專利名稱：鐵－石墨復合粉末以及采用此粉末生產(chǎn)的燒結制品的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)具有優(yōu)良的機械性能和機加工性能的結構部件的金屬粉末。具體而言，本發(fā)明涉及鐵-石墨復合粉末、其制備方法以及采用粉末冶金制造技術由所述粉末制造部件的方法。
傳統(tǒng)上，可以通過鑄造液態(tài)金屬或者將固態(tài)金屬成形或加工為特定的形狀或外形來制造金屬部件?？慑戣T鐵是一種特別可用于制造金屬部件的材料，因其具有優(yōu)良的機加工性能、韌性、延展性、耐腐蝕性、強度、磁性能和均勻性。這些性能的產(chǎn)生歸因于該鑄鐵的金相組織，所述組織包含嵌入鐵基體中的碳簇團。然而，可鍛鑄鐵是一種鑄鐵。
由于廉價的、輕質的機器部件的需求不斷增加，粉末冶金(P／M)制造技術正在取代傳統(tǒng)的制造方法。粉末冶金中，金屬粉末原材料被模壓成生坯，所述生坯將進行燒結處理。燒結體可進一步進行精壓、鍛造、熱處理，以及，偶而需要切削或機加工，以獲得最終的金屬產(chǎn)品。例如，美國專利5，628，045公開了一種通過選擇性冷卻(附加熱處理)燒結件來獲得具有奧氏體和／或貝氏體基體的燒結部件的方法。因此，該方法中所使用的金屬粉末原材料必須擁有幾種重要性能。金屬原材料必須適合模壓處理，并且，因此具有可容許的硬度和壓縮性能，粉末的硬度對其壓縮性能有直接影響-較低的硬度產(chǎn)生較佳的壓縮性能。此外，由金屬原材料獲得的固態(tài)金屬產(chǎn)品應該具有有利的機械強度、韌性和機加工性能。因此，用于制備這些產(chǎn)品的金屬原材料也必須擁有良好的熱處理性能，例如，可燒結性和淬硬性。
已有研究者試圖制備一種用于粉末冶金制造的粉末，該粉末也能獲得具有高石墨含量和可鍛鑄鐵顯微組織的燒結制品。例如，Yang(粉末冶金與顆粒材料的國際會議，1998年6月1日發(fā)表)公開了一種通過由含有硼和硫的P／M鐵合金構成的生坯的石墨化制備的燒結鋼。所述燒結鋼具有鐵素體基體，其中石墨在所述燒結制品的孔隙中析出。所述石墨是一種所謂“自由態(tài)”石墨，因為所產(chǎn)生的石墨形狀取決于其發(fā)生析出的孔隙的形狀。
Uenosono(粉末冶金與顆粒材料國際會議文集，1997年6月29日-7月2日，Chicago，Illinois)公開了一種燒結鋼，該鋼與Yang公開的鋼類似，也含有硼和硫并且具有在孔隙部位沉積的石墨。
Shivanath(美國專利5，656，787)對碳／鐵混合物在形成燒結制品中的使用進行了公開。在這種情況下，所述混合物包含在由相對較大的鐵合金顆粒形成的空隙內分布的相對較小的碳顆粒。
Ovecoglu(國際粉末冶金雜志(Intl．J．powder Metallurgy)，1998)公開了對鐵粉末和石墨粉末進行碾磨，以形成鐵-碳復合粉末合金。長時間碾磨該鐵-石墨粉末混合物會使石墨逐漸消失。碾磨20小時后的粉末的X射線衍射表明粉末顆粒僅含α-Fe。
然而，這些方法不能產(chǎn)生具有可鍛鑄鐵的金相組織或所希望的性能的P／M粉末。而且這些方法不能大量有效地生產(chǎn)此類粉末。因此，理想的是提供一種鐵-石墨復合粉末，所述復合粉末能提供可鍛鑄鐵的優(yōu)點，并且可以用來使用粉末冶金制造技術生產(chǎn)燒結制品。
本發(fā)明涉及一種新型的鐵-石墨復合粉末，所述復合粉末的顯微組織包含分布在鐵基體中的碳簇團(carbon cluster)。本發(fā)明另一個實施方案涉及制備所述鐵-石墨復合粉末的方法，所述方法包含的步驟為(a)霧化處理鐵水，以形成一種霧化的鐵粉末；(b)將所述霧化的鐵粉末加熱至第一階段的石墨化溫度；以及(c)將所述粉末從第一階段石墨化溫度冷卻至第二階段石墨化溫度。
本發(fā)明也涉及采用燒結本發(fā)明的鐵-石墨復合粉末的方法制備的燒結件。在又一個實施方案中，本發(fā)明涉及由本發(fā)明的鐵-石墨復合粉末生產(chǎn)的燒結制品，所述燒結制品已進行燒結后處理。


圖1圖示說明的是本發(fā)明實施例1中使用的石墨化方法的時間／溫度分布。
圖2是一張通過在真空環(huán)境中進行的石墨化處理獲得的含約10％石墨的鐵粉末樣品的鐵素體顯微組織的光學顯微照片。
圖3是一張鐵粉末樣品的顯微組織的光學顯微照片，其中，所述組織含有約80％的鐵素體，10％的石墨和10％的珠光體。
圖4是通過不完全石墨化處理獲得的鐵粉末樣品的顯微組織的光學顯微照片，其中，所述石墨化處理在分解的氨(N2／H2)氣氛中進行，所述顯微組織包含主要處于粉末顆粒表面的碳簇團。
本發(fā)明的鐵-石墨復合粉末由具有碳簇團位于鐵基體中的顯微組織的鐵-石墨復合粉末顆粒組成，其中碳簇團可位于所述顆粒的表面或嵌入所述顆粒中。優(yōu)選的是該碳簇團是回火碳簇團。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，所述鐵-石墨復合粉末包括具有嵌入在鐵基體中的碳簇團顯微組織的復合粉末顆粒。有利的是，在所述復合粉末顆粒中存在的碳簇團的至少30％完全嵌入所述鐵基體。即，存在于所述復合粉末顆粒中的碳簇團的70％或更少位于所述顆粒的表面。優(yōu)選至少50％的碳簇團完全嵌入鐵基體中。更優(yōu)選至少60％的碳簇團完全嵌入鐵基體中。最優(yōu)選至少70％的碳簇團完全嵌入鐵基體中。所述復合粉末的鐵基體可以包含鐵素體、珠光體、奧氏體-鐵素體(ausferrite)、貝氏體、馬氏體、奧氏體、游離滲碳體、回火馬氏體或者其混合物。優(yōu)選地，本發(fā)明的鐵-石墨復合粉末的顯微組織是碳簇團嵌入基本為鐵素體(至少60％鐵素體)的基體中。更優(yōu)選地，本發(fā)明的鐵-石墨復合粉末的顯微組織為碳簇團嵌入鐵素體與珠光體的混合基體(至少80％鐵素體)中。最優(yōu)選地，本發(fā)明的鐵-石墨復合粉末的顯微組織為碳簇團嵌入在全部為鐵素體的基體中。因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，所述鐵-石墨復合粉末具有可鍛鑄鐵的金相顯微組織。即，所述鐵-石墨復合粉末是可鍛鑄鐵的縮微形式。
