用于耐磨和耐热应用的粉末金属组合物及其生产方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年3月15日提交的序列号为13/837,549的美国申请的优先权， 其内容整体通过引用合并于此。
技术领域
[0003] 本发明大体设及粉末金属组合物，W及由铁基合金生产粉末金属组合物的方法。
【背景技术】
[0004] 高硬度的预合金的铁基粉末，如工具钢级的粉末，既可W在制造各种制品的粉末 冶金生产中单独使用，也可W与其他粉末金属组合物混合使用。工具钢中含有诸如铭，饥， 钢和鹤的元素，运些元素与碳结合形成各种碳化物，例如MeC，MC，MsC，Μ而和Μ23&。运些碳 化物非常坚硬，有利于工具钢的耐磨性。
[0005] 粉末金属加工的应用允许颗粒完全由合金化的烙化的金属形成，W使得每个颗粒 具有整批烙化的金属的完全合金化的化学组成。该粉末金属加工还允许烙化的金属快速凝 固成小颗粒，从而消除通常与铸件相关联的宏观偏析。在高合金化的钢（如工具钢）中，碳 化物的均匀分布可W在每个颗粒内部实现，从而形成非常硬且耐磨的粉末材料。
[0006] 通常通过雾化来产生粉末。在工具钢和含有大量易于氧化的铭和/或饥的其他合 金中，通常使用气体雾化，其中，烙化的合金流通过喷嘴注入到防护性腔室中并利用高压惰 性气体（诸如氮气）的气流将烙化的金属流分散为液滴。惰性气体防止合金元素在雾化过 程中发生氧化，气雾化的粉末具有典型的平滑的圆形形状。
[0007] 水雾化也常用来生产粉末金属。它与气体雾化类似，不同的是高压水被用来代替 氮气气体作为雾化流体。水可W是更有效的泽火剂，从而与传统气体雾化相比可具有更高 的凝固速率。水雾化的颗粒通常具有更不规则的形状，其更适合于随后压实粉末W使得粉 末金属压实体达到更高的生巧强度。但是，在工具钢和含有大量铭和/或饥的其他钢中，作 为雾化流体作用的水将导致合金元素在雾化过程中发生氧化，并且运些合金元素的聚集使 得它们无法与碳反应形成碳化物。因此，如果使用水雾化，它可能需要接下来进行单独的氧 化还原和/或退火循环，其中，在存在还原剂（诸如粉状石墨，或其它碳源，或其它还原剂， 或通过另一还原过程）的情况下，粉末被加热并保持在高溫下一段很长的时间（近似几小 时或几天）。石墨的碳会与氧结合W释放合金元素，使他们在固结粉末形成生压巧的随后的 烧结和退火阶段中可用于形成碳化物。应当理解，额外的退火/还原步骤和石墨粉末的添 加将增加通过水雾化形成高合金粉末的成本和复杂性。
【发明内容】
[0008] 本发明的一个方面提供一种生产粉末金属组合物的方法，其包括W下步骤：提供 烙融的铁基合金，该铁基合金包括3. 0-7. 0重量％的碳，10. 0-25. 0重量％的铭，1. 0-5. 0 重量％的鹤，3. 5-7. 0重量％的饥，1. 0-5. 0重量％的钢，不超过0. 5重量％的氧，W及至少 40.ο重量％的铁；W及雾化烙融的铁基合金W提供铁基合金的雾化液滴。
[0009] 本发明的另一个方面提供一种生产烧结制品的方法，其包括W下步骤：提供烙融 的铁基合金，该铁基合金包括3. 0-7. 0重量％的碳，10. 0-25. 0重量％的铭，1. 0-5. 0重量％ 的鹤，3. 5-7. 0重量％的饥，1. 0-5. 0重量％的钢，不超过0. 5重量％的氧，W及至少40. 0重 量％的铁；W及雾化烙融的铁基合金W提供铁基合金的雾化液滴，被称为粉末金属组合物。 该方法接下来包括将粉末金属组合物与另一粉末金属混合；压制混合物W形成预成型件； W及烧结该预成型件。
[0010] 本发明的另一个方面提供一种粉末金属组合物，包括：3. 0-7. 0重量％的碳， 10. 0-25. 0重量％的铭，1. 0-5. 0重量％的鹤，3. 5-7. 0重量％的饥，1. 0-5. 0重量％的钢，不 超过0.5重量％的氧，W及至少40.0重量％的铁，基于粉末金属组合物的总重量。
