TW201039945A - Intermediate for producing sintered metallic components, a process for producing the intermediate and the production of the components - Google Patents

Description

201039945 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於—種用於製造燒結金屬成分之中間 體、一種用於製造該中間體之方法及該％•成分之製造 【先前技術】 通常藉由個別金屬所形成且一般藉由欲製造一成分 之金屬合金所形成之粉末係用於製造燒結金屬成分。在 該專成分之製造中，可藉由決定成分性質之起始粉末的 選擇及預處理發揮顯著影響力。因此，所用粉末之粒徑 對5亥成为材料之可得實體密度(phySicai density)及燒結 期間之收縮率有強烈影響力。 過去’該成分材料之燒結活性並因此其性質已可特別 藉由事先進行高能量研磨而獲得改善。 所用金屬粉末亦須符合其他要求。加工以製造生埋 (green bodies)時，希望該等粉末具有良好流動性、該等 生链在燒結前具有增加的生坯密度及生坯強度。若在加 壓成形時，該等生坯可獲得相對高生坯密度，則可降低 元全燒結成分上所發生之收縮。然而，為可製造呈體成 型之成57而且不須進行後加工’極低收縮率係所欲的。 高合金金屬粉末因其硬度無法藉由簡單之粉末冶金 技術如加壓及燒結加工形成燒結成分。此等人金粉末之 高能量研磨及後續聚結使此等粉末(例如)可加°壓。=而， 201039945 隨著增加的燒結活性必須接受較差之技術參數如低溱充 岔度、較差之流動行為及燒結期間之高收縮率。由於此 等不利性質，在無大量機械後加工之情況下無法製造高 役度成分。 依慣用方式所製得之燒結成分獲得不超過理論密度 之95%的實體密度並具有至少1〇%之收縮率。 〇 〇 I發明内容】 因此」本發明目的係指出製造燒結金屬成分之可能^ 收縮;谷奸完全燒結成分具有增加的實體密度及降彻 根據本發明，此目㈣ :严之特徵的中間體達到。其可藉由 結金屬成分之製造。本發明之有圍/ ^=於燒 展可藉由附屬項中所定義之特徵達到只例及其他發 本發明係針對製造燒結金屬成分之、 分係利用粉狀尹間體繁 1 式。u等成 用之金屬粉錢行柄加^ Μ㈣體錄代先前所 -亥中間體包含由殼層包圍之核心。 J及至少粒徑不同之第二粉末製得。因此=—粉 第一粉末的顆粒較大並具有至少=核心之 8〇微米之粒徑〜。其為金屬或金屬=係至少 弟-粉末之顆粒較小並具有小於25微米，較佳係小 5 201039945 於20微米’且特佳係小於10微米之粒徑d%。兮殼層另 外包含一黏合劑。此較佳係有機的。可使用（例如_ 醇(PVA)作為黏合劑。該第二粉末可為金屬、金屬1 =或 金屬氧化物。然而，其亦可為含有此等成分中至二兩= 之混合物。此外，呈石墨形式之碳可能存在。 在最簡單之情況下，第一粉末及第二粉末之顆粒係由 相同金屬或相同金屬合金所形成。然而，該兩種粉末有 利係使用不同金屬、金屬合金或(在第二粉末之情況下） 金屬氧化物。此打開亦同時達到合金形成或（由於合金組 分之濃度平衡）在製造完成成分所進行之燒結步驟期間 完成成分材料中之改變合金組成的機會。 在進一步加工中製造生埋及完成成分時，第二粉末有 利係比第一粉末更具延展性。因此’在加壓以藉由成形 程序製造生坯期間可獲得增加的生述密度’其最終亦導 致燒结後該成分之較尚貫體密度及降低的收細率。該殼 戶係完成一類似加壓助劑(pressing aids)之功能。 在〆中間體中’該中間體之個別顆粒應以一方式製得 而使該歡層具有一不超過核心之質量比率的質量比率。 仍可考處黏合劑在殼層中之比率或可忽視之。然而，該 等核心之質量比率較佳應大於殼層之質量比率。殼層亦 應具有相同層厚’其應應用於個別顆粒以及所有中間體 之顆粒中° 本發明中間體可藉以一懸浮液噴霧第一粉末之顆粒 而製得。該懸浮液包含第二粉末及黏合劑之顆粒。可使 201039945 - 用一水性懸浮液。喷霧期間，第一粉末之顆粒係保持在 運動狀態。此可利用（例如）流體化床轉子進行。 在達到核心上由第一粉末之顆粒所形成之殼層的預 定厚度之後’可乾燥該中間體之顆粒。依此方式，可獲 得理論密度之約40%之高填充密度及如以流漏斗所 測得可低於30秒之良好流動性。 此外’可進行中間體之預燒結。此使其可對就中間體 ❹ 之填充密度及流動性而言對其性質發揮較大影響力。該 填充密度可以此方式增加且流動性可獲得改善。在至少 800 C之溫度下進行預燒結時，後者可依此方式（例如）由 40秒降低至30秒。其可藉由Hall流漏斗測得。依此方 式亦可增加完全燒結成分之實體密度並亦可將收縮率降 低至5%以下。 然後，可使該中間體成形。在此，施加產生壓實性之 加壓力。所得生坯獲得一增加的生坯密度及生述強度。 加壓期間，存在於殼層中之成分本質上變形。該等核心 〇 一般保持無變形。殼層之變形可獲得增加的壓實性，其 使燒結期間之收縮率降低。此可保持在8%以下。其亦可 能降低至5%或5%以下。完全燒結成分之實體密度可達 該理論密度之至少92%並高達95%或95%以上。 如上所討論般’合金形成或改變合金組成可發生在燒 結期間。在此’該等核心與該殼層所用之兩種粉末間之 濃度平衡係發生在此等物具有不同稠度或組成時。可利 用擴散程序。在此最長的擴散路徑為該中間體之顆粒直 7 201039945 ㈣0.5 L。相較於慣用製造方法，可明顯降低 需時間。此亦可應用於與已知(例如)錄或銦難燒結在= 鐵顆粒上之經擴散接合的粉末之使用的比較上。然而， 依此方式僅可獲得範圍從〇1至2%之極小比率的合金化 元素。相反地，藉由本發明可獲得非常多極高度經合金 之成分材料。相較於已知工業溶液，可藉由根據本&明 燒結獲得之合金的稠度可經極精確並可再現地設定。 依此方式可製得不同之鐵基合金、鈷基合金及鎳基合 金。形成基底之個別金屬的比率為至少5〇質量％。 本發明係借助於實例而說明於下。 【實施方式】 實例1 欲製造成分材料為5.8 W 5.0 Mo 4.2 Cr 4.1 V 0.3 Μη 0·3 Si 1·3 C鐵合金之成分。 將含有8.1 W 6.7 Mo 5.9 Cr 0.4 Μη 0.4 Si之鐵基合金 用於形成該中間體之核心的第一粉末中。該粒徑d90係95 微米。 第二粉末係用於殼層中，其係一 31.0質量％之羰基鐵 粉末及1.3質量％之部分非晶質石墨之混合物且在各情 況下具有小於微米之粒徑d9G。依此方式可獲得67.7 質量％之核心質量比率及32.3質量％無黏合劑之殼層質 量比率。 使用王還原形式之幾基鐵，但亦可使用呈未還原形式 201039945 之羰基鐵。 卷末作為初進料導入流體化床轉子中並於其 喈之。透過正切於轉子旋轉方向地排列之雙流體噴 、夜。、勺由水、及殼層之粉末混合物所形成之懸浮 沒。匕圍核心之殼層的形成應極緩慢地發生。該懸淨液 二,係38質量%之水、58質量%之羰基鐵粉末、2·4 里部分非晶質石墨及1.8質量％之黏合劑(PVA)。

