CN102325614B - 改进可机械加工性的组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明系关于一种铁基粉末组合物，其除铁基粉末以外还包含少量的可机械加工性改良添加剂，该添加剂包含至少一种来源于层状硅酸盐类的硅酸盐。本发明进一步系关于该可机械加工性改良添加剂的用途及制造具有改良可机械加工性的铁基烧结零件的方法。

Description

改进可机械加工性的组合物
发明领域
本发明涉及一种生产粉末金属零件的粉末金属组合物，以及制造粉末金属零件的方法，其具有改进的可机械加工性。
背景技术
组件的粉末冶金制造的一个主要优点是，可通过压缩和烧结，来生产最终或非常接近最终形状的坯料。但是，存在着对后续机械加工的需求的情况。例如，由于高耐性要求或由于最终组件具有无法直接压缩而需要于烧结后进行机械加工的形状而使后续机械加工成为必要。更特定地，对于诸如对压缩方向为横向的孔，底切和螺纹的几何形状都需要后续机械加工。
通过不断发展具有更高强度和由此更高硬度的新型烧结钢材，机械加工成为粉末冶金生产组件的主要问题之一。当评估粉末冶金生产是否系生产组件的最具成本有效的方法时，这经常成为限制性因素。
目前，大量已知物质已加入铁基粉末混合物中，以促进组件烧结后的机械加工。最普遍的粉末添加物是MnS，其在例如欧洲专利0183666中提及，描述了该粉末混合物如何改进烧结钢材的可机械加工性。
美国专利4927461描述了将0.01及0.5重量％的六方(hexagnol)BN(氮化硼)添加至铁基粉末混合物中以改进其烧结后的可机械加工性。
美国专利5631431涉及一种用于改进铁基粉末组合物的可机械加工性的添加剂，根据此专利，该添加剂含有占该粉末组合物的0.1至0.6重量％的氟化钙微粒。
日本专利申请08-095649涉及一种可机械加工性改进剂。该改进剂包括Al2O3-SiO2-CaO，并且具有钙长石(anorthite)或钙黄长石(gehlenite)结晶结构。钙长石是属于长石(feldspar)类的网状硅酸盐(tectosilicate)，其莫氏硬度达6至6.5，钙黄长石是莫氏硬度为5至6的sorosilicate。
美国专利US7300490涉及一种制造压制和烧结零件的粉末混合物，其是由硫化锰粉末(MnS)和磷酸钙粉末或羟基磷灰石粉末的组合所组成。
WO公开2005/102567涉及一种作为机械加工改良剂的六方氮化硼和氟化钙粉末的组合。
含硼粉末，诸如氧化硼、硼酸或硼酸铵，与硫的组合描述在美国专利5938814。
欧洲专利1985393A1描述了作为机械加工添加剂的粉末的其它组合，该组合含有至少一种选自滑石(talc)和steatite和脂肪酸的物质。
作为机械加工改良剂的滑石描述在日本专利1-255604中。滑石属于层状硅酸盐(phyllosilicate)类，其包含包围氢氧化镁八面体层的硅四面体层。
申请1002883涉及用于制造金属零件尤其是阀座嵌入物(valve seat insert)的粉末状金属掺合物。所述掺合物包含0.5至5％的固体润滑剂来提供低摩擦及滑动磨损，同时改良可机械加工性。在其中一实施例中，云母(mica)作为固体润滑剂。用于生产耐磨性及高温稳定性组件的此类型的粉末混合物总是包含大量合金化元素，一般高于10重量％，和硬相，其通常是碳化物。
US4274875教导了与EP1002883所描述相似的通过包含在压缩及烧结前加入0.5至2重量％的粉末状云母(mica)到金属粉末中的步骤的粉末冶金制造制品的方法。特定地，其公开了可使用任何类型的云母。
此外，日本专利申请JP10317002描述了具有降低的摩擦系数的粉末或烧结压制品。该粉末的化学组成是1至10重量％的硫，3至25重量％的钼，以及其余为铁。此外可加入固体润滑剂和硬相材料。
