烧结合金及其制备方法

专利名称：烧结合金及其制备方法
烧结合金及其制备方法相关专利申请的交叉引用本申请基于并要求于2011年9月7日提交的在先日本专利申请No. 2011-195087的优先权；其全部内容通过引用的方式并入本申请。背景1.技术领域 本发明涉及一种适用于涡轮增压器所用涡轮部件的烧结合金及该烧结合金的制备方法，其中的涡轮部件特别为喷嘴本体等需要耐热性、耐腐蚀性以及耐磨性的部件。2.
背景技术：
一般，在内燃机中设置的涡轮增压器中，涡轮可旋转地被涡轮机外壳所支承，所述润轮机外壳与内燃机的排气歧管相连，且多个喷嘴叶片(nozzle vanes)被可旋转地支承以便围绕在涡轮的外围。当涡轮旋转时，流入涡轮机外壳的废气从其外部流入涡轮，并且沿涡轮的轴向排出。然后，通过空气压缩机的转动，将向内燃机中提供的空气压缩，所述空气压缩机与涡轮同轴，并且设置在涡轮的对面。本文中，喷嘴叶片可旋转被称之为“喷嘴本体”或“喷嘴座架(mount nozzle) ”的环形部件所支撑。所述喷嘴叶片的轴穿过喷嘴本体并与连杆机构相连。然后，通过驱动连杆机构使得喷嘴叶片旋转，从而控制废气流入通道的开度。本发明涉及设置在涡轮机外壳内的涡轮部件，例如喷嘴本体(喷嘴座架)或附加在其上的喷嘴板(plate nozzle)。上述用于涡轮增压器的涡轮部件因为该涡轮部件与高温腐蚀性气体接触所以需要耐热性和耐腐蚀性，并且因为该涡轮部件与喷嘴叶片有相对滑动所以需要耐磨性。根据这一观点，通常使用高铬铸钢，由Jis(日本工业标准)SCH22制造的耐磨材料等，所述耐磨材料为了增强耐腐蚀性等进行了铬表面处理。此外，作为具有耐热性、耐腐蚀性和耐磨性的低成本的耐磨部件，提出了一种碳化物分散在铁素体钢材的基体材料中的耐磨烧结部件(参考专利文献No.1)。然而，由于专利文献I中公开的烧结部件是通过液相烧结来制备的，所以在要求严格尺寸精度的情况下，可能对该烧结部件进行机加工。由于在烧结部件内析出大量的硬质碳化物，因此所述烧结部件的可加工性不佳，因此需要进行改进。此外，涡轮部件通常由奥氏体耐热材料制成，而专利文献I中公开的涡轮部件由铁素体不锈钢材料制成。在这种情况下，由于涡轮部件与邻近部件的热膨胀系数不同，因此在涡轮部件与邻近部件之间形成一些间隙，从而导致涡轮部件与邻近部件之间连接不充分，并且使得难以进行涡轮增压器中适用的部件的设计。因此，期望涡轮部件与那些由奥氏体耐热材料制备的邻近部件具有相似的热膨胀系数。专利文献I JP-B2 No. 3784003(专利)

发明内容
本发明的一个目的是提供一种烧结合金，其具有优异的耐热性、耐腐蚀性、耐磨性和可加工性，并且具有与奥氏体耐热材料相似的热膨胀系数，从而使得容易进行部件设计。本发明的另一目的是提供制备该烧结合金的方法。为了解决上述问题，依据本发明的烧结合金的第一要点为该烧结合金由两种相组成，一相为其中含有较大的分散的碳化物并且具有耐热性和耐腐蚀性的A相，另一相为其中含有较小的分散的碳化物并且有耐热性和耐腐蚀性的B相；并且该烧结合金具有这样的金属结构A相随机分散在B相内。与含有均匀分散的较大碳化物的烧结合金相比，含有较小的分散的碳化物的B相提高了分散在其中的碳化物的一致性，使得其耐磨性提高并减少了对配合部件的攻击从而防止了配合部件的磨损。此外，由于所述碳化物的尺寸小，减少了碳化物对切削工具刀刃的攻击从而有助于可加工性的提高。然而，如果烧结合金只包含B相，在烧结合金中可能会产生塑性流动。因此，在本发明中，通过在B相中随机分散含有较大的分散的碳化物的A相防止了 B相的塑性流动，从而有助于烧结合金的耐磨性。由于本发明的烧结合金如上所述构成，因此所述烧结合金能够在增强耐磨性和增强可加工性之间找到平衡。本发明的烧结合金的第二要点为A相和B相中含镍，因此A相和B相两者都具有 各自的奥氏体结构。