广，，，粉狀中間體具有125微米的粒徑d9〇為。 I妾著藉由加壓進行成形以達生坯之壓實及形成。此可 利用償用成形方法，例如工具中模壓、射出成型或擠壓 方式進行。可獲得6·9克/立方公分之生坯密度及10.3 MPa之生坯強度。 然後生坯在Η"2混合物（10體積％之h2及90體積0/〇 之Ns)下進行燒結。熱處理係在、3刈。〇及⑼之 I5白段中於各情況下保持G5小時之時間的方式進行。保 持1200 C之最高溫度達2小時。 完全燒結成分具有7·95克/立方公分之實體密度且燒 結後之收縮率為4.6%。此材料之理論密度係7.97克/立 方公分。 實例2 由鐵基合金34.0 Cr 2·1 Μ〇 2.0 Si 1.3 C、其餘為鐵 (balance iron)所組成之成分係利用一用於核心含有合金 51.5 Cr 3.6 Mo 2.7 Si 0.68 Mn 1.9C、其餘為鐵並具有 82 9 201039945 微米之粒徑d%之第一粉末製得。 第二粉末係使用未還原羰基鐵粉末(粒徑d 9 〇為9微米） 作為變化例1及由已還原氧化鐵(粒徑冯〇為5微米）護得 之鐵粉末作為變化例2。第一粉末之質量比率為66.7質 量％，以及第二粉末之質量比率在各情況下為33.3質* %。 以第一粉末作為初進料導入一流體化床轉子中益於 其中攪拌之。透過正切於轉子旋轉方向地排列之雙流雜 喷嘴喷灑由水、PVA及殼層之粉末混合物所形成之懸淨 液。包圍核心之殼層的形成應極緩慢地發生。該懸浮浪 具有49質量％之水、49質量％之第二粉末及2質量％之 黏合劑(PVA)之組成。 根據變化例1之中間體具有2.2克/立方公分之填充密 度及36秒由Hall流漏斗所測得之流動時間。在根據變 化例2之中間體的情況下獲得2.5克/立方公分之填充密 度並可測得33秒之流動時間。 接著藉由加壓進行成形以達生坯之壓實及形成。此可 利用慣用成形方法，例如工具中模壓、射出成型或擠壓 方式進行。 根據變化例1之生坯獲得5.3克/立方公分之生坯密度 及3.8 MPa之生坯強度且在變化例2之情況下可獲得5.4 克/立方公分之生坯密度及5.0 MPa之生坯強度。 然後在兩變化例之情況下於Hs/N2混合物（1〇體積％ 之H2及90體積％之N2)中燒結生坯。採用各在250。(：、 201039945 350°C及600°C之溫度下保持0.5小時之時間的階梯式溫 度控制方式。接著在125(TC下以2小時之時間進行最後 燒結。

