形成的熔体。本公开的其它目的、实施方式、形式、益处、方面、特征和优点可通过本文提供的说明书、附图和权利要求得到。
附图说明
图1是一种示例性粉末金属零件的透视图，显示了本公开一个方面的合金浸渗剂，以软线的形式图示。
图2是一种示例性粉末金属零件的透视图，显示了本公开一个方面的合金浸渗剂，以环形物或垫圈的形式图示。
图3是一种示例性粉末金属零件的透视图，显示了本公开一个方面的合金浸渗剂，以圆板的形式图示。
图4是一种示例性粉末金属零件的透视图，显示了本公开一个方面的合金浸渗剂，以薄片的形式图示。
图5显示的是XF-5粉末颗粒横截面的图像并由SEM-EDS分析导出的Mn、Fe和Zn的点图。
图6显示的是线合金横截面的图像并由SEM-EDS分析导出的Mn、Fe和Zn的点图。
图7提供了XF-5粉末的SEM-EDS元素分析。
图8提供了线合金的SEM-EDS元素分析。
图9提供了一幅XF-5粉末的松散颗粒在250x放大倍数下的SEM照片，其中对指定的颗粒1、2和3作进一步分析。
图10提供了图9的颗粒1的SEM-EDS元素分析。
图11提供了图9的颗粒2的SEM-EDS元素分析。
图12提供了图9的颗粒3的SEM-EDS元素分析。
详细说明
本公开涉及一种锻件形式的金属合金、一种用于制备这合金的方法、一种用于用该金属合金渗透粉末金属零件的方法和通过该新型方法制得的浸渗金属零件。该新型金属合金是铜基的并且通常含有除铜之外的铁、锌和锰，合金的主要成分是铜。为了渗透粉末金属零件或压坯，将该铜基合金置于和零件相接触并且热处理该零件和合金的混合物以使该合金熔融，从而引起基本上所有的熔化合金流入零件的孔中。在冷却下，被浸渍的零件里的合金凝固从而在整个粉末金属零件中提供了一般均匀的铜分布。
在一个特别的实施方式中，该铜基合金具有如下额定成分：约0.5-约3.5重量％铁、约0.5-约5.5重量％锰和约0.5-约5.5重量％锌，剩余量(除了偶存元素)为铜。优选的铜基合金通常含有至少85重量％的铜。合适的合金可允许各种如下的偶存元素：包括，但不限于，镍、锡、硅、磷、铅和铝，每种偶存元素量通常为小于约0.01％重量并且对渗透工艺和所得的浸渗零件都不会有有害影响。通过改变该合金组分的相对量，可制备该合金具有适用于渗透工艺中的熔融点，通常约950-约1150℃，因此使得它适用于各种渗透加工申使用。
具有适用于本公开的浸渗剂的形式可通过各种方法制备。在一个实施方式中，混合合金的组分并加热至足以形成均匀的熔体的温度，然后将该熔体浇铸或模铸成坯料。形成的坯料可进行挤压或轧制以提供包括棒、管、片等的锻件形式。挤压的合金也可被分割成段或进一步通过标准拉制方法加工以形成软丝。该新型合金的锻件形式具有均匀的组成并且能制成或符合各种有利于渗透工艺中使用的形式和/或形状。在一个实施方式中，铜基浸渗剂被制成拉伸线的形式，该拉伸线能在线轴上缠绕以有效操作。线段能以适量地移去并制造成适用于特别的渗透工艺的形状。图1图示了在渗透前的线20的部分被制成以适合粉末金属零件1的表面。在一个包括渗透具有已知尺寸和形状的大量零件的渗透工艺中，该合金可制成：包括盘、垫圈、片、薄板、环和其它适合于特别应用的形状。图2、3和4图示了环或垫圈21、盘22和片23，它们分别被制成以符合粉末金属零件2、3和4的表面。如图所示，这些垫圈或盘的锻件形式中的每一种应当在其成形时其尺寸要适合要渗透的零件，而线或片形式的合金材料在渗透加工前任何时间都能被制造成合适的尺寸和符合所需的形状。
尽管适合于渗透的粉末金属零件可由各种金属粉末中制备，但更常用的是铁基金属零件。这些粉末金属零件，被称为生料零件，通常是通过已知的压制或模铸技术制备的并且可以被烧结或不烧结。然后通常将合金浸渗剂置于和粉末金属零件相接触。然后将该混合的组件进行热处理。尽管和粉末金属零件的接触通常是固体浸渗剂，但也可使用熔化的浸渗剂。例如，通过在加热工序中维持该浸渗剂在粉末金属零件之上，浸渗剂接触能被推迟并且限于仅和在加热工序中所形成的熔化的浸渗剂合金相接触。取决于浸渗剂的尺寸和形状，可以设想各种方法以维持该浸渗剂合金在粉末金属零件之上。该热处理可以是具有可任选的冷却循环的一个或多个步骤。优选地，该加热工序是在还原性气氛和/或部分真空下进行。
在一个方式中，该方法包括将该粉末金属零件和合金浸渗剂相接触。然后将混合的零件进行一步热处理，该热处理包括在一个熔炉中在还原性气氛和温度为约950℃(1750)-约115℃(2100)下逐渐地加热混合的零件和合金浸渗剂直至该合金熔化或呈液态。将这些混合的零件进行热处理的时间要足以使熔化的合金渗透进入生料粉末金属零件的孔中。在某些实施方式中，时间范围可以是约2分钟-约90分钟。浸渗剂的量、温度和/或加工的时间能按所需进行调整以提供具有浸渗剂密度在整个粉末金属零件中都达到均匀密度的零件。
在两步热处理中，对该粉末金属零件首先进行高温烧结工序。该高温工序使粉末金属零件在约950℃(1750)-约1150℃(2100)温度下放置约5分钟-约40分钟。之后，该粉末金属零件和浸渗剂合金能通过同一炉子在不同条件下再循环或直接送入第二个炉子。第二热处理可包括烧结该混合的零件。这个工序可以在约950℃(1750)-约1150℃(2100)温度下进行约5分钟-约90分钟。在特别的实施方式中，第一和第二两个步骤的热处理都在还原性气氛和/或部分真空中进行。在零件已经经历该渗透处理后，然后浸渗金属零件可允许在冷却循环中冷却。
本公开的浸渗剂和渗透工序有着特别的优点。例如，由组分混合物组成的铜基粉末浸渗剂进行颗粒偏析从而导致样品和样品间的组成差异。此外，不同的粉末组分能以不同的速度和/或温度进行熔融和渗透。不同于铜基粉末浸渗剂，该锻造的浸渗剂具有均匀的组成，使样品和样品间保持恒定的组成。此外，锻造合金均匀地熔融和渗透。此外，优选工艺的进行可不需要诸如金属硬脂酸盐或合成蜡的浸渗剂润滑剂，但仍然可使粉末金属零件进行基本上完全的浸渗剂的致密化，即需要时渗透的密度可接近100％。本领域熟练技术人员应当理解这些工艺可进行修改以制造具有所需的浸渗剂密度范围，例如85％-99％密度的浸渗粉末金属零件或压坯。
