专利名称：：铁基粉末的制作方法
技术领域：
：本发明涉及具有良好高温抗氧化性的雾化铁基粉末，更特别涉及与铬和铝预合金化的粉末。
背景技术：
：一种常用的铁l合金通常包含Fe、10至30%的Cr和1至10%的Al，即所谓FeCrAl合金，已发现该合金由于良好的抗氧化性而在多种高温下具有非常高的应用价值，并可用于高达1200至1400。C的温度。例如，这些材料被用来制造电阻元件和汽车催化剂的栽体材料。由于其铝成分，该合金能在高温和大多数气氛中形成基本由Ah03构成的非可渗的、附着性的表面氧化物。该氧化物保护金属免受进一步的氧化，并免受许多其它形式的腐蚀，例如渗碳、硫化等。然而粉末冶金中的一个问题是上述FeCrAl粉末难以烧结，因为氧化铝比氧化铬较难被还原。通过扩散作用的烧结颈的形成被氧化铝削弱，如果该问题可以克服则是有利。US5,970,306公开了通过热等静压(HIP)由FeCrAl粉末制造耐高温的成形部件的方法。DE4,235,141>^开了一种由基于FeCrAl合金的热压粉末制造部件的方法，其中首先将粉末暴露在含氧气氛中，以在颗粒的周围形成氧化铬。US6,761,751公开了一种通过气雾化法制造FeCrAl材料的方法，该材料不仅含有铁(Fe)、铬(Cr)和铝(Al)，还含有少量的钼(Mo)、铪(Hf)、锆(Zr)、钇(Y)、氮(N)、碳(C)和氧(O)中的一种或多种。US6,569,221公开了一种粉末冶金FeCrAl合金，其以重量％计包含小于0.02%的碳、大于0.0且<0.5%的硅、大于0.0且《0.2%的锰、10.0至40.0%的铬、<0.6%的镍、《0.01%的铜、2.0至10.0%的铝、量为0.1至1.0的Sc、Y、La、Ce、Ti、Zr、Hf、V、Nb和Ta中的一种或多种，其余为铁和不可避免的杂质。发明目的本发明的目的是提供一种金属粉末，该粉末当在常规的烧结工艺(例如松装烧结、冷压或温压)烧结时可提供良好的烧结构件，并且烧结的部件具有良好的高温氧化性质。更具体地，本发明的目的是提供一种不锈钢粉末，其包括超过10.5重量％的铬和3至15重量％的铝，但该粉末比现有技术的已知粉末更容易烧结。发明概要通过雾化的4失基粉末实现了上述目的，该粉末与10.5至30重量％的Cr、3至15重量％的Al和5至20重量％的Cu预合金化。将粉末与铜预合金化，可以以常见的烧结工艺将其烧结成部件，并保持了该烧结部件令人满意的材料性能，该部件还具有优良的高温抗氧化性。在第二实施方式中，提出了与10,5至30重量％的Cr、3至15重量％的Al、5至20重量％的Cu以及8至20重量％的Ni预合金化的铁基粉末。本发明的粉末优选如下制造提供铁和所述合金元素的熔体，将该熔体水雾化，由此，经固化由雾化的熔滴形成粉末形式。可以如下所述由本发明的粉末制造烧结部件a)提供包含本发明粉末的烧结材料；b)由所述烧结材料形成生坯；c)在还原或者中性气氛中，在大气压或者低于大气压的压力，在高于110(TC的温度，将所述生坯烧结。例如，可以将烧结材料松装烧结、冷压或者温压。涉及冷压或者温压，烧结材料是粘结剂和/或润滑剂与本发明粉末的混合物。冷压在低于100。C的温度、优选在100至1000MPa之间的压力进行。温压在100至200。C的温度、优选在300至1000MPa之间的压力进行。松装烧结是在不对生坯加压的情况下进行的。这里，烧结材料可以是粘结剂和/或润滑剂与本发明粉末的混合物，也可以是粉末自身，即不将粉末与粘结剂和/或润滑剂混合。例如，当不使用粘结剂时，可将烧结材料倒入模型中，其中将装有该烧结材料的模型插入烧结炉中。例如，通过将本发明粉末松装烧结，可以制造具有优良高温抗氧化性的过滤器。