压缩及烧结组件的机械加工非常复杂，并且受组件的合金***类型、组件的烧结密度及组件大小和形状的参数影响。同时明显的是，机械加工操作类型和机械加工速度同样是对机械加工操作结果具有重要性的参数。要添加至粉末冶金组合物中的所述机械加工改良剂的多样性反映了PM机械加工技术的复杂本质。
发明概述
本发明公开了一种用于改进烧结钢材的可机械加工性的新颖添加剂。尤其是针对合金化元素含量低于10重量％，且不含硬相材料的低合金烧结钢材。该新颖添加剂设计用于改进所述烧结钢材接受切屑移除(chip removing)操作如钻孔、车削、研磨和攻丝的可机械加工性。此外，该新颖添加剂可用于由多种工具材料，诸如高速钢、碳化钨、金属陶瓷、陶瓷及立方氮化硼来进行组件的机械加工，且该工具也可经过涂覆。
因此，本发明的目的是为粉末金属组合物提供一种新颖的添加剂以改良可机械加工性。
本发明的另一目的是提供一种可用于不同类型烧结钢材的各种机械加工操作的所述添加剂。
本发明的另一目的是提供一种对压缩及烧结组件的机械性质无影响或影响可忽略的可机械加工性促进物质。
本发明的进一步目的是提供一种包含该新颖可机械加工性改良添加剂的粉末冶金组合物，及由该组合物制备压缩零件的方法。
目前已发现通过将包括所定义的特殊型硅酸盐的可机械加工性改良剂包含在粉末组合物中，可使具有多种微结构及烧结密度的烧结组件的可机械加工性得到惊人的重大改进。此外，即使在极低添加量下，也可获得对可机械加工性的正面效果，因此通过添加额外物质所造成的对可压缩性的负面影响减至最小。同样地，也已证实所添加的硅酸盐对机械性能的影响是可接受的。
因此，本发明提供一种铁基粉末组合物，其除铁基粉末外，还包含少量可机械加工性改良添加剂，所述添加剂包含至少一种来自层状硅酸盐类的硅酸盐。本发明同时提供了将层状硅酸盐作为铁基粉末组合物的可机械加工性改良剂的用途。本发明进一步提供了一种制造具有改良可机械加工性的铁基烧结零件的方法，其包含以下步骤：制备如上述的铁基粉末组合物，在400至1200MPa的压缩压力下压缩该铁基粉末组合物，在1000至1300℃的温度下烧结该压缩零件，并且任选热处理该烧结零件。
根据本发明，至少一种上述目的及其它自以下论述明显可知的目的是通过本发明的不同方面来实现。
根据本发明的一方面，提供一种除铁基粉末以外还包含少量呈粉末形式的可机械加工性改良添加剂的铁基粉末组合物，该添加剂包含至少一种选自由层状硅酸盐组成的组的硅酸盐。
该层状硅酸盐可选自例如粘土矿物如膨润土(bentnite)、高岭石及蒙脱石(smectite)；绿泥石；云母如金云母、白云母(muscovite)、黑云母及珍珠云母。
根据本发明的另一方面，提供包含于可机械加工性改良添加剂中的层状硅酸盐在铁基粉末组合物中的用途。
根据本发明的另一方面，提供一种铁基粉末组合物的制备方法，其包含：提供铁基粉末；及混合该铁基粉末与粉末状可机械加工性改良添加剂，该可机械加工性改良添加剂包含至少一种页砂酸盐。
根据本发明的另一方面，提供一种制造具有改良可机械加工性的铁基烧结零件的方法，其包含：制备根据以上方面的铁基粉末组合物；在400至1200MPa的压缩压力下压缩该铁基粉末组合物；在1000至1300℃的温度下烧结该压缩零件；并且任选热处理该烧结零件。
附图说明
图1显示了对于实施例1、3、4、5、7及8的可机械加工性指数如何测量刀片切削边缘的磨损即图中两箭头间的距离的示意图。
图2是描述可机械加工性改良剂白云母及金云母的平均粒度分别对相对可机械加工性改良指数的影响的示意图。
发明详述
该可机械加工性改良剂包含所限定的硅酸盐，其归类为层状硅酸盐，其特征可在于，莫氏硬度小于5，优选小于4。层状硅酸盐具有薄片结晶结构，其包含硅四面体层与氢氧化物的八面体结构的层的组合。优选地，四面体中的某些硅原子可置换为其它原子，诸如铝原子，因此该硅酸盐被标示为铝酸盐-硅酸盐。或者，铝原子存在于八面体结构中，或铝原子将同时存在于两种结构中。
可包含于该新颖的可机械加工性改良添加剂中的硅酸盐的实例为：
云母，诸如：
金云母KMg3(OH,F)2[AlSi3O10]，