本發(fā)明的鐵-石墨復合粉末是一種鐵-碳-硅合金，其含有約2-4．5wt％的碳和約0．05-2．5wt％的硅。優(yōu)選地，所述復合粉末含有約3-4wt％的碳和約0．1-2wt％的硅。在一個優(yōu)選的實施方案中，所述復合粉末包含約3-4wt％的碳和約0．3-2wt％的硅。具有碳簇團嵌入在鐵基體中的顯微組織的示例性的本發(fā)明鐵-石墨復合粉末，包含約3．2-3．7wt％的碳和約0．8-1．3wt％的硅。本發(fā)明的鐵-石墨復合粉末優(yōu)選具有由碳簇團嵌入鐵基體的組成的顯微組織，包含約3．5-3．7wt％的碳和約0．8-1．0wt％的硅。本發(fā)明的復合鐵粉末和／或所獲得的燒結制品也可以含有至少一種本領域使用的常規(guī)的其它合金元素。示例性的合金元素包括，但不僅限于錳、鎳、鉬、銅、鉻、硼、磷或者它們的混合物。本發(fā)明的鐵-石墨復合粉末可以是一種復合合金粉末，其中，至少一種合金元素存在于霧化前的鐵水中。
可以通過將至少一種單質形式的合金元素，或者將至少一種含有至少一種所述合金元素的合金或化合物溶解在液態(tài)鐵中，來制備用于本發(fā)明的液態(tài)鐵合金。或者，本發(fā)明的鐵-石墨復合粉末可以是一種復合粉末混合物，其中，至少一種單質形式的合金元素或者至少一種含有至少一種合金元素的合金或化合物與石墨化的復合粉末混合，以形成所述復合粉末混合物。用來與鐵水進行合金化或者與鐵-石墨粉末進行混合，以獲得上述粉末合金或者粉末混合物的單質形式的合金元素、合金和／或化合物在本領域為人熟知。考慮選擇適當?shù)膯钨|形式的合金元素(如，Cu°)、含有所要求的合金元素的適當?shù)暮辖?例如鐵合金，如鐵磷合金)或適當?shù)幕衔?例如，氮化硼)來獲得本發(fā)明的具有任何所要求的元素組成的粉末合金和／或粉末混合物，此為本領域的技術人員的普通技能。
本發(fā)明的復合鐵粉末和／或者所獲得的燒結制品可以含有小于約2％的錳，小于約4％的鎳，小于約4％的鉬，小于約2％的鉻，小于約0．2％的硼，小于約1％的磷和／或小于約3％的銅。優(yōu)選地，當所述復合粉末為含銅合金時，所述粉末含有小于約1％的銅，而當所述復合粉末是一種含銅混合物時，所述復合粉末混合物含有小于約3％的銅。另一方面，所述復合粉末和／或燒結制品可以含有小于約1％的錳，小于約1．5％的鎳，小于約1．5％鉬，小于約1％的鉻和／或小于約0．5％的磷。本發(fā)明的復合鐵粉末和／或者獲得的燒結制品可以含有上面所列的任何元素，但也可以含有小于約0．7％的錳和／或小于約0．15％的磷。在另一個實施方案中，本發(fā)明的復合鐵粉末和／或獲得的燒結制品可以含有上面所列的任何元素，但可含有小于約0．1％的錳。
本發(fā)明的鐵-石墨復合粉末的顯微組織由嵌入鐵基體中的碳簇團組成，所述復合粉末可以采用包括下述步驟的方法進行制備(a)對鐵水進行霧化處理，以形成霧化的鐵粉末；(b)將該霧化的鐵粉末加熱至第一階段的石墨化溫度；以及(c)將所述粉末由第一階段石墨化溫度冷卻至第二階段的石墨化溫度。采用本發(fā)明方法的制備的鐵-石墨復合粉末的鐵基體可以是鐵素體、珠光體、奧氏體-鐵素體(ausferrite)、貝氏體、馬氏體、奧氏體、游離的滲碳體、回火馬氏體或者它們的混合物。優(yōu)選地，由本方法獲得的鐵-石墨復合粉末的顯微組織含有嵌入基本上(至少60％)為鐵素體的基體中的碳簇團，更優(yōu)選地，所述基體為鐵素體與珠光體的混合體(至少80％的鐵素體)，并且，最優(yōu)選，所述基體為全部鐵素體。
本方法的第一步包括將鐵水霧化處理，以形成鐵粉末。有利的是，由本發(fā)明方法獲得的鐵粉末中每一噴霧后的顆粒具有均勻的化學組成。對含有至少碳和硅的鐵水合金的霧化處理可提供一種鐵粉末，其中該粉末的每一顆粒具有相同或基本相同的碳和硅的濃度?？梢圆捎盟F化或氣霧化技術來進行霧化處理。優(yōu)選地，采用水霧化技術以產(chǎn)生具有不規(guī)則外形顆粒的鐵粉末，所述顆粒的平均粒徑小于約300μm，而且，其顯微組織為亞穩(wěn)態(tài)的鐵的碳化物和奧氏體，偶而也有馬氏體存在。所述鐵粉末顆粒的顯微組織包含在奧氏體基體上的亞穩(wěn)態(tài)的鐵的碳化物，所述奧氏體基體的存在歸因于霧化過程中鐵水的瞬時凝固。霧化處理的顆粒的顯微組織取決于化學組成(所有其它霧化參數(shù)不變)。例如，碳濃度低的鐵粉末的霧化處理顆粒典型的顯微組織，具有較多的奧氏體和較少的塊狀碳化物網(wǎng)絡。碳濃度高的鐵粉末易于形成具有塊狀碳化物網(wǎng)絡和較少奧氏體的顯微組織，它促進了石墨化過程。
所述霧化的鐵粉末然后可以進行包含第一階段石墨化處理和第二階段石墨化處理的石墨化處理。在這些處理過程中，發(fā)生兩種截然不同的轉變。第一種轉變涉及鐵粉末中碳化物的分解和石墨的形核和長大(碳簇團)。第二種轉變涉及所述粉末中鐵組織的轉變及所述碳簇團的進一步長大。
第一階段的石墨化處理是一個加熱過程，其間，碳化物的分解和存在于過飽和奧氏體中的過剩碳提供了使所述碳簇團形核和長大的碳。該過程包括將所述鐵粉末加熱至高于約900℃但低于粉末熔點的溫度，優(yōu)選地，將所述鐵粉末加熱至高于1000℃的溫度。該加熱過程包括兩個階段一個加熱階段，其間碳簇團發(fā)生形核(定位(localization))，和一個任選的保溫階段，其間完成碳化物的分解?？赏ㄟ^控制從約650℃到高于約900℃，優(yōu)選到高于約1000℃的溫度的加熱階段期間的加熱速度，實現(xiàn)對所得粉末顆粒中碳簇團的定位(即嵌入內部與在表面)的控制。在本發(fā)明一個優(yōu)選的實施方案中，所述鐵-石墨粉末被從約650℃加熱到高于約900℃時，其加熱速度使得至少30％的碳簇團的形核發(fā)生于顆粒內部，即在復合粉末中形成的碳簇團的至少30％完全嵌入在鐵基體中。優(yōu)選的是，所述鐵-石墨粉末被從約650℃加熱到高于約900℃時，其加熱速度使得至少50％的碳簇團完全嵌入在鐵基體中。更優(yōu)選的是，所述鐵-石墨粉末被從約650℃加熱到高于約900℃時，其加熱速度使得至少60％的碳簇團完全嵌入在鐵基體中。最優(yōu)選的是，所述鐵-石墨粉末的加熱速度使得至少70％的碳簇團完全嵌入在鐵基體中。在所述鐵粉末的溫度達到約850℃到所述第一階段石墨化溫度之間后，將所述粉末在該溫度范圍保溫或在所述第一階段石墨化溫度保溫，其保溫時間足以使鐵粉末中的碳化物分解(所述保溫階段)。優(yōu)選的是，對鐵-石墨粉末進行處理，使得在第一階段石墨化過程中可完成碳化物的分解。然而，含殘量的碳化物(不超過約10％)的鐵-石墨復合粉末包括在本發(fā)明的范圍內，可用于制造本文所述完全致密或基本完全致密的燒結制品。一旦達到適當?shù)奶蓟锓纸獬潭?，可對所述鐵粉末樣品進行第二階段石墨化處理。
