烧结硬化原料粉末及其烧结体的制作方法

专利名称：：烧结硬化原料粉末及其烧结体的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种烧结硬化原料粉末，特别是涉及一种用于通过金属注射成形(metalinjectionmolding,MIM)工艺或压制烧结(press-and-sinter)工艺使在烧结零件中具有高硬度、高强度和高密度的特性。
背景技术：
：为了获得高硬度和高强度，大多数烧结零件需要热处理(例如淬火(quenching))以便形成马氏体(martensite)。然而，当执行淬火时，可能会由于当零件从奥氏体(austenite)转换到马氏体时的体积膨胀或由于淬火处理的快速冷却引起的热应力而发生例如变形、尺寸不一致或破裂等若干问题。另外，对零件执行热处理引发了额外的成本。因此，在压制烧结工艺中可通过将碳和例如钼、镍、锰和铬的高可硬化性(hardenability)合金元素添加到铁粉末，来形成烧结硬化粉末，再通过常规压制工艺压出生坯(greencompact)，且随后将生坯烧结后以快速的冷却速率将烧结零件冷却成具有高于HRC30的硬度的成品。通过此方法产生的合金的实例是来自赫格纳斯(Hoeganaes)公司的Ancorsteel737SH(Fe-0.42Μη_1·40Ν-1.25Μο_0·5C)和Ancorsteel4300(Fe-lCr-lNi-0.8Μο_0·6Si_0.IMn-O.5C)粉末以及来自魁北克金属粉末有限公司(QuebecMetalPowdersLimited)的ATOMET4701(Fe-0.45Mn_0.90Ν-1.OOMo-O.45Cr_C)。由这些粉末制成的组件需要在烧结炉中以至少每分钟30°C进行冷却，以便产生马氏体。第5，682，588号美国专利中揭示另一烧结硬化粉末，其涉及通过将1到3重量百分比的Ni、l到2重量百分比的铜(Cu)和石墨粉末添加到具有由3到5重量百分比的镍(Ni)、0.4到0.7重量百分比的钼(Mo)且其余为铁(Fe)组成的预合金粉末而产生的粉末混合物。将所主张的粉末进行压制，在1130-1230°C之间烧结，且随后以5-20°C/分的速率冷却以获得烧结硬化效果。这可通过降低如先前提到的工艺中所述的30°C/分的最小冷却速率而改进工艺。然而，这些烧结硬化粉末的强度和其它性质，尤其是延展性和韧性，仍不令人满意。金属粉末工业联合会(MetalPowderIndustriesFederation,MPIF)亦陈述了用于压制烧结工艺的烧结硬化合金的若干材料标准，实例是FLNC-4408(1.0-3.0重量百分比的Ni、0.65-0.95重量百分比的Mo、1.0-3.0重量百分比的Cu、0.05-0.3重量百分比的锰(Mn)、0·6-0.9重量百分比的碳(C)，且其余部分是铁(Fe))和FLC2_4808(1.2-1.6重量百分比的Ni、1.1-1.4重量百分比的Mo、1.0-3.0重量百分比的Cu、0.3-0.5重量百分比的Mn、0.6-0.9重量百分比的C，且其余部分是Fe)预合金型低合金钢粉末。在烧结和回火之后，烧结硬化FLC2-4808钢可达到7.2g/cm3密度下1070MPa的拉伸强度和HRC40的硬度，但延展性小于1.0%。可烧结硬化的预合金钢的另一标准是FL-5305(Fe-3Cr-0.5Mo-0.5C)，其可达到7.3g/cm3的密度下IlOOMPa的拉伸强度和HRC33的硬度，但延展性小于1.0%。尽管这些压制烧结合金是烧结硬化类型，但机械性质不令人满意，且所需的冷却速率仍非常快，至少为30°C/分。因此，在烧结炉中必须安装额外的高冷却速率系统。另外，尽管所需冷却速率比油或水的淬火速率慢，但这些高冷却速率仍足够快而引起例如变形、尺寸不一致和淬火裂纹等问题。因此，仍非常需要一种新的烧结硬化合金，其可产生高硬度、高强度、高密度和良好延展性，且允许较慢冷却速率的使用。金属注射成形(metalinjectionmolding，MIM)工艺是产生具有高密度和复杂形状的烧结零件的制造方法。在此工艺中，用具有小于30μm的平均粒径的混合粉末或预合金粉末与粘结剂混练。将经混练材料注射成形为生坯，随后将生坯中粘结剂去除并烧结。由于粉末平均粒径小，扩散距离较短，因此在烧结之后可在基质中容易均质化所添加的合金元素。因此，从微细粉末烧结的零件比通常使用具有50μπι与IOOym之间的平均粒径的粉末的传统压制烧结零件的机械性质好。目前，通常用于金属注射成形的合金是Fe-Ni-Mo-C合金系列，实例是ΜΙΜ-4605(1.5-2.5重量百分比的Ni、0.2-0.5重量百分比的Mo、0.4-0.6重量百分比的C、<1.0重量百分比的硅(Si)，其余部分是Fe)，在烧结之后，此合金达到440MPa的拉伸强度、HRB62的硬度和15%的延展性。为了获得较高的抗张强度和硬度，必须对烧结的产品进行淬火和回火。其随后达到1655MPa的抗张强度、HRC48的硬度和2.0%的延展性。其具有根据MPIF标准的最高强度。尽管金属注射成形产品可通过烧结之后的热处理获得优异的机械性质，但热处理的成本和由于淬火带来的不良品损失增加了总生产成本。因此，需要通过使用烧结硬化粉末来改进烧结体的竞争力。