TWI464023B - 可加工性改良組合物 - Google Patents

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Description

可加工性改良組合物
本發明係關於一種生產粉末金屬零件的粉末金屬組合物，及製造具有改良可加工性之粉末金屬零件之方法。
組件的粉末冶金製造的一個主要優點係可藉由壓縮和燒結，以生產最終或非常接近最終形狀坯料。但是，此有要求後續加工之情況。例如，由於高耐性要求或由於最終組件具有無法直接壓縮而需要於燒結後進行加工之形狀而使後續加工為必要。更特定言之，如對壓縮方向為橫向之孔穴，下切口和螺紋之幾何形狀都需要後續加工。
通過不斷發展具有更高強度及更高硬度的新穎燒結鋼材，加工成為粉末冶金生產組件的主要問題之一。當評估粉末冶金生產是否係生產組件之最具成本有效的方法時，其經常成為一限制性因素。
目前，大量已知物質已加入鐵基粉末混合物中，以促進組件燒結後的加工。最普遍的粉末添加物係MnS，其述於歐洲專利0 183 666中，其描述該粉末混合物如何改良燒結鋼材之可加工性。
美國專利第4 927 461號係描述將0.01及0.5重量%之六方BN(氮化硼)添加至鐵基粉末混合物中以改良其燒結後之可加工性。
美國專利第5 631 431號係關於一種用於改良鐵基粉末組合物之可加工性之添加劑，根據此專利，該添加劑含有含量係占該粉末組合物之0.1至0.6重量%之氟化鈣微粒。
日本專利申請案第08-095649號係關於一種可加工性改良劑。該改良劑包括Al2 O3 -SiO2 -CaO且具有鈣長石或鈣黃長石結晶結構。鈣長石係屬於長石群之網狀矽酸鹽，其莫氏硬度達6至6.5，且鈣黃長石係莫氏硬度為5至6之雙矽酸鹽。
美國專利第US 7 300 490號係關於一種製造沖壓及燒結零件之粉末混合物，其係由硫化錳粉末(MnS)及磷酸鈣粉末或羥基磷灰石粉末之組合所組成。
WO公開案第2005/102567號係關於一種作為加工改良劑之六方氮化硼及氟化鈣之組合。
含硼粉末(如：氧化硼、硼酸或硼酸銨)與硫之組合係描述於美國專利第5938814號中。
歐洲專利1985393A1描述作為加工添加劑之粉末之其他組合，該組合含有至少一種選自滑石及塊滑石及脂肪酸之物質。
作為加工改良劑之滑石係描述於日本專利第1-255604號。滑石屬於頁矽酸鹽群，其包含包圍氫氧化鎂八面體層之矽四面體層。
歐洲專利申請案第1002883號係關於用於製造金屬零件尤其係座位閥門嵌件之粉末狀金屬摻合物。所述摻合物包含0.5至5%潤滑劑以提供低摩擦及滑移磨損同時改良可加工性。在其中一實施例中，雲母係作為一固體潤滑劑。用於生產耐磨性及高溫穩定性組件之該等類型之粉末混合物通常包含大量合金化元素(通常係10重量%以上)及硬相(通常係碳化物)。
美國專利第4.274.875號係關於藉由包含以下步驟之粉末冶金，製造與EP1002883號所描述者相似之物件之方法：在壓縮及燒結前加入0.5至2重量%粉末狀雲母於金屬粉末中。特定言之，其揭示可使用任何類型雲母。
此外，日本專利申請案第JP 10317002號描述具有降低摩擦係數之粉末或燒結壓製品。該粉末之化學組成係1至10重量%硫，3至25重量%鉬及其餘為鐵。此外可加入固體潤滑劑及硬相材料。
壓縮及燒結組件之加工非常複雜及受組件之合金系統類型、組件之燒結密度及組件大小及形狀之參數影響。亦顯然的是加工操作類型及加工速度同樣係對加工操作結果具有重要性之參數。欲添加至粉末冶金組合物中之所提加工改良劑之多樣性反映了PM加工技術之複雜本質。
本發明揭示一種用於改良燒結鋼材之可加工性之新穎添加劑。尤其係針對合金化元素含量低於10重量%且不含硬相材料之低合金燒結鋼材。該新穎添加劑係設計用於改良該等燒結鋼材接受切屑移除操作(如：鑽孔、車削、研磨及切削螺紋)之可加工性。此外，該新穎添加劑可用於待由多種工具材料(如高速鋼、碳化鎢、金屬陶瓷、陶瓷及立方氮化硼)加工之組件，且該工具亦可經塗佈。
因此，本發明之目的係為粉末金屬組合物提供一種新穎的添加劑以改良可加工性。
本發明之另一目的係提供一種待用於不同類型燒結鋼材之各種加工操作之該添加劑。
本發明之另一目的係提供一種對壓縮及燒結組件之機械性質無影響或影響可忽略之可加工性促進物質。
