專利名稱：鈷基金屬粉末及制造其零件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及粉末冶金。更具體地，本發(fā)明涉及一種鈷基粉末金屬組合物和一種制造特別適用于繁重工作條件下的該組合物的零件的方法。
背景技術(shù)：
鈷基合金，例如Stellite(Co-Cr-W合金商標(biāo))是對(duì)多種形式的磨損具有很強(qiáng)的抵抗力的硬質(zhì)合金。這些合金的產(chǎn)品在一個(gè)寬的溫度范圍內(nèi)都顯示出高硬度，而且它們可抗腐蝕。這些產(chǎn)品尤其用于鑄造各種零件，例如機(jī)器零件(軸瓦、氣門座圈等)或要求高密度、高強(qiáng)度和高抗磨損性的其它零件。
鑄造材料通常受微觀結(jié)構(gòu)缺陷和碳化物偏析的限制。碳化物偏析導(dǎo)致硬相的不均勻分布。這些材料的缺點(diǎn)是不具有斷裂韌性并且機(jī)械加工性差。
粉末冶金(PM)產(chǎn)品通常比鑄造產(chǎn)品具有更均勻的微觀結(jié)構(gòu)。PM制造方法的其它優(yōu)點(diǎn)是，與傳統(tǒng)的鑄造方法相比避免或降低了加工成成品件的昂貴成本，而且該方法更適于制造大量小物品。
多年來一直試圖使用PM技術(shù)制造鈷基產(chǎn)品。由此，專利US4129444公開了一種方法，其中在霧化鈷基合金粉末上涂敷一層粘合劑，然后使其固結(jié)而生成離散體，這些離散體經(jīng)過干燥、壓碎和過篩而形成團(tuán)塊。這些團(tuán)塊被壓制成在高溫下燒結(jié)的生坯。另外，美國專利No.5462572公開了一種由氣霧化的Co-Cr-Mo合金粉末制備的粉末冶金零件。該合金粉末裝入一個(gè)容器，在真空下烘干該粉末以使其除氣，然后優(yōu)選地采用熱等靜壓(HIP)使裝入容器的粉末固結(jié)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可用于傳統(tǒng)PM工藝中的新的鈷基粉末金屬組合物。
另一個(gè)目的是提供一種具有高壓塑性的鈷基粉末金屬組合物，該組合物可被壓制成具有高的生坯密度和高的生坯強(qiáng)度。
還一個(gè)目的是提供一種可在燒結(jié)前加工的鈷基合金的生坯。
再一個(gè)目的是提供一種粉末金屬組合物，該組合物可被壓制和燒結(jié)成高密度，且無須高的燒結(jié)溫度。
根據(jù)本發(fā)明，通過提供一種新鈷基粉末金屬組合物來實(shí)現(xiàn)這些目的和通過下面的描述變得明顯的其它目的。這種組合物的主要特征是，該組合物包括一種混有石墨的具有不規(guī)則成形顆粒的鈷基預(yù)制合金粉末。該鈷基預(yù)制合金粉末還應(yīng)包括小于0.3％重量比的碳和至少15％重量比的Cr。該鈷基預(yù)制合金粉末優(yōu)選地包括至少30％重量比且優(yōu)選地小于80％重量比的Co。
本發(fā)明還涉及一種方法，該方法包括提供根據(jù)本發(fā)明的粉末金屬組合物和在模具中以至少400Mpa的壓力壓制該組合物而形成所需形狀的零件。
具體實(shí)施例方式
可以通過對(duì)具有所需組分的熔體進(jìn)行水霧化來制造根據(jù)本發(fā)明的組合物中的鈷基預(yù)制合金粉末。
根據(jù)本發(fā)明的鈷基預(yù)制合金粉末包括小于0.3％重量比的碳。然而，粉末中的碳含量?jī)?yōu)選地小于0.1％重量比，最優(yōu)選地小于0.05％重量比(即，除了不可避免的雜質(zhì)外基本上沒有碳)。
該鈷基預(yù)制合金粉末包括至少15％重量比且優(yōu)選地小于35％重量比的Cr。
通過固溶硬化和/或碳化物生成，Cr的加入提高了鈷基的強(qiáng)度。通過加入W和/或Mo進(jìn)一步提高這種作用。
可包含在鈷基預(yù)制合金粉末中的其它元素可以從Ni、Fe、Si、Mn、V和B中選取。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選預(yù)制合金粉末包括5-35％重量比的Cr，0-20％重量比的W，0-25％重量比的Ni，0-5％重量比的Si，0-5％重量比的Fe，0-10％重量比的Mo，其余為Co和小于0.3％重量比的C。