然而，根据金属粉末工业联合会标准，没有为金属注射成形产品列出烧结硬化合金。而且，到目前为止揭示的专利很少是关于可获得与经淬火和回火后坯体的强度、硬度和密度类似的烧结硬化粉末。尽管没有烧结硬化MIM标准，但已有针对金属注射成形工艺揭示了并非烧结硬化等级的若干钢粉末。特定来说，第7，163，569号美国专利揭示了一种雾化预合金粉末，其可产生具有均勻机械性质和尺寸的产品。组成包括0.8重量百分比或0.8重量百分比以下的C、0.05到1.0重量百分比的SiU.0重量百分比或1.0重量百分比以下的Μη、0·15到1.0重量百分比的铌(Nb)和1.0到10.0重量百分比的Ni，且进一步含有2.0重量百分比或2.0重量百分比以下的铬(Cr)、3.0重量百分比或3.0重量百分比以下的Mo、3.0重量百分比或3.0重量百分比以下的Cu和0.05重量百分比或0.05重量百分比以下的钛(Ti)中的至少一种元素。这种预合金粉末连同FLNC-4408和FLC2-4808中指定的那些预合金粉末通常乃通过气雾化或水雾化而制成，且在合金元素的分布均勻性较关键时使用。一种广泛使用的预合金粉末是不锈钢，其中M和Cr的分布必须均勻，使得在零件的所有表面上可获得良好的耐腐蚀性。另一实例是工具钢(例如D2钢)，其中Cr、Mo、钒(V)、Co和C的分布必须均勻，使得碳化物可均勻分散在基质中以提供良好的耐磨性。然而，微细雾化粉末的生产成本昂贵，因为仅可使用如此雾化粉末的一小部分。另一缺点是在制造具有特定组成的合金时缺乏灵活性。为了制造具有此类顾客设计的成分的零件，必须向粉末供应商发出针对具该成分预合金粉末的特别订单，其通常意味着较长的等待时间，延迟了最终烧结产品的交付。相比之下，当使用混合粉末时，可通过将例如Ni、Mo、Cr的少量元素粉末与基础铁粉末混合而制成具有特定组成的合金。由于添加的合金元素的量较小，因此堆积这些合金粉末的库存成本也较低。此外，尽管预合金粉末提供了均质合金，但当在制作常规压制烧结产品中使用压制方法时，此预合金效应会引起不良的压缩性和对工具的严重磨损。在MIM工艺中，由于预合金粉末的较高硬度对混练机、注射成形机器和模具也会造成严重的磨损。在合金设计原理中，预合金粉末与混合粉末之间也存在又一差异，制作预合金粉末时所需要的一些元素可能在混合粉末中并不需要。举例来说，当使用雾化工艺时，在熔化期间通常会添加一些Mn和Si，以减少铁水中的氧含量且便利雾化期间的熔体流动。这也是为何工艺中涉及熔化的大多数合金含有Mn和/或Si的原因之一。然而Mn和Si的添加在粉末混合物中是不需要的，因为Mn和Si两者容易在烧结期间氧化，除非将露点谨慎控制到非常低的水平。此外，合金元素的添加量也是不同的，因为对粉末混合物需要稍微较高量的合金元素。原因在于在实践中在烧结期间无法获得完全的均质化。这些实例证明在设计混合粉末和预合金粉末的合金组成时存在不同的准则。由于使用预合金粉末的这些缺点，通常仅用预合金粉末制造不锈钢、工具钢以及需要完全均质合金的某些其它特种合金。大多数MIM合金钢是用混合元素粉末制成，其包括铁粉末作为基础粉末且元素粉末或预合金粉末作为合金粉末。而且，大多数需要高压坯密度的压制烧结零件是用高可压缩性粉末制成，本发明采用元素粉末或较软的铁合金粉末作为基础粉，例如Fe-M0、Fe-Cr或Fe-Cr-Mo粉末，其含有极少的碳及镍，因为含碳及镍多的铁合金粉末其压缩性差，一般碳及镍的含量低于0.1百分重量比。目前存在一些具有与本发明的组成类似的压制烧结和MIM合金。为了获得改进的拉伸强度而没有不适当的延展性损失，马歇尔(Marshall)等人在第1009425号英国专利中揭示一种金属粉末混合物，可由其制成烧结钢物件，其组成包括1-4.9重量百分比的Ni、0.1到2重量百分比的Μη、0.1-5重量百分比的Mo、0.1_1重量百分比的C，且其余的是铁加上通常的杂质。其进一步揭示多达5重量百分比的铁可由一种或一种以上其它元素代替，所述元素不会不利地影响烧结零件的拉伸强度和延展性。所述元素的种类以及上限包含1重量百分比的铝(Al)、0.3重量百分比的硼(B)、5重量百分比的Cr、5重量百分比的Cu、l重量百分比的镁(Mg)、4重量百分比的Nb和/或Ta、0.3重量百分比的磷(P)、l重量百分比的Si、2重量百分比的Ti、4重量百分比的钨(W)、0.3重量百分比的V、0.6重量百分比的Zr、0.6重量百分比的Se和0.5重量百分比的Pb。为了获得此组成的完全优点，第1009425号英国专利还陈述了应使用混合粉末代替预合金粉末，因为可获得显着、更好的机械性质。基础粉末是具有大约50μm的平均粒度的粗铁粉末。为了制造烧结组件，将混合粉末压制、去除粘结剂并在1200°C-1400°C之间烧结。然而，最佳拉伸强度仅为1200Mpa，乃由使用Fe-4.9Ν-0.5Mn-lMo_0.6C合金而得。第7，163，569号美国专利中描述了与本发明中揭示的粉末类似的另一合金，其提出一种用于烧结的预合金粉末，由于使用预合金粉末，其可产生具有精确尺寸和均勻性质的烧结MIM零件。平均粒度是8微米或8微米以下。然而，预合金粉末具有如上所述的许多缺点，例如低压制生坯密度、低烧结密度、低强度和低硬度。