白云母KAl2(OH)2[AlSi3O10],
黑云母K(Mg,Fe)3(OH)2[AlSi3O10],和
珍珠云母(margarite)CaAl2(OH)2[Al2Si2O10]；
属于绿泥石类的硅酸盐；
粘土矿物，诸如：
高岭石Al2(OH)4[Si2O5]；
属于蒙脱石类的粘土矿物，例如：
滑间皂石(aliettite)Ca0.2Mg6(Si,Al)8O20(OH)4*4H2O,
贝得石(beidellite)(Na,Ca0.5)0.3Al2(Si,Al)4O10(OH)2*nH2O,
水辉石(hectorite)Na0.3(Mg,Li)3Si4O10(OH,F)2,
微晶高岭土(montmorillonite)(Na,Ca)0.33(Al,Mg)2Si4O10(OH)2*nH2O,
囊脱石(nontronite)Na0.3Fe2(Si,Al)4O10(OH)2*nH2O,
皂石(Saponite)Ca0.25(Mg,Fe)3(Si,Al)4O10(OH)2*nH2O,
硅镁石(stevensite)(Ca,Na)xMg3Si4O10(OH)2,
铬岭石(volkonskoite)Ca0.3(Cr,Mg,Fe)2(Si,Al)4O10(OH)2*4H2O,和
Yakhontovite(Ca,Na)0.5(Cu,Mg,Fe)2Si4O10(OH)2*3H2O。
通常，硅酸盐矿物以所定义的矿物的组合存在于自然界，因此其在商业上存在不同的经化学定义的硅酸盐或其中间体、诸如各种类型的膨润土的组合，其包含微晶高岭土。本发明不局限于单一特定结构的硅酸盐，而是包括以上描述的硅酸盐的组合和中间体。
根据本发明使用的硅酸盐可具有小于5(优选小于4)的莫氏硬度，且可具有层状结构的原因为，已发现与较硬硅酸盐相比，此类硅酸盐在烧结体的机械加工期间，即使在相对低的温度下，仍可促进机械加工特性。因此，可避免在机械加工中放出热量对工具造成负面影响。较高硬度的硅酸盐可能在压缩中无助于润滑作用并且不利于压缩体从模具中的脱出。低硬度与所添加的硅酸盐的层状晶体结构的组合则是有利的，并且增强了润滑特性，因此可加入较少量的熟知的润滑剂，以获得较高的生坯密度。
此外，不受理论的任何限制，据信在硅酸盐中存在铝原子可能对机械加工性特性有正面效果并且有助于良好机械加工性而不管待机械加工组件的金相结构如何。
该新颖添加剂可包含其他已知的机械加工改良添加剂，诸如硫化锰、六方氮化硼、其它含硼物质和/或氟化钙混合，或所述新颖添加剂可与上述已知的机械加工改良添加剂一起混合。
该铁基粉末组合物中的添加剂含量可为0.05至1.0重量％，优选0.05至0.5重量％，优选0.05至0.4重量％，优选0.05至0.3重量％，更优选0.1至0.3重量％。较低含量在可机械加工性上可能达不到期望的效果，而较高含量可能对机械加工特性产生负面影响。因此，可机械加工性改良剂在铁基粉末组合物中的添加量可少于0.5重量％，优选0.49重量％或更少，优选0.45重量％或更少，更优选0.4重量％或更少，例如0.3重量％或更少，或0.2重量％或更少，或0.15重量％或更少。
根据本发明的新颖添加剂的粒度，X99可小于50μm，优选小于30μm，更优选小于20μm，诸如15μm或更小。相应的平均粒度X50可小于20μm，优选小于15μm，更优选10μm或更小，诸如5μm或更小。粒度X99，可实质上为至少1μm。若该粒度小于1μm，则可能难以得到均一的粉末混合物。大于50μm的粒度可能对可机械加工性及机械特性造成负面影响。
当待机械加工的组件具有马氏体结构、或含有马氏体结构的不均勾结构时，本发明的可机械加工性改良添加剂的可机械加工性改良效果将特别明显。
铁基粉末组合物
粉末类型
该新颖机械可机械加工性改良粉末可用于实质上任何含铁的粉末组合物。因此，该铁基粉末可以是纯铁粉末，例如雾化铁粉、还原粉末、及类似物。也可使用包含诸如镍、钼、铬、钒、钴、猛、铜的合金化元素的预合金粉末，及部份合金的钢铁粉末。当然，所述粉末可以混合物形式使用。