以这种方式，如果烧结合金的基体材料中完全呈现奥氏体结构，则在高温下所述烧结合金的耐热性和耐腐蚀性能够提高，同时所述烧结合金能够具有与邻近的那些奥氏体耐热材料相似的热膨胀系数。依据本发明的所述烧结合金的制备方法的第一要点为使用铁合金粉末A和铁合金粉末B以获得具有A相和B相的所述烧结合金，其中铁合金粉末A含有通过预先添加碳而析出的碳化物，铁合金粉末B不含通过预先添加碳而析出的碳化物，所述A相含有分散的较大的碳化物，所述B相含有分散的较小的碳化物，并且所述烧结合金具有A相随机分散在B相内的金属结构。本发明的制备方法的第二要点为在铁合金粉末A和铁合金粉末B中含有镍，并且向铁合金粉末A和铁合金粉末B中添加镍粉末，从而使得A相和B相呈现奥氏体结构。具体来讲，本发明的烧结合金的特征在于以质量百分比计，基本上由Cr :
11.75-39. 98，N1:5. 58-24. 98，S1:0. 16-2. 54，P :0. 1-1. 5，C :0. 58-3. 62 以及余量的 Fe 和不可避免的杂质组成，并且A相随机分散在B相之中，所述A相含有平均粒径为10-50 u m的析出的金属碳化物，所述B相含有平均粒径为10 y m以下的析出的金属碳化物，并且A相中析出的金属碳化物的平均粒径DA大于B相中析出的金属碳化物的平均粒径DB (即DA >DB)。在本发明的烧结合金的一个方面，A相的最大直径为500 iim以下，并且A相所占据的面积相对于烧结合金全部基体材料为20-80%的范围内，且烧结合金还包含5%的以下的选自Mo、V、W、Nb和Ti中的至少一种。依据本发明的烧结合金的制备方法的特征在于包括以下步骤制备以质量百分比计由Cr :25-45, N1:5_15，S1:1. 0-3. 0，C :0. 5-4. 0以及余量的Fe和不可避免的杂质组成的铁合金粉末A ;制备以质量百分比计由Cr : 12-25，N1:5-115以及余量的Fe和不可避免的杂质组成的铁合金粉末B ;制备以质量百分比计由P :10-30以及余量的Fe和不可避免的杂质组成的铁磷粉末、以及镍粉末和石墨粉末；通过混合铁合金粉末A和铁合金粉末B使得铁合金粉末A相对于铁合金粉末A和铁合金粉末B的总和的比例为20-80质量％的范围内，并添加1. 0-5. 0质量％范围内的铁磷粉末、1-12质量％范围内的镍粉末以及0. 5-2. 5质量％范围内的石墨粉末来配制原料粉末；向原料粉末施压以获得成型压块；以及烧结该成型压块。在本发明的制备方法的一个优选实施方式中，铁合金粉末A和铁合金粉末B的最大粒径分别在300 Pm以下(其对应于通过50目筛的粉末直径)的范围内，镍粉末的最大粒径在43 以下(其对应于通过325目筛的粉末直径)的范围内。在另一个优选实施方式中，相对于上述铁合金粉末A和铁合金粉末B,铁合金粉末A和铁合金粉末B中的至少一者包含1-5质量％的选自Mo、V、W、Nb和Ti中的至少一种，且优选的烧结温度在1000-1200°C的范围内。本发明的烧结合金适用于涡轮增压器的涡轮部件，其具有含平均粒径为10-50
的析出的金属碳化物的A相和含平均粒径为IOym以下的析出的金属碳化物的B相，以致显示A相随机分散在B相中的金属结构，由此具备高温下的优异的耐热性、耐腐蚀性和耐磨
性以及可加工性。此外，由于本发明的烧结合金具有奥氏体基体材料，该烧结合金具有与奥氏体耐热材料相似的热膨胀系数，由此简化了部件的设计。


图1为依据本发明的烧结合金的金属结构照片的实例。图2图示了金属结构照片中A相的区域。
