铁基粉末组合物的制作方法

专利名称：铁基粉末组合物的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铁基(粉末)组合物、由该粉末组合物制造烧结构件的方法和由该粉末组合物制成的烧结构件。该粉末组合物设计成获得结合有最佳粉末性能如该粉末组合物的流率和松装密度的、具有提高的疲劳强度的烧结件。
背景技术：
在エ 业中，通过压实和烧结金属粉末组合物来制造金属产品的应用越来越普及。制造出了具有各种形状和厚度的多种不同产品，并且在希望降低成本的同时，品质要求不断提高。由于要求最低限度的加工以便达到最終形状的近净形构件或净形构件通过对铁粉组合物进行加压和烧结而获得，这意味着高的材料利用率，所以该技术与用于形成金属件的常规技术如从棒料或锻件模制或机加工相比具有很大优势。然而，与加压和烧结法相关的ー个问题是烧结构件包含一定量的气孔，降低了构件的強度。基本上有两种方式来克服由构件孔隙率导致的对机械性能的负面影响1)可通过引入掺杂元素(合金元素，alloying element)如碳、铜、镍、钥等来提高烧结构件的强度。2)可通过提高粉末组合物的压缩率和/或提高用于较高的生坯密度的压实压力或增加构件在烧结期间的收缩率来减小烧结构件的孔隙率。在实践中，采用通过添加掺杂元素来强化构件与最大限度地减小孔隙率的组合。存在三种使铁粉合金化的常见方式预合金化、混合和扩散合金化。在烧结期间，压实或压紧的构件(即生坯构件)的金属粉末颗粒将以固态一起扩散而形成强粘合，即所谓的烧结颈。结果是形成适合于低或中等性能应用的相对高密的净形或近净形件。通常，烧结制品通过与铜粉和石墨粉混合的鉄粉制成。建议的其它类型的材料包括与镍和钥以及少量锰预合金化以改进铁可淬硬性而不形成稳定的氧化物的鉄粉。通常还添加机械加工性改进剂如MnS。如US2002/0146341A1中提及的，烧结构件的动态机械性能如疲劳强度受孔大小影响。烧结结构中存在的大孔的量越低，其动态机械性能就越好。US2002/0146341A1记载了使用细润滑剂颗粒来改善动态性能。减小孔大小的一种有效方式是在压实时使用更细的粉末。然而，细粉末组合物不是自由流动的，因此不能在商业上使用。已提出通过附聚来通过增大所述过程中的颗粒的平均粒度/颗粒大小来改善细粉末的流动性(W098/25720，US7163569B2)。附聚存在的一个缺点是将在粘合的小颗粒之间以及附聚的颗粒之间形成孔隙，因此降低了粉末组合物的松装密度，并因此需要具有更大的填充深度的工具腔。WO 2007/078232公开了使用脂肪族醇、润滑剂和流动剂的组合来减少粉末分离和起尘，改善粉末流动性和松装密度，以及减小压实的粉末的生坯构件的脱模カ和空间扩展。该文献并未具体涉及细粉末。发明目的
本发明的ー个目的是提供一种适合用于制造具有提高的疲劳强度的烧结构件的铁基粉末组合物，其具有良好的粉末性能，例如流动性和松装密度。本发明的另一目的是提供一种用于制造具有提高的疲劳强度的烧结构件的方法。

发明内容
这些目的中的至少ー个以及将从下文的说明变得明显的其它目的通过本发明来实现，根据一方面，本发明提供了一种粘合的冶金粉末组合物，其包含具有在20-60 μ m的范围内的加权平均粒度的铁基粉末，其量按重量计为所述组合物的80% ;石墨粉末，其量按重量计介于组合物的O. 15-1. 0%之间；粘合剂，其量按重量计介于组合物的O. 05-2. 0%之间；流动剂，其量按重量计介于组合物的O. 001-0. 2%之间；其中，石墨粉末借助于粘合剂与铁基粉末颗粒结合，该粉末组合物具有至少3. 10g/cm3的松装密度和最多30s/50g的霍尔流率(hall flow rate)。根据另一方面，本发明提供了一种用于制造具有提高的強度的烧结构件的方法， 该方法包括提供根据本发明的上述方面的粉末组合物；在400与2000MPa之间对该组合物进行压实，以制造生坯构件；在1000-1400で之间的温度下在还原气氛中烧结该生坯构件；以及使烧结构件经受热处理，例如淬火和/或回火。或者，可使用烧结硬化过程。