專利名稱：低合金鋼粉的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低合金鐵基粉末、含有該粉末和其它添加劑的粉末組合物、和由含有 該新型低合金鋼粉的鐵基粉末組合物的壓制和燒結(jié)而制成的部件。由本發(fā)明的粉末制成的 部件的機(jī)械性質(zhì)與由更高合金化和更昂貴的擴(kuò)散結(jié)合粉末制成的部件的機(jī)械性質(zhì)相當(dāng)。
背景技術(shù)：
在工業(yè)中，通過壓制和燒結(jié)金屬粉末組合物而制成的金屬產(chǎn)品的應(yīng)用日益廣泛。 生產(chǎn)具有各種形狀和厚度的許多不同產(chǎn)品，并在希望降低成本的同時(shí)不斷提高質(zhì)量要求。 由于通過鐵粉組合物的壓制和燒結(jié)獲得凈形部件或只需極少機(jī)械加工就可達(dá)到最終形狀 的近凈形部件以及高的材料利用程度，該技術(shù)大大優(yōu)于金屬部件的傳統(tǒng)成形技術(shù)，例如由 棒料或鍛件模制或機(jī)械加工。但是，與壓制和燒結(jié)法相關(guān)的一個(gè)問題在于，燒結(jié)部件含有一定量的孔隙，以致降 低該部件的強(qiáng)度。基本有兩種方式克服由部件多孔性造成的對(duì)機(jī)械性質(zhì)的負(fù)面影響。1)可 以通過引入合金元素，例如碳、銅、鎳、鉬等，來提高燒結(jié)部件的強(qiáng)度。2)通過提高該粉末組 合物的可壓縮性、和/或提高壓制壓力以獲得更高生坯密度、或提高該部件在燒結(jié)過程中 的收縮率，可以降低燒結(jié)部件的孔隙率。在實(shí)踐中，采用通過添加合金元素來增強(qiáng)該部件與 將孔隙率降至最低的組合。因此，各種組成的低合金鋼粉和這些鋼粉的壓制方法已知用于 制造表現(xiàn)出高強(qiáng)度和硬度的PM部件。但是，PM部件的特性是與鍛鋼材料相比相對(duì)較低的 韌度。盡管“高度”合金化，但具有相對(duì)較高可壓縮性的所謂的擴(kuò)散合金化鐵基粉末提供了 與預(yù)合金粉末相比制造具有高韌度和高伸長以及高強(qiáng)度的壓制和燒結(jié)體的可能性。但是，與目前使用的擴(kuò)散合金粉末相關(guān)的一個(gè)缺點(diǎn)是它們的相對(duì)較高的昂貴合金 元素(例如鉬和鎳)含量?，F(xiàn)在已經(jīng)意外地發(fā)現(xiàn)，通過仔細(xì)選擇合金元素鉻和錳的組合，在 相對(duì)較低含量下，獲得了一種預(yù)合金粉末，它使得壓制和燒結(jié)體具有與使用更合金化的擴(kuò) 散結(jié)合粉末可獲得的值相同水平或接近的在伸長和強(qiáng)度方面的機(jī)械性質(zhì)。US 4266974公開了在所要求保護(hù)的范圍外的合金粉末的實(shí)例，其僅含錳和鉻作為 有意加入的合金元素。這些實(shí)例含有2. 92%的鉻及0. 24%的錳，4. 79%的鉻及0. 21重量％ 的錳，或0. 55 %的鉻及0. 89重量％的錳。在日本專利公開號(hào)JP59173201中，含有鉻、錳和鉬的低合金鋼粉的還原退火法， 一個(gè)實(shí)例顯示具有1. 14重量％的鉻含量和1. 44重量％的錳含量作為僅有的有意加入的合 金元素的粉末。在US 6348080中描述了鉻、錳和鉬基預(yù)合金鋼粉。WO 03/106079教導(dǎo)了與US 6348080中所述的鋼粉相比具有較低的合金元素含量的鉻、錳和鉬合金化鋼粉。該粉末適合 在高于大約0. 4重量％的碳含量下形成貝氏體結(jié)構(gòu)。發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供適用于制造壓制和燒結(jié)部件的合金鐵基粉末，該粉末基本不 合昂貴的合金元素，例如鉬和鎳。