具体实施例方式(烧结合金的金属结构)碳化物的尺寸影响含碳化物的烧结合金的耐磨性。如果烧结合金含有尽可能多的碳化物就能够增强烧结合金的耐磨性。然而，如果烧结合金含有太多的碳化物，在烧结合金自身耐磨性增强的同时，也增加了对烧结合金的配合部件的攻击，这导致烧结合金和配合部件总体的大量磨损。在烧结合金基体材料中只分散有较大的碳化物的情况下，如果较大的碳化物的分布度增加到能够增强所述烧结合金的耐磨性的程度，则需要更大量的碳，从而增加硬质碳化物的分布度，导致烧结合金的可加工性恶化。在本发明的烧结合金中，所述烧结合金由以下两相组成一相为含有较大的分散的碳化物的A相，另一相为含有较小的分散的碳化物的B相。因此，如果碳化物的分布度增力口，烧结合金的耐磨性能够增强，因为烧结合金中的碳量可以整体上减少，使得烧结体对配合部件的攻击得以降低并且增强了烧结体的可加工性。较大碳化物相防止了烧结合金基体材料的粘附磨损和烧结合金的塑性流动。因此，具有各自10 Pm以下直径的碳化物不能帮助防止烧结合金的塑性流动。另一方面，如果碳化物具有各自50pm以上的直径，碳化物自身聚集以致在局部攻击配合部件。如果碳化物生长得过大，邻近碳化物之间的间隔将增大从而使基体材料不合碳化物的区域也变大，该区域很容易成为烧结合金的粘附磨损的起源。根据这种观点，将A相中所含碳化物的尺寸作为平均粒径设定为10-50 y m的范围内。除包含具有较大的分散的碳化物的A相的区域以外的没有碳化物析出的区域促使了对配合部件的粘附磨损。因此，需要在除包含具有较大碳化物的A相区域以外的区域中分散碳化物以便防止粘附磨损。根据这种观点，在除包含具有较大碳化物的A相的区域以外的区域中提供(rendered)含有较小的分散的碳化物的B相。以这种方式，通过使B相中所含碳化物的尺寸小于A相中所含碳化物的尺寸，碳的总量可得以降低，从而使得碳化物的总量也能得到降低，同时保持了高的碳化物分布度。B相中分散的较小的碳化物的尺寸被设定为足够小以防止烧结合金的粘附磨损，具体为10 y m以下且优选2 y m以上的范围内。如果B相中分散的碳化物的尺寸被设定为大于10 u m,则碳化物生长过大从而恶化了碳化物的分布度，并因此恶化了烧结合金的耐磨性。此外，如果B相中分散的碳化物的尺寸被设定为小于2 ym，则可能不足以充分抑制烧结合金的粘附磨损。进一步地，需要使A相中析出的金属碳化物的平均粒径DA大于B相中析出的金属碳化物的平均粒径DB (即DA > DB)。也就是说，如果将A相中析出的金属碳化物的平均粒径DA设为等于B相中析出的金属碳化物的平均粒径DB，则含有较小的分散的 碳化物的B相无法从含有较大的分散的碳化物的A相中独立地形成，从而不能实现烧结合金的耐磨性增强、对配合部件的攻击降低和可加工性增强中的任何一种。通过在含有较小的分散的碳化物的B相中随机分散含有较大的分散的碳化物的A相，能够在保持高的碳化物分布度和减少总的碳量的同时保持烧结合金的耐磨性，由此降低对配合部件的攻击并增强可加工性。相对于烧结合金的横截面面积，即烧结合金的基体材料，含有较大的分散的碳化物的A相相对于含有较小的分散的碳化物的B相的比例设为20-80%的范围内。如果将该比例设为小于20%，保持耐磨性的A相的量不足，导致耐磨性恶化。另一方面，如果将该比例设为大于80 %，促使攻击配合部件的相的比例过度增加，导致促进对配合部件的攻击，并且由于较大的碳化物的增加，导致可加工性的恶化。优选将A相相对于B相的比例设为
30-70 %的范围内，且更优选设为40-60 %的范围内。各含有较大的分散的碳化物的A相是其中各自尺寸为5-50 iim的较大的碳化物集中分散的相，并且A相的尺寸通过连接较大的碳化物的周缘的区域来定义。如果将含有较大的分散的碳化物的A相的尺寸设为大于500 u m，较大的碳化物很可能在A相中局部分散，导致烧结合金的耐磨性局部恶化。此外，如果需要切削加工，因为烧结合金的硬度存在局部的和显著的变化，所以会缩短切削工具的寿命。与此相反，如果将A相的尺寸设为小于10 u m,则使得A相中析出和分散的碳化物的尺寸小于5 u m。