本發明之進一步目的係提供一種包含該新穎可加工性改良添加劑之粉末冶金組合物，及由該組合物製備壓縮零件之方法。
目前已發現藉由將包括界定之特殊型矽酸鹽之可加工性改良劑包含於粉末組合物中，可使具有多種微結構及燒結密度之燒結組件之可加工性得到驚人的重大改良。此外，即使在極低添加量下亦可獲得對可加工性之正面效果，因此藉由添加額外物質所造成之對可壓縮性之負面影響減至最小。亦經證實所添加之矽酸鹽對機械性能之影響係可接受。
因此，本發明提供一種鐵基粉末組合物，其除鐵基粉末外，還包含少量可加工性改良添加劑，該添加劑包含至少一種來自頁矽酸鹽群之矽酸鹽。本發明亦提供頁矽酸鹽作為鐵基粉末組合物之可加工性改良劑之用途。本發明進一步提供一種製造具有改良可加工性的鐵基燒結零件之方法，其包含以下步驟：製備如上述之鐵基粉末組合物，在400至1200MPa之壓實壓力下壓縮該鐵基粉末組合物，在1000至1300℃之溫度下燒結該壓縮零件及視需要熱處理該燒結零件。
根據本發明，至少一種上述目的及其他自以下論述明顯可知的目的係藉由本發明之不同態樣實現。
根據本發明之一態樣，提供一種除鐵基粉末以外還包含少量呈粉末形式之可加工性改良添加劑之鐵基粉末組合物，該添加劑包含至少一種由頁矽酸鹽組成之群的矽酸鹽。
該頁矽酸鹽可選自例如黏土礦物，諸如：膨潤土、高嶺石及蒙脫石；綠泥石；或雲母，諸如：金雲母、白雲母、黑雲母及珍珠雲母。
根據本發明之另一態樣，提供包含於可加工性改良添加劑中之頁矽酸鹽在鐵基粉末組合物中之用途。
根據本發明之另一態樣，提供一種鐵基粉末組合物之製備方法，其包含：提供鐵基粉末；及混合該鐵基粉末與粉末狀可加工性改良添加劑，該可加工性改良添加劑包含至少一種頁矽酸鹽。
根據本發明之另一態樣，提供一種製造具有改良可加工性之鐵基燒結零件之方法，其包含：製備根據以上態樣之一鐵基粉末組合物；在400至1200MPa之壓實壓力下壓縮該鐵基粉末組合物；在1000至1300℃之溫度下燒結該壓縮零件；及視需要熱處理該燒結零件。
該可加工性改良劑包含所界定之矽酸鹽(經歸類為頁矽酸鹽)，其特徵可在於莫氏硬度係小於5，較佳小於4。頁矽酸鹽具有薄片結晶結構，其包含矽四面體層與氫氧化物之八面體結構層之組合。較佳地，四面體中的某些矽原子可置換為其他原子，諸如：鋁原子，因此矽酸鹽經指示為鋁酸矽酸鹽。或者，鋁原子係存在於八面體結構中，或鋁原子將同時存在於兩種結構中。
可包含於該新穎的可加工性改良添加劑中的矽酸鹽之實例為：雲母，如：金雲母KMg3 (OH,F)2 [AlSi3 O10 ]，白雲母KAl2 (OH)2 [AlSi3 O10 ]，黑雲母K(Mg,Fe)3 (OH)2 [AlSi3 O10 ]，及珍珠雲母CaAl2 (OH)2 [Al2 Si2 O10 ]；屬於綠泥石群之矽酸鹽；黏土礦物，例如：高嶺石Al2 (OH)4 [Si2 O5 ]；屬於蒙脫石群之黏土礦物，例如：阿裡石Ca0,2 Mg6 (Si,Al)8 O20 (OH)4 *4H2 O，貝得石(Na,Ca0,5 )0,3 Al2 (Si,Al)4 O10 (OH)2 *nH2 O，水輝石Na0,3 (Mg,Li)3 Si4 O10 (OH,F)2 ，蒙脫石(Na,Ca)0,33 (Al,Mg)2 Si4 O10 (OH)2 *nH2 O，綠脫石Na0,3 Fe2 (Si,Al)4 O10 (OH)2 *nH2 O，皂石Ca0,25 (Mg,Fe)3 (Si,Al)4 O10 (OH)2 *nH2 O，矽鎂石(Ca,Na)x Mg3 Si4 O10 (OH)2 ，鉻嶺石Ca0,3 (Cr,Mg,Fe)2 (Si,Al)4 O10 (OH)2 *4H2 O，及綠銅蒙脫石(Ca,Na)0,5 (Cu,Mg,Fe)2 Si4 O10 (OH)2 *3H2 O。
通常，矽酸鹽礦以所定義之礦物之組合存在於自然界，因此其在商業上存在不同的經化學定義之矽酸鹽或其中間物(如各種類型之膨潤土，其包含蒙脫石)之組合。本發明不局限於單一特定結構之矽酸鹽，而是以上描述之結合物及矽酸鹽之中間產物。
根據本發明使用之矽酸鹽可具有小於5(較佳小於4)之硬度(根據莫氏標準)，且可具有層狀結構的原因為：已發現與較硬矽酸鹽相比，該等矽酸鹽在燒結體之加工期間，即使在相對低的溫度下，仍可促進加工特性。因此，可避免在加工中放出熱量對工具造成的負面影響。較高硬度之矽酸鹽可能在壓縮中無助於潤滑作用及不利於壓縮體從染料中的排出。低硬度與所添加之矽酸鹽之層狀晶體結構的組合則係有利且增強潤滑特性，因此可加入較少量的習知潤滑劑，以獲得較高之生坯密度。
