CN113302328A - 用于压制烧结和增材制造的冶金组合物 - Google Patents

用于压制烧结和增材制造的冶金组合物 Download PDF

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Abstract

本公开提供了包含铁和成合金元素的铁基冶金组合物，所述成合金元素是基于组合物的重量为约(0.01)至约(0.65)重量％的碳；基于组合物的重量为约(1)至约(2.0)重量％的钼；基于组合物的重量为约(0.25)至约(2.0)重量％的锰；基于组合物的重量为约(0.25)至约(2.0)重量％的硅；和基于组合物的重量为约(0.05)至约(0.6)重量％的钒。在一些实施方式中，该铁基冶金组合物是粉末冶金组合物。

Description

用于压制烧结和增材制造的冶金组合物
相关申请交叉引用
本申请根据美国专利法第119条(e)要求于2019年3月14日提交的美国临时专利申请号62/818,193的权益，所述临时专利申请的内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及铁基冶金组合物及其制备和使用方法，特别是涉及可用于压制烧结应用和增材制造方法的铁基粉末组合物。
背景技术
铁基粒子长期以来一直被用作用于压实金属部件中和制备压实金属部件的基材，最近用于增材制造(AM)。
所需要的是在增材制造和/或传统的压制烧结应用中均可使用以提供高强度、高延展性金属的铁基组合物。
发明内容
本公开提供了包含铁和成合金元素的铁基冶金组合物，所述成合金元素是基于组合物的重量为约0.01至约0.65重量％的碳；基于组合物的重量为约1至约2.0重量％的钼；基于组合物的重量为约0.25至约2.0重量％的锰；基于组合物的重量为约0.25至约2.0重量％的硅；和基于组合物的重量为约0.05至约0.6重量％的钒。在优选的实施方式中，所述铁基冶金组合物是粉末冶金组合物。
在更优选的实施方式中，所述铁基粉末冶金组合物，作为成合金元素，包含基于组合物的重量为约0.05至约0.54重量％的碳；基于组合物的重量为约1.26至约1.4重量％的钼；基于组合物的重量为约0.93至约1.25重量％的锰；基于组合物的重量为约0.93至约1.15重量％的硅；和基于组合物的重量为约0.12至约0.2重量％的钒。
本公开还提供了由本文所述的铁基冶金粉末组合物制成的压制烧结金属部件。
本公开还提供了使用本文所述的铁基冶金粉末组合物通过增材制造制成的金属部件。
本公开还提供了由诸如上文所述的冶金粉末组合物、优选由其中所述冶金粉末组合物包含与一种或多种上述成合金元素扩散粘结的铁粒子的组合物来增材制造金属部件的方法。
本公开还提供了由冶金粉末组合物来增材制造金属部件的方法，其中所述冶金粉末组合物包含铁和成合金元素，所述成合金元素是基于组合物的重量为约0.01至约0.65重量％的碳；基于组合物的重量为约1至约1.6重量％的钼；基于组合物的重量为约0.75至约1.5重量％的锰；基于组合物的重量为约0.75至约1.5重量％的硅；和基于组合物的重量为约0.05至约0.3重量％的钒；其中存在于所述组合物中的至少一部分钼与铁以铁/钼粒子的形式预合金化。优选地，该粉末组合物是所述成合金元素的粒子与之扩散粘结的铁/钼粒子形式。
本发明的其它方面和实施方式将从以下本发明的详细描述中显而易见。
附图说明
当结合附图阅读时，将进一步理解本申请。为了说明本发明主题的目的，在附图中显示了本发明主题的示例性实施方式；然而，当前公开的主题不限于所公开的具体的组成、方法、装置和***。另外，附图不一定按比例绘制。
图1是实施例1的合金的图像，显示出精细的微观结构。
图2是20MnCr5合金的图像，显示出比实施例1的合金更粗糙的结构。
具体实施方式
在本公开中，除非上下文另有明确指示，不带数量指示的单数形式包括复数指称物，并且对特定数值的引用至少包括该特定值。因此，例如，对“材料”的指称是对本领域技术人员已知的此类材料及其等同物中的至少一种的指称，以此类推。
当将某个值通过使用描述符“约”表示为近似值时，应理解的是，该特定值形成另一个实施方式。通常，使用术语“约”表明近似值，该近似值可以根据试图通过所公开的主题获得的期望性质而变化，并且应在使用它的特定情形中基于其功能进行解读。在存在的情况下，所有范围都是闭合的和可组合的。亦即，对以范围陈述的值的引用包括该范围内的所有值。
应领会，本文中为清楚起见在分开的实施方式的情形下描述的本发明的某些特征也可作为组合提供在单个实施方式中。也就是说，除非明显不相容或排斥，否则每个单独的实施方式都被认为可与任何其它实施方式组合，并且这样的组合被认为是另一个实施方式。相反，为简洁起见在单个实施方式的情形下描述的本发明的各种特征也可分开或以任何子组合提供。还应注意，权利要求可被起草成排除任何任选的元素。如此，该陈述旨在作为结合权利要求元素的叙述使用诸如“唯一”、“仅有”等排他性术语或使用“否定”限制的先行基础。最后，虽然一个实施方式可以被描述为一系列步骤的一部分或更通用结构的一部分，但每个所述步骤本身也可以被认为是一个独立的实施方式。
因此，本公开提供了包含铁和一种或多种成合金元素的铁基冶金组合物。在一些实施方式中，所述铁基冶金组合物是细碎的基本铁粒子和各个成合金元素的粒子的形式。在一些实施方式中，所述基本铁粒子由已与所述成合金元素中的一种或多种预合金化的铁制成。在另外的实施方式中，所述铁基冶金组合物是完全合金化的。在别的另外实施方式中，所述铁基冶金组合物是部分合金化的。在其它实施方式中，所述基本铁粒子与所述元素成合金粉末扩散粘结。在另外的实施方式中，所述基本铁粒子与所述元素成合金粉末中的至少一些扩散粘结。在另外的实施方式中，所述基本铁粒子中的至少一些与所述元素成合金粉末扩散粘结。在别的其它实施方式中，在另外的实施方式中，所述基本铁粒子中的至少一些与所述元素成合金粉末中的至少一些扩散粘结。
