TWI288034B - Iron-based powder composition - Google Patents

Description

1288034 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種用於產生粉末金屬部件之粉末金屬組合 物。該發明尤其係關於一種包括新穎切削性改良添加劑之 粉末金屬組合物。 【先前技術】 粉末冶金學製造組件之主要優點之一係可藉由壓坯及燒 、、’《產生成品或非常接近於成品形狀之毛坯。但是有實例表 明隨後的加工是需要的。舉例而言，由於要求高容差或由 於最終組件有這樣一種不能直接壓製但需要在燒結後進行 加工之开〉狀，所以隨後的加工是必須的。更具體言之，幾 何形狀，諸如橫向於壓坯方向之孔，底切及螺紋都要求隨 後的加工。 藉由不斷開發具有更高強度且因而具有更高硬度之新穎 、7〇、、Ό鋼加工已成為粉末-冶金學製造組件之主要難題之 一。在評定粉末_冶金學製造是否為製造一組件之最具成 本效益的方法時，加工常常是一限制因素。因此非常需要 新穎且更有效之添加劑來改良燒結鋼的切削性。因此重要 的是該添加劑並不會明顯地影響燒結材料之機械性能，諸 如抗張強度及伸長率。 - 如今’存在很多已知物質，將該等物質加入到以鐵為主 之粉末混合物中以促進燒結後組件之加工。最普通的粉末 添加劑是MnS ’例如在ΕΡ 〇 183 666中有提到’其描述择 結鋼之切削性是如何藉由混合該粉末來改良的。然而二 101420.doc 1288034 以加工之材料，本文中硬度超過約丨8〇 HV之材料即使加入 MnS也不此被遍當加工。此外，由於所添加的量及基料， MnS的加入可減少該材料燒結後之機械強度。 在W〇 91/14526中描述到，少量Te及/或Se連同MnS如何 將難以加工之粉末-冶金學材料之切削性改良約兩倍。因 為Te及/或Se的衛生極限值很低且趨向於更嚴厲的環境規 章制度’所以添加這些添加劑已與環境有衝突。 在美國專利第4 927 461號中描述到，將六方bn(氮化硼） 添加到以鐵為主之粉末混合物中改良金屬部件燒結後之切 削性。該專利宣稱藉由使用極細的BN粉末可達成藉由添 加MnS所達成之類似切削性改良。但是，若添加適當量的 BN粉末’則燒結強度較添加Mnj§受到更小程度的影塑。 在美國專利第5 63 1 43 1號中亦涉及一種改良切削性之添 加劑。根據該專利，該添加劑含有以〇.1重量％至〇·6重量％ 之量包括於粉末組合物中之氟化鈣顆粒。實務上表明氟化 φ 弼係一種極好的切削性改良劑。但是由於ΡΜ材料的不斷 開發’亦需要改良添加劑的效能。 因此本發明之一目的係給粉末金屬組合物提供一種新顆 添加劑以進一步改良切削性。本發明之另一目的係提供一 種對機械性能沒有影響或基本上沒有影響之新穎添加劑。 此外’該新穎添加劑應環境上可接受。 【發明内容】 根據本發明，現已發現藉由組合氟化鈣及六方氮化蝴可 獲得一種具有意想不到的高切削性改良作用之添加劑。最 101420.doc 1288034 好將切削性之改良描述為一種協同作用。此外該新穎添加 劑對燒結部件之機械性能基本上沒有影響或只有較小的影 響。該新穎添加劑亦為環境上可接受。本發明亦關於一種 包括此添加劑之以鐵為主之粉末組合物。 【實施方式】 為獲得切削性改良作用，該添加劑應以〇 〇2重量。〆〇及^ 〇 重1%，較佳以介於〇·〇2重量％與〇6重量％之間的量包括 於以鐵為主之組合物中。 此外，新穎添加劑之組分的類型與量兩者皆很重要。因 此六方氮化硼在以鐵為主之粉末組合物中的量應在〇 〇1重 里/〇至0.5重篁％範圍内，較佳在〇 〇1重量％至〇·2重量％範 圍内。氟化鈣在以鐵為主之粉末組合物中的量應在〇〇1重 篁％至0.5重量％範圍内，較佳在〇1重量％至〇 4重量％範圍 内。/、方氮化硼與氟化鈣比上述更低的量共同或單獨對於 切削性分別都不會產生預期作用且比上述更高的量將負面 φ 影響機械性能。此外，氟化鈣的量最好高於氮化硼的量。 至於該新穎添加劑中所包括組分之粒度，已發現根據本 發明之六方氮化硼之平均粒度可在1至5〇 μπι之間，較佳在 1至30 μιη之間變化。六方氮化硼較佳為非結塊的盤狀顆 粒0 氣化弼的平均粒度小於約100 μηι，較佳介於20至70 μιη 之間。平均粒度超過約1〇〇 μιη將會負面影響切削性及機械 性此’且平均粒度低於20 μιη會使切削性改良作用變小。 以鐵為主之粉末類型 101420.doc l288〇34 該新穎切削性改良粉古 人从 私末添加劑可用於基本上任何鐵粉組 合物。因此該以鐵為主 s 您杨末可以是純鐵粉末，諸如霧化 ^ f ，、類似物。包括合金元素之經預合金 之水霧化粉末最為重要 A & 仁刀合金之鋼粉末亦报重要。 备然，該等粉末可組合使用。 其他添加劑 根據本發明之粉末組合物 口物亦可包括添加劑，諸如石墨、 其他諸如 Ni、Mo、Ci·、vΛ C〇、Μη或Cu之合金元素、黏 5劑及潤滑劑，及盆#钱4 λ ^ 八他啫如MnS之習知切削性改良劑。 製程 粉末-冶金學製造包合M 士於 根據本發明之添加劑的組件係以 ‘知方式執行’亦即’大多常常遵循以下製程步驟： 將該以鐵為主之粉末（亦即鐵或鋼粉末）與石墨及所需之 可選擇的合金元素，諸如鎳、 鋼及根據本發明之添加 別以粉末形式混合。該等合金元素可作為經預合金或經分 散合金之以鐵為主之粉末添加，或作為混合之合金元素， 經分散合金之粉末或經預合金粉末之間的組合添加。在壓 坯之前將該粉末混合物與例如為硬脂酸鋅或伸乙基雙硬浐 酿胺之習知潤滑劑混合。混合物中之較細顆粒係藉由二 合物黏結於以鐵為主的粉末。其後將該粉末混合物在一衝 壓工具中壓链’產生近似於成品幾何形狀之生柱。壓㈣ 常在Mpa之壓力下進行。_後燒結該喊， 且給予其最終強度、硬度、伸長率等。 根據本發明之切削性改良添加劑由粉 狀的氟化鈣及粉狀 101420.doc 1288034 的六方氮化硼組成。已發現，藉由 . ^ pq 乂對應於六方氮化硼量 /、既化舞$之間的比率為少於1 但不少於1 ·· 40，較 不少於…〇的量加入切削性改良添加劑可顯著地改良 :削性。換言之’六方氮化删的量應在—定程度上少於氣 化鈣的量。 本發明將在以下非限制性實例中加以說明·· 實例1 ^ a)機械性能的研究 根據表！可觀察到各種不同六方氮化蝴。六方氮化棚類 型I是—種非結塊顆粒之粉末，且類W是次微米顆粒之 結塊，亦即結塊之顆粒具有低於1 μηι之粒度

