專利名稱：含銅的鐵質(zhì)燒結(jié)材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵質(zhì)燒結(jié)材料、由該材料制造的制品以及其制造方法，特別是含銅鐵質(zhì)材料的制造方法。
粉末冶金使得用常規(guī)的澆鑄和錠子加工工藝無法制得的金屬材料的制造成為可能。用低熔點(diǎn)金屬如鉛和銅來滲透鐵質(zhì)燒結(jié)粉末冶金制品，這種方法已為人們所知。鉛用來提高鐵質(zhì)燒結(jié)材料的切削性能，銅也有此作用，但它還賦予燒結(jié)材料其他一些需要的性能?，F(xiàn)在盡量避免使用鉛，因?yàn)樗鼘Νh(huán)境不利。銅能提高燒結(jié)制品的切削性能以及熱傳導(dǎo)性能。
銅滲透制品廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)，如制造內(nèi)燃機(jī)汽缸蓋的閥座鑲?cè)?。這些制品必須在嚴(yán)酷的條件例如重復(fù)沖擊負(fù)荷、邊緣潤滑、高溫和熱腐蝕性氣體條件下工作。對鐵質(zhì)基體體系進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇可以使部件獲得能經(jīng)受上述條件的性能。這種鐵質(zhì)基體常常是高合金化的，因而負(fù)面影響它的切削性能。切削性能對于制品生產(chǎn)中的發(fā)動機(jī)制造廠家來說非常重要，因?yàn)樗鼤绊懏a(chǎn)率。用銅滲透能提高切削性能，而銅本身又使得熱傳導(dǎo)性能有所提高，這可以降低操作溫度，而有助于保持機(jī)械性能。
滲透過程是如下進(jìn)行的將銅合金粉末壓塊置于鐵質(zhì)部件上與其接觸，然后將其在惰性或還原性氣氛下通過燒結(jié)溫度大約1100℃范圍內(nèi)燒結(jié)爐，使燒結(jié)和滲透同時發(fā)生。在此燒結(jié)過程中銅合金粉末壓塊熔化，熔融的合金通過毛細(xì)管作用滲透并填充進(jìn)入鐵質(zhì)部件的孔隙中。只有相互連通的孔隙可以通過這種方式填充，隔離的和因其他原因而不連通的孔隙則不能被熔體填充。銅合金粉末壓塊的組成經(jīng)過選擇，使得它能和鐵質(zhì)材料相容，并且盡可能不發(fā)生不好的反應(yīng)以及因此而產(chǎn)生的侵蝕。銅合金粉末壓塊的重量要選擇，使得能填充大部分孔隙，然而，如上所述仍然會不可避免地有一些殘留孔隙。
上述過程的一個變體，是將銅合金粉末壓塊置于預(yù)燒結(jié)的鐵質(zhì)部件上面，然后將其通過燒結(jié)爐進(jìn)行滲透。
由于包括額外一些生產(chǎn)步驟，滲透工藝過程的費(fèi)用較大。這些額外的步驟是單獨(dú)地制備銅合金粉末混合物；將正確重量的粉末混合物壓制成合適的壓塊；將壓塊置于鐵質(zhì)部件上，然后通過燒結(jié)爐；以及在冷卻后，對經(jīng)燒結(jié)和滲透的制品在桶中滾動，除去在燒結(jié)過程中不可避免地在制品上形成的粉末沉積物。
在常規(guī)的銅滲透鐵制品中，銅含量一般在15-25重量％范圍內(nèi)。在非滲透制品中，通常在預(yù)壓制粉末混合物中加入最多5重量％的銅。這個相對較少量的銅加入到非滲透鐵質(zhì)材料中有助于燒結(jié)，因?yàn)橐合嚆~存在的緣故。
人們曾經(jīng)嘗試在滲透過程中，通過在壓制和燒結(jié)前在最初的粉末混合物中加入適量元素銅來提高銅的含量。然而，由于各種因素的差異如粉末顆粒粒度、粉末密度和粉末顆粒形態(tài)的差異，在粉末混合物的處理過程中銅容易發(fā)生偏析。這種粉末偏析會導(dǎo)致最終制品出現(xiàn)不受歡迎的變化。在元素銅粉末的含量很少，例如上面提到的5重量％的情況下，仍然會發(fā)生偏析，但是其對最終制品的影響很小，不會導(dǎo)致多大的問題。
