TWI440514B - 粉末，製造組件之方法及組件 - Google Patents

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Description

粉末，製造組件之方法及組件
本發明係關於一種用於組件之粉末冶金製造的粉末。特定言之，本發明係關於一種預期用於組件之粉末冶金製造的鐵或基於鐵之粉末。其特別適合需要自動潤滑性質之組件的製造。本發明進一步係關於一種用該粉末製造組件之方法及一種相應產生之組件。
粉末冶金製造技術通常以具有良好尺寸準確性之組件的長期連續生產為特徵。通常藉由使金屬粉末與潤滑物混合來開始製造程序以簡化隨後壓縮操作。金屬粉末可(例如)為由預合金霧化顆粒形成之粉末、與呈粉末形式之合金元素摻合的粉末，或其中合金元素擴散熔接或擴散結合至金屬基礎粉末之粉末。緊密(生坯)組件接著經加熱且保持於一溫度下，在該溫度下生坯組件藉由燒結而獲得其在強度、延性等方面之最終特性。
青銅粉末通常用於燒結之自動潤滑軸承之生產中。青銅的使用將給予軸承有利的特性，諸如安靜的運轉及良好耐磨性，青銅亦較不易腐蝕。然而，為了減少成本，添加鐵粉末來生產所謂稀釋的青銅軸承。通常使用約40－60重量%之鐵粉末。在分數馬力馬達及應用中，該等軸承經常替代青銅軸承。
擴散結合粉末自若干公開案中已知。在GB專利1162702(1965)中，揭示一種製備粉末之方法。在此方法中，將合 金元素擴散結合(部分地熔接)至鐵粉末顆粒。在低於熔點之溫度下在還原氛圍中加熱未熔接之鐵粉末連同合金元素(諸如銅及鉬)以引起顆粒的預熔接及聚結。在完全熔接前停止加熱且將所獲得之聚結體研磨至所要大小。又，GB專利1595346(1976)揭示一種擴散結合粉末。用鐵粉末與銅或易還原銅化合物之粉末的混合物製備該粉末。銅擴散結合至鐵粉末所獲得的粉末以高壓縮性及低的分離及粉化風險為特徵。
在霧化粉末顆粒上提供銅之不同技術揭示於JP 59－050101(1982)中，其係關於一種含有至少0.05重量%之錫的霧化鐵粉末。此粉末接著被塗佈銅層。
本發明之一目標為提供一種適於製造組件，諸如包含青銅之燒結軸承且特定言之包含青銅之自動潤滑軸承，的冶金粉末。
另一目標為提供一種製造適於用作軸承之組件的方法。
又一目標為提供一種適於用作軸承之組件。
現已發現，藉由製備使錫及銅擴散結合至鐵或基於鐵之粉末顆粒的粉末，獲得冶金粉末(下文稱作擴散結合粉末)且此新型擴散結合粉末可用於生產組件，與組件中之標稱青銅濃度相比，該等組件具有出乎意外高的表面青銅濃度。歸因於青銅為昂貴金屬之事實，此具有顯著優勢，因為此情形使得可能使用較少青銅。本發明提供一種方法及一種以鐵或基於鐵之顆粒為基礎的擴散結合粉末，從而與 用青銅粉末與鐵或基於鐵之粉末的普通混合物生產之組件相比，允許使用較少量青銅。
根據一實施例，可將氧化青銅粉末用作用於生產擴散結合粉末之起始材料。在此情形下，氧化青銅粉末或青銅氧化物粉末可被描述為含有銅、錫及氧之粉末且可用經部分或完全氧化之青銅粉末來生產，然而，可使用任何氧化青銅粉末而與製造方法無關。為了使用氧化青銅粉末，X50 <15 μm，較佳<10 μm之粒徑分布有助於在擴散退火後用青銅部分地覆蓋鐵粉末顆粒。藉由並非將錫添加為基本粉末，避免了在擴散退火期間錫之熔融，且因此較少錫將熔入鐵中且相反將存在於青銅合金中。藉由使鐵粉末顆粒在很大範圍上由青銅覆蓋，壓製及燒結部件(例如，自動潤滑軸承)之表面將具有高於標稱青銅含量之表面青銅濃度。