)次微米顆粒之結塊顆粒 根據表2，六方氮化棚與氟化妈以不同的量與得自 H6ganas ΑΒ 之金屬粉末 Distaloy® ΑΕ 混合，該 Distal〇y(g) ΑΕ 是與Mo、Ni及Cu分散合金之純鐵。該金屬粉末亦與一潤 滑劑，0.8% EBS(伸乙基雙硬脂醯胺(etylenbisstearamide)) 及0.5 %石墨混合。 將表2中之材料混合物壓成7· 1〇 g/cm2之生坯密度成為根 據ISO 2740之標準化張力測試棒。在10%氫氣與9〇%氮氣 101420.doc 1288034 之混合物中，將該等測試棒在1120°C實驗室網帶爐中燒結 30分鐘。根據EN 10001-1測定該等經燒結測試棒之抗張強 度，根據ISO 4498/1測定硬度且根據ISO 4492測定尺寸變 化0 表2 混合物 h-BN類型I Γ%1 h-BN類型II Γ%1 CaF2 [%] DC [%] HV10 [MPa] TS [MPa] A[%] 1-la 0.2 0 0 -0.137 223 711 2.31 l-2a 0.4 0 0 -0.094 206 634 2.00 l-3a 0 0.2 0 -0.019 157 459 1.48 l-4a 0 0.4 0 0.131 135 285 0.64 l-5a 0 0 0.2 -0.203 228 728 2.81 l-6a 0 0 0.4 -0.205 239 730 2.68 l-7a 卜0.3 0 0.1 -0.130 217 629 2.24 l-8a 0.1 0 0.3 -0.177 222 686 2.61 l-9a 0 0 0 -0.187 245 721 2.41