表1展示使用混合粉末和预合金粉末在1190°C和1320°C下Fe-2Ni-0.3C和Fe-8Ni_0.8Cr_0.8Mo_0.5C坯体的密度及未经回火时的硬度。针对Fe-8Ni-0.8Cr-0.8M0-O.5C，在第一组试样中，使用以具有羰基铁粉末作为基础粉末的混合粉末。此混合粉末中所添加的Mo是以元素粉末的方式加入，所添加的Cr是以Fe-Cr-Ni预合金粉末的形式添加入Cr，而Ni—部分是以Fe-Cr-Ni预合金粉末的形式添加，剩下不足部分是以元素粉末的方式加入。此例的试样不添加石墨，因为羰基铁粉末含有碳。第二组试样使用预合金粉末。结果展示在1190°C和1320°C下烧结时通过使用混合粉末获得较高的烧结密度及较高的硬度。特定来说，在1190°C的低温下将羰基铁粉末混合物烧结到7.52g/cm3,而预合金粉末仅7.20g/cm3。针对Fe-2Ni_0.3C，在第一组试样中，使用以具有羰基铁粉末作为基础粉末的混合粉末。此混合粉末中所添加的M是以元素粉末的方式加入，此例的试样也不添加石墨，因为羰基铁粉末含有碳。第二组试样使用预合金粉末。结果展示在1190°C和1320°C下烧结时通过使用混合粉末获得较高的烧结密度及较高的硬度。特定来说，在1190°C的低温下将羰基铁粉末混合物烧结到7.50g/cm3，而预合金粉末仅7.22g/cm3。此实例展示预合金粉末的不良的可烧结性。为了获得高烧结密度，预合金粉末必须在高温下烧结，然而由于高温烧结必须耗费高能量且高温烧结炉昂贵，因此总生产成本高。这已变成主要的缺点，尤其是在能源缺乏的今天。此外，高温烧结会造成较粗大的晶粒，损害机械性质。表1还展示用混合粉末比用预合金粉末获得更高的硬度。此混合粉末的烧结体具有非常均勻的微结构且晶粒细，因为使用了微细的羰基铁粉末，。以上
背景技术：
强调在低烧结温度下烧结且具有高硬度和高密度的MIM坯体需要谨慎选择基础粉末、粉末大小、作为合金用的粉末的类型(即，元素粉末或铁合金粉末)以及高可硬化性合金元素种类等的良好设计组合。即使是熟悉压制实烧结和金属注射成形工艺的技术和实践的人也不容易设计或选择此组合。这是为何存在极少的烧结硬化合金其硬度和强度可与本发明中所获得硬度和强度相当的原因。本发明中获得的性质不需要任何烧结后淬火处理。仅需要在烧结之后回火。表1展示具有预合金粉末和使用羰基铁粉末作为基础粉末的混合粉末的Fe-Ni合金的比较。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>如上文提到，微细粉末的应用改进了合金元素的均勻性和产品的机械性质。然而，由于粉末的不良流动性，传统压制烧结工艺中微细粉末的应用是困难的，其又使得难以将粉末填充到模具腔中，且因此无法使用自动化压制成形。然而，通过将微细粉末颗粒造粒(granulation)成大的球粒，例如通过喷雾干燥(spraydrying)工艺，可克服这些问题，此造粒粉末即可应用于压制烧结工艺中。鉴于上述
背景技术：
，本发明提供一种原料粉末混合物或造粒粉末，通过所述原料粉末混合物或造粒粉末，可在烧结之后无需淬火立即可获得具有高硬度、高强度和高烧结密度的烧结坯体。
发明内容由于基础粉末的谨慎选择与合金元素类型与最优量的谨慎选择的组合，本发明解决了上文提到的问题。本发明的粉末混合物或造粒颗粒状粉末使用元素铁粉末(例如，雾化、还原或羰基铁粉末)作为基础粉末。平均粒度是20μπι或20μπι以下。合金元素包含0.1-0.8重量百分比的C、5.0-12.0重量百分比的Ni、0.1-2.0重量百分比的Cr、0.1-2.0重量百分比的Mo。以上组成可进一步含有5.0重量百分比或5.0重量百分比以下的量的至少一种其它次要强化元素。强化元素可选自由Cu、Mn、Si、Ti、Al和P组成的群组。可通过添加石墨或碳黑或者使用含碳的羰基铁粉末来提供碳。所述混合粉末适合用于MIM烧结体的制造。所述造粒颗粒状粉末适合用于压制烧结坯体的制造。此外，本发明通过使用粉末混合物或造粒颗粒状粉末提供烧结坯体。可在烧结炉中以3-30°C/分的正常炉冷冷却速率烧结硬化所述坯体而无需快速冷却，其它一般烧结硬化粉末却需要所述快速冷却。本发明的烧结坯体不需要任何淬火处理，。仅需要低温回火即可以获得最优机械性质。具有由上文提到的烧结硬化粉末所制的烧结主体具有史无前例的硬度、拉伸强度和良好的延展性。由于不需要淬火工艺，因此制造成本较低，。且由于在淬火期间发生的例如裂纹和变形的缺陷的消除，本发明可获得较高的生产良率。考虑到例如上文针对压制烧结和金属注射成形产品描述的常规问题，实现本发明可解决这些问题。本发明提供原始粉型(rawpowder)的烧结硬化粉末或造粒粉型(granultedpowder)的烧结硬化粉末用于烧结，烧结后的坯体可以在慢冷却速率冷却的情况下同时实现高强度、高硬度和高密度且无需任何淬火处理。特定来说，本发明涉及一种粉末混合物和造粒颗粒状粉末，其使用微细铁粉末作为基础粉末(例如，雾化、还原或羰基铁粉末)，其平均粒度为20μm或20μm以下。合金元素包含0.1到0.8重量百分比的C、5.0到12.0重量百分比的Ni、0.1到2.0重量百分比的Cr以及0.1到2.0重量百分比的Mo。