一种用于粉末注塑成型的铁基合金的制作方法
【专利摘要】本申请提供一种用于粉末注塑成型的铁基合金，所述用于粉末注塑成型的铁基合金由52.59～78.15wt.%的铁（Fe）、16.45～37.34wt.%的铬（Cr）、3.42～7.76wt.%的硼（B）、1.64～1.92wt.%的硅（Si）、0～0.21wt.%的硫（S）、0.16～0.18wt.%的碳（C）以及其他不可避免的杂质组成。
【专利说明】一种用于粉末注塑成型的铁基合金
【技术领域】
[0001]本发明涉及铁基合金，更详细地涉及一种用于粉末注塑成型的铁基合金。
【背景技术】
[0002]粉末注塑成型(powderinjectionmolding, PIM)是将作为精密塑料部件批量生产技术的注塑成型(injectionmolding)技术引入到粉末冶金(powder metallurgy)领域而形成的一门新型粉末冶金成型技术。
[0003]粉末注塑成型(PIM)工艺包括通过将细小粉末和作为流动主体的高分子粘合剂混合，并将其入模后注塑成型，再从注塑成型体中去除粘合剂(binder )，最后将粉末高温烧结制作成部件的工序。
[0004]粉末注塑成型工艺能够得到持续研发和广泛应用，其原因是由于原有部件设计员及现场使用者了解粉末注塑成型技术中使用的材料和形状组合使部件设计更加自由的优点，并且以粉末注塑成型技术相关研究机构和企业为中心，正在研发应用材料多样化且具经济性的工序。
[0005]即利用金属、陶瓷、硬质金属、金属间化合物等所有粉末材料能够制作3D精密部件，而且由于难加工材料及无法铸造的材料几乎不需要后加工就能够批量生产，因此粉末注塑成型技术适用于以低廉的成本生产高附加值部件。
[0006]就占大部分金属粉末注塑成型市场的不锈钢而言，通过改变化学组分来实现最终粉末注塑成型部件所需的强度、硬度、耐磨损和耐腐蚀等物理性质。
[0007]因此，用于粉末注塑成型的不锈钢粉末有很多种类，例如SUS304L、SUS316L、SUS430和SUS630等，而且马氏体系`不锈钢粉末注塑成型需要进行额外的热处理工序。
[0008]因此，需要研发一种合金，能够满足常规粉末注塑成型部件的物性，同时无需进行热处理且具有经济性和各种微观结构及特性，能够适用于不同的粉末注塑成型部件。
【发明内容】
[0009]本发明目的是提供一种相比于现有的用于粉末注塑成型的不锈钢，具有更加优良的硬度、耐磨损性、耐腐蚀性，且低生产成本的铁基合金。技术方案
[0010]为了实现上述发明目的，本发明的一个优选实施例提供了一种用于粉末注塑成型的铁基合金，由 52.59 ~78.15wt.% 的铁(Fe)、16.45 ~37.34wt.% 的铬(Cr)、3.42 ~
7.76wt.% 的硼(B)、1.64 ~1.92wt.% 的硅(Si)、0 ~0.21wt.% 的硫(S)、0.16 ~0.18wt.%的碳(C)以及其他不可避免的杂质组成。
[0011]所述铬(Cr)和硼(B)的比率(XCr/XB)为1.0。
[0012]所述铬(Cr)和硼(B)的摩尔含量之和(X&+XB)为0.30至0.60。
[0013]所述铁(Fe)、铬(Cr)和硼(B)的摩尔含量之和(XFe+X&+XB)为0.9635。
[0014]所述用于粉末注塑成型的铁基合金的微观结构中，硼化铬(Cr2B)以网络形态分布于铁素体(ferrite)基体内。[0015]所述硼化络(Cr2B)的体积含量(volumefraction)为51%~91%。
[0016]所述用于粉末注塑成型的铁基合金的硬度为600VHN~1600VHN。
[0017]本发明的另一个优选实施例提供了一种铁基粉末注塑成型方法，该方法包括以下步骤:提供所述用于粉末注塑成型的铁基合金粉末；混合所述用于粉末注塑成型的铁基合金粉末和粘合剂，以形成粉末混合体；使所述粉末混合体压缩成型；加热所述粉末混合体，以去除粘合剂；以及烧结已去除所述粘合剂的粉末混合体。
[0018]所述粉末混合体通过在容器内混合所述用于粉末注塑成型的铁基合金粉末及石蜡、碳化钨球以及庚烷(heptanes)后，旋转所述容器而形成。
[0019]有益效果
[0020]根据本发明用于粉末注塑成型的铁基合金，由于以各自不同的体积含量形成坚硬的Cr2B，从而相比于传统使用的不锈钢，可以很大程度上提高硬度及耐磨损性。[0021]另外，根据本发明用于粉末注塑成型的铁基合金通过降低合金元素含量，使合金价格比商用不锈钢价格更便宜，而且通过降低烧结温度和缩短烧结时间，使生产成本减少，因此具有优秀的价格竞争力。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是显示根据本发明一个示例性实施例用于粉末注塑成型的铁基合金的微观结构的扫描电子显微镜(SEM)照片。