此外，已发现，可由本发明的粉末制造具有优良的高温抗氧化性的烧结部件，该烧结部件具有高于6.5g/cn^的烧结密度、高于500MPa的抗拉强度、高于400MPa屈服强度。图1显示了Fe-Cu相图，和图2A显示了包含Cr、Al、Cu和Fe的试验棒的金相照片，和图2B显示了包含Cr、Al和Fe的试验棒的金相照片，和图3A显示了包含Cr、Al、Cu、Ni和Fe的试验棒的金相照片，和图3B显示了包含Cr、Al、Ni和Fe的试验棒的金相照片。发明详述本发明涉及预合金化的铁基粉末，其包含超过10.5重量％的铬，以及特定量的铝和铜。如上所述，FeCrAl合金已显示出具有优良的高温抗氧化性，但令人遗憾地，在大气压下或更低的压力(真空)烧结困难。这就是基于FeCrAl粉末的复合物要通过HIP法(例如，如US5,970,306所述)制造的原因。通过还与铜预合金化，减少了烧结带来的问题，与不含铜的对比材料相比，烧结结构得到改善。从所附金相照片可以看出，铜组分有利于烧结颈的形成。我们相信，该效果的产生是由于液化的铜破坏了氧化铝层。还将铜与FeCrAl粉末混合后进行测试，但是在这种情况下烧结没有明显的改善。本发明的粉末通过制造铁和需要的合金元素的熔体来制造。然后将该熔体雾化，由此通过固化由雾化的熔滴形成粉末。通过常规^t术(例如气雾化或水雾化)进行雾化。事实上，高度优选将熔体掺合物水雾化，因为水雾化的粉末比气雾化的粉末更容易压实。当由于水雾化而形成粉末时，粉末被氧化，并在粉末颗粒的表面形成薄的氧化铬和氧化铝层。如下所述，测试了铝含量的有效范围，结果发现，为了获得需要的抗氧化性，铝含量应当高于3%，优选地，铝含量应高于5%。然而，如果铝含量过高，熔点就会降低，材料在升高的温度下强度降低。还可认为铝超过一定量后，抗氧化性不明显提高，进一步增大铝含量只会稍提高抗氧化性。因此，根据本发明，铝含量的上限被为15重量％，实际上，优选铝含量低于12重量％。由下述测试获得了铜含量的范围。相应地，铜含量应超过5重量％，以利于烧结颈的形成，并提供具有良好高温抗氧化性的烧结部件。另外，铜含量应低于20重量％,具有高的铜含量的粉末可能对于某些应用非常有用，但它们不在本发明的保护范围内。图1显示了Fe-Cu相图，但相信Cu将以相似的方式影响系统。为了减少/破坏氧化铝层，相信必须形成一定量的液相，即(yFe+L)区域令人关注。由于该相图是纯Fe-Cu系统，因此从中获得的信息只具有指导性。特别令人关注的是烧结过程中形成的液相的量。需要形成液相以破坏氧化铝层，但是过量的液相则会在烧结中破坏结构。形成的液相的量与化学组成和烧结温度有关。对液相形成具有最重要影响的元素是铜。这就是在氧化测试之前根据样品中的铜含量施加不同烧结温度的原因。当然，还可关注其它合金元素。特别地，如果需要获得奥氏体结构，还可使粉末与形成奥氏体的元素(特别是镍，以及与镍等同的锰)预合金化。镍不仅是形成奥氏体的元素，还已知对抗氧化性具有有益影响，这在本发明粉末的预期应用当然也是合意的。如果粉末中还含有镍，优选地，镍含量为8至20重量％。锰也可以是附加的形成奥氏体的合金元素，优选地，锰含量低于3重量％。通常不使用钴，因为其相对比较昂贵。还优选将碳的含量保持较低，因为碳可能导致晶粒间腐蚀，因此，碳含量应优选小于0.1重量％。在所测试的样品中，碳含量为约0.02重量％或更低。还优选将氮含量保持尽可能的低，氮含量优选低于0.2重量％。实施例1通过制造铁和所需合金元素的熔体，制造具有如表1所示组成的七种不同的水雾化粉末。然后将熔体水雾化，从而经固化由雾化的熔滴形成粉末。雾化通过常规的水雾化技术进行。