因此，本發明藉由提供擴散結合粉末來達成以上目標，該擴散結合粉末包含鐵或基於鐵之顆粒，具有含有或包含擴散結合至鐵或基於鐵之顆粒之Cu及Sn的顆粒。特定言之，含有cu及Sn之顆粒應包含Cu及5重量%至15重量%之Sn。
與使用鐵、銅及錫或預合金之Cu－Sn合金之相應個別粉末的普通混合物相比，使用擴散結合粉末之另一優勢為在處理粉末期間較少分離。
較佳實施例係根據附屬項得到。
簡單地說，用於製備根據本發明之擴散結合粉末的方法 包括在低於合金元素之熔點的溫度下在還原氛圍中加熱鐵或基於鐵之粉末以及含有合金元素錫及銅之化合物以引起顆粒部分熔接(擴散結合)及聚結。合金元素錫及銅可以預合金狀態(亦即，青銅粉末或氧化青銅粉末)存在。接著將所獲得之聚結物研磨至所要大小。
可藉由在加熱前使用少量黏合劑(諸如PEG)將含有合金元素之小顆粒的化合物黏附至鐵顆粒。
根據本發明，在還原氛圍(諸如解離氨、H2 或N2 /H2 )中750－830℃之溫度及大氣壓力下於爐中適合地執行合金顆粒至鐵顆粒的擴散結合達15－180分鐘之時間。
擴散結合粉末中之鐵或基於鐵之顆粒的含量為50重量%至90重量%，且擴散結合粉末之剩餘部分包含10重量%至50重量%之銅及錫及不可避免的雜質。
術語基於鐵之顆粒描述使鐵與一或多個合金元素熔接之顆粒。
雜質描述以低量存在以使得其存在性不影響產物之'性質或雜質所存在之製程的組份。
在包含Cu及Sn之顆粒中Sn的量可在5至15重量%，較佳8－12重量%之間變化。當在此等顆粒中Sn的量低於5重量%時，青銅材料將變得太軟且當在此等顆粒中Sn的量高於15重量%時，可形成二次相。根據一實施例，此等顆粒係由Cu及Sn及不可避免的雜質，諸如低量氧(亦即，小於0.5%)所組成。
已用一包含以下步驟之方法達成提供一種製造組件之方 法的目標：提供上文所述之擴散結合粉末、在200－600 MPa之壓力下壓緊擴散結合粉末，藉此形成粉末壓塊且燒結粉末壓塊。
藉由根據此方法製造組件，特定擴散結合粉末、200－600 MPa之壓緊壓力及燒結的組合產生具有軸承材料之所要效能(諸如低摩擦、低磨損、高負載能力)的組件。藉由改變壓緊壓力，組件之密度以及藉此組件之強度及孔隙率可根據有用的應用而變化。若密度太低，則強度將不夠高且若密度太高，則孔隙率太低以致不能允許以足夠量將潤滑物施用於組件中。
用上文所述之擴散結合粉末製造的組件達成提供適於用作軸承之組件的目標。此組件將具有關於軸承應用之所要效能。使用上文所述之方法適合地製造該組件。
由上文所述之方法製造的組件具有高於組件中之標稱青銅濃度的表面青銅濃度。在此情形下，"標稱濃度"為藉由使所添加青銅之量除以所使用粉末之總量而計算的濃度。
燒結組件可進一步包含潤滑物。在本申請案之上下文中，術語"潤滑物"應區別於術語"潤滑劑"。潤滑劑被與壓緊操作相結合地使用，而潤滑物用於燒結組件中。藉由在燒結組件中提供潤滑物、利用孔隙，可獲得諸如軸承之自動潤滑組件。此等潤滑物可根據有用實際應用而為固體或液體。為了提供固體潤滑物，可在壓緊之前使粉末與以0.5－2重量%之量存在的石墨混合。
燒結組件可具有在5.5與6.5 g/cm3 之間的密度。組件之 密度可根據有用應用而變化。若密度太低，則強度將不夠高且若密度太高，則孔隙率太低以致不能允許以足夠量將潤滑物施用於組件中。