(制备烧结合金的方法以及限定原料粉末组成的理由)为了形成含有较大的分散的碳化物的A相随机分散在B相中的金属结构，将形成A相的铁合金粉末A和形成B相的铁合金粉末B相互混合,压制以及烧结。含有较大的分散的碳化物的A相和含有较小的分散的碳化物的B相均需要耐热性和耐腐蚀性。因此，相A和相B中含有通过固溶来增强铁基材料的耐热性和耐腐蚀性的铬。此外，铬与碳结合形成碳化铬或者由铬和铁形成复合材料(以下，碳化铬和复合材料二者简写为“碳化铬”)，由此增强了烧结合金的耐磨性。为了使烧结合金的基体材料均匀地受到上述这样的铬效果的影响，将铬分别固溶在铁合金粉末A和铁合金粉末B中。因为铁合金粉末A本来含有碳，因此通过添加比铁合金粉末B中更多的铬，将铁合金粉末A制备为预先含有碳化铬的粉末。以这种方式，在烧结过程中，如果使用其中含有碳化铬的铁合金粉末A，通过利用铁合金粉末A中预先形成的碳化铬作为核，碳化物得以生长，从而形成含有较大的分散的碳化物的A相。为了获得上述这样的效果，所述铁合金粉末A以质量百分比计含有Cr :25-45和C :0. 5-4. O。由于在铁合金粉末A中预先析出和分散有碳化铬,如果铬含量小于25质量贝Ij在烧结合金的基体材料中铬不足，导致由铁合金粉末A形成的A相的耐热性和耐腐蚀性恶化。另一方面，如果铁合金粉末A中的铬含量大于45质量％，则铁合金粉末A的压缩性明显恶化。因此，将铁合金粉末A中的铬含量的上限值设为45质量％。如果铁合金粉末A中的碳含量小于0. 5质量％，则碳化铬不足，使得烧结过程中作为核的碳化物也不足，从而难以使A相中分散的碳化物的尺寸在上述范围内。另一方面，如果铁合金粉末中含有4. 0质量％以上的 碳，则铁合金粉末A中析出的碳化物的量过多，导致铁合金粉末A的硬度增加并导致铁合金粉末A的压缩性恶化。另一方面，由于铁合金粉末B所含铬的量比铁合金粉末A少,并且不含碳，因此铁合金粉末B中的铬在烧结过程中与将在下文中描述的石墨粉末形式的碳结合形成碳化铬。然而，由于铁合金粉末B不预先含有碳，因此铁合金粉末B中碳化铬的生长速度非常缓慢，结果形成含有较小的分散的碳化物的B相。因此，铁合金粉末B以质量百分比计含有Cr 12-25并且不含碳。这里，“不含碳”的含义为在铁合金粉末B中不主动添加碳且允许不可避免的杂质碳。铁合金粉末B中的铬含量设定为12-25质量％的范围内。如果将铬含量设定为小于12质量％，则B相的耐磨性和耐腐蚀性恶化，这是因为在烧结过程中当形成一些碳化铬时会导致B相中铬含量的不足。另一方面，需要限制铁合金粉末B中所含铬的含量，以便让有助于烧结合金耐磨性的碳化物细微地分散。因此，将铁合金粉末B中铬含量的上限值设定为25质量％。以石墨粉末的形式向铁合金粉末A和铁合金粉末B的混合物中添加碳，所述碳用于在铁合金粉末A形成的A相和铁合金粉末B形成的B相中析出和分散碳化物。由于在烧结过程中铁合金粉末的氧化物膜的还原部分地消耗了石墨粉末，所以添加的石墨粉末的量需要视用于还原的石墨粉末的消耗量而定。也就是说，由于铁合金粉末A和铁合金粉末B含有容易氧化的铬，所以在铁合金粉末A和铁合金粉末B的表面分别形成氧化铬膜。因此，在烧结过程中需要过量的石墨粉末以将在铁合金粉末A和铁合金粉末B各自表面上形成的氧化铬膜还原。烧结过程中用于还原的石墨粉末的消耗比例为大约0. 2%，按上述预期的消耗比例，可将向铁合金粉末A和铁合金粉末B中添加的石墨粉末量设定为0. 5质量％以上。也就是说，由石墨粉末所提供的且固溶在烧结合金的基体材料中的碳含量为大约0. 3质量％以上。另一方面，过量添加石墨粉末会引起碳化物过量析出，导致烧结合金的脆化、由于对配合部件的攻击的显著增强而造成的配合部件的磨损、或者烧结合金的可加工性的恶化。此外，碳化物的过量析出使烧结合金的耐热性和耐腐蚀性恶化，这是由于烧结合金的基体材料中所含铬的含量的减少。因此，将石墨粉末的上限值设定为2. 