如本文所用的术语“铁基粉末组合物”是指其中铁形成粉末的基础(“基本铁”)和主要组分的铁基粉末。在一些实施方式中，铁是基本元素。所述基本铁可以是纯或基本上纯的铁或与至少一种成合金元素预合金化的铁的粉末或粒子的形式。在本文公开的铁基粉末组合物中，所述铁或预合金化铁的粒子与所述其它成合金元素的粉末组合以提供如本说明书第三段中的最终组合物。所述铁或预合金化铁的粒子可以通过气体雾化或水雾化来制备。
如本文所用的“纯铁”(或“纯铁粒子”)是指含有不超过约0.01重量％的正常杂质的铁。
如本文所用的“基本上纯的铁”(或“基本上纯的铁粒子”)是指含有不超过约1.0重量％、优选不超过约0.5重量％的正常杂质的铁。基本上纯的铁的实例包括可高度压缩的冶金级铁粉。基本上纯的铁粉的具体实例包括
Figure BDA0003132913420000041
1000系列纯铁粉，例如下列，其中在其中提到的重量％是基于组合物的总重量：
·包含铁以及小于约0.01重量％的碳、小于约0.14重量％的氧、约0.002重量％的氮、约0.018重量％的硫、约0.009重量％的磷、小于约0.01重量％的硅、约0.2重量％的锰、约0.07重量％的铬、约0.10重量％的铜和约0.08重量％的镍的组合物(也称为
Figure BDA0003132913420000051
1000)；
·包含铁以及小于约0.01重量％的碳、约0.09重量％的氧、约0.001重量％的镍、约0.009重量％的硫、约0.005重量％的磷、小于约0.01重量％的硅、约0.10重量％的锰、约0.03重量％的铬、约0.05重量％的铜和约0.05重量％的镍的组合物(也称为
Figure BDA0003132913420000052
1000B)；
·包含铁以及小于约0.01重量％的碳、约0.07重量％的氧、约0.001重量％的氮、约0.007重量％的硫、约0.004重量％的磷、小于约0.01重量％的硅、约0.07重量％的锰、约0.02重量％的铬、约0.03重量％的铜和约0.04重量％的镍的组合物(也称为
Figure BDA0003132913420000053
1000C)；
·包含铁以及约0.01重量％的碳、约0.02重量％的硅、约0.15重量％的氧和约0.015重量％的硫的组合物(也称为
Figure BDA0003132913420000054
AMH)，
·包含铁以及约0.01重量％的碳、约0.02重量％的硅、约0.15重量％的氧和约0.015重量％的硫的组合物(也称为
Figure BDA0003132913420000055
DWP200)，或
在此可以使用的其它基本上纯的铁粉包括海绵铁粉，例如包含铁以及约0.02重量％的二氧化硅、约0.01重量％的碳、约0.009重量％的硫和约0.01重量％的磷的组合物(也称为ANCOR MH-100粉末)。
如本文所用的术语“合金”或“预合金”是指金属，通常是本发明中的铁与一种或多种成合金元素结合而产生新的金属物质。合金可以如本领域所理解的那样制备。制备合金的典型方法包括加热金属例如铁和成合金元素直至熔化。混合，随后凝固，提供合金。
Figure BDA0003132913420000056
低合金钢粉末是基本上纯的铁并含有低水平的合金组分。这样的低合金钢粉包括但不限于下列：
·包含铁以及小于约0.01重量％的碳、约0.35重量％的钼、约0.15重量％的锰和约0.13重量％的氧的组合物(也称为
Figure BDA0003132913420000061
30HP)，
·包含铁以及小于约0.01重量％的碳、约0.18重量％的锰、约0.50重量％的钼和约0.09重量％的氧的组合物(也称为
Figure BDA0003132913420000062
50HP)，
·包含铁以及小于约0.01重量％的碳、约0.12重量％的锰、约0.86重量％的钼和约0.08重量％的氧的组合物(也称为
Figure BDA0003132913420000063
85HP)，
·包含铁以及小于约0.01重量％的碳、约0.12重量％的锰、约1.5重量％的钼和约0.08重量％的氧的组合物(也称为
Figure BDA0003132913420000064
150HP)，
·包含铁以及小于约0.01重量％的碳、约0.61重量％的钼、约0.46重量％的镍、约0.25重量％的锰和约0.13重量％的氧的组合物(也称为
Figure BDA0003132913420000065
2000)，和
·包含铁以及小于约0.01重量％的碳、约0.56重量％的钼、约1.83重量％的镍、约0.15重量％的锰和约0.13重量％的氧的组合物(也称为
Figure BDA0003132913420000066
4600V)。
其它预合金化的铁基粉末包括ANCOR
Figure BDA0003132913420000067
粉末，例如：
·ANCOR
Figure BDA0003132913420000068
17-4PH(包含铁以及约15.4重量％的铬、约0.3重量％的硅、约0.4重量％的锰、约4.5重量％的镍、约3.2重量％的铜、约0.2重量％的铌/钽、约0.15重量％的碳、约0.02重量％的硫、约0.1重量％的氧、和约0.5重量％的氮)，
·ANCOR
Figure BDA0003132913420000069
