CN104711485A - 低合金钢粉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低合金钢粉，更具体地涉及水雾化的预合金化铁基钢粉，按重量％计，其包含：0.4至2.0的Cr、0.1至0.8的Mn、少于0.1的V、少于0.1的Mo、少于0.1的Ni、少于0.2的Cu、少于0.1的C、少于0.25的O、少于0.5的不可避免的杂质，且余量是铁。

Description

低合金钢粉

本申请是申请号为200880125653.5、申请日为2008年12月18日、发明名称为“低合金钢粉”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及低合金铁基粉末、含有该粉末和其它添加剂的粉末组合物、和由含有该新型低合金钢粉的铁基粉末组合物的压制和烧结而制成的部件。由本发明的粉末制成的部件的机械性质与由更高合金化和更昂贵的扩散结合粉末制成的部件的机械性质相当。

背景技术

在工业中，通过压制和烧结金属粉末组合物而制成的金属产品的应用日益广泛。生产具有各种形状和厚度的许多不同产品，并在希望降低成本的同时不断提高质量要求。由于通过铁粉组合物的压制和烧结获得净形部件或只需极少机械加工就可达到最终形状的近净形部件以及高的材料利用程度，该技术大大优于金属部件的传统成形技术，例如由棒料或锻件模制或机械加工。

但是，与压制和烧结法相关的一个问题在于，烧结部件含有一定量的孔隙，以致降低该部件的强度。基本有两种方式克服由部件多孔性造成的对机械性质的负面影响。1)可以通过引入合金元素，例如碳、铜、镍、钼等，来提高烧结部件的强度。2)通过提高该粉末组合物的可压缩性、和/或提高压制压力以获得更高生坯密度、或提高该部件在烧结过程中的收缩率，可以降低烧结部件的孔隙率。在实践中，采用通过添加合金元素来增强该部件与将孔隙率降至最低的组合。因此，各种组成的低合金钢粉和这些钢粉的压制方法已知用于制造表现出高强度和硬度的PM部件。但是，PM部件的特性是与锻钢材料相比相对较低的韧度。尽管“高度”合金化，但具有相对较高可压缩性的所谓的扩散合金化铁基粉末提供了与预合金粉末相比制造具有高韧度和高伸长以及高强度的压制和烧结体的可能性。

但是，与目前使用的扩散合金粉末相关的一个缺点是它们的相对较高的昂贵合金元素(例如钼和镍)含量。现在已经意外地发现，通过仔细选择合金元素铬和锰的组合，在相对较低含量下，获得了一种预合金粉末，它使得压制和烧结体具有与使用更合金化的扩散结合粉末可获得的值相同水平或接近的在伸长和强度方面的机械性质。

US 4266974公开了在所要求保护的范围外的合金粉末的实例，其仅含锰和铬作为有意加入的合金元素。这些实例含有2.92％的铬及0.24％的锰，4.79％的铬及0.21重量％的锰，或0.55％的铬及0.89重量％的锰。

在日本专利公开号JP 59173201中，含有铬、锰和钼的低合金钢粉的还原退火法，一个实例显示具有1.14重量％的铬含量和1.44重量％的锰含量作为仅有的有意加入的合金元素的粉末。

在US 6348080中描述了铬、锰和钼基预合金钢粉。WO 03/106079教导了与US 6348080中所述的钢粉相比具有较低的合金元素含量的铬、锰和钼合金化钢粉。该粉末适合在高于大约0.4重量％的碳含量下形成贝氏体结构。

发明目的

本发明的目的是提供适用于制造压制和烧结部件的合金铁基粉末，该粉末基本不含昂贵的合金元素，例如钼和镍。

本发明的另一目的是提供能够形成具有良好的伸长、拉伸强度和屈服强度的压制和烧结部件的粉末。

本发明的另一目的是提供具有上述性质的烧结部件。

发明概要

通过下述各项实现了这些目的中的至少一个：

－水雾化的预合金化铁基钢粉，按重量％计，其包含：0.4至2.0的Cr、0.1至0.8的Mn、少于0.1的V、少于0.1的Mo、少于0.1的Ni、少于0.2的Cu、少于0.1的C、少于0.25的O、少于0.5的不可避免的杂质，且余量是铁。

－基于该钢粉的铁基粉末组合物，且其与该组合物的0.35至1重量％的石墨、该组合物的0.05至2重量％的润滑剂、和任选地最多3％的量的铜、硬相材料和机械加工性增强剂混合。