5质量％。石墨粉末与将在下文中描述的铁磷合金粉末在烧结过程中生成Fe-P-C液相，从而降低了液化温度并因此促进了烧结合金的致密化。烧结合金的基体材料需要耐热性和耐腐蚀性，同时该基体材料具有与那些邻近的奥氏体耐热材料相似的热膨胀系数。因此，在本发明的烧结合金中，为了增强烧结合金的基体材料的耐热性和耐腐蚀性并且使得烧结合金的基体材料的金属结构呈相应的奥氏体结构，将镍固溶于并因此包含在该基体材料中。本发明的烧结合金具有含有较大的分散的碳化物的A相随机分散在含有较小的分散的碳化物的B相中的金属结构，并且为了使A相和B呈相应的奥氏体结构，形成相A的铁合金粉末A和形成相B的铁合金粉末B中含有镍，同时，铁合金粉末A和铁合金粉末B中含有镍粉末。如果铁合金粉末A和B中含有镍，则所述铁合金粉末的基体材料具有相应的奥氏体结构，因而降低了铁合金粉末A和B的硬度并增强了铁合金粉末A和B的压缩性。如果铁合金粉末A和B中的镍含量小于5质量％，则铁合金粉末A和B的奥氏体化不足。另一方面，如果铁合金粉末A和B中的镍含量大于15质量％，则不能增强铁合金粉末A和B的压缩性。此外，镍比铁和铬都贵，而且裸金属镍价格最近大幅上涨。根据这一观点，将铁合金粉末A和铁合金粉末B中的镍含量设定为5-15质量％的范围内。如果除了在铁合金粉末A和铁合金粉末B中固溶的镍之外，还向铁合金粉末A和铁合金粉末B中添加镍粉末，则可以促进烧结合金的致密化。如果镍粉末的添加量小于I质量％，则致密化的促进效果可能变差。另一方面，如果镍粉末的添加量大于12质量％，则镍粉末的量变得过量，使得镍粉末中的镍元素不能完全的扩散进入烧结合金的铁基材料 中，并因此可能保持原来的形态。由于在烧结合金的铁基材料中，由残留镍元素所形成的镍相中不析出碳化物，烧结合金变得很容易与配合部件粘附，使得促进了烧结合金和配合部件的粘附部分的磨损，从而恶化了烧结合金的耐磨性。根据这一观点，将铁合金粉末A和铁合金粉末B中的镍粉末的添加量设定为1-12质量％的范围内。优选随着镍粉末的粒径变小在铁基材料中不可能残留镍相。此外，随着镍粉末的粒径变小，镍粉末的比表面积增加，从而在烧结过程中促进了镍颗粒的扩散并且增强了烧结合金的致密化。根据这一观点，优选将镍粉末最大粒径设定为74 以下(对应于通过200目筛的粉末直径)且43 y m以上(对应于通过325目筛的粉末直径)。在含有易于氧化的铬等的铁合金粉末的制备中，向铁合金粉末的熔融金属中添加作为脱氧剂的硅。然而，当硅固溶在烧结合金的铁基材料中时，铁基材料会硬化，这是不利的效果/作用。这里，由于铁合金粉末A含有预先析出的碳化物，因此铁合金粉末A的硬度本来就大。与此相反，由于铁合金粉末B为软粉末材料，因此将铁合金粉末B与铁合金粉末A混合，以确保由铁合金粉末A和铁合金粉末B所组成的原料粉末的压缩性。因此，在本发明的烧结合金的制备方法中，在原本硬质的铁合金粉末中含有大量容易氧化的硅，从而对烧结合金施加硅的所述效果/作用。根据这一观点，铁合金粉末A含有的娃在1. 0-3. 0质量％的范围内。如果将铁合金粉末A中所含硅的含量设定为小于1.0质量％，则不足以显示硅的效果/作用。另一方面，如果将铁合金粉末A中所含娃的含量设定为大于3. 0质量则铁合金粉末A就变得过硬从而显著恶化了铁合金粉末A的压缩性。鉴于铁合金粉末B的压缩性，铁合金粉末B不含硅。然而，由于铁合金粉末B含有容易氧化的铬，因此铁合金粉末B中也可以允许作为不可避免的杂质的1. 0质量％以下的硅，因为在铁合金粉末的制备中可以将硅用作脱氧剂。为了在烧结过程中在铁合金粉末A和B中生成液相并因此促进烧结合金的致密化，以铁磷粉末的形式添加磷。磷与碳在烧结过程中生成Fe-P-C液相来促进烧结合金的致密化。因此，可以获得密度比为90%以上的烧结合金。