316L(包含铁以及约16.5重量％的铬、约0.45重量％的硅、约1.2重量％的锰、约11重量％的镍、约2.2重量％的钼、约0.1重量％的碳、约0.3重量％的硫、约0.07重量％的氧、和约0.1重量％的氮)，
·ANCOR
Figure BDA00031329134200000610
IN625(包含铁以及约60.4重量％的镍、约21.9重量％的铬、约9.4重量％的钼、约0.45重量％的铝、约3.9重量％的铌、约1.1重量％的氧、约0.02重量％的碳、和约0.06重量％的氮)，或
·ANCOR
Figure BDA0003132913420000071
IN718(包含铁以及约53.8重量％的镍、约18.5重量％的铬、约0.5重量％的铝、约5重量％的铌、约1重量％的钽、约3重量％的钼、约170.03重量％的碳、约0.001重量％的硫、约0.03重量％的氧、和约0.04重量％的氮)粉末。
·ANCOR
Figure BDA0003132913420000072
4605(包含铁以及约0.46重量％的碳、约0.34重量％的氧、约0.03重量％的硫、约0.01重量％的氮、约1.9重量％的镍、约0.4重量％的钼、和约0.1重量％的硅)。
此外，铁基粉末包括通过粉末冶金方法制成的工具钢。
如本文所用的术语“成合金粒子”是指含有所述成合金元素中的一种或多种的冶金粉末粒子。在一些实施方式中，所述成合金粒子包含纯元素金属(例如小薄片或粉末)。在其它实施方式中，所述粒子包含一种或多种与铁预合金化的元素金属。通常对所述成合金元素加以选择以增强所述粉末或由所述粉末制备的产品的一种或多种性质。掺入本发明的组合物中的成合金元素是粉末冶金工业中已知增强通过粉末冶金方法生产的制品的机械性质、耐腐蚀性、强度、淬透性或其它期望的性质的那些元素。可以与铁预合金化的成合金元素的实例包括但不限于钼(Mo)、锰(Mn)、硅(Si)、钒(V)、碳(C)如石墨、铜(Cu)、镍(Ni)、铬(Cr)、磷(P)、铝(Al)、铌(Nb)等，或其组合。所述成合金元素的量或掺入的元素取决于最终金属部件中期望的性质。掺入这样的成合金元素的预合金化铁粉是
Figure BDA0003132913420000073
系列的粉末。在一些实施方式中，所述铁基粉末是与钼(Mo)预合金化的铁，即Fe-Mo预合金，或与铜(Cu)预合金化的铁，即Fe-Cu预合金。在其它实施方式中，所述铁基粉末含有两种不同的预合金化铁基粉末的混合物。因此，在本发明的实践中，所述成合金元素可以以单种成合金元素或成合金元素与铁的预合金的粒子或粉末形式掺入到所述组合物中。在一些实施方式中，所述扩散合金化粉末是包含铁以及约1.75重量％的镍、约0.5重量％的钼、约1.5重量％的铜、小于约0.01重量％的碳和约0.13重量％的氧的组合物(也称为ANCORSTEEL FD-4800A)，或包含铁以及约4重量％的镍、约0.5重量％的钼、约1.5重量％的铜、小于约0.01重量％的碳和约0.13重量％的氧的组合物，即Fe-1.5％Mo预合金(也称为ANCORSTEEL FLD-49DH)。
预合金化的粉末可以通过制造铁和所述一种或多种成合金元素的熔体、然后将所述熔体雾化、从而使雾化的微滴在凝固时形成粉末来制备。在一些实施方式中，所述雾化使用气体雾化进行，由此惰性气体喷射使粒子雾化。在其它实施方式中，雾化使用水雾化进行的，由此通过水的喷射来冲击熔融金属。
在某些实施方式中，所述铁基粉末组合物可由基本铁粒子与单独的所选成合金元素的粒子组合形成。这样的组合物通常会含有一种或多种粘合剂以粘结冶金粉末组合物中存在的不同组分，从而抑制偏析并减少粉尘化。如本文所用的“粘结”是指促进冶金粉末组合物的组分粘附的任何物理或化学方法。使用本领域技术人员已知的技术将粘合剂添加到冶金粉末组合物中。合适的粘合剂在授予Lindsley等的美国专利号7,527,667中公开。
所述铁基粉末组合物也可由与含有至少一种其它成合金元素的粒子扩散粘结的基本上纯铁或预合金化铁的基本粒子构成，所述其它成合金元素可以与预合金化到所述基本粒子中的元素相同或不同。在一些实施方式中，所述基本铁粒子中的至少一些与含有至少一种其它成合金元素的粒子扩散粘结。在一些实施方式中，所述基本铁粒子中的至少一些与含有至少一种其它成合金元素的粒子中的一些扩散粘结。所述扩散粘结为基本铁粒子提供了扩散到所述基本粒子的外表面中的成合金元素层或包覆层。扩散粘结技术是本领域已知的，包括美国专利号4,238,221和2015年的ASM手册(ASM Handbook)，第7册，粉末冶金(Powder Metallurgy)中描述的那些，它们二者均通过引用并入本文。在一些实施方式中，扩散粘结是利用压力和加热进行的。最终的合金金属在其用于制造最终金属部件期间原位生成，例如通过压制烧结方法或在增材制造过程中生成。优选的扩散粘结组合物由成合金元素C、V、Si、Mo和Mn以上述比例与之扩散粘结的铁粒子构成。更优选地，所述组合物中的成合金元素例如钼中的至少一些与铁预合金化以形成铁/钼粒子。在最优选的实施方式中，所述组合物的成合金元素，例如钼，全部通过预合金化而存在，使得基本上没有成合金元素，例如钼，以元素粒子的形式存在于所述粉末组合物中。在别的其它优选实施方式中，锰、硅、碳和钒以及任何未与铁预合金化的钼是与所述铁/钼粒子扩散粘结的元素粒子的形式。
