专利名称：铁基粉末组合物的制作方法
技术领域：
本发明涉及铁基粉末冶金组合物和由其制备烧结粉末冶金部件的方法。更具体 地，本发明涉及使用这些组合物制造包括镍以及镍和铜的烧结部件。
背景技术：
在粉末冶金领域中，在高强度烧结部件的制造中已长期使用铜和镍作为合金元素。烧结的铁基部件可以通过将合金元素与铁基粉末混合来制造。但是，这可能造成 粉尘和分离问题，分离可能导致烧结部件的尺寸和机械性质的变化。至于粉末冶金中所用 的镍粉，不“起尘”是最重要的，因为镍尘是危险的并造成工作环境问题。为避免分离，可以 将合金元素与铁粉预合金化或扩散合金化。在一种方法中，使铁粉与铜和镍扩散合金化，以 由含镍和铜的铁基粉末组合物制造烧结部件。但是很显然，当由铜和镍扩散合金化的粉末制造烧结铁基部件时，该烧结铁基部 件中的合金元素含量与所用扩散合金化粉末中的合金元素含量基本相同，为了在烧结部件 中获得不同的合金元素含量以产生不同性质，必须使用具有不同的合金元素含量的铁基粉末。问题尤其在于，对于具有选自例如镍或与铜结合的镍的合金元素的烧结铁基部件 的各所需化学组成而言，都需要特定的粉末。另一问题是确保具有选自镍或与铜组分结合 的镍并与纯铁粉结合的合金元素的这种烧结铁基部件的适当机械性质。
发明概要本发明的目的尤其是解决现有技术的上述技术问题。已经出乎意料地发现，当含镍的扩散合金化粉末与基本上纯的铁粉联合使用时， 以及当镍合金化的铁基粉末与具有扩散结合到表面上的铜的铁粉和基本上纯的铁粉联合 使用时，扩散结合到铁粉上的镍的含量对于例如下述性质而言非常重要-压实和烧结的部件之间的尺寸变化，-烧结部件的机械性质，-含扩散结合的镍的粉末的可压缩性，和-镍与铁粉的结合程度。对于含有铁、镍和碳的部件，为了获得充足的硬度、拉伸强度和屈服强度以及充足 的低且稳定的尺寸变化，以及高度结合的镍粒子，已经发现，扩散结合到含镍的扩散合金化 粉末的表面上的镍的量应该为4至7重量％，优选4. 5至6重量％。本发明还提供了一种方法，其中不需要为具有选自例如镍或者与铜结合的镍的合 金元素的烧结铁基部件的各所需化学组成制造专用粉末。本发明还提供了下述优点——提 供了铁粉、与铜扩散合金化的铁粉和与镍扩散合金化的铁粉的组合物，其中合金元素的分 离最小化，并且因此由所述组合物制成的部件的机械性质的变化最小化。
简言之，本发明涉及与基本上纯的铁粉混合的镍合金化铁基粉末的粉末冶金组合 物。所述镍合金化的铁基粉末包含铁芯粒子(其与镍扩散合金化)。另外，所述粉末冶金粉末可以进一步包含另外与铜扩散合金化的纯铁粉粒子。本发明还涉及铁基粉末，其包含与镍扩散合金化的铁芯粒子。本发明还涉及包括下述步骤的方法将基本上纯的铁粉与具有扩散结合到铁粉表 面上的镍的铁粉合并，或将基本上纯的铁粉与具有扩散结合到铁粉表面上的镍的粉末和具 有扩散结合到铁粉表面上的铜的铁粉合并，以预定量将这些铁基粉末混合，可能将该组合 物与石墨和/或任选地其它添加剂混合，压实该混合物并将所得生坯烧结成烧结体，其具 有可忽略的合金元素变化和机械性质变化。发明详述具体而言，本发明的铁基粉末冶金组合物可以例如包含下述材料或由下述材料构 成-基本由铁芯粒子构成的铁基粉末A，其中4至7重量％、优选4.5至6重量％的 镍扩散合金化到所述芯粒子上，和-基本由纯铁粒子构成的铁基粉末B。铁基粉末B基本由纯铁粒子构成或由基本上纯的铁构成、或铁基粉末A基本由与 镍扩散合金化的铁芯粒子构成是指粒子总量仅含指定的粒子和痕量的其它组分，其中“痕 量”是指其它组分不是有意加入的。特别地，所述基本上纯的铁粉不与任何其它金属预合金化。任选地，所述粉末冶金组合物可以包含铁基粉末C，铁基粉末C基本由具有扩散合
金化到芯粒子上的铜的铁芯粒子构成。“基本由......构成”对粉末C具有与对粉末A和