－制造烧结部件的方法，包括下述步骤：

a)制备所述基于钢粉的铁基钢粉组合物，

b)对该组合物施以400至2000MPa的压制，

c)在还原气氛中在1000至1400℃的温度烧结所得生坯部件，

d)任选地，在高于500℃的温度锻造所述经加热的部件，或对所得烧结部件施以热处理或硬化步骤。

－通过所述方法制成的具有珠光体/铁素体微结构的烧结部件。

所述钢粉具有低的指定的铬和锰含量，且基本不含钼、镍和钒。

发明详述

铁基合金钢粉的制备

通过含有指定量的合金元素的钢熔体的水雾化制造钢粉。进一步对该雾化粉末施以如美国专利6027544中所述的还原退火法，该专利经此引用并入本文。该钢粉的粒度可以为任何尺寸，只要其与压制和烧结或粉末锻造法相容即可。合适的粒度的实例是可获自AB,Sweden的已知粉末ABC100.30的粒度，其大约10重量％高于150微米且大约20重量％低于45微米。

钢粉的含量

铬用于通过固溶硬化增强基质。铬还提高烧结体的可淬硬性、抗氧化性和耐磨性。但是，高于2.0重量％的铬含量会降低钢粉的可压缩性，并导致更难形成铁素体/珠光体微结构。优选地，从可压缩性的角度看，最大含量为大约1.8重量％，更优选1.5重量％。低于0.4重量％的Cr含量对所需性质具有不明显的作用。铬含量优选为至少0.5重量％。

锰与铬一样，提高该钢粉的强度、硬度和可淬硬性。高于0.8重量％的含量会提高该钢粉中含锰夹杂物的形成，也由于固溶硬化和提高的铁素体硬度而对可压缩性具有负面影响。锰含量优选低于0.7重量％，锰含量再更优选低于0.6重量％。如果锰含量低于0.1％，不能获得所需性质，此外，不可能使用回收碎屑，除非在制钢过程中进行特定处理以减少其含量。由于这些原因，锰含量优选为至少0.2重量％，更优选0.3重量％。因此，锰含量应该为0.1至0.8重量％，优选0.2至0.7重量％，再更优选0.3至0.6重量％。

还发现，为了获得足够高的可压缩性，铬和锰(它们在一定程度上可相互交换)的总量不应大于2.5重量％，优选不大于2.3重量％，最优选不大于2.0重量％。

在具有0.4至0.6重量％Cr的低铬含量的一个实施方案中，通过0.6至0.8重量％、优选0.7至0.8重量％的相当高的锰含量补偿低铬含量。这一实施方案是有利的，因为锰比铬廉价。

在另一实施方案中，当铬含量为至少0.7重量％时，锰含量为最多0.5重量％，当铬含量为至少1.0重量％时，锰含量为最多0.4重量％，优选最多0.3重量％。通过具有高的铬含量，锰含量可以保持较低，由此尽量降低钢粉中含锰夹杂物的形成。

氧合适地为最多0.25重量％，以防止与铬和锰形成氧化物——这会损害该粉末的强度和可压缩性。由于这些原因，氧优选为最多0.18重量％。

钒和镍应少于0.1重量％且铜少于0.2重量％。这些元素的过高含量对可压缩性具有负面影响并可能提高成本。镍的存在也抑制铁素体形成，由此促成脆的珠光体/贝氏体结构。钼应该少于0.1重量％，以防止形成贝氏体以及保持低成本，因为钼是非常昂贵的合金元素。

该钢粉中的碳应该为最多0.1重量％，氧最多0.25重量％。较高的含量会不可接受地降低该粉末的可压缩性。由于相同原因，氮应保持少于0.1重量％。

不可避免的杂质的总量应少于0.5重量％，以便不损害该钢粉的可压缩性或充当有害夹杂物的前体。

铁基粉末组合物

在压制之前，将铁基钢粉与石墨和润滑剂混合。石墨以该组合物的0.35至1.0重量％的量加入，润滑剂以该组合物的0.05至2.0重量％的量加入。在某些实施方案中，可以以最多3重量％的量加入铜粉形式的铜。在另一实施方案中，可以通过混合在有或没有附加铜粉的情况下向该组合物中加入最多5重量％的镍粉。

石墨的量

为了提高烧结部件的强度和硬度，在基质中引入碳。碳以石墨形式以该组合物的0.35至1.0重量％的量添加。少于0.35重量％的量会导致太低的强度，高于1.0重量％的量会导致过度形成碳化物，从而产生太高的硬度、不足的伸长和损害机械加工性。如果在烧结或锻造后用包括渗碳的热处理法热处理该部件，添加的石墨量可以少于0.35％。