如本文所用的术语“增材制造”是指使用粉末冶金组合物制备金属部件的方法。本领域技术人员了解在增材制造中采用的技术。参见，例如，Milewski，“金属的增材制造(Additive Manufacturing of Metals)，”第一版，XXVI，Springer，2017；“基于激光的金属部件增材制造：机械性质的建模、优化和控制(Laser-Based Additive Manufacturing ofMetal Parts:Modeling,Optimization,and Control of Mechanical Properties)”，Bian等，CRC Press，2017；“增材制造技术、3D打印、快速原型制造和直接数字制造(AdditiveManufacturing Technologies,3D Printing,Rapid Prototyping,and Direct DigitalManufacturing)”，Gibson等，Springer，2015；和“增材制造：用于原型制造和制造的3D打印(Additive Manufacturing:3D Printing for Prototyping and Manufacturing)”，Gebhardt，Carl Hanser Verlag GmbH&Company KG，2016，所有这些都通过引用并入本文。在一些实施方式中，使用粉末床融合(powder bed fusion)进行增材制造，其中在一块板上相继铺展粉末状金属的层，然后通过激光器进行熔化。在铺展每个后继层之前，任选去除未熔化的粉末。在一些实施方式中，这样的方法使用一个激光器、多个激光器或电子束来选择性地熔化这些层。这样的***的实例包括但不限于直接金属激光烧结、直接金属激光熔化和电子束熔化。在其它实施方式中，增材制造是粘合剂喷射增材制造。如本领域技术人员所知，粘合剂喷射增材制造包括使用通常为液体形式的粘合剂充当粉末层之间的胶粘剂。通常，打印头水平移动并沉积构建材料和粘合材料的交替层。
申请人已经发现，使用由扩散粘结的粉末构成的粉末组合物进行增材制造在形成坚固的致密部件方面特别有效。优选的是其中铁基粒子与至少一种成合金元素扩散粘结的组合物。更优选的是含有多于一种成合金元素的组合物，特别是那些由至少一种其它成合金元素与之扩散粘结的预合金化铁粒子构成的组合物。最优选的是本文所述的组合物，其中成合金材料包含碳、硅、钒、锰和钼，其中至少一些钼被预合金化到所述基本铁粒子中。铁/钼预合金粉末的实例是含有0.35-1.5重量％的钼的粉末，例如ANCORSTEEL HP粉末。对此目的特别优选的是含有约1.5重量％的钼的预合金，例如ANCORSTEEL 150 HP。
本发明的冶金粉末组合物可以具有小至一微米或以下、或至多约200微米、优选约1至约150微米的体积平均粒度。在另外的实施方式中，所述冶金粉末组合物的体积平均粒度为约1至约100微米。在其它实施方式中，所述冶金粉末组合物的体积平均粒度为约1至约75微米。在又另外的实施方式中，所述冶金粉末组合物的体积平均粒度为约1至约50微米。在别的其它实施方式中，所述冶金粉末组合物的体积平均粒度为约25至约150。在另外的实施方式中，所述冶金粉末组合物的体积平均粒度小于约150微米。在别的其它实施方式中，优选当所述组合物要用于粘合剂喷射中时，所述冶金粉末组合物的体积平均粒度为约1至约30微米。在又另外的实施方式中，优选当所述组合物要用于激光粉末床融合时，所述冶金粉末组合物的体积平均粒度为约15至约75微米。在其它实施方式中，优选当所述组合物要用于电子速熔化时，所述冶金粉末组合物的体积平均粒度为约45至约150微米。在其它另外的实施方式中，所述冶金粉末组合物的体积平均粒度为约25至约45微米。
在一些实施方式中，本公开提供了包含铁和成合金元素的铁基冶金组合物，所述成合金元素是基于组合物的重量为约0.01至约0.65重量％的碳；基于组合物的重量为约1至约2.0重量％的钼；基于组合物的重量为约0.25至约2.0重量％的锰；基于组合物的重量为约0.25至约2.0重量％的硅；和基于组合物的重量为约0.05至约0.6重量％的钒。在一些实施方式中，该铁基冶金组合物是粉末冶金组合物。在其它实施方式中，该铁基粉末冶金组合物含有与所述成合金元素的粒子扩散粘结的铁粒子。在另外的实施方式中，该铁基冶金组合物含有钼。在其它实施方式中，该铁基冶金组合物含有钼，并且至少一部分钼以铁/钼粒子的形式与铁预合金化。在又另外的实施方式中，该铁基冶金组合物含有锰、硅、碳和钒的成合金粉末，所述粉末与所述铁/钼预合金粒子扩散粘结。在别的其它实施方式中，所述成合金粉末本身可以由成合金元素和铁的预合金构成。
所述铁基冶金组合物可以含有非常低的残余杂质，例如通常以痕量与铁一起存在的元素、或其氧化物。如本文所用的术语“残余元素”是指除碳、锰、钼、钒和硅之外的一种或多种元素。较常见的残余元素是铬、镍或铜。如本文所用的术语“氧化物”是指当残余元素被氧化时形成的固体化合物。本领域技术人员容易理解哪些氧化物可由本文所述的“残余元素”形成。
理想地，所述铁基冶金组合物含有基于组合物的重量小于约2重量％的残余元素或其氧化物。在另外的实施方式中，所述铁基冶金组合物含有基于组合物的重量小于约1重量％的残余元素或其氧化物。在其它实施方式中，所述铁基冶金组合物含有基于组合物的重量为约0.001至约0.5重量％的残余元素或其氧化物。在为约0.001至的实施方式中，所述铁基冶金组合物含有基于组合物的重量为约0.001至约0.25重量％的残余元素或其氧化物。在还有的其它实施方式中，所述铁基冶金组合物含有基于组合物的重量为约0.001至约0.1重量％的残余元素或其氧化物。