在最嚴(yán)酷環(huán)境下工作的部件，例如發(fā)動機(jī)閥座鑲?cè)Γ?jīng)是完全由高合金鋼例如M3/2級別鋼制得。這種鋼含有較高含量的鉻、鎢、鉬、釩等。雖然這種材料制得的部件性能優(yōu)越，使用壽命長，俁它們的制造非常昂貴。它們昂貴的第一個原因是材料成本高，第二個原因是顯微結(jié)構(gòu)中硬質(zhì)碳化物含量高的部件，其切削困難。在降低成本的不斷追求中，已經(jīng)做了很多工作來降低材料成本，其辦法一個是往粉末混合物中加入較高比例的高純鐵粉，因而減少硬質(zhì)相，從而使得最終的燒結(jié)材料易于切削，從而降低工藝成本。還一個辦法是加入有助于切削的相，如銅或使切屑有斷裂作用的相。
這些新型材料在性能和使用壽命方面的缺點(diǎn)，例如表現(xiàn)為GB-A-2 188 062中的，是在粉末混合物中最初壓緊的鐵粉顆粒一起燒結(jié)而產(chǎn)生的鐵晶粒的核中有軟的鐵素體相保留，而這會降低材料的耐磨性和強(qiáng)度。這種材料最初包含大約50％高合金化的M3/2材料、例如約50％純鐵粉、微量添加的碳和模子潤滑蠟等的混合物。甚至當(dāng)完全燒結(jié)后，鐵晶粒仍然保留有鐵素體核，有少量鉻，從M3/2區(qū)域擴(kuò)散到鐵晶粒的表面區(qū)域，燒結(jié)后在那里可能形成馬氏體。甚至當(dāng)材料被滲透，或者加入了達(dá)到5重量％的元素銅到粉末混合物中，這種結(jié)構(gòu)依然存在。
本發(fā)明的一個目的是提供一種制造鐵質(zhì)材料制品的方法，該材料中的高銅含量與滲透材料中的相當(dāng)，而這種方法沒有早先那些方法所需附加步驟的缺點(diǎn)。
其他優(yōu)點(diǎn)將會在下文的發(fā)明描述中更為明顯。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供一種制造以鐵為基的含銅量為12-26重量％的燒結(jié)制品的方法，這種方法的步驟是制備所需組成的粉末混合物，其中全部含量的鐵和銅，至少有一定比例的部分由含有不可分離相連的銅的鐵粉提供；壓實(shí)所述粉末混合物形成制品的生坯壓件，然后燒結(jié)該生坯壓件。
銅的含量主要是為了提高所得制品的熱傳導(dǎo)率，然而，本發(fā)明方法還給制品提供了其他一些重要的好處。銅含量低于12重量％，所要求的熱傳導(dǎo)性能得不到提高，而銅含量高于26重量％，在燒結(jié)時熔融的銅會從材料中滲出來。銅含量的最佳范圍是15-20重量％。
在本發(fā)明的過程中，與銅不可分離的鐵粉實(shí)際上是一種預(yù)合金化粉末，其中單個的粉末顆粒既含鐵又含銅，這樣鐵和銅之間明顯的偏析情況就不可能發(fā)生。含鐵和銅的粉末顆?？梢詮南铝袃煞N基本的粉末原料中選出鐵-銅預(yù)合金化粉末；或者，擴(kuò)散結(jié)合的鐵-銅粉末。鐵-銅預(yù)合金化粉末可以通過將組成原料一起熔化，然后將熔體用水或氣體霧化這種人們所知的技術(shù)來制備。擴(kuò)散結(jié)合的鐵-銅粉末則是通過先制造元素鐵粉和銅粉的混合物，然后此混合物不經(jīng)壓實(shí)就通過爐子，使顆粒間相互擴(kuò)散而結(jié)合起來的技術(shù)制備的。這樣形成的“料餅”經(jīng)過輕微的粉碎操作成為包含緊密相連的鐵和銅的顆粒。這個過程導(dǎo)致有少量銅擴(kuò)散至每個鐵顆粒的外部區(qū)域。