此外，不受理論之任何限制，據信在矽酸鹽中存在鋁原子可能對加工性特性有正面效果及有助於良好加工性而無關於待加工組件的金相結構。
該新穎添加劑可能包含或與其他已知加工改良添加劑，諸如硫化錳、六方氮化硼、其他硼化物質及/或氟化鈣混合。
該鐵基粉末組合物中的添加劑含量可在0.05至1.0重量%之間，較佳0.05至0.5重量%之間，較佳0.05至0.4重量%之間，較佳0.05至0.3重量%之間且更佳0.1至0.3重量%之間。較低含量在可加工性上可能達不到期望的效果且較高含量可能對加工特性產生負面影響。因此，可加工性改良劑在鐵基粉末組合物中的添加量可少於0.5重量%，宜0.49重量%或更少，較佳0.45重量%或更少，更佳0.4重量%或更少，例如：0.3重量%或更少，或0.2重量%或更少，或0.15重量%或更少。
根據本發明之新穎添加劑之粒度X99 可小於50μm，較佳小於30μm，更佳小於20μm，如：15μm或更小。相應的平均粒度X50 可小於20μm，較佳小於15μm，更佳10μm或更小，如：5μm或更小。粒度X99 可實質上為至少1μm。若該粒度小於1μm，則可能難以得到均質的粉末混合物。大於50μm之粒度可能對可加工性及機械特性造成負面影響。
當待加工之組件具有麻田散鐵結構、或含有麻田散鐵結構的不均勻結構時，本發明之可加工性改良添加劑的可加工性改良效果可係特別明顯。
鐵基粉末組合物 粉末類型
該新穎可加工性改良粉末可用於實質上任何含鐵的粉末組合物。因此，該鐵基粉末可係純鐵粉末，例如：霧化鐵粉、還原粉末、及類似物。亦可使用包含諸如鎳、鉬、鉻、釩、鈷、錳、銅之合金化元素之預合金粉末，及部份合金的鋼鐵粉末。當然，此等粉末可以混合物形式使用。
組合物中的可加工性改良添加劑係以粉末形式存在。該添加劑粉末微粒可能與自由粉末微粒的鐵基粉末混合或與黏合劑形式的鐵基粉末微粒結合。
其他添加劑
根據本發明之粉末組合物亦可包含其他添加劑，諸如：石墨、黏合劑及潤滑劑及其他習知的可加工性改良劑。潤滑劑可以0.05至2重量%，較佳0.1至1重量%添加。石墨可以0.05至2重量%，較佳0.1至1重量%添加。
方法
根據本發明之組件之粉末冶金製造可以習知方式，即藉由以下步驟進行：可將鐵基粉末(例如鐵或鋼粉末)與任何所需合金化元素(諸如鎳、銅、鉬)及視情況選用的碳及呈粉末形式之本發明可加工性改良添加劑混合。此等合金化元素亦可以預合金或擴散合金形式或混合合金化元素、擴散合金粉末或預合金粉末間的組合添加至該鐵基粉末中。該粉末混合物可於壓縮前與習知潤滑劑(例如硬脂酸鋅或醯胺蠟)混合。該混合物中的較微細顆粒可藉由黏合物質與該鐵基粉末黏合。之後，可在一壓縮工具中壓縮該粉末混合物，以形成接近最終幾何形狀並稱為生坯的物質。壓縮通常於400至1200Mpa之壓實壓力下進行。壓縮後，在1000至1300℃之溫度下燒結該壓縮物並使其獲得最終強度、硬度、伸長度等。該燒結零件可視情況經進一步熱處理。
實例
本發明將藉由以下非限制性實例說明：
可加工性改良劑
以下物質係用作根據本發明之可加工性改良劑之實例：包含白雲母之粉末，其具有實質上小於20μm之粒度X99 及由以下重量%氧化物表示的化學組成；
SiO2 　48.0
Al2 O3 　33.3
K2 O　10.1
FeO　2.8
MgO　0.3
燃燒損失　5.5
包含金雲母之粉末，其具有約18μm之平均粒度X50 及實質上小於45μm粒度X99 之及由以下重量%氧化物表示的化學組成；
SiO2 　39.5
Al2 O3 　10.3
K2 O　12.8
FeO　10.3
MgO　22.7
CaO　0.5
燃燒損失　3.0
包含屬於蒙脫石群之礦物之粉末，其具有實質上小於20μm之粒度X99 及由以下重量%氧化物表示的化學組成；
SiO2 　68.2
Al2 O3 　10.9
K2 O　0.3
FeO　1.3
MgO　17.0
CaO　1.1
Na2 O　1.2
燃燒損失(未測得燃燒損失，化學分析係在不包含燃燒損失時計算得到)
包含鈣膨潤土之粉末，其具有實質上小於15μm之粒度X99 及由以下重量%氧化物表示的化學組成；