鐵或基於鐵之顆粒為(例如)水霧化粉末或海綿(sponge)鐵粉末。適合鐵粉末為(例如)NC100.24、SC100.26、ASC100.29、MH80.23。此等鐵粉末之粒徑係低於250 μm。
NC100.24為可購自Hgans AB(瑞典)之海綿鐵粉末，其具有約2.45 g/cm3之視密度及大體上低於150μm之粒徑，小於45 μm之顆粒量為約18 %。
SC100.26為可購自Hgans AB(瑞典)之海綿鐵粉末，其具有約2.65 g/cm3 之視密度及大體上低於150 μm之粒徑，小於45 μm之顆粒量為約20 %。
ASC100.29為可購自Hgans AB(瑞典)之霧化鐵粉末，其具有約2.98 g/cm3 之視密度及大體上低於150 μm之粒徑，小於45 μm之顆粒量為約23 %。
MH80.23為可購自Hgans AB(瑞典)之海綿鐵粉末，其具有約2.30 g/cm3 之視密度及大體上低於150 μm之粒徑，小於45 μm之顆粒量為約3 %。
包含Cu及Sn之顆粒包含85重量%至95重量%之Cu及5重量%至15重量%之Sn。包含Cu及Sn之適合用於擴散結合的粉末為具有X50 1－15 μm，較佳X50 1－10 μm之粉末。
擴散結合粉末包含50重量%至90重量%之鐵或基於鐵之 顆粒及10重量%至50重量%之擴散結合至鐵或基於鐵之顆粒的顆粒。擴散結合粉末可被表示為經稀釋青銅。
藉由可選地使擴散結合粉末與潤滑劑混合、在200－600 MPa之壓力下壓緊粉末，藉此形成粉末壓塊，接著燒結粉末壓塊來製造組件。
在壓緊之前，亦可使擴散結合粉末與潤滑劑，諸如金屬硬脂酸鹽，例如，硬脂酸鋅，或蠟(諸如伸乙基雙硬脂醯胺(EBS))混合。此有助於壓緊並減少壓緊工具之磨損。
亦可在壓緊之前將石墨添加至擴散結合粉末中以在由粉末製成之組件中提供固體潤滑物。
在低於青銅粉末之液相形成溫度的溫度下適合地執行燒結製程。對於具有10%之Sn含量的青銅而言，液相形成溫度為約855℃，因此在5－60分鐘之時間期間，較佳燒結溫度係在800至830℃之間。燒結氛圍可為氫，氮與氫之混合物，解離氨或吸熱型氣體。
相應製成之燒結組件將具有高於組件中標稱青銅濃度的表面青銅濃度。如自表1中可見，根據本發明之粉末顯示表面銅濃度明顯增加而參考粉末無顯示任何表面銅之增加。此處，銅濃度已用以量測青銅濃度，因為銅較容易被分析。
在使用中，燒結組件適合地包含潤滑物。此等潤滑物之實例為礦物油、合成油、矽油或氟化油。可(例如)藉由浸漬組件而將潤滑物引入軸承中。組件具有互連之多孔性，藉此提供足夠潤滑物接收能力。組件的密度可在5.5與6.5 g/cm3 之間。
實例 實例1
根據本發明之粉末 以兩種不同量使NC100.24鐵粉末與氧化青銅(9份Cu及1份Sn，Cu/Sn比率為9：1)混合以形成三個不同樣品。青銅粉末具有分別為X50 ＝2.2 μm及9.4 μm之粒徑分布(X50 表示以重量計的平均粒徑)。
為了防止微細顆粒之分離，已將0.1%PEG400用作黏合劑。
使混合物在800℃，H2氛圍下退火達90分鐘。接著將退火粉末壓碎(磨碎)，且用212 μm篩進行篩分。青銅含量為20重量%(樣品1及2)及25重量%(樣品3)。
在壓製之前使新型材料與0.8%伸乙基雙硬脂醯胺混合。
在400 MPa下壓製粉末，且在解離氨(75% H2+25% N2)之氛圍中在830℃下燒結組件(矩形部件90×12 mm，h＝5mm)達20分鐘。