组合物中的可机械加工性改良添加剂是以粉末形式存在。该添加剂粉末微粒可例如作为自由粉末微粒与铁基粉末混合或例如通过粘合剂手段，与铁基粉末微粒结合。
其它添加剂
根据本发明的粉末组合物亦可包含其它添加剂，诸如石墨、粘合剂及润滑剂及其它公知的可机械加工性改良剂。润滑剂可以0.05至2重量％，优选0.1至1重量％的量添加。石墨可以0.05至2重量％，优选0.1至1重量％的量来添加。
方法
根据本发明的组件的粉末冶金制造可以公知方式，即通过以下步骤进行：可将铁基粉末，例如铁或钢粉末，与任何所需合金化元素，诸如镍、铜、钼和可选的碳及呈粉末形式的本发明可机械加工性改良添加剂进行混合。所述合金化元素也可以以预合金化或扩散合金形式添加至该铁基粉末中，或作为混合合金化元素、扩散合金粉末或预合金粉末间的组合的形式添加。该粉末混合物可在压缩前与公知的润滑剂，例如硬脂酸锌或酰胺蜡进行混合。该混合物中的较微细颗粒可通过粘合物质与该铁基粉末进行粘合。之后，可在一压缩工具中压缩该粉末混合物，以形成称为生坯的接近最终几何形状的物质。压缩通常于400至1200MPa的压力下进行。压缩后，在1000至1300℃的温度下烧结该压缩物并使其获得最终强度、硬度、伸长率等。该烧结零件可视情况进一步热处理。
实施例
本发明将通过以下非限制性实施例加以说明：
可机械加工性改良剂
以下物质被用作根据本发明的可机械加工性改良剂的实例：
含有白云母的粉末，其具有实质上小于20μm的粒度X99，及由以重量％氧化物表示的化学组成；
包含金云母的粉末，其具有约18μm的平均粒度X50，及实质上小于45μm的粒度X99，及由以下重量％氧化物表示的化学组成；
包含属于蒙脱石类的矿物的粉末，其具有实质上小于20μm的粒度X99，及由以下重量％氧化物表示的化学组成；
燃烧损失(未测得燃烧损失，化学分析是在不包含燃烧损失时计算得到的)
包含钙膨润土的粉末，其具有实质上小于15μm的粒度X99，及由以下重量％氧化物表示的化学组成；
实施例1
(可机械加工性研究，通过对烧结形式本身的PM材料的车削操作进行)
将膨润土粉末与购自瑞典 AB的金属粉末水雾化铁粉AHC100.29混合。该金属粉末也与2重量％的铜粉、0.8％的作为润滑剂的亚乙基双硬脂酰胺及0.8重量％的石墨进行混合。
将根据表1的金属粉末混合物压缩成根据ISO3225的标准化TRS条及外径为55mm、内径为35mm及高为20mm的环，至生坯密度为6.9g/cm3。
使该TRS条及环在10％氢和90％氮的混合物下，在实验室网带炉(mesh beltfurnance)中于1120℃下烧结20分钟，所得样品的微结构为珠层(pearlitic)结构。烧结的TRS条是用于根据ISO3325测量横向断裂强度，而烧结的环是用于车削测试以测定可机械加工性指数，如表2所示。
该可机械加工性指数定义为车削工具的侧面磨损(flank wear)，即自刀片切削边缘移除的材料。图1公开了如何测定该磨损。车削在恒定的轴转速及无冷却剂的恒定进刀下，利用碳化钨刀片，在该环的外径上进行。
表1显示压缩环的机械特性几乎不受添加的膨润土的影响。但是，对于加入膨润土的环而言，得到明显改良的可机械加工性，如表2所示。对于相同切削距离而言，与不含此添加剂的环相比，包含膨润土的环的可机械加工性指数几乎减少50％(即刀片切削边缘的磨损被降低)。
表1
DC为烧结期间横向断裂强度条的长度尺寸变化
HRB为横向断裂强度条的Rockwell B硬度
TRS为横向断裂强度条的横向断裂强度
表2
轴转速为在车床每分钟转数
切削距离为刀片与烧结环的咬合制造出的长度
M指数(可机械加工性指数)为完成切削距离后刀片切削边缘上的侧面磨损，以μm表示，参见图1。
实施例2
(可机械加工性研究，通过对烧结形式本身的PM材料的钻孔操作进行)