SiO2 　55.1
Al2 O3 　23.3
K2 O　2.9
FeO　1.6
MgO　2.9
CaO　4.7
Na2 O　1.9
燃燒損失　9.5
實例1 (可加工性研究，藉由對剛燒結之PM材料的車削操作進行)
將膨潤土粉末與購自瑞典Hgans AB的水霧化鐵粉AHC100.29之金屬粉末混合。該金屬粉末亦與2重量%之銅粉、0.8%之作為潤滑劑之伸乙基雙硬脂醯胺及0.8重量%之石墨混合。
根據ISO 3225，將根據表1之金屬粉末混合物壓縮成標準化TRS條及外徑為55mm、內徑為35mm及高為20mm，且生坯密度為6.9g/cm3 的圓環。
使該等TRS條及圓環在10%氫及90%氮的混合物下，在實驗室篩孔帶爐中於1120℃下燒結20分鐘，所得樣品的微結構為珍珠狀結構。燒結的TRS條係用於根據ISO 3325測量橫向斷裂強度，且燒結的圓環係用於車削測試以測定可加工性指數，如表2所見)。
該可加工性指數係定義為車削工具的刀腹磨損，即自插件切邊移除的材料。圖1揭示如何測定該磨損。車削係在恆定的主軸轉速及無冷卻劑的恆定進料下，利用碳化鎢插件，在該等圓環的外徑上進行。
表1顯示壓縮圓環的機械特性幾乎不受添加的膨潤土影響。但是，對於加入膨潤土的圓環而言，明顯改良的可加工性係事實，此係如表2所示。對於相同切削距離而言，與不含此添加劑的圓環相比，包含膨潤土之圓環的可加工性指數幾乎減少50%(即插件切邊之磨損減少)。
DC為燒結期間橫向斷裂強度條的長度尺寸變化
HRB為橫向斷裂強度條的Rockwell B硬度
TRS為橫向斷裂強度條的橫向斷裂強度
主軸轉速為在車削車床的每分鐘旋轉數
切削距離為插件與燒結圓環咬合的長度
M指數(可加工性指數)為涵蓋切削距離後，插件切邊上的刀腹磨損(以μm表示)(參見圖1)。
實例2 (可加工性研究，藉由對剛燒結PM材料的鑽孔操作進行)
將白雲母及金雲母粉末與購自瑞典Hgans AB的金屬粉末Distaloy AE混合，該金屬粉末係與0.5%的鉬、4%的鎳及1.5%的銅擴散合金化之純鐵。該金屬粉末亦與0.8重量%之EBS(伸乙基雙硬脂醯胺)潤滑劑及0.5重量%之石墨混合。
根據ISO 2740，將表3中之材料混合物壓縮成標準化拉伸測試條及直徑為80mm及高為12mm，且生坯密度為7.10g/cm3 的圓盤。使該等拉伸條及圓盤在10%氫及90%氮的混合物下，在實驗室篩孔帶爐中於1120℃下燒結30分鐘。所得樣品的微結構不均勻，包含亞鐵酸鹽、鎳富沃斯田鐵、珍珠岩、變韌鐵及麻田散鐵。
圓盤係用於鑽探測試來測定可加工性指數，如表4所見。該指數定義為鑽孔機完全磨損即全體鑽孔機弄壞前經機械加工的每次鑽孔數量。鑽孔係在恒定的主軸轉速及無冷卻劑的恒定進料下，利用直徑Φ 3.5高速鋼鑽而完成。
表3顯示當加入雲母粉末(白雲母及金雲母)時，發現機械加工特性僅出現微小偏差。如表4所示，金雲母使可加工性得到顯著改良及白雲母使之得到更加顯著的改良(即可鑽相當多的孔)。
DC為燒結期間橫向斷裂強度條的長度尺寸變化
HV10為拉伸強度條的Vickers強度
YS為拉伸強度條的降伏強度
TS為拉伸強度條的拉伸強度
A為伸強度測試中的彈性伸長率
主軸轉速為鑽孔機的每分鐘的旋轉數
M指數(可加工性指數)為鑽孔機完全弄壞前的平均鑽孔數量
實例3 (可加工性研究，藉由經燒結、經淬火及回火的PM材料之車削操作進行)
將膨潤土粉末與購自瑞典Hgans AB的水霧化鐵粉AHC100.29之金屬粉末混合。該金屬粉末亦與2重量%之銅粉、0.8重量%之EBS(伸乙基雙硬脂醯胺)潤滑劑及0.8重量%之石墨混合。
將根據表5之材料混合物壓縮成外徑為55mm，內徑為35mm及高為20mm，且生坯密度為6.9g/cm3 的圓環。使該等圓環在10%氫及90%氮混合物下，在實驗室篩孔帶爐中於1120℃燒結20分鐘。圓環燒結後在980℃下熱處理30分鐘然後油中淬火。經油淬火後的圓環在空氣中200℃回火一小時。所得的微結構為完全麻田散鐵型。
該圓環係用於車削測試來測定可加工性指數，如表6所見。該加工性指數定義為車削工具的刀腹磨損，即自插件切邊移除的材料。圖1揭示如何測定該磨損。車削係在恒定的主軸轉速及無冷卻劑的恒定進料下，利用氮化矽陶瓷插件，在該圓環的外徑上進行。
