专利名称：改进可机械加工性的组合物的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种生产粉末金属零件的粉末金属组合物，以及制造粉末金属零件的方法，其具有改进的可机械加工性。
背景技术：
组件的粉末冶金制造的一个主要优点是，可通过压缩和烧结，来生产最终或非常接近最终形状的坯料。但是，存在着对后续机械加工的需求的情况。例如，由于高耐性要求或由于最终组件具有无法直接压缩而需要于烧结后进行机械加工的形状而使后续机械加工成为必要。更特定地，对于诸如对压缩方向为横向的孔，底切和螺纹的几何形状都需要后续机械加工。通过不断发展具有更高强度和由此更高硬度的新型烧结钢材，机械加工成为粉末冶金生产组件的主要问题之一。当评估粉末冶金生产是否系生产组件的最具成本有效的方法时，这经常成为限制性因素。目前，大量已知物质已加入铁基粉末混合物中，以促进组件烧结后的机械加工。最普遍的粉末添加物是MnS，其在例如欧洲专利0183666中提及，描述了该粉末混合物如何改进烧结钢材的可机械加工性。美国专利4927461描述了将0. 01及0. 5重量％的六方(heXagn0l)BN(氮化硼) 添加至铁基粉末混合物中以改进其烧结后的可机械加工性。美国专利5631431涉及一种用于改进铁基粉末组合物的可机械加工性的添加剂， 根据此专利，该添加剂含有占该粉末组合物的0. 1至0. 6重量％的氟化钙微粒。日本专利申请08-095649涉及一种可机械加工性改进剂。该改进剂包括 Al2O3-SiO2-CaO,并且具有钙长石(anorthite)或钙黄长石(gehlenite)结晶结构。钙长石是属于长石(feldspar)类的网状硅酸盐(tectosilicate)，其莫氏硬度达6至6. 5，钙黄长石是莫氏硬度为5至6的sorosilicate。美国专利US7300490涉及一种制造压制和烧结零件的粉末混合物，其是由硫化锰粉末(MM)和磷酸钙粉末或羟基磷灰石粉末的组合所组成。WO公开2005/102567涉及一种作为机械加工改良剂的六方氮化硼和氟化钙粉末
的组合。含硼粉末，诸如氧化硼、硼酸或硼酸铵，与硫的组合描述在美国专利5938814。欧洲专利1985393A1描述了作为机械加工添加剂的粉末的其它组合，该组合含有至少一种选自滑石(talc)和steatite和脂肪酸的物质。作为机械加工改良剂的滑石描述在日本专利1-255604中。滑石属于层状硅酸盐 (phyllosilicate)类，其包含包围氢氧化镁八面体层的硅四面体层。申请1002883涉及用于制造金属零件尤其是阀座嵌入物(valve seat insert)的粉末状金属掺合物。所述掺合物包含0. 5至5%的固体润滑剂来提供低摩擦及滑动磨损，同时改良可机械加工性。在其中一实施例中，云母(mica)作为固体润滑剂。用于生产耐磨性及高温稳定性组件的此类型的粉末混合物总是包含大量合金化元素，一般高于10重量％， 和硬相，其通常是碳化物。US4274875教导了与EP1002883所描述相似的通过包含在压缩及烧结前加入0. 5 至2重量％的粉末状云母(mica)到金属粉末中的步骤的粉末冶金制造制品的方法。特定地，其公开了可使用任何类型的云母。此外，日本专利申请JP10317002描述了具有降低的摩擦系数的粉末或烧结压制品。该粉末的化学组成是1至10重量％的硫，3至25重量％的钼，以及其余为铁。此外可加入固体润滑剂和硬相材料。压缩及烧结组件的机械加工非常复杂，并且受组件的合金系统类型、组件的烧结密度及组件大小和形状的参数影响。同时明显的是，机械加工操作类型和机械加工速度同样是对机械加工操作结果具有重要性的参数。