将白云母和金云母粉末与购自瑞典 AB的金属粉末Distaloy AE进行混合，该金属粉末是与0.5％的钼、4％的镍和1.5％的铜扩散合金化的纯铁。该金属粉末也与0.8重量％的EBS(亚乙基双硬脂酰胺)润滑剂和0.5重量％的石墨进行混合。
将表3中的材料混合物压缩成根据ISO2740的标准化拉伸测试条及直径为80mm，高为12mm的圆盘，至生坯密度为7.10g/cm3。使该拉伸条及圆盘在10％氢和90％氮的混合物下，在实验室网带炉中于1120℃下烧结30分钟。所得样品的微结构不均匀，包含铁素体、富镍奥氏体、珠层体、贝氏体及马氏体。
圆盘用于钻探测试来测定可机械加工性指数，如表4所示。该指数定义为钻头完全磨损，即钻头完全损坏前经机械加工的每个钻头的钻孔数量。钻孔在恒定的轴转速及无冷却剂的恒定进刀下，利用直径的高速钢钻头进行。
表3显示了，当加入云母粉末白云母和金云母时，发现机械加工特性仅出现微小偏差。如表4所示，金云母使可机械加工性得到显著改良，并且用白云母更可得到更加显著的改良(即可钻更相当多的孔)。
表3
DC为烧结期间横向断裂强度条的长度尺寸变化
HV10为拉伸强度条的维氏硬度
YS为拉伸强度条的屈服强度
TS为拉伸强度条的拉伸强度
A为拉伸强度测试中的塑性伸长率
表4
轴转速为钻孔机每分钟转数
M指数(可机械加工性指数)为钻头完全损坏前的平均钻孔数量
实施例3
(可机械加工性研究，使用经烧结、经淬火及回火的PM材料的车削操作来进行)
将膨润土粉末与购自瑞典 AB的金属粉末水雾化铁粉AHC100.29进行混合。该金属粉末也与2重量％的铜粉、0.8重量％的EBS(亚乙基双硬脂酰胺)润滑剂及0.8重量％的石墨混合。
将根据表5的材料混合物压缩成外径为55mm，内径为35mm及高为20mm的环，至生坯密度为6.9g/cm3。使该环在10％氢及90％氮混合物下，在实验室网带炉中于1120℃烧结20分钟。环烧结后在980℃下热处理30分钟然后在油中淬火。刚刚经油淬火后的环在空气中在200℃下回火一小时。所得的微结构为完全马氏体型。
该环用于车削测试来测定可机械加工性指数，如表6所示。该机械加工性指数定义为车削工具的侧面磨损，即自刀片切削边缘移除的材料。图1公开了如何测定该磨损。车削在恒定的轴转速及无冷却剂的恒定进刀下，利用氮化硅陶瓷刀片，在该环的外径上进行。
表5显示了热处理环的硬度不受添加的膨润土影响。但是，当使用膨润土时，可机械加工性得到显著改良，如表6所示。对于相同切削距离而言，与不含此添加剂的环相比，包含膨润土的环的可机械加工性指数减少不多于50％(即刀片切削边缘的磨损被减少)。
表5
HRC为热处理环的Rockwell C硬度。
表6
轴转速为在车床每分钟转数
切削距离为刀片与烧结环的咬合制造出的长度
M指数(可机械加工性指数)为完成切削距离后刀片切削边缘上的的侧面磨损
实施例4
(可机械加工性研究，通过对烧结硬化的PM材料的车削操作来进行)
将膨润土粉末与购自瑞典 AB的金属粉末水雾化钢粉Astaloy A进行混合，该金属粉末与1.9％镍和0.55％钼进行预合金化。该金属粉末也与2重量％的铜粉、0.8重量％的EBS(亚乙基双硬脂酰胺)润滑剂及0.8重量％的石墨进行混合。
将根据表7的材料混合物压缩成外径为55mm，内径为35mm及高为20mm的环，至生坯密度为6.9g/cm3。使该环在10％氢及90％氮混合物下，以2.2℃/s的冷却速率在生产炉中于1120℃烧结硬化20分钟。烧结硬化后的环在空气中在200℃下回火30分钟。所得的微结构为完全马氏体型。
该环用于车削测试来测定可机械加工性指数，可参见表8。该可机械加工性指数定义为车削工具中的表面磨损，即自刀片切削边缘移除的材料。图1公开了如何测定该磨损。车削在恒定的轴转速及无冷却剂的恒定进刀下，利用氮化硅陶瓷刀片，在该环的外径上进行。
表7显示加入一定量膨润土后，热处理环的硬度微微较硬。当使用膨润土时，可机械加工性得到显著改善，如表8所示。对于相同切削距离而言，与不含此添加剂的环相比，包含膨润土的环的可机械加工性指数减少约60％(即刀片切削边缘的磨损被减少)。