表5顯示熱處理圓環的硬度不受添加的膨潤土影響。但是，當使用膨潤土時，可加工性得到顯著改良，如表6所示。對於相同切削距離而言，與不含此添加劑的圓環相比，包含膨潤土之圓環的可加工性指數減少不多於50%(即插件切邊之磨損減少)。
HRC為熱處理圓環的Rockwell C硬度
主軸轉速為在車削車床的每分鐘旋轉數
切削距離為插件與燒結圓環咬合的長度
M指數(可加工性指數)為涵蓋切削距離後，插件切邊上的的刀腹磨損
實例4 (可加工性研究，藉由對燒結硬化PM材料的車削操作進行)
將膨潤土粉末與購自瑞典Hgans AB的水霧化鋼粉Astaloy A之金屬粉末混合，該金屬粉末與1.9%鎳及0.55%鉬進行預合金化。該金屬粉末亦與2重量%之銅粉、0.8重量%之EBS(伸乙基雙硬脂醯胺)潤滑劑及0.8重量%之石墨混合。
將根據表7之材料混合物壓縮成外徑為55mm，內徑為35mm及高為20mm，且生坯密度為6.9g/cm3 的圓環。使該等圓環在10%氫及90%氮混合物下，以2.2℃/s的冷卻速率在生產爐中於1120℃燒結硬化20分鐘。燒結硬化後的圓環在空氣中200℃回火30分鐘。所得的微結構為完全麻田散鐵型。
該圓環用於車削測試來測定可加工性指數，可參見表8。該可加工性指數定義為車削工具中的表面磨損，即自插件切邊移除的材料。圖1揭示如何測定該磨損。車削係在恒定的主軸轉速及無冷卻劑的恒定進料下，利用氮化矽陶瓷插件，在該圓環的外徑上進行。
表7顯示加入一定量膨潤土後，熱處理圓環的硬度略較硬。當使用膨潤土時，可加工性得到顯著改良，如表8所示。對於相同切削距離而言，與不含此添加劑的圓環相比，包含膨潤土之圓環的可加工性指數減少約60%(即插件切邊之磨損減少)。
HRC為熱處理圓環的Rockwell C硬度
主軸轉速為在車削車床的每分鐘旋轉數
切削距離為插件與燒結圓環咬合的長度
M指數(可加工性指數)為經過切削距離後，插件切邊上的刀腹磨損
實例5 (可加工性研究，藉由對燒結硬化PM材料的車削操作進行)
將膨潤土粉末與購自瑞典Hgans AB的水霧化鋼粉Astaloy CrL之金屬粉末混合，該金屬粉末係具有1.5%鉻及0.2%鉬之預合金化粉末。該金屬粉末亦與2重量%之銅粉、0.8重量之%EBS(伸乙基雙硬脂醯胺)潤滑劑及0.75重量%之石墨混合。
將根據表9之混合物壓縮成外徑為55mm，內徑為35mm及高為20mm，且生坯密度為6.9g/cm3 的圓環。該等圓環在10%氫及90%氮混合物下，以2.2℃/s冷卻速率在生產爐中於1120℃燒結硬化20分鐘。燒結硬化後的圓環在空氣中200℃回火30分鐘。所得的微結構為完全麻田散鐵型。
該圓環用於車削測試來測定可加工性指數，可參見表10。該可加工性指數定義為車削工具中的表面磨損，即自插件切邊移除的材料。圖1揭示了如何測定該磨損。車削係在恒定的主軸轉速及無冷卻劑的恒定進料下，利用氮化矽陶瓷插件，在該圓環的外徑上進行。
表9顯示加入一定量膨潤土後，熱處理圓環的硬度略較硬。當使用膨潤土時，可加工性得到顯著改良，如表10所示。對於相同切削距離而言，與不含此添加劑的圓環相比，包含膨潤土之圓環的可加工性指數減少約75%(即插件切邊之磨損減少)。
HRC為熱處理圓環的Rockwell C硬度
主軸轉速為在車削車床的每分鐘旋轉數
切削距離為插件與燒結圓環咬合的長度
M指數(可加工性指數)為涵蓋切削距離後，插件切邊上的刀腹磨損
實例6 (可加工性研究，藉由對燒結硬化PM材料的鑽孔操作進行)
將白雲母、金雲母及蒙脫石粉末與購自瑞典Hgans AB的水霧化鋼粉Astaloy CrM之金屬粉末混合，該金屬粉末係與3%鉻及0.5%鉬預合金化之鐵。該金屬粉末亦與0.8重量%之EBS(伸乙基雙硬脂醯胺)潤滑劑及0.55重量%之石墨混合。
根據ISO 2740，將表11中之材料混合物壓縮成標準化拉伸測試條及直徑為80mm及高為12mm，且生坯密度為7.10g/cm3 的圓盤。使該等拉伸條及圓盤在10%氫及90%氮的混合物下，以2.2℃/s冷卻速率在實驗室篩孔帶爐中於1120℃燒結硬化30分鐘。燒結硬化後的TS條及圓盤在空氣中200℃回火30分鐘。所得微結構為完全麻田散鐵型。
圓盤係用於鑽探測試來測定可加工性指數，可參見表12。該指數定義為臨界切削速率。若鑽孔機在全部鑽孔機弄壞前，以固定切削速率在一個圓盤上可製造孔的總數(216)，新鑽孔機連同增加的切削速率應在以下測試中進行。鑽孔係在無冷卻劑的恒定進料下，利用直徑Φ 3.5固體碳化鑽完成。