根据另一方面，本发明提供了一种根据本发明的上述方法制造的经热处理的烧结构件。已出乎意料地发现，可在不存在铁基粉末颗粒的附聚的情况下获得细粉末组合物的良好的流动性和松装密度。根据本发明，这通过制备ー种特殊类型的粘合的粉末组合物来实现，其中较小的颗粒如石墨和其它掺杂元素与相对较大的细铁基颗粒结合。尤其出乎意料的是粘合的组合物的平均粒度与基粉末的粒度相比仅略微增大。更加出乎意料的是，发现从粘合的细粉末组合物制造的压实和烧结构件与从较粗粉末或非粘合粉末制造的对应构件相比具有提高的強度和延展性。以前认为，不可能获得足够快速和均匀以允许高强度构件的连续エ业化生产的细粉末的流动性，其中所述构件对于每个构件以及当与不同的构件比较时具有同质特性。而现已发现，可通过连续的和エ业上有益的过程获得从细铁基粉末制造的具有良好的強度性能的构件，所述铁基粉末在通过激光衍射——例如使用在得到的压实件中提供较小的孔的Sympatec设备——测量时具有在约60 μ m以下、更优选在50 μ m以下的加权平均粒度。然而，还发现对于具有太细的铁基粉末的组合物，未能维持细粉末组合物的改善的性能。如果加权平均粒度过低，则即使对于粘合的组合物也无法维持改善的霍尔流率。此夕卜，压缩率随着粒度减小而减小，从而使生坯密度更低。还出乎意料地发现，如果粉末组合物具有过小的平均粒度，则从该粉末组合物制造的烧结构件的抗拉强度和疲劳强度不会进ー步提高。事实上，对于过小的平均粒度，抗拉强度和疲劳强度甚至可能降低。因此，已发现加权平均粒度应高于约20 μ m,更优选高于30 μ m,例如高于40 μ m。如上所述，重要的是粉末组合物具有良好的霍尔流率。因此，本发明的组合物具有最多30s/50g的霍尔流率。最多28s/50g如最多26s/50g或最多24s/50g的更加改善的霍尔流率可为有利的。还如上文所述，重要的是粉末组合物具有高松装密度。因此，本发明的组合物具有至少3. IOg/cm3的松装密度。更加高的松装密度3. 15g/cm3如3. 20g/cm3可为有利的。该冶金粉末组合物包含铁或铁基粉末，其量按重量计为该冶金粉末组合物的至少80%,例如按重量计为该冶金粉末组合物的至少90%。该铁基粉末可为任何类型的铁基粉末，例如水雾化铁粉、还原铁粉、预合金化铁基粉末或扩散合金化铁基粉末。作为掺杂元素的石墨粘合到铁基粉末上。此外，其它掺杂元素可以可选地被包含在该粉末组合物中并与铁基粉末粘合。与铁或铁基颗粒粘合的掺杂元素的示例可选自由石墨、Cu、Ni、Cr、Mn、Si、V、Mo、P、W、S和Nb组成的组。这些添加剂一般是具有小于铁基粉末的粒度的粉末，并且绝大多数掺杂元素具有小于约20 μ m的平均粒度。该冶金粉末组合物中的掺杂元素的量取决于特定掺杂元素和烧结构件的期望最終性能。具体而言，包含铜和/或镍作为掺杂元素可为有利的。例如，该组合物可包含按重量计高达3.0%的铜和/或按 重量计高达3.0%的镍。掺杂元素中的至少ー种可借助于热扩散粘合过程与铁基粉末颗粒结合。可存在的与铁基粉末颗粒粘合的其它粉状添加剂为硬质相材料(hard phasemat er i a I)、液相成形材料和机械加工性改进剂。在粘合之后，平均粒度可増大，因为颗粒由此也可包含结合的掺杂元素和/或其它添加剂以及铁基粉末颗粒。然而，ー些添加剂颗粒可能未被结合，从而减小了平均粒度。所述平均粒度与铁基粉末本身相比改变不超过约20%。因此，结合的组合物也可具有在60 μ m以下、有利地在50 μ m以下且20 μ m以上、有利地在30 μ m以上、例如在40 μ m以上的平均粒度。所述粘合剂可为任何合适的粘合剂，例如分子量在500-3000g/mol的范围内的聚こ烯蜡；硬脂酸；伯或仲、饱和的或未饱和的脂肪酰胺；脂肪酸双酰胺；但使用脂肪族醇作为粘合剂可为有利的。用于粘合掺杂元素的脂肪族醇和/或可选的添加剂优选是饱和的，直链的，并含有14至30个碳原子，因为它们对于用于粘合掺杂元素和/或其它可选的添加剂的熔接技术来说具有有利的熔点。优选地，所述脂肪族醇选自由十六醇、十八醇、二十醇、二十ニ醇和二十四醇组成的组，并且最优选地，选自由十八醇、二十醇和二十ニ醇组成的组。