CN1968775A - 烧结金属零件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括下列步骤的方法：提供预合金化铁基金属粉末，该粉末包括至少1.3－3.5％的铬、0.15－0.7％的钼、锰和不可避免的杂质；将所述粉末与0.1－1.0％的石墨混合；在至少为600MPa的压力下压实所获得的混合物；在单一步骤中在高于1100℃的温度下烧结被压实的零件；对零件进行喷丸处理并在烧结后可选地对部件进行淬火。本发明还涉及一种粉末冶金零件和用于制备在7.15g/cm3的烧结密度下具有至少为340MPa的弯曲疲劳极限、优选在7.3g/cm3的烧结密度下具有至少为400MPa的弯曲疲劳极限的缺口烧结零件的低铬预合金化粉末的应用。

Description

烧结金属零件及其制造方法
技术领域
本发明涉及粉末冶金，更具体地涉及具有改善的疲劳性能的预制铬合金粉末(pre-alloyed Chromium powder)金属零件。
背景技术
一般地，通过粉末冶金制成的烧结制品在成本上比通过锻造和轧制工序获得的钢锭更加有利，并且作为例如机动车辆中的零件而广泛应用。然而，烧结制品具有在其制造过程中不可避免地形成的孔隙。与完全致密的材料相比，烧结粉末冶金材料中的这些残余孔隙会损害材料的机械性能。这是由于孔隙会引起应力集中，还因为孔隙会减小应力作用下的有效体积。因此，在铁基粉末冶金材料中强度、延展性、疲劳强度、宏观硬度等会随着孔隙度的增加而降低。
尽管铁基粉末冶金材料的疲劳强度相对较低，但是它们在一定程度上仍用在需要高疲劳强度的部件中。可从瑞典的Hgans AB购得的DistaloyHP是一种可用作高性能用途的钢粉。在该Distaloy粉中基粉与一种昂贵的合金元素——镍进行合金化。因此，这种高性能材料十分昂贵，需要一种较便宜但具有至少同等疲劳强度的材料。
一种提高粉末冶金钢的疲劳性能的方法是二次加工。穿透淬火、表面淬火或喷丸处理(或它们的组合)是部件获得尽可能高的抗疲劳性的可能方法。通常执行喷丸处理以利用表面中的压缩残余应力的有利作用。通向表面的孔隙是粉末冶金材料中的弱点。这些孔隙通过表面压缩残余应力的引入而至少部分地被消除。
在例如美国专利6 171 546中公开了被压实零件的喷丸处理。根据该专利，在喷丸处理后接着进行一最终烧结工序。尤其包含镍的铁基粉末被用作原材料。如上所述，由于镍很昂贵，所以对不含镍粉末的需求日益增长。含镍粉末的另一缺点是在粉末加工过程中会出现的粉尘问题，少量的粉尘也会引起过敏反应。因此应当避免使用镍。美国专利申请2004/0177719也涉及一种包括喷丸处理的方法。更具体地，该申请公开了一种方法，其中被压实零件的一部分表面在烧结后进行喷丸处理。根据该申请，有必要进行包括粉末锻造或精压的致密化处理以提高最终的被压实零件的性能。
本发明的一个目的是提供一种节省成本的方法，该方法用于制备具有高疲劳强度的粉末冶金部件而无需任何用于实现芯部致密化的工序。另一个目的是提供一种涉及不含镍的粉末材料的方法。
发明内容
已经意外地发现，通过对由铁基粉末制备的烧结部件进行喷丸处理可以获得具有高疲劳强度的部件，所述铁基粉末的特征在于其具有低含量的铬和钼。
具体实施方式
在本发明中使用的粉末是包含少量的铬和钼的预合金化铁基粉末。按重量计的优选量为1.3-3.5％的铬和0.15-0.7％的钼。所述粉末还可包含少量的——按重量计为0.09-0.3％——的锰和不可避免的杂质。从美国专利6 348 080和WO 03/106079中已知这种粉末。
基粉进一步与石墨混合以便在材料中获得所期望的强度。与铁基粉末混合的石墨的量为0.1-1.0％，优选为0.15-0.85％。粉末混合物在阴模中被压实以便形成生坯。压实压力至少为600MPa，优选为至少700Mpa，更优选为800MPa。压实可通过冷压或温压进行。在压实之后所获得的生坯零件在1100℃以上、优选地在1220℃以上的烧结温度下烧结。烧结气氛优选为氮和氢的混合物。烧结过程中常规的冷却速率为0.8℃/s，优选在0.5℃/s至1.0℃/s之间的范围内。烧结密度优选在7.15g/cm3以上，更优选在7.3g/cm3以上。烧结态材料中所获得的微观组织主要是铬和钼含量较低的细珠光体以及铬和钼含量稍高的马氏体或下贝氏体。
现已经意外发现，通过对铬含量低的烧结粉末材料进行喷丸处理可以获得弯曲疲劳极限的显著增加。对于缺口零件可获得尤其显著的增加，从下面的示例可以看到，其中可获得50％以上甚至70％以上的增加。用Almen A强度定义的喷丸处理的程度优选在0.20mm至0.37mm之间。
