專利名稱：由高合金鋼粉生產(chǎn)燒結(jié)坯塊的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明基于由高合金鋼粉末生產(chǎn)燒結(jié)坯塊的工藝。在此工藝中，鋼粉被加熱到燒結(jié)溫度，并保持該燒結(jié)溫度到預(yù)定的時間，然后使所形成的燒結(jié)坯塊冷卻。
本發(fā)明參考了先有技術(shù)，例如在《金屬手冊》(Metals Handbook)第九版第7卷《粉末冶金》(Powder Metallurgy)第360-361頁中所指出的先有技術(shù)。在該先有技術(shù)中描述了一種生產(chǎn)燒結(jié)坯塊的工藝，其中在接近所用鋼粉熔點的溫度下將預(yù)壓坯鋼粉得到的生坯塊壓實以獲得一種燒結(jié)坯塊。為了得到一種壓實到假想的100%的理論上可達到密度的燒結(jié)坯塊，通常需要采用熱等靜壓法對該燒結(jié)坯塊進行后壓坯。但是，燒結(jié)和熱等靜壓所要求的高溫和長時間一方面會引起鋼粉脫碳，因而使其機械性能和化學(xué)性能產(chǎn)生相當大的變化，另一方面，會使粒度快速增大從而產(chǎn)生對該燒結(jié)坯塊標的性能所不理想的結(jié)構(gòu)。
在《粉末冶金進展》(Progress in Powder Metallurgy)第42卷(1986)，267-281頁中也敘述了硼是鐵粉的燒結(jié)助劑。這是由于如下事實極少量的硼溶解于鐵中以及在鐵粉細粒的邊界形成了會影響鐵粉改進燒結(jié)的含有FeB或FeB2的液相。
從P.Ernst的論文《Effecf of boron on the mechanical properties of modified 12% chromium steels》(硼對改進的12%鉻鋼機械性能的影響)ETH NO.8596(1988)也可得知少量的硼能顯著改善澆鑄抗蠕變鉻鋼的蠕變性能。
如專利權(quán)利要求1所定義的本發(fā)明所依據(jù)的目的是指出一種由高合金鋼粉生產(chǎn)燒結(jié)坯塊的工藝，該工藝可在盡可能低的溫度下生產(chǎn)出具有良好機械性能和化學(xué)性能的高密度燒結(jié)坯塊，尤其在高達600℃的溫度范圍時。
按照本發(fā)明的工藝的特征在于基于高合金馬氏體鋼粉的極密實的燒結(jié)坯塊可通過比較容易實施的技術(shù)措施來生產(chǎn)。就其機械性能和化學(xué)性能而言，尤其在高達600℃的溫度范圍時，這些燒結(jié)坯塊可以和按照先有技術(shù)方法生產(chǎn)的燒結(jié)坯塊相比較，然而，它們在其后也必須進行熱等靜壓以便達到相應(yīng)的密度。本發(fā)明的工藝是基于如下的發(fā)現(xiàn)在鋼粉中添加硼可以在比較低的溫度下產(chǎn)生一種極密實的燒結(jié)坯塊而無需進行其后的熱等靜壓步驟，尤其是，如果所添加的硼在燒結(jié)之前均勻地分布于該鋼粉中的話，更是如此。此外，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，采用這種工藝時，盡管存在具有較高分壓的合金成分，例如鉻或錳，然而在燒結(jié)過程中鋼粉的化學(xué)組成不會發(fā)生變化。
下面借助附圖來說明本發(fā)明的一個較好的說明性的具體實施方案。


以〔%〕表示的密度d(A)與d(B)和以〔毫米〕表示的粒度g(A)與g(B)對按本發(fā)明工藝生產(chǎn)的燒結(jié)坯塊A和按先有技術(shù)生產(chǎn)的燒結(jié)坯塊B的燒結(jié)時間t(分)的依賴關(guān)系。
用于生產(chǎn)這兩種燒結(jié)坯塊A和B的起始合金是型號為SS422的高合金鋼粉，按德國的名稱為X20 CrMoV121，較好是在一種氣體氣氛中用霧化法生產(chǎn)的。這種鋼粉的化學(xué)組成如下成分 含量%(重量)C 0.19Cr 13.30Mo 1.02V 0.31Mn 0.32Ni 0.63Si 0.35Fe 其余磷、硫、氧和氮的含量在每種情況下都小于0.05%(重量)。