本發(fā)明的另一目的是提供能夠形成具有良好的伸長、拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的壓制 和燒結(jié)部件的粉末。本發(fā)明的另一目的是提供具有上述性質(zhì)的燒結(jié)部件。 發(fā)明概要通過下述各項(xiàng)實(shí)現(xiàn)了這些目的中的至少一個(gè)-水霧化的預(yù)合金化鐵基鋼粉，按重量％計(jì)，其包含0.4至2.0的0、0.1至0.8的 Mn、少于0. 1的V、少于0. 1的Mo、少于0. 1的Ni、少于0. 2的Cu、少于0. 1的C、少于0. 25 的0、少于0. 5的不可避免的雜質(zhì)，且余量是鐵。-基于該鋼粉的鐵基粉末組合物，且其與該組合物的0.35至1重量％的石墨、該組 合物的0. 05至2重量％的潤滑劑、和任選地最多3%的量的銅、硬相材料和機(jī)械加工性增強(qiáng) 劑混合。-制造燒結(jié)部件的方法，包括下述步驟a)制備所述基于鋼粉的鐵基鋼粉組合物，b)對(duì)該組合物施以400至2000MPa的壓制，c)在還原氣氛中在1000至1400°C的溫度燒結(jié)所得生坯部件，d)任選地，在高于500°C的溫度鍛造所述經(jīng)加熱的部件，或?qū)λ脽Y(jié)部件施以 熱處理或硬化步驟。-通過所述方法制成的具有珠光體/鐵素體微結(jié)構(gòu)的燒結(jié)部件。所述鋼粉具有低的指定的鉻和錳含量，且基本不含鉬、鎳和釩。發(fā)明詳述鐵基合金鋼粉的制備通過含有指定量的合金元素的鋼熔體的水霧化制造鋼粉。進(jìn)一步對(duì)該霧化粉末施 以如美國專利6027544中所述的還原退火法，該專利經(jīng)此引用并入本文。該鋼粉的粒度可 以為任何尺寸，只要其與壓制和燒結(jié)或粉末鍛造法相容即可。合適的粒度的實(shí)例是可獲自 Hoganas AB, Sweden的已知粉末ABC100. 30的粒度，其大約10重量％高于150微米且大 約20重量％低于45微米。鋼粉的含量鉻用于通過固溶硬化增強(qiáng)基質(zhì)。鉻還提高燒結(jié)體的可淬硬性、抗氧化性和耐磨性。 但是，高于2. 0重量％的鉻含量會(huì)降低鋼粉的可壓縮性，并導(dǎo)致更難形成鐵素體/珠光體微 結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，從可壓縮性的角度看，最大含量為大約1.8重量％，更優(yōu)選1.5重量％。低 于0. 4重量％的Cr含量對(duì)所需性質(zhì)具有不明顯的作用。鉻含量優(yōu)選為至少0. 5重量％。錳與鉻一樣，提高該鋼粉的強(qiáng)度、硬度和可淬硬性。高于0. 8重量％的含量會(huì)提 高該鋼粉中含錳夾雜物的形成，也由于固溶硬化和提高的鐵素體硬度而對(duì)可壓縮性具有負(fù) 面影響。錳含量優(yōu)選低于0.7重量％，錳含量再更優(yōu)選低于0.6重量％。如果錳含量低于 0.1%,不能獲得所需性質(zhì)，此外，不可能使用回收碎屑，除非在制鋼過程中進(jìn)行特定處理以 減少其含量。由于這些原因，錳含量優(yōu)選為至少0.2重量％，更優(yōu)選0.3重量％。因此，錳 含量應(yīng)該為0. 1至0. 8重量％，優(yōu)選0. 2至0. 7重量％，再更優(yōu)選0. 3至0. 6重量％。還發(fā)現(xiàn)，為了獲得足夠高的可壓縮性，鉻和錳(它們?cè)谝欢ǔ潭壬峡上嗷ソ粨Q)的總量不應(yīng)大于2. 5重量％，優(yōu)選不大于2. 3重量％，最優(yōu)選不大于2. 0重量％。在具有0.4至0.6重量％ Cr的低鉻含量的一個(gè)實(shí)施方案中，通過0. 6至0. 8重 量％、優(yōu)選0. 7至0. 8重量％的相當(dāng)高的錳含量補(bǔ)償?shù)豌t含量。這一實(shí)施方案是有利的，因 為錳比鉻廉價(jià)。在另一實(shí)施方案中，當(dāng)鉻含量為至少0. 7重量％時(shí)，錳含量為最多0. 5重量％，當(dāng) 鉻含量為至少1.0重量％時(shí)，錳含量為最多0.4重量％，優(yōu)選最多0.3重量％。