表11顯示當加入白雲母、金雲母或蒙脫石粉末時，發現機械加工特性僅出現微小偏差。
如表12所示白雲母、金雲母或蒙脫石可提高主軸速率使可加工性得到顯著改良而無鑽孔失敗。
HV10為拉伸強度條的Vickers強度
MHV0.05為拉伸強度條的Micro Vicker麻田散鐵硬度
TS為拉伸強度條的拉伸強度
主軸轉速為鑽孔機的每分鐘旋轉數
該測試在鑽孔216個孔後中斷，無發現鑽孔失敗。
實例7 (可加工性研究，藉由對燒結硬化PM材料的車削操作進行)
將白雲母、金雲母及蒙脫石粉末與如實例6中的水霧化鋼粉Astaloy CrM之金屬粉末混合。該金屬粉末亦與0.8重量%之EBS(伸乙基雙硬脂醯胺)潤滑劑及0.55重量%之石墨混合。
根據ISO 2740，將表13之混合物壓縮成標準化拉伸測試條及外徑為64mm、內徑為35mm及高為25mm，且生坯密度為7.10g/cm3 的圓環。該等拉伸條及圓環在10%氫及90%氮混合物下，以2.2℃/s冷卻速率在實驗室篩孔帶爐中於1120℃燒結硬化30分鐘。所得微結構為完全麻田散鐵型。
燒結硬化後的TS條及圓環在空氣中200℃回火30分鐘。該圓環用於車削測試來測定可加工性指數，可參見表14。該可加工性指數定義為車削工具的刀腹磨損，即自插件切邊移除的材料。圖1揭示了如何測定該磨損，車削係在恒定的主軸轉速及無冷卻劑的恒定進料下，利用立方體氮化硼插件，在圓環終端表面完成。
表13顯示當加入粉末狀白雲母、金雲母或蒙脫石時，發現機械加工特性出現微小偏差。
使用白雲母、金雲母或蒙脫石，可加工性得到顯著改良。係如表14所示。對於相同切削距離而言，與不含此添加劑的圓環相比，包含不同添加劑之圓環的可加工指數可觀地減少(即插件切邊之磨損減少)。
HV10為拉伸強度條的Vickers強度
MHV0.05為拉伸強度條的Micro Vicker麻田散鐵硬度
TS為拉伸強度條的拉伸強度
切削速率為在車削機器中以米表示之圓環外徑到內徑/分鐘之環速度
切削距離為插件與燒結圓環咬合的長度
M指數(可加工性指數)為涵蓋切削距離後，插件切邊上的刀腹磨損。
實例8 (可加工性研究，藉由對燒結硬化PM材料的車削操作進行)
將膨潤土粉末與如實例6中的水霧化鋼粉Astaloy CrM之金屬粉末混合。該金屬粉末亦與0.8重量%之EBS(伸乙基雙硬脂醯胺)潤滑劑及0.6重量%之石墨混合。
將根據表15之混合物壓縮成外徑為55mm、內徑為35mm及高為20mm，且生坯密度為6.9g/cm3 的圓環。該等圓環在10%氫及90%氮混合物下，以2.2℃/s冷卻速率在生產爐中於1120℃燒結硬化20分鐘。燒結硬化後的圓環在空氣中200℃回火30分鐘。所得微結構為完全麻田散鐵型。
該圓環用於車削測試來測定可加工性指數，可參見表16。該可加工性指數定義為車削工具的刀腹磨損，即來自插件切邊移除的材料。圖1揭示了如何測定該磨損。車削係在恒定的主軸轉速及無冷卻劑的恒定進料下，利用氮化矽陶瓷插件，在圓環外徑上完成。
表15顯示加入一定量膨潤土後，熱處理圓環的硬度略較硬。當使用膨潤土時，可加工性得到顯著改良，如表16所示。對於相同切削距離而言，與不含此添加劑的圓環相比，包含膨潤土之圓環的可加工性指數減少約70%(即插件切邊之磨損減少)。
HRC為熱處理圓環的Rockwell C硬度
主軸轉速為車削車床的每分鐘旋轉數
切削距離為插件與燒結圓環咬合的長度
M指數(可加工性指數)為涵蓋切削距離後，插件切邊上的刀腹磨損。
實例9 (可加工性研究，藉由對剛燒結PM材料的鑽孔操作進行)
根據Fraunhofer App. ISO13320-1:1999.之方法，利用雷射繞射設備(Sympatec GmbH)測定具有不同粒度分佈之白雲母及金雲母粉末，參見表17。
X50 的值為該粒度[μm]，其中總體的50重量%具有小於該值之粒度。
X99 的值為該粒度[μm]，其中總體的99重量%具有小於該值之粒度。
將白雲母及金雲母粉末與購自瑞典Hgans AB的金屬粉末Distaloy AE混合，該金屬粉末係與0.5%的鉬、4%的鎳及1.5%的銅擴散合金化之純鐵。該金屬粉末亦與0.8重量%之EBS(伸乙基雙硬脂醯胺)潤滑劑及0.6重量%之石墨混合。