[0023]图2是显示根据本发明一个示例性实施例设计的铁基合金的Fe-Cr-B三元系等温状态图。
[0024]图3是显示根据本发明一个示例性实施例设计铁基合金时基于基本合金构成元素(Fe、Cr, B, S1、S和C)中根据每一种组分的Cr2B析出驱动力变化计算结果图。
[0025]图4是显示根据本发明一个示例性实施例的铁基合金中根据铬和硼的不同比率，在1000°c温度下存在的平衡相含量图。
[0026]图5至图7是显示根据本发明一个示例性实施例设计的9种铁基合金根据合金组成的不同温度的平衡相含量的图。
[0027]图8至图10是根据本发明一个示例性实施例的铁基合金进行铸造及热处理后的微观结构的扫描电子显微镜照片。
[0028]图11是根据本发明一个示例性实施例的铁基合金的X-射线衍射分析结果。
[0029]图12是显示基于部件所需物性(硬度基准)的合金元素价格的表。
【具体实施方式】
[0030]参照附图及下文中的详细说明能够清楚地理解本发明的优点和特点以及实现该优点和特点的方法。但本发明并不局限于下面公开的实施方式，可通过多种不同的形式实现，本发明具体实施例如附图和下文中的详细说明。本实施例只是为了完整地公开本发明，并向本发明所属【技术领域】的技术人员完整地说明本发明范围而提出的，本发明应当以权利要求范围为准。在通篇说明书中，相同的附图标记表示相同的构成要素。
[0031]下面，参照附图对本发明的优选实施例所涉及的用于粉末注塑成型的铁基合金进行详细说明。需要说明的是，在说明本发明过程中，当认为对相关公知功能或者结构的详细说明可能会影响本发明的要旨时，省略其详细说明。
[0032]本发明优选实施例涉及的用于粉末注塑成型的铁基合金，其特征在于，由52.59 ~78.15wt.% 的铁(Fe)、16.45 ~37.34wt.% 的铬(Cr)、3.42 ~7.76wt.% 的硼(B)、
1.64 ~1.92wt.9^3—(Si)、0.21wt.9^^t(S)、0.16 ~0.18wt.% 的碳(C)以及其他不可避免的杂质组成。
[0033]所述铁基合金的微观结构特征在于硼化铬(Cr2B)以网络形态分布于铁素体(ferrite)基体内。
[0034]由于本发明涉及的硼化铬相(Cr2B)十分坚硬，所以析出的硼化铬相(phase)的形状、含量分布状态会直接影响到样品的整体硬度和耐磨损性。
[0035]所述铁基合金的硼化铬相为网状结构，因此样品的整体硬度分布均匀，而且施加的负荷在磨损环境中也能够得到分散，从而具有优秀的耐磨损性。
[0036]另外，其特征在于，所述硼化铬(Cr2B)的体积含量(volumefraction)为51%~91%。
[0037]其特征在于，所述用于粉末注塑成型的铁基合金的硬度为600VHN~1600VHN。
[0038]为了满足粉末注塑成型工艺中要求的铁基合金的高硬度和低成本的条件，可通过析出价格相对低廉的铬和硼的化合物，即硼化铬，以实现高硬度。
[0039]将铬(Cr)和硼(B)的组成比率设定为1:1，铬(Cr)和硼(B)的组成比率之和(摩尔比之和)可以调节至0.30~0.60。此时，主要成分的铁(Fe)、铬(Cr)和硼(B)的组成比之和(摩尔比之和)可以设定为0.9634。
[0040]所述铬(Cr)是通常进行淬火时为增加合金的硬化性且提高耐腐蚀性而添加的合金元素，在本发明中通过与硼(B)相结合以调节硼化铬析出Cr元素的含量。
[0041]当铬含量为16.45wt.%以上时，硼化铬的析出含量达到50vol.%或以上，从而可达到粉末注塑成型工工艺中要求的高硬度值约600VHN以上的硬度。
[0042]当铬含量超过37.34wt.%时，由于会析出过多的硼化铬导致韧性下降，因此铬含量限制为16.45~37.34wt.%。
[0043]而且，根据所述铬(Cr)含量，将硼含量设定为3.42~7.76wt.%。
[0044]硼作为提高硬化性而添加的元素，在本发明中与铬相结合以调节硼化铬析出含量。当硼含量为3.42wt.%或以上时,硼化铬析出含量为50vol.%以上,从而可达到粉末注塑成型工艺中要求的高硬度值约600VHN以上的硬度。
[0045]当硼含量超过7.76wt.%时，由于析出过多的硼化铬导致韧性下降，因此硼含量限制在3.42~7.76wt.%。而且，根据所述硼含量，将铬的含量设定为16.45~37.34wt.%。
[0046]在本发明中，硅(Si)为在粉末注塑成型的烧结工序中用铁素体稳定基体，且通过固溶强化以提高硬化性的元素。当添加的硅含量为1.64wt.%以下时，固溶强化及铁素体稳定效果甚微，而添加1.92wt.%以上时，固溶强化的效果没有增加到预期效果，因此将硅含量限制在1.64~1.92wt.%。