根據(jù)本發(fā)明的另一種優(yōu)選粉末還包括0-3％重量比的Mn，0-4％重量比的V和0-4％重量比的B。
根據(jù)本發(fā)明的粉末金屬組合物包括混有石墨的根據(jù)本發(fā)明的預(yù)制合金粉末。石墨添加劑的量取決于所需要的碳化物的含量和碳化物生成元素的含量。石墨的含量?jī)?yōu)選地至少為0.5％重量比，更優(yōu)選地至少為0.7％重量比且優(yōu)選小于3％的重量比。
該粉末金屬組合物還可包括選自合金元素、潤滑劑、加工助劑和粘合劑的一種或多種添加劑。
可以加入其它元素以改善性能或降低成本。
所使用的潤滑劑在實(shí)現(xiàn)生坯性能方面起到重要作用。使用KenolubeTM(可從瑞典的Hgans AB購買)、酰銨蠟(amide wax)、金屬硬脂酸鹽和其它常用的潤滑劑已經(jīng)帶來了良好的效果。
使用于根據(jù)本發(fā)明的粉末金屬組合物中的加工助劑可以由滑石、鎂橄欖石、硫化錳、硫磺、二硫化鉬、氮化硼、碲、硒、二氟化鋇和二氟化鈣組成，它們可以單獨(dú)使用或結(jié)合使用。
將根據(jù)本發(fā)明的粉末金屬組合物裝入模具并且在至少400MPa的壓力下壓制成所需形狀的零件。這種壓制生成具有高生坯強(qiáng)度和生坯密度的零件，而且在這個(gè)階段該零件甚至可以進(jìn)行生坯加工。當(dāng)在最終燒結(jié)的零件中的材料硬而很難加工時(shí)，這是一種優(yōu)點(diǎn)。
將零件在至少1080℃的溫度下并且優(yōu)選地在保護(hù)性氣氛或真空下燒結(jié)。
由根據(jù)本發(fā)明的粉末和根據(jù)本發(fā)明的方法制造的零件特別適用于繁重的工作條件下，例如用于發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門座圈，在發(fā)動(dòng)機(jī)中氣門座需要在發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命內(nèi)維持可用，而無須更換或維護(hù)。
下面并非用于限定的例子給出了本發(fā)明的特定實(shí)施例。
示例列于表2和表3中的實(shí)驗(yàn)混料(混料1-5)由列于表1中的水霧化的預(yù)制合金粉末(重量百分比)制備。
表1
根據(jù)表2和表3，預(yù)制合金粉末還與潤滑劑、合金元素和加工助劑混合。在實(shí)驗(yàn)混料1、3和4中還包括1.7％重量比的石墨。根據(jù)ISO3995，模鑄TRS試樣。分別在600MPa和800MPa的壓力下進(jìn)行三種不同類型試樣的壓制操作。
測(cè)試形成的零件的生坯密度(GD)和生坯強(qiáng)度(GS)。在90％N2/10％H2的氣氛中以1120℃的溫度燒結(jié)30分鐘后，測(cè)試零件的燒結(jié)密度(SD)和硬度(Hv10)。表4和表5公開了測(cè)試結(jié)果。
表2
*40％聚環(huán)氧乙烷∶60％有機(jī)溶膠表3
*40％聚環(huán)氧乙烷∶60％有機(jī)溶膠對(duì)混料2及在某種程度上對(duì)混料5的壓制并不能起作用，零件呈現(xiàn)出不良表面并且經(jīng)常有邊部裂紋，而且太脆而不能處理。
可以從表4和表5中看到，對(duì)在預(yù)制合金粉末中不存在C的混料1、3和4的壓制表現(xiàn)出可壓縮性的大的改進(jìn)，而且形成的零件獲得了高生坯強(qiáng)度和生坯密度。薄壁零件通常需要至少7MPa的生坯強(qiáng)度，以便能夠處理。20Mpa以上的生坯強(qiáng)度通常能夠進(jìn)行生坯加工。
燒結(jié)混料3所得的零件顯示出比混料5所得的零件更高的密度和硬度(Hv10)。
對(duì)燒結(jié)零件的金相研究顯示，由混料3和5制得的零件具有類似的結(jié)構(gòu)。因此，在燒結(jié)過程中可在混料3的零件中生成所需要的碳化物結(jié)構(gòu)。
在表5中，混料3和混料4之間的比較顯示出潤滑劑對(duì)壓制零件的生坯強(qiáng)度和生坯密度的影響。KenolubeTM比聚環(huán)氧乙烷(polyethyleneoxide)和有機(jī)溶膠(orgasol)的混合物能產(chǎn)生更高的密度，這使得在燒結(jié)狀態(tài)下的性能更好。