根據ISO 2740，將表18中之材料混合物(以重量百分比表示)壓縮成標準化拉伸測試條及直徑為80mm及高為12mm，且生坯密度為7.10g/cm3 的圓盤。該等拉伸條及圓盤在10%氫及90%氮混合物下，以2.2℃/s冷卻速率在實驗室篩孔帶爐中於1120℃燒結30分鐘。所得樣品的微結構不均勻，其包含亞鐵酸鹽、鎳富沃斯田鐵、珍珠岩、變韌鐵及麻田散鐵。
M1=白雲母粉末粒度分佈X50 =31.7μm及X99 =128.4μm
M2=白雲母粉末粒度分佈X50 =8.4μm及X99 =39.7μm
M3=白雲母粉末粒度分佈X50 =3.4μm及X99 =12.3μm
P1=金雲母粉末粒度分佈X50 =7.4μm及X99 =34.6μm
P2=金雲母粉末粒度分佈X50 =4.6μm及X99 =13.6μm
圓盤用於鑽孔測試來測定可加工性指數，可參見表19。該指數定義為鑽孔機完全磨損即鑽孔機完全弄壞前經機械加工的每次的鑽孔數量。鑽孔係在恒定的轉速及無冷卻劑的恒定進料下，利用直徑Φ 3.5高速鋼鑽完成。
如表19所示，加入金雲母可加工性得到改良及加入白雲母可加工性得到進一步改良(即可鑽孔相對更多孔)，粗白雲母(M1)除外。
主軸速率為鑽孔機的每分鐘旋轉數
相對可加工性指數為全體鑽孔機弄壞前，混合物1-7平均鑽孔數量與混合物1(即無可加工性改良添加劑的混合物)平均鑽孔數量之比。
藉由定義相對可加工性指數，即全體鑽孔機弄壞前，平均鑽孔數量與無添加劑的材料平均鑽孔數量之比，可證明可加工性與白雲母粒度分佈(X50 )之間的關係，如圖2所見。
隨著粒度(X50 )減小，白雲母以增加之高可加工性效果對可加工性之影響顯著，而以金雲母則見到較少的增加效果。
如圖2所示，平均粒度X50 宜為20μm或更小，較佳15μm或更少，更佳10μm或更小，最佳5μm或更小。
以白雲母為例，添加可加工性試劑之量會影響尺寸改變、機械加工特性及硬度，可見於表20。
DC為燒結期間拉伸強度條的尺寸改變長度
HV10為拉伸強度條的Vickers硬度
YS為拉伸強度條的降伏強度
TS為拉伸強度條的拉伸強度
A為拉伸強度檢測時的彈性伸長率
圖1顯示關於實例1、3、4、5、7及8之可加工性指數，如何測量插件切邊之磨損的示意圖，即圖中兩箭頭間之距離；及
圖2係闡述可加工性改良劑白雲母及金雲母之平均粒度分別對相對可加工性改良指數之影響的示意圖。
(無元件符號說明)

Claims (39)

  1. 一種鐵基粉末組合物，其除鐵基粉末以外還包含少量粉末狀可加工性改良添加劑，該添加劑包含一種粉末狀膨潤土，其中該可加工性改良添加劑之含量係占該鐵基粉末組合物之0.05至1重量%，其中該鐵基粉末包含小於10重量%的合金化元素。
  2. 如請求項1之鐵基粉末組合物，其中該可加工性改良添加劑之粒度X99 係小於50μm。
  3. 如請求項1之鐵基粉末組合物，其中該可加工性改良添加劑之平均粒度X50 係小於20μm。
  4. 如請求項1之鐵基粉末組合物，其中該可加工性改良添加劑之含量係占該鐵基粉末組合物之0.05至0.3重量%。
  5. 如請求項1之鐵基粉末組合物，其中該可加工性改良添加劑之含量係占該鐵基粉末組合物之0.05至0.2重量%。
  6. 如請求項1之鐵基粉末組合物，其中該可加工性改良添加劑之粒度X99係小於30μm。
  7. 如請求項1之鐵基粉末組合物，其中該可加工性改良添加劑之平均粒度X50係小於10μm。
  8. 如請求項1之鐵基粉末組合物，其中該可加工性改良添加劑之平均粒度X50係小於5μm。
  9. 一種鐵基粉末組合物，其除鐵基粉末以外還包含一種粉末狀可加工性改良添加劑，該添加劑係白雲母，其中該白雲母之含量係0.05至0.3重量%。
  10. 如請求項9之鐵基粉末組合物，其中該可加工性改良添 加劑之含量係0.2重量%或更少。
  11. 如請求項9之鐵基粉末組合物，其中該可加工性改良添加劑之粒度X99係小於50μm。
  12. 如請求項9之鐵基粉末組合物，其中該可加工性改良添加劑之粒度X99係小於30μm。
  13. 如請求項9之鐵基粉末組合物，其中該可加工性改良添加劑之平均粒度X50係小於20μm。
  14. 如請求項9之鐵基粉末組合物，其中該可加工性改良添加劑之平均粒度X50係小於10μm。
  15. 如請求項9之鐵基粉末組合物，其中該可加工性改良添加劑之平均粒度X50係小於5μm。