通過具有高 的鉻含量，錳含量可以保持較低，由此盡量降低鋼粉中含錳夾雜物的形成。氧合適地為最多0. 25重量％，以防止與鉻和錳形成氧化物——這會(huì)損害該粉末的 強(qiáng)度和可壓縮性。由于這些原因，氧優(yōu)選為最多0. 18重量％。釩和鎳應(yīng)少于0. 1重量％且銅少于0. 2重量％。這些元素的過高含量對(duì)可壓縮性 具有負(fù)面影響并可能提高成本。鎳的存在也抑制鐵素體形成，由此促成脆的珠光體/貝氏 體結(jié)構(gòu)。鉬應(yīng)該少于0. 1重量％，以防止形成貝氏體以及保持低成本，因?yàn)殂f是非常昂貴的
合金兀素。該鋼粉中的碳應(yīng)該為最多0. 1重量％，氧最多0.25重量％。較高的含量會(huì)不可接 受地降低該粉末的可壓縮性。由于相同原因，氮應(yīng)保持少于0. 1重量％。不可避免的雜質(zhì)的總量應(yīng)少于0. 5重量％，以便不損害該鋼粉的可壓縮性或充當(dāng) 有害夾雜物的前體。鐵基粉末組合物在壓制之前，將鐵基鋼粉與石墨和潤滑劑混合。石墨以該組合物的0. 35至1. 0重 量％的量加入，潤滑劑以該組合物的0. 05至2. 0重量％的量加入。在某些實(shí)施方案中，可 以以最多3重量％的量加入銅粉形式的銅。在另一實(shí)施方案中，可以通過混合在有或沒有 附加銅粉的情況下向該組合物中加入最多5重量％的鎳粉。石墨的量為了提高燒結(jié)部件的強(qiáng)度和硬度，在基質(zhì)中引入碳。碳以石墨形式以該組合物的 0. 35至1. 0重量％的量添加。少于0. 35重量％的量會(huì)導(dǎo)致太低的強(qiáng)度，高于1. 0重量％的 量會(huì)導(dǎo)致過度形成碳化物，從而產(chǎn)生太高的硬度、不足的伸長和損害機(jī)械加工性。如果在燒 結(jié)或鍛造后用包括滲碳的熱處理法熱處理該部件，添加的石墨量可以少于0. 35%。銅的量銅是粉末冶金技術(shù)中常用的合金元素。銅會(huì)通過固溶硬化提高強(qiáng)度和硬度。銅也 促進(jìn)燒結(jié)過程中燒結(jié)頸的形成，因?yàn)殂~在達(dá)到燒結(jié)溫度之前熔融，以提供比固態(tài)燒結(jié)快得 多的所謂的液相燒結(jié)。在某一實(shí)施方案中，銅可以以最多3重量％的量添加。鎳的量鎳是粉末冶金技術(shù)中常用的合金元素。鎳會(huì)通過固溶硬化提高強(qiáng)度和硬度。鎳還 在燒結(jié)過程中增強(qiáng)燒結(jié)頸。在某一實(shí)施方案中，鎳可以以最多5重量％的量添加。潤滑劑的量向該組合物中加入潤滑劑以利于壓制和該壓制部件的推出。添加少于該組合物的 0. 05重量％的潤滑劑具有不明顯的作用，添加高于該組合物的2重量％會(huì)造成壓制體的太 低密度。潤滑劑可選自金屬硬脂酸鹽、蠟、脂肪酸及其衍生物、具有潤滑作用的低聚物、聚合 物和其它有機(jī)物。
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其它物質(zhì)可以加入其它物質(zhì)，例如硬相材料和機(jī)械加工性增強(qiáng)劑，例如MnS、M0S2、CaF2、不同 種類的礦物等。燒結(jié)將該鐵基粉末組合物轉(zhuǎn)移到模具中，并施以大約400至2000MPa的壓制壓力至高 于大約6. 75克/立方厘米的生坯密度。將所得生坯部件進(jìn)一步在還原氣氛中在大約1000 至1400°C、優(yōu)選大約1100至1300°C的溫度燒結(jié)。后饒結(jié)處理可以通過熱處理，包括以受控冷卻速率冷卻，對(duì)該燒結(jié)部件施以硬化過程以獲得 所需微結(jié)構(gòu)。該硬化法可包括已知方法，例如表面硬化、氮化、感應(yīng)硬化等。在熱處理包括 滲碳的情況下，添加的石墨量可以少于0.35%?；蛘撸梢詫?duì)該燒結(jié)部件施以鍛造操作以達(dá)到全密度。