要添加至粉末冶金组合物中的所述机械加工改良剂的多样性反映了 PM机械加工技术的复杂本质。发明概述本发明公开了一种用于改进烧结钢材的可机械加工性的新颖添加剂。尤其是针对合金化元素含量低于10重量％，且不含硬相材料的低合金烧结钢材。该新颖添加剂设计用于改进所述烧结钢材接受切屑移除(chip removing)操作如钻孔、车削、研磨和攻丝的可机械加工性。此外，该新颖添加剂可用于由多种工具材料，诸如高速钢、碳化钨、金属陶瓷、陶瓷及立方氮化硼来进行组件的机械加工，且该工具也可经过涂覆。因此，本发明的目的是为粉末金属组合物提供一种新颖的添加剂以改良可机械加工性。本发明的另一目的是提供一种可用于不同类型烧结钢材的各种机械加工操作的所述添加剂。本发明的另一目的是提供一种对压缩及烧结组件的机械性质无影响或影响可忽略的可机械加工性促进物质。本发明的进一步目的是提供一种包含该新颖可机械加工性改良添加剂的粉末冶金组合物，及由该组合物制备压缩零件的方法。目前已发现通过将包括所定义的特殊型硅酸盐的可机械加工性改良剂包含在粉末组合物中，可使具有多种微结构及烧结密度的烧结组件的可机械加工性得到惊人的重大改进。此外，即使在极低添加量下，也可获得对可机械加工性的正面效果，因此通过添加额外物质所造成的对可压缩性的负面影响减至最小。同样地，也已证实所添加的硅酸盐对机械性能的影响是可接受的。因此，本发明提供一种铁基粉末组合物，其除铁基粉末外，还包含少量可机械加工性改良添加剂，所述添加剂包含至少一种来自层状硅酸盐类的硅酸盐。本发明同时提供了将层状硅酸盐作为铁基粉末组合物的可机械加工性改良剂的用途。本发明进一步提供了一种制造具有改良可机械加工性的铁基烧结零件的方法，其包含以下步骤制备如上述的铁基粉末组合物，在400至1200MPa的压缩压力下压缩该铁基粉末组合物，在1000至1300°C 的温度下烧结该压缩零件，并且任选热处理该烧结零件。根据本发明，至少一种上述目的及其它自以下论述明显可知的目的是通过本发明的不同方面来实现。
根据本发明的一方面，提供一种除铁基粉末以外还包含少量呈粉末形式的可机械加工性改良添加剂的铁基粉末组合物，该添加剂包含至少一种选自由层状硅酸盐组成的组的硅酸盐。该层状硅酸盐可选自例如粘土矿物如膨润土、高岭石及蒙脱石；绿泥石；云母如金云母、白云母、黑云母及珍珠云母。根据本发明的另一方面，提供包含于可机械加工性改良添加剂中的层状硅酸盐在铁基粉末组合物中的用途。根据本发明的另一方面，提供一种铁基粉末组合物的制备方法，其包含提供铁基粉末；及混合该铁基粉末与粉末状可机械加工性改良添加剂，该可机械加工性改良添加剂包含至少一种页砂酸盐。根据本发明的另一方面，提供一种制造具有改良可机械加工性的铁基烧结零件的方法，其包含制备根据以上方面的铁基粉末组合物；在400至1200MPa的压缩压力下压缩该铁基粉末组合物；在1000至1300°C的温度下烧结该压缩零件；并且任选热处理该烧结零件。
图1显示了对于实施例1、3、4、5、7及8的可机械加工性指数如何测量刀片切削边缘的磨损即图中两箭头间的距离的示意图。图2是描述可机械加工性改良剂白云母及金云母的平均粒度分别对相对可机械加工性改良指数的影响的示意图。发明详述该可机械加工性改良剂包含所限定的硅酸盐，其归类为层状硅酸盐，其特征可在于，莫氏硬度小于5，优选小于4。层状硅酸盐具有薄片结晶结构，其包含硅四面体层与氢氧化物的八面体结构的层的组合。优选地，四面体中的某些硅原子可置换为其它原子，诸如铝原子，因此该硅酸盐被标示为铝酸盐-硅酸盐。或者，铝原子存在于八面体结构中，或铝原子将同时存在于两种结构中。