如果将铁磷合金粉末中的磷含量设定为小于10质量％，则不能生成足够的液相从而无助于烧结合金的致密化。另一方面，如果将铁磷合金粉末中的磷含量设定为大于30质量％，则铁磷合金的硬度增加，结果显著恶化了铁合金粉末A和铁合金粉末B的压缩性。如果铁磷合金粉末向铁合金粉末A和铁合金粉末B的混合物中的添加量小于1. 0质量％，则烧结合金的密度比将低于90%。另一方面,如果铁磷合金粉末向铁合金粉末A和铁合金粉末B的混合物中的添加量大于5. 0质量％，则生成过量的液相，结果在烧结过程中引起烧结合金走样(losing shape)。因此,使用含磷在10_30质量％范围内的铁磷合金粉末，同时将铁磷合金粉末向铁合金粉末A和铁合金粉末B的混合物中的添加量设定为1.0-5. 0质量％的范围内。虽然铁磷合金粉末生成上述Fe-P-C液相，但是这样所生成的Fe-P-C液相在铁合金粉末A和铁合金粉末B的混合物的铁基材料中扩散并被吸收。以这种方式，原料粉末由铁合金粉末A、铁合金粉末B、石墨粉末、镍粉末以及铁磷合金粉末组成。如上所述，铁合金粉末A以质量百分比计包含Cr :25-45, N1:5_15、Si 1.0-3. O、C :0. 5-4. 0以及余量的Fe和不可避免的杂质。铁合金粉末B以质量百分比计包
含Cr :12-25,N1:5_15以及余量的Fe和不可避免的杂质。此外，铁磷粉末以质量百分比计包含P 10-30以及余量的Fe和不可避免的杂质。在原料粉末中，铁合金粉末A形成含有较大的分散的碳化物的A相，铁合金粉末B形成含有较小的分散的碳化物的B相。此外，石墨粉末和铁磷合金粉末生成Fe-P-C液相从而有助于烧结合金的致密化，接着在由A相和B相形成的烧结合金的铁基材料中扩散并被吸收。通过将铁合金粉末A相对于铁合金粉末A和铁合金粉末B的总和的比例设定为20-80质量％的范围内，能够将A相与A相和B相的总和的比例相对于烧结合金的横截面区域，即烧结合金的基体材料设定为20-80%的范围内。以这种方式，将铁合金粉末A和铁合金粉末B添加,从而将铁合金粉末A相对于铁合金粉末A和铁合金粉末B的总和的比例设定为20-80质量％的范围内，同时添加1. 0-5. 0质量％的铁磷合金粉末、1-12质量％的镍粉末和0. 5-2. 5质量％的石墨粉末,从而形成预期的原料粉末。如过去所进行的，将原料粉末填充到由压模装置形成的空腔中，该压模装置具有模孔、下冲头和芯棒，其中所述模孔形成部件的外部形状，所述下冲头可滑动地装配在压模装置的模孔中并且形成部件的下端形状，所述芯棒可以根据情况形成部件的内部形状或者部件的轻量化形状(lightening shape),并通过上冲头和下冲头进行压制,所述上冲头形成上端形状。将由此获得的成型压块从压模装置的模孔中拔出。该制备方法被称为“压制方法”。在烧结炉中将成型压块加热和烧结。加热温度即烧结温度显著影响烧结过程和碳化物生长过程。如果烧结温度低于1000°c，则不能够生成足够的Fe-P-C液相，从而无法使烧结合金足够致密并因此降低了烧结合金的密度，导致烧结合金的耐磨性和耐腐蚀性的恶化，虽然碳化物尺寸能够保持在预定的范围内。另一方面，如果烧结温度高于1200°C，会增进元素扩散，从而一些元素(尤其是铬和碳)在由铁合金粉末A形成的A相和由铁合金粉末B形成的B相之间的含量差异变小，并且B相中析出和分散的碳化物生长超过10 y m的平均粒径，导致烧结合金的耐磨性的恶化，虽然烧结合金的密度有了足够的增加。因此，将烧结温度设定在1000-1200°C的范围内。通过如上所述压制和烧结原料粉末，能够获得具有上述金属结构的烧结合金。烧结合金以质量百分比计包含 Cr 11. 75-39. 98,N1:5. 58-24. 98,S1:0. 16-2. 54,P :0. 1-1. 5、C :0. 58-3. 62以及余量的Fe和不可避免的杂质，其源自上述材料粉末的混合比例。