TW200808982A - Iron-based powder - Google Patents

Description

200808982 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種具有好的抗高溫氧化性之經霧化的 鐵基粉末，更特別關於一種與鉻及鋁預合金的粉末。 【先前技術】 已發現典型包含Fe及10_30〇/〇Cr及bWWAi的習知鐵 基合金（所謂的FeCrA1合金）由於其好的抗氧化性及可在溫 度高如120(M40〇t;下使用，其在多種高溫應用中高度有 用。因此，此材料已使用在電阻元件之製造中及作為在汽 車觸媒中的載體材料。由於其鋁成分，此合金能夠在高溫 下及於多數氣氛中形成一由實質上乂2〇3組成之不能滲透 且黏著性的表面氧化物。此氧化物保護金屬對抗進一步氧 化及亦對抗許多其它腐蝕形成，諸如碳化、硫化等等。 但疋在粉末冶金術中的問題為FeCrAi粉末難以燒結， 此由於事貫上氧化鋁比氧化鉻難還原。透過擴散形成的燒 結頸由此氧化鋁層所減弱，若可克服此問題則會有利。 US 597〇3〇6描述出一種藉由熱均壓（mp)從FeCrA1粉 末來製造抗南 >显的塑形零件之方法。 DE 4235141描述出一種從熱加壓以FeCrA1合金為主 的柘末來製得夺件之製造方法，其中此粉末初始曝露至含 氧氧氛以繞著顆粒產生氧化鉻保護層。 US 6761751描述出一種藉由氣體霧化來製造FeCrA1 材料的方法，其中除了包括鐵（Fe)、鉻（Cr)及鋁（A1)之外， 6 200808982 Λ ' 此材料亦包括較少分量的一或多種下列材料：鉬（Mo)、铪 (Hf)、鍅（Zr)、紀（Y)、氮（N)、碳（C)及氧（0)。 US 6569221描述出一種粉末冶金的FeCrA1合金，其 包含（以重量％計）少於0.02%碳、多於〇〇且<=〇5%矽、多 於 0·0 且 <—0 2%猛、10·0-40·0%路、<==〇·6。/。鎳、<=Q 〇1〇/〇 銅、2·〇·10·〇%鋁；量為 mo 之 Se、γ、La、

Hf、V、Nb及Ta的一或多種；剩餘為鐵及無法避免的雜 質。 ’ 【發明内容】 社本發明之目標為提供一種金屬粉末，其當以習知的燒 1方法（例如無壓燒結、冷壓成形或溫壓成形）燒結時可二 的燒結結構，且此燒結構件具有好的高溫氧化性質。 。更特定的是，本發明之目標為提供一種包含多於1〇 5重量 %鉻及3-15重量％鋁的不鏽鐵粉，但是此粉末比在先述2 藝中所熟知的材料較易燒結。 旦。此目標由一種經霧化而與1〇·5_3〇重量。重 里:A1及5_2〇重量0/心預合金的鐵基粉末所達成。藉由 預，金此粉末與Cu，可以f知的燒結方法來燒結—構^， 且維持此亦具有優良的抗高溫氧化性之燒結構件令人 之材料性質。 w 曰再者，在第二具體實施例中，已建議一種與W弘扣 =r、3七重量%A1、5，重量%c重量观 頂合金的鐵基粉末。 7 200808982 本發明之粉末藉由提供一鐵與合金元素之熔融物、夂 霧化此熔融物、藉此從霧化的小滴在固化後形成粉末來： 造較佳。 & 可藉由下列方式從本發明之粉末製造出燒結構件·· 提供包含本發明之粉末的燒結材料；b)從此燒結材料形^ 生坯；及C)在還原或中性氣氛中’於大氣壓或低於大氣壓 下、及在溫度高於1100。(：處燒結此生坯。