優(yōu)選的是，可根據(jù)鐵-石墨復合粉末的化學組成和粉末霧化后的組織調整所述加熱過程，從而在將粉末從約650℃加熱到高于約900℃、優(yōu)選高于約1000℃的第一階段石墨化溫度時，其加熱速度足以使得碳簇團在鐵粉末顆粒的芯部中形核，并且任選地，該粉末樣品在約850℃到高于約900℃(優(yōu)選高于約1000℃)之間或在高于約900℃(優(yōu)選高于約1000℃)的溫度下，保溫一段足以使鐵粉末中的碳化物完全分解的時間。例如，對于含有約3．2重量％-約3．7重量％的碳、和約0．8重量％-約1．3重量％的硅，或優(yōu)選的是含有約3．5重量％-約3．7重量％的碳、和約0．8重量％-約1．0重量％的硅的鐵-石墨復合粉末，可將其從約650℃的溫度加熱到高于約900℃、優(yōu)選高于約1000℃的溫度，加熱速度高于約30℃／分鐘，以使得高于30％的碳簇團在所述粉末顆粒芯部析出／形核。換言之，以高于約30℃／分鐘的速度加熱可獲得一種鐵-石墨復合粉末，其中在所述粉末顆粒中高于30％的碳簇團完全嵌入在鐵基體中。對于此類粉末，低于約30℃／分鐘的加熱速度導致超過70％的碳簇團定位／形核于粉末顆粒的表面。在所述鐵粉末達到高于約900℃、優(yōu)選高于約1000℃的第一階段石墨化溫度后，所述鐵粉末可在第一階段的石墨化溫度下保持約5分鐘-16小時，以完成碳化物在鐵粉末中的分解。
第二階段的石墨化包括將所述鐵粉末從第一階段石墨化溫度控制冷卻至第二階段的石墨化溫度，在所述溫度下，所述粉末中的鐵組織發(fā)生轉變，并且，碳向碳簇團的形核位置擴散以使其長大。具體地說，本發(fā)明的第二階段石墨化包括將鐵粉末從高于700℃、優(yōu)選從低于約800℃(但高于700℃)的溫度控制冷卻到第二階段石墨化溫度。在本發(fā)明的方法中，將所述粉末冷卻到適當?shù)牡诙瘻囟?，其總體冷卻速度足以使得碳向碳簇團的形核位置擴散以使其長大，從而使得所述粉末中的鐵組織發(fā)生轉變(例如，轉變?yōu)榛緸殍F素體的顯微組織，包括從奧氏體轉變?yōu)殍F素體、奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w和珠光體轉變?yōu)殍F素體)，由此形成具有由碳簇團嵌入在鐵基體組成顯微組織的復合粉末?？蓪⑷绱诵纬傻膹秃翔F粉末冷卻到室溫，或冷卻到任何適于進一步處理(例如加工成燒結制品、包裝等)的溫度。第二階段石墨化過程的控制冷卻可以是連續(xù)冷卻過程(例如，通過使傳送帶上的粉末通過差溫加熱(溫度連續(xù)變化)的爐或通過加熱到溫度連續(xù)降低的相鄰的一組爐而實現(xiàn))或是分步的冷卻過程，包括獨立的冷卻和保溫步驟(例如，通過使粉末在單一爐中保溫然后分步降低爐溫而實現(xiàn))。爐中不同部分的溫差或不同爐間或一爐中不同的溫度設定之間的溫差可使粉末以比希望的總體冷卻速度快的速度暫時冷卻。然而，如圖1所示，通過包括快速冷卻間隔和隨后非冷卻間隔(即將鐵在選定的溫度下保溫)的冷卻方法，可獲得適當?shù)睦鋮s速度。例如，對于含有約3．2重量％-約3．7重量％的碳、和約0．8重量％-約1．3重量％的硅，或優(yōu)選的是含有約3．5重量％-約3．7重量％的碳、和約0．8重量％-約1．0重量％的硅的粉末，可將其從高于700℃、優(yōu)選從低于約800℃的溫度冷卻到第二階段石墨化溫度，其總體冷卻速度不高于10℃／分鐘，以使粉末中的鐵組織發(fā)生轉變，并且，碳發(fā)生擴散和使碳簇團長大。對于這種粉末，高于約10℃／分鐘的冷卻速度不能為奧氏體向鐵素體的轉變提供足夠的時間，即一部分碳殘留在鐵基體中，并且碳簇團的長大不完全。
高于約600℃的溫度適合作為第二階段的石墨化溫度，然而，該溫度可以依據(jù)粉末中合金元素的存在類型和／或濃度而改變。優(yōu)選地，第二階段的石墨化溫度高于約650℃，并且，更優(yōu)選地，不低于約700℃。本領域的技術人員將會意識到的是，本發(fā)明的復合粉末中的合金元素的存在類型和／或濃度不僅會影響控制冷卻應冷至的溫度(第二階段的石墨化溫度)，而且，也影響由第二個石墨化溫度冷至室溫后，所獲得的復合粉末的鐵基體。例如，對于含有約3．2重量％-約3．7重量％的碳、和約0．8重量％-約1．3重量％的硅，或優(yōu)選的是含有約3．5重量％-約3．7重量％的碳、和約0．8重量％-約1．0重量％的硅的粉末，第二階段石墨化溫度高于約700℃，而總體冷卻速度不高于10℃／分鐘，優(yōu)選不高于約4℃／分鐘?？紤]到此處的這些教導，依據(jù)鐵粉末中合金元素的性質和濃度，來修正第二階段的石墨化溫度，以便獲得具有包含嵌入所需鐵基體中的碳簇團的顯微組織的復合鐵粉末，此為本領域的技術人員的普通技能。
第二階段的石墨化處理可以在第一階段的石墨化處理后馬上進行，或者作為一個獨立的過程，在較晚些時候進行。例如，可以對第二階段的石墨化處理的控制冷卻的實施方式進行調整，以使鐵粉末的溫度直接由高于約900℃的第一階段的石墨化溫度降低至第二階段的石墨化溫度，其中將鐵粉末從高于700℃、優(yōu)選從低于約800℃的溫度冷卻到第二石墨化溫度的冷卻速度足以使碳擴散至形核位置以確保碳簇團的長大，以使粉末中的鐵組織發(fā)生轉變。另一種方法是，第二階段的石墨化處理可以作為包括鐵試樣重新加熱的一個獨立的步驟來進行。例如，鐵粉末樣品可以首先加熱至高于約900℃的第一階段的石墨化溫度，冷卻至低于約600℃的溫度(如，室溫)，再加熱到至少高于700℃的溫度，之后，進行第二階段的石墨化處理的控制冷卻，其中將鐵粉末從高于約700℃的溫度冷卻到第二石墨化溫度的冷卻速度足以使碳擴散至形核位置以確保碳簇團的長大，以使粉末中的鐵組織發(fā)生轉變。優(yōu)選地，可以將鐵粉末再加熱至高于約800℃的溫度，以確保珠光體向奧氏體的快速轉變。
因此，可以采用包含下步驟的連續(xù)冷卻方法，由霧化的鐵粉末制備出包括具有由嵌入鐵基體中的碳簇團組成的顯微組織的顆粒的鐵-石墨復合粉末(a)將霧化的鐵粉末加熱至高于約900℃的溫度；以及(b)將所述粉末由高于約900℃的溫度冷至高于約600℃的溫度。