參考粉末 使NC100.24鐵粉末與20%預合金青銅粉末(90%Cu及10%Sn)添加劑(具有低於160 μm之粒徑)及0.8%伸乙基雙硬脂醯胺混合。在400 MPa下壓製粉末，且在解離氨(75% H2+25% N2)之氛圍中在830℃下燒結組件(矩形部件90×12mm，h=5 mm)達20分鐘。
評估方法 藉由來自Link之X射線能量色散光譜儀(EDS)在JEOL5800掃描電子顯微鏡(SEM)中分析銅分布。將20kV之加速電壓用於分析。在壓製樣品之側表面(在壓製期間抵靠模壁之表面)上分析銅分布。對於每一樣品，根據圖1在整個高度(h)上進行五個線掃描(L)。掃描22 mm之總長度。沿掃描線(L)之每一分析點之間的距離為4 μm。
來自SEM分析之結果 儘管具有同一濃度，但歸因於較好的分布，在面對模壁之表面(對應於自動潤滑軸承中之滑動表面)處的Cu濃度高於由參考粉末製成之組件之表面的Cu濃度。藉由使用新粉末而生產之所有材料比由參考粉末製備之材料顯示更高的表面Cu濃度(表1)。儘管在混合中具有同一初始量的青銅粉末，但對於新材料而言，在滑動表面處總銅濃度之平均值比參考材料(基本混合物)高約40%。
在表2中展示樣品之生坯密度及燒結密度。
實例2
根據本發明之粉末 使NC100.24鐵粉末與氧化青銅粉末(9份Cu及1份Sn，Cu/Sn比率為9：1)混合以形成樣品4。青銅粉末具有X50 ＝5.4 μm之粒徑分布(X50 表示以重量計的平均粒徑)及13.8%之總氧含量。樣品4中之標稱青銅含量為20重量%。
為了防止微細顆粒之分離，已將0.1% PEG400用作混合物中之黏合劑。
使混合物在800℃，H2氛圍下退火達90分鐘。接著將退火粉末壓碎(磨碎)，且用212 μm篩進行篩分。
在壓製之前使材料與0.8%伸乙基雙硬脂醯胺混合。
在400 MPa下壓製粉末且在解離氨(75% H2+25% N2)之氛圍中在830℃下燒結組件(矩形部件30×12 mm，h＝6 mm)達20分鐘。
參考粉末 參考2：使NC100.24鐵粉末與20%預合金青銅粉末(90%Cu及10% Sn)添加劑(具有低於160 μm之粒徑)及0.8%伸乙基雙硬脂醯胺混合。在400 MPa下壓製粉末且在解離氨(75% H2+25% N2)之氛圍中在830℃下燒結組件(矩形部件30×12 mm，h＝6 mm)達20分鐘。
參考3：使NC100.24鐵粉末與氧化亞銅(具有X50 ＝15.1 μm之粒徑分布及11.5%之總氧含量)及錫粉末(具有 X50 =24.4 μm之粒徑分布)混合。按比例添加氧化亞銅粉末及錫粉末以獲得Cu/Sn比率為9：1。參考3中之標稱青銅含量為20%。
為了防止微細顆粒之分離，已將0.1% PEG400用作混合物中之黏合劑。
使混合物在800℃，H2氛圍下退火達90分鐘。接著將退火粉末壓碎(磨碎)，且用212 μm篩進行篩分。
評估方法 藉由來自Link之X射線能量色散光譜儀(EDS)在JEOL5800掃描電子顯微鏡(SEM)中分析銅及錫分布。將20 kV之加速電壓用於分析。在壓製樣品之側表面(在壓製期間抵靠模壁之表面)上分析銅及錫分布。對於每一樣品，在6.5 mm之總長度上進行線掃描(L)。沿掃描線(L)之每一分析點之間的距離為4 μm。