通过提供75nm的最大直径的网栅提取所获粉末。对于各粉末，制备烧结的测试样品。对烧结的测试样品和具有310B组成(25重量％Cr+20重量％Ni+2.5重量％Si+余量的Fe)的对比样品进行下述高温氧化测试。选择310B材料作对比是因为其具有良好的高温抗氧化性。用有关粉末填充模型(直径10mm，厚2mm)，然后使其表面平整，不将粉末压实，由此制得测试样品和对比样品。该工序提供了具有高的比表面积(约45%孔隙率)的样品。将测试样品在100%氢气氛中烧结30分钟，烧结温度取决于Cu的含量参照下表5%Cu1150。C10%Cu1320。C15%Cu1350。C20%Cu1320。C将对比样品在100%氢气氛中在132(TC烧结30分钟。此后，这样制得的测试样品和对比样品已准备好进行高温氧化测试。氧化测试在实验伊Lenton12/50/300中在800。C在空气中进行。将天平MettlerToledoAE260与电脑相连以自动存储数据。通过将6个样品放置在样品架上可以同时测试6个样品，每次测试时，样品中的2个是对比样品。将样品称重，然后放在炉中。进行短周期循环，每个周期包括2分钟的加热和30秒的冷却，该冷却过程足以将样品冷却到15(TC以下。该周期重复15次，因而在炉中30分钟。每在加热区中30分钟之后，将样品称重，记录各次称重的重量增加。在加热区20小时之后测试停止。表1粉末编号化学组成[重量％1,重量增-其余为铁gAlCuCr对比样品重相对于对比样品的量增量[gl重量增加[%j<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>结果表明，粉末6和7的抗氧化性比对比粉末8差。观察铝含量为5.5重量％的样品，即粉末2、4、5和6，可以看到当铜含量从5重量％(样品6)提高到10重量％(粉末4)时抗氧化性明显提高；当铜含量为15重量％(粉末2)时，抗氧化性达到了最高值。当进一步增加铜含量达到20重量％(粉末5)时，抗氧化性结果与含有10重量％铜的粉末(粉末4)相同。可以看出，铜含量为15%时可以提供最好的高温抗氧化性。但粉末5在烧结时明显收缩，表明当铜含量高于约20重量％时形成了过多的液相。比较粉末4与3、粉末2与1,可以看出，当铝含量从5.5重量％增加时，抗氧化性略孩l提高。实施例2进一步在不同的氧化温度测试粉末2和3。下表显示了相对于对比样310B的重量增加。表2测试温度[。Cj■850■9501000粉末3相对于对比粉末2相对于对比样品的重量增加样品的重量增加(%)(%)46432114202422211413备注16小时后4亭止表2表明，在高于800。C的温度，含有铜和铝的样品与对比样品之间的抗氧化性的区别更为明显。此外，5.5%铝和15%铜的化学组成看上去比10%铝和10%铜的化学组成的抗氧化性更好。实施例3为了评价添加的铜含量对烧结密度、抗拉强度和屈服强度的影响，比较了4种不同的粉末。这些粉末与实施例1和2水雾化粉末相同。将这些粉末与1%的Acrawax⑧混合。在600MPa的压制压力将混合物压成拉伸测试棒。将测试棒在1320'C、在100%氢气氛中烧结30分钟。测量烧结密度、抗拉强度和屈服强度。结果如表3所示。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表3表明，如果Al-含Cr或者Cr-Ni不锈钢粉末与Cu预合金化，其密度和机械性质明显提高。这表明烧结活性大大提高。进一步对拉伸测试棒进行金属性检测。金相照片图2A、2B和图3A、3B清楚表明，将铜与Al-含Cr或者Cr-Ni基不锈钢粉末结合明显增强了材料的烧结性。