在本方法中，將所述鐵粉末從約650℃加熱至高于約900℃的加熱速度足以使得碳簇團在鐵粉末的芯部中形核，并且任選地，該粉末在約850℃到高于約900℃之間或在高于900℃的溫度下，保溫一段足以使鐵粉末中的碳化物充分分解的時間。此后將該粉末從高于700℃、優(yōu)選從低于約800℃(但高于700℃)的溫度冷卻到高于約600℃的溫度，其冷卻速度應足以使得所述粉末中的鐵組織發(fā)生轉變，并且使碳簇團長大。換言之，將該粉末從約650℃加熱至高于約900℃、優(yōu)選高于約1000℃的第一階段石墨化溫度，其加熱速度足以使得碳簇團在鐵粉末的芯部中形核，并且任選地，該粉末樣品在約850℃到第一階段石墨化溫度之間或在第一階段石墨化溫度下，保溫一段足以使鐵粉末中的碳化物達到期望的分解程度的時間，此后將該粉末從高于約900℃、優(yōu)選高于約1000℃的第一階段石墨化溫度冷卻到高于700℃、優(yōu)選低于約800℃的溫度，然后從高于700℃、優(yōu)選低于約800℃的溫度冷卻至高于約600℃的第二石墨化溫度，其冷卻速度足以使得所述粉末中的鐵組織發(fā)生轉變，并且使碳擴散至形核位置，由此形成其顯微組織為鐵基體上嵌入有碳簇團的復合粉末。例如，對于含有約3．2重量％-約3．7重量％的碳、和約0．8重量％-約1．3重量％的硅，或優(yōu)選的是含有約3．5重量％-約3．7重量％的碳、和約0．8重量％-約1．0重量％的硅的粉末，將其從約650℃的溫度加熱到高于約1000℃的溫度，加熱速度高于30℃／分鐘，將該粉末在高于約1000℃的溫度保溫約5分鐘-約16小時，然后將該粉末以不高于約10℃／分鐘，優(yōu)選不高于約4℃／分鐘的冷卻速度冷卻到高于約700℃的溫度，這樣就足以形成其顯微組織為鐵基體上嵌入有碳簇團的復合粉末。
所述冷卻過程也可以包含下述步驟(1)將所述粉末由高于約900℃的溫度冷至低于約600℃的溫度；(2)將所述粉末再加熱至高于約700℃的溫度；以及(3)將所述粉末由高于約700℃的溫度冷卻至高于600℃的溫度。優(yōu)選地，將所述粉末再加熱至高于800℃的溫度并且以上述方式冷卻至不低于700℃的溫度。
由霧化的鐵粉末制備鐵-石墨復合粉末的本發(fā)明的方法的又一個實施方案包括一個分步冷卻和保溫過程，其包含如下步驟(a)將霧化的鐵粉末加熱至高于約900℃的溫度；以及(b)將所述粉末由高于約900℃的溫度冷卻至高于約600℃的溫度；其中，所述冷卻步驟包含選自下述的冷卻和保溫步驟的組合
(ⅰ)將所述粉末由高于約900℃的溫度冷卻至高于約600℃的溫度，并在所述高于約600℃的溫度保溫所述粉末；(ⅱ)任選地，將所述粉末由高于約600℃的上述溫度冷卻至另一個高于約600℃的溫度，并且，在所述溫度下保溫所述粉末；以及(ⅲ)任選地，重復步驟(ⅱ)；在本發(fā)明方法的該實施方案中，按照上述方式，將所述粉末從約650℃加熱至高于約900℃的加熱速度足以使得碳簇團在粉末顆粒的芯部中形核，并且任選地，該粉末樣品在約850℃到高于約900℃之間或在所述高于900℃的溫度下，保溫一段足以使所述粉末中的碳化物充分分解的時間。此后將該粉末從高于約900℃的溫度冷卻到高于700℃的溫度，然后采用冷卻和保溫步驟的組合從約700℃冷卻至高于約600℃的溫度，其冷卻速度應足以使得所述粉末中的鐵組織發(fā)生轉變，并且使碳簇團長大。該冷卻過程也可以包含如下步驟(1)將所述粉末由高于約900℃的溫度冷卻至低于約600℃的溫度；(2)將所述粉末再加熱至高于約700℃的溫度；以及(3)將所述粉末由高于約700℃的溫度冷卻至高于600℃的溫度；(4)在所述高于約600℃的溫度保溫所述粉末；以及(5)任選地，重復上述的步驟(ⅱ)和(ⅲ)。優(yōu)選地，將所述粉末再加熱至高于800℃的溫度，并且冷卻至不低于700℃的溫度。所述分步冷卻／保溫的方法典型地包括重復進行二次或多次冷卻和保溫步驟，并且其特征在于降低所述粉末的溫度，之后，將所述粉末在所述降低的溫度下保持一段充分的時間，以使得所述粉末中的鐵組織發(fā)生轉變，并且使碳擴散至形核位置。實施例1介紹了一種包含三個冷卻／保溫循環(huán)的分步冷卻／保溫的方法，其中，從高于約900℃的第一階段石墨化溫度冷卻至高于約600℃的第二石墨化溫度的總體冷卻速度低于2℃／分鐘，而從高于約700℃(例如，760℃)冷卻至高于600℃(例如，700℃)的總體冷卻速度低于1℃／分鐘。該實施例中，在不低于約700℃的三個降低的溫度(例如，760℃，730℃和700℃)下，分別對所述粉末進行保溫，保溫時間至少為1．25小時／每循環(huán)。
在本發(fā)明的方法中，鐵粉末中的硅濃度可用以調整本發(fā)明中獲得的復合粉末的顯微組織，硅促進碳形核位置的形成。霧化的鐵-石墨粉末中較高的硅濃度能提供更多的形核位置，從而導致石墨的快速形核，而較低的硅濃度能提供的形核位置較少，從而產(chǎn)生較慢的石墨形核。在加熱和冷卻階段，硅濃度的這些作用繼而影響所產(chǎn)生的鐵-石墨復合粉末的顯微組織與時間的關系，并且影響為獲得所要求的顯微組織所需要的總時間。然而，當所述粉末中碳含量超過約3．4％時，硅對鐵-石墨復合粉末所形成的顯微組織的所述影響降低了。
在含有高濃度的形核位置(高硅濃度，例如＞1．0wt．％硅)的鐵粉末中，鐵組織將快速發(fā)生(例如，奧氏體向鐵素體)的轉變，原因在于奧氏體中的碳向碳簇團處的擴散快(擴散路徑短)。奧氏體向鐵素體的轉變在含低濃度的形核位置(低硅濃度，例如，＜0．5wt．％的硅)的鐵粉末中可進行得非常慢，需要更長的冷卻時間。由于碳擴散至碳簇團所需要的時間長(奧氏體中的碳的擴散路徑長)，含有低濃度硅和低碳含量的霧化的鐵粉末的石墨化會造成奧氏體向珠光體，然后向鐵素體／珠光體混合物的逐步轉變。由于碳簇團形核增多(高碳含量)使得奧氏體中碳的擴散至形核位置的路徑變短，因此含有低濃度硅和高碳含量的霧化的鐵粉末的石墨化會造成奧氏體向鐵素體／珠光體混合物的快速轉變。因此，可通過調整鐵-石墨復合粉末中硅和碳的濃度并調整冷卻過程的時間長度來影響由本發(fā)明方法獲得的復合粉末的顯微組織。