在變化例1之情況下，該完全燒結成分具有7.丨克/ 立方公分之實體密度且燒結後之收縮率為7.6%，以及在 變化例2之情況下，其具有6.9克/立方公分之實體密度 並發生6.3%之收縮率。此材料之理論密度係7 35克/立 方公分。 實例3 具有目標合金如具有組成為27.6 Mo 8.9 Cr 2.2 Si、其 餘為鈷(balance cobalt)之鈷基合金的成分係利用一合金 27·6 Mo 8.9 Cr 2.2 Si、其餘為銘並具有53.6微米之粒徑 Αο之弟一水霧化粉末及合金27.6 Mo 8.9 Cr 2.2 Si、其餘 為鈷並具有21微米之粒徑d%之第二粉末製得。兩種粉 末皆以50質量％之量用於製造中間體。該懸浮液具有29 質I /〇之水、69質量％之第二粉末、1質量％之石纖及 質量°/〇之黏合劑(PVA)之組成。 以第一粉末作為初進料導入一流體化床轉子中並於 其中攪拌之。透過正切於轉子旋轉方向地排列之雔治 喷嘴噴灑由水、PVA及殼層之粉末混合物所 液。包圍核心之殼層的形成應極緩慢地發生。 ：公浮 乾燥後’粉狀中間體具有130微米之粒徑d 密度為3.0克/立方公分並可藉* _流漏^= 5 11 201039945 的流動時間。 接著藉由加壓進行成形以達生坯之壓實及形成。此可 利用慣用成形方法，例如工具中模壓、射出成型或擠壓 方式進行。可獲得6.4克/立方公分之生坯密度。 然後在氫氣氛圍中利用下列參數燒結生坯： 熱處理係在250°C、350°C及600°C之溫度階段中於各 情況下保持0.5小時之時間並接著將溫度增加至1285°C 的方式進行。保持該最高溫度達2小時。 完全燒結成分具有8.7克/立方公分之實體密度且燒 結後之收縮率為10.2%。 【圖式簡單說明】 無 【主要元件符號說明】 無 12