B所述的相同的定义。合适的粉末可以是可获自H6ganSSAB，Sweden的具有大约10重 量％的扩散合金化到铁粉上的铜的Distaloy Cu和Distaloy ACu，或可获自H6gan5SAB， Sweden的具有大约25重量％的扩散合金化到铁粉上的铜的Distaloy MH。可以存在预合金化到粉末A、B和C的基础粉末上的其它元素，例如杂质，例如镍、 铜、铬、硅、磷和锰。为了由本发明的粉末组合物制造烧结部件，确定粉末A和B或者粉末A、B和C的 各自的量，并与所需量的石墨混合以获得足够的机械性质，可以在将所得混合物压实和烧 结之前将其与其它添加剂混合。与该粉末组合物混合的石墨的量最多为1%，优选0.2至 0. 8%。其它添加剂可以选自由润滑剂、粘合剂、其它合金元素、硬相材料、机械性能增强 剂组成的组。优选选择粉末A、B和C之间的关系，以使铜含量为烧结部件的0至4重量％，优选 0. 5至3重量％，且镍含量为烧结部件的0. 5至6重量％，优选1至5重量％。将所述粉末与石墨混合以获得最终所需的碳含量。在400至lOOOMPa的压实压力 将粉末组合物压实，在保护性气氛中在1100至1300°C将所得生坯烧结10至60分钟。可以 对烧结体进行进一步的后处理，例如热处理、表面致密化、机械加工等。根据本发明，可以制造含有各种量的镍或者铜和镍的烧结部件。这是使用两种(A 和B)或三种(A和B和C)不同粉末的组合实现的，将它们以不同比例混合以获得具有实际烧结部件所需的化学组成的粉末。实施例1此实施例表明扩散结合到铁粉表面上的镍的不同含量的影响。通过将按重量计分别2%、4%、6%、10%、15%和20%的Ni粉(来自INCO Europe Ltd, UK的INCO 123)根据表1与来自H6ganSs AB，Sweden的铁粉ASC100. 29混合，制造 具有扩散结合到铁粉表面上的不同镍含量的铁基粉末。然后通过在离解氨(25%氢、75% 氮)气氛中将该粉末在840°C在60分钟的时间内退火，对该混合粉末施以扩散结合处理。 将所得材料进一步压碎和筛分，并获得粒度小于212微米的粉末。金相学结构和机械件质按照表1将如上制成的粉末进一步与ASC100. 29 (除样品2_2和4_4之外)、来自 Kropfmuhl AG, Germany的石墨UF4和作为润滑剂的来自Clariant，Germany的酰胺蜡混合， 产生了含有2重量％或4重量％的镍、0. 8%的石墨和0. 8%的酰胺蜡的粉末冶金组合物。 为了比较，制造具有2重量％或4重量％的混合的镍粉、0. 8重量％石墨和0. 8重量％酰胺 蜡的粉末冶金组合物(样品2-0和4-0)。将这些组合物根据ISO 2740在600MPa压成拉伸试样，将所述试样在90%氮气 /10%氢气的气氛中在1120°C进一步烧结30分钟。表 1 根据EN 10002-1测试所得烧结样品的拉伸和屈服强度，根据ISO 4498测试硬度， 根据ISO 4492测试尺寸变化。通过光学显微术进行金相学检查。表2显示了金相学检查的结果，表3显示了机 械测试的结果。表2 表2中呈现的结果表明，当镍粉与铁粉混合时，镍在基质中的分布不均勻，并获得 了较不合意的金相学结构(样品2-0和4-0)。另一方面，当明显多于6重量％的镍扩散结 合(扩散合金化)到铁粉上时，该结构含有粗珠光体和奥氏体，它们对机械性质、尤其是疲 劳强度具有负面影响。表3 表3表明，当将镍粉与铁粉混合时，尺寸变化明显高于镍粉扩散结合到铁粉上时 的情况。此外，扩散结合到铁粉上的镍量的提高不利地影响拉伸强度和屈服强度，大约高于 扩散结合粉末的6重量％可能被认为是不可接受的。可压缩件的测定进一步测试具有按重量计2%、4%、6%、10%、15%和20%的扩散结合到铁粉表面上的镍的所得扩散结合粉末的可压缩性。根据ISO 3927用润滑的模具在600MPa将样品 压实成生坯密度试样。表4显示生坯密度测量结果。表 4 表4的结果表明，当明显多于6%的镍粉扩散结合到铁粉上时，对可压缩性产生了 不可接受的不利影响。结合稈度的测定对具有按重量计2 %、4%、6 %、10 %、15 %和20 %的扩散结合到铁粉表面上的镍 的扩散结合粉末，通过激光衍射法，仪器Sympatec，根据IS013320-1分别测定小于8. 8微米 和18微米的粒子的量。表5显示了结合程度的测量结果。表 5 由于基本所有用于制造扩散结合粉末的铁粉的粒子都大于8. 8微米且只有大约 0. 6重量％的铁粉粒子小于18微米，小于8. 8微米的粒子量和小于18微米的粒子的超出 0. 6重量％以外的粒子的量基本是镍粒子，可以估计未结合的镍粉的量。