此外，實施本方法所使用的氣氛也可以用來影響按本發(fā)明制備的復合粉末的顯微組織。例如，可以對氣氛和形核的速度進行調整以便影響處理過程中鐵-石墨粉末的脫碳速度。脫碳是碳與氧的反應，該反應會減少能夠形成碳簇團的有效碳量。因此，利用高的硅濃度和碳濃度和快速將所述粉末加熱至約650℃到高于約1000℃的范圍內促進了芯部石墨形核和使較多的碳被隔離在鐵基體內，從而減少能夠與氧反應的有效碳量(脫碳)。此外，在基本無氧的氣氛中實施所述石墨化處理將最大程度地減少脫碳。一種基本無氧的氣氛含有小于約3．0％的氧，并且，優(yōu)選小于約1．0％的氧。所述基本無氧的氣氛可以是一種氬、氮、氦、氫氣氛或者它們的混合物。所述基本無氧的氣氛優(yōu)選含少于約10％的氫。或者是，所述基本無氧的氣氛可以是壓力小于約30mm汞柱的真空。優(yōu)選的，所述方法在氬或氮氣氛中進行。最優(yōu)選地，所述方法在氮氣氛中進行。
在不同氣氛中進行石墨化過程也可以用來獲得具有不同顯微組織的鐵-石墨復合粉末，例如，氫具有高的導熱率。因此，當所述冷卻過程在氫或者分解的氨氣氛中進行時，可以使粉末快速冷卻。如果冷卻過程的總體冷卻速度非?？?，就可以形成一種具有不完全石墨化的顯微組織(未達到基本為鐵素體基體，例如，＜60％鐵素體)的產(chǎn)物。存在于顆粒表面的石墨形核量取決于存在于該表面氧化物的量。因此可調整控制冷卻過程以提供充分的時間使粉末組織轉變?yōu)榛旧翔F素體基體(例如60％)，并使碳簇團在粉末中長大。例如通過提供更長冷卻或更長冷卻／保溫時間，來調整冷卻過程以使總體冷卻速度小于約10℃／分鐘，或者如果需要，小于約4℃／分鐘。霧化期間形成的表面氧化物由于這種氣氛中存在有氫(H2)而快速還原，從而可能形成這樣一種顯微組織，其中，石墨在顆粒的表面形核(對照例1)而不是在顆粒內部形核。因此，該過程在含小于約10％氫的基本無氧的氣氛中進行。
針對此處所做的有關介紹，現(xiàn)在來考慮通過常規(guī)實驗調整鐵粉末的組成、粉末加熱達到的溫度、粉末的加熱速度、用于獲得期望的碳化物分解程度的粉末保溫時間(在保溫階段)、以及冷卻速度和方式，以獲得碳簇團嵌入鐵基體中的顯微組織的鐵-石墨復合粉末，此為本領域的技術人員的普通技能?？梢圆捎脗鹘y(tǒng)技術，例如，通過將所述粉末固定在一適當介質中，拋光所獲試樣并在顯微鏡下目測顆粒組織，來確定鐵-石墨復合粉末試樣的顯微組織。
所形成的具有可鍛鑄鐵顯微組織的鐵-石墨粉末可借助粉末冶金技術用來制備具有優(yōu)異機加工性能、強度和韌性的燒結制品，例如，金屬部件。因此，為了與粉末冶金加工過程相適應，根據(jù)本發(fā)明的鐵-石墨復合粉末的平均顆粒尺寸小于約300μm。如果所述復合粉末是一種復合粉末混合體，各混合組元(單質形式的合金元素、含有上述合金元素的合金或化合物)也將具有小于約300μm的平均顆粒尺寸?？梢愿鶕?jù)一般的傳統(tǒng)方法，通過模壓所述鐵-石墨復合粉末形成生坯并燒結所述生坯，來對此處所述及的鐵-石墨復合粉末進行燒結處理。然后，可以對所形成的燒結制品進行燒結后處理，例如，熱處理(如淬火和回火等)，精壓、鍛造和切削或機加工，以獲得最終的部件。所獲得的部件具有碳簇團嵌入鐵基體的可鍛鑄鐵的金相顯微組織，其中所述的鐵基體可以是鐵素體、珠光體、奧氏體-鐵素體、貝氏體、馬氏體、回火馬氏體或者它們的混合物。燒結制品碳簇團的尺寸類似于用于制備該制品的粉末中的簇團尺寸。因此，與由可鍛鑄鐵制造的制品的顯微組織相比，由本發(fā)明方法制造的燒結制品具有很小的碳簇團彌散分布于鐵基體的組織。
重要的是，要注意到本發(fā)明鐵-石墨復合粉末的熔點顯著低于傳統(tǒng)鐵粉末的熔點。例如，根據(jù)本發(fā)明的含有0．94wt．％硅和3．29wt．％碳的鐵-石墨復合粉末的熔點為約1150-1225℃。相反，傳統(tǒng)的鐵要在高達1400℃的溫度下燒結，而無任何熔化的跡象。因此，可以在高于約1140℃到低于約1200℃的相對低的溫度下進行本發(fā)明的鐵-石墨粉末的燒結。當鐵-石墨粉末試樣在接近粉末液相線的溫度燒結時，可能會發(fā)生某種液相燒結。液相燒結的出現(xiàn)會導致高密度的燒結制品形成。因此，在高于約1140℃到低于約1200℃的溫度下對使用本發(fā)明的鐵-石墨粉末制備的制品進行燒結可獲得完全致密或基本致密的材料，而在低于約1140℃的溫度下燒結獲得的制品未達到完全致密。例如，在約1155℃燒結的、使用含有約3．2重量％-約3．7重量％的碳、和約0．8重量％-約1．3重量％的硅的本發(fā)明的鐵-石墨復合粉末制備的燒結制品，其光學金相表明該燒結制品基本無氣孔。
本發(fā)明的另一個實施方案涉及具有等溫淬火(austempered)鑄鐵的顯微組織的燒結制品。含有高濃度的碳和硅的等溫淬火的可鍛鑄鐵具有良好的抗拉和疲勞強度、延性、韌性、耐磨性和機加工性能。等溫淬火的鑄鐵由奧氏體-鐵素體構成，其特征在于其是一種各鐵素體板片被富碳奧氏體層隔開的雙相組織。
采用一種對所述燒結制品進行燒結后熱處理的方法來生產(chǎn)本發(fā)明的等溫淬火的燒結制品。例如，可以采用包含下述步驟的方法，由燒結制品來制備等溫淬火的燒結制品(a)將所述燒結制品加熱至約825-950℃的溫度；(b)將所述制品冷卻至約150-450℃的溫度；以及(c)將所述制品在所述約150-450℃的溫度下保溫約15-60分鐘。之后，可將所處理的制品冷卻至室溫。
有利的是，由本發(fā)明的鐵-石墨復合粉末制成的燒結制品具有優(yōu)異的機加工性能。傳統(tǒng)上，將另外的化合物，如硫化錳和氮化硼添加到鐵粉末中以獲得具有良好機加工性能的燒結制品。由本發(fā)明的鐵-石墨復合粉末制備的燒結制品不需添加這些化合物就具有優(yōu)異的機加工性能。本發(fā)明的方法的結果是復合粉末的碳簇團在燒結制品的顯微組織中得以保留并且在機械加工期間起潤滑劑的作用。
下面的實施例目的是對本發(fā)明的特定優(yōu)選實施方案進行說明，本發(fā)明并不受此所限。
參考實例1通過水霧化含有0．94％的硅和3．29％的碳的鐵水來生產(chǎn)一種鐵粉末。所述水霧化的鐵粉末完全干燥處理后，在Lindberg管式爐中進行加熱。先用高純氬(99．99％)凈化處理爐子五次，之后，再放入干燥、霧化的粉末樣品，所述粉末樣品被盛放在陶瓷坩鍋中，其粉末量為10-15克。通過在氬氣氛(99．99％)中將一組鐵粉末樣品加熱至1020℃，并分別保溫4、8或16小時來進行石墨化處理。由此所獲得的樣品的石墨化程度采用傳統(tǒng)的步驟，由計算機化的圖像分析儀加以確定，加熱4、8和16小時的上述鐵樣品中形成的石墨的體積分數(shù)分別為7．9％，8．3％和10．2％。