所使用的脂肪族醇的量按重量计可介于冶金组合物的O. 05%与2%之间，优选介于O. 1%与1%之间，最优选介于O. 1%与O. 8%之间。也可使用脂肪族醇的组合作为粘结剂。用语“粘结剂”或等同的用语“粘合剤”可具有润滑性能，并且在这种情况下可将粘结剂视为润滑粘结剂。为了使新的粉末组合物具有令人满意的流动性，可添加流动剂。之前从公开了可使用金属、金属氧化物或ニ氧化硅作为流动剂的美国专利No. 3，357，818和美国专利5，782，954获知这种制剂。当使用炭黑作为流动剂时获得了特别好的結果。瑞典专利申请0401778-6中公开了使用炭黑作为流动剂。已发现，流动剂例如炭黑的量按重量计应该介于O. 001%与O. 2%之间，优选介于O. 01%与O. 1%之间。此外，已发现炭黑的主粒度可有利地在200nm以下，更优选在IOOnm以下，最优选在50nm以下。


图I是图示了根据本发明的组合物与预混组合物和基粉末相比的霍尔流率与加权平均粒度(X50)之间的关系的图表。
具体实施例方式铁基基粉末的制备可通过对可选地包含掺杂元素如钥、铬、镍或锰的铁熔体进行水雾化来制造纯铁粉或铁基粉末。经雾化的粉末可进ー步经受还原退火过程，并可选地利用扩散合金化过程而被合金化。或者，该铁基粉末可与粉末形式的掺杂元素混合，如下文所述。根据本发明的铁基粉末的粒度可足够小，以确保按重量计至少98%的粉末通过75 μ m筛、优选63 μ m筛。然而，允许颗粒过小可能是不利的。因此，按重量计最大15%的粉末、如按重量计最大10%的粉末可通过15 μ m筛或者应小于15 μ m筛。因此，使用具有在20-60 μ m、优选在30-50 μ m的范围内的加权平均粒度可为有利的。粉末组合物在压实之前，可将铁基粉末与石墨混合，并且可选地与铜粉和/或润滑剂混合，并可与硬质相材料和/或机械加工性改进剂混合。为了提高烧结构件的強度和硬度，可将碳引入基质中。可以组合物的按重量计O. 35-1. 0%之间的量的石墨来添加碳C。小于按重量计O. 35%的量的C可导致过低的强度，而高于按重量计1.0%的量的C可导致碳化物的过量形成，产生过高的硬度并使机械加工性能恶化。假如烧结构件的热处理包括渗碳，则所添加的石墨的量可小于按重量计O. 35%,例如高于按重量计O. 15%。在冶金粉末领域中普遍使用铜Cu作为掺杂元素。Cu能够通过固熔体硬化而提高強度和硬度。Cu还能够有利于在烧结期间形成烧结颈，因为铜在达到烧结温度之前熔化，从而提供所谓的液相烧结。铁基粉末可以可选地与优选以粉末组合物的按重量计0-3%的量的Cu混合。在冶金粉末领域中普遍使用镍Ni作为掺杂元素。铁基粉末可以可选地与优选以粉末组合物的按重量计0-3%的量的Ni混合。该粉末组合物还可包含钥作为掺杂元素，钥的量按重量计高达组合物的3. 0%。所述钥能以预合金化的形式存在。钥Mo通过改善的可淬硬性而提高了 PM钢的强度。预合金化为铁基粉末的钥对粉末的硬度和压缩性具有些许影响。可添加其它物质如硬质相材料和机械加工性改进剂如MnS、MoS2、CaF2、不同类型的矿物质等。为提高该粉末组合物的压缩率，并有利于生坯构件的脱模，可对粉末冶金组合物添加有机润滑剂或不同的有机润滑剂的组合。所述润滑剂可作为自由颗粒粉末存在或者与铁基粉末的表面結合。尽管被用作粘合剂的脂肪族醇也具有润滑性能，但使用附加润滑剂可为有利的。本发明的固体有机润滑剂的类型并不关键，但由于金属有机润滑剂存在的缺点(在烧结期间生成金属氧化物残留物)，所述有机润滑剂优选不包含金属。硬脂酸锌是常用的润滑剤，其提供良好的流动性能和高AD。然而，除了在烧结期间生成氧化锌残留物以外，另ー缺点是该材料可能在烧结构件的表面上产生污点。因此，所述有机润滑剂可选自具有润滑性能的多种有机物质。此类物质的示例是脂肪酸、蜡、聚合物或其衍生物和混合物。优选的润滑、剂是伯酰胺如硬脂酰胺、花生酰胺和山嵛酸酰胺，仲酰胺如十八硬脂酰胺(stearylstearicamide)，以及双酰胺如こ撑双硬脂酸酰胺。流动性改进エ艺由于具有根据本发明的粒度的粉末组合物通常不会适当地流动，所以重要的是在压实之前提高流率。