[0047]由于硫通常形成非金属夹杂物，从而降低合金性质，因此优选的是尽可能将该含量限制在较低范围，本发明中添加的硫含量限制在不形成硫化物(FeS)的范围内，以达到基体和硼化铬的稳定化效果。因此，优选地，将硫含量的上限设置为0.21wt.%。
[0048]碳作为可有效改善合 金硬化性的元素，为达到本发明的所需要的硬度，碳含量应在0.16wt.%以上，但所添加的含量在0.18wt.%以上时，由于韧性下降，因此碳含量应控制在 0.16 ~0.18wt.% 范围。
[0049]根据本发明的另一个示例性实施例的铁基粉末注塑成型方法，包括以下步骤:提供用于粉末注塑成型的铁基合金粉末；混合所述用于粉末注塑成型的铁基合金粉末和粘合齐?，以形成粉末混合体；压缩成型所述粉末混合体；加热所述粉末混合体，以去除粘合剂；以及烧结已去除所述粘合剂的粉末混合体。
[0050]所述粉末混合体通过在容器内混合用于粉末注塑成型的铁基合金粉末及石蜡、碳化钨球以及庚烷(heptanes)后，旋转所述容器而形成。
[0051]所述粉末混合体的压缩成型可以将所述粉末混合体装入模具后，利用压机施加100kgf/cm2以上的压力而完成。
[0052]通过将所述压缩成型的粉末混合体以2°C /min以上的升温速率升温至500°C后，维持I小时，可以去除所述粘合剂。
[0053]所述烧结可以通过将已去除所述粘合剂的粉末混合体装入热处理炉，在氢气气氛中以:TC /min以上的升温速率升温至1175°C后持续I小时来实现。
[0054]本发明是通过以Fe-43Cr-5.6B-1.8Si_0.2S-0.17C (wt.%)合金为基础，降低合金元素的比率，且通过改变铬(Cr)和硼(B)的比率，在铁素体基体内形成不同体积含量的硼化铬(Cr2B),以提供具有各种特性的用于粉末注塑成型的高硬度低成本的铁基合金。
[0055]另外，本发明涉及的合金的微观结构可以具有硼化铬(Cr2B)与铁素体基体以外的其他结晶粒子分散的结构。
[0056]下面，参照本发明的优选实施例和对照实施例详细说明本发明。但是，以下例举的实施例仅用于帮助理解本发明而已，本发明的权利范围并不因此而缩小或局限于此。
[0057]<实施 例1>
[0058]表1显示根据本发明一个示例性实施例设计用于粉末注塑成型的铁基合金时的基本合金的组分。
[0059]【表1】
[0060]
【权利要求】
1.一种用于粉末注塑成型的铁基合金，由52.59~78.15wt.%的铁(Fe)、16.45~37.34wt.% 的铬(Cr)、3.42 ~7.76wt.% 的硼(B)、l.64 ~1.92wt.% 的硅(Si)、0 ~0.21wt.%的硫(S)、0.16~0.18wt.%的碳(C)以及其他不可避免的杂质组成。
2.如权利要求1所述的用于粉末注塑成型的铁基合金，其中所述铬(Cr)和硼(B)的比率(XCr/XB)为 1.0。
3.如权利要求2所述的用于粉末注塑成型的铁基合金，其中所述铬(Cr)和硼(B)的摩尔含量之和(X&+XB)为0.30至0.60。
4.如权利要求1至3中任一项所述的用于粉末注塑成型的铁基合金，其中所述铁(Fe)、铬(Cr)和硼(B)的摩尔含量之和(XFe+XCr+XB)为0.9635。
5.如权利要求4所述的用于粉末注塑成型的铁基合金，其中，所述用于粉末注塑成型的铁基合金的微观结构中硼化铬(Cr2B)以网络形态分布于铁素体基体内。
6.如权利要求5所述的用于粉末注塑成型的铁基合金，其中所述硼化铬(Cr2B)的体积含量为51%~91%。
7.如权利要求6所述的用于粉末注塑成型的铁基合金，其中，所述用于粉末注塑成型的铁基合金的硬度为600VHN~1600VHN。
8.一种铁基粉末注塑成型方法，包括以下步骤: 提供权利要求1至7中任一项所述的用于粉末注塑成型的铁基合金粉末； 混合所述用于粉末注塑成型的铁基合金粉末和粘合剂，以形成粉末混合体； 压缩成型所述粉末混合体；` 加热所述粉末混合体，以去除粘合剂；以及 烧结已去除所述粘合剂的粉末混合体。
9.如权利要求8所述的铁基粉末注塑成型方法，其中通过在容器内混合权利要求1至8中任一项所述的用于粉末注塑成型的铁基合金粉末及石蜡、碳化钨球以及庚烷后，旋转所述容器形成所述粉末混合体。
【文档编号】C22C38/00GK103890210SQ201280051137
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年4月20日 优先权日:2011年10月21日
【发明者】李圣鹤, 李炳柱, 都政铉, 申樑秀 申请人:浦项工科大学校产学协力团