铜的量

铜是粉末冶金技术中常用的合金元素。铜会通过固溶硬化提高强度和硬度。铜也促进烧结过程中烧结颈的形成，因为铜在达到烧结温度之前熔融，以提供比固态烧结快得多的所谓的液相烧结。在某一实施方案中，铜可以以最多3重量％的量添加。

镍的量

镍是粉末冶金技术中常用的合金元素。镍会通过固溶硬化提高强度和硬度。镍还在烧结过程中增强烧结颈。在某一实施方案中，镍可以以最多5重量％的量添加。

润滑剂的量

向该组合物中加入润滑剂以利于压制和该压制部件的推出。添加少于该组合物的0.05重量％的润滑剂具有不明显的作用，添加高于该组合物的2重量％会造成压制体的太低密度。润滑剂可选自金属硬脂酸盐、蜡、脂肪酸及其衍生物、具有润滑作用的低聚物、聚合物和其它有机物。

其它物质

可以加入其它物质，例如硬相材料和机械加工性增强剂，例如MnS、MoS₂、CaF₂、不同种类的矿物等。

烧结

将该铁基粉末组合物转移到模具中，并施以大约400至2000MPa的压制压力至高于大约6.75克/立方厘米的生坯密度。将所得生坯部件进一步在还原气氛中在大约1000至1400℃、优选大约1100至1300℃的温度烧结。

后烧结处理

可以通过热处理，包括以受控冷却速率冷却，对该烧结部件施以硬化过程以获得所需微结构。该硬化法可包括已知方法，例如表面硬化、氮化、感应硬化等。在热处理包括渗碳的情况下，添加的石墨量可以少于0.35％。

或者，可以对该烧结部件施以锻造操作以达到全密度。在部件温度为大约500至1400℃时，锻造操作可以直接在烧结操作后进行，或者在烧结部件的冷却后进行，然后在锻造操作之前将该冷却部件再加热至大约500至1400℃的温度。

可以使用其它类型的后烧结处理，例如表面辊轧或喷丸硬化，其引入压缩残余应力以提高疲劳寿命。

制成部件的性质

本发明提供了用于制造烧结部件的新型铁基预合金粉末，该烧结部件具有与由含有更高的合金元素总量和更昂贵的合金元素(例如镍和钼)的扩散结合粉末获得的相应值相当的拉伸强度和伸长。本发明尤其提供了铬和锰预合金化的铁基粉末、含有该粉末的组合物、以及由该粉末组合物制成的压制和烧结部件。该压制和烧结部件表现出高于2％的伸长值以及大约500 MPa的屈服强度。该微结构是珠光体或珠光体/铁素体。

实施例

由钢熔体的水雾化制造各种预合金化铁基钢粉1至5。将所得的未加工粉末进一步在氢气氛中在1160℃退火，然后温和研磨以使烧结粉末块崩解。粉末粒度低于150微米。表1显示不同粉末的化学组成。粉末6是DISTALOY AB，可获自Sweden并基于高纯雾化粉末ASC100.29(纯铁)的商业扩散合金粉末。

表1

表1显示了本发明的钢粉和参比材料的化学组成。

将所得钢粉1至5与分别为该组合物的0.5重量％和0.7重量％的可获自Kropfmühle,Germany的石墨UF4和0.8％可获自AB,Sweden的Amide wax PM混合。

粉末4在本发明的界限外，与0.11重量％钒合金化，并且具有0.03重量％的锰含量。粉末5的锰含量和铬含量都低于本发明的界限。

基于DISTALOY AB的参比混合物(粉末6)也是优选的。在这种情况下，制成的组合物含有0.5％的石墨和0.8％的Amide Wax PM。

将所得粉末组合物转移到模头中，并在600MPa的压制压力下压制形成拉伸试验条。将该压制的试验条在1120℃的实验室带式炉中在90％氮和10％氢的气氛中进一步烧结30分钟。

根据ASTME9-89C测试该烧结样品的拉伸强度和伸长，根据EN ISO6507-1测试硬度HV10。也分析样品的碳和氧含量。

根据EN10045-1测试冲击能量。

下表2显示了石墨的添加量、来自化学分析的结果和来自拉伸和硬度测试的结果。

表2

表2显示了添加到该组合物中的石墨量、制成的样品的分析C和O含量、以及来自制成的样品的拉伸试验和硬度测试的结果。

加入0.7％石墨时，基于粉末1、2的样品在屈服强度、拉伸强度、伸长和硬度方面表现出和与0.5％石墨粉混合的DISTALOY AB相当或更好的值。冲击能量略低，但仍足够高，粉末1略好于粉末2。

加入0.5％石墨时，基于粉末3的样品在屈服强度、拉伸强度、伸长和方面表现出和与0.5％石墨粉混合的DISTALOY AB相当或更好的值。冲击能量和硬度也与DISTALOY AB相当。

