CN101808768B - 生产烧结-硬化部件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了由含铬的金属粉末生产烧结-硬化部件的方法，所述金属粉末尤其被预合金化，所述方法包括下述步骤：压实粉末，形成生压坯，然后在还原性烧结氛围内，在超过1100℃的烧结温度下烧结生压坯。将含碳气体加入到烧结氛围内。

Description

生产烧结-硬化部件的方法

本发明涉及由含铬的金属粉末生产烧结-硬化部件的方法，所述金属粉末尤其被预合金化，所述方法包括下述步骤：压实粉末，形成生压坯(green compact)，然后在还原性烧结氛围内，在超过1100℃的烧结温度下烧结生压坯，本发明还涉及至少部分包括来自于金属烧结粉末的含铬和碳的烧结材料的部件，和铬含量选自下限0.5wt％至上限7wt％的范围和碳含量为至少0.1wt％。 

使用高强度的烧结合金和生产它们用于在机动车工业中的部件的方法长期以来是已知的。例如，专利说明书EP0835329B公开了使用粉末冶金术生产部件的方法，该方法牵涉下述步骤：混合0.8-2.0wt％石墨和具有预合金化的粉末的润滑剂与含0.5-3.0wt％钼的铁基础材料，所述混合物不含任何元素铁，挤压预备的混合物，以便在单一挤压步骤中成型，然后在高温下，在还原性氛围内烧结挤压部件，以便获得密度大于7.4g/cm³的烧结部件，从奥氏体相中快速冷却烧结部件，并加热该部件实际上到温度A₁，以便球化碳化物和最小化它们沿着晶界分离。混合石墨与生压坯的起始粉末还意味着通过这一方法生产的部件在其整个截面上具有至少几乎恒定的碳比例。具有高碳含量的这种钢具有高的硬度，但这些材料的动态特征值无法满足对高性能材料，例如在最新一代的发动机中使用的那些材料的要求。 

因此，本发明的目的是提出生产烧结-硬化部件的方法以及由其生产的部件，该方法容易实施。 

通过以上列出的方法，借此含碳的气体加到烧结氛围内并通过至少在部件表面的区域内提供碳含量的梯度的部件，从而实现这一目的。优点是不需要额外的步骤掺入碳载体到金属粉末内，这是因为在正在实施的实际的烧结过程中，可同时进行在部件或生压坯内碳浓度的增加。这一方法的结果是，还可简单地通过溶解含碳气体的用量或者调节流速来调节碳含量，这取决于要求，以便生产生压坯的预备步骤保持未受影响，且原则上，可生产不同硬度的粉末冶金部件，来适应于各种要求。优点还在于下述事实：通过本发明提出的方法还使得能生产在其表面或接近于表面的区域内含有比在部件的整个基础物料内碳的比例高的部件。关于这一点，自然还可使用已经含有一定比例碳的预合金化的金属粉末，尤其含铬的钢粉。在部件本身内碳元素的这一梯度的结果是，可赋予表面区域内高的硬度，而在底下的层内硬度较低。这使得能生产具有高动态特征的粉末金属部件，尤其具有改进的交替(alternating)弯曲应力值的部件。因此，可生产其磨损性能完美地良好但还能较好地耐受交替弯曲应力的部件。若在烧结之后，在至少2℃/s的冷却速度下冷却部件，则也是有利的，和这一流速冷却(快速地冷却)的结果是，可冷冻构图结构，于是使得能在部件表面处在具有压力张力的结构内产生内张力曲线。

在本发明的一个实施方案中，在烧结氛围内含碳气体的比例在下限50Nl/h至上限300Nl/h的范围内选择。已发现，在这些范围内，接近于表面的部件区域在足够高的速度下渗碳，以便这一方法没有延长或者仅仅在可以忽略的程度上延长。关于这一点，在每一情况下待选择的用量尤其取决于所使用的渗碳气体，即含碳气体，另一方面，还改变所选择的用量，适合于实际烧结烘箱的截面。例如，加入到还原性烧结氛围内的流速对于丙烷可以是5Nl/h至约25N1/h，和对于甲烷可以是50N1/h-300Nl/h。特别地，添加量取决于在渗碳气体本身上碳的比例。在5Nl/h以下，渗碳通常太慢和不充分。在300Nl/h以上，没有观察到该方法的改进。 

