将气体雾化金属粉末压制成部件的制作方法

文档序号:13426183

本发明总体涉及一种用于压制含碳的可硬化钢的工艺。它还涉及通过这种工艺制造的部件。



背景技术:

本领域中的某些粉末工艺使用与常规粉末技术不同的预合金化钢合金的气体雾化粉末,其中球形气体雾化粉末在压制/烧结之前获得良好的生坯强度团聚成压粉。首先提到的工艺的一个例子以商品名MMS描述。

当使用常规碳钢和其它可硬化钢的气体雾化粉末时,它们在雾化过程本身中被硬化,因为在雾化过程中,冷却发生得如此之快以致粉末变硬。硬度当然由合金本身决定。

众所周知,碳含量决定了典型的碳钢和某些其它合金,例如马氏体,铁素体不锈钢的硬度。通常,商业碳钢的碳含量为约0.2wt%至最多约1.3wt%。

铁合金,即钢,的淬透性是碳含量和其它合金元素以及奥氏体的晶粒粒度的函数。铁合金的淬透性通过末端淬透性试验(Jominy test)测量:通过热处理将标准尺寸的圆形金属棒(如顶部图像所示)转化为100%奥氏体,然后在一端用室温水淬火。冷却速度在被淬火的一端最高,并且随着距离端口的距离增加而降低。在冷却后,在试件上研磨平坦表面,然后通过测量沿着棒的硬度来获得淬透性。离硬度延伸的淬火端越远,淬透性越高。

直接压制预合金化的钢合金的气体雾化粉末,将在初始压制后产生具有非常低的密度的压制部件的硬质粉末。这显然是一个缺点,并对后续工艺步骤产生不利影响;烧结,再压制(再起弧)和最终烧结或无胶囊热等静压(HIP),因为目标是达到尽可能高的密度。目标是达到理论密度的99%以上的最终密度。

本领域的一种途径是在团聚之前软化退火金属粉末。然而,这不是直接的,因为在软化退火期间金属粉末将在一定程度上烧结。在这样的软化退火之后,烧结粉末块必须在使用前被粉碎并筛分成合适的颗粒粒度。该程序昂贵,复杂且耗时。

因此,现有技术中存在的问题是如何提供一种方法,其以更容易,更快捷和更廉价的方式实现最终密度超过理论密度的99%(或至少超过98%)的可硬化钢,即含碳的合金,特别是碳钢。

概述

本发明的一个目的是消除至少一些现有技术的缺陷,并提供一种制造金属粉末组件的改进工艺。

在第一方面,提供了一种制备选自由含碳钢和含碳合金组成的组的材料的完全致密组件的工艺,该完全致密组件具有高于理论密度的98%,优选高于99%的密度,所述工艺包括以下步骤:

a)通过气体雾化制备含碳钢的粉末,其中碳含量小于0.15wt%,

b)将来自步骤a)的粉末与至少一种水胶体团聚,其中在团聚期间加入元素形式的碳,

c)在第一压制步骤中将来自步骤b)的团聚粉末压制至理论密度的至少80%的密度,条件是压制的团聚粉末仍然是多孔的,允许气体于其内部往来传输,

d)使用至少烧结,随后冲压速度超过5米/秒的高速压制(HVC),进一步压制步骤c)中压制的团聚粉末至高于理论密度的98%的密度,其中在烧结期间加入含碳气体。

在第二方面,提供了根据上述工艺制造的完全致密组件,其密度高于理论密度的98%,其中组件包括含碳钢。

在所附权利要求中限定了其他方面和实施方式。

一个优点是可以制造具有理论密度(即高于理论密度的98%,优选高于理论密度的99%)的碳钢团聚颗粒的组件,其用其他工艺制造困难和/或至少昂贵。

详细内容

在详细公开和描述本发明之前,应该理解,本发明不局限于本文公开的具体化合物、构造、方法步骤、基材和材料,因为这些化合物、构造、方法步骤、基材和材料可以在一定程度上变化。还应理解,本文所用术语的目的仅是描述具体实施方式,并不旨在用来构成限制,因为本发明的范围仅受所附权利要求书及其等同物的限制。

