专利名称：高强度低合金化烧结钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铁基低合金化粉末以及一种含有这种粉末和添加剂的粉末组合物，由这种粉末组合物烧结部件的方法，以及由这种粉末组合物烧结而成的部件。这种粉末和粉末组合物被设计成可在生产粉末烧结零件产品时有效地降低成本。
背景技术：
在工业上，正在越来越广泛地使用通过压实和烧结金属粉末组合物制成的金属产品。在生产许多不同形状和不同厚度的产品的同时，产品的质量要求也在不断提高，而同时还希望降低成本。例如通过压制和烧结铁基粉末组合物并结合高度的材料利用率来获得要求较少加工量来获得成品形状的网状部件或近网状部件，这一技术与传统的金属部件成形技术如铸造、由棒材机加工部件或锻造相比具有巨大的优势。然而，与压制和烧结方法相关联的一个问题是烧结部件中存在一定数量的孔，这降低了部件的强度。克服由部件多孔性引起的对机械性能的负面影响从根本上有两种方法1)通过添加合金化元素如碳、铜、镍、钼等可提高烧结部件的强度；幻可以通过增加粉末组合物的可压缩性，和/或为了较高的压坯密度(green density)增加压实压力，或者增加部件在烧结过程中的收缩率，可减少烧结部件的孔隙。实践中，使用通过添加合金化元素和减少孔隙度相结合的方式强化部件。通常有三种方式合金化铁粉末预合金化、混合和扩散合金化。预合金化的一个优点是可以保证合金化元素能在整个合金中较好的分布。可是，它的缺点是预合金材料中的合金化元素降低了可压缩性。当通过混合添加合金化元素时，可压缩性不受负面影响。但会出现分布和偏析的问题，这是因为为了提高烧结时的扩散能力，合金化元素颗粒经常需要比基础材料颗粒小的多。扩散结合提供了一种中间路径的解决方案。合金化元素混合到基础材料中，然后在还原性气氛中热处理，从而使小的合金化元素颗粒通过扩散结合至大的颗粒，这样就降低了偏析的危险且保持了较好的可压缩性。铬作为一种合金化元素可以通过固溶体硬化来强化基体。铬会增加烧结体的可硬化性、抗氧化性和抗磨损性。目前的解决方案包括用铬作为合金化元素。然而，这些产品为了能够产生正面效果需要在烧结过程中很好的控制气氛。本发明涉及在除铬之外的合金， 因而降低了对烧结设备和/或控制的要求。在烧结时，已压实或压制部件(压坯部件(green component))的金属粉末颗粒将会以固体相互扩散形成强的结合，称为烧结颈部(sintering neck)。结果得到了适合低等或中等性能应用的相对高密度的网状部件或近网状部件。典型地，由铁粉末和铜及石墨混合制备烧结部件。其他类型的材料建议包括用镍、钼和少量的镁预合金化的铁粉末来提高铁可硬化性且不会产生稳定的氧化物。也经常添加可以机加工性提高试剂如MnS。各种汽车部件已经通过压制和烧结技术制造出来。期望改善烧结部件的性能，使更多的部件被这种节约成本的技术取代。然而，汽车部件的制造是大批量且成本敏感应用， 具有严格的性能、设计、耐用要求要求。因而非常需要价格有效的材料。
US3901661、US4069044、US4266974、US5605559、US6348080 和 W003/106079 描述了含钼的粉末。当用钼预合金化粉末来制造压制和烧结的部件时，在烧结部件中容易生成贝氏体。特别地，当使用较低钼含量的粉末时，生成的粗的贝氏体会有损部件的机加工性能， 这尤其对需要较好机加工性能的部件会是一个问题。另外，钼是一种比较昂贵的合金化元
ο然而，在US560559中通过保持Mn非常低已经在钼合金粉末中获得了精细珠光体的微结构。据报道Mo通过Mo的碳化物的固溶体硬化和沉淀硬化等改善钢的强度。然而， 当Mo的含量低于约0. 1重量％时，它的效果非常小。Mn通过改善其可硬化性来改善热处理材料的强度。然而当Mn的含量超过约0. 08重量％时，会在合金钢粉末的表面生成氧化物而降低其可压实性。但保持Mn在较低含量需要较高的费用，尤其是使用便宜的废钢生产时，因为废钢中Mn的含量在0. 1重量％以上。因而由此生产的粉末也相对昂贵。US4954171中描述了一种用于粉末冶金方法生产烧结部件的粉末和一种高强度烧结合金钢。但所述的合金钢中含有高含量的Mo，例如其要求保护的0. 65-3. 50重量％。这些产品的获得需要较高费用的工艺路线，例如双压实和高温烧结。发明目的本发明的一个目的是提供一种适用于生产烧结部件例如生产汽车部件的铁基低合金化粉末。本发明的另一个目的是提供一种具有较高性价比的扩散结合的粉末合金。本发明的再一个目的是提供一种通过经济上高效的工艺路线生产的具有高强度的烧结部件，所述工艺路线优选一次压实后以常规的温度烧结，然后再进行热处理。这样的部件如齿轮，链轮例如凸轮轴和曲柄轴链轮，同步轴等。