所述粉末可进一步含有2重量百分比或2重量百分比以下的Cul重量百分比或1重量百分比以下的Ti、l重量百分比或1重量百分比以下的Al、l重量百分比或1重量百分比以下的Mrul重量百分比或1重量百分比以下的Si以及1重量百分比或1重量百分比以下的P中的至少一种元素，其中多达5重量百分比的铁含量可由这些元素中的一者或一者以上代替。以此粉末制成的坯体可烧结且随后以慢冷却速率进行炉冷却，且仍获得大于HRC30的硬度。应了解，上述一般描述和以下具体实施方式仅仅是示范性和解释性的，且不限制所主张的本发明。图1绘示当Cr含量增加时，通过使用金属注射成形工艺且使用微细羰基铁粉末制成的烧结坯体的硬度首先增加，在大约0.7重量百分比时达到最大值，且随后减小。图2绘示当Cr含量增加时，通过使用压制烧结工艺且使用粗铁粉末制成的烧结坯体的硬度首先增加，在大约3重量百分比时达到最大值，且随后减小。具体实施例方式为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的烧结硬化粉末及其烧结体其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。为了经济地制造具有高强度、高硬度和高密度的烧结硬化坯体，必须同时满足用于原料粉末的若干准则。这些准则包含(a)含有具有高可硬化性的元素，(b)以微细粉末为基础粉，使得可在烧结之后获得高密度和合金元素的良好均质性，以及(c)含有最优量和比率的元素，使具高可烧结性，并得以使用低烧结温度即可获得高密度。为了同时满足这些要求，必须谨慎设计烧结硬化粉末的特性和合金组成。碳、锰、硅、铬、钼和镍是铸造或锻造(wrought)合金钢中使用最广泛的元素。然而，并非所有这些元素都适合于MIM和压制烧结零件，除非采取一些预防性措施。举例来说，铬极具反应性且容易与烧结气氛中的残余氧或水蒸气反应并形成氧化铬。锰是甚至更具反应性的元素，且将容易与烧结气氛反应而形成氧化锰。而且，锰和铬具有非常高的蒸气压力，因此当在真空中烧结压坯时，烧结零件中保留的锰和铬的量通常会显着减少，除非在真空中烧结时将氩气回填到某一水平。硅是另一高反应性元素，且在烧结期间可比Cr和Mn更容易形成氧化物。尽管存在这些问题，但这些合金元素仍可提供良好的硬化作用，条件是以铁合金粉末的形式，以降低其活性，并使用控制良好的烧结气氛(例如，具有低露点)，使得可防止氧化物形成。本发明中使用的方法之一是在基础铁粉末中添加铁合金粉末(例如Fe-Cr,Fe-Mn,Fe-Si)及其衍生物(例如，Fe-Cr-Mo,Fe-Cr-Mn等)。这些高活性的Cr、Si和Mn合金元素在粉末中已合金化，与使用纯元素粉相比其活性大幅减小。因此，这些活性元素可在常规烧结炉中在铁基质中固溶而不会形成氧化物，且提供所需的可硬化性。另外，烧结气氛应具有高还原能力，例如具有高氢含量和低水蒸气含量。当使用真空炉时，真空程度必须足够高以防止氧化物形成。同时，应添加一些回填的惰性气体，以减少具有高蒸气压力的元素(例如Cr和Mn)的损失。本发明中揭示的烧结硬化粉末包括0.1-0.8重量百分比的C、5.0-12.0重量百分比的Ni、0.1-2.0重量百分比的Cr、0.1-2.0重量百分比的Mo，其中用于烧结的原料粉末的平均粒度是20μm或20μm以下。所述粉末可进一步含有2重量百分比或2重量百分比以下的Cu、l重量百分比或1重量百分比以下的Ti、l重量百分比或1重量百分比以下的Al、l重量百分比或1重量百分比以下的Mrul重量百分比或1重量百分比以下的Si以及1重量百分比或1重量百分比以下的P中的至少一种元素，其中多达5重量百分比的铁含量可由这些元素中的一者或一者以上代替。本发明中揭示的烧结硬化粉末经烧结后即使以3°C/min的缓慢速率冷却也可将坯体烧结硬化到HRC30或HRC30以上的硬度。Ni是可产生高可硬化性且还可对烧结坯体给与高韧性和伸长率的元素。而且，与例如Cu、Mo、Cr、Mn和Si的大多数其它合金元素相比，Ni是在改进钢坯体的烧结密度和韧性方面非常有效的添加剂。因此，在烧结硬化粉末中添加M是有利的。在本发明中，优选的Ni含量是在5重量百分比与12.O重量百分比之间，因为当Ni含量低于5重量百分比时烧结硬化特性不明显，或当Ni含量高于12重量百分比时，因为在烧结之后将保留过多的奥氏体，所以烧结硬化作用减弱。在另一方面，当Ni含量大于12重量百分比时，获得的益处有限，且烧结零件的成本增加。烧结钢中Ni的分布由于其在铁中的缓慢扩散速率而通常不均勻。另一原因在于碳在铁中具有快扩散速率，且因此可快速穿透进入铁粉末的核心。当M朝向铁粉末核心扩散时，因为碳增加了Ni的化学势，所以碳往往会排斥Ni的进入。因此，在Fe基质中难以均质化Ni，且因此，其烧结硬化益处损失。如此形成的高含Ni量的区域其强度和硬度较低，且变为零件使用时在高应力下脆弱的位置。然而，本发明发现当Cr存在时，M与C之间的排斥作用减轻，且M的分布变为更均勻，此已使用X射线绘图而证明。通过较均勻的M分布和软的高含Ni量的区域的消除，烧结坯体的总硬度和强度将增加。本发明中使用的铬含量在0.1重量百分比与2重量百分比之间。Cr小于0.1重量百分比时，可硬化性作用无关紧要。当Cr含量超过2重量百分比时，马氏体的量将减少。