這種合金的結(jié)構(gòu)以馬氏體占優(yōu)勢，并含少量比例的δ-鐵素體和奧氏體。粉末顆粒的平均粒度為小于25微米。由這種材料生產(chǎn)的鑄件的特點是在約500℃經(jīng)熱處理后其0.2蠕變極限高達約1200兆帕，在700℃經(jīng)熱處后在高達600℃的溫度下具有高的抗蠕變性。由于鉻含量高，這種合金非常耐腐蝕，因而特別適用于制造暴露于高溫的耐腐蝕部件，例如，特別是蒸汽透平機的葉片。
機械性能和化學(xué)性能相當?shù)?，但組成稍有不同，如鉻含量在10-15%之間的合金也可用來代替上述合金，用于按本發(fā)明的工藝生產(chǎn)燒結(jié)坯塊。
除了鋼粉之外，含硼的粉末也可用作起始材料。這種粉末可包含元素硼和/或硼化合物，例如，特別是硼化鐵。其平均粒度例如可以約為1微米，但也可有利地選擇較大的粒度。尤其如果要使鋼粉和含硼粉末比較快地互相混合，而含硼顆粒又不致產(chǎn)生結(jié)塊的話，具有較大顆粒，例如尺寸為10或20微米顆粒的粉末是有利的。在含硼粉末的顆粒較小的情況下，在混合過程中將含硼粉末與鋼粉碾磨在一起是有利的，因為這樣做可以避免含硼顆粒的結(jié)塊從而達到含硼顆粒在鋼粉中的均勻分布。通過霧化，特別是在一種氣體氣氛中霧化把硼加入到鋼粉中也是非常可取的，因為這樣就可以使硼在鋼粉中的分布特別均勻，此外，還可以完全排除引入雜質(zhì)的危險。這種霧化可以特別有利地與鋼粉生產(chǎn)合并進行，如果該鋼粉是由起始合金的霧化來生產(chǎn)的話。
又一種可以使用的原料是粒度小于150微米的石墨粉。如果在霧化過程中起始合金不含碳或僅含極少量碳的話，這是特別有利的。
將至少99.5%(重量)鋼粉、至多0.3%，較好0.1-0.2%(重量)含硼粉末和至多0.1%，較好0.05%(重量)石墨粉置于一混合機中一起旋轉(zhuǎn)約30分鐘。然后將該混合物分批(每批約25克粉末)裝進尺寸為約50×15×15(毫米)的長方形模具中。將松散地倒入了粉末的填充模具引入到裝有一根鎳鋼管的燒結(jié)爐中供預(yù)燒結(jié)用。將處于大氣壓之下且最好含有氬氣的一種燒結(jié)氣體送進爐中。將裝有這些模具的燒結(jié)爐以每分鐘約5℃的速率加熱到約1000℃，并保持此溫度約半小時，然后以每分鐘約5℃的速率冷卻至室溫。未添加硼的預(yù)燒結(jié)批料的密度為理論可達密度的61.5%(4.76克/厘米3)，而含有0.2%(重量)添加硼的預(yù)燒結(jié)批料的密度則為理論可達密度的64.5%(4.99克/厘米3)。
從該預(yù)燒結(jié)批料切下尺寸為20×10×10(毫米)棱柱形坯塊，并將這些坯塊置于可被抽真空且裝有一根氧化鋁管子的燒結(jié)爐中于1300-1380℃之間的溫度在真空和/或一種氣體氣氛中，最好在含有氬氣的氣氛中燒結(jié)至多5小時的時間。
在該操作中加熱和冷卻的速率至多為每分鐘20℃。在該操作過程中，燒結(jié)時從鋼粉中揮發(fā)掉的碳通過添加石墨粉基本上得以補償。這種補償也可以通過在溫度高于，例如1200℃的燒結(jié)期間供入含有一氧化碳的燒結(jié)氣體來實現(xiàn)。然后使鋼粉在低于約1200℃的溫度摻碳。然后在高于約1200℃的溫度發(fā)生脫碳。如果在冷卻所生成的燒結(jié)坯塊時，在約1200℃的溫度使用一種惰性氣體作為燒結(jié)氣體或使用真空的話，那么通過對供入的氣體進行適當?shù)挠嬃坎⒖刂七m當?shù)臅r間，就可以使燒結(jié)坯塊中的碳含量相當于鋼粉中的碳含量。燒結(jié)坯塊的密度是根據(jù)阿基米德原理測定的，其結(jié)構(gòu)粒度是借助于顯微照相術(shù)來測定的。