可包含于该新颖的可机械加工性改良添加剂中的硅酸盐的实例为云母，诸如金云母Kife3 (0H，F) JAlSi3O10]，白云母 KAl2 (OH) JAlSi3O10],黑云母K (Mg，Fe) 3 (OH) 2 [AlSi3O10]，禾口珍珠云母(Hiargarite)CaAl2(OH) JAl2Si2O10]；属于绿泥石类的硅酸盐；粘土矿物，诸如高岭石Al2 (OH)4 [Si2O5]；属于蒙脱石类的粘土矿物，例如滑间皂石(aliettite)Ca0.2Mg6 (Si, Al) 8020 (OH) 4 * 4H20,贝得石(beidellite) (Na, Ca0.5) 0.3A12 (Si, Al) 4010 (OH) 2 * nH20,水辉石(hectorite)Na0.3(Mg,Li) 3Si4010 (OH, F)2,
微晶高岭土(montmorillonite)(Na, Ca)33(Al，Mg)2Si401(l (OH)2 * ηΗ20，囊脱石(nontronite)Na0.3Fe2 (Si，Al) 4010 (OH) 2 * ηΗ20,皂石(Saponite)Ca0.25 (Mg, Fe) 3 (Si，Al) 4010 (OH) 2 * ηΗ20,
硅镁石(stevensite) (Ca, Na) ,Mg3Si4O10 (OH)2,铬岭石(volkonskoite)Ca0.3 (Cr, Mg, Fe) 2 (Si，Al) 4010 (OH) 2 * 4H20,禾口Yakhontovite (Ca, Na) 0.5 (Cu, Mg, Fe) 2Si4010 (OH) 2 * 3H20。通常，硅酸盐矿物以所定义的矿物的组合存在于自然界，因此其在商业上存在不同的经化学定义的硅酸盐或其中间体、诸如各种类型的膨润土的组合，其包含微晶高岭土。 本发明不局限于单一特定结构的硅酸盐，而是包括以上描述的硅酸盐的组合和中间体。根据本发明使用的硅酸盐可具有小于5 (优选小于4)的莫氏硬度，且可具有层状结构的原因为，已发现与较硬硅酸盐相比，此类硅酸盐在烧结体的机械加工期间，即使在相对低的温度下，仍可促进机械加工特性。因此，可避免在机械加工中放出热量对工具造成负面影响。较高硬度的硅酸盐可能在压缩中无助于润滑作用并且不利于压缩体从模具中的脱出。低硬度与所添加的硅酸盐的层状晶体结构的组合则是有利的，并且增强了润滑特性，因此可加入较少量的熟知的润滑剂，以获得较高的生坯密度。此外，不受理论的任何限制，据信在硅酸盐中存在铝原子可能对机械加工性特性有正面效果并且有助于良好机械加工性而不管待机械加工组件的金相结构如何。该新颖添加剂可包含其他已知的机械加工改良添加剂，诸如硫化锰、六方氮化硼、 其它含硼物质和/或氟化钙混合，或所述新颖添加剂可与上述已知的机械加工改良添加剂
一起混合。该铁基粉末组合物中的添加剂含量可为0. 05至1. O重量％，优选0. 05至0. 5重量％，优选0.05至0.4重量％，优选0.05至0.3重量％，更优选0. 1至0.3重量％。较低含量在可机械加工性上可能达不到期望的效果，而较高含量可能对机械加工特性产生负面影响。因此，可机械加工性改良剂在铁基粉末组合物中的添加量可少于0. 5重量％，优选 0. 49重量％或更少，优选0. 45重量％或更少，更优选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。根据本发明的新颖添加剂的粒度，X99可小于50μπι，优选小于30μπι，更优选小于 20 μ m,诸如15 μ m或更小。相应的平均粒度X5tl可小于20 μ m,优选小于15 μ m，更优选10 μ m 或更小，诸如5 μ m或更小。粒度X99，可实质上为至少ιμπι。