用于合并到烧结合金中的硬粒子和耐磨铁基烧结合金及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及适于合并到烧结合金中的硬粒子。本发明特别涉及适于提高烧结合金的耐磨性的硬粒子、涉及含有该硬粒子的耐磨铁基烧结合金，还涉及制造这种烧结合金的方法。
【背景技术】
[0002]在例如阀座中传统上使用具有含铁基质的烧结合金。可以将硬粒子合并到烧结合金中以进一步提高烧结合金的耐磨性。硬粒子通常如下合并到烧结合金中。将硬粒子粉末混入具有低合金钢或不锈钢组合物的粉末中以获得混合粉末。用这种混合粉末形成生压坯。然后将该生压坯烧结以制造烧结合金。
[0003]日本专利申请公开N0.2001-181807 (JP 2001-181807A)描述了含有按质量％计Mo:20 至 60%、C:0.2 至 3%、N1:5 至 40%、Mn:l 至 15%和 Cr:0.1 至 10%且余量为 Fe 和不可避免的杂质的硬粒子。其中还指出例如可以将Co添加到这些硬粒子中。
[0004]使用这些硬粒子，在制造含铁基质的烧结合金时，可以改进硬粒子与作为基料的含铁基质之间的粘合性。此外，由于在硬粒子处由Mo形成的氧化膜，可以抑制粘着磨损。
[0005]通过将Ni添加到JP 2001-181807A中描述的硬粒子中，可以提高固溶在该硬粒子中的Mo量。这有助于改进添加的Mo的氧化特性并由此改进耐磨性。此外，Co具有低堆垛层错能，因此，将Co添加到该硬粒子中可提高该硬粒子的硬度和改进耐磨性。但是，当在压实前已通过添加Co提高硬粒子的硬度时，可能损害模压成生压坯的可模压性。此外，这种Ni和Co比其它元素昂贵，从而造成添加了 Ni和/或Co的硬粒子的高原材料成本。
[0006]考虑到这些点，例如，铁钼(Fe-Mo-Si)硬粒子具有低成本，因为它们不含钴或镍。在铁钼(Fe-Mo-Si)硬粒子的情况下，由于包含Si，该硬粒子本身具有高硬度。但是，在铁钼合金与作为基质的铁基粉末一起压实并烧结时，形成Si氧化膜。Si氧化膜的形成可能导致随之阻碍烧结过程中硬粒子与含铁基质之间的固溶扩散。然后可能降低硬粒子与含铁基质的粘合强度并可能降低烧结合金的耐磨性。此外，由于Si的氧化抑制了 Mo的氧化，硬粒子处的Mo氧化膜的形成受阻。结果，由于在滑动过程中Si氧化膜的破裂而暴露出铁，因此最终促进粘着磨损。
[0007]发明概述
[0008]本发明提供用于合并到烧结合金中的硬粒子，其可以廉价地提高通过生压坯的烧结提供的烧结合金的耐磨性，同时提高在烧结前模压成生压坯的可模压性。本发明还提供含有该硬粒子的耐磨铁基烧结合金和制造这种烧结合金的方法。
[0009]希望提高固溶体中的C量以在不使用Co的情况下提高合并到烧结合金中的硬粒子的硬度。但是，当在硬粒子制造过程中提高固溶体中的C量时，随之与Mo形成碳化物并可能因此抑制Mo氧化物的生成。此外，当压实前硬粒子的硬度太高时，损害了压实过程中的可模压性，因此所得烧结合金的机械强度可能最终降低。
[0010]本发明的第一方面涉及用于合并到烧结合金中的硬粒子。作为原材料合并到烧结合金中的硬粒子由下述成分构成:20至60质量％的Mo、3至15质量％的Mn、以及由Fe和不可避免的杂质构成的余量。
[0011]由于该硬粒子不含C并且不含Co，本发明的硬粒子比合并到烧结合金中的传统硬粒子软。因此，提高了压实过程中的模压密度并提高了与作为基质原材料的铁基粉末的接触面积，因此提高了铁从含铁基质向硬粒子中的扩散。由此提高了硬粒子与含铁基质的粘合并随之提高了烧结合金的机械强度。
[0012]硬粒子中存在的Mo形成Mo碳化物，以致硬粒子的硬度和耐磨性提高。此外，由于Mo碳化物和固溶在硬粒子中的Mo形成Mo氧化膜，Mo有效地提高固体润滑。当Mo的量低于上文指出的下限值时，归因于硬粒子处的Mo氧化膜的固体润滑不足并促进烧结合金的粘着磨损。当超过上文指出的上限值时，在烧结时与含铁基质的粘合降低。这导致烧结合金的机械强度降低。
[0013]在烧结过程中，该硬粒子中存在的Mn有效地从硬粒子扩散到烧结合金的基质中并因此有效地改进硬粒子与基质之间的粘合。Mn还使得基质中的奥氏体增加。
[0014]当Mn含量比上文指出的下限值低得多时，几乎不扩散到基质中并降低硬粒子与基质之间的粘合。当Mn含量比上文指出的上限值高得多时，烧结合金的密度降低。