该渗透方法能提供浸渗制品，该制品因渗透工艺其外形几乎不变并且基本上被100％地渗透，即大于98％的浸渗密度。可选地，通过改变条件(如，温度范围、热处理时间和/或浸渗剂中的铜量)，粉末金属零件能得到不同程度的渗透密度。因此，适宜地选择工艺条件和铜基合金浸渗剂的量，可提供最终浸渗的金属零件具有约85％-98％+致密的浸渗密度。取决于粉末金属零件的孔度，通过使用本公开的铜基合金浸渗剂使该粉末金属产品的重量能增加约8重量％-20重量％。因为该合金的锌组分较其它组分更易挥发，取决于渗透条件，用本公开的铜合金渗透的浸渗粉末金属零件能够，含有较少量的锌而不影响金属零件的性能。
本公开的方法能提供一种具有极高渗透效率和生产力的被浸渗材料并且消除了通常和渗透方法相关的第二操作。高渗透效率减少了浸渗剂材料的损失量，减少了加工成本和使清洗成本最小化和有关的EPA/OSHA最小化。此外，申请人的方法使用了不需压制工具的浸渗剂并且易于操作，生产出的浸渗制品显示出增高的密度，通常没有腐蚀和没有浸渗剂的残余物，并且通常呈显良好的性能。这些优良的性能通常包括，例如：1)通常均匀的铜分布，2)增强的横向断裂强度，3)增强的抗拉强度，4)增强的屈服强度和5)增强的强度指数。
该强度指数是得自特定强度除以浸渗制品的密度。例如，横向断裂强度(TRS)指数的公式是：
Figure A20068000002200101
(等式1)
抗拉强度(TS)指数和屈服强度(YS)指数可以通过将抗拉强度和屈服强度代替横向断裂强度而由这等式计算而得。强度指数提供了关于用单位重量金属得到的强度级别的信息并且独立于标准制品。最大化一种制品的强度而不增加其重量是设计重量轻和易于操作的一个重要的目的如燃料效率机动车辆的设备中。一个被修饰的强度指数(SI*)能额外地反映被渗透制品的密度和％渗透。该修饰的强度指数能从以下公式计算出：
(等式2)
该修饰的抗拉强度指数(TS SI*)和屈服强度指数(YS SI*)可以由这公式通过将抗拉强度和屈服强度代替横向断裂强度而算得。
本公开预期本领域熟练技术人员将进行修改。本公开也预期那些本领域熟练技术人员在不背离本公开精神的情况下对本公开实施方式中的各个步骤进行修改、删除、复制或添加到其它方法中。此外，本领域技术人员可对这些方法中的不同步骤、技术和操作进行修改。此外，本文所述的任何操作、证据或发现是用来进一步加深对本公开的理解并且不使本公开的范围依赖这些理论、证据或发现。
下列实施例举例说明了本公开的特定实施方式中实现的改善特性。
实施例1-制备用于渗透的原始压件
用于测试样品的未烧结的压件是通过压制下列粉末混合物而制备：Atomet28铁粉末、0.9重量％石墨和0.75重量％Acrawax C润滑剂。由Quebec MetalPowder Ltd.、1655 Route Marie-Victorin Tracy、Quebec Canada J3R 4R4得到Atomet粉末和由Lonza Inc.、3500 Trenton Ave.、Williamsport、PA 17701得到Acrawax C润滑剂。Acrawax是Chas.L.Huisking & Co.，Inc.，417 5th Ave.NewYork，New York的注册商标。制备具有额定的1.25英寸长、0.50英寸宽和0.25英寸厚的矩形形状和约6.7和7.0g/cm3密度的有孔的压件，6-1到6-5和7-1到7-5以用于渗透。如表I中所示，在渗透前测量这些生坯的压块。
                         表1
                原料压块-Atomet 28粉末
  样品号   密度g/cm3   宽度英寸(s)   总长度英寸(s)   重量g
  6-1   6.67   0.5014   0.2435   16.671
  6-2   6.65   0.5013   0.2367   16.158
  6-3   6.68   0.5013   0.2351   16.126
  6-4   6.68   0.5012   0.2381   16.348
  6-5   6.67   0.5014   0.2427   16.625
  7-1   6.93   0.5025   0.2509   17.896
  7-2   6.96   0.5020   0.2510   17.955
  7-3   6.95   0.5017   0.2556   18.260
  7-4   6.97   0.5022   0.2524   18.090
  7-5   6.96   0.5023   0.2477   17.737
实施例2-压块的渗透
选择含有约93％铜、约3％锰、约3％锌和约1％铁的线型合金的各个线段并准备用于渗透。重约2.4g的长度线合金被置于各样品6-1到6-5和各样品7-1到7-5的上面并且在约1125℃下在90/10氮气/氢气的气氛中烧结这些样品约30分钟，然后被冷却到环境温度。所得的浸渗的压块如表II所述进行再次测量。用各段线合金得到相似结果具有约85％的铜。
                               表II
                            渗透数据-A
  样品号   渗透gm/％   密度g/cm3   宽度英寸(s)   总长度英寸(s)   重量g
  6-1   2.33/13.9   7.51   0.5008   0.2440   18.789
  6-2   2.33/14.4   7.58   0.5006   0.2348   18.264
  6-3   2.33/14.4   7.61   0.5007   0.2345   18.320
  6-4   2.33/14.3   7.63   0.5014   0.2378   18.659
  6-5   2.53/15.2   7.56   0.5015   0.2426   18.863
  7-1   2.38/13.3   7.81   0.5019   0.2492   20.061