表7
HRC为热处理环的Rockwell C硬度
表8
轴转速为在车床每分钟转数
切削距离为刀片与烧结环的咬合制造出的长度
M指数(可机械加工性指数)为完成切削距离后刀片切削边缘上的侧面磨损
实施例5
(可机械加工性研究，通过对烧结硬化的PM材料的车削操作进行)
将膨润土粉末与购自瑞典 AB的金属粉末水雾化钢粉Astaloy CrL进行混合，该金属粉末是具有1.5％铬及0.2％钼的预合金化粉末。该金属粉末也与2重量％的铜粉、0.8重量％的EBS(亚乙基双硬脂酰胺)润滑剂及0.75重量％的石墨进行混合。
将根据表9的混合物压缩成外径为55mm，内径为35mm及高为20mm的环，至生坯密度为6.9g/cm3。该环在10％氢及90％氮混合物下，以2.2℃/s的冷却速率在生产炉中于1120℃烧结硬化20分钟。烧结硬化后的环在空气中在200℃下回火30分钟。所得的微结构为完全马氏体型。
该环用于车削测试来测定可机械加工性指数，可参见表10。该可机械加工性指数定义为车削工具中的表面磨损，即自刀片切削边缘移除的材料。图1公开了如何测定该磨损。车削在恒定的轴转速及无冷却剂的恒定进刀下，利用氮化硅陶瓷刀片，在该环的外径上进行。
表9显示加入一定量膨润土后，热处理环的硬度微微较硬。当使用膨润土时，可机械加工性得到显著改良，如表10所示。对于相同切削距离而言，与不含此添加剂的环相比，包含膨润土的环的可机械加工性指数减少约了60％(即刀片切削边缘的磨损减少)。
表9
HRC为热处理环的Rockwell C硬度
表10
轴转速为在车床每分钟转数
切削距离为刀片与烧结环的咬合制造出的长度
M指数(可机械加工性指数)为完成切削距离后刀片切削边缘上的侧面磨损
实施例6
(可机械加工性研究，通过对烧结硬化的PM材料的钻孔操作进行)
将白云母、金云母及蒙脱石粉末与购自瑞典 AB的金属粉末水雾化钢粉Astaloy CrM进行混合，该金属粉末是与3％铬及0.5钼预合金化的铁。该金属粉末也与0.8重量％的EBS(亚乙基双硬脂酰胺)润滑剂及0.55重量％的石墨进行混合。
将表11中的材料混合物压缩成根据ISO2740的标准化拉伸测试条及直径为80mm及高为12mm的圆盘，至生坯密度为7.10g/cm3。使该拉伸条及圆盘在10％氢及90％氮的混合物下，以2.2℃/s冷却速率在实验室网带炉中于1120℃烧结硬化30分钟。烧结硬化后的TS条及圆盘在空气中在200℃下回火30分钟。所得微结构为完全马氏体型。
圆盘用于钻探测试来测定可机械加工性指数，可参见表12。该指数定义为临界切削速率。若钻头在钻头完全损坏前，以固定切削速率在一个圆盘上可制造孔的总数(216)，新钻头连同增加的切削速率应在下面的测试中进行。钻孔在无冷却剂的恒定进刀下，利用直径的固体碳化物钻头完成。
表11显示了，当加入白云母、金云母或蒙脱石粉末时，发现机械加工特性仅出现微小偏差。如表12所示，白云母、金云母或蒙脱石可提高轴速率使可机械加工性得到显著改良而无钻孔失败。
表11
HV10为拉伸强度条强度的维氏硬度
MHV0.05为拉伸强度条的微维氏马氏体硬度
TS为拉伸强度条的拉伸强度
表12
轴转速为钻孔机每分钟转数
该测试在钻孔216个孔后中断，未发现钻孔失败。
实施例7
(可机械加工性研究，通过对烧结硬化的PM材料的车削操作进行)
将白云母、金云母和蒙脱石粉末与金属粉末，如实施例6中的水雾化钢粉AstaloyCrM进行混合。该金属粉末也与0.8重量％的EBS(亚乙基双硬脂酰胺)润滑剂及0.55重量％的石墨混合。
将表13的混合物压缩成根据ISO2740的标准化拉伸测试条及外径为64mm、内径为35mm及高为25mm的环，至生坯密度为7.10g/cm3。该拉伸条及环在10％氢及90％氮混合物下，以2.2℃/s的冷却速率在实验室网带炉中于1120℃烧结硬化30分钟。所得微结构为完全马氏体型。