图2A显示了包含22Cr+5.5A1+10Cu+余量铁的测试棒的金相照片。图2B显示了包含22Cr+5.5A1+余量铁的相应对比测试棒的金相照片。图3A显示了包含22Cr+5.5A1+18Ni+8Cu+余量铁的测试棒的金相照片。图2B显示了包含22Cr+5.5A1+18Ni+余量铁的相应对比测试棒的金相照片。权利要求1、一种雾化的预合金铁基粉末，其以重量％计包含10.5至30的Cr3至15的Al5至20的Cu最多0.1的C最多0.2的N最多3.0的Mn最多2.5的Si最多3.0的Mo其余基本仅仅是铁和不可避免的杂质。2、根据权利要求1所述的粉末，其中Al的含量为5至12重量y。。3、根据前述任一项权利要求所述的粉末，其中Cu的含量为7至17重量％。4、根据前述任一项权利要求所述的粉末，其中Cr的含量为15至30重量％。5、根据权利要求4所述的粉末，其中0的含量为20至30重量％。6、根据前述任一项权利要求所述的粉末，其中该粉末还包含8至20重量％的Ni。7、根据前述任一项权利要求所述的粉末，其中该粉末是通过水雾化法制造的。8、制造水雾化的预合金4&粉末的方法，其中该4失基粉末以重量％计包含10.5至30的Cr3至15的A15至20的Cu最多0.1的C最多0.2的N最多3.0的Mn最多2.5的Si最多3.0的Mo其余基本仅仅是铁和不可避免的杂质，所述方法包括提供铁和所述合金元素的熔体，将所述熔体水雾化，从而由雾化的熔滴经固化形成粉末。9、根据权利要求8所述的方法，其中所述铁基粉末还包含8至20重量％的Ni。10、制造烧结部件的方法，包括a)提供含有水雾化的预合金铁基粉末的烧结材料，所述铁基粉末以重量％计包含10.5至30的Cr3至15的A15至20的Cu最多0.1的C最多0.2的N最多3.0的Mn最多2.5的Si最多3.0的Mo其余基本仅仅是铁和不可避免的杂质；b)由所述烧结材料制成生坯；和c)在还原或者中性气氛中、在大气压或者低于大气压的压力、在高于1100。C的温度将所述生坯烧结。11、根据权利要求10所述的方法，其中在a)中，所提供的烧结材料是润滑剂和/或粘结剂与所述水雾化的预合金4失基粉末的混合物。12、根据权利要求ll所述的方法，其中在b)中，所述生坯是通过冷压所述混合物而制成的，其中优选地，压制压力在100至1000MPa之间，且优选地，温度^f氐于10(TC。13、根据权利要求ll所述的方法，其中在b)中，所述生坯是通过温压所述混合物而制成的，其中优选地，压制压力在300至1000MPa之间，且优选地，温度在100至200。C之间。14、根据权利要求10所述的方法，其中在a)中，所提供的烧结材料仅是所述水雾化的预合金4失基粉末。15、根据权利要求11或14所述的方法，其中在不压制所述生坯的情况下使所述生坯成形。16、由权利要求IO至14任一项的方法制成的烧结部件，其中所述部件的烧结密度高于6.5g/cm3。17、由权利要求10至14任一项的方法制成的烧结部件，其中所述部件的抗拉强度高于500MPa。18、由权利要求10至14任一项的方法制成的烧结部件，其中所述部件的屈力l强度高于400MPa。全文摘要本发明涉及一种雾化的预合金铁基粉末，其以重量％计包含10.5至30的Cr、3至15的Al、5至20的Cu、最多0.1的C、最多0.2的N、最多3.0的Mn、最多2.5的Si、最多3.0的Mo，其余基本仅仅是铁和不可避免的杂质。文档编号B22F1/00GK101516549SQ200780026953公开日2009年8月26日申请日期2007年6月20日优先权日2006年7月21日发明者I·豪尔,O·H·莫斯申请人:霍加纳斯公司(Publ)