  7-2   2.44/13.6   7.80   0.5021   0.2509   20.174
  7-3   2.44/13.4   7.83   0.5025   0.2553   20.616
  7-4   2.44/13.5   7.78   0.5022   0.2530   20.293
  7-5   2.47/13.9   7.83   0.5020   0.2477   19.987
实施例3-测定横向断裂强度和硬度
通过下列方法测定某些浸渗压块样品的横向断裂强度和硬度(HRB和HRC)：MPIF标准测试方法#41和MPIF标准测试方法#43。得到的结果示于表III。
                                          表III
                                       机械强度-A
  样品号   ％渗透   密度g/cm3             横向断裂强度   硬度HRB   硬度HRC
  Psi   SI   SI*
  6-2   14.4   7.58   225,400   2.98   0.71   ---   23-17
  6-4   14.3   7.63   197,100   2.58   0.65   102   25-19
  6-5   15.2   7.56   224,500   2.97   0.57   101   24-16
  平均   14.6   7.59   215,000   2.83   0.64   101.5   24-17
  7-1   13.3   7.81   239,200   3.06   1.01   ---   28-23
  7-3   13.4   7.83   196,700   2.51   0.80   ---   30-25
  7-4   13.5   7.78   221,000   2.84   0.78   106   30-24
  平均   13.4   7.81   219,000   2.80   0.87   106   29-24
实施例4-测定抗拉强度、屈服强度和％伸长
如上述制备样品6-6到6-10和7-6到7-10并分别以12.1％和11.4％的线浸渗剂进行烧结。这些样品成形为扁平拉伸样品的形状。通过MPIF标准方法#10测定每个样品的抗拉强度、屈服强度和％伸长。样品6-6到6-10和7-6到7-10的结果示于表IV。
                                           表IV
                                        机械强度-B
  样品号   生坯密度g/cm3   浸渗的密度g/cm3            抗拉强度           屈服强度   ％伸长
  Psi   SI   SI*   Psi   SI   SI*
  6-6   6.7   7.45   115,000   1.54   0.72   85,000   1.14   0.53   2.7
  6-7   6.7   7.44   116,000   1.56   0.73   90,000   1.21   0.57   ---
  6-8   6.7   7.43   107,000   1.44   0.67   84,500   1.14   0.53   2.8
  6-9   6.7   7.45   114,000   1.53   0.72   86,500   1.16   0.54   2.7
  6-10   6.7   7.44   116,000   1.56   0.73   86,500   1.16   0.54   2.7
  平均   6.7   7.44   114,000   1.53   0.72   86,500   1.16   0.54   2.7
  7-6   7.0   7.68   121,000   1.58   0.93   90,500   1.18   0.70   2.5
  7-7   7.0   7.67   132,000   1.72   1.02   95,000   1.24   0.73   3.3
  7-8   7.0   7.67   127,000   1.66   0.98   94,000   1.23   0.73   ---
  7-9   7.0   7.63   129,000   1.70   1.00   94,000   1.23   0.73   3.1
  7-10   7.0   7.66   126,000   1.64   0.97   98,000   1.28   0.76   3.0
  平均   7.0   7.66   127,000   1.66   0.98   94,300   1.23   0.73   3.0
实施例5-测定冲击能
如上述制备样品6-11到6-15和7-11到7-15并分别用13.4％和12.9％的线浸渗剂进行烧结。这些样品成形为Izod冲击能测试样品(即，长为75mm、宽和厚为10mm)的形状。通过MPIF标准测试方法#40测定每个浸渗样品的冲击能。样品6-11到6-15，7-11到7-15的结果示于表V。
                            表V
                        浸渗数据-B
  样品号   生坯密度g/cm3   浸渗的密度g/cm3   冲击能ft-lbf
  6-11   6.7   7.60   10
  6-12   6.7   7.56   13
  6-13   6.7   7.59   12
  6-14   6.7   7.59   12
  6-15   6.7   7.57   10
  平均   6.7   7.58   11.4