如所论述的，本文所述的铁基冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.01至约0.65重量％的碳。在其它实施方式中，所述铁基冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.05至约0.6重量％的碳。在其它实施方式中，所述铁基冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.05至约0.55重量％的碳。在另外的实施方式中，所述铁基冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.05至约0.5重量％的碳。在还有的其它实施方式中，所述铁基冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.1至约0.25重量％的碳。
所述铁基冶金组合物也包含基于组合物的重量为约1至约2.0重量％的钼。在其它实施方式中，所述铁基冶金组合物包含基于组合物的重量为约1.1至约1.7重量％的钼。在另外的实施方式中，所述铁基冶金组合物包含基于组合物的重量为约1.2至约1.5重量％的钼。在还有的其它实施方式中，所述铁基冶金组合物包含基于组合物的重量为约1.25至约1.4重量％的钼。
所述铁基冶金组合物还包含基于组合物的重量为约0.25至约2.0重量％的锰。在其它实施方式中，所述铁基冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.8至约1.4重量％的锰。在另外的实施方式中，所述铁基冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.9至约1.3重量％的锰。在还有的其它实施方式中，所述铁基冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.93至约1.15重量％的锰。
所述铁基冶金组合物也包含基于组合物的重量为约0.25至约2.0重量％的硅。在其它实施方式中，所述铁基冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.8至约1.4重量％的硅。在另外的实施方式中，所述铁基冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.8至约1.3重量％的硅。在还有的其它实施方式中，所述铁基冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.9至约1.2重量％的硅。在别的另外实施方式中，所述铁基冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.93至约1.15重量％的硅。
所述铁基冶金组合物还包含基于组合物的重量为约0.05至约0.6重量％的钒。在其它实施方式中，所述铁基冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.08至约0.4重量％的钒。在另外的实施方式中，所述铁基冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.1至约0.25重量％的钒。在优选的实施方式中，所述铁基粉末冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.05至约0.54重量％的碳；基于组合物的重量为约1.26至约1.4重量％的钼；基于组合物的重量为约0.93至约1.25重量％的锰；基于组合物的重量为约0.93至约1.15重量％的硅；和基于组合物的重量为约0.1至约0.25重量％的钒。
在另外的优选实施方式中，所述铁基粉末冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.23至约0.54重量％的碳；基于组合物的重量为约1.26至约1.4重量％的钼；基于组合物的重量为约0.93至约1.25重量％的锰；基于组合物的重量为约0.93至约1.15重量％的硅；和基于组合物的重量为约0.12至约0.2重量％的钒。
在其它的优选实施方式中，所述铁基粉末冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.15至约0.65重量％的碳；基于组合物的重量为约1至约1.6重量％的钼；基于组合物的重量为约0.75至约1.5重量％的锰；基于组合物的重量为约0.75至约1.5重量％的硅；和基于组合物的重量为约0.05至约0.3重量％的钒。
在又另外的优选实施方式中，所述铁基粉末冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.54重量％的碳；基于组合物的重量为约1.34重量％的钼；基于组合物的重量为约0.94重量％的锰；基于组合物的重量为约0.93重量％的硅；和基于组合物的重量为约0.12重量％的钒。
在别的其它优选实施方式中，所述铁基粉末冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.23重量％的碳；基于组合物的重量为约1.39重量％的钼；基于组合物的重量为约1重量％的锰；基于组合物的重量为约1.02重量％的硅；和基于组合物的重量为约0.14重量％的钒。
在另外的优选实施方式中，所述铁基粉末冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.24重量％的碳；基于组合物的重量为约1.4重量％的钼；基于组合物的重量为约1.09重量％的锰；基于组合物的重量为约1.15重量％的硅；和基于组合物的重量为约0.17重量％的钒。
在其它优选实施方式中，所述铁基粉末冶金组合物包含基于组合物的重量为约0.23重量％的碳；基于组合物的重量为约1.26重量％的钼；基于组合物的重量为约1.25重量％的锰；基于组合物的重量为约0.96重量％的硅；和基于组合物的重量为约0.2重量％的钒。