本發(fā)明方法免去了早先那些工藝所需的幾個步驟，在此方法中，無需單獨(dú)地制備銅合金粉末混合物及其后來的壓塊，無需將此壓塊放在鐵質(zhì)材料壓塊上，最終的燒結(jié)部件也無需象早先的滲透工藝那樣處理以除去附著的沉積物。
本發(fā)明方法一個特別的優(yōu)點(diǎn)，涉及含有合金化鋼粉和低合金鐵粉或純鐵粉的粉末混合物的含鐵材料的加工。人們已經(jīng)知道使用這種添有碳粉的混合物，通過壓制、燒結(jié)和燒結(jié)后熱處理來制成類似內(nèi)燃機(jī)氣門座鑲?cè)Φ戎破?。這種早先工藝的材料可能或者可能不是通過上述常規(guī)工藝方法之一來用銅合金滲透的。這種材料在GB-A-2 188 062和EP-A-0 312 161所述的材料和制造方法中例示出來。這些材料可能含有一定比例，例如，大約50重量％高合金化鋼粉和50重量％基本純的鐵粉。該合金化鋼粉通常含有鉻，鉻在通常的約1100℃燒結(jié)條件下，是除碳之外在擴(kuò)散速率方面活動性最強(qiáng)的元素原子之一，它還是那些促進(jìn)制品燒結(jié)后冷卻過程中形成馬氏體的合金元素之一。碳原子活動性最強(qiáng)，它可以進(jìn)入晶體結(jié)構(gòu)中的鐵原子間隙內(nèi)。然而，因?yàn)殂t原子和鐵原子的尺寸及質(zhì)量相近，它可以替代鐵原子，因此在通常的燒結(jié)條件下呈現(xiàn)與鐵相似的活動性。鉻的存在促進(jìn)了燒結(jié)材料中那些擴(kuò)散了鉻的區(qū)域內(nèi)馬氏體的形成，馬氏體在燒結(jié)結(jié)束材料冷卻時形成。這種制品的燒結(jié)通常是在爐子中進(jìn)行，爐子中有連續(xù)移動通過爐子的裝置，例如傳送帶或走進(jìn)式機(jī)構(gòu)來傳送制品，制品一般放在托盤上。一般來說，窯爐的第一部分將制品的溫度提升到燒結(jié)溫度；第二部分使制品保溫在燒結(jié)溫度；第三部分使制品從燒結(jié)溫度冷卻到可以防止制品在燒結(jié)爐出口發(fā)生明顯氧化的溫度。制品通常在連續(xù)通過整個爐子的的保護(hù)氣氛中燒結(jié)，這種氣氛是中性或還原性的，還可以排除空氣(氧氣)的進(jìn)入。爐內(nèi)壓力呈正壓，比大氣壓稍大，這樣可以防止空氣進(jìn)入。在燒結(jié)材料含有相當(dāng)數(shù)量最初混合物中的鐵粉的部位，經(jīng)?？梢园l(fā)現(xiàn)，在富鐵非工具鋼的核心區(qū)域中，有一些由壓緊鐵粉顆粒燒結(jié)產(chǎn)生的鐵晶粒，它們具有從鐵素體到珠光體以及這兩相混合物的顯微結(jié)構(gòu)，依據(jù)碳的含量而定。在鐵晶粒的外部區(qū)域通常含有由鉻在燒結(jié)過程中擴(kuò)散產(chǎn)生的馬氏體，而核心區(qū)域仍然保持為鐵素體或珠層鐵或兩者的混合物，視所加的碳含量而定。在剛燒結(jié)成的狀態(tài)，在晶粒的中間，富鐵非工具鋼相或晶粒結(jié)構(gòu)主要含珠層鐵，可能也有一些鐵素體，而晶粒外部區(qū)域卻是馬氏體/貝氏體的混合物。如果在燒結(jié)制品中還有一些殘留的奧氏體，則它通常是在燒結(jié)后的低溫處理時轉(zhuǎn)變而成的。在低溫處理后的回火過程中，珠層鐵相發(fā)生部分分解，導(dǎo)致在富鐵晶粒和富鐵相中形成鐵素體。由于鐵素體的存在，使得材料耐磨性能變差，強(qiáng)度也有所降低。燒結(jié)后的熱處理，包括使任何殘留的γ相(奧氏體)轉(zhuǎn)變成馬氏體的低溫處理，后面接著的回火處理是為了減小馬氏體相的硬度和脆性，而不是為了引起珠層鐵的分解，這是回火過程中產(chǎn)生的副反應(yīng)。因?yàn)榛鼗鹛幚硎窃诟哂谥破奉A(yù)期工作溫度下進(jìn)行的，所以在其工作環(huán)境中(例如，內(nèi)燃機(jī)燃燒室中的閥座鑲?cè)?可以確保制品的尺寸穩(wěn)定性。然而，這種熱處理不會影響鐵素體相的存在(除了可能產(chǎn)生一定比例的鐵素體)以及其固有的較差的耐磨性能和切削性能。