Cr的添加可以采用铁铬粉末或含有其它合金元素在内的其它复杂铁铬粉末的形式添加。如上所述，这将减少Cr的活性且确保其在烧结期间不形成氧化铬，因此能维持把M固溶到铁基质中的有效性。然而，所需的Cr的量取决于铁粉末的粒度和所使用M的含量。表2和图1展示，通过使用微细羰基铁粉末作为基础粉并根据Fe-SNi-O.8Mo-xCr-0.5C(χ从0变化到3重量百分比)的组成加入其它元素粉或合金粉末，以及使用金属注射成形工艺，烧结硬化且回火的试样的硬度首先随着Cr的增加而增加，在大约0.7重量百分比时达到最大值，且随后随着Cr的量增加而减小。这意味着3重量百分比的Cr的量对于M的均质化来说太大，因为硬度低于HRC30。然而，当使用粗铁粉末作为基础粉时，均质化变得较困难。因此，均质化M所需的Cr的量增加。通过使用粗水雾化铁粉末(具有75μm的平均粒度)和根据Fe-4Ni-0.5Mo-0.5C的组成加入其它元素粉或合金粉末，且使用压实烧结工艺可证明此粗粉的作用。表2和图2展示硬度首先随着Cr的增加而增加，在大约3重量百分比的Cr时达到最大值，且随后随着Cr的量增加而减小。这些实例展示，对于M的均质化以及硬度所需的最优Cr含量随着铁粉末的粒度增加而增加。原因在于，在较粗的基础铁粉末的情况下，需要较长的时间或较高的温度来获得合金元素的良好均质性。除了粒度作用外，最优Cr含量进一步取决于烧结坯体中Ni的量。这些实例证明，为获得高硬度，需要合金元素的组成只有一狭窄范围，(例如上述例子中针对本发明中选择的铁粉粒度和Ni的量)。表2展示Fe粉粒度和Ni含量对Fe-8Ni_0.8Μο_0·5C和Fe-4Ni_0.5Μο_0·5C的最优Cr含量的影响。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>当设计铸造或锻造合金块材或预合金粉末时，合金元素的最优含量将比混合粉末中低，因为在熔化期间已实现各种合金元素的均质化。铸造和锻造合金的较低合金含量的另一原因在于，原材料必须足够软以使得可执行塑性变形(例如，挤制锻造)和其它二次操作(例如，机械加工)以满足零件的尺寸规范。随后再以淬火和回火处理获得最优机械性质。相比之下，压制烧结和MIM工艺是净成形工艺(netshaping)。因此，在烧结之后的零件已获得应有尺寸，此时若零件可经烧结硬化而不用进一步的淬火处理即可得到高硬度将是个优点。这消除了在淬火期间频繁形成的缺陷。淬火工艺的消除使烧结硬化材料更经济且更有竞争力。因此，本发明中针对用于压制烧结和MIM产品的烧结硬化粉末而设计的最优组成是谨慎设计的，且不同于AISI和MPIF标准合金钢以及那些具有专利的预合金粉末。本发明中揭示的窄组成范围和粉末的选择在产生新的和意外的结果方面是有效的。钼是另一有效的合金元素，且本发明中使用的量在0.1重量百分比与2重量百分比之间。当Mo含量超过2重量百分比时，由于烧结零件中产生的马氏体的量不足，硬度将减小。而且，钼也是昂贵的元素。在添加过多Mo的情况下，烧结产品的成本将变得过高，且因此使得与通过其它制造工艺制成的那些对应物相比较不具有竞争力。Mo的添加可以用纯Mo粉末、铁钼粉末或含有其它合金元素的复杂铁钼预合金粉末的形式添加钼。锰具有非常高的可硬化性，且仅需要少量。本发明中使用的Mn的量小于1重量百分比。当Mn的量超过1重量百分比时，材料变得过硬、过脆。为了减少其活性且防止烧结期间形成氧化物，Mn的添加可以用铁锰粉末的形式，所述铁锰粉末可进一步含有其它合金元素。硅也具有高可硬化性，且仅需要少量，本发明中使用的量小于1重量百分比。当Si含量超过1重量百分比时，烧结坯体变得过脆且不适合于结构零件。为了减少Si的活性且防止氧化物形成，Si的添加可以用铁硅粉末的形式，所述铁硅粉末可进一步含有其它合金元素。最经济且有效的硬化元素是碳。例如在大多数压制烧结粉末冶金零件中和在一些MIM零件中可从石墨粉末供应碳，还可从碳黑粉末供应碳。石墨或碳黑的添加增加了额外的处理步骤且因此增加了成本。因此，含碳的微细羰基铁粉末可作为本发明中的优选基础粉末，但亦可使用不含碳的羰基铁粉末，此时则必须添加石墨或碳黑。由于羰基铁粉末中含有碳，因此其碳均质地分布在烧结零件中。而且，羰基铁粉末中的碳不是以质硬的碳化铁(Fe3C,cementite)的形式存在，因此使用于压制烧结工艺时，将不会引起对粉末的可压缩性的不利影响。以上所述合金元素的添加可以元素粉末形式或以合金粉末形式添加。以合金粉末形式添加时，此合金粉末可以含有两个或两个以上的元素，且可以铁系预合金(ferrousprealloyed)粉末或母合金(masteralloy)粉末的形式添加到基础铁粉末。为了同时实现高强度、高硬度和高烧结密度，基础粉末的选择出于若干原因是关键的。举例来说，微细粉末具有大的表面积，其是用于烧结的驱动力，因此可获得高烧结密度。另外，由于微细粉末的较短扩散距离，合金元素的均质化也较快。因此，在本发明中优选微细的粉末。在基础粉末的类型方面，即元素粉末或预合金粉末，也是重要的。基于如上所述的考虑和先前工艺中使用预合金粉末作为基础粉的缺点，本发明选择低成本铁粉末(例如雾化、还原和羰基铁粉末)作为本发明中的基础粉末。