为实现这一点，使用流动性改进エ艺，包括提供粘合剂、流动剂和可选地使用润滑剤。这与附聚エ艺相反，可在将松装密度和平均粒度保持在相似水平的同时改善流动性。此外，可提高松装密度。烧结可将铁基粉末组合物传递到模具中并使其经受约400_2000MPa的压实压力，以达到高于约6. 70g/cm3、优选高于6. 80g/cm3、更优选高于6. 9g/cm3且甚至更优选高于7. OOg/cm3的生坯密度。在约1000-1400°C的温度下在还原气氛中对所获得的生坯构件进ー步进行烧结。如果要在规定的烧结温度下对构件进行烧结，则这通常在1000-1200°C、优选在 1050-1180°C、最优选在1080-1160°C下执行。如果要在高温下对构件进行烧结，则这通常在1200-1400°C、优选在 1200-1300°C 且最优选在 1220_1280°C 下执行。烧结后处理烧结构件可经受热处理过程，以获得期望的微结构，例如硬化过程。所述硬化过程可包括公知的过程，例如淬火和回火、表层硬化、渗氮、渗碳、软氮化、碳氮共渗、感应硬化等。或者，可采用高冷却速率的烧结硬化过程。如果所述热处理包括渗碳，则所添加的石墨的量按重量计可小于O. 35%,例如按重量计高于O. 15%。可采用其它类型的烧结后处理，例如表面滚压或引入压缩残余应カ以提高疲劳强度的喷丸加工。成品构件的件能根据本发明的构件与从标准粒度的非粘结铁粉(即，已通过250 μ m筛的粉末)制造的构件相比疲劳强度提高约20%。示例示例 I从可从HiiganMs AB购得的粉末Astaloy Mo筛出不同的粒级(fraction)。I.未筛的基粉末(S卩，已通过250 μ m筛的颗粒)2. -106 μ m3. -75 μ m4. -63 μ m5. -45 μ m通过激光衍射(Sympatec)分析粒级的粒度分布,并在制备混合物24小时后根据ISO标准ISO 4490和3923-1来测量霍尔流率和松装密度。对于每一粉末粒级，通过以下组分形成混合物预混物(基准)Astaloy Μο+0· 石墨+O. Amidewax PM粘合的混合物Astal0yTM Mo+0. 2%石墨+0. 8%润滑粘合剂+0. 03%流动剂使用可从Kropfmiihl购得的石墨(C-UF4)和可从Clariant购得的Amidewax PM润滑剤。所使用的润滑粘合剂为山嵛醇，并且所述流动剂为具有小于50nm的平均粒度的炭黑。对所述混合物进行以下分析■石墨和润滑剂/粘合剂含量的化学分析■ 24h后的霍尔流率和松装密度■根据ISO 3927在400MPa、600MPa和800MPa下的压缩率对于每ー种混合物，在700MPa下对以下样本进行加压■根据ISO 2740的抗拉强度(TS)样本■根据ISO 5754的冲击能(IE)样本■根据ISO 3928的疲劳强度(FS)样本，带有斜切边在90/10vol % N2/H2的气氛中在1250°C下将包括生坯密度(⑶)样本的样本烧结30分钟。在烧结之后，对样品进行表层硬化。以O. 8%碳势和30分钟渗碳时间接着在油中淬火而在920°C下执行奥氏体化。使样本在空气中在180°C下退火60分钟。对TS-样本评估烧结密度和碳含量。对IE样本测量冲击能。通过平面弯曲测试疲劳强度，R = -I。对于每ー种材料，测试25个样本。在测试前谨慎地研磨样本的边缘以去除毛刺。对于该评估，使用根据MPIF标准56的阶梯法(staircase method)。根据ISO 6802-1测量抗拉强度。对所有五种粘合的混合物进行抗拉强度和疲劳强度测试。测试基于标准粒级基粉末的预混物和基于-45 μ m粒级基粉末的预混物的抗拉强度和疲劳强度。表I :不同粒度的基粉末的性能
权利要求
1.一种粘合的冶金粉末组合物，包含 具有在20 μ m-60 μ m的范围内的加权平均粒度的铁基粉末，所述铁基粉末的量按重量计为所述组合物的至少80%, 石墨粉末，所述石墨粉末的量按重量计介于所述组合物的O. 15% -I. 0%之间， 粘合剂，所述粘合剂的量按重量计介于所述组合物的O. 05% -2. 0%之间， 流动剂，所述流动剂的量按重量计介于所述组合物的O. 001% -O. 2%之间； 其中，所述石墨粉末借助于所述粘合剂与所述铁基粉末颗粒结合， 所述粉末组合物具有至少3. 10g/cm3的松装密度和最多30s/50g的霍尔流率。