  7-11   7.0   7.81   14
  7-12   7.0   7.82   8.5
  7-13   7.0   7.78   9
  7-14   7.0   7.78   10
  7-15   7.0   7.80   17
  平均   7.0   7.80   11.7
实施例6-对比使用不同浸渗剂的浸渗制品的性能
下面表VI中总结的是用本公开(线形式)的合金和粉末形式的铜合金浸渗的压块的机械强度对比。制成的列表汇总在表VII和VIII中，这些表说明了通过上述改善的渗透方法得到的在横向断裂强度、抗拉强度和屈服强度方面的％增加。
                                        表VI
                                 机械强度-总结和对比
  材料   密度g/cm3   抗拉强度Psi   屈服强度Psi   ％伸长   横向断裂强度Psi   硬度HRB/HRC   冲击能ft-lbf
  MPIFFX-1008*   7.3   87,000   60,000   3   166,000   89   10
  线形式的合金**   7.44-7.59   114,000   86,500   2.7   215,000   101/21   11.4
  线形式的合金**   7.66-7.81   127,000   94,300   3   219,000   106/27   11.7
*MPIF FX-1008的特性是由“Materials Standards for P/M Structural Parts”，23页，Metal Powder Industries Federation于2003年出版，105 College Road East，Princeton，New Jersey 08540-6692中转载的。
**单独的数值是表III、IV和V中的平均值。
下面表VII中汇总的是用本公开(线形式)合金渗透的粉末金属压块和以已知的粉末金属浸渗的钢MPIF FX-1008(粉末形式的浸渗剂)的横向破裂强度、抗拉强度和屈服强度的％增加的对比及样品的不同强度指数(S.I.’s)。
                                     表VII
                                    强度对比
  样品号       横向断裂强度         抗拉强度          屈服强度
  ％增加   S.I.   ％增加   S.I.   ％增加   S.I.
  MPIFFX-1008   0   2.3   0   1.2   0   0.8
  6-2   35.8   3.0   ---   ---   ---   ---
  6-4   18.8   2.9   ---   ---   ---   ---
  6-5   35.2   3.0   ---   ---   ---   ---
  7-1   44.1   3.1   ---   ---   ---   ---
  7-3   18.5   2.5   ---   ---   ---   ---
  7-4   33.1   2.8   ---   ---   ---   ---
  平均   30.9   2.9   ---   ---   ---   ---
  6-6   ---   ---   17.2   1.5   41.7   1.1
  6-7   ---   ---   33.3   1.6   50.0   1.2
  6-8   ---   ---   22.9   1.4   40.8   1.1
  6-9   ---   ---   31.0   1.5   44.2   1.2
  6-10   ---   ---   33.3   1.6   44.2   1.2
  平均   ---   ---   21.3   1.5   36.2   1.2
  7-6   ---   ---   39.1   1.6   50.8   1.2
  7-7   ---   ---   51.7   1.7   58.3   1.2
  7-8   ---   ---   45.9   1.7   56.7   1.2
  7-9   ---   ---   48.3   1.7   56.7   1.2
  7-10   ---   ---   44.8   1.6   63.3   1.3
  平均   ---   ---   46.0   1.7   57.2   1.2
实施例7-在浸渗的金属零件中铜的分布
对上面实施例2中指明为6-4和7-4的浸渗样品由顶部和底部表面0.025英寸的深度处分析其铜含量。样品6-4的顶部和底部铜量分别是13.2重量％和12.8重量％。样品7-4的顶部和底部铜量分别是11.0重量％和11.0重量％。因此得到整个浸渗的粉末金属零件中一般均匀的铜分布。
实施例8-中等程度和最大程度地渗透
使用包含91.6％铜、1.9％铁、2.6％锰和3.9％锌的线合金重复实施例1到5的步骤，除了使用更高含量的浸渗剂以测定使用新型线合金可能得到的更大程度的渗透。正常进行的合金的渗透为14.1％，而渗透多达14.3％导致一些少量铜聚集在一些样品的表面。相当于指定材料MPIF FX-1008所得的浸渗压块的特性示于下面表VIII、IX和X中。
                                            表VIII
  样品号   ％渗透   生坯渗透密度g/cm3        横向断裂强度   顶部/底部的硬度HRC/HRB
  Psi   SI*
  6-16   10.9   6.76---7.40   192,100   1.84   97/93
  6-17   10.9   6.75---7.39   185,700   1.78   90/91