当与谨慎选择的合金元素以谨慎设计的量掺杂时，可获得与使用预合金粉末相比改进许多的机械性质和烧结密度。实例1对Fe-0.8Mo_0.8Cr混合粉末添加不同量的元素Ni粉末。所选择的基础铁粉末是羰基铁粉末。以元素粉末形式添加Mo粉末。以Fe-16重量百分比Cr铁合金粉末(Fe_16wt%Crferroalloypowder)的形式添加Cr。表3中展示化学组成。混合粉末与7重量百分比的粘结剂掺杂，在高剪切速率混练机中在150°C下混练1小时，且随后冷却到室温以获得颗粒状射料(feedstock)。随后，将颗粒状射料填充到注射成形机中以产生拉伸试棒(例如，来自MPIF-50标准的标准拉伸试棒)。在从工业中已知技术应用的程序下将拉伸试棒粘结剂去除，随后在真空炉中在1200°C下加热两小时，且随后以大约6°C/分的冷却速率(在600°C与300°C之间测得)进行炉冷却。在烧结之后，在200°C下将试样回火2小时。获得的碳含量为大约0.48重量百分比，且烧结密度为大约95.7%。硬度随着Ni含量增加而增加，在大约8重量百分比的Ni时达到最大值。表3展示Ni含量对烧结硬化的Fe-0.8Mo_0.8Cr_0.48C坯体的硬度的影响。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>实例2对Fe-SNi-0.SCr混合粉末添加不同量的元素Mo粉末。所选择的基础铁粉末是羰基铁粉末。以Fe-16重量百分比Cr铁合金粉末的形式添加Cr，同时以元素粉末形式添加Ni。表4展示化学组成。遵循实例1中描述的那些程序处理射料。因此烧结后获得的碳含量为大约0.45重量百分比，且烧结密度为大约95.7%。如表4中所示，硬度随着Mo含量增加而增加，在大约0.8重量百分比的Mo时达到最大值。当Mo含量为6重量百分比时，硬度减小到HRC35。表4展示Mo含量对烧结硬化的Fe-8Ni_0.8Cr_0.45C坯体的硬度的影响。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>样本号Mo(重量百分比)硬度(HRC)~16635实例3以Fe-16重量百分比Cr铁合金粉末的形式对Fe-8Ni_0.8Mo混合粉末添加不同量的Cr。所选择的基础铁粉末是羰基铁粉末。以元素粉末形式添加M和Mo两者。表5展示化学组成。以与实例1中描述相同的方式处理射料。因此烧结后获得的碳含量为大约0.43重量百分比，且烧结密度为大约95.6%。如表5所示，硬度随着Cr含量增加而增加，在大约0.8重量百分比的Cr时达到最大值。当Cr含量为6重量百分比时，硬度降至HRC30。表5展示Cr含量对烧结硬化的Fe-8Ni_0.8Mo_0.43C坯体的硬度的影响。表5<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>以上在表5中展示Fe-8Ni_0.8Mo_0.43C添加Cr的益处。然而，仅当存在合金元素的良好组合时才可见此类益处。举例来说，Fe-SNi-O.5C具有HRC42的烧结硬度。当添加0.5重量百分比的Cr时，硬度减小到HRC40。对强度的进一步检查也展示从1750MPa减小到1500MPa。这指示Cr不增加Fe-8Ni_0.5C的硬度，除非Mo存在。实例4以Fe-Mn铁合金粉末的形式对Fe-8Ni_0.8Mo_0.8Cr混合粉末添加不同量的Mn。以Fe-16重量百分比Cr铁合金粉末的形式添加Cr。所选择的基础铁粉末是羰基铁粉末。以元素粉末形式添加Ni和Mo两者。表6展示化学组成。以与实例1中描述相同的方式处理射料。因此烧结后获得的碳含量为大约0.52重量百分比，且烧结密度为大约95.5%。如表6中所示，硬度随着Mn含量增加而稍微减小。这指示就硬度而言，通常包含在预合金粉末和铸造零件中的Mn的添加对于本发明中揭示的烧结硬化粉末来说并不重要。然而，随着Mn含量增加，拉伸强度比不含Mn的坯体的拉伸强度稍高。这指示取决于应用和所需的性质，Mn的添加不会引起不利的影响。表6展示Mn含量对烧结硬化的Fe-8Ni_0.8Mo_0.8Cr_0.52C坯体的硬度和拉伸强度的影响。表6<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>实例5以Fe-20重量百分比Si铁(Fe-20%Siferroalloypowder)合金粉末的形式对Fe-8Ni-0.8M0-O.8Cr混合粉末添加不同量的Si，以Fe_16重量百分比Cr铁合金粉末的形式添加Cr。所选择的基础铁粉末是羰基铁粉末。以元素粉末形式添加M和Mo两者。表7展示化学组成。以与实例1中描述相同的方式处理射料。因此烧结后获得的碳含量为大约0.50重量百分比。在硅含量增加到1重量百分比时，烧结密度从95.7%稍微减小到95.0%。因此，硬度也稍微减小。这指示通常包含在预合金粉末和铸造零件中的Si的添加对于本发明中揭示的烧结硬化粉末来说并不重要。然而，在硅含量高达1重量百分比时，烧结坯体仍可获得大于HRC45的硬度。表7展示Si含量对烧结硬化的Fe-8Ni_0.8Mo_0.8Cr_0.50C坯体的硬度的影响。