CN1777485A - 钴基金属粉末及制造其零件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造粉末金属零件的粉末金属组合物，它包括混有石墨的具有不规则形状颗粒的钴基预制合金粉末，该钴基预制合金粉末包括至少15％重量比的Cr和小于0.3％重量比的C。本发明还涉及一种制造PM零件的方法，该方法将根据本发明的粉末金属组合物压制成形并且对其进行烧结。

Description

钴基金属粉末及制造其零件的方法
技术领域
本发明涉及粉末冶金。更具体地，本发明涉及一种钴基粉末金属组合物和一种制造特别适用于繁重工作条件下的该组合物的零件的方法。
背景技术
钴基合金，例如Stellite(Co-Cr-W合金商标)是对多种形式的磨损具有很强的抵抗力的硬质合金。这些合金的产品在一个宽的温度范围内都显示出高硬度，而且它们可抗腐蚀。这些产品尤其用于铸造各种零件，例如机器零件(轴瓦、气门座圈等)或要求高密度、高强度和高抗磨损性的其它零件。
铸造材料通常受微观结构缺陷和碳化物偏析的限制。碳化物偏析导致硬相的不均匀分布。这些材料的缺点是不具有断裂韧性并且机械加工性差。
粉末冶金(PM)产品通常比铸造产品具有更均匀的微观结构。PM制造方法的其它优点是，与传统的铸造方法相比避免或降低了加工成成品件的昂贵成本，而且该方法更适于制造大量小物品。
多年来一直试图使用PM技术制造钴基产品。由此，专利US4129444公开了一种方法，其中在雾化钴基合金粉末上涂敷一层粘合剂，然后使其固结而生成离散体，这些离散体经过干燥、压碎和过筛而形成团块。这些团块被压制成在高温下烧结的生坯。另外，美国专利No.5462572公开了一种由气雾化的Co-Cr-Mo合金粉末制备的粉末冶金零件。该合金粉末装入一个容器，在真空下烘干该粉末以使其除气，然后优选地采用热等静压(HIP)使装入容器的粉末固结。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于传统PM工艺中的新的钴基粉末金属组合物。
另一个目的是提供一种具有高压塑性的钴基粉末金属组合物，该组合物可被压制成具有高的生坯密度和高的生坯强度。
还一个目的是提供一种可在烧结前加工的钴基合金的生坯。
再一个目的是提供一种粉末金属组合物，该组合物可被压制和烧结成高密度，且无须高的烧结温度。
根据本发明，通过提供一种新钴基粉末金属组合物来实现这些目的和通过下面的描述变得明显的其它目的。这种组合物的主要特征是，该组合物包括一种混有石墨的具有不规则成形颗粒的钴基预制合金粉末。该钴基预制合金粉末还应包括小于0.3％重量比的碳和至少15％重量比的Cr。该钴基预制合金粉末优选地包括至少30％重量比且优选地小于80％重量比的Co。
本发明还涉及一种方法，该方法包括提供根据本发明的粉末金属组合物和在模具中以至少400Mpa的压力压制该组合物而形成所需形状的零件。
具体实施方式
可以通过对具有所需组分的熔体进行水雾化来制造根据本发明的组合物中的钴基预制合金粉末。
根据本发明的钴基预制合金粉末包括小于0.3％重量比的碳。然而，粉末中的碳含量优选地小于0.1％重量比，最优选地小于0.05％重量比(即，除了不可避免的杂质外基本上没有碳)。
该钴基预制合金粉末包括至少15％重量比且优选地小于35％重量比的Cr。
通过固溶硬化和/或碳化物生成，Cr的加入提高了钴基的强度。通过加入W和/或Mo进一步提高这种作用。
可包含在钴基预制合金粉末中的其它元素可以从Ni、Fe、Si、Mn、V和B中选取。
根据本发明的优选预制合金粉末包括：5-35％重量比的Cr，0-20％重量比的W，0-25％重量比的Ni，0-5％重量比的Si，0-5％重量比的Fe，0-10％重量比的Mo，其余为Co和小于0.3％重量比的C。
根据本发明的另一种优选粉末还包括0-3％重量比的Mn，0-4％重量比的V和0-4％重量比的B。
根据本发明的粉末金属组合物包括混有石墨的根据本发明的预制合金粉末。石墨添加剂的量取决于所需要的碳化物的含量和碳化物生成元素的含量。石墨的含量优选地至少为0.5％重量比，更优选地至少为0.7％重量比且优选小于3％的重量比。
该粉末金属组合物还可包括选自合金元素、润滑剂、加工助剂和粘合剂的一种或多种添加剂。
可以加入其它元素以改善性能或降低成本。
所使用的润滑剂在实现生坯性能方面起到重要作用。使用KenolubeTM(可从瑞典的Hgans AB购买)、酰铵蜡(amide wax)、金属硬脂酸盐和其它常用的润滑剂已经带来了良好的效果。
使用于根据本发明的粉末金属组合物中的加工助剂可以由滑石、镁橄榄石、硫化锰、硫磺、二硫化钼、氮化硼、碲、硒、二氟化钡和二氟化钙组成，它们可以单独使用或结合使用。
将根据本发明的粉末金属组合物装入模具并且在至少400MPa的压力下压制成所需形状的零件。这种压制生成具有高生坯强度和生坯密度的零件，而且在这个阶段该零件甚至可以进行生坯加工。当在最终烧结的零件中的材料硬而很难加工时，这是一种优点。
将零件在至少1080℃的温度下并且优选地在保护性气氛或真空下烧结。
由根据本发明的粉末和根据本发明的方法制造的零件特别适用于繁重的工作条件下，例如用于发动机的气门座圈，在发动机中气门座需要在发动机的使用寿命内维持可用，而无须更换或维护。
下面并非用于限定的例子给出了本发明的特定实施例。
示例
列于表2和表3中的实验混料(混料1-5)由列于表1中的水雾化的预制合金粉末(重量百分比)制备。
                         表1
  Co   Cr   Ni   W   Si   Fe   C
  285   36.4   25.8   23.0   12.5   1.12   1.19   0.01
  286   34.5   26.1   23.0   12.5   1.16   1.16   1.60
根据表2和表3，预制合金粉末还与润滑剂、合金元素和加工助剂混合。在实验混料1、3和4中还包括1.7％重量比的石墨。根据ISO3995，模铸TRS试样。分别在600MPa和800MPa的压力下进行三种不同类型试样的压制操作。
测试形成的零件的生坯密度(GD)和生坯强度(GS)。在90％N2/10％H2的气氛中以1120℃的温度烧结30分钟后，测试零件的烧结密度(SD)和硬度(Hv10)。表4和表5公开了测试结果。
                   表2
混料   1(重量百分比)   2(重量百分比)
粉末   余量粉末285   余量粉末286
润滑剂   40PEO∶60ORG*0.8   40PEO∶60ORG*0.8
  石墨(KS 44) 1.7 0
*40％聚环氧乙烷∶60％有机溶胶
表3
混料   3(重量百分比)   4(重量百分比)   5(重量百分比)
粉末   余量粉末285   余量粉末285   余量粉末286
 Fe(MH 80，23) 10 10 10
 Cu(325) 5 5 5
 MoS2   1   1   1
润滑剂   40PEO∶60ORG*0.8   KenolubeTM0.8   40PEO∶60ORG*0.8
 石墨(KS 44) 1.7 1.7 0
*40％聚环氧乙烷∶60％有机溶胶
对混料2及在某种程度上对混料5的压制并不能起作用，零件呈现出不良表面并且经常有边部裂纹，而且太脆而不能处理。
可以从表4和表5中看到，对在预制合金粉末中不存在C的混料1、3和4的压制表现出可压缩性的大的改进，而且形成的零件获得了高生坯强度和生坯密度。薄壁零件通常需要至少7MPa的生坯强度，以便能够处理。20Mpa以上的生坯强度通常能够进行生坯加工。
烧结混料3所得的零件显示出比混料5所得的零件更高的密度和硬度(Hv10)。
对烧结零件的金相研究显示，由混料3和5制得的零件具有类似的结构。因此，在烧结过程中可在混料3的零件中生成所需要的碳化物结构。
在表5中，混料3和混料4之间的比较显示出润滑剂对压制零件的生坯强度和生坯密度的影响。KenolubeTM比聚环氧乙烷(polyethyleneoxide)和有机溶胶(orgasol)的混合物能产生更高的密度，这使得在烧结状态下的性能更好。
                         表4
  混料   1   2
  压制压力(MPa) 600 800 600 800
  GD(g/cm3)   6.70   7.00   5.73   BF*
  GS(MPa)   13.1   19.7   1.3   BF*
*出坯时棒材断裂
                                   表5
  混料   3   4   5
  压制压力(MPa) 600 800 600 800 600 800
  GD(g/cm3)   6.76   7.04   6.88   7.13   6.07   6.39
  GS(MPa)   15.57   21.09   10.2   13.5   2.64   4.39
  SD(g/cm3)   6.62   6.91   nm   nm   6.11   6.40
  Hv10   137   175   nm   nm   103   129
Nm＝未测量