在部件溫度為大約500至 1400°C時(shí)，鍛造操作可以直接在燒結(jié)操作后進(jìn)行，或者在燒結(jié)部件的冷卻后進(jìn)行，然后在鍛 造操作之前將該冷卻部件再加熱至大約500至1400°C的溫度?？梢允褂闷渌愋偷暮鬅Y(jié)處理，例如表面輥軋或噴丸硬化，其引入壓縮殘余應(yīng) 力以提高疲勞壽命。制成部件的件質(zhì)本發(fā)明提供了用于制造燒結(jié)部件的新型鐵基預(yù)合金粉末，該燒結(jié)部件具有與由含 有更高的合金元素總量和更昂貴的合金元素(例如鎳和鉬)的擴(kuò)散結(jié)合粉末獲得的相應(yīng)值 相當(dāng)?shù)睦鞆?qiáng)度和伸長。本發(fā)明尤其提供了鉻和錳預(yù)合金化的鐵基粉末、含有該粉末的組 合物、以及由該粉末組合物制成的壓制和燒結(jié)部件。該壓制和燒結(jié)部件表現(xiàn)出高于2%的伸 長值以及大約500MPa的屈服強(qiáng)度。該微結(jié)構(gòu)是珠光體或珠光體/鐵素體。
實(shí)施例由鋼熔體的水霧化制造各種預(yù)合金化鐵基鋼粉1至5。將所得的未加工粉末進(jìn)一 步在氫氣氛中在1160°C退火，然后溫和研磨以使燒結(jié)粉末塊崩解。粉末粒度低于150微米。 表1顯示不同粉末的化學(xué)組成。粉末6是DISTALOY AB,可獲自HdganSs, Sweden并基于 高純霧化粉末ASC100. 29 (純鐵)的商業(yè)擴(kuò)散合金粉末。表 1 表1顯示了本發(fā)明的鋼粉和參比材料的化學(xué)組成。將所得鋼粉1至5與分別為該組合物的0. 5重量％和0. 7重量％的可獲自 Kropfmuhle, Germany 的石墨 UF4 和 0. 8%可獲自H6gan3s AB，Sweden 的 Amide wax PM 混
口 O粉末4在本發(fā)明的界限外，與0. 11重量％釩合金化，并且具有0. 03重量％的錳含 量。粉末5的錳含量和鉻含量都低于本發(fā)明的界限?；贒ISTALOY AB的參比混合物(粉末6)也是優(yōu)選的。在這種情況下，制成的組 合物含有0.5%的石墨和0.8%的Amide Wax PM。將所得粉末組合物轉(zhuǎn)移到模頭中，并在600MPa的壓制壓力下壓制形成拉伸試驗(yàn) 條。將該壓制的試驗(yàn)條在1120°C的實(shí)驗(yàn)室?guī)綘t中在90%氮和10%氫的氣氛中進(jìn)一步燒 結(jié)30分鐘。根據(jù)ASTME9-89C測(cè)試該燒結(jié)樣品的拉伸強(qiáng)度和伸長，根據(jù)EN IS06507-1測(cè)試硬 度HV10。也分析樣品的碳和氧含量。根據(jù)Em0045_l測(cè)試沖擊能量。下表2顯示了石墨的添加量、來自化學(xué)分析的結(jié)果和來自拉伸和硬度測(cè)試的結(jié)
果 ο表 2 表2顯示了添加到該組合物中的石墨量、制成的樣品的分析C和0含量、以及來自制成的樣品的拉伸試驗(yàn)和硬度測(cè)試的結(jié)果。加入0.7%石墨時(shí)，基于粉末1、2的樣品在屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、伸長和硬度方面 表現(xiàn)出和與0.5%石墨粉混合的DISTALOY AB相當(dāng)或更好的值。沖擊能量略低，但仍足夠 高，粉末1略好于粉末2。加入0.5%石墨時(shí)，基于粉末3的樣品在屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、伸長和方面表現(xiàn)出 和與0. 5%石墨粉混合的DISTALOY AB相當(dāng)或更好的值。沖擊能量和硬度也與DISTALOY AB相當(dāng)。對(duì)于基于粉末4的樣品，在相當(dāng)?shù)睦鞆?qiáng)度下，伸長和沖擊能量遠(yuǎn)低于DISTALOY AB的值。對(duì)于基于粉末5的樣品，可以看出，沖擊能量和伸長隨著碳含量提高而降低，如果 添加高得多的石墨以將拉伸強(qiáng)度提高至與DISTALOY AB相當(dāng)?shù)乃?，則低得更多。