人們發(fā)現(xiàn)，利用本發(fā)明方法，會出現(xiàn)銅(無論是以擴(kuò)散結(jié)合形式還是以預(yù)合金形式與鐵結(jié)合的)和鉻在促進(jìn)各自向鐵晶粒中央擴(kuò)散方面具有協(xié)同作用，而且發(fā)現(xiàn)鐵晶粒的核心在正常的隨爐冷卻過程中會轉(zhuǎn)變成馬氏體，而不是仍然保持為鐵素體或珠層鐵或這兩者的混合物。根據(jù)本發(fā)明方法，用預(yù)合金化的鐵-銅或擴(kuò)散結(jié)合的鐵-銅粉末制造的鐵質(zhì)燒結(jié)材料，顯示在富鐵晶粒核心中存在馬氏體，這是由于鉻或其他能促進(jìn)馬氏體形成的元素擴(kuò)散進(jìn)入鐵晶粒中的緣故。馬氏體在奧氏體的冷卻過程中形成，而且任何殘留的奧氏體在燒結(jié)后的低溫處理中都發(fā)生了轉(zhuǎn)變。在從燒結(jié)溫度開始的冷卻過程中，有些奧氏體可以轉(zhuǎn)變成貝氏體。馬氏體經(jīng)回火可能形成一種回火馬氏體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)很容易加工。然而，重要的是，根據(jù)本發(fā)明方法，先前鐵晶粒的軟質(zhì)鐵素體/珠層鐵核心，現(xiàn)在包含的材料更硬，強(qiáng)度更大，也更抗磨損。可以認(rèn)為，用來形成預(yù)合金化的和鐵-銅擴(kuò)散結(jié)合的材料的過程，使得至少有些銅相擴(kuò)散進(jìn)鐵成份中，而銅的這個存在有助于鉻和其他能促進(jìn)馬氏體形成的元素擴(kuò)散進(jìn)入燒結(jié)時形成的鐵晶粒中，這樣就促進(jìn)了馬氏體的形成。
根據(jù)本發(fā)明方法來制備材料，以及用早先的滲透法采用與前者基本上相同的工藝參數(shù)如壓力和燒結(jié)溫度等來制備基本上相同的材料，這兩種試驗(yàn)表明，使用如上所述的鐵-銅預(yù)合金或擴(kuò)散結(jié)合的粉末可以產(chǎn)生有益的效果。制造了除了銅含量外，組成大體相同的材料，采用三種方法由1)本發(fā)明方法；2)同時燒結(jié)和滲透方法；3)在最初的粉末混合物中加入13重量％的元素銅粉末，然后燒結(jié)(即不經(jīng)滲透，也不添加鐵-銅預(yù)合金化粉末)。
在相同工藝條件下，用常規(guī)滲透法制備的材料沒有在鐵晶粒核心形成馬氏體的有益效果。掃描電鏡分析表明，在用本發(fā)明方法制造的材料晶粒核心中有鉻存在。需要強(qiáng)調(diào)的是，在對比試驗(yàn)中采用的工藝條件與早先的商品材料制造的條件是相同的，因此即是將所有的因素考慮在內(nèi)的目前最佳工藝水平。
根據(jù)本發(fā)明方法制造的材料也要進(jìn)行燒結(jié)后的熱處理，如在-120℃或更低進(jìn)行低溫處理，使得任何殘留的奧氏體相轉(zhuǎn)變成馬氏體，然后再回火，使馬氏體更軟，尺寸更穩(wěn)定，從而容易切削加工。