若该粒度小于1 μ m，则可能难以得到均一的粉末混合物。大于50 μ m的粒度可能对可机械加工性及机械特性造成负面影响。当待机械加工的组件具有马氏体结构、或含有马氏体结构的不均勾结构时，本发明的可机械加工性改良添加剂的可机械加工性改良效果将特别明显。铁基粉末组合物粉末类型该新颖机械可机械加工性改良粉末可用于实质上任何含铁的粉末组合物。因此， 该铁基粉末可以是纯铁粉末，例如雾化铁粉、还原粉末、及类似物。也可使用包含诸如镍、 钼、铬、钒、钴、猛、铜的合金化元素的预合金粉末，及部份合金的钢铁粉末。当然，所述粉末可以混合物形式使用。
组合物中的可机械加工性改良添加剂是以粉末形式存在。该添加剂粉末微粒可例如作为自由粉末微粒与铁基粉末混合或例如通过粘合剂手段，与铁基粉末微粒结合。其它添加剂根据本发明的粉末组合物亦可包含其它添加剂，诸如石墨、粘合剂及润滑剂及其它公知的可机械加工性改良剂。润滑剂可以0. 05至2重量％，优选0. 1至1重量％的量添加。石墨可以0.05至2重量％，优选0. 1至1重量％的量来添加。^^根据本发明的组件的粉末冶金制造可以公知方式，即通过以下步骤进行可将铁基粉末，例如铁或钢粉末，与任何所需合金化元素，诸如镍、铜、钼和可选的碳及呈粉末形式的本发明可机械加工性改良添加剂进行混合。所述合金化元素也可以以预合金化或扩散合金形式添加至该铁基粉末中，或作为混合合金化元素、扩散合金粉末或预合金粉末间的组合的形式添加。该粉末混合物可在压缩前与公知的润滑剂，例如硬脂酸锌或酰胺蜡进行混合。该混合物中的较微细颗粒可通过粘合物质与该铁基粉末进行粘合。之后，可在一压缩工具中压缩该粉末混合物，以形成称为生坯的接近最终几何形状的物质。压缩通常于400 至1200MPa的压力下进行。压缩后，在1000至1300°C的温度下烧结该压缩物并使其获得最终强度、硬度、伸长率等。该烧结零件可视情况进一步热处理。
实施例本发明将通过以下非限制性实施例加以说明可机械加工性改良剂以下物质被用作根据本发明的可机械加工性改良剂的实例含有白云母的粉末，其具有实质上小于20 μ m的粒度)(99，及由以重量％氧化物表示的化学组成；
SiO248.0
Al2O333.3
K2O10.1
FeO2.8
MgO0.3
燃烧损失5.5包含金云母的粉末,其具有约18 μ m的平均粒度X5tl，及实质上小于45 μ m的粒度 X99,及由以下重量％氧化物表示的化学组成；SiO239.5Al2O310.3K2O12.8FeO10.3MgO22.7CaO0.5燃烧损失3.0包含属于MIM类的矿物的粉末，其具有实质上小于20 μ m的粒度)(99，及由以下重量％氧化物表示的化学组成；
SiO268.2Al2O310.9K2O0.3FeO1.3MgO17.0CaO1.1Na2O1.2燃烧损失(未测得燃烧损失，化学分析是在不包含燃烧损失时计算得到的)包含钙膨润土的粉末，其具有实质上小于15μπι的粒度)(99，及由以下重量％氧化
物表示的化学组成；
SiO2 Al2O3 K2O FeO
MgO CaO Na2O 燃烧损失实施例1(可机械加工性研究，通过对烧结形式本身的PM材料的车削操作进行)
55.1 23.3 2.9 1.6
2.9 4.7 1.9 9.5