发明内容
本发明的至少一个目的通过以下方式实现-一种水雾化(atomize)低合金化钢粉末，其包含以百分比计0. 45-1. 50的Ni， 0. 3-0. 55的Mo，0. 09-0. 3的Mn,低于0. 2的Cu,低于0. 1的C,低于0. 25的0，低于0. 5的无法避免的杂质，余量为铁。其中M和Mo通过扩散合金化的方法进行合金化。-基于此钢粉末的一种组合物，其具有以百分比计石墨形式的0.35-1.0的C，和任选的0. 05-2. 0的润滑剂和/或铜粉形式的0-3. 0的Cu，和任选的硬质相材料和机加工性提高试剂。-一种生产烧结部件的方法，其包括以下步骤a)准备上述的铁基钢粉末组合物；b)在400_2000MPa的压力下压实所述组合物；c)在1000-1400°C的还原性气氛中烧结获得的压坯部件；以及d)对生成的烧结部件进行热处理，例如淬火和回火。-一种由上述组合物制得的部件。这种钢粉末含有较低的和限定的含量的合金化元素，基本上不含铬和钒，且能够获得在1120°C烧结20分钟并随后进行油淬火和回火时抗拉强度至少为lOOOMPa，优选高于 1020MPa，最优选高于1040MPa的部件。
下面将参照附图对本发明进行说明，其中附图1是第一材料材料A的金相图(metallogic image)，显示了按照本发明的几乎全部是马氏体结构和很少量的斑点状富Ni奥氏体区域(附图中的亮点)；以及，附图2是现有技术材料ref2样品的金相图，其显示了马氏体结构中含有许多富Ni 奥氏体区域(附图2中的亮点)。本发明实施例的具体说明制备铁基合金钢粉末由水雾化熔融铁制备纯铁粉末，这些雾化的粉末在进行扩散合金化之前，可以进一步经过还原性退火处理。扩散结合合金粉末的颗粒度可以为任何的尺寸，只要它适合压制和烧结或者粉末锻造即可。合适的颗粒度是例如已知的瑞典HGganSsAB公司的 ASC100.四粉末的颗粒度，其在180um以上的最多为2. 0重量％，在45um以下的为15-30重量％。钢粉末成分锰将增加钢粉末的强度、硬度和可硬化性。同时，如果锰的含量太低除非在生产钢的过程中进行特殊的降低处理，不能使用廉价的、回收的废钢，而这样做将会增加成本。锰的含量超过0.3重量％将会增加钢粉末中含锰内含物的形成，但同时也会由于固溶体硬化和铁素体硬度的增加而对可压实性产生负面影响。因此，锰的含量不应该超过0. 3重量％。 因而锰的含量优选应大于0. 1重量％且低于0. 3重量％，更优选的含量范围是0. 15-0. 3重量％。镍将增加强度和硬度，同时还可提供良好的延展性能。然而，镍含量低于0. 45重量％将不会产生足够的可硬化性方面的合金化效果并同时不利于镍在部件中的均勻分布。 镍含量高于1. 50重量％将会倾向于在热处理过程中形成富Ni奥氏体，这会降低材料的强度。但是，镍还是一种昂贵的元素，因而希望镍的含量尽可能的低。另外，我们发现当镍的含量低于0. 9重量％，甚至低于0. 65重量％，当镍扩散粘结至铁粉末的表面时，将会获得性能优良的成品。因此优选镍的含量最高为0.9重量％，更优选最多为0.65重量％。因而镍的含量范围应当为0. 45-0. 90重量％，优选为0. 40-0. 65重量％。在这个范围内，与镍的预合金化相比，镍的完全扩散结合更有助于提高烧结颈部强度。优选所有的镍成分都是扩散结合的镍，即都结合至铁粉末的表面。然而小含量的镍也可作为预合金化的镍，优选含量低于0. 05重量％。氧含量最多为0. 25重量％。太高的氧含量有损于烧结部件并任选锻造的部件的强度，而且会损害粉末的可压实性。因为这些原因，0含量优选最多为0. 18重量％。铜的含量应当低于0.2重量％，铬的含量应低于0. 1重量％。钼在烧结后可稳定铁素体。部件中铁-镍体系中钼的含量低于0. 3重量％时硬度比较差。太高含量的钼也不会显著提高部件的性能。这个体系中钼的最佳含量为0. 3-0. 55 重量％，优选为0. 35-0. 55重量％，最优选为0. 40-0. 55重量％。在这个范围内，扩散结合的钼更优于预合金化的钼。