實施例1
通過將一種含0．94％硅和3．29％碳的鐵水水霧化處理來制備一種鐵粉末。然后，將所述水霧化的鐵粉末完全干燥。在真空氣氛(低于約30毫米汞柱)，將所述粉末的五個樣品在Lindberg管式爐中連續(xù)加熱在1020℃，在該溫度下保溫三小時，之后，以分步方式進行冷卻約4小時。將所述樣品從1020℃冷卻至約760℃并在該溫度下保溫約1．25小時，再冷卻至約730℃并在該溫度下保溫約1．25小時，之后，冷卻至約700℃并在該溫度下保溫約1．5小時。之后，將所述樣品冷卻至室溫。圖1圖示說明了本實施例所采用的石墨化方法的時間／溫度分布圖，圖2示出的是采用所述石墨化方法獲得的鐵粉末樣品之一的最終顯微組織。所述粉末的石墨化程度采用參考實例1中所述的方法進行確定。五個鐵-石墨復合樣品中的平均石墨體積為約10％。
對所獲鐵-碳復合樣品的硬度進行測定，并與ATOMET29和ATOMET1001(生產(chǎn)商Quebec Metal Powders，Inc．，Tracy，Quebec，Canada)的硬度進行比較。本發(fā)明的鐵粉末，ATOMET29和ATOMET1001的硬度分別為100、98和83VHN50gf。
實施例2根據(jù)實施例1中所述的步驟對實施例1中所述的水霧化的鐵粉末樣品進行處理，但不同的是加熱步驟進行2小時，分步冷卻過程進行的時間為約2小時。將所述樣品從1020℃冷卻至約760℃并且在該溫度下保溫約0．5小時，冷卻至約730℃并且在該溫度下保溫約0．5小時，之后，冷卻至約700℃并且在該溫度下保溫約1小時。然后，將所述樣品冷卻至室溫。如圖3所示，采用該石墨化方法獲得的鐵粉末樣品的顯微組織是一種鐵素體／珠光體基體，其組成為約80％的鐵素體、約10％的珠光體和約10％的作為碳簇團的石墨。
實施例3通過將一種含有1．33％硅和3．32％碳的鐵水水霧化處理來獲得一種鐵粉末。將所述水霧化的鐵粉末徹底干燥，之后，在Lindberg管式爐中，于真空氣氛(低于約30毫米汞柱)下，在1020℃下加熱并在該溫度下保溫0．25小時，然后，采用分步的方式冷卻約1小時。將所述樣品由1020℃冷卻至約760℃并且在該溫度下保溫約0．5小時，之后，冷卻至約700℃并且在該溫度下保溫約0．5小時。然后，將所述樣品冷卻至室溫。采用該石墨化方法獲得的鐵粉末樣品的顯微組織為含有嵌入的碳簇團的完全鐵素體基體。
實施例4通過將一種含有1．33％硅和3．32％碳的鐵水水霧化處理，獲得一種鐵粉末，將所述水霧化的鐵粉末徹底干燥，然后，在Lindberg管式爐內，于氮氣氛中，在1020℃下加熱并且在該溫度下保溫0．25小時，然后，采用分步的方式冷卻約1．25小時。將所述樣品由1020℃冷卻至約760℃并且在該溫度下保溫約0．25小時，再冷卻至約740℃并且在該溫度下保溫約0．25小時，再冷卻至約730℃并且在該溫度下保溫約0．25小時，又冷卻至約720℃并且在該溫度下保溫約0．25小時，然后冷卻至約700℃并且在該溫度下保溫約0．25小時。之后，將所述樣品冷卻至室溫。采用該石墨化方法獲得的鐵粉末樣品的顯微組織由包含嵌入的碳簇團的完全鐵素體基體構成。
實施例5通過在110，200磅／英寸2的壓力下，將根據(jù)實施例1的步驟獲得的鐵-石墨復合樣品模壓成型，并在約1155℃下燒結處理所述密實體(壓坯)，來制備出標準的橫向斷裂試樣。采用類似方法制備出混合有0．9wt％石墨的ATOMET29的標準橫向斷裂對照樣。在根據(jù)ASTMB-528-839進行的試驗中，所述鐵-石墨粉末試樣的燒結橫向斷裂強度為154，553(磅／英寸2)，而ATOMET29(添加有0．9％的石墨)試樣的燒結橫向斷裂強度為119，809(磅／英寸2)。
對照例1通過將含有1．33％硅和3．32％碳的鐵水水霧化處理來獲得一種鐵粉末。將所述水霧化的鐵粉末徹底干燥，之后，在Lindberg管式爐中，于分解的氨(75％H2／25％N2)的氣氛中，加熱至1020℃，并且在該溫度下保溫0．25小時，然后，采用分段的方式冷卻約1．66小時。將所述樣品由1020℃冷卻至約760℃并且在該溫度下保溫約0．5小時，再冷卻至約740℃并且在該溫度下保溫約033小時，又冷卻至約720℃并且在該溫度下保溫約0．33小時。之后，冷卻至約700℃并且在該溫度下保溫約0．5小時。然后，將所述樣品冷卻至室溫。如圖4所示，采用該石墨化方法獲得的鐵粉末樣品的顯微組織是一種鐵素體／珠光體基體，其含有主要位于粉末顆粒表面的碳簇團。
對于本領域的技術人員而言利用常規(guī)實驗顯而易見的其它的變化和修正均包括在本發(fā)明的范圍和教導之中。本發(fā)明只是受后面的權利要求書的限制。
權利要求
1．一種鐵-石墨復合粉末，包括其顯微組織為在鐵基體中有碳簇團的鐵-石墨復合粉末顆粒。
2．根據(jù)權利要求1的鐵-石墨復合粉末，其中碳簇團位于所述顆粒的表面。
3．一種鐵-石墨復合粉末，包括其顯微組織為在鐵基體中嵌入有碳簇團的鐵-石墨復合粉末顆粒。
4．一種鐵-石墨復合粉末，包括其顯微組織為在基本為鐵素體的基體中嵌入有碳簇團的含鐵、碳和硅的鐵-石墨復合粉末顆粒。
5．一種鐵-石墨復合粉末，包括含約2-4．5wt％的碳和約0．05-2．5wt％的硅的鐵-石墨復合粉末顆粒。
6．根據(jù)權利要求3-5中任一項的鐵-石墨復合粉末，含有約3-4wt％的碳和約0．3-2wt％的硅。
7．根據(jù)權利要求5的鐵-石墨復合粉末，包含碳簇團。
8．根據(jù)權利要求3、4或7的鐵-石墨復合粉末，其中所述碳簇團為回火碳簇團。
9．根據(jù)權利要求3或5的鐵-石墨復合粉末，其顯微組織包含基本為鐵素體的基體。
10．根據(jù)權利要求3-5中任一項的鐵-石墨復合粉末，其顆粒尺寸小于約300微米。
11．根據(jù)權利要求3-5中任一項的鐵-石墨復合粉末，其包含至少一種合金元素。
12．根據(jù)權利要求3-5中任一項的鐵-石墨復合粉末，其包含至少一種下述元素錳、鎳、鉬、銅、鉻、硼、磷或者這些元素的混合物。