烧结硬化后的TS条及环在空气中在200℃下回火30分钟。该环用于车削测试来测定可机械加工性指数，可参见表14。该可机械加工性指数定义为车削工具的侧面磨损，即自刀片切削边缘移除的材料。图1公开了如何测定该磨损，车削在恒定的轴转速及无冷却剂的恒定进刀下，利用立方体氮化硼刀片，在环终端表面完成。
表13显示当加入粉末状白云母、金云母或蒙脱石时，发现机械加工特性出现微小偏差。
使用白云母、金云母或蒙脱石，可机械加工性得到显著改良，如表14所示。对于相同切削距离而言，与不含该添加剂的环相比，包含不同添加剂的环的可机械加工指数显著地减少(即刀片切削边缘的磨损得以减少)。
表13
HV10为拉伸强度条的维氏硬度
MHV0.05为拉伸强度条的微维氏马氏体硬度
TS为拉伸强度条的拉伸强度
表14
切削速率为在车削机器中以米/分钟表示的环外径到内径的环速度
切削距离为刀片与烧结环的咬合制造出的长度
M指数(可机械加工性指数)为完成切削距离后刀片切削边缘上的侧面磨损。
实施例8
(可机械加工性研究，通过对烧结硬化的PM材料的车削操作进行)
将膨润土粉末与金属粉末如实施例6中的水雾化钢粉Astaloy CrM进行混合。该金属粉末也与0.8重量％的EBS(亚乙基双硬脂酰胺)润滑剂及0.6重量％的石墨进行混合。
将根据表15的混合物压缩成外径为55mm、内径为35mm及高为20mm的环，至生坯密度为6.9g/cm3。该环在10％氢及90％氮混合物下，以2.2℃/s的冷却速率在生产炉中于1120℃烧结硬化20分钟。烧结硬化后的环在空气中在200℃下回火30分钟。所得微结构为完全马氏体型。
该环用于车削测试来测定可机械加工性指数，可参见表16。该可机械加工性指数定义为车削工具的侧面磨损，即来自刀片切削边缘移除的材料。图1公开了如何测定该磨损。车削在恒定的轴转速及无冷却剂的恒定进刀下，利用氮化硅陶瓷刀片，在环外径上完成。
表15显示加入一定量膨润土后，热处理环的硬度微微较硬。当使用膨润土时，可机械加工性得到显著改良，如表16所示。对于相同切削距离而言，与不含此添加剂的环相比，包含膨润土的环的可机械加工性指数减少约70％(即刀片切削边缘的磨损减少)。
表15
HRC为热处理环的Rockwell C硬度
表16
轴转速为车床每分钟转数
切削距离为刀片与烧结环的咬合制造出的长度
M指数(可机械加工性指数)为完成切削距离后刀片切削边缘上的侧面磨损。
实施例9
(可机械加工性研究，通过对烧结形式本身的PM材料的钻孔操作进行)
根据Fraunhofer App.ISO13320-1:1999的方法，使用激光散射设备(SympatecGmbH)，来测定具有不同粒度分布的白云母及金云母粉末，参见表17。
表17
材料 简写 X50 X99
白云母 M1 31.7 128.4
白云母 M2 8.4 39.7
白云母 M3 3.4 12.3
金云母 P1 7.4 34.6
金云母 P2 4.6 13.6
X50的值为这样的粒度[μm]，其中总量的50重量％具有小于该值的粒度。
X99的值为这样的粒度[μm]，其中总量的99重量％具有小于该值的粒度。
将白云母及金云母粉末与购自瑞典 AB的金属粉末DistaloyAE进行混合，该金属粉末是与0.5％的钼、4％的镍和1.5％的铜扩散合金化的纯铁。该金属粉末也与0.8重量％的EBS(亚乙基双硬脂酰胺)润滑剂及0.5重量％的石墨混合。
将表18中的材料混合物(以重量百分比表示)压缩成根据ISO2740的标准化拉伸测试条及直径为80mm及高为12mm的圆盘，至生坯密度为7.10g/cm3。该拉伸条及圆盘在10％氢及90％氮混合物下，在实验室网带炉中于1120℃烧结30分钟。所得样品的微结构不均匀，其包含铁素体、富镍奥氏体、珠层体、贝氏体及马氏体。
表18
M1＝粒度分布X50＝31.7μm并且X99的＝128.4μm的白云母粉末
M2＝粒度分布X50＝8.4μm并且X99的＝39.7μm的白云母粉末