  6-18   10.9   6.75---7.39   182,800   1.81   91/91
  6-19   10.9   6.74---7.39   189.500   1.82   92/92
  6-20   10.9   6.75---7.38   182,600   1.75   92/90
  平均   10.9   6.75---7.39   187,000   1.81   92/91
  6-21   14.1   6.7---7.63   201,400   0.65   26/96
  6-22   14.1   6.7---7.61   184,000   0.60   28/97
  6-23   14.1   6.7---7.61   194,100   0.63   29/96
  6-24   14.1   6.7---7.60   199,200   0.65   28/95
  6-25   14.1   6.7---7.61   193,900   0.63   28/95
  平均   14.1   6.7---7.61   194,600   0.63   28/96
  7-16   10.8   6.95---7.59   202,600   1.96   29/96
  7-17   10.8   6.95---7.62   199,700   1.93   28/95
  7-18   10.8   6.95---7.65   211,800   2.04   28/95
  7-19   10.8   6.95---7.65   214,800   2.06   28/95
  7-20   10.8   6.95---7.66   204,200   1.96   27/97
  平均   10.8   6.95---7.63   206,600   1.99   28/96
  7-21   13.6   6.95---7.73   227,200   0.86   32/24
  7-22   13.6   6.95---7.69   206,600   0.79   3225
  7-23   13.6   6.95---7.81   210,300   0.79   32/24
  7-24   13.6   6.95---7.82   213,100   0.80   32/24
  7-25   13.6   6.95---7.72   223,600   0.85   32/24
  平均   13.6   6.95---7.75   216,200   0.82   32/24
                                      表IX
  样品号   ％渗透   生坯渗透密度g/cm3     横向断裂强度      屈服强度 ％伸长
  Psi   SI*   psi   SI*
  6-26   10.9   6.66---7.30   105,000   1.02   83,600   0.81   2.0
  6-27   10.9   6.66---7.28   99,500   0.97   82,800   0.81   1.5
  6-28   10.9   6.62---7.27   105,000   1.02   84,100   0.82   2.5
  6-29   10.9   6.64---7.27   104,000   1.01   86,400   0.84   1.0
  6-30   10.9   6.65---7.29   107,000   1.04   93,700   0.91   5.0
  平均   10.9   6.65---7.28   104,000   1.01   86,100   0.84   2.4
  6-31   13.9   6.7---7.58   121,000   0.43   89,500   0.32   1.0
  6-32   13.9   6.7---7.61   124,000   0.44   92,500   0.33   1.0
  6-33   13.9   6.7---7.62   120,000   0.42   91,000   0.32   1.5
  6-34   13.9   6.7---7.56   118,000   0.42   90,500   0.32   1.5
  6-35   13.9   6.7---7.53   120,000   0.43   91,000   0.33   1.3
  平均   13.9   6.77---7.58   120,000   0.42   91,000   0.32   1.3
  7-26   10.9   6.95---7.72   120,000   1.10   95,000   0.87   1.0
  7-27   10.9   6.95---7.72   124,000   1.14   100,000   0.92   1.5
  7-28   10.9   6.95---7.71   126,000   1.16   96,000   0.88   1.5
  7-29   10.9   6.95---7.74   124,000   1.14   96,000   0.89   1.5
  7-30   10.9   6.95---7.70   122,000   1.12   93,500   0.86   1.0
  平均   10.9   6.95---7.72   123,000   1.13   96,000   0.88   1.3
  7-31   14.3   6.95---7.90   122,000   0.37   93,500   0.28   1.5
  7-32   14.3   6.95---7.85   124,000   0.38   97,500   0.28   1.5