DC係燒結過程中抗張強度棒之長度變化。 SD係抗張強度棒之燒結密度。 HV10係抗張強度棒之維氏（Vickers)硬度。 TS係抗張強度棒之抗張強度。 A係抗張強度測試過程中之塑性伸長率。 由表2可以看出，Distaloy AE中添加0.2%及0.4%量之h-BN類型II對燒結體的機械性能有影響，而僅添加02% h-BN類型I對燒結體之機械性能影響較小。 b)切削性指數之研究 為峰定由表3可見之不同添加劑組合物之切削性，將直 徑80 mm及高度12 mm之圓盤壓成7.10 g/cm3之生坯密度。 在10%氫氣與90%氮氣之混合物中，將該等圓盤在 實驗室網帶爐中燒結3 0分鐘。將該等圓盤用於鑽孔測試中 101420.doc -10· 1288034 以/則疋切削性指數。將忒指數定義為鑽用壞之前每鑽可加 工的平均孔數。鑽孔係在恆定之速率及恆定之進料時用高 速率的鋼鑽執行而無需任何冷卻劑。 由表3可見，切削性指數係藉由使用添加劑h-BN或添加 劑CaF2而提高。但是，藉由組合使用h_BN(類型j)及CaF^ 可見顯著提高。 表3 混合物 h-BN類型I [%] CaF2[%] M!指數[鐵孔 (Bore)] 增益[n] 1-lb 0.2 0 504 5.7 l-2b 0 03 181 2.0 l-3b 0.1 0.3 1438 16.3 l-4b 0 0 「38 1

Mi指數係使用一個鑽在該材料圓盤上可能鑽的孔之平均 數目。

增益係與混合物l-4b相比之切削性擴大倍數。 實例2

根據表4 ’將六方氮化硼類型I及Cap2以不同的量與一來 自HaganSs AB之金屬粉末混合，該Distal〇y® dh-Ι係與 1.5% Mo預合金，其後與2% Cu分散合金而成的鐵。該金 屬粉末亦與潤滑劑、〇·8% EBS(伸乙基雙硬脂醯胺）及不同 量之石墨混合。表4中之材料混合物係壓成不同密度成為 根據ISO 2740標準化伸長測試棒，且準備直徑8〇 及高 度12 mm的圓盤用於測定其切削性。在1〇%氫氣與9〇%氮 氣混合物中’將該等測試棒及該等圓盤在1120°C實驗室網 帶爐中燒結30分鐘。根據en loooi-i測定該等經燒結測試 棒之抗張強度’根據ISO 4498/1測定硬度，且根據ISO 101420.doc 1288034 4495測定尺寸變化。將該等圓盤用於鑽孔測試中以測定切 削性指數。將該指數定義為鑽用壞之前每鑽可加工的平均 孔數。鑽孔係在恆定之速率及恆定之進料時用高速率的鋼 鑽執行而無需任何冷卻劑。

表4顯示當h-BN類型I加入到Distal〇y DH-1中時，燒結體 具有較低之硬度及抗張強度。由於h-BN可使石墨在基質中 的溶解性減少，所以低硬度及抗張強度被認為是由較低量 之溶解石墨引起，認為一些石墨係以游離石墨存在。較低 硬度之燒結體在切削性方面可能有利。但是，當為補充游 離石墨的量而增加所加入之石墨量時，對於含有]^_]31^與 CaF2之組合的樣品而言切削性指數仍顯著增加。這在比較 樣品2-8、2-10及2-11的結果時可以看出。

GR係所加入石墨的 以重量％表示 GD係所壓成的生坯密度。 DC係燒結過程中抗張強度棒長度之變化 101420.doc -12- 1288034 SD係抗張強度棒之燒結密度。 HV10係該抗張強度棒之維氏硬度。 TS係抗張強度棒之抗張強度。 A係抗張強度測試過程中之塑性伸長率。 數係使用一個鑽在該材料圓盤上可能鑽的孔之平均 數目。

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Claims (1)

1. 除包含以鐵為主之粉末外 128 8發(3413347號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(96年6月） 十、申請專利範圍： 1 · 一種以鐵為主之粉末組合物 其亦包含0.02重量％及1.0重量％，較佳介於重量％與 0 · 6重量％之間的切削性改良添加劑，該添加劑包含氟化 鈣與六方氮化硼及可選擇性的添加劑。 2·如請求項1之以鐵為主之粉末組合物，其中該氮化硼的 量在0·01%至〇·5%，較佳在0.01%至0.2%範圍内。 3·如請求項1或2之以鐵為主之粉末組合物，其中該氟化鈣 的量在0.01%至〇.5%，較佳在〇」％至〇4%範圍内。 4·如睛求項丨或2之以鐵為主之粉末組合物，其中該氮化硼 之平均粒度為1至50 μηι，較佳為1至3〇 μηι。 5. 如請求項丨或2之以鐵為主之粉末組合物，其中該氣化約 之平均粒度小於100 μηι，較佳為2〇至7〇 。 6. 如請求項UiU之以鐵為主之粉末組合物，該組合物亦包 括至^種選自由石墨、黏合劑或潤滑劑所組成之群之 添加劑。

   -種切削性改良添加劑’其由粉狀氟化鈣及粉狀六 化硼組成’其中六方氮化硼減㈣之間量的 於IMU之間，較佳介於1:1與1:1〇之門“ 如請求項7之添加劑，其中該氣㈣之平均粒度小於100 9. 一種具有改良切削性之燒結產物，其係由如請求項 中任項之以鐵為主之粉末組合物製備。 1至6 101420-960623.doc