表5显示，当镍粉明显多于所得扩散结合粉末的6重量％时，大约多于10%的镍粉以未结合的镍形式存在以 及以小于10微米的较细可吸入粉尘形式存在。实施例2此实施例显示了当将含扩散结合的镍的粉末与含扩散结合的铜的铁粉和石墨结 合时，扩散结合到铁粉表面上的镍粉的量对烧结部件的机械性质的影响，根据实施例1制造具有不同镍含量的铁基粉末，分别为按重量计5%、6%、10%、 15%和20%的镍粉扩散结合到铁粉表面上。将所得含镍的扩散结合粉末进一步与含铜的扩散结合铁粉DistaloyACu (可获自 HoganaSAB, Sweden，并具有10%的扩散结合到芯铁粉上的铜)、石墨和如实施例1中所 述的0.8%酰胺蜡混合。表6显示了所得组合物。根据实施例1制造和测试样品，下表7显示了结果。表 6 表 7 表7中呈现的结果表明，当混入铜时，获得了更高的拉伸强度、屈服强度和硬度， 扩散结合到铁粉上的镍量的提高会不利地影响机械性质，大约高于扩散结合粉末的6重 量％可能被认为是不可接受的。
权利要求
粉末冶金组合物，包含-由铁芯粒子构成的铁基粉末A，镍扩散合金化到所述芯粒子上，且其中扩散合金化到所述芯粒子上的所述镍构成所述铁基粉末A的4至7重量％，优选4.5至6重量％，和-基本由纯铁粒子构成的粉末B。
2.根据权利要求1的粉末冶金组合物，其中该粉末冶金组合物进一步包含由铁芯粒子 构成的铁基粉末C，铜扩散合金化到所述芯粒子上。
3.根据权利要求2的粉末冶金组合物，其中扩散合金化到所述芯粒子上的所述铜构成 所述铁基粉末C的5至30重量％，优选5至15重量％。
4.根据权利要求1至3任一项的粉末冶金组合物，其中铜在所述粉末冶金组合物中的 量在0至4重量％、优选0.5至3重量％的范围内。
5.根据前述权利要求任一项的粉末冶金组合物，其中镍在所述粉末冶金组合物中的量 在0.5至6重量％、优选1至5重量％的范围内。
6.根据前述权利要求任一项的粉末冶金组合物，其中该粉末冶金组合物进一步包含石 墨，优选最多达1重量％石墨，更优选0. 2至0. 8重量％石墨。
7.根据前述权利要求任一项的粉末冶金组合物，进一步包含选自由润滑剂、粘合剂、其 它合金元素、硬相材料、机械性能增强剂组成的组的添加剂。
8.包含铁芯粒子的扩散合金化的铁基粉末，其中4至7重量％、优选4.5至6重量％的 镍扩散合金化到所述芯粒子上。
9.制备粉末冶金组合物的方法，该方法包括下述步骤-将包含铁芯粒子、镍扩散合金化到所述芯粒子上的铁基粉末A与粉末冶金组合物混 合，其中扩散合金化到所述芯粒子上的所述镍构成所述铁基粉末A的4至7重量％，优选 4. 5至6重量％，和-将基本由纯铁粒子构成的粉末B与所述粉末冶金组合物混合。
10.根据权利要求9的方法，其中该方法进一步包括下述步骤-将包含铁芯粒子、铜扩散合金化到所述芯粒子上的铁基粉末C与所述粉末冶金组合 物混合。
11.根据权利要求10的方法，其中铜在所述粉末冶金组合物中的量在0.5至4重量％、 优选0.5至3重量％的范围内。
12.根据权利要求10至11任一项的方法，其中镍在所述粉末冶金组合物中的量在0.5 至6重量％、优选1至5重量％的范围内。
13.根据权利要求10至12任一项的方法，其中该方法进一步包括将石墨与所述粉末冶 金组合物混合。
14.根据权利要求10至13任一项的方法，其中该方法进一步包括将选自由润滑剂、粘 合剂、其它合金元素、硬相材料、机械性能增强剂组成的组的添加剂与所述粉末冶金组合物混合。
15.根据权利要求10至14任一项的方法，其中该方法进一步包括将所述粉末冶金组合 物压制形成压实体。
16.根据权利要求15的方法，其中该方法进一步包括将所述压实体烧结。
全文摘要
本发明涉及粉末冶金组合物，包含-包含铁芯粒子的铁基粉末A，镍扩散合金化到所述芯粒子上，且其中扩散合金化到所述芯粒子上的所述镍构成所述铁基粉末A的4至7重量％，优选4.5至6重量％，和-基本由纯铁粒子构成的粉末B。本发明还涉及制备粉末冶金组合物的方法。
文档编号B22F9/00GK101842178SQ200880107326
公开日2010年9月22日 申请日期2008年7月10日 优先权日2007年7月17日
发明者M·拉松 申请人:霍加纳斯股份有限公司