此燒結材料可例如經無壓燒結、冷壓成形或溫壓成形。 關於冷壓成形或溫壓成形’此燒結材料為—黏結劑… 或潤滑劑與本發明之粉末的混合物。 —冷壓成形在溫度低於10CTC下進行，較佳在壓實屢力 範圍100-1000百萬帕（MPa)内。 溫壓成形在溫度範圍100_20(rc内進行，較佳在壓實 壓力範圍300-1000百萬帕内。 、 進行無壓燒結乃沒有壓實生迷。於此，此燒結材料可 為一黏結劑及/或潤滑劑與本發明之粉末的混合物，但是同 樣可為此粉末自身(即’沒有混合此粉末與黏結劑及/或潤 滑劑）。例如當不使用黏結劑時，可將此燒結材料傾入一形 狀中’在包含此形狀之後將此燒結材料塞入燒結爐中。例 如:可藉由無壓燒結本發明之粉末來製造具有優良的抗高 溫氧化性之過濾器。 再者，已經顯示出可從本發明之粉末製造出具有優良 的抗高溫氧化性之燒結構件，此燒結構件具有燒結密度大 於6.5克/立方公分、抗張強度大於5〇〇百萬帕及屈服強度 8 200808982 t 、 大於400百萬帕。 【實施方式】 本發明係關於一種預合金的鐵基粉末，其包含多於$ 重I /〇鉻和疋i的鋁及鋼。如上所述，FeCrAl合金已顯 不出具有在高溫下優良的抗氧化性，但是不幸的是其難以 在大氣壓中或低於大氣壓（真空）燒結。此為為何利用Hip 方法來製造以FeCrA1粉末為主之化合物的理由(如描述在 例如US 5970306中）。藉由亦與銅預合金來減低燒結問題 及改良燒結結構的結果（與沒有銅的參考材料比較銅成 分顯示出促進形成燒結頸，如可從伴隨的金相學照片看 見。我們相信此效應由於氧化銘層由液化的銅打散而發 生。亦測試混合銅及FeCrA1粉末，但是在此實例中燒結 未明顯改良。 本發明之粉末藉由製得鐵與想要的合金元素之熔融物 ”得°之後霧化此㈣物’藉此從霧化的小滴在固化之 後形成粉末。根據習知的技術（例如氣體或水霧化）進行霧 化事貫上南度較佳的是水霧化此熔融物混合物，因為水 霧化的粉末比氣體霧化的粉末易緻密。當粉末由於水霧化 形成時’㈣末氧化及在此粉末顆粒之表面上形成薄的氧 化鉻及氧化鋁層。 如下列彳田述般測试鋁含量的有效範圍，其推斷鋁含量 應該大於3。/。’且銘含量較佳應大於5%以獲得想要的抗氧 化性。但是，若銘含量變成太高時，熔點減低及此材料在 9 200808982 2溫下喪失強度。再者，此可假定為@量多於—定量時抗 氧化1·生不曰a 加，且進_步增加銘含量將僅稱微改善 ^氧化性。因此根據本發明，銘含量之上限設定為15重 里/。，及具有鋁含量低於12重量％事實上較佳。 曰從描述在下列的測試來推出銅含量之界限。因此，銅 …亥夕於5重里％以促進形成燒結頸及提供-具有好 =南溫氧化性之燒結構件。再者，cu含量應該低於2〇 具有較南的Cu含量之粉末對某些應用來說可能非 吊有用，但是它們未在本發明的範圍内。 $ !顯示出Fe_Cu相圖’但是咸信Cu將以類似的方 〜旦 减夕/打放乳化鋁層，咸信必需形成一 =的液相’即（叫為有興趣的區域。因為此圖形為 妒e-Cu糸統’從其所擷取的資訊僅可使用作為指導方針。 =興趣的是在燒結期間形成之液相量。需要形成液相 :打政氧化銘，但是過量的液相會讓此結構在燒結期間瓦 …斤形成的液相量與化學組成及燒結溫度相關。 =液體形成影響之元素為銅。此為為何在氧化測試之前 依樣品的銅含量施加不同燒結溫度。 當然其它合金元素亦可有興趣。特別是 =構時’此粉末亦可與沃斯田體形成以（特別是辞）預Γ 至’但是亦可為錄同等物雜。㉟了為沃斯田體形成; ^錄亦已熟知在抗氧化性上具有有益的效應，此在轉 之欲應用上當然想要。若欲在此粉 錦 ”农好錄含量的區間為㈣重量％。鏟亦可為額外的= 200808982 4田體形成合金元素，較佳的錳含量低於3重量％。 苇之下不使用始，因為其比較昂貴。 『軚乜保持奴含量低，因為碳具有造成晶粒間腐蝕的傾 "七為為何較佳碳含量應該少於〇·1重量％碳的緣故。 :::的樣品中，碳含量為約〇·〇2重量％或較低。保持氮 —曰可犯低亦較佳，氮含量低於0重量％較佳。 實施例1