這樣，根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的特點(diǎn)，粉末混合物包含相對未合金化的鐵粉、至少含一些鉻或其他促進(jìn)馬氏體形成的合金元素的鋼粉，還有預(yù)合金化的或鐵-銅擴(kuò)散結(jié)合的粉末。此外，粉末混合物可能含有額外加入的能促進(jìn)馬氏體形成的元素，例如鉬和/或鎳。此處描述了采用M3/2高速鋼粉末的例子，然而，其他任何合適的工具鋼或高速鋼如含鉻鋼的粉末，也可采用，要看用該材料制造的制品的用途而定。
可用的鋼的一個例子是316鋼，它是一種不銹鋼，其組成重量％含量為17Cr/2Mo/13Ni/余量Fe，基本上不含碳。
這樣，看來將銅引入鐵質(zhì)燒結(jié)材料的方式，即使得銅和鐵相連(在此部位先前的處理導(dǎo)致相互間反應(yīng))，在幫助鉻或其他促進(jìn)馬氏體形成的元素擴(kuò)散通過基體方面有意外的協(xié)同作用，有助于在燒結(jié)后的冷卻時向馬氏體的轉(zhuǎn)變，或通過低溫處理實(shí)現(xiàn)殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變。
鐵-銅預(yù)合金化或擴(kuò)散結(jié)合的材料的組成可以是任何所需要的，例如，F(xiàn)e-20Cu。粉末混合物所用的各原料可以是鐵；鐵-銅；預(yù)合金鋼粉以及碳粉。鐵-銅預(yù)合金化粉末的數(shù)量要視制品中最終所需的銅含量和鐵-銅預(yù)合金化粉末的原始組成而定。
在粉末混合物中，在鐵-銅預(yù)合金化和/或擴(kuò)散結(jié)合的材料中添加一些元素銅粉也是可以的，并且在有些情況下，可能是有益的。而預(yù)合金化的和鐵-銅擴(kuò)散結(jié)合的粉末，這兩種粉末也可以用在粉末混合物中。
鐵-銅預(yù)合金化材料在促進(jìn)鐵晶粒中馬氏體的形成方面，似乎比鐵-銅擴(kuò)散結(jié)合的材料更有效。因此，使用預(yù)合金化的材料較好，然而，可以指出，擴(kuò)散結(jié)合的材料在經(jīng)過燒結(jié)和其后的工藝過程后能產(chǎn)生馬氏體，但是，早先的滲透材料不能在鐵晶粒核心產(chǎn)生馬氏體，該核心只含有珠層鐵和鐵素體的混合物。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供利用本發(fā)明第一個方面制造的燒結(jié)制品。
為了使本發(fā)明被更加完全地理解，下面將結(jié)合附圖舉一些實(shí)施例說明之。


圖1的直方圖顯示在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中閥座鑲?cè)Φ哪p，該鑲?cè)τ帽景l(fā)明的材料制成；圖2顯示的是工具磨損與切削加工的部件數(shù)目圖，部件分別采用本發(fā)明的材料和早先工藝的材料。
閥座鑲?cè)Σ牧稀獙?shí)施例1燃燒發(fā)動機(jī)內(nèi)閥座鑲?cè)Φ闹圃?，采用的典型組成的鐵粉混合物用不同方法制備。粉末混合物各粉末成分的確切含量列于下表1中表1
實(shí)施例1是根據(jù)本發(fā)明方法制備的材料，其中所有的鐵和一定比例的銅作為Fe-20Cu預(yù)合金化粉末加入。預(yù)合金化粉末中的銅大約占最終材料的9.5重量％。另外6重量％的元素銅粉末添加到最初的粉末混合物中，這樣銅的總含量就增加到15重量％。鋼預(yù)合金化粉末是一種水噴霧法制成M3/2粉末，它的標(biāo)稱組成是1C；4Cr；5Mo；3V；5W。因?yàn)橹患尤肓?重量％的元素銅粉末，所以偏析現(xiàn)象減至最少。
實(shí)施例1a是粉末混合物，其中所有含量的鐵粉都是純鐵粉，而銅則由13重量％的元素銅粉提供。雖然這種材料不能用如此高含量的元素銅粉正常制備，原因已如上述，該材料是用來確定銅含量對于鉻進(jìn)入鐵組分?jǐn)U散特性的影響。