13．根據(jù)權利要求12的鐵-石墨復合粉末，其中所述粉末是一種包含錳、鎳、鉬、銅、鉻和磷中至少一種元素的合金。
14．根據(jù)權利要求12的鐵-石墨復合粉末，其中所述粉末是一種含錳、鎳、鉬、銅、鉻、硼和磷中至少一種元素的混合物。
15．根據(jù)權利要求12的鐵-石墨復合粉末，其包含小于約2％的錳。
16．根據(jù)權利要求12的鐵-石墨復合粉末，其包含小于約1％的錳。
17．根據(jù)權利要求12的鐵-石墨復合粉末，其包含小于約0．7％的錳。
18．根據(jù)權利要求12的鐵-石墨復合粉末，其包含小于約0．1％的錳。
19．根據(jù)權利要求12的鐵-石墨復合粉末，其包含小于約4％的鎳。
20．根據(jù)權利要求12的鐵-石墨復合粉末，其包含小于約1．5％的鎳。
21．根據(jù)權利要求12的鐵-石墨復合粉末，其包含小于約4％的鉬。
22．根據(jù)權利要求12的鐵-石墨復合粉末，其包含小于約1．5％的鉬。
23．根據(jù)權利要求12的鐵-石墨復合粉末，其包含小于約2％的鉻。
24．根據(jù)權利要求12的鐵-石墨復合粉末，其包含小于約1％的鉻。
25．根據(jù)權利要求12的鐵-石墨復合粉末，其包含小于約3％的銅。
26．根據(jù)權利要求14的鐵-石墨復合粉末，其包含小于約1％的銅。
27．根據(jù)權利要求12的鐵-石墨復合粉末，其包含小于約0．2％的硼。
28．根據(jù)權利要求12的鐵-石墨復合粉末，其包含小于約1％的磷。
29．根據(jù)權利要求12的鐵-石墨復合粉末，其包含小于約0．5％的磷。
30．根據(jù)權利要求12的鐵-石墨復合粉末，其包含小于約0．15％的磷。
31．制備鐵-石墨復合粉末的方法，所述復合粉末包括其顯微組織為在鐵基體中嵌入有碳簇團的顆粒，所述方法包括如下步驟(a)將一種鐵水霧化成一種霧化的鐵粉末；(b)將所述霧化的鐵粉末加熱至高于約900℃的溫度；以及(c)將所述粉末從高于約900℃的溫度冷卻至高于約600℃的溫度。
32．制備鐵-石墨復合粉末的方法，所述復合粉末包括其顯微組織為鐵基體中嵌入有碳簇團的顆粒，所述方法包括如下步驟(a)將一種鐵水霧化成一種霧化的鐵粉末；(b)將所述霧化的鐵粉末加熱至高于約900℃的溫度；以及(c)將所述粉末從高于約900℃的溫度冷卻至高于約600℃的溫度；其中，所述的冷卻步驟包含冷卻步驟與保溫步驟的組合，所述組合選自于(ⅰ)將所述粉末從高于約900℃的溫度冷卻至高于約600℃的溫度，并且在上述高于約600℃的溫度下保溫所述粉末；(ⅱ)任選地，將所述粉末從所述高于約600℃的溫度冷卻至另一個高于約600℃的溫度，并且在所述溫度下保溫所述粉末；以及(ⅲ)任選地，重復步驟(ⅱ)。
33．根據(jù)權利要求31或32的方法，其中，所述霧化的粉末被加熱至高于1000℃的溫度。
34．根據(jù)權利要求31或32的方法，其中，所述霧化的粉末被冷卻至不低于約700℃的溫度。
35．根據(jù)權利要求31或32的方法，其中所述粉末從約650℃加熱到高于約900℃時，其加熱速度足以使得碳簇團在所述粉末顆粒的芯部中形核。
36．根據(jù)權利要求31或32的方法，還包括在約850℃到高于約900℃之間的溫度或在高于約900℃的溫度下，保溫所述霧化的鐵粉末充分長的時間以使鐵粉末中的碳化物完全分解。
37．根據(jù)權利要求31或32的方法，其中將所述粉末從高于約700℃的溫度冷卻到高于約600℃的溫度，其冷卻速度應足以使得所述粉末中的鐵組織發(fā)生轉變。
38．根據(jù)權利要求37的方法，其中所述粉末以不快于約10℃／分鐘的速度進行冷卻。
39．根據(jù)權利要求31的方法，其進一步包括如下步驟(1)將所述粉末從高于約900℃的溫度冷卻至低于約600℃的溫度；(2)將所述粉末重新加熱至高于約700℃的溫度；以及(3)將所述粉末從高于約700℃的溫度冷卻至高于600℃的溫度。
40．根據(jù)權利要求39的方法，其中，將所述粉末重新加熱至高于800℃的溫度，并且，從該高于800℃的溫度冷卻至不低于700℃的溫度。
41．根據(jù)權利要求31的方法，其進一步包括如下步驟(1)將所述粉末從高于約900℃的溫度冷卻至低于約600℃的溫度；(2)將所述粉末重新加熱至高于約700℃的溫度；以及(3)將所述粉末從高于約700℃的溫度冷卻至高于600℃的溫度；(4)將所述粉末在所述高于600℃的溫度保溫；以及(5)任選地，重復步驟(ⅱ)和(ⅲ)。
42．根據(jù)權利要求41的方法，其中將所述粉末重新加熱至高于800℃并且從所述高于800℃的溫度冷卻至不低于700℃的溫度。
43．根據(jù)權利要求31或32的方法，其中所述的工藝步驟在基本無氧的氣氛中進行。
44．根據(jù)權利要求43的方法，其中所述的氣氛是氬、氮、氦、氫、或者它們的混合物。
45．根據(jù)權利要求43的方法，其中的所述氣氛含小于約10％的氫氣。
46．根據(jù)權利要求43的方法，其中的所述氣氛是一種真空氣氛。
47．根據(jù)權利要求31或32的方法，其中，步驟(c)中的鐵-石墨復合粉末是一種鐵-石墨復合粉末合金，而且，步驟(a)中的鐵水含有至少一種下述元素錳、鎳、鉬、銅、鉻、硼和磷。
48．根據(jù)權利要求31或32的方法，其中，所述鐵-石墨復合粉末是一種鐵-石墨復合粉末混合物，而且，步驟(c)中形成的鐵-石墨復合粉末與至少一種單質形式的合金元素、合金或者化合物相混合，所述合金元素、合金或者化合物含有至少一種選自于錳、鎳、鉬、銅、鉻、硼和磷的合金元素。
49．采用包括對一種鐵-石墨復合粉末進行燒結的方法制備的燒結制品，所述鐵-石墨復合粉末包括含有鐵、碳和硅的復合粉末顆粒，其中所述顆粒的顯微組織為鐵基體中嵌入有碳簇團。
50．采用包括對一種鐵-石墨復合粉末進行燒結的方法制備的燒結制品，所述鐵-石墨復合粉末包括含有約2～4．5wt％的碳和約0．05～2．5wt％的硅的復合粉末顆粒。
51．采用包括在低于約1200℃的溫度下對一種鐵-石墨復合粉末進行燒結的方法制備的燒結制品。
52．根據(jù)權利要求49-51中任一項的燒結制品，其中，所述鐵-石墨粉末含有約3～4wt％的碳和約0．1～2wt％的硅。
53．根據(jù)權利要求49-51中任一項的燒結制品，其采用進一步包含液相燒結的方法進行制備。
54．根據(jù)權利要求50或51的燒結制品，其中，所述的鐵-石墨復合粉末包含碳簇團。