  16. 如請求項9之鐵基粉末組合物，其中該鐵基粉末包含小於10重量%的合金化元素。
  17. 一種製備鐵基粉末組合物之方法，其包含：提供一種鐵基粉末；及將該鐵基粉末與一種粉末狀可加工性改良添加劑混合，該可加工性改良添加劑包含白雲母，其中該白雲母之含量係0.05至0.3重量%。
  18. 一種製造具有改良可加工性之鐵基燒結零件之方法，其包含：製備如請求項9之鐵基粉末組合物；在400至1200MPa之壓實壓力下壓縮該鐵基粉末組合物；在1000至1300℃之溫度下燒結該經壓縮零件；及 可選擇地熱處理該經燒結零件。
  19. 一種製造具有改良可加工性之鐵基燒結零件之方法，其包含：製備一種鐵基粉末組合物，其除鐵基粉末以外還包含少量粉末狀可加工性改良添加劑，該添加劑包含一種粉末狀膨潤土；在400至1200MPa之壓實壓力下壓縮該鐵基粉末組合物；在1000至1300℃之溫度下燒結該經壓縮零件；及可選擇地熱處理該經燒結零件。
  20. 一種鐵基粉末組合物，其包含：一種鐵基粉末；及粉末狀可加工性改良添加劑，該可加工性改良添加劑包含一種粉末狀膨潤土，其中該可加工性改良添加劑之含量係占該鐵基粉末組合物之0.05至1重量%，其中該可加工性改良添加劑之平均粒度X50 係小於20μm。
  21. 如請求項20之鐵基粉末組合物，其中該可加工性改良添加劑之平均粒度X50 係小於10μm。
  22. 如請求項20之鐵基粉末組合物，其中該可加工性改良添加劑之平均粒度X50 係小於5μm。
  23. 如請求項20之鐵基粉末組合物，其中該可加工性改良添加劑之粒度X99 係小於50μm。
  24. 如請求項20之鐵基粉末組合物，其中該可加工性改良添加劑之粒度X99 係小於30μm。
  25. 如請求項20之鐵基粉末組合物，其中該鐵基粉末包含小於10重量%的合金化元素。
  26. 如請求項20之鐵基粉末組合物，其中該可加工性改良添加劑之含量係占該鐵基粉末組合物之0.05至0.3重量%。
  27. 如請求項20之鐵基粉末組合物，其中該可加工性改良添加劑之含量係占該鐵基粉末組合物之0.05至0.2重量%。
  28. 一種製造具有改良可加工性之鐵基燒結零件之方法，其包含：製備如請求項20之鐵基粉末組合物；在400至1200MPa之壓實壓力下壓縮該鐵基粉末組合物；在1000至1300℃之溫度下燒結該經壓縮零件；及可選擇地熱處理該經燒結零件。
  29. 一種製備鐵基粉末組合物之方法，該方法包含：提供一種鐵基粉末；及將該鐵基粉末與一種粉末狀可加工性改良添加劑混合以形成該鐵基粉末組合物，該可加工性改良添加劑包含膨潤土，其中該膨潤土係占該鐵基粉末組合物之0.05至1重量%，其中該可加工性改良添加劑之平均粒度X50 係小於20μm。
  30. 如請求項29之方法，其中該可加工性改良添加劑之平均粒度X50 係小於10μm。
  31. 如請求項29之方法，其中該可加工性改良添加劑之平均粒度X50 係小於5μm。
  32. 如請求項29之方法，其中該可加工性改良添加劑之粒度X99 係小於50μm。
  33. 如請求項29之方法，其中該可加工性改良添加劑之粒度X99 係小於30μm。
  34. 如請求項29之方法，其中該鐵基粉末包含小於10重量%的合金化元素。
  35. 如請求項29之方法，其中該可加工性改良添加劑之含量係占該鐵基粉末組合物之0.05至0.3重量%。
  36. 如請求項29之方法，其中該可加工性改良添加劑之含量係占該鐵基粉末組合物之0.05至0.2重量%。
  37. 一種製備鐵基粉末組合物之方法，該方法包含：提供一種鐵基粉末；及將該鐵基粉末與一種粉末狀可加工性改良添加劑混合以形成該鐵基粉末組合物，該可加工性改良添加劑包含膨潤土，其中該膨潤土係占該鐵基粉末組合物之0.05至1重量%，其中該鐵基粉末包含小於10重量%的合金化元素。
  38. 如請求項37之方法，其中該可加工性改良添加劑之含量係占該鐵基粉末組合物之0.05至0.3重量%。
  39. 如請求項37之方法，其中該可加工性改良添加劑之含量係占該鐵基粉末組合物之0.05至0.2重量%。
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