原因在于有限数量的钼位于颗粒边界区域内对可硬化性的贡献要优于位于基体内。优选所有的钼都是扩散结合方式的钼，即，都结合在铁粉末的表面。然而小含量的钼也可以作为预合金化的钼，优选含量低于0. 05重量％。碳在钢粉末中最多为0. 1重量％，氮最多为0. 1重量％。更高的含量将不可接受地降低粉末的可压实性。偶然的杂质例如磷硅、铝、铬、钒以及类似物质的含量应低于0. 5重量％，以不损害钢粉末的可压实性或形成有害内含物，优选含量低于0. 3重量％。发明人惊讶地发现，粉末组合物产生的烧结颈部加强效果在烧结和热处理后会产生比之前期望的更加优良的性能，由此得到在至少为7. 0g/Cm3MPa，优选至少为7. lg/cm3的烧结密度下，抗拉强度至少为lOOOMPa，优选高于1020MPa，最优选高于1040MPa的烧结部件。可以通过如下获得这种等级的烧结密度和抗拉强度，即在600MI^下压实后在1120°C烧结20分钟，随后进行油淬火和回火。粉末组合物在压实前，铁基钢粉末与石墨、任选的铜粉和/或润滑剂、任选的硬质相材料和机加工性提高试剂进行混合。为了增强烧结部件的强度和硬度，在基体中添加碳。以石墨形式的碳C以组合物的0. 35-1. 0%的量添加。低于0. 35重量％的碳会导致强度太低，而高于1. 0重量％的碳将导致产生过量的碳化物，使得硬度过高而有损机加工性能。如果在烧结后，按照包括渗碳或碳氮共渗的热处理工艺对部件进行热处理，石墨添加可以被排除或限制在0. 35%以下。在组合物中添加润滑剂来使得部件的压实和取出更加容易。添加的润滑剂量低于组合物的0. 05重量％时效果不明显，而高于组合物的2重量％会导致压实体的密度低。润滑剂可选自金属硬脂酸盐、蜡、脂肪酸及衍生物，低聚物、聚合物和具有润滑效果的其它有机物。铜Cu是一种粉末冶金领域中经常使用的合金化元素。铜将会通过固溶体硬化来增强强度和硬度，铜也会使得更容易在烧结过程中产生烧结颈部，因为铜在烧结温度之前便熔化而发生所谓的液相烧结。粉末中可任选混合铜，优选量为0-3重量％的Cu。其它的物质，例如硬质相材料，机加工性提高试剂，例如MnS、MoS2, CaF2以及其它不同类型的物质也可以添加。烧结铁基粉末组合物被转移到模具中，然后施加大约400-2000MPa的压实压力至高于约6. 75g/cm3的压坯密度。进一步将得到的压坯部件在大约1000-1400°C的还原性气氛中烧结。如果上述部件在一般温度下烧结，这一温度通常是1000-1200°C，优选为1050-1180°C， 最优选为1080-1160°C。如果上述部件在高温下烧结，这一温度通常为1200-1400°C，优选为 1200-1300°C，最优选为 1220-U80°C。烧结后处理为了能获得期望的微结构，烧结后的部件可进行包括控制的冷却速率的热处理。 硬化处理工艺可包括已知的工艺如淬火和回火，表面硬化，渗氮，渗碳，氮碳共渗，碳氮共渗，感应淬火或者类似工艺。或者，可采用高的冷却速率下的烧结硬化工艺。例如对于包括渗碳的热处理工艺， 添加的石墨量可以为0. 15-0. 35重量％。也可使用其它类型的烧结后处理工艺，例如表面滚压或喷丸硬化，其由于产生了压缩的残余应力而提高了疲劳寿命。成品部件的性能本发明提供了一种新的低合金化材料，其具有至少IOOOMPa的抗拉强度，优选超过1020MPa，最优选超过1040MPa，，烧结密度至少为7. Og/cm3,优选至少为7. lg/cm3。这种等级的烧结密度和抗拉强度可以例如通过以下工艺获得，即在600MPa下压实、然后在1120°C 下烧结20分钟，然后进行油淬火和回火。使用本发明的低合金化水雾化粉末，可以制备出其微结构的特征在于在包含马氏体的基体中斑点状富镍奥氏体的含量受限或较低的烧结部件。基体中还可包括马氏体和贝氏体和/或珠光体。所述基体的特征还在于具有不均勻分布的钼。发明人惊讶地发现根据本发明的烧结态部件的机加工性能要明显好于通过高合金化材料烧结制备的部件。实施例1通过向纯铁粉末中添加合金化元素，并在还原性气氛中热处理粉末混合物来制备合金化的铁基钢粉末，小颗粒度的合金化元素颗粒通过扩散结合至大颗粒度的颗粒。表1 列出了不同粉末的化学组成。所有粉末(A，B, Refl-3)的颗粒度尺寸都低于150um。粉末 A，B都基于110@31^8 48公司生产的43(100.四铁粉末，并通过扩散结合含镍粉末(基本纯镍的细颗粒)和含钼粉末(含钼氧化物的细颗粒)。Ref. 1基于IKganSs AB公司生产的铁粉末ASC100.四，并通过扩散结合含镍粉末(基本纯镍的细颗粒)和含钼粉末(含钼氧化物的细颗粒)；Ref. 2基于HSganSs AB公司生产的铁粉末ASCIOO. 29，并通过扩散结合含镍粉末(基本纯镍的细颗粒)、含钼粉末(含钼氧化物的细颗粒)和含铜粉末(基本纯铜的细颗粒)。Ref. 3通过预合金化制备而成。扩散结合的各种粉末(A，B, Ref. 1，Ref. 2)和预合金化的粉末(Ref. 3)的化学分析如表1所示。表1、钢粉末A，B和参考粉末的化学成分