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權(quán)利要求
水霧化的預(yù)合金化鐵基鋼粉，按重量％計(jì)，其包含0.4至2.0的Cr，0.1至0.8的Mn，少于0.1的V，少于0.1的Mo，少于0.1的Ni，少于0.2的Cu，少于0.1的C，少于0.25的O，少于0.5的不可避免的雜質(zhì)，且余量是鐵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的粉末，其中Cr含量為最多1.8重量％，優(yōu)選最多1.5重量％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的粉末，其中Cr含量為至少0.5重量％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)的粉末，其中Mn的含量為至少0.2重量％，優(yōu)選至少0. 3重量％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)的粉末，其中Mn的含量為最多0.7重量％，優(yōu)選最多0. 6重量％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)的粉末，其中鉻和錳含量的總和少于2.5重量％，優(yōu)選少 于2.3重量％，最優(yōu)選少于1.9重量％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的粉末，其中Cr含量為0.4至0. 6重量％，且Mn含量為0. 6至0. 8 重量％，Mn含量優(yōu)選為0. 7至0. 8重量％。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的粉末，其中Cr含量為至少0.7重量％，且Mn含量為最多0. 5重 量％。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的粉末，其中Cr含量為至少1.0重量％，且Mn含量為最多0. 4重 量％，優(yōu)選最多0. 3重量％。
10.鐵基粉末組合物，其包含與下述材料混合的根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)的鋼粉該 組合物的0. 35至1重量％的石墨、該組合物的0. 05至2重量％的潤滑劑、任選地最多3% 的量的銅、和任選地硬相材料和機(jī)械加工性增強(qiáng)劑。
11.制造燒結(jié)部件的方法，包括下述步驟a)制備具有權(quán)利要求10中所述的組成的鐵基鋼粉混合物，b)對(duì)該組合物施以400至2000MPa的壓制，c)在還原氣氛中在1000至1400°C的溫度燒結(jié)所得生坯部件，d)任選地，在高于500°C的溫度鍛造所述經(jīng)加熱的部件，或?qū)λ脽Y(jié)部件施以熱處 理或硬化步驟。
12.燒結(jié)部件，其由根據(jù)權(quán)利要求10的粉末組合物制成，具有珠光體/鐵素體微結(jié)構(gòu)。
全文摘要
水霧化的預(yù)合金化鐵基鋼粉，按重量％計(jì)，其包含0.4至2.0的Cr、0.1至0.8的Mn、少于0.1的V、少于0.1的Mo、少于0.1的Ni、少于0.2的Cu、少于0.1的C、少于0.25的O、少于0.5的不可避免的雜質(zhì)，且余量是鐵。
文檔編號(hào)C22C33/02GK101925683SQ200880125653
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2008年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者O·利特斯特倫, O·貝格曼, R·弗呂克霍爾姆, S·本特松 申請(qǐng)人:霍加納斯股份有限公司