2.根据权利要求I所述的粉末组合物，其特征在于，所述铁基粉末具有在30μ m-50 μ m的范围内的加权平均粒度。
3.根据权利要求I或2所述的粉末组合物，其特征在于，所述粉末组合物具有至少3.15g/cm3、例如至少3. 20g/cm3的松装密度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的粉末组合物，其特征在于，所述粉末组合物具有最多28s/50g、例如最多26s/50g的霍尔流率。
5.根据前述权利要求中任一项所述的粉末组合物，其特征在于，所述粉末组合物还包含铜作为掺杂元素，所述铜的量按重量计高达所述组合物的3. 0%,其中,所述掺杂元素呈粉末形式。
6.根据前述权利要求中任一项所述的粉末组合物，其特征在干，所述粉末组合物还包含镍作为掺杂元素，所述镍的量按重量计高达所述组合物的3. O%，其中，所述掺杂元素呈粉末形式。
7.根据前述权利要求中任一项所述的粉末组合物，其特征在于，所述粉末组合物还包含钥作为掺杂元素，所述钥的量按重量计高达所述组合物的3. 0%。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的粉末组合物，其特征在于，所述掺杂元素中的至少ー种借助于所述粘合剂与所述铁基粉末颗粒结合。
9.根据权利要求5-7中任一项所述的粉末组合物，其特征在于，所述掺杂元素中的至少ー种借助于热扩散粘合过程与所述铁基粉末颗粒结合。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的粉末组合物，其特征在干，钥以预合金化形式存在。
11.根据前述权利要求中任一项所述的粉末组合物，其特征在于，所述粉末组合物还包含借助于所述粘合剂以粉末形式与所述铁基粉末颗粒结合的硬质相材料和/或机械加工性改进剂。
12.根据前述权利要求中任一项所述的粉末组合物，其特征在于，所述粘合剂是饱和或未饱和、直链的或分支的C14-C3tl脂肪族醇。
13.一种用于制造具有提高的強度的烧结构件的方法，包括 提供根据前述权利要求中任一项所述的粉末组合物； 在400MPa与2000MPa之间对所述组合物进行压实，以制造生坯构件； 在1000°C -1400°C的温度下在还原气氛中烧结所述生坯构件；以及 对经烧结的构件进行热处理。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述热处理包括淬火、烧结硬化和/或回火。
15.ー种根据权利要求13或14所述的方法制造的经热处理的烧结构件。
16.ー种根据权利要求15所述的制造的经热处理的烧结构件，其特征在干，抗拉强度为至少1180MPa。
17.ー种根据权利要求15或16所述的制造的经热处理的烧结构件，其特征在于，疲劳强度σ 50高于550MPa。
全文摘要
本发明涉及一种粘合的冶金粉末组合物，包含具有在20-60μm的范围内的加权平均粒度的铁基粉末，其量按重量计为组合物的至少80％；石墨粉末，其量按重量计介于组合物的0.15-1.0％之间；粘合剂，其量按重量计介于组合物的0.05-2.0％之间；流动剂，其量按重量计介于组合物的0.001-0.2％之间；其中，所述石墨粉末借助于粘合剂与铁基粉末颗粒结合，该粉末组合物具有至少3.10g/cm3的松装密度和最多30s/50g的霍尔流率。本发明还涉及一种用于从本发明的组合物制造具有提高的强度的烧结构件的方法，以及一种根据所述方法制造的经热处理的烧结构件。
文档编号B22F1/02GK102666895SQ201080048341
公开日2012年9月12日 申请日期2010年10月26日 优先权日2009年10月26日
发明者M·拉松 申请人:霍加纳斯股份有限公司