Nl/h(标准升/小时)以1bar(abs.)的压力和20℃的温度为基础。 

在烧结粉末内铬的比例有助于该部件的可硬性。形成Cr-碳化物赋予该部件高的表面硬度，这也会增加耐水性。 

对于含碳气体，即渗碳气体来说，优选从含甲烷、丙烷或乙炔的组中选择气体。这些气体的特定优点是，它们具有高的碳含量且易于操纵，和若使用乙炔，则由于还原烧结氛围导致在烧结过程中不存在 问题。 

然而，应当注意，在本发明的范围内，其他含碳气体可用于这一目的，优选不含氧气或任何氧化元素的气体。 

对于还原烧结氛围来说，可以以根据现有技术已知的方式使用氮气和氢气的混合物，在这一情况下，从下限为80∶20到上限为95∶5的范围中选择N₂与H₂之比。高比例的氮气于是有助于产生还原性烧结氛围。 

已发现，尤其若使用含铬钢粉，则有利的是冷却速度从下限3℃/s至上限10℃/s的范围内选择。在这一范围内的这些快速冷却速度下，部件以上提及的性能曲线可仍然得到进一步改进。特别地，所产生的部件显示出非常好的能力耐受交替的弯曲应力。 

为了仍然进一步改进这一性能曲线，在本发明范围内的还可能是使用选自下限为4℃/s至上限为8℃/s范围内的冷却速度或者选自下限为5℃/s至上限为7℃/s范围内的冷却速度。 

优选选择用于快速冷却操作的冷却速度，以便该部件的结构在整个截面上进行马氏体反应。马氏体反应的优点是，可赋予部件较高的硬度。 

在冷却期间中，没有将渗碳气体加入到氛围内，相反，在保护气体氛围内发生冷却，于是使得可容易地产生确定的状态和确定的碳比例。可使用例如N₂、NH₃、稀有气体等作为保护气体。 

为了仍进一步改进性能曲线，尤其针对增加马氏体元素，和条件是在快速冷却操作过程中没有充分地发生马氏体反应，则优选在冷却之后，尤其在范围为150℃-250℃的温度下回火该部件。这使得非所需的张力，例如已知当回火金属部件时出现的那些张力能下降。尽管这会引起硬度下降，但它确实能改进部件的韧度，且可通过在接近于表面的区域内使用较高比例的碳，至少补偿或改进这一区域内硬度的下降。按照这一方式处理，则由于相应的韧度导致部件在部件的大部分内相应地具有高的动态特征值，尤其较好的能力耐受交替的弯曲应力。 

特别地，可在150℃-200℃的温度下进行改进这些性能的回火操作，在这一情况下，部分马氏体至少部分转化成ε-碳化物(Fe_xC)和所谓的立方马氏体，若碳含量超过0.2％的话。 

在这一上下文中，铬的比例是有利的，因为由于铬含量导致可在较高温度下操作回火，特别是因为残留奥氏体转化成碳化物并在较高温度下延迟铁素体。因此，可更加快速地，即在较短时间内操作回火工艺，且没有在该部件内包含部分铁素体的风险。 

还可实施该方法，其方式使得在该部件内，至少在接近于表面的区域内产生碳含量的梯度。可实现这一目标，因为在烧结-硬化过程中，在渗碳工艺之后，对于碳来说，快速冷却的结果是，因扩散工艺导致不存在足够的时间补偿碳含量。或者，这可基于特定的温度控制，例如在烧结-硬化工艺过程中较高的起始温度来实现，其结果是在接近于表面的区域内非常快速地发生渗碳，和因为碳扩散，因此在接近于表面的比较深的区域内发生这一渗碳，然后精确地降低温度，以便防止这一扩散并进而补偿碳的浓度。作为另一替代方案，这也可基于具体地选择的流体组成或选择的气体流速和还原性烧结氛围内不同比例的渗碳气体来实现。为了获得具有高动态特征值，尤其高的能力耐受交替的弯曲应力的部件，有利的是产生碳梯度，这是因为较高的硬度基本上限制在接近于表面的区域，和该部件在其深度处具有较高的韧度，这是因为碳含量在那儿低于接近于表面的区域。 