如上所述，由于烧结合金的A相由铁合金粉末A形成，所以A相的尺寸可以通过调整铁合金粉末A的粒径来控制。为了将A相的最大尺寸设定为500 以下，铁合金粉末A的最大颗粒尺寸设定为300 以下(对应于通过50目筛的粉末尺寸)。为了将A相的尺寸设定为100 u m以上，需使用含有5质量％以上的最大粒径为500 y m以下(对应于通过32目筛的尺寸)且IOOiim以上(对应于未通过149目筛的尺寸)的粉末的铁合金粉末A。优选的铁合金粉末A的颗粒分布为含有5质量％以上的最大粒径在100-300 U m的范围内的粉末，且含有50质量％以下的粒径在45 iim以下的范围内的粉末。形成含有较小的分散的碳化物的B相的铁合金粉末B的粒径没有限制，但铁合金粉末B优选含有90%以上的具有100目以下的颗粒分布的粉末。 烧结合金还包含选自Mo、V、W、Nb和Ti中的至少一种。由于Mo、V、W、Nb和Ti作为碳化物形成元素，各自具有比Cr更强的碳化物形成能力，因此这些元素与Cr相比优先形成碳化物。因此，如果烧结合金包含这些元素，可以防止基体材料中Cr含量的降低，从而有助于增强基体材料的耐磨性和耐腐蚀性。此外，这些元素中的一种或多种与碳结合形成金属碳化物，从而增强了基体材料也就是烧结合金的耐磨性。然而，如果这些元素中的一种或多种以纯金属粉末的形式添加到原料粉末中，这样形成的合金的扩散速度小，使得这些元素中的一种或多种不可能在基体材料中均匀扩散。因此，优选这些元素中的一种或多种以铁合金粉末的形式添加。根据这一观点，在本发明的制备方法中，当这些元素中的一种或多种作为附加元素添加时，这些元素中的一种或多种在铁合金粉末A和铁合金粉末B中固溶。如果固溶在铁合金粉末中的这些元素中的一种或多种的量超过5. 0质量％，则担心引起铁合金粉末A和铁合金粉末B压缩性的恶化，这是因为这些元素中的一种或多种的过量添加使铁合金粉末A和铁合金粉末B硬化。因此,在铁合金粉末A和铁合金粉末B中的一者或两者中添加5质量％以上的选自Mo、V、W、Nb和Ti中的至少一种。实施例(实施例1)制备铁合金粉末A、铁合金粉末B、铁磷粉末、镍粉末以及石墨粉末并以表I中所示比例相互混合以配制原料粉末，其中铁合金粉末A以质量百分比计包含Cr 34, N1:10、Si
2、C:2以及余量的Fe和不可避免的杂质，铁合金粉末B以质量百分比计包含Cr :18、Ni 8以及余量的Fe和不可避免的杂质，铁磷粉末以质量百分比计包含P 20以及余量的Fe和不可避免的杂质。将所述原料粉末压制成外径IOmm且高IOmm的柱状以及外径24mm且高8mm的薄片状，接着在1100°C的温度和无氧气氛中烧结形成以数字01-11表示的烧结样品。表I中列出了每个烧结样品的组成以及上述制备的材料粉末的比例。对柱状烧结样品的横截面进行镜面抛光并用王水(硫酸硝酸=I 3)腐蚀，利用200放大倍率的显微镜观察烧结样品横截面的金属结构，采用图像处理器(WinROOF，MITANI CORPORATION制造)进行图像分析，以便测量相中的碳化物的粒径并计算其平均粒径，测量A相的面积和尺寸并计算其面积比和最大尺寸。图1为烧结样品06的金属结构照片。如图2所示，分散有较大的碳化物的区域被封闭，并且因此将封闭区域定义为各自的A相。接着计算A相的面积比，A相的最大长度被定义为A相的最大直径。
在700°C的温度下加热烧结样品，以便研究其热膨胀系数。并且将烧结样品在大气中在850-950°C的温度范围内加热，以研究其加热后的重量增加。结果列于表2中。接着，将薄片状的烧结样品用作圆盘部件并进行磨损测试，所述磨损测试使用外径15mm、长度22mm且由渗铬的JIS SUS 316L制备的棍部件作为棍-盘(roll-on-disc)磨损测试中的配合部件，在辊-盘磨损测试中将烧结样品在700°C的温度下在辊部件上反复滑动15分钟。磨损结果也列于表2中。需要注意的是，热膨胀系数为IeXKT6IT1以上，磨损深度为以下，850°C的温度下的由于氧化造成的重量增加 为10g/m2以下，900°C的温度下的由于氧化造成的重量增加为15g/m2以下，且950°C的温度下的由于氧化造成的重量增加为20g/m2以下的烧结样品通过了上述测试。