表7<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>实例6以元素粉末的形式对Fe-8Ni_0.8Mo_0.8Cr混合粉末添加不同量的Cu。以Fe_Cr铁合金粉末的形式添加Cr。所选择的基础铁粉末是羰基铁粉末。以元素粉末形式添加Ni和Mo两者。表8展示化学组成。以与实例1中描述相同的方式处理射料。因此烧结后获得的碳含量为大约0.51重量百分比，且烧结密度为大约95.6%。如表8中所示，硬度随着Cu含量增加而稍微减小。然而，随着Cu含量增加到大约0.3重量百分比时，拉伸强度增加到最高值。其随后降低，并在Cu含量达到1.5重量百分比时开始减小到与不含Cu的拉伸试棒的拉伸强度类似的水平。这指示取决于所需的性质，Cu的添加可具有积极的影响。表8展示Cu含量对烧结硬化的Fe-8Ni_0.8Mo_0.8Cr_0.51C坯体的硬度和拉伸强度的影响。表8<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>实例7以与实例1所述相同的方式处理Fe-8Ni_0.8Mo_0.8Cr粉末，但烧结温度是1320°C。烧结后获得的碳含量为大约0.42重量百分比，且烧结密度为大约96.6%。回火之后的硬度是HRC47，与1190°C下烧结的坯块的HRC48类似。测得的拉伸强度为2010MPa，稍微高于在1190°C下烧结获得的1970MPa。在1190°C和1320°C下烧结的拉伸试棒的伸长率分别是百分的3.4和百分的4.1。这些拉伸强度显着好于至目前为止关于金属注射成形或压制烧结零件报告的数据。所述伸长率对于结构零件中的应用也是非常足够的。表1到8中给出的实例说明本发明的原料粉末的烧结硬化作用。实例8以与实例1所述相同的方式处理Fe-8Ni-0.8Mo_0.8Cr粉末，但使用石墨和碳黑粉末作为碳来源。将不含碳的羰基铁粉末(如在含氢气氛下退火过的羰基铁粉)用作基础粉末。产生的碳含量、密度和硬度与使用羰基铁粉末作为碳来源获得的碳含量、密度和硬度类似。实例9以与实例1所述相同的方式处理Fe-8Ni_0.8Mo_0.8Cr_0.45C粉末，但冷却速率改变。表9展示具有3°C/分、6°C/分和30°C/分的冷却速率的烧结坯体在回火之后具有大约HRC48的类似硬度。当将坯体淬火于水并回火时，硬度为51。这证明本发明的组成物产生非常高的可硬化性，且即使在慢达3°C/分的冷却速率下也可烧结硬化坯体。表9展示冷却速率对烧结硬化并回火的Fe-8Ni_0.8Mo_0.8Cr_0.45C坯体的硬度的影响。表9<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>实例10本发明中揭示的烧结硬化粉末的组成是合金元素的最优组合的结果。表10列出使用本发明中揭示的烧结硬化粉末的一些其它MIM烧结且回火的坯体(样本号47到57)的硬度。还制备具有Fe-8Ni-0.8Cr-0.8M0-O.4C的组成的压制烧结坯体。将羰基铁粉末与元素Mo和Ni粉末以及Fe-Cr铁合金粉末一起混合。将混合粉末、水和粘结剂(例如，聚乙烯醇)掺和为浆液。随后以高旋转速度喷嘴雾化所述浆液，并以热空气干燥以蒸发其中的水。因此通过粘结剂将微细粉末彼此粘结以形成具有良好流动性的颗粒状粉末。颗粒状粉末的粒度为大约40ym。将颗粒状粉末填充到模具腔内以使用压制机产生压坯拉伸试棒。以从工业中已知技术应用的程序将拉伸试棒中的粘结剂去除。在1200°C下烧结1小时之后，将坯体进行炉冷却，且随后在180°C下回火2小时。烧结硬化拉伸试棒具有1690MPa的抗张强度、HRC47的硬度和3%的延展性。这些实例展示本发明中揭示的烧结硬化粉末可用于制造具有改进的硬度的烧结坯体而没有不适当的延展性损失。关于混合粉末使用MIM方法以及关于颗粒状粉末使用压制烧结方法均可给出类似的烧结性质。这是预期的，因为这两个方法中使用的金属粉末相同。表10展示具有本发明中揭示的组成(重量百分比)的一些烧结且回火坯体的性质。表1016<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>〔0087〕比较性实例〔0088〕为了比较，表11展示使用金属注射成形工艺制备的比较性实例的组成和性质。在ＭＰＩＦ标准中列出ＭＩＭ４６０５(样本号５８)在烧结之后具有４４０ＭＰａ的强度。火之后，强度是1655MPa且伸长率是2%(样本号59)。MIM2700标准(样本号60)产生415MPa的强度和HRB69的硬度(太软而无法在HRC级中测量到)。62号样本和67号样本具有第7，163，569号美国专利中揭示的组成。这两个零件的硬度和拉伸强度低于使用本发明中揭示的烧结硬化粉末获得的硬度和拉伸强度。70号样本具有根据日本工业标准SCM415的组成。烧结坯体的硬度低于HRC20。71号样本具有与AISI4140相同的组成。且获得的硬度为HRC21。72号样本遵循SAE8740的组成，且烧结坯体的硬度为HRC27。表11展示比较性实例的组成(重量百分比)和性质。表11<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>注释1.在淬火和回火之后。2.第7，163，569号美国专利中揭示。