[0011] 本发明的另一个方面提供一种烧结的粉末金属组合物，包括：3.0-7. 0重量％的 碳，10. 0-25. 0重量％的铭，1. 0-5. 0重量％的鹤，3. 5-7. 0重量％的饥，1. 0-5. 0重量％的 钢，不超过0. 5重量％的氧，W及至少40. 0重量％的铁，基于烧结的粉末金属组合物的总重 量。
【附图说明】
[0012] 对于本领域技术人员来说，结合详细描述和示意性地示出了生产粉末的工艺的附 图，本发明的运些和其它特征W及优点将变得更加明显。
[0013] 图1是生产粉末金属组合物的工艺的示意图。
[0014] 图2是硬度与碳含量的关系的曲线图。
【具体实施方式】
[0015] 图1示意性地示出了用于生产高碳的铁基合金粉末（也被称为预烧结的粉末金属 组合物）的工艺。该粉末金属组合物被廉价地生产，与通过气体雾化或传统水雾化工艺获 得的具有较低碳含量的可比合金组合物相比，该粉末金属组合物被认为具有升高的硬度。
[0016] 该工艺首先包括制备一批铁基合金10。该铁基合金与碳化物形成元素完全合金 化，该碳化物形成元素包括铭（化)，钢（Mo)，鹤（W)，和饥（V)。铁基合金是烙融的，然后输 送到雾化器12。在图1的实施例中，雾化器12是水雾化器，但也可替代为气体雾化器。一 些属性可使用气体雾化加W改进（相比于水雾化），例如更好的流动性，表观密度，W及较 低的氧含量。此外，气体雾化提供具有大致圆形形状的液滴。
[0017] 在图1的水雾化步骤中，一种高压水流作用于烙化的批次10的流，将该烙化的流 分散并快速凝固成完全合金化的不规则形状的金属液滴或颗粒。因暴露于水和无保护气 氛，金属颗粒的外表面可能被氧化。雾化的颗粒通过烘干机14,然后在磨床16上被机械研 磨或压碎。也可W使用球磨机或其它机械性减小尺寸的装置。如果雾化液滴上形成有氧化 表皮，颗粒的机械研磨将破碎和分离颗粒的氧化表皮，随后，研磨颗粒从氧化物中分离出来 W获得雾化的粉末金属组合物18和氧化颗粒20。粉末金属颗粒和/或氧化颗粒也可能破 碎，从而减小尺寸。粉末金属组合物18可进一步通过尺寸，形状和其他与粉末金属相关联 的特征进行筛分。
[0018] 提供用于雾化的铁基合金的批次10具有高的碳含量。在一个实施例中，铁基合金 包括至少3.ο重量％的碳，或3. 0-7.ο重量％的碳，或3. 5-4.ο重量％的碳，优选约3. 8重 量％的碳，基于铁基合金的总重量。铁基合金中的碳的量取决于碳化物形成元素的量和组 成。然而，碳的量优选为足W在雾化过程中形成基于粉末金属组合物18的总体积的超过15 体积％的金属碳化物。
[0019] 在铁基合金中添加过量的碳的另一个原因是防止铁基合金在烙化和雾化步骤发 生氧化。碳量的增加降低了氧在烙融的铁基合金中的溶解度。特别是当Cr和/或V的含量 高时，碳的量还确保基质基本上是奥氏体和/或马氏体中的一个，碳化物沉淀在该基质中。
[0020] "低"的氧含量是基于铁基合金的总重量的不超过0. 5重量％。在一个实施例中， 氧含量不超过0. 3重量％，例如为0. 2重量％。烙融物中的氧含量的消耗的益处在于，防止 碳化物形成合金元素，如铭（Cr)，钢（Mo)，鹤（W)，和饥（V)在烙化或雾化步骤中发生氧化， 因此，从而能够自由地与碳结合形成碳化物。
[0021] 铁基合金的铭（化），钢（Mo)，鹤（W)，和饥（V)的量也为足W形成基于粉末金属组 合物18的总体积的至少15体积％的金属碳化物。出于成本的原因，还希望某些碳化物形 成合金元素的量比其他元素的量高。因此，虽然Mo是形成非常坚硬的碳化物（具有高的碳 化物密度）的一个很好的选择，但是目前相对铭来说非常昂贵。为了开发低成本的工具级 质量的钢，其具有与更昂贵的传统