實(shí)施例1b是根據(jù)GB-A-2 188 062中早先的工藝過程制備的材料，其中銅是通過同時燒結(jié)和滲透的步驟提供的。
所有的粉末是根據(jù)Y-錐形混合機(jī)的原理混合的。對于每個情況，壓制壓力都在650-800MPa范圍內(nèi)，然后在大約1100℃的輸送帶式加熱爐中燒結(jié)，所有的樣品在相同的條件下燒結(jié)。燒結(jié)后，所有的樣品在-120℃下進(jìn)行低溫處理，使結(jié)構(gòu)中殘留的奧氏體(γ-相)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，然后在600℃下回火2小時使馬氏體軟化，使樣品尺寸更穩(wěn)定，并且增強(qiáng)它的切削性能。
下面的表2中列出了用各構(gòu)成元素表示的實(shí)際組成，在燒結(jié)后的低溫處理和回火處理以后的燒結(jié)材料密度及最終硬度。
表2
實(shí)施例1制備的樣品的顯微結(jié)構(gòu)顯示了鐵晶粒核心中回火馬氏體的結(jié)構(gòu)。馬氏體在從燒結(jié)溫度開始的冷卻過程中形成。低溫處理用來將材料中M3/2相內(nèi)的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體。從奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變在顯微鏡下不能輕易看見，這個變化可以從由奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變引起的硬度的增加上體現(xiàn)出來。
實(shí)施例1a的樣品顯示了含有從燒結(jié)溫度開始的冷卻過程中形成的馬氏體及殘留的奧氏體的微觀結(jié)構(gòu)。在低溫處理之后，在M3/2區(qū)域內(nèi)，殘留的奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，鐵晶粒主要含有珠層鐵(含有鐵素體和滲碳體層狀結(jié)構(gòu)的相)和一些鐵素體。珠層鐵是從石墨形式加入的碳粉形成的，然而，由于鐵晶粒核中沒有鉻，不能形成馬氏體。在回火時，發(fā)生了大量珠層鐵的分解，所以鐵素體的體積分?jǐn)?shù)比剛燒結(jié)后的狀態(tài)有所增加。因此，實(shí)施例1a中材料的耐磨性和機(jī)械性能，如表中所示的硬度數(shù)據(jù)，也較差。
實(shí)施例1b的樣品與實(shí)施例1a的結(jié)構(gòu)和性能相差無幾。該材料是根據(jù)GB-A-2188 062的已知方法制備的。實(shí)施例1b的硬度較實(shí)施例1a的硬度稍大，這是因?yàn)榍罢咴阢~滲透后材料的密度較大。然而，實(shí)施例1b的材料表明，回火后在強(qiáng)度上固有較差的鐵素體區(qū)域數(shù)量很多，而不是如本發(fā)明方法實(shí)施例1中那樣所需的回火馬氏體結(jié)構(gòu)。
圖1顯示了由實(shí)施例1材料所制的，在1.8l，4-汽缸，16-氣門發(fā)動機(jī)的排氣位置的閥座鑲?cè)Φ蔫側(cè)δ湍バ缘闹狈綀D，該發(fā)動機(jī)是用無鉛汽油以6000轉(zhuǎn)/分的速度運(yùn)行180小時，它采用司太利特合金鑲面的氣門。這個試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)是閥座鑲?cè)Φ哪p不得超過100μm。從圖1可以看到，最大的磨損在閥座位置4，為60m，所有其他的鑲?cè)δp都在30m左右。