一藉由製侍鐵與想要的合金元素之熔融物來製得七種不 5十務化而具有纟i之組成物的粉末。之後，此溶融物 經水霧化’藉此從霧化的小滴在固化之後形成粉末。根據 習知的水霧化技術進行霧化。透過—提供最大直徑75微 米之網柵來引出所產生的粉末。 對每種粉末，製備燒結的測試樣品。讓燒結的測試樣 品及含有31〇B組成物（25重量％心+2〇重量％恥+ 25重量 似卜剩餘部A Fe)之參考樣品接受描述在下列的高溫氧化 測試。選擇㈣應作為參考，因為已熟知其擁有好的 抗高溫氧化性。 藉由將有興趣的粉末填入一形狀（直徑10毫米及厚度 2毫米)中，接著平順化表面而沒有壓實粉末來製造測試樣 品及參考樣品。此程序提供具有高比面積（約45%多孔洞性） 的樣品。 ’於依Cii含量而定的溫 在100%氫氣氛中，根據下表 度下燒結測試樣品30分鐘： 5%Cu

1150°C 200808982

* 10%Cu 1320〇C 15%Cu 135〇〇c

20%Cu 1320〇C 在_。氫氣氛中，於mot：下燒結參考樣品3〇分鐘。 所製備的測試及參考樣品之後準備好用於高溫 試。 在實驗室爐（Lenton 12/50/300)中，於溫度8〇〇t：下在 空氣中進行氧化測試。將天平（Mettler T〇led〇 ae26〇)連結 鲁 至電腦以自動儲存資料。藉由將樣品放置在樣品支架上可 同時測試六個樣品，且在每次測試運轉時二個樣品為參考 樣品。 在引進爐中之前稱重樣品。進行短時間循環，每個循 環由2分鐘加熱及3〇秒冷卻組成，此對將樣品冷卻至低 於150C已足夠。重覆此循環15次，導致在爐中3〇分鐘。 在加熱區域中，每3〇分鐘之後稱重樣品及儲存每次的重 量增益。在加熱區域中2〇小時之後停止測試。 12 200808982

結果顯示出φ、I 觀看具有ΑβΓ5 7的抗氧化性比參考粉末8更差。 可看見〜含量：5,5重量%的樣品(即，粉末2、4'5及Ο ^^ ,b； ,7i/〇e!^" ：° 4 *%(^^ 4) 最高的抗氧化性。Cu含量：：5重里%(粉末2)時獲得 抗氧化性”如且二進步增加至20重量%(粉末”； 。果如具有10重量％Cu(粉末4)的粉末。 果。^ 3里丨5 /。關於抗鬲溫氧化性提供最好結 ’指示出在 1。可看見 但是，在燒結期間’粉末5相當大地收縮 Cu含1大於約20重量％時形成太多液相。 〜比較粉末4與粉末3及比較粉末2與粉末 攸5.5重量％增加A1含量稍微增加抗氧化性。 13 200808982 實施例2 下表顯示 附註 在不同氧化溫度下進一步測試粉末2及 出相對於參考31 0B的重量增加。 表2_ 測试溫 粉末3 粉末2 度[°C ]相對於參考的相對於參考的 重量增加（％) 重量增加 800 46 24 850 43 22 900 21 21 950 14 14 1000 _20 13 "表顯示出在包含CuA1的樣品與參考樣品間之抗 氧化性差異在溫度高於800°C下更明顯。再者，具有A1含 量5.5%及Cu含量15%的組成與具有1〇%A1及i〇%Cu之 組成比較似乎具有較好的抗氧化性。 實施例3 為了評估加入Cu《分關於燒結密度、抗張強度及屈 服強度之效應’比較四種不同粉末。此些粉末為如在實施 例1及2中之水霧化的粉末。將此粉末與ι% Αα_χι 合。在壓實壓力_百萬帕下將混合物壓實成抗張測試棒。 在132(TC下’於1GG%氫氣氛中燒結測試棒3()分鐘。測量 燒結密度、抗張強度及屈服強度。結果顯示在表3中。 14 200808982 表3 化學組成重量％，剩餘 燒結密度[克 抗張強度 屈服強度 部分Fe /立方公分] [百萬帕] [百萬帕] 22Cr+5.5Al+10Cu 6.87 582 522 22Cr+5.5Al(參考） 5.74 295 259 22Cr+18Ni + 5.5Al + 8Cu 6.70 507 412 22Cr+18Ni + 5.5Al(參考） 4.96 87 69 表3顯示出若此粉末與Cu預合金時，含A1的Cr或 Cr-Ni不鏽鋼粉末之密度及機械性質相當大地增加。此指 示出更大改良燒結活性。 在抗張測試棒上進一步進行金屬檢驗。參見圖2 A、2B 及圖3 A、3B的金相學照片，其明確顯示出將Cu摻入以含 A1的Cr或Cr-Ni為基礎之不鏽鋼粉末，相當大地提高材 料之燒結。圖2A顯示出包含22(^+5.5八1+10(^+剩餘部分 Fe的測試棒之金相學照片及圖2B顯示出包含22Cr+5.5Al + 剩餘部分Fe之對應參考測試棒之金相學照片。圖3 A顯示 出包含22Cr+5.5Al+18Ni + 8Cu+剩餘部分Fe的測試棒之金 相學照片及圖B顯示出包含22Cr+5.5Al+18Ni+剩餘部分Fe 之對應的參考測試棒之金相學照片。 【圖式簡單說明】 圖1顯示出Fe-Cu相圖；及 圖2A顯示出包含Cr、Al、Cu及Fe的測試棒之金相 15 200808982 . 學照片；及 圖2B顯示出包含Cr、A1及Fe的測試棒之金相學照 片；及 圖3 A顯示出包含Cr、Al、Cu、Ni及Fe的測試棒之 金相學照片；及 圖3B顯示出包含Cr、A卜Ni及Fe的測試棒之金相 學照片。 • 【主要元件符號說明】 無 參 16