在喷丸处理之前可进行二次加工例如穿透淬火和表面淬火以便更进一步地提高性能。因此，在随后进行回火的穿透淬火之后，材料主要为马氏体并且疲劳极限通过喷丸处理而提高。在表面淬火过程中形成的表面中的马氏体被认为会形成有利于疲劳极限的压缩应力。
烧结硬化是应用于烧结过程中的一种可选工艺。烧结硬化在部件的烧结过程的结尾使用强制冷却，这可导致硬化组织。
已在应力集中系数Kt为1.38的缺口试样上以及无缺口试样上进行了疲劳试验。试验显示，在对缺口试样进行喷丸处理时弯曲疲劳极限比对无缺口试样进行喷丸处理时增加得更多。本文中词语“缺口”是指具有高于1.3的应力集中系数的试样或部件。
通过下面的非限制性示例对本发明进行说明。
示例1
本研究中包括两种预合金化基粉Astaloy CrL和Astaloy CrM，以及一种扩散合金化基粉Distaloy HP。Distaloy HP与Ni和Cu进行扩散合金化并与Mo进行预合金化。本研究中包括的这三种材料如表1所示。
表1
  材料   Ni[％]   Cu[％]   Mo[％]   Cr[％]
  Astaloy CrL   0.2   1.5
  Astaloy CrM   0.5   3.0
  Distaloy HP   4.0   2.0   1.5
下面将给出关于工艺参数、密度和碳含量的详细信息。表2中示出在90/10的N2/H2中以大约0.8℃/sec的冷却速率烧结30分钟的不同合金的无缺口试样的平面弯曲疲劳性能。使用带削边的5mm ISO3928样品进行无缺口试样的疲劳试验。试验以载荷比R＝-1的四点平面弯曲进行。(试验)采用阶梯法，阶梯中具有13-18个样品，并以两百万个循环作为失效极限(run-out limit)。根据MPIF 56标准对阶梯进行评价(50％概率的疲劳极限和标准偏差)。试验频率为27-30Hz。
表2
  粉末   密度[g/cm3]   烧结态碳[％]   σA，50％[MPa]   标准偏差[MPa]   σA，90[MPa]
  AstaloyCrL   7.17   0.60   244   7   234
  7.16   0.80   267   5   260
  AstaloyCrM   7.06   0.35   284   7.0   274
  7.04   0.56   316   8.4   300
  Distaloy HP   7.13   0.65   295   22.5   261
  7.13   0.85   330   ＜5   ＞322
烧结碳在0.6％以下且冷却速率为大约0.8℃/s的Astaloy CrL的微观组织为上贝氏体。碳增加到0.74％以上会将微观组织变成细珠光体。
对在1120℃下烧结的、冷却速率为0.8℃/s且烧结碳含量在0.32％至0.49％之间的烧结Astaloy CrM材料进行的微观组织分析显示出致密的上贝氏体微观组织。致密的上贝氏体具有和常规上贝氏体相同的特性，即铁素体和渗碳体的无规则混合。区别在于碳化物之间的距离以及碳化物的尺寸更小。增加的烧结碳将微观组织变成马氏体和下贝氏体的混合物。
表3示出压实压力和碳含量对冷压的Astaloy CrL的影响。所有材料均在90/10的N2/H2中在1120℃下烧结30分钟。在表3中总结出两种压实压力和两种石墨添加含量的情况下Astaloy CrL的平面弯曲疲劳性能。标准偏差＜5表明分散很小且不能应用标准偏差的MPIF 56标准评价。表3中的试样是无缺口的。
表3
  材料   石墨C-UF4[％]   压实压力[MPa]   烧结态密度[g/cm3]   烧结态碳[％]  σA，50％[MPa]   标准偏差[MPa]  σA，90[MPa]
  AstaloyCrL1120℃，30分钟，90/10N2/H20.8℃/s   0.6   600   6.94   0.56  224   11.6  205
  0.8   600   6.93   0.75  233   9.5  218
  0.6   800   7.13   0.55  236   8.5  222
  0.8   800   7.09   0.74  252   ＜5  ＞244
表4中示出烧结温度对无缺口试样的疲劳性能的影响。表4中材料的微观组织的特征在于主要是上贝氏体(1120℃，0.58％C)和细珠光体(1120℃，0.77％C以及1250℃，0.74％C)。