M3＝粒度分布X50＝3.4μm并且X99的＝12.3μm的白云母粉末
P1＝粒度分布X50＝7.4μm并且X99的＝34.6μm的金云母粉末
P2＝粒度分布X50＝4.6μm并且X99的＝13.6μm的金云母粉末
圆盘用于钻孔测试来测定可机械加工性指数，可参见表19。该指数定义为钻头完全磨损即钻头完全损坏前经机械加工的每个钻头的钻孔数量。钻孔是在恒定的转速及无冷却剂的恒定进刀下，利用直径的高速钢钻头完成。
如表19所示，加入金云母后，可机械加工性得到改良，并且加入白云母可机械加工性得到进一步改良(即可钻相对更多的孔)，较粗的白云母(M1)除外。
表19
轴速率为钻孔机每分钟转数
相对可机械加工性指数为钻头完全损坏前，混合物1-7平均钻孔数量与混合物1(即无可机械加工性改良添加剂的混合物)平均钻孔数量的比。
通过定义相对可机械加工性指数，即钻头完全损坏前平均钻孔数量与无添加剂的材料平均钻孔数量的比，可证明可机械加工性与白云母粒度分布(X50)之间的关系，如图2所示。
随着粒度(X50)减小，白云母以增加的高可机械加工性效果对可机械加工性的影响显著，而金云母则见到较少的增加效果。
如图2所示，平均粒度X50，适宜为20μm或更小，优选15μm或更少，更优选10μm或更小，特别是5μm或更小。
以白云母为例，添加的可机械加工性试剂的量会影响尺寸改变、机械加工特性及硬度，可见于表20。
表20
DC为烧结期间拉伸强度条的长度尺寸改变
HV10为拉伸强度条的维氏硬度
YS为拉伸强度条的屈服强度
TS为拉伸强度条的拉伸强度
A为拉伸强度检测时的塑性伸长率

Claims (15)

1.一种铁基粉末组合物，其除铁基粉末以外，还包含少量粉末状可机械加工性改良添加剂，该添加剂是白云母，其含量为该铁基粉末组合物的0.05至0.3重量％，其中该可机械加工性改良添加剂的平均粒度X50小于15μm。
2.如权利要求1所述的铁基粉末组合物，其中该可机械加工性改良添加剂的平均粒度X50小于10μm。
3.如权利要求2所述的铁基粉末组合物，其中该可机械加工性改良添加剂的平均粒度X50小于5μm。
4.如权利要求1所述的铁基粉末组合物，其中可机械加工性改良添加剂的含量占该铁基粉末组合物的0.05至0.2重量％。
5.如权利要求2所述的铁基粉末组合物，其中可机械加工性改良添加剂的含量占该铁基粉末组合物的0.05至0.2重量％。
6.如权利要求3所述的铁基粉末组合物，其中可机械加工性改良添加剂的含量占该铁基粉末组合物的0.05至0.2重量％。
7.如权利要求1至6中任一项所述的铁基粉末组合物，其中该可机械加工性改良添加剂的粒度X99小于50μm。
8.如权利要求7所述的铁基粉末组合物，其中该可机械加工性改良添加剂的粒度X99小于30μm。
9.如权利要求8所述的铁基粉末组合物，其中该可机械加工性改良添加剂的粒度X99小于20μm。
10.如权利要求1至6中任一项所述的铁基粉末组合物，其中该铁基粉末包含小于10重量％的合金化元素。
11.如权利要求7所述的铁基粉末组合物，其中该铁基粉末包含小于10重量％的合金化元素。
12.如权利要求8所述的铁基粉末组合物，其中该铁基粉末包含小于10 重量％的合金化元素。
13.如权利要求9所述的铁基粉末组合物，其中该铁基粉末包含小于10重量％的合金化元素。
14.一种制备铁基粉末组合物的方法，其包含：
提供铁基粉末；和
将该铁基粉末与粉末状可机械加工性改良添加剂进行混合，该可机械加工性改良添加剂包含白云母，其含量为该铁基粉末组合物的0.05至0.3重量％。
15.一种制造具有改良可机械加工性的铁基烧结零件的方法，其包括：
制备如权利要求1至13中任一项所述的铁基粉末组合物；
在400至1200MPa的压缩压力下压缩该铁基粉末组合物；
在1000至1300℃的温度下烧结该压缩过的零件；并且
任选地热处理该烧结过的零件。
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