55．根據(jù)權利要求49的燒結制品，其中，所述碳簇團為回火碳簇團。
56．根據(jù)權利要求54的燒結制品，其中，所述碳簇團為回火碳簇團。
57．根據(jù)權利要求49-51中任一項的燒結制品，其中，所述制品的鐵基體包括鐵素體、珠光體、奧氏體-鐵素體、貝氏體、馬氏體、奧氏體、回火馬氏體或者這些組織的混合物。
58．根據(jù)權利要求49-51中任一項的燒結制品，其顯微組織為在奧氏體-鐵素體基體中嵌入有碳簇團，該制品采用進一步包括下述步驟的方法制備(a)將所述燒結制品加熱至約825-950℃間的一個溫度；(b)將所述燒結制品冷卻至約150-450℃間的一個溫度；以及(c)在該約150-450℃間的溫度下，保溫處理所述制品，時間約15-60分鐘。
59．根據(jù)權利要求49或50的燒結制品，其采用包括在低于約1200℃的溫度下對一種鐵-石墨復合粉末進行燒結的方法制備。
60．根據(jù)權利要求49-51中任一項的燒結制品，其含有至少一種下述元素錳、鎳、鉬、銅、鉻、硼和磷。
61．一種包括含有約2～4．5wt％碳和約0．05～2．5wt％硅的復合粉末顆粒的鐵-石墨復合粉末，其制備方法包括如下步驟(a)將一種含碳和含硅的鐵水霧化成為一種霧化的鐵粉末；(b)將所述霧化的鐵粉末加熱到高于約900℃溫度；以及(c)將所述粉末從高于約900℃的溫度冷卻至不低于約700℃的溫度；其中，所述粉末以不大于約10℃／分鐘的速度進行冷卻。
62．一種鐵-石墨復合粉末，包括其顯微組織為在鐵基體中嵌入有回火碳簇團的鐵-石墨復合粉末顆粒，并且所述顆粒含有約3．2重量％-約3．7重量％的碳、和約0．8重量％-約1．3重量％的硅。
63．一種鐵-石墨復合粉末，包括其顯微組織為在基本為鐵素體的基體中嵌入有回火碳簇團的含鐵、碳和硅的復合粉末顆粒，并且所述顆粒含有約3．2重量％-約3．7重量％的碳、和約0．8重量％-約1．3重量％的硅。
64．根據(jù)權利要求62或63的鐵-石墨復合粉末，含有約3．5重量％-約3．7重量％的碳和約0．8重量％-約1．0重量％的硅。
65．根據(jù)權利要求62或63的鐵-石墨復合粉末，含有至少一種合金元素。
66．一種鐵-石墨復合粉末的制備方法，該復合粉末包括含有約3．2重量％-約3．7重量％的碳、和約0．8重量％-約1．3重量％的硅的粉末顆粒，并且其顯微組織為在鐵基體中嵌入有回火碳簇團，所述方法包括如下步驟(a)將一種鐵水霧化成為一種霧化的鐵粉末；(b)將所述霧化的鐵粉末加熱到高于約1000℃溫度；以及(c)將所述粉末從高于約1000℃的溫度冷卻至高于約700℃的溫度；其中，所述粉末以高于約30℃／分鐘的加熱速度被從約650℃的溫度加熱到高于約1000℃的溫度，在約850℃到高于約1000℃之間的溫度或在該高于約1000℃的溫度下，保溫約5分鐘-16小時，然后將該粉末以不大于約10℃／分鐘的速度進行冷卻。
67．一種鐵-石墨復合粉末的制備方法，該復合粉末包括含有約3．2重量％-約3．7重量％的碳、和約0．8重量％-約1．3重量％的硅的粉末顆粒，并且所述顆粒的顯微組織為在鐵基體中嵌入有回火碳簇團，所述方法包括如下步驟(a)將一種鐵水霧化成為一種霧化的鐵粉末；(b)將所述霧化的鐵粉末加熱到高于約1000℃溫度；以及(c)將所述粉末從高于約1000℃的溫度冷卻至不低于約700℃的溫度；其中，所述的冷卻步驟包含冷卻步驟與保溫步驟的組合，所述組合選自于(ⅰ)將所述粉末從高于約1000℃的溫度冷卻至不低于約700℃的溫度，并且在上述不低于約700℃的溫度下保溫所述粉末；(ⅱ)任選地，將所述粉末從所述不低于約700℃的溫度冷卻至另一個不低于約700℃的溫度，并且在所述溫度下保溫所述粉末；以及(ⅲ)任選地，重復步驟(ⅱ)；其中，所述粉末以高于約30℃／分鐘的加熱速度被從約650℃的溫度加熱到高于約1000℃的溫度，在高于約1000℃的溫度下，保溫約5分鐘-16小時，然后將粉末以不大于約10℃／分鐘的速度進行冷卻。
68．根據(jù)權利要求66或67的方法，其進一步包括如下步驟(1)將所述粉末從高于約1000℃的溫度冷卻至低于約600℃的溫度；(2)將所述粉末重新加熱至高于約800℃的溫度；以及(3)將所述粉末從所述高于約800℃的溫度冷卻至不低于700℃的溫度。
69．根據(jù)權利要求68的方法，其進一步包括如下步驟(1)將所述粉末從高于約1000℃的溫度冷卻至低于約600℃的溫度；(2)將所述粉末重新加熱至高于約800℃的溫度；以及(3)將所述粉末從高于約800℃的溫度冷卻至不低于700℃的溫度；(4)將所述粉末在所述不低于約700℃的溫度保溫；以及(5)任選地，重復步驟(ⅱ)和(ⅲ)。
70．根據(jù)權利要求66或67的方法，其中所述的工藝步驟在基本無氧的氣氛中進行。
71．采用包括對一種鐵-石墨復合粉末進行燒結的方法制備的燒結制品，其中所述復合粉末包括含有鐵、約3．2重量％-約3．7重量％的碳、和約0．8重量％-約1．3重量％的硅的復合粉末顆粒，并且其中所述顆粒具有在鐵基體中嵌入有回火碳簇團的顯微組織。
72．一種鐵-石墨復合粉末，包括含有約3．2重量％-約3．7重量％的碳、和約0．8重量％-約1．3重量％的硅的復合粉末顆粒，所述粉末由包括如下步驟的方法制備(a)將一種含碳和含硅的鐵水霧化成為一種霧化的鐵粉末；(b)將所述霧化的鐵粉末加熱到高于約1000℃溫度；以及(c)將所述粉末從高于約1000℃的溫度冷卻至不低于約700℃的溫度；其中，所述粉末以高于約30℃／分鐘的加熱速度被從約650℃的溫度加熱到高于約1000℃的溫度，在高于約1000℃的溫度下，保溫約5分鐘-16小時，然后將該粉末以不大于約10℃／分鐘的速度進行冷卻。
73．根據(jù)權利要求72的鐵-石墨復合粉末，含有約3．5重量％-約3．7重量％的碳和約0．8重量％-約1．0重量％的硅。
全文摘要
公開了一種顯微組織為鐵基體中嵌入有碳簇團的鐵－石墨復合粉末。還公開了一種制備該鐵－石墨復合粉末的方法,一種由這種復合粉末制備燒結制品的方法以及由其制備的燒結制品。
文檔編號C22C38/54GK1282641SQ0012177
公開日2001年2月7日 申請日期2000年7月28日 優(yōu)先權日1999年7月30日
發(fā)明者M·加杰, P·菲里普利, A·特路德爾 申請人:魁北克金屬粉末有限公司