如本文所用,钢表示铁和其它元素的合金,其他元素主要是碳。

理论密度表示在理论上可能实现的材料的最大密度,即对于没有任何缺陷的完美材料。

必须注意,除非上下文另外明确说明,否则在本说明书和所附权利要求中使用的单数形式的“一个”、“一种”和“所述”包括复数指代物。

如果没有另外定义,本文使用的任意术语和科学术语旨在具有本发明所属领域的技术人员通常所理解的含义。

在第一方面,提供了一种制备选自由含碳钢和含碳合金组成的组的材料的完全致密组件的工艺,该完全致密组件具有高于理论密度的98%,优选高于99%的密度,所述工艺包括以下步骤:

a)通过气体雾化制备含碳钢的粉末,其中碳含量小于0.15wt%,

b)将来自步骤a)的粉末与至少一种水胶体团聚,其中在团聚期间加入元素形式的碳,

c)在第一压制步骤中将来自步骤b)的团聚粉末压制至理论密度的至少80%的密度,条件是压制的团聚粉末仍然是多孔的,允许气体于其内部往来传输,

d)使用至少烧结,随后冲压速度超过5米/秒的高速压制(HVC),进一步压制步骤c)中压制的团聚粉末至高于理论密度的98%的密度,其中在烧结期间加入含碳气体。

在许多实施方式中,在上述步骤a)至c)之后的含碳钢变成可硬化的,即选择合金(钢)的类型和在步骤b)中加入碳后的碳含量,使得材料可能硬化。在一个实施方式中,含碳钢在步骤c)之后是可硬化的。在步骤a)中气体雾化之前的含碳钢在一个实施方式中被处理,使得碳含量降低到低于0.15wt%的碳含量。这种碳含量的降低使得可以使用比许多其它方法更容易的气体雾化来制造粉末,因此即使对于碳含量高且可硬化的钢也可以使用气体雾化。在步骤b)中的团聚期间加入元素形式的碳,使得碳含量增加到所需值。在一个实施方式中,选择碳含量使得钢(或合金)是可硬化的。“淬透性”或可硬化的指的是通过给定的热处理,包含Fe-C的合金由形成马氏体硬化的能力。

所有烧结气氛具有一定量的氧气。氧气的量通常用测量露点的所谓露点计来测量。露点水平是在给定温度下在烧结气氛中的氧量的量度。

-5℃对应0.4%水

-10℃对应0.27%水

-20℃对应0.1%水

水中的实际氧原子与碳结合并形成更稳定的化合物CO。

如果不采取任何措施来补偿和/或阻碍该反应,则部件的碳将被耗尽,并且材料不能实现其分析,即不能达到材料中所需量的碳。

即使炉以低露点启动,当炉中的温度升高时,氧/水从绝热体、粉末、粘合剂本身等释放。烧结时露点的典型值为-20℃。

甲烷是高温下的稳定化合物,但其在高温下与水反应形成CO和游离氢气。因此,可以使用包括但不限于甲烷的碳气体作为“牺牲”化合物,以防止在氢气中烧结期间压粉部件中的碳损失。

通过使用常规实验,技术人员能够确定要加入的甲烷的精确量,以便在烧结期间稳定并产生“中性”气氛,以防止部件脱碳。期望产生这样的气氛以达到最终产品中所需的碳含量。下文示例为此提供了指导,例如下文的实施例6。技术人员可以根据本说明书进行常规实验以确定要添加的甲烷的确切量。所需的精确浓度取决于炉和炉中的材料量等。技术人员可以重复下文实施例6中的实验,并且类似地确定所用的合适的甲烷浓度。

由于添加了元素形式的碳(步骤b)和含碳气体(步骤c),成品部件具有高于步骤a)中最初提供的粉末的碳含量。

在步骤c)之后,含碳气体能够进入部件,因为该部件仍然是多孔的。在步骤d)中烧结后,部件不再是多孔的。在步骤c)之后,其密度是理论密度的至少80%,但是不太密实,使得其具有渗透结构并仍然是多孔的,使得气体可以在部件的内部区域往来传输。在一个实施方式中,步骤c)之后的密度在理论密度的80-90%的区间内。在替代实施方式中,步骤c)之后的密度在理论密度的85-90%的区间内。在另一个实施方式中,步骤c)之后的密度在理论密度的80-92%的区间内。对于大多数材料,不适合使用比理论密度的92%更高的密度,因为粉末将不再是多孔的,因此气体无法在部件的内部往来传输。对于一些实施方式和材料,还可以在步骤c)中压制至稍低于理论密度的80%的密度。因此,在一个实施方式中,第一压制步骤c)的密度为理论密度的至少75%。术语“理论密度的百分比”表示该部件的密度占材料理论上最高密度的百分比。密度计算为每单位体积的重量。

在一个实施方式中,在步骤b)中在团聚期间添加的元素形式的碳的含量相当于步骤a)中含碳钢中的碳含量与步骤d)后成品钢所需的碳含量之间的差额。应当注意,步骤a)中的含碳钢的碳含量可能非常低。