对于基于粉末4的样品，在相当的拉伸强度下，伸长和冲击能量远低于DISTALOY AB的值。对于基于粉末5的样品，可以看出，冲击能量和伸长随着碳含量提高而降低，如果添加高得多的石墨以将拉伸强度提高至与DISTALOY AB相当的水平，则低得更多。

Claims (21)

1.水雾化的预合金化铁基钢粉，按重量％计，其包含：

0.4至2.0的Cr，

0.1至0.8的Mn，

少于0.1的V，

少于0.1的Mo，

少于0.1的Ni，

少于0.2的Cu，

少于0.1的C，

少于0.25的O，

少于0.5的不可避免的杂质，且

余量是铁。

2.根据权利要求1的水雾化的预合金化铁基钢粉，其中Cr含量为最多1.8重量％，优选最多1.5重量％。

3.根据权利要求1或2的水雾化的预合金化铁基钢粉，其中Cr含量为至少0.5重量％。

4.根据权利要求1至3任一项的水雾化的预合金化铁基钢粉，其中Mn的含量为至少0.2重量％，优选至少0.3重量％。

5.根据权利要求1至4任一项的水雾化的预合金化铁基钢粉，其中Mn的含量为最多0.7重量％，优选最多0.6重量％。

6.根据权利要求1至5任一项的水雾化的预合金化铁基钢粉，其中铬和锰含量的总和少于2.5重量％，优选少于2.3重量％，最优选少于1.9重量％。

7.根据权利要求1的水雾化的预合金化铁基钢粉，其中Cr含量为0.4至0.6重量％，且Mn含量为0.6至0.8重量％，Mn含量优选为0.7至0.8重量％。

8.根据权利要求1的水雾化的预合金化铁基钢粉，其中Cr含量为至少0.7重量％，且Mn含量为最多0.5重量％。

9.根据权利要求1的水雾化的预合金化铁基钢粉，其中Cr含量为至少1.0重量％，且Mn含量为最多0.4重量％，优选最多0.3重量％。

10.铁基粉末组合物，其包含与下述材料混合的水雾化的预合金化铁基钢粉：该组合物的0.35至1重量％的石墨、该组合物的0.05至2重量％的润滑剂、任选地最多3％的量的铜、和任选地硬相材料和机械加工性增强剂，

其中按重量％计，所述水雾化的预合金化铁基钢粉包含：

0.4至2.0的Cr，

0.1至0.8的Mn，

少于0.1的V，

少于0.1的Mo，

少于0.1的Ni，

少于0.2的Cu，

少于0.1的C，

少于0.25的O，

少于0.5的不可避免的杂质，且

余量是铁。

11.根据权利要求10的铁基粉末组合物，其中Cr含量为最多1.8重量％，优选最多1.5重量％。

12.根据权利要求10或11的铁基粉末组合物，其中Cr含量为至少0.5重量％。

13.根据权利要求10至12任一项的铁基粉末组合物，其中Mn的含量为至少0.2重量％，优选至少0.3重量％。

14.根据权利要求10至13任一项的铁基粉末组合物，其中Mn的含量为最多0.7重量％，优选最多0.6重量％。

15.根据权利要求10至14任一项的铁基粉末组合物，其中铬和锰含量的总和少于2.5重量％，优选少于2.3重量％，最优选少于1.9重量％。

16.根据权利要求10或11的铁基粉末组合物，其中Cr含量为0.4至0.6重量％，Mn含量为0.6至0.8重量％，Mn含量为0.7至0.8重量％。

17.根据权利要求10或11的铁基粉末组合物，其中Cr含量为至少0.7重量％，Mn含量为最多0.5重量％。

18.根据权利要求10或11的铁基粉末组合物，其中Cr含量为至少1.0重量％，Mn含量为最多0.4重量％、优选最多0.3重量％。

19.根据权利要求10至14任一项的铁基粉末组合物，其中与所述水雾化的预合金化铁基钢粉混合的石墨的量为该组合物的至少0.5重量％，更优选至少0.7重量％。

20.制造烧结部件的方法，包括下述步骤：

a)制备具有权利要求10至19任一项中所述的组成的铁基粉末组合物，

b)对该组合物施以400至2000MPa的压制，

c)在还原气氛中在1000至1400℃的温度烧结所得生坯部件，

d)任选地，在高于500℃的温度锻造所述经加热的部件，或对所得烧结部件施以热处理或硬化步骤。

21.烧结部件，其由根据权利要求10至19任一项的粉末组合物制成，具有珠光体/铁素体微结构。