可进行快速冷却工艺，直至达到回火温度，另一方面，冷却部件到室温，然后再次加热到回火温度。 

碳含量的梯度优选从部件中下限为0.3wt％/mm层厚度至上限为1.5wt％/mm层厚度的范围内选择。为了获得部件性能曲线的进一步改进，可选择碳含量在下限为0.5wt％/mm层厚度至上限1wt％/mm层厚度的范围内的碳含量，尤其从下限为0.6wt％/mm层厚度至上限0.75wt％/mm层厚度的范围内选择。 

从部件表面往下到0.8mm的部件深度开始，产生碳含量的梯度，以便赋予这一部件内部改进的韧度。特别地，可从部件表面往下到 0.5mm，优选0.3mm-0.4mm的部件深度处开始产生碳含量的梯度。 

关于这一点，碳梯度可线性下降，或者可遵守曲线函数，例如平方曲线、对数曲线等。 

为了提供更加清楚的理解，以下参考实施例更加详细地解释本发明。 

附图是显示下述的示意图： 

图1：与现有技术的部件相比，在本发明提出的部件上在内张力方面获得的测量结果。 

涉及说明书中数值范围的所有附图应当解释为是指它们包括任何和所有的子范围，在此情况下，例如范围1-10应当理解为包括从下限1开始到上限10的所有子范围，即下限为大于或等于1开始到上限小于或等于10终止的所有子范围，例如1-1.7或3.2-8.1或5.5-10。 

为了生产粉末冶金部件，使用含铬的预合金化钢粉。它可基于下述组成-不考虑因生产工艺导致的元素内的杂质： 

Cr    1wt％-4wt％ 

C     0.2wt％-0.7wt％ 

Cu    0.5wt％-2.5wt％ 

Fe余量 

它也可含有其他合金化元素，例如Ni、Mo、Mn、Si、V、W或Al，其总量为最多10wt％，条件是这些元素的比例没有超过4.5wt％。 

一般地，不仅可使用钢粉，而且可使用具有铁合金或含铬的主合金基础材料的钢粉。 

在这一实施方案的实例中，所使用的粉末是已经含有0.3wt％的基本碳含量的粉末，它在部件的整个截面上至少保持基本恒定。 

在标准压制模头内压实这一粉末，以根据现有技术已知的方式形成称为生压坯的物质。可例如选择单向挤压或者等压挤压。还可使用双向方法，换句话说，从上和从下压实生压坯。 

毋庸置疑，其他加工试剂，例如润滑剂，如硬脂酸锡或类似物可加入到该粉末中，以便获得较好的成形或者较好的可压缩性，实现较 高的烧结密度。 

然后在输送带烧结烘箱内，加热这一生压坯到1120℃-1300℃。 

在本发明的上下文中，自然可使用其他烧结单元或烧结烘箱，例如游梁炉。 

根据现有技术，输送带烧结烘箱是广泛已知的，且用于连续地生产烧结材料。 

一方面，使用较高的烧结温度，换句话说范围为1300℃的烧结温度，因扩散增加导致合金化元素更加均匀的分布，另一方面，会导致固化的烧结质量，从而使得能生产比较致密的部件。 

在含比值为85∶15的氮气和氢气的还原性氛围内，操作烧结-硬化工艺。将用量为22Nl/h的丙烷加入到这一还原性氛围内作为渗碳气体，以便在烧结工艺过程中，在接近于表面的区域渗碳。烧结生压坯30分钟的时间段，然后通过输送带烘箱的输送带转移到快速冷却区内，在此它们以至少3℃/s-5℃/s的冷却速度冷却，和甚至远低于220℃的回火温度冷却。为此，输送带烧结烘箱优选具有与快速冷却区相连的单独的回火区。 