在一个实施方式中,步骤b)中元素形式的碳以石墨的形式加入。在一个实施方式中,步骤b)中元素形式的碳以碳粉的形式加入。在一个实施方式中,步骤b)中元素形式的碳以平均粒度在0.1-10μm区间内的颗粒形式加入。这是一个优点,因为小颗粒产生一个较大的表面,可以更快地与周围的物质反应。任何形式的碳可作为小颗粒加入,包括但不限于石墨。

在一个实施方式中,步骤b)中元素形式的碳以包含悬浮在整个液体中的碳的不溶性颗粒的胶体的形式加入。胶态悬浮液中元素形式的碳可以是任何类型的含碳颗粒,包括但不限于元素碳和石墨。加入胶体形式的碳具有确保碳颗粒均匀分布的优点。固体颗粒在液体中的胶态悬浮液也称为溶胶。优选地,溶胶是稳定的,并且来自颗粒的布朗运动的力具有与重力相同或更大的数量级,使得溶胶不能靠重力而沉降。这确保了部件中碳的均匀分布。在一个实施方式中通过加入分散剂维持溶胶的稳定性。

当在还原气氛中烧结含碳钢时,重要的是控制碳含量。

通过新的工艺,其中可以以超细石墨的形式加入纯碳,由于碳在现有的粉末颗粒上是小颗粒的形式,所以很明显,碳甚至更容易被除去,且由于部件/材料是多孔的,因此碳极其容易减少。孔隙度通常为10-15%(相当于理论密度的85-90%的密度),允许气体/气氛在烧结时自由流动。

在一个实施方式中,步骤a)中气体雾化之前的含碳钢被处理,使得碳含量降低至小于0.10wt%,优选小于0.050wt%的碳含量。较低的碳含量防止金属颗粒在气体雾化期间硬化。

来自步骤c)的压制的团聚粉末被烧结。在烧结期间加入包含碳原子的气体,以防止渗碳或脱碳。气体在一个实施方式中为甲烷。还可以使用包括但不限于丙烷和汽油的其他含碳气体实施该方法,但迄今为止所进行的实验表明,至少在实验所使用的设置中,甲烷具有最佳精度和最佳结果。

在步骤d)中,来自步骤c)的压制的团聚粉末被烧结并经HVC和可选的另外的压制步骤。HVC是5米/秒或以上的冲压速度的高速压制。在步骤d)中,设想材料首先用气体烧结,然后进行HVC。因此,步骤d)中的压制可以在时间上分离,即材料可以首先与气体烧结,并在一段时间后进行HVC。

在一个实施方式中,在步骤a)中气体雾化之前的含碳钢用氩氧脱碳工艺处理。氩氧脱碳(AOD)是用于制造不锈钢和其他具有可氧化元素如铬和铝的高级合金的工艺。在初始熔化之后,将金属转移到AOD容器中,在该容器中进行三步精炼;脱碳,还原和脱硫。

在一个实施方式中,步骤a)中气体雾化之前的含碳钢在真空炉中被处理。

在第二方面,提供根据上述过程制造的完全致密组件,其具有高于理论密度的98%的密度,其中组件包括含碳钢。在一个实施方式中,其密度高于理论密度的99%。

在另一方面,提供一种制备含碳钢的完全致密组件(即密度高于理论密度的98wt%,优选高于99wt%)的工艺,所述工艺包括以下步骤:

a)通过气体雾化制备含碳钢的粉末,

b)将来自步骤a)的粉末与至少一种水胶体团聚,

c)在第一压制步骤中将来自步骤b)的团聚粉末压制至理论密度的至少80wt%的密度,

其中所述含碳钢通过上述步骤a)至c)是可硬化的,其中在步骤a)中气体雾化之前的含碳钢被处理,使得碳含量降低到小于0.15wt%的碳含量,并且在步骤b)中的团聚期间加入元素形式的碳。