本发明还提供了使用铁基冶金粉末的方法。所述铁基冶金粉末通常用于制造金属部件。一种这样的使用方法包括将所述金属粉末压实，通常在模具中压实，以形成中间压实“生坯”部件，然后将其烧结以形成最终部件。
本公开还涉及使用本发明的铁基粉末组合物来增材制造金属部件的方法。用于这种用途的所述粉末组合物的优选形式包含与所述成合金元素中的一种或多种扩散粘结的铁粒子。
在一些实施方式中，所述铁粒子是如本文所述的基本上纯的铁。在其它实施方式中，所述铁粒子是如本文所述的铁预合金。在优选实施方式中，所述铁粒子是作为如本文所述的铁-钼预合金的铁预合金。
所述增材制造方法包括形成两个或更多个相继施加的本文所述的冶金粉末组合物层。在一些实施方式中，所述层是通过融合形成的。因此，在通过形成两个或更多个相继施加的冶金组合物的层而由所述冶金粉末组合物增材制造金属部件的这些方法中，改进之处在于所述冶金粉末组合物包含如本文所述与一种或多种成合金元素扩散粘结的基本铁粒子。在一些实施方式中，所述层是通过融合形成的。
方面
方面1.一种铁基冶金组合物，所述组合物包含铁和以下成合金元素：
基于组合物的重量为约0.01至约0.65重量％的碳；
基于组合物的重量为约1至约2.0重量％的钼；
基于组合物的重量为约0.25至约2.0重量％的锰；
基于组合物的重量为约0.25至约2.0重量％的硅；和
基于组合物的重量为约0.05至约0.6重量％的钒。
方面2.根据方面1所述的铁基冶金组合物，其是粉末冶金组合物。
方面3.根据方面2所述的铁基冶金组合物，其中所述组合物含有与所述成合金元素中的至少一种预合金化的铁粒子。
方面4.根据方面2或3所述的铁基冶金组合物，其中所述组合物含有与所述成合金元素中的至少一种的粒子扩散粘结的铁粒子。
方面5.根据方面4所述的铁基冶金组合物，其中所述铁粒子与每种所述成合金元素的粒子扩散粘结。
方面6.根据方面2或4所述的铁基冶金组合物，其中存在于所述组合物中的至少一部分钼与铁以铁/钼粒子的形式预合金化。
方面7.根据方面6所述的铁基冶金组合物，其中所述锰、硅、碳和钒是与所述铁/钼预合金粒子扩散粘结的元素粉末的形式。
方面8.根据方面4所述的铁基冶金组合物，其中存在于所述组合物中的至少一部分钼与铁以铁/钼基本粒子的形式预合金化，并且所述锰、硅、碳和钒中的至少一种与铁预合金化以形成与所述基本铁粒子分离的成合金粒子。
方面9.根据前述方面中的任一项所述的铁基冶金组合物，所述组合物包含基于组合物的重量小于约2重量％的残余元素或其氧化物。
方面10.根据方面8所述的铁基冶金组合物，所述组合物包含基于组合物的重量为约0.001至约1重量％、优选约0.001至约0.5重量％、约0.001至约0.25重量％、或约0.001至约0.1重量％的残余元素或其氧化物。
方面11.根据前述方面中的任一项所述的铁基冶金组合物，所述组合物包含基于组合物的重量为约0.05至约0.6重量％、优选约0.05至约0.58重量％、优选约0.05至约0.56重量％、或优选约0.05至约0.25重量％的碳。
方面12.根据前述方面中的任一项所述的铁基冶金组合物，所述组合物包含基于组合物的重量为约1.1至约1.5重量％、优选约1.2至约1.4重量％、或优选约1.26至约1.4重量％的钼。
方面13.根据前述方面中的任一项所述的铁基冶金组合物，所述组合物包含基于组合物的重量为约0.8至约1.4重量％、优选约0.9至约1.3重量％、或优选约0.93至约1.15重量％的锰。
方面14.根据前述方面中的任一项所述的铁基冶金组合物，所述组合物包含基于组合物的重量为约0.8至约1.4重量％、优选约0.8至约1.3重量％、优选约0.9至约1.2重量％、或优选约0.93至约1.15重量％的硅。
方面15.根据前述方面中的任一项所述的铁基冶金组合物，所述组合物包含基于组合物的重量为约0.08至约0.25重量％、优选约0.1至约0.25重量％、或优选约0.12至约0.23重量％的钒。
方面16.一种铁基粉末冶金组合物，所述组合物包含：
基本铁粒子和含有作为成合金元素的碳、钼、锰、硅和钒中的一种或多种的粒子，其中所述组合物含有：
基于组合物的重量为约0.05至约0.54重量％的碳；
基于组合物的重量为约1.26至约1.4重量％的钼；
基于组合物的重量为约0.93至约1.25重量％的锰；
基于组合物的重量为约0.93至约1.15重量％的硅；和
基于组合物的重量为约0.12至约0.2重量％的钒。
方面17.根据方面2至16中的任一项所述的铁基冶金粉末组合物，其中所述基本铁粒子通过气体雾化或水雾化制备。
方面18.一种压制烧结的金属部件，所述金属部件由方面17所述的铁基冶金粉末组合物制成。
方面19.一种金属部件，所述金属部件使用方面17所述的铁基冶金粉末组合物通过增材制造而制成。
方面20.一种由冶金粉末组合物增材制造金属部件的方法，其中所述冶金粉末组合物包含与一种或多种成合金元素扩散粘结的基本铁粒子，并且所述方法包括形成两个或更多个相继施加的所述冶金粉末组合物的层。
方面21.根据方面20所述的方法，其中所述两个或更多个相继施加的所述冶金粉末组合物的层通过融合形成。
方面22.根据方面20或21所述的方法，其中所述铁粒子是基本上纯的铁。
方面23.根据方面20或21所述的方法，其中所述铁粒子是铁预合金。
方面24.根据方面23所述的方法，其中所述铁预合金使用气体雾化或水雾化制备。
方面25.根据方面23或24所述的方法，其中所述铁预合金是铁-钼预合金。
方面26.一种由冶金粉末组合物来增材制造金属部件的方法，其中所述冶金粉末组合物包含铁和下列成合金元素：
基于组合物的重量为约0.01至约0.65重量％的碳；