将膨润土粉末与购自瑞AHGganMs AB的金属粉末水雾化铁粉AHClOO. 29混合。 该金属粉末也与2重量％的铜粉、0.8%的作为润滑剂的亚乙基双硬脂酰胺及0.8重量％的石墨进行混合。将根据表1的金属粉末混合物压缩成根据IS03225的标准化TRS条及外径为 55mm、内径为35mm及高为20mm的环，至生坯密度为6. 9g/cm3。使该TRS条及环在10%氢和90%氮的混合物下，在实验室网带炉(mesh belt furnance)中于1120°C下烧结20分钟，所得样品的微结构为珠层(pearlitic)结构。烧结的TRS条是用于根据IS03325测量横向断裂强度，而烧结的环是用于车削测试以测定可机械加工性指数，如表2所示。该可机械加工性指数定义为车削工具的侧面磨损(flank wear)，即自刀片切削边缘移除的材料。图1公开了如何测定该磨损。车削在恒定的轴转速及无冷却剂的恒定进刀下，利用碳化钨刀片，在该环的外径上进行。表1显示压缩环的机械特性几乎不受添加的膨润土的影响。但是，对于加入膨润土的环而言，得到明显改良的可机械加工性，如表2所示。对于相同切削距离而言，与不含此添加剂的环相比，包含膨润土的环的可机械加工性指数几乎减少50% (即刀片切削边缘的磨损被降低)。表 权利要求
1.一种铁基粉末组合物，其除铁基粉末以外，还包含少量粉末状可机械加工性改良添加剂，该添加剂包含至少一种来自由层状硅酸盐组成的组中的硅酸盐。
2.如权利要求1的铁基粉末组合物，其中该层状硅酸盐选自由粘土矿物所组成的组。
3.如权利要求2的铁基粉末组合物，其中该粘土矿物选自由高岭石、蒙脱石和膨润土所组成的组。
4.如权利要求3的铁基粉末组合物，其中该层状硅酸盐选自由膨润土所组成的组。
5.如前述权利要求中任一项的铁基粉末组合物，其中可机械加工性改良添加剂的含量占该铁基粉末组合物的0. 05至1重量％，一般为0. 05至0. 5重量％，优选为0. 05至0. 3 重量％，更优选为0. 05至0. 2重量％。
6.如权利要求1的铁基粉末组合物，其中该层状硅酸盐选自由云母组成的组，且其中该可机械加工性改良添加剂的含量为少于0. 5重量％，优选0. 4重量％或更少，例如0. 3重量％或更少，或0. 2重量％或更少。
7.如权利要求6的铁基粉末组合物，其中该层状硅酸盐是白云母。
8.如前述权利要求中任一项的铁基粉末组合物，其中该可机械加工性改良添加剂的粒度X99小于50 μ m,优选小于30 μ m,更优选小于20 μ m。
9.如前述权利要求中任一项的铁基粉末组合物，其中该可机械加工性改良添加剂的平均粒度X5C1，小于20 μ m,优选小于15 μ m,更优选小于10 μ m,最优选小于5 μ m。
10.如前述权利要求中任一项的铁基粉末组合物，其中该层状硅酸盐的莫氏硬度小于 5，优选小于4。
11.如前述权利要求中任一项的铁基粉末组合物，其中该层状硅酸盐含有铝。
12.如前述权利要求中任一项的铁基粉末组合物，其中该铁基粉末包含小于10重量％ 的合金化元素。
13.一种包含在可机械加工性改良添加剂中的层状硅酸盐的用途，用于铁基粉末组合物中。
14.一种制备铁基粉末组合物的方法，其包含提供铁基粉末；和将该铁基粉末与粉末状可机械加工性改良添加剂进行混合，该可机械加工性改良添加剂包含至少一种页硅随盐。
15.一种制造具有改良可机械加工性的铁基烧结零件的方法，其包括制备如权利要求1至12中任一项的铁基粉末组合物；在400至1200MPa的压缩压力下压缩该铁基粉末组合物；在1000至1300°C的温度下烧结该压缩过的零件；并且任选地热处理该烧结过的零件。
全文摘要
本发明系关于一种铁基粉末组合物，其除铁基粉末以外还包含少量的可机械加工性改良添加剂，该添加剂包含至少一种来源于层状硅酸盐类的硅酸盐。本发明进一步系关于该可机械加工性改良添加剂的用途及制造具有改良可机械加工性的铁基烧结零件的方法。
文档编号B22F1/00GK102325614SQ200980157170
公开日2012年1月18日 申请日期2009年12月21日 优先权日2008年12月22日
发明者O·安德森, 胡玻 申请人:霍加纳斯股份有限公司