在附圖中，對保持在約1320℃燒結(jié)溫度的燒結(jié)坯塊A和B的密度d(A)和d(B)與粒度g(A)和g(B)進行互相比較。按照本發(fā)明工藝所生產(chǎn)的燒結(jié)坯塊A含有上面所述的鋼粉和0.2%(重量)的硼;另一方面，按照先有技術(shù)生產(chǎn)的燒結(jié)坯塊B則只含有鋼粉。正如從曲線d(A)可以看到的那樣，加入少量的硼，在1320℃燒結(jié)1小時之后，就已經(jīng)制得了實際上100%壓坯的，即實際上無孔的燒結(jié)坯塊A，與此相比，相應(yīng)壓坯但未加硼的燒結(jié)坯塊，按照曲線d(B)，只壓坯到96-97%。其實，對燒結(jié)坯塊A的結(jié)構(gòu)所測得的粒度為約50-60微米，這似乎比燒結(jié)坯塊B的粒度大一些，但是，必須考慮到燒結(jié)坯塊B必須在1000-1200巴的壓力下和1100-1250℃的溫度用熱等靜壓法進行后壓坯，以便獲得可以和燒結(jié)坯塊A比較的密度。然而，在后壓坯時會生成比較粗大的顆粒結(jié)構(gòu)。
與按照先有技術(shù)生產(chǎn)的燒結(jié)坯塊相比，按照本發(fā)明工藝生產(chǎn)的燒結(jié)坯塊的某些機械性能，如抗蠕變性有顯著提高，而其它機械性能，特別是用作蒸汽透平機葉片時的重要性能，如韌性及耐腐蝕性仍能保持。
極為重要的是，在實施本發(fā)明的工藝時硼在鋼粉中應(yīng)呈特別均勻分散的形式，因為在鋼粉中某些部位聚集的含硼粉末在燒結(jié)時會按另一種方式擴散進入鋼中，并在以后留下所不希望的微孔。
如果燒結(jié)開始時在真空下進行，然后在一種惰性氣體氣氛中，較好是在含有氬氣的氣氛中進行的話，就可制得特別密實的燒結(jié)坯塊。同時，采用這種燒結(jié)步驟還可大大避免鋼粉成分的實質(zhì)性蒸發(fā)和由此而產(chǎn)生的與起始原料重量相比的燒結(jié)坯塊的重量損失。此外，一旦燒結(jié)塊的微孔不再與表面接觸就馬上用氬氣回充真空，這樣，由于微孔(真空)和爐中氣氛(大于1巴的氬氣)之間的壓差的結(jié)果，就實現(xiàn)了進一步的壓坯。
權(quán)利要求
1.由高合金鋼粉末生產(chǎn)燒結(jié)坯塊的工藝，在該工藝中鋼粉被加熱到燒結(jié)溫度，并保持該燒結(jié)溫度到預(yù)定的時間，然后使所形成的燒結(jié)坯塊冷卻，其特征在于把呈元素形式或呈化合物形式的硼添加到馬氏體鋼粉中作為燒結(jié)助劑而且所添加的硼在燒結(jié)之前均勻地分散在該鋼粉中。
2.按照權(quán)利要求1的工藝，其特征在于硼是以粉末形式添加的，而且在燒結(jié)之前鋼粉和含硼粉末被碾磨在一起。
3.按照權(quán)利要求1的工藝，其特征在于硼是在鋼粉生產(chǎn)時用霧化法添加的。
4.按照權(quán)利要求1至3中任一項的工藝，其特征在于至多添加0.3%(重量)的硼。
5.按照權(quán)利要求3的工藝，其特征在于較好是添加0.1-0.2(重量)的硼。
6.按照權(quán)利要求1至5中任一項的工藝，其特征在于在鋼粉中除了硼之外，還添加至多0.1%(重量)，較好約0.05%(重量)的碳。
7.按照權(quán)利要求1至5中任一項的工藝，其特征在于燒結(jié)操作至少是暫時在真空下進行。
8.按照權(quán)利要求7的工藝，其特征在于在鋼粉中微孔封閉之后，在氣體氣氛中較好在含有氬氣的氣氛中完成燒結(jié)。
9.按照權(quán)利要求8的工藝，其特征在于所用的鋼粉是型號為X20CrMoV121的鉻鋼。
10.按照權(quán)利要求9的工藝，其特征在于燒結(jié)是在約1300-1380℃進行的。
全文摘要
本工藝用于由高合金鋼粉末生產(chǎn)燒結(jié)坯塊。在該工藝中鋼粉被加熱到燒結(jié)溫度并保持該燒結(jié)溫度到預(yù)定時間，然后使所形成的燒結(jié)坯塊冷卻。本工藝的目的是在盡可能低的溫度下生產(chǎn)一種尤其在高達600℃的溫度范圍具有良好機械性能和化學(xué)性能的高密度燒結(jié)坯塊，通過在馬氏體鋼粉末中添加元素形式或化合物形式的硼作為燒結(jié)助劑并且在燒結(jié)之前使添加的硼均勻分散在該鋼粉中就達到了本工藝的目的。
文檔編號C22C33/02GK1076149SQ9310231
公開日1993年9月15日 申請日期1993年3月9日 優(yōu)先權(quán)日1992年3月9日
發(fā)明者P·厄恩斯特, C·特恩尼斯 申請人:亞瑞亞·勃朗勃威力有限公司