來自SEM分析之結果 樣品4在面對模壁之表面(對應於自動潤滑軸承中之滑動表面)處的Cu濃度比材料之標稱Cu濃度高55%，而在由參考粉末2製成之組件之同一表面處的Cu濃度低於標稱銅濃度。表面錫濃度顯示與銅相同之模式，樣品4之表面濃度比標稱含量高29%，而在由參考粉末2製成之組件的相同表面處的Sn濃度低於標稱錫濃度。參考3具有比標稱含量高6%之表面銅濃度及低於材料之標稱錫含量的表面錫濃度。
儘管樣品4、參考粉末2及參考粉末3在初始材料中具有 相同的青銅總量，但對於末端材料而言，在滑動表面處總的銅及錫濃度之平均值分別比標稱含量高約55%及29%。參考材料2(基本混合物)及參考材料3(其不在本發明之範疇內)並未呈現任何顯著增加的表面銅及錫濃度。
在表4中展示樣品之生坯密度及燒結密度。
h‧‧‧高度
L‧‧‧掃描線
圖1展示具有SEM中之掃描線之壓製樣品的側視圖。
h‧‧‧高度
L‧‧‧掃描線

Claims (16)

  1. 一種擴散結合粉末，其包含鐵或基於鐵之顆粒及擴散結合至該等鐵或基於鐵之顆粒的顆粒，其中擴散結合至該等鐵或基於鐵之顆粒的該等顆粒包含Cu及5重量%至15重量%之Sn的合金。
  2. 如請求項1之粉末，其中50重量%至90重量%為鐵或基於鐵之顆粒。
  3. 如請求項1或2之粉末，其中10重量%至50重量%為擴散結合至該等鐵或基於鐵之顆粒的顆粒。
  4. 如請求項1或2之粉末，其中擴散結合至該等鐵或基於鐵之顆粒的該等顆粒包含85重量%至95重量%之Cu。
  5. 如請求項1或2之粉末，其中擴散結合至該等鐵或基於鐵之顆粒的該等顆粒具有一粒徑分布，其中以重量計平均粒徑X50 為1-15μm，較佳為1-10μm。
  6. 如請求項1或2之粉末，其進一步包含以0.5-2重量%之量添加的石墨。
  7. 一種製造一組件之方法，其包含：- 提供一如請求項1至6中任一項之粉末，- 在200-600MPa之壓力下壓緊該粉末，藉此形成一粉末壓塊，- 燒結該粉末壓塊。
  8. 如請求項7之方法，其進一步包含在壓緊之前，使該粉末與一潤滑劑混合。
  9. 一種組件，其係至少部分地由一如請求項1至6中任一項 之粉末所製成。
  10. 一種由如請求項7或8之方法製造的組件，其具有一如在"評估方法"中所界定高於該組件中之標稱青銅濃度的表面青銅濃度。
  11. 如請求項10之組件，其包含一潤滑物。
  12. 如請求項10或11之組件，其密度係在5.5與6.5g/cm3 之間。
  13. 一種用於製造一擴散結合粉末之方法，其包含以下步驟：- 提供一具有中值粒徑分布X50 <15μm之青銅粉末，- 使該青銅粉末與一粒徑低於250μm之鐵或基於鐵之粉末混合，- 在一還原氛圍中在750-830℃之溫度下使混合物退火達15-180分鐘之時間，- 將該經退火混合物壓碎成粉末且篩分該粉末。
  14. 如請求項13之方法，其中該青銅粉末為氧化青銅。
  15. 如請求項13或14之方法，其中該青銅粉末具有一中值粒徑分布X50 <10μm。
  16. 如請求項13或14之方法，其中在使該混合物退火之前，已將一黏合劑添加至青銅粉末與鐵或基於鐵之粉末的該混合物中。
TW096151471A 2006-12-29 2007-12-31 粉末，製造組件之方法及組件 TWI440514B (zh)

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