  7-33   14.3   6.95---7.90   126,000   0.38   110,000   0.33   1.0
  7-34   14.3   6.95---7.87   121,000   0.37   95,000   0.29   1.0
  7-35   14.3   6.95---7.81   120,000   0.37   94,000   0.29   1.0
  平均   14.3   6.95---7.87   123,000   0.37   98,000   0.30   1.2
                              表X
  样品号   ％浸渗剂   生坯渗透的密度g/cm3   冲击能Ft-lbf
  6-36   10.9   6.75---7.40   15
  6-37   10.9   6.76---7.42   15
  6-38   10.9   6.73---7.39   14
  6-39   10.9   6.74---7.41   14
  6-40   10.9   6.77---7.42   14.5
  平均   10.9   6.75---7.41   14.5
  6-41   14.1   6.7---7.57   9.0
  6-42   14.1   6.7---7.57   12.0
  6-43   14.1   6.7---7.60   11.5
  6-44   14.1   6.7---7.60   10.5
  6-45   14.1   6.7---7.58   11.5
  平均   14.1   6.7---7.59   11.0
  7-36   10.7   6.95---7.60   12.5
  7-37   10.7   6.95---7.61   12.5
  7-38   10.7   6.95---7.60   15.0
  7-39   10.7   6.95---7.59   13.5
  7-40   10.7   6.95---7.61   10.5
  平均   10.7   6.95---7.60   13.0
  7-41   13.8   6.95---7.79   14.5
  7-42   13.8   6.95---7.78   10.0
  7-43   13.8   6.95---7.78   8.5
  7-44   13.8   6.95---7.74   14.0
  7-45   13.8   6.95---7.67   10.0
  平均   13.8   6.95---7.77   11.0
实施例9-用粉末合金压块渗透
使用粉末合金XF-5(U.S.Bronze，18649 Brake Shoe Road，Meadville，PA有售)重复实施例8的步骤，该粉末合金XF-5含有94.1％铜、1.7％铁、2.8％锰和1.4％锌以形成相当于指定材料MPIF FX-1008的浸渗的压块。得到的结果示于下表XII、XIII和XIV中。
                                表XII
  样品号   ％浸渗剂   生坯渗透的密度g/cm3        抗拉强度       屈服强度   ％伸长
  Psi   SI*   psi   SI*
  6-31   13.5   6.7---7.36   120,000   0.49   90,000   0.37   1.0
  6-32   13.5   6.7---7.40   118,000   0.48   90,000   0.37   1.0
  6-33   13.5   6.7---7.44   118,000   0.48   90,000   0.36   1.0
  6-34   13.5   6.7---7.34   119,000   0.49   94,000   0.39   1.0
  6-35   13.5   6.7---7.34   111,000   0.46   88,500   0.36   1.0
  平均   13.5   6.7---7.38   117,000   0.48   90,500   0.37   1.0
                        表XIII
  样品号   ％浸渗剂   生坯渗透的密度g/cm3   冲击能Ft-lbf
  6-36   13.5   6.7---7.47   10.5
  6-37   13.5   6.7---7.48   11.5
  6-38   13.5   6.7---7.50   11.0
  6-39   13.5   6.7---7.48   14.0
  6-40   13.5   6.7---7.51   14.5
  Average   13.5   6.7---7.49   12.3
                                表XIV
  样品号   ％浸渗剂   生坯渗透的密度g/cm3      横向断裂强度   顶部/底部硬度HRC/HRB
  psi   SI*
  6-41   13.5   6.7---7.49   193,300   0.78   25/95
  6-42   13.5   6.7---7.48   195,600   0.79   23/95
  6-43   13.5   6.7---7.56   186,800   0.74   25/95
  6-44   13.5   6.7---7.54   182,000   0.73   25/95
  6-45   13.5   6.7---7.55   186,200   0.75   25/95
  平均   13.5   6.7---7.52   188,800   0.76   25/95