表4
*出坯時(shí)棒材斷裂表5
Nm＝未測(cè)量
權(quán)利要求
1.一種用于制造粉末金屬零件的粉末金屬組合物，它包括混有石墨的具有不規(guī)則形狀顆粒的鈷基預(yù)制合金粉末，該鉆基預(yù)制合金粉末包括至少15％重量比的Cr和小于0.3％重量比的C。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉末金屬組合物，其特征在于，還包括至少一種選自W和Mo的元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的粉末金屬組合物，還包括至少一種選自Ni、Fe、Si、Mn、V和B的合金元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的粉末金屬組合物，其特征在于，在預(yù)制合金粉末中的碳的含量?jī)?yōu)選地小于0.1％重量比，最優(yōu)選地小于0.05％重量比。
5.根據(jù)上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的粉末金屬組合物，其特征在于，包括15-35％重量比的Cr，0-20％重量比的W，0-25％重量比的Ni，0-5％重量比的Si，0-5％重量比的Fe，0-10％重量比的Mo，其余為Co。
6.根據(jù)上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的粉末金屬組合物，其特征在于，所混合的石墨的含量?jī)?yōu)選地為至少0.5％重量比，更優(yōu)選地為至少0.7％重量比。
7.根據(jù)上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的組合物，其特征在于，還包括選自潤滑劑、加工助劑、合金元素和粘合劑的一種或多種添加劑。
8.一種制造具有高生坯強(qiáng)度和高生坯密度的鈷基合金零件的方法，包括步驟a)提供一種包括混有石墨的具有不規(guī)則形狀顆粒的鈷基預(yù)制合金粉末的粉末金屬組合物，該鈷基預(yù)制合金粉末包括至少15％重量比的Cr和小于0.3％重量比的C；b)在模具中以至少400MPa的壓力將所述組合物壓制成所需形狀的零件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，預(yù)制合金粉末包括小于0.1％重量比的C，優(yōu)選地小于0.05％重量比的C。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，所混有的石墨的含量為至少0.5％重量比，優(yōu)選地至少為0.7％重量比。
11.一種制造鈷基粉末金屬組合物的燒結(jié)零件的方法，它除了包括根據(jù)權(quán)利要求8的a)和b)步驟，還包括步驟c)燒結(jié)所述零件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在保護(hù)性氣氛或真空下以至少1080℃的溫度進(jìn)行燒結(jié)。
13.一種具有不規(guī)則形狀顆粒的鈷基預(yù)制合金粉末，包括至少15％重量比的Cr和小于0.3％重量比的C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制造粉末金屬零件的粉末金屬組合物，它包括混有石墨的具有不規(guī)則形狀顆粒的鈷基預(yù)制合金粉末，該鈷基預(yù)制合金粉末包括至少15％重量比的Cr和小于0.3％重量比的C。本發(fā)明還涉及一種制造PM零件的方法，該方法將根據(jù)本發(fā)明的粉末金屬組合物壓制成形并且對(duì)其進(jìn)行燒結(jié)。
文檔編號(hào)C22C1/04GK1777485SQ200480008399
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2004年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月27日
發(fā)明者O·馬爾斯, C·紹博 申請(qǐng)人:霍加納斯股份有限公司