基于组合物的重量为约1至约1.6重量％的钼；
基于组合物的重量为约0.75至约1.5重量％的锰；
基于组合物的重量为约0.75至约1.5重量％的硅；和
基于组合物的重量为约0.05至约0.3重量％的钒；
其中存在于所述组合物中的至少一部分钼与铁以铁/钼粒子的形式预合金化。
方面27.根据方面26所述的方法，其中所述锰、硅、碳和钒以及任何未与铁预合金化的钼是与所述铁/钼粒子扩散粘结的元素粒子的形式。
方面28.一种铁基粉末冶金组合物，所述组合物包含：
与钼预合金化的铁的基本铁粒子和含有作为成合金元素的碳、锰、硅和钒中的一种或多种的粒子，其中所述组合物含有：
基于组合物的重量为约0.05至约0.54重量％的碳；
基于组合物的重量为约1.26至约1.4重量％的钼；
基于组合物的重量为约0.93至约1.25重量％的锰；
基于组合物的重量为约0.93至约1.15重量％的硅；和
基于组合物的重量为约0.12至约0.2重量％的钒。
方面29.根据方面16或方面28所述的粉末组合物，其中所述成合金粒子是各个成合金元素的基本上纯的粉末。
方面30.根据方面28或方面29所述的粉末组合物，其中所述成合金粒子与所述基本铁粒子扩散粘结。
方面31.根据方面16或方面28所述的粉末组合物，其中所述成合金元素中的至少一些的成合金粒子是与所述元素预合金化的铁的形式。
方面32.根据方面31所述的粉末组合物，其中所述成合金粒子与所述基本铁粒子扩散粘结。
方面33.在一种通过融合两个或更多个相继施加的冶金粉末组合物的层而由所述冶金粉末组合物增材制造金属部件的方法中，改进之处在于所述冶金粉末组合物包含与一种或多种成合金元素扩散粘结的基本铁粒子。
提供以下实施例以说明在本公开内容之中描述的一些概念。尽管每个实施例都被认为提供了组合物以及制备和使用方法的特定的个别实施方式，但是这些实施例均不应被认为是对本文所述的更一般性实施方式的限制。
实施例
在以下实施例中，除非另有指示，否则温度以摄氏度为单位，压力为大气压或接近大气压。
实施例1
铁基冶金组合物是通过将含有约1.5％预合金化的钼的基本铁与碳、钼、锰、硅和钒(作为元素或铁合金粉末添加)以表1中注明的量结合而制备的。
Figure BDA0003132913420000201
然后使用水雾化加扩散合金化或气体雾化产生各组合物的粉末。通过水雾化加扩散合金化产生的粉末是通过将铁和钼结合并进行水雾化而制成的。含Mn、Si和V的添加剂被扩散合金化到水雾化的基本粉末中，并通过扩散合金化添加碳。气体雾化是通过将所有元素以熔融状态结合(预合金化)并进行气体雾化来进行的。
使用激光粉末床融合技术和EOS M290仪器，用组合物1-3制备测试金属部件样本。然后将打印的样本在表2中所示的温度下在常规回火烘箱中在氮气气氛中回火1小时。然后使用本领域已知的技术测量样品的拉伸性质和硬度。如表2所示，获得了非常高的强度和延展性值。参见表2。
Figure BDA0003132913420000211
*LC＝低碳；HC＝高碳
实施例2
组合物5通过将铁基粉末与硅、钒、锰、钼、镍和铬以表3中注明的量结合来制备。预合金化的钢粉末预合金20MnCr5的比较组合物，是可得自Hoeganaes的气体雾化的粉末。
Figure BDA0003132913420000212
然后如实施例1中所述使用组合物5和比较组合物制备金属部件。然后测试每个金属部件的极限拉伸强度(UTS)、屈服强度(YS)、伸长率和硬度。参见表4。
Figure BDA0003132913420000213
这些结果说明，在相同的加工条件下，由组合物5制备的金属部件的强度明显高于由20MnCr5制备的金属部件。获得组合物5的图像。参见图1，图1显示了所得产品的精细显微结构。
本申请通篇引用的所有参考文献、专利申请、专利和公布的专利申请的内容以及附图在此通过引用并入。
本领域技术人员会认识到、或能够只是使用常规实验来确定本文描述的公开内容中的具体实施方式的许多等同体。这样的等同体旨在被权利要求书包涵在内。

Claims (38)

1.一种铁基冶金组合物，所述组合物包含铁作为基本元素和以下成合金元素：
基于组合物的重量为约0.01重量％至约0.65重量％的碳；
基于组合物的重量为约1重量％至约2.0重量％的钼；
基于组合物的重量为约0.25重量％至约2.0重量％的锰；
基于组合物的重量为约0.25重量％至约2.0重量％的硅；和
基于组合物的重量为约0.05重量％至约0.6重量％的钒。
2.根据权利要求1所述的铁基冶金组合物，其是粉末冶金组合物。
3.根据权利要求2所述的铁基冶金组合物，其中所述组合物含有与所述成合金元素中的至少一种预合金化的铁粒子。
4.根据权利要求2所述的铁基冶金组合物，其中所述组合物含有与所述成合金元素中的至少一种的粒子扩散粘结的铁粒子。
5.根据权利要求4所述的铁基冶金组合物，其中所述铁粒子与每种所述成合金元素的粒子扩散粘结。
6.根据权利要求2所述的铁基冶金组合物，其中存在于所述组合物中的至少一部分钼与铁以铁/钼粒子的形式预合金化。
7.根据权利要求6所述的铁基冶金组合物，其中所述锰、硅、碳和钒是与所述铁/钼预合金粒子扩散粘结的元素粉末的形式。
8.根据权利要求4所述的铁基冶金组合物，其中存在于所述组合物中的至少一部分钼与铁以铁/钼基本粒子的形式预合金化，并且所述锰、硅、碳和钒中的至少一种与铁预合金化以形成与所述基本铁粒子分离的成合金粒子。
9.根据权利要求1所述的铁基冶金组合物，所述组合物包含基于组合物的重量小于约2重量％的残余元素或其氧化物。
10.根据权利要求9所述的铁基冶金组合物，所述组合物包含基于组合物的重量为约0.001重量％至约1重量％、优选约0.001重量％至约0.5重量％、约0.001重量％至约0.25重量％、或约0.001重量％至约0.1重量％的残余元素或其氧化物。