下面提供的表XV汇集了表III到XIV的数据的平均值。依次用10-11％的线浸渗剂渗透的制品较用13.5％的粉末浸渗剂渗透的产品具有基本上更大的横向断裂强度、抗拉强度和屈服强度。即使在完全或接近完全浸渗时强度测量接近(coalensce)，但线型浸渗剂通常较粉末浸渗剂提供更高的强度测量值。
                                    表XV
  样品范围   ％浸渗剂   生坯渗透密度   TRS   TRS-SI*   TS   TS-SI*   YS   YS-SI*
  6-2/6-5   14.6   6.67/7.59   215,000   0.64
  6-21/6-25   14.1   6.7/7.61   194,600   0.63
  6-16/6-20   10.9   6.75/7.39   187,000   1.81
  6-41/6-45   13.5*   6.7/7.52   188,800   0.76
  7-21/7-25   13.6   6.95/7.75   216,200   0.82
  7-1/7-4   13.4   6.96/7.81   219,000   0.87
  7-16/7-20   10.8   6.95/7.63   206,600   1.99
  7-16/7-20   10.8   6.95/7.63   206,600   1.99
  6-31/6-35   13.9   6.77/7.58   120,000   0.42   91,000   0.32
  6-6/6-10   12.1   6.7/7.44   114,000   0.72   86,500   0.54
  6-26/6-30   10.9   6.65/7.28   104,000   1.10   86,100   0.84
  6-31/6-35   13.5*   6.7/7.38   117,000   0.48   90,500   0.37
  7-31/7-35   14.3   6.95/7.87   123,000   0.37   98,000   0.30
  7-6/7-10   11.4   7.0/7.66   127,000   0.98   94,300   0.73
  7-26/7-30   10.9   6.95/7.72   123,000   1.13   96,000   0.88
*使用粉末浸渗剂而不是线合金浸渗剂
下面提供的表XVI汇总了选自表VIII到XIV的数据。该汇总的数据说明了较低量的线合金浸渗剂能够：a)提供相当的或优良的机械性能，b)更有效地渗透以达到更高密度的浸渗的压块，和c)通过减少所需浸渗剂的量来降低被浸渗压块的成本。通过使用较少量锻造的合金浸渗剂(24-小于26％)来渗透更高密度的生坯压块以得到优良机械性能能够节约显著的成本。
                                    表XVI
  线合金   线合金   XF-5粉末合金
  生坯密度，g/cm3   6.65-6.75   6.95   6.7
  浸渗的密度，g/cm3   7.28-7.41   7.60-7.72   7.38-7.52
  ％渗透   10.9   10.7-10.9％   13.5％
  浸渗剂的相对量   1   1   1.24-1.26
  抗拉强度，psi   104,000*   123,000   117,000
  屈服强度，psi   86,100*   96,000   90,500
  横向断裂强度，psi   187,000**   206,600   188,800
  冲击能，Ft-lbf   14.5**   13.5   12.3
  ％伸长   2.4*   1.3   1.0
  顶部/底部硬度HRC/HRB   92/91**   28/96   28/95
*6.65g/cm3生坯密度的数据
**6.75g/cm3生坯密度的数据
实施例10-制备新型铜渗透合金
一种含有92份重量铜、3份重量锰、3份重量锌和2份重量铁的混合物被加热至约2100℃以形成均匀的熔体。将该熔体转入模具中，去除加热并将形成的坯料从模具中移出。将该坯料过热并被挤压以形成具有横截面直径为约四分之一英寸的圆棒。以相似的方式将该坯料挤压以形成管或轧制成薄片。拉伸形成的棒成为具有约0.093英寸直径的线。相似地，轧制形成的棒以形成合金薄片。具有盘和垫圈形状的浸渗剂可通过经其纵向轴切割棒和管而从具有直径范围的棒和管中制成。有着片形状的浸渗剂可从薄片形式的合金或通过切割具有正方形、矩形或其它横截形状的棒而形成。具有环或圆环形状的浸渗剂可从线形式的合金形成。线形式合金能缠绕在线轴等上以便于运输、储存和操作。因为线具有一般均匀密度，浸渗剂的重量能方便地和线段或带段的长度相关。
具有小到约85重量％铜、约0.5-约5.5重量％锰、约0.5-约5.5重量％锌和约0.5-约3.5重量％铁的铜合金可通过本方法制得并成形为上述不同形式的锻造浸渗剂制品。这些制品特别适于提供具有优良物理特性的被浸渗的粉末金属零件。
实施例11-XF-5粉末浸渗剂和线合金浸渗剂的化学分析
对由U.S.Bronze出售的XF-5粉末浸渗剂的样品和本公开的线合金浸渗剂(描述于实施例8中)进行全分析。微量元素和少量杂质没有测定。结果示于表VVII中。
                表VVII
    粉末和线合金浸渗剂的全分析
  元素   XF-5粉末   线合金
  Mn   2.8   2.6
  Fe   1.7   1.9
  Zn   1.4   3.9
实施例12-金属在XF-5粉末和线合金中的分布
将部分XF-5粉末分散在环氧树脂中并浇铸到样品模具中以形成复合样品。抛光该复合物的横截面以暴露各个粉末颗粒的横截面。横截该线合金并制成标本以测量其纵向(线拉伸方向)。粉末组合物和线的横截部分用SEM-EDS分析进行检测。