粉末Mo[%]Ni[%]Cu[%]Mn[%]c[%]0[%]A0.500.50-0.170.0020.08B0.510.87-0.120.0020.08Ref. 10.890.89-<0.100.0020.08Ref.20.504.01.5<0.100.0020.08Ref.3 (预合金化)0.600.450.30.0040.13制得的钢粉末与0. 6重量％的购于KropfmUhl的石墨UF4和0. 8重量％的购于瑞典HSganas AB公司的Amide Wax PM的组合物混合。制得的粉末组合物装入模具，然后再在600MPa的压实压力下压实形成压坯部件。 压实的压坯部件在实验室带式炉中在90%的氮气和10%的氢气的气氛中、在1120°C烧结 20分钟。烧结的试样在碳势(carbon potential)为0. 6%的气氛中在840°C热处理20分钟，然后进行油淬火。然后试样再进一步在200°C回火60分钟。烧结试样根据ASTME9-89C测试伸长率和测试抗拉强度，根据SS-EN ISO 6508-1测试硬度HRC。根据Em0045-1测试冲击能。表2示出了在制备试样前添加到组合物中的石墨的量，以及在1120°C烧结和热处理的试样的化学分析的结果。还示出了抗拉强度测试、冲击能测试和硬度测试的结果。表2、添加的石墨量、C分析，抗拉强度、冲击能以及硬度测试
权利要求
1.一种水雾化铁基钢粉末，以重量百分含量计其包括 0. 45-0. 90 的 Ni,0. 30-0. 55 的 Mo， 0. 1-0. 3 的 Mn， 低于0. 2的Cu， 低于0. 1的C， 低于0. 25的0，低于0. 5的不可避免的杂质，并且余量为铁，并且其中的Ni和Mo通过扩散合金化工艺被合金化。
2.根据权利要求1所述的粉末，其中Ni的含量范围为0.45-0. 65重量％。
3.根据权利要求1或2所述的粉末，其中Mo的含量范围为0.45-0. 55重量％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的粉末，其中Mn的含量高于0.15重量％。
5.一种铁基粉末组合物，包括根据权利要求1-4任一项所述的钢粉末并与组合物的 0. 35-1. 0重量％的石墨、任选的组合物的0. 05-2. 0重量％的润滑剂、和/或0-3. 0重量％ 的铜、以及任选的添加硬质相材料和机加工性提高试剂混合。
6.一种制备烧结部件的方法，包括以下步骤a)制备如权利要求65所述的铁基钢粉末组合物；b)对所述组合物在400-2000MPa的压力下进行压实，优选400-1OOOMPa，更优选 500-800MPa ；c)在1000-1400°C下在还原性气氛中烧结制得的压坯部件，优选1100-1300°C；和d)任选地将制得的烧结部件进行热处理，如淬火和回火。
7.一种由权利要求5所述的组合物制得的烧结部件。
8.根据权利要求7所述的部件，其具有至少为IOOOMPa的抗拉强度，优选超过 1020MPa，最优选超过1040MPa，烧结密度至少为7. Og/cm3，优选至少为7. lg/cm3，并且优选具有特征在于在含马氏体基体中斑点状富M奥氏体含量较少的微观结构。
全文摘要
一种水雾化铁基钢粉末，以重量百分含量计其包括0.45-1.50的Ni，0.30-0.55的Mo，低于0.3的Mn，低于0.2的Cu，低于0.1的C，低于0.25的O，低于0.5的不可避免的杂质，余量为铁，并且其中的Ni和Mo通过扩散合金化工艺被合金化。
文档编号B22F9/08GK102439189SQ201080022591
公开日2012年5月2日 申请日期2010年5月21日 优先权日2009年5月22日
发明者Y·于, 弘世德光 申请人:霍加纳斯公司(Publ)