以上描述得出结论，本发明的烧结坯体中的烧结硬化组成物经炉冷却可容易获得比HRC30高的硬度。与MPIF列出的用于压制烧结工件的最佳烧结硬化合金(需使用最少30°C/分的高冷却速率)或最佳注射成形合金MIM-4605(在淬火和回火之后)相比，本发明的烧结硬化组成物可在无需急冷硬化处理的情况下获得类似的或甚至更好的机械性质。另外，在本发明中可避免从现有技术中的淬火或急冷硬化得出的问题，包括变形、尺寸不一致以及淬火之后破裂等，且可消除淬火硬化工艺或高冷却速率装置的成本。尽管烧结硬化合金已可用于传统的压制烧结工艺，但烧结主体所需的冷却速率高于30°C/分。相比之下，本发明的组成物所需的冷却速率可低于30°C/分。本发明的烧结主体提供优良的机械形质，且其还提供尺寸控制优良和较低成本方面的优点。由于基础粉末与最优量和类型的合金元素的谨慎选择的组合，本发明解决了上文提到的问题。粉末混合物或颗粒状粉末使用元素铁粉末(例如，雾化、还原或羰基铁粉末)作为基础粉末。平均粒度是20iim或20iim以下。合金元素包含0.1_0.8重量百分比的C、5.0-12.0重量百分比的Ni、0.1-2.0重量百分比的Cr、0.1_2.0重量百分比的Mo。以上组成可进一步含有5.0重量百分比或5.0重量百分比以下的量的至少一种其它次要强化元素。强化元素可选自由Cu、Mn、Si、Ti、Al和P组成的群组。可通过添加石墨或碳黑或者使用含碳的羰基铁粉末来提供碳。所述混合粉末可用于MIM坯体的制造。所述颗粒状粉末可用于压制烧结坯体的制造。此外，本发明通过使用粉末混合物或颗粒状粉末提供烧结坯体。可在烧结炉中以30°C/分以下的正常炉冷却速率烧结硬化所述坯体而无需使用快速冷却，其它烧结硬化粉末需要所述快速冷却。烧结坯体也不需要任何淬火处理。仅需要低温回火以获得最优机械性质。具有上文提到的烧结硬化粉末的烧结主体具有意外的硬度、拉伸强度和良好的延展性。由于不需要淬火工艺或昂贵的高冷却速率装置，因此制造成本较低。由于在淬火期间发生的例如裂纹和变形的缺陷的消除，还可获得较高的生产良率。在实际应用中，可将烧结硬化原料粉末造粒成为用于压制烧结的颗粒状粉末。尽管原料粉末的平均粒度为20ym或20ym以下，但颗粒状粉末的平均粒度可在例如20-150ym之间。此外，原料粉末或颗粒状粉末可用于制造成为烧结坯体。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。权利要求一种烧结硬化原料粉末，其包括铁作为主要组成物且进一步包括0.1到0.8重量百分比的碳、5.0到12.0重量百分比的镍、0.1到2.0重量百分比的铬以及0.1到2.0重量百分比的钼，其中所述用于烧结的原料粉末的平均粒度是20μm或20μm以下，且此烧结硬化粉是以铁粉或羰基铁粉或碳、镍含量低的铁系预合金粉为基础粉。2.根据权利要求1所述的烧结硬化原料粉末，其进一步含有2重量百分比或2重量百分比以下的铜、1重量百分比或1重量百分比以下的钛、1重量百分比或1重量百分比以下的铝、1重量百分比或1重量百分比以下的锰1重量百分比或1重量百分比以下的硅以及1重量百分比或1重量百分比以下的磷中的至少一种元素。3.根据权利要求1所述的烧结硬化原料粉末，其含有0.3到0.7重量百分比的碳、6.0到10.0重量百分比的镍、0.3到1.5重量百分比的铬、0.2到1.0重量百分比的钼。4.根据权利要求2所述的烧结硬化原料粉末，其含有0.1到1.0重量百分比的铜、0.2到0.8重量百分比的锰以及0.1到0.5重量百分比的硅。5.根据权利要求1所述的烧结硬化原料粉末，其中所述碳的来源是来自含碳的羰基铁粉末。6.根据权利要求1所述的烧结硬化原料粉末，其中所述碳的来源是来自碳黑粉末。7.根据权利要求1所述的烧结硬化原料粉末，其中所述碳的来源是来自石墨粉末。8.根据权利要求1所述的烧结硬化原料粉末，其中所述原料粉末是元素粉末或铁合金粉末或所述两者的混合物。9.根据权利要求1所述的烧结硬化原料粉末，其中所述铁是来自羰基铁粉末。10.根据权利要求1所述的烧结硬化原料粉末，其中所述铁是来自雾化铁粉末。11.根据权利要求1所述的烧结硬化原料粉末，其中所述铁是来自还原铁粉末。12.根据权利要求1所述的烧结硬化原料粉末，其中所述碳、镍含量低的铁系预合金粉其碳及镍的含量低于0.1重量百分比。13.一种烧结体其包括根据权利要求1所述的烧结硬化粉末的组成。全文摘要本发明是有关于一种烧结硬化原料粉末及其烧结体，该烧结硬化原料粉末可产生具有高强度、高硬度和高密度的烧结体。用于烧结的原料粉末包含Fe作为其主要组分，且还包括0.1到0.8重量百分比的C、5.0到12.0重量百分比的Ni、0.1到2.0重量百分比的Cr以及0.1到2.0重量百分比的Mo，其中所述用于烧结的原料粉末的平均粒度是20μm或20μm以下，且此烧结硬化粉是以铁粉或羰基铁粉或碳、镍含量低的预合金粉为基础粉。所述烧结且回火的坯体在没有任何淬火处理的情况下具有高硬度、高强度、高密度以及良好的延展性。文档编号B22F3/10GK101797641SQ20091014301公开日2010年8月11日申请日期2009年5月22日优先权日2009年2月5日发明者陆永忠,黄坤祥申请人:台耀科技股份有限公司