11.根据权利要求1所述的铁基冶金组合物，所述组合物包含基于组合物的重量为约0.05重量％至约0.6重量％、优选约0.05重量％至约0.58重量％、优选约0.05重量％至约0.56重量％、或优选约0.05重量％至约0.25重量％的碳。
12.根据权利要求1所述的铁基冶金组合物，所述组合物包含基于组合物的重量为约1.1重量％至约1.5重量％、优选约1.2重量％至约1.4重量％、或优选约1.26重量％至约1.4重量％的钼。
13.根据权利要求1所述的铁基冶金组合物，所述组合物包含基于组合物的重量为约0.8重量％至约1.4重量％、优选约0.9重量％至约1.3重量％、或优选约0.93重量％至约1.15重量％的锰。
14.根据权利要求1所述的铁基冶金组合物，所述组合物包含基于组合物的重量为约0.8重量％至约1.4重量％、优选约0.8重量％至约1.3重量％、优选约0.9重量％至约1.2重量％、或优选约0.93重量％至约1.15重量％的硅。
15.根据权利要求1所述的铁基冶金组合物，所述组合物包含基于组合物的重量为约0.08重量％至约0.25重量％、优选约0.1重量％至约0.25重量％、或优选约0.12重量％至约0.23重量％的钒。
16.根据权利要求2所述的铁基冶金组合物，其中所述基本铁粒子通过气体雾化或水雾化制备。
17.一种铁基粉末冶金组合物，所述组合物包含：
基本铁粒子和含有作为成合金元素的碳、钼、锰、硅和钒中的一种或多种的粒子，其中所述组合物含有：
基于组合物的重量为约0.05重量％至约0.54重量％的碳；
基于组合物的重量为约1.26重量％至约1.4重量％的钼；
基于组合物的重量为约0.93重量％至约1.25重量％的锰；
基于组合物的重量为约0.93重量％至约1.15重量％的硅；和
基于组合物的重量为约0.12重量％至约0.2重量％的钒。
18.根据权利要求17所述的铁基冶金粉末组合物，其中所述基本铁粒子通过气体雾化或水雾化制备。
19.根据权利要求17所述的铁基冶金粉末组合物，其中所述成合金粒子是各个成合金元素的基本上纯的粉末。
20.根据权利要求19所述的铁基冶金粉末组合物，其中至少一些所述成合金粒子与所述基本铁粒子扩散粘结。
21.根据权利要求17所述的铁基冶金粉末组合物，其中至少一些所述成合金元素与铁预合金化。
22.根据权利要求21所述的粉末组合物，其中所述成合金粒子与所述基本铁粒子扩散粘结。
23.一种由权利要求1至22中任一项所述的铁基冶金粉末组合物制成的压制烧结的金属部件。
24.一种使用权利要求1至22中任一项所述的铁基冶金粉末组合物通过增材制造而制成的金属部件。
25.一种由冶金粉末组合物增材制造金属部件的方法，其中所述冶金粉末组合物包含与一种或多种成合金元素扩散粘结的基本铁粒子，并且所述方法包括形成两个或更多个相继施加的所述冶金粉末组合物的层。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述两个或更多个相继施加的所述冶金粉末组合物的层通过融合形成。
27.根据权利要求25或26所述的方法，其中所述铁粒子是基本上纯的铁。
28.根据权利要求25或26所述的方法，其中所述铁粒子是铁预合金。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述铁预合金使用气体雾化或水雾化制备。
30.根据权利要求28或29所述的方法，其中所述铁预合金是铁-钼预合金。
31.一种由冶金粉末组合物增材制造金属部件的方法，其中所述冶金粉末组合物包含铁和下列成合金元素：
基于组合物的重量为约0.01重量％至约0.65重量％的碳；
基于组合物的重量为约1重量％至约1.6重量％的钼；
基于组合物的重量为约0.75重量％至约1.5重量％的锰；
基于组合物的重量为约0.75重量％至约1.5重量％的硅；和
基于组合物的重量为约0.05重量％至约0.3重量％的钒；
其中存在于所述组合物中的至少一部分钼与铁以铁/钼粒子的形式预合金化。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述锰、硅、碳和钒以及任何未与铁预合金化的钼是与所述铁/钼粒子扩散粘结的元素粒子的形式。
33.一种铁基粉末冶金组合物，所述组合物包含：
与钼预合金化的铁的基本铁粒子和含有作为成合金元素的碳、锰、硅和钒中的一种或多种的粒子，其中所述组合物含有：
基于组合物的重量为约0.05重量％至约0.54重量％的碳；
基于组合物的重量为约1.26重量％至约1.4重量％的钼；
基于组合物的重量为约0.93重量％至约1.25重量％的锰；
基于组合物的重量为约0.93重量％至约1.15重量％的硅；和
基于组合物的重量为约0.12重量％至约0.2重量％的钒。
34.根据权利要求33所述的铁基粉末冶金组合物，其中所述成合金粒子是各个成合金元素的基本上纯的粉末。
35.根据权利要求33所述的铁基粉末冶金组合物，其中至少一些所述成合金粒子与所述基本铁粒子扩散粘结。
36.根据权利要求31所述的铁基粉末冶金组合物，其中至少一些所述成合金粒子与铁预合金化。
37.根据权利要求36所述的铁基粉末冶金组合物，其中所述成合金粒子与所述基本铁粒子扩散粘结。
38.在一种通过融合两个或更多个相继施加的冶金粉末组合物的层而由所述冶金组合物增材制造金属部件的方法中，改进之处在于所述冶金粉末组合物包含与一种或多种成合金元素扩散粘结的基本铁粒子。
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