在回火区中，烧结部件维持在回火温度下20分钟-30分钟的时间段，这取决于部件的重量。 

然后冷却这些部件到室温。 

结果，所生产的部件具有仅仅马氏体的结构，在接近于表面往下到0.4mm的部件深度处的区域内，其具有梯度化碳曲线。在接近于表面的区域内获得的碳含量为0.5-0.6wt％，和在0.3-0.4mm的深度处，它下降到0.3wt％的起始含量，这取决于预合金化的钢粉。 

然后对这一部件进行内应力测量，并与根据现有技术已知的不具有碳梯度的部件相比较。在图1中可看出在非缺***替弯曲样片上这一内应力测量的结果。 

在图1中，在底部的曲线描绘了与张力(MPa)相比，内应力作为部件深度(mm)的函数。清楚地表明，描绘本发明提出的部件的底部曲线显示出比顶部曲线描绘的现有技术部件好的内应力曲线。 

采用含0.4wt％C的样品(烧结温度1280℃)，0.6wt％C和2.0wt％Cu的样品(烧结温度1280℃)，或0.7wt％和1.0wt％Cu的样品(烧结温度1120℃)，实现了类似的结果。铬的比例可以是1wt％-5wt％。 

可使用本发明提出的方法，生产全部范围的不同烧结部件，尤其烧结钢部件，例如在机动车工业中的部件，例如传输所要求的部件，例如同步环，同步毂等。除了烧结材料以外，部件也可掺入其他材料，例如若烧结材料置于金属基底上的话。 

以实施例形式阐述的实施方案代表可能的设计变通方案，且应当指出，在这一阶段，本发明没有具体地限于具体地阐述的设计变通方案，而是彼此可在不同的结合中使用单独设计的变通方案，和这些可能的变化在所公开的技术教导给出的本领域技术人员的技能范围内。因此，可通过结合所描述和阐述的设计变通方案的单独细节获得的所有可想象到的设计变通方案是可能的且落在本发明的范围内。 

可在说明书中找到强调本发明独立的解决方案的目的。 

Claims (7)

1.由金属粉末生产烧结-硬化部件的方法，所述金属粉末基于下述组成：1wt％-4wt％的铬，0.5wt％-2.5wt％的铜，0.2wt％-0.7wt％的碳和余量铁，生产工艺导致的元素内的杂质除外，所述方法包括下述步骤：压实粉末以形成生压坯，然后在还原性烧结氛围内，在超过1100℃的烧结温度下烧结生压坯，将含碳气体加入到烧结氛围内，在烧结之后，以至少2℃/s的冷却速度冷却部件，使部件的结构在至少几乎整个截面上进行马氏体反应，在冷却之后，在150℃-250℃的范围内将部件回火，其特征在于所用的金属粉末的碳含量为0.2wt％-0.7wt％，从部件表面到部件0.8mm深度碳含量产生梯度，从而部件在表面区域具有较高硬度，而在下面各层硬度较低并且从而该部件具有改进的交替弯曲应力值。

2.权利要求1的方法，其特征在于在烧结氛围内，含碳气体的比例从下限50标准升/小时到上限300标准升/小时的范围内选择。

3.权利要求1或2的方法，其特征在于含碳气体为选自甲烷、丙烷和乙炔中的至少一种气体。

4.权利要求1或2的方法，其特征在于所使用的还原性烧结氛围是氮气与氢气的混合物，其中N₂/H₂之比从下限为80/20到上限为95/5的范围内选择。

5.权利要求1或2的方法，其特征在于冷却速度从下限为3℃/s到上限为10℃/s的范围内选择。

6.权利要求1或2的方法，其特征在于在保护气体氛围内发生冷却。

7.权利要求1的方法，其特征在于使用含有总量最多10wt％的其他合金化元素Ni，Mo，Mn，Si，V，W或Al的金属粉末，条件是这些元素的比例没有超过4.5wt％。

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