[0015]本发明的第二方面涉及用于合并到烧结合金中的硬粒子。作为原材料合并到烧结合金中的硬粒子由下述成分构成:20至60质量％的Mo、3至15质量％的Mn、大于0.01至0.5质量％的C、和由Fe和不可避免的杂质构成的余量。
[0016]由于将C添加量限制为不多于0.5质量％，在硬粒子中抑制了由C和Mo生成碳化物。因此，甚至不添加Ni也可提高固溶在硬粒子中的Mo量。
[0017]当C添加量超过0.5质量％时，容易在Mo和C之间形成碳化物。结果，硬粒子变硬并随之损害可压实性并降低与含铁基质的粘合性。烧结合金的机械强度可能因此降低。
[0018]第三方面涉及耐磨铁基烧结合金，其通过将由上述硬粒子构成的粉末与作为基质的铁基粉末混合以使硬粒子分散并烧结而提供。该烧结合金含有15至60质量％硬粒子。
[0019]根据第三方面，由于该烧结合金含有占该烧结合金的15至60质量％的硬粒子，可以改进该烧结合金的机械强度及其耐磨性。
[0020]当此处的硬粒子含量低于该烧结合金的15质量％时，由于硬粒子含量不足，可能无法令人满意地表现出硬粒子对耐磨性的作用。另一方面，当硬粒子含量超过该烧结合金的60质量％时，含铁基质的比例降低。结果，可能无法使硬粒子在烧结合金中保持充足的粘合强度。因此，在生成磨损的环境(例如接触/滑动环境)中硬粒子可能从烧结合金中脱出并然后促进烧结合金的磨损。
[0021 ] 第四方面涉及制造耐磨铁基烧结合金的方法，其使用上述用于合并到烧结合金中的硬粒子。在根据第四方面的制造烧结合金的方法中，通过将作为基质的铁基粉末与0.2至2质量％石墨粉和15至60质量％由上述硬粒子构成的粉末混合，制造混合粉末。将这种混合粉末压实，然后在石墨粉中的碳(C)扩散到硬粒子中的同时烧结。
[0022]通过根据这一制造方法使硬粒子粉末含量为15至60质量％，提高了烧结合金的耐磨性及其机械强度。此外，可以提高硬粒子的硬度，因为石墨粉中的C扩散到硬粒子中。
[0023]可以使用由此构造的烧结合金形成阀座。在高温环境中可能发生如上所述的接触过程中的粘着磨损与滑动过程中的磨料磨损的混合磨损模式。甚至在这种情况下，也可以提高用于阀座的硬粒子的硬度而不损害硬粒子的原有固体润滑。因此，与迄今可实现的相比，可以更显著改进阀座的耐磨性。
[0024]本发明可以廉价地提高由生压坯的烧结提供的烧结合金的耐磨性，同时提高在烧结前模压成生压坯的可模压性。
[0025]附图简述
[0026]下面参照附图描述本发明的示例性实施方案的特征、优点以及技术和工业意义，其中类似数字是指类似元件，且其中:
[0027]图1是描述根据实施例1至7和对比例I至6的硬粒子的表；
[0028]图2是描述根据实施例8至25和对比例7至17的烧结合金的表；且
[0029]图3是描述实施例和对比例中的磨损试验的图。
[0030]实施方案的详述
[0031]该实施方案的硬粒子是用于合并到烧结合金中、即作为原材料合并到烧结合金中的硬粒子。这一实施方案的硬粒子具有比烧结合金的基质高的硬度。该硬粒子由下述成分构成:20至60质量％的此和3至15质量％的Mn，且余量为Fe和不可避免的杂质。
[0032]可以通过雾化法制造这些硬粒子，其中将具有上述组成的熔体雾化。在用于制造硬粒子的另一方法中，通过机械粉碎将通过该熔体的固化提供的固体转化成粉末。作为雾化法，可以选择气雾化法或水雾化法。通过气雾化法制造硬粒子尤其提供了优异的烧结性能，因为获得圆形硬粒子，气雾化法因此更优选。
[0033]可以将硬粒子组成的下限和上限换成合适的值。可以根据下述组成限制的原因以及根据目标部件或结构的硬度、固体润滑、粘合性和成本以及各种性质的重要性确定这些合适的值。
[0034]首先，考虑硬粒子组成中的Mo，由于形成Mo碳化物，硬粒子的硬度提高且耐磨性提高。此外，Mo碳化物和固溶在硬粒子中的Mo形成Mo氧化膜，因此Mo有效地改进固体润滑。
[0035]当Mo含量小于20质量％时，该硬粒子具有高的初始氧化温度并抑制Mo氧化物的生成。烧结金属的耐磨性因此最终降低。另一方面，当Mo含量超过60质量％时，在进行烧结时该硬粒子与含铁基质之间的粘合性降低。该硬粒子的更优选的Mo含量为22至55质量％。
[0036]硬粒子组成中的Mn在烧结过程中有效地从硬粒子扩散到烧结合金的基质中，并因此有效地改进硬粒子与基质之间的