Claims (1)

1. 201039945 .七、申請專利範圍： 1. 一種用於製造燒結金屬成分之中間體，其中鲛層係在 各情況下藉由一種第一金屬粉末顆粒所形成之^心上 形成且該殼層係藉由第二粉末及黏合劑所形成； 其中該第一粉末具有至少50微米的粒徑d9〇，以及該 第二粉末具有小於25微米的粒徑d9〇，而且該中間體 係粉狀的。 〇 2. 根據申請專利範圍第1項之中間體，其特徵在於該核 心係藉由金屬或金屬合金所形成。 3. 根據申請專利範圍第1或2項之中間體，其特徵在於 該殼層係藉由金屬、金屬合金及/或金屬氧化物所形 成。 ❹ 4·根據前述申請專利範圍中任一項之中間體，其特徵在 於該殼層中金屬、金屬合金及/或金屬氧化物之質量比 率係 <形成個別核心之第一粉末顆粒之質量比率。 5·根據前述申請專利範圍中任一項之中間體’其特徵在 於石炭係另外存在於殼層中。 6.根據前述申請專利範圍中任一項之中間體，其特徵在 於形成該殼層之第二粉末係比形成核心之第一粉末更 13 201039945 具延展性。 7. —種用於製造根據申請專利範圍第1至6項中任一項 之中間體之方法，其特徵在於以一懸浮液塗布具有至 少50微米的粒徑d9〇之第一金屬粉末，在該懸浮液中 具有小於25微米的粒徑d90之第二粉末及黏合劑係以 一使含有該黏合劑及第二粉末顆粒之殼層形成於形成 核心之第一粉末顆粒上的方式存在。 8. 根據巾料利範㈣7項之方法，其特徵在於金屬、 金屬合金及/或金屬氧化物係用作第二粉末。 9.根據申請專利範圍第7或8項之方法，其特徵在於使 用燒結時形成金屬合金之第_粉末及第二粉末。 1〇.f射，專利範圍第7至9項中任—項之方法，其特 =第一粉末顆粒係經攪拌並同時以-含有該黏合 劑，第二粉末之懸浮液喷霧之，並在達到該等殼層可 預疋厚度之後，乾燥該中間體。 U，一種利用根據申請專利範圍第1 S 6項中任_項之扒 製造燒結金屬成分之方法，其中使乾粉狀； 進仃燒結以製造該成分。 要者 14 201039945 12.=專利範圍第11項之方法，其特徵在於在金屬 t匕巧在於該殼層中之中間體的情況下，該燒結程 序係在還原氛圍中進行。 13.根細繼U或12項之方法，其特徵在於 Ο 二金f合金係在燒結程序期間由存在於第-及第二粉 末之成分所形成。 13項中任一項之方法，其 擴散程序並同時進行燒結 14.根據申請專利範圍第u至 特徵在於合金之形成係藉由 程序的方式達到。 15.根據巾請專利範㈣n幻4項中任—項之方法，立 特徵在於以-由第二粉末所形成之懸浮液塗布第一粉 末顆粒以於由第^末顆粒所形成之核心、上形成殼 層，該成形程序及該燒結程序係以一使燒結後之收縮 率<8%並獲得>理論密度之92%之密度的方式進行。 16.根據前述申請專利範圍中任一項之方法，其特徵在於 製造一藉由鐵基合金、銘基合金或鎳基合金所形成之 成分。 15 201039945 . 四、指定代表圖： (一) 本案指定代表圖為：第（無）圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明：無 五、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： 無

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