Claims (1)

1. 200808982 十、申請專利範圍： 1 · 一種經霧化的預合金鐵基粉末，其以重量❶計包含 下列： 10.5-30 Cr 3_15 A1 5-20 Cu 最多0.1 C 最多0.2 N • 最多3.0 Μη 最多2.5 Si 最多3.0 Mo 剩餘部分基本上僅有鐵及無法避免的雜質。 2·如申請專利範圍第1項之粉末，其中A1含量範圍在 5-12重量％内。 3·如申請專利範圍第1或2項之粉末，其中Cu含量範 圍在7-17重量％内。 4·如申請專利範圍第1或2項之粉末，其中Cr含量範 圍在15-30重量％内。 5 ·如申請專利範圍第4項之粉末，其中Cr含量範圍在 20-30重量％内。 6 ·如申請專利範圍第1或2項之粉末，其中該粉末進 一步包含8-2〇重量。 7.如申請專利範圍第1或2項之粉末，其中該粉末藉 由水霧化製造。 17 200808982 8·-種製造水霧化的預合金鐵基粉末之方法，該粉末 以重量％計包含下列： 10.5-30 Cr 3-15 A1 5_20 Cu 最多0.1 C 最多0.2 N

   最多3.0 Μη 最多2.5 Si 最多3.0 Mo 剩餘部分基本上僅有鐵及無法避免的雜質； s“广：法包括提供鐵與合金元素的熔融物，水霧化此熔 t ，藉此從霧化的小滴在固化之後形成粉末。 9·如中請專利範圍帛8項之方法，其中該鐵基粉末進 步包含8-20重量％Ni。 10·—種製造燒結構件的方法，其包括： )徒供一包含水霧化的預合金 其以重量％計包含下列： 10.5-30 Cr 3-15 A1 5-20 Cu 最多0.1 C 最多0.2 N 最多3.0 Mn 18 200808982 - 最多2.5 Si 最多3.0 Mo 剩餘部分基本上僅有鐵及無法避免的雜質； b)從該燒結材料形成一生坯，·及 C)在還原或中性氣氛中、於大氣壓或低於大氣壓下、 及在溫度高於11001處燒結此生坯。 η.如申請專利範圍第1()項之方法，其_在a)中所提 供的燒結材料為-潤滑劑及/或黏結劑與水霧化的預合金鐵 ，基粉末之混合物。 12. 如申請專利範圍第u項之方法，其中在b)中該生 述藉由冷屢成形該混合物形成’其中該屋實壓力範圍在 100-1000百萬帕内及溫度低於1〇(rc。 13. 如申請專利範圍第u項之方法，其中在b)中該生 述藉由溫壓成形該混合物形成，其中該壓實壓力範圍在 300-1000百萬帕内及溫度範圍在1〇〇_2〇〇ec内。 14. 如申請專利範圍第1〇項之方法，其中在甸中所提 供的燒結材料僅有水霧化的預合金鐵基粉末。 15. 如申請專利範圍第"或14項之方法，其中該生坯 經塑形而沒有壓實該生坯。 16. —種從如申請專利範圍第1〇至“項之任何一項的 方法所製造的燒結構件，其中該構件之燒結密度大於6 $ 克/立方公分。 17. 一種從如申請專利範圍第10至14項之任何一項的 方法所製造的燒結構件，其中該構件之抗張強度大於5〇〇 19 200808982 ， 百萬帕。 18·—種從如申請專利範圍第10至14項之任何一項的 方法所製造的燒結構件，其中該構件之屈服強度大於400 百萬帕。 Η•一、圖式： 如次頁

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