表4
  粉末   烧结温度   烧结态密度[g/cm3]   烧结态碳[％]   σA，50％[MPa]   标准偏差[Mpa]   σA，90％[MPa]
  AstaloyCrL   1120℃   7.10   0.58   220   11   203
  1120℃   7.08   0.77   236   9.7   222
  1250℃   7.02   0.74   290   18   264
示例2
研究了喷丸处理以及热处理和喷丸处理的结合对Astaloy CrL的3mm棱边缺口试样产生的影响。缺口包括在冲压工具中并且没有进行机加工。通过FEM获得弯曲应力集中系数为Kt＝1.38。试验频率为27-30Hz。
材料在H2中在1280℃下烧结30分钟。冷却速率为0.8℃/s。
进行喷丸处理以获得0.32mm的Almen A强度。
表5中示出估算出的烧结态以及烧结态加喷丸处理的样品的平面弯曲疲劳性能。
表5
  粉末   烧结态碳[％]   烧结态密度[g/cm3]   二次加工   弯曲疲劳极限[MPa]   喷丸处理后的增如
  喷丸处理
  AstaloyCrL有缺口   0.70   7.30   NO   235
  YES   420   +79％
  AstaloyCrL无缺口   0.85   7.30   NO   340
  YES   450   +32％
表6中示出估算出的经穿透淬火、回火和喷丸处理的样品的平面弯曲疲劳性能。穿透淬火在880℃的奥氏体化温度下进行。奥氏体化后的冷却速率为8℃/s。试样最终在250℃下回火1小时。
表6
  粉末   烧结态碳[％]   烧结态密度[g/cm3]   二次加工   弯曲疲劳极限[MPa]   喷丸处理后的增加
  穿透淬火   回火250℃1小时   喷丸处理
  AstaloyCrL有缺口   0.50   7.30   YES   YES   NO   285
  0.50   7.30   YES   YES   YES   490   +73％
  AstaloyCrL无缺口   0.50   7.30   YES   YES   NO   370
  0.50   7.30   YES   YES   YES   520   +41％
从表5和6可以发现，通过喷丸处理，含铬和钼的材料的弯曲疲劳极限得到显著的提高。

Claims (9)

1.一种用于生产具有提高的疲劳强度的粉末冶金零件的方法，包括下列步骤：
-提供预合金化铁基金属粉末，该粉末至少包括按重量计为1.3-3.5％的铬和0.15-0.7％的钼，
-将所述粉末与按重量计为0.1-1.0％的石墨混合，
-在至少为600MPa的压力下压实所获得的混合物，
-在单一步骤中在高于1100℃的温度下烧结被压实的零件，
-对零件进行喷丸处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，疲劳强度的增加为至少50％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，被压实和烧结的零件在喷丸处理前进行淬火和回火。
4.根据权利要求1至3中任一项的方法所制造的粉末冶金零件，其特征在于，所述零件具有主要是珠光体的微观组织，优选为主要是细珠光体的微观组织。
5.根据权利要求1至3中任一项的方法所制造的粉末冶金零件，其特征在于，所述零件具有为马氏体和下贝氏体的微观组织。
6.根据权利要求1至3中任一项的方法所制造的粉末冶金零件，其特征在于，所述零件具有主要是回火马氏体的微观组织。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的粉末冶金零件，其特征在于，所述零件在7.15g/cm3的烧结密度下具有至少为340MPa的弯曲疲劳极限，优选地在7.3g/cm3的烧结密度下具有至少为400MPa的弯曲疲劳极限。
8.用于制备在7.15g/cm3的烧结密度下具有至少为340MPa的弯曲疲劳极限、优选在7.3g/cm3的烧结密度下具有至少为400MPa的弯曲疲劳极限的缺口烧结零件的低铬预合金化粉末的应用，其特征在于，所述粉末被压实、烧结并可选地进行回火和退火，并且经过喷丸处理。
9.根据权利要求10所述的粉末冶金零件的应用，其特征在于，所述零件具有高于1.3的应力集中系数。
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