权利要求
1.一种烧结合金，其以质量百分比计主要由Cr :11. 75-39.98、N1:5. 58-24. 98、Si O.16-2. 54、P :0. 1-1. 5、C :0. 58-3. 62以及余量的Fe和不可避免的杂质组成； 含有平均粒径为10-50 μ m的析出的金属碳化物的A相；和 含有平均粒径为IOym以下的析出的金属碳化物的B相； 其中A相随机分散在B相中，并且A相中析出的金属碳化物的平均粒径DA大于B相中析出的金属碳化物的平均粒径DB。
2.根据权利要求1所述的烧结合金，其中A相的最大尺寸为500μ m以下的范围内，且A相占基体材料总面积的20-80%。
3.根据权利要求1所述的烧结合金，还包含5质量％以下的选自Mo、V、W、Nb和Ti中的至少一种。
4.一种制备烧结合金的方法，包括以下步骤 制备铁合金粉末A，其以质量百分比计由Cr :25-45, N1:5_15、S1:1. 0-3. O、C :0. 5-4. O以及余量的Fe和不可避免的杂质组成； 制备铁合金粉末B，其以质量百分比计由Cr :12-25、N1:5_15以及余量的Fe和不可避免的杂质组成； 制备铁磷粉末、镍粉末以及石墨粉末，其中铁磷粉末以质量百分比计由P =10-30以及余量的Fe和不可避免的杂质组成； 混合铁合金粉末A和铁合金粉末B,使得铁合金粉末A相对于铁合金粉末A和铁合金粉末B的总和的比例为20-80质量％的范围内，并添加1. 0-5. O质量％范围内的铁磷粉末、1-12质量％范围内的镍粉末以及O. 5-2. 5质量％范围内的石墨粉末来配制原料粉末； 压制和烧结该原料粉末。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其中铁合金粉末A的最大粒径设定为300μ m以下的范围内(其对应于通过50目筛的粉末)。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其中镍粉末的最大粒径设定为74μ m以下的范围内(其对应于通过200目筛的粉末)。
7.根据权利要求4所述的制备方法，还包括下述步骤向铁合金粉末A和铁合金粉末B中的一者或两者添加5质量％以下的选自Mo、V、W、Nb和Ti中的至少一种。
8.根据权利要求4所述的制备方法，还包括下述步骤向铁合金粉末A中添加相对于原料粉末为1. 0-3. O质量％范围内的硅。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其中烧结温度设定为1000-1200°C的范围内。
全文摘要
本发明涉及烧结合金及其制备方法，该烧结合金以质量百分比计包含Cr11.75-39.98、Ni5.58-24.98、Si0.16-2.54、P0.1-1.5、C0.58-3.62以及余量的Fe和不可避免的杂质；含有平均粒径为10-50μm的析出的金属碳化物的A相；含有平均粒径为10μm以下的析出的金属碳化物的B相，其中A相随机分散在B相中，并且A相中析出的金属碳化物的平均粒径DA大于B相中析出的金属碳化物的平均粒径DB。
文档编号C22C33/02GK102994896SQ20121050962
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月7日 优先权日2011年9月7日
发明者深江大辅, 河田英昭 申请人:日立粉末冶金株式会社