在一个实施方式中,在步骤b)中在团聚期间添加的元素形式的碳的含量相当于步骤a)中含碳钢中的碳含量与步骤d)后成品钢所需的碳含量之间的差额。

在一个实施方式中,步骤b)中元素形式的碳以石墨的形式加入。在一个实施方式中,步骤b)中元素形式的碳以碳粉的形式加入。

在一个实施方式中,在步骤a)中气体雾化之前的含碳钢被处理,使得碳含量降低至小于0.10wt%,优选小于0.050wt%的碳含量。

在一个实施方式中,将来自步骤c)的压制的团聚粉末烧结。在一个实施方式中,在烧结期间加入包含碳原子的气体,以防止渗碳或脱碳。在一个实施方式中,气体是甲烷。

在一个实施方式中,对来自步骤c)的压制的团聚粉末进行至少一种选自由烧结和HVC(高速压制,即冲压速度超过5米/秒的压制)组成的组的处理。

在一个实施方式中,在步骤a)中气体雾化之前的含碳钢用氩氧脱碳工艺处理。在一个实施方式中,步骤a)中气体雾化之前的含碳钢在真空炉中处理。

可以在不脱离本发明构思的情况下自由组合上述所描述的替代实施方式或实施方式的部分,只要该组合不相互矛盾。

通过阅读说明书和实施方式,本发明的其它特征和用途及其相关优点对于本领域技术人员将是显而易见的。

应当理解,本发明不限于此处所示的特定实施方式。提供这些实施方式是出于说明的目的,并非旨在限制本发明的范围,因为本发明的范围仅由所附权利要求及其等同物限制。

以下给出了该新工艺的一些示例。

实施例

实施例1,比较例

将碳含量为约0.4wt%的42CrMo4钢种雾化并筛分至最大粒度为150μm的粉末。将粉末团聚,然后在所谓的HVC(高速压制)压机中压制。测量压制组件的密度约为标称密度(理论密度)的74%。这是一个非常低的值。相比之下,标准不锈钢316L(1.40404)型被压制成具有大致相同的参数的90%的密度。很明显,即使钢材进一步得到最佳的处理,达到98-99%的最终密度就算是可能的也是非常困难的,而这个最终密度是必要的,以便与相同的锻造材料相比,成品组件得到足够的性能。

实施例2

还有与实施例1相同的钢等级的另一个实验。在这种情况下,钢通过所谓的AOD(氩氧化脱碳剂),在此所述钢中的碳含量降低到低于0.1wt%,特别是0.08wt%的碳含量。AOD处理后,将所述钢雾化成如上所述的粉末并团聚。用相同的参数压制后,获得了理论密度的86%的压制组件。为了确保压制后的组件具有适当的碳含量,向团聚混合物中添加细碎石墨,补偿了用AOD去除的碳。随后烧结过程中的气氛为氢气,并加入少量甲烷,其浓度使得烧结过程中不会发生脱碳。添加的石墨被玻璃料吸收,并且在整个组件中获得均匀的碳含量分布。在1250℃下烧结,随后退火,再次进行HVC以及最终烧结,得到最终密度为理论密度的99.2%。成品组件呈现正常结构和正常预期的机械值。

实施例3

重复与实施例2相同的实验,但碳被还原成0.012wt%的碳。在HVC下压制达到理论密度的91%的密度。在这种情况下,采用上述步骤的最终密度为99.6%。

实施例4,比较例

在另一个实施例中,制造通常用于制造球轴承的钢。该种钢被称为100Cr6(1.3505)。该种钢的碳含量约为1wt%,硬化时相对“硬”。直接压制后的密度仅为理论密度的72%,因此最终密度未达到高于理论密度的94%。

实施例5

重复与实施例4相同的工艺,但是其中碳含量降低至0.009wt%并根据本发明制备。导致压制成分的密度为90%。最终密度为99.2%,成品组件具备良好的性能。用甲烷和HVC烧结后得到最终的密度。

实施例6

具有分析对应球轴承钢100Cr 6/EN 1.3350但碳含量为0.05%的粉末用水解胶体团聚。在团聚过程中,碳以粒度为1-3μm的胶体石墨的形式加入。石墨的含量如此计算,最终碳含量应为标准锻造材料范围内的1.05%。

将部件在HVC压机中压制至理论密度的87%。

然后将这些部件在具有0.4m立方体形式的炉空间的CM型间歇炉中加热到1170℃的温度。直至400℃,粘合剂/水胶体蒸发,加热速度为100℃/小时,之后为200℃/小时。纯氢气流量为每小时1.6立方米。

以不同的速率通过流量计加入甲烷。刻度上的100点,代表每小时1.0×10-2m3的甲烷流量,这意味着约1wt%的载气是氢气。

在第一次测试中,添加量为刻度上的60点。最终的碳分析为0.46wt%的碳,这意味着添加的甲烷量太低了。

第二次试验的刻度为80点,表示最终碳含量为0.78wt%C。

下一次100点给出0.98wt%的碳含量,

刻度上的120个点给出1.13wt%的最终碳含量。

上述试验表明,对于刻度在100-110点之间的甲烷,得到的碳含量在上述100Cr 6的材料的标准限度内,其为0.93-1.05wt%的碳。

在整个循环期间测量的露点开始于无载炉-60℃,但在烧结期间升高至约-20℃。

实施例7

与实施例6类似的试验,使用其它含碳气体,如丙烷,汽油等同样可行,但在这种特定设置中并没有给出与甲烷相同的精度和稳定性。因此,似乎甲烷具有稳定的行为,并且可以适当地在工业上用于控制烧结上述材料时的最终碳含量。高达1250℃的烧结测试证实了这一行为。

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