Claims (13)

1.一种用于制造粉末金属零件的粉末金属组合物，它包括混有石墨的具有不规则形状颗粒的钴基预制合金粉末，该钻基预制合金粉末包括至少15％重量比的Cr和小于0.3％重量比的C。
2.根据权利要求1所述的粉末金属组合物，其特征在于，还包括至少一种选自W和Mo的元素。
3.根据权利要求1或2所述的粉末金属组合物，还包括至少一种选自Ni、Fe、Si、Mn、V和B的合金元素。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的粉末金属组合物，其特征在于，在预制合金粉末中的碳的含量优选地小于0.1％重量比，最优选地小于0.05％重量比。
5.根据上述任意一项权利要求所述的粉末金属组合物，其特征在于，包括15-35％重量比的Cr，0-20％重量比的W，0-25％重量比的Ni，0-5％重量比的Si，0-5％重量比的Fe，0-10％重量比的Mo，其余为Co。
6.根据上述任意一项权利要求所述的粉末金属组合物，其特征在于，所混合的石墨的含量优选地为至少0.5％重量比，更优选地为至少0.7％重量比。
7.根据上述任意一项权利要求所述的组合物，其特征在于，还包括选自润滑剂、加工助剂、合金元素和粘合剂的一种或多种添加剂。
8.一种制造具有高生坯强度和高生坯密度的钴基合金零件的方法，包括步骤：
a)提供一种包括混有石墨的具有不规则形状颗粒的钴基预制合金粉末的粉末金属组合物，该钴基预制合金粉末包括至少15％重量比的Cr和小于0.3％重量比的C；
b)在模具中以至少400MPa的压力将所述组合物压制成所需形状的零件。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，预制合金粉末包括小于0.1％重量比的C，优选地小于0.05％重量比的C。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所混有的石墨的含量为至少0.5％重量比，优选地至少为0.7％重量比。
11.一种制造钴基粉末金属组合物的烧结零件的方法，它除了包括根据权利要求8的a)和b)步骤，还包括步骤：
c)烧结所述零件。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在保护性气氛或真空下以至少1080℃的温度进行烧结。
13.一种具有不规则形状颗粒的钴基预制合金粉末，包括至少15％重量比的Cr和小于0.3％重量比的C。
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