图5显示了粉末颗粒组合物的横截面和Mn、Fe和Zn元素的点图。点的数目和分布代表了存在的金属元素量和它在整个颗粒上的分布。图6显示了该线合金横截面和点图。存在点的更大数目代表了更高的金属含量而点的均匀分布代表了该金属元素在整个线合金中的均匀分布。图5和6指出该粉末在整个粉末中含有较少量的均匀分布的金属，而该线在整个线横截面中含有均匀分布的大量金属。
实施例13-在不均匀XF-5粉末中非合金化的Fe的迹象
将一个小磁铁置入XF-5粉末浸渗剂的样品中。当移开该磁铁时观察到其顶部覆有与磁铁顶部磁性区域相一致的精细灰色颗粒，这意味着在XF-5粉末中存在非合金化的铁颗粒。
实施例14-XF-5粉末和线合金的元素分析光谱
测量松散的XF-5粉末的样品的元素分析光谱其结果示于图7中。注意到有痕量铝和钛存在。如所预料的，显示铜为主要组分。然而，铁含量似乎略微高于锰含量，这和实施例11中的全分析不一致。尽管同全分析不一致，该结果和能偏析的个体粉末颗粒混合物的粉末浸渗剂相一致，并取决于取样和颗粒分布，证明了样品和样品之间的组成不同。
线合金的元素分析光谱是相似地进行测量，其结果示于图8中。图8左边未标记的高峰是金，该金是溅射涂覆到线合金样品上以确保足够的传导性能。象粉末一样，铜峰是最高的，铜构成合金的90％以上。和粉末不同，该锰峰高于铁峰，和全分析一致。线合金的元素分析和具有一般均匀组成的线合金一致。
实施例15-个体XF-5粉末颗粒的元素分析
图9显示的是XF-5粉末颗粒在250x放大倍数下的分布。注意单独选择以数字1、2和3指定的颗粒。测量颗粒1、2和3的各元素光谱并分别示于图10、11和12中。图10中明显看出，颗粒1基本上是纯的锰颗粒。小的铜峰是由较大的附近铜颗粒读出的背景。由图11中注意到，颗粒2似乎是具有约10％锌含量和少量钛和铁杂质的黄铜颗粒。图12中显示的颗粒3的光谱指出颗粒3几乎是纯铜颗粒。基于磁性研究(实施例13)、元素分析(实施例14)和单个XF-5颗粒分析(本实施例)，该XF-5粉末是铜、铜/锌黄铜合金、铁和锰的非均匀混合物。相反地，所有提供的光谱证据指出该线合金是一种含有铜、铁、锌和锰的基本上均匀的合金。
尽管本公开已经在上面说明书和实施例中示例性说明和详细描述，同样认为是说明而不是限制性的，应当认为已显示的和描述的仅仅是优选实施方式并且在本公开精神的范围内所有的改变和修改都是受保护的。

Claims (34)

1.一种用于渗透粉末金属零件的方法，该方法包括：
a)选择粉末金属零件；
b)选择一种具有锻件形式的铜合金，其适于接触该粉末金属零件的一个表面，其中该合金包括：(i)至少约85重量％的铜、(ii)约0.5-约3.5重量％铁、(iii)约0.5-约5.5重量％锰和(iv)约0.5-约5.5重量％锌；
c)将合金和粉末金属零件的一个表面接触；和
d)加热该合金和粉末金属零件达到足以使合金熔融并渗透入该粉末金属零件中的温度。
2.权利要求1的方法，其中该合金含有至少约90重量％的铜。
3.权利要求1的方法，其中该粉末金属零件是铁基粉末金属零件。
4.权利要求3的方法，其中该粉末金属零件是烧结的金属零件。
5.权利要求1的方法，其中该粉末金属零件的表面是上表面。
6.权利要求1的方法，其中温度至少约800℃。
7.权利要求1的方法，其中该锻件形式是线段。
8.权利要求1的方法，其中该锻件形式是片。
9.权利要求1的方法，其中该锻件形式是盘。
10.权利要求1的方法，其中该锻件形式是垫圈。
11.权利要求1的方法，其中加热是在小于大气的压力下进行。
12.权利要求1的方法，其中加热是在高度还原性的气氛中进行。
13.权利要求7的方法，其中线段具有一般圆环形状的形式。
14.一种用于渗透粉末金属零件的材料，该材料包含一种铜合金，该铜合金具有均匀锻件形式，其可用于适合粉末金属零件的表面，其中该合金含有：a)至少约85重量％的铜、b)约0.5-约3.5重量％铁、c)约0.5-约5.5重量％锰和d)约0.5-约5.5重量％锌。
15.权利要求14的材料，其中该铜合金含有至少约90重量％的铜。
16.权利要求14的材料，其中该锻件形式选自盘、环、薄板、片、线段和垫圈。
17.权利要求16的材料，其中形式是线段。
18.一种按照权利要求1制备的浸渗粉末金属零件，其中该粉末金属零件是铁基合金并浸渗零件具有通常均匀的铜分布。
19.权利要求18的浸渗粉末金属零件，其具有至少约0.8的改性横向断裂强度指数。
20.权利要求18的浸渗粉末金属零件，其具有至少约0.7的改性抗拉强度指数。
21.权利要求18的浸渗粉末金属零件，其具有至少约0.5的改性屈服强度指数。
22.一种用于制备一种浸渗合金的方法包括：
a)形成一种含有至少约85重量％的铜、约0.5-约3.5重量％铁、约0.5-约5.5重量％锰和约0.5-约5.5重量％锌的混合物；
b)加热该混合物达到足以形成均匀熔体的温度；和
c)将该熔体转变成能够用于和粉末金属零件的一个表面相接触的均匀锻件形式以渗透该金属零件。
23.权利要求22的方法，其中转变该熔体包括：
a)将熔体转移入模具中；
b)凝固该熔体以形成坯料；和
c)挤压该坯料以提供基本上均匀锻件形式的合金。
24.权利要求23的方法，其中该坯料在挤压之前被加热到低于其熔融点的高温。
25.权利要求24的方法，其中加热该混合物到至少约1150℃的温度。
26.权利要求24的方法，其中该锻件形式是棒。
27.权利要求24的方法，其中该锻件形式是管。
28.权利要求24的方法，其中该锻件形式是薄板。
29.权利要求26的方法，其中该棒是以穿过其纵轴而切割以形成盘，该盘用于和粉末金属零件的一个表面相接触。
30.权利要求27的方法，其中该管是以穿过其纵轴而切割以形成垫圈，该垫圈用于和粉末金属零件的一个表面相接触。
31.权利要求28的方法，其中该薄片转换成片，该片具有用于和粉末金属零件的一个表面相接触的形式。
32.权利要求26的方法，其中拉制该棒以形成线。
33.权利要求32的方法，其中切割该线成为线段并且该线段加工成形以符合粉末金属零件的一个表面。
34.权利要求33的方法，其中该线段符合圆环形状。
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