這樣，從實(shí)施例1，1a和1b可以明顯看出，制造中主要的不同在于將銅引進(jìn)燒結(jié)材料的方式。有理由相信，改進(jìn)的結(jié)構(gòu)和性能直接歸因于鐵-銅預(yù)合金化材料的使用，該材料中至少有一定比例的銅和鐵是不可分離地相連，也歸因于由此預(yù)合金化材料所引起的擴(kuò)散增強(qiáng)。
實(shí)施例2制備包含重量百分?jǐn)?shù)為45的M3/2工具鋼粉/0.55C/1MoS2/6Cu/47.45FeCu20(擴(kuò)散結(jié)合的粉)/0.75潤滑蠟的粉末混合物。該混合物在770MPa壓制生坯壓件，生坯密度為7.1Mgm-3，然后在約1100℃下在連續(xù)通有氮?dú)?氫氣的輸送帶式加熱爐中燒結(jié)。燒結(jié)制品在-120℃或更低的溫度進(jìn)行低溫處理，將殘留的奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，最后在600℃回火。燒結(jié)材料的密度是7.0Mgm-3。燒結(jié)狀態(tài)材料的硬度是61HRA；低溫處理后的材料硬度是65HRA；低溫處理和回火后的材料硬度是62-65HRA。
實(shí)施例2材料(用鐵-銅擴(kuò)散結(jié)合的粉末)回火(在燒結(jié)和低溫處理后進(jìn)行的)后的顯微結(jié)構(gòu)，顯示在富鐵非工具鋼相中有一些小的偶然發(fā)生的鐵素體區(qū)域。然而，該富鐵相基本上只含有珠層鐵，而不含有用早先的滲透法制備的那些材料中會出現(xiàn)的大片區(qū)域的鐵素體。
實(shí)施例3制備一種粉末混合物，其組成(重量％)為75％Fe-20Cu預(yù)合金化粉/23％316不銹鋼粉/0.75％MoS2粉/1％碳粉，這種材料編號為N1。316不銹鋼是17Cr/2Mo/13Ni/余量Fe。另一種編號為N的對比例混合物組成(重量％)為70.9％不摻雜鐵粉/27％316不銹鋼粉/0.9％MoS2粉/1.2％碳粉。這兩種材料均在770MPa下壓制。然而，根據(jù)人們了解的早先工藝，N1材料只進(jìn)行燒結(jié)(因?yàn)榧s15％的銅由Fe-Cu預(yù)合金提供)，而N材料進(jìn)行同時的燒結(jié)和滲透。N1材料和N材料最終的理論組成(重量％)都是1C/3.9Cr/15Cu0.9Mo/3Ni/0.3S/余量Fe。燒結(jié)/滲透在氮?dú)?氫氣氣氛中1100℃進(jìn)行。這兩種材料在燒結(jié)后都進(jìn)行了低溫處理和回火。
N1材料顯微結(jié)構(gòu)中沒有發(fā)現(xiàn)鐵素體，甚至在基本上是鐵的晶粒核心中也是如此。該材料結(jié)構(gòu)基本上是回火馬氏體結(jié)構(gòu)。而即便N材料的含碳量稍高，為1.2％，但它在鐵晶粒核心中卻普遍存在鐵素體，在原先的鐵晶粒和316不銹鋼顆粒之間的過渡區(qū)域是珠層鐵結(jié)構(gòu)。這樣，在工藝過程后的最終結(jié)構(gòu)中，又一次顯示了與鐵不可分離地相連的銅的作用。
實(shí)施例4根據(jù)本發(fā)明方法，又制造了稱為FMCA和FMCD的材料。表3列出了粉末混合物的各種成分組成表3
材料在770MPa下壓制，與前面的一些實(shí)施例子一樣，在連續(xù)的保護(hù)氣體氣氛中1100℃燒結(jié)。燒結(jié)材料最終的密度和硬度列于表4。對這些材料來說，沒有進(jìn)行燒結(jié)后的熱處理。
表4
根據(jù)本發(fā)明方法制造的FMCA材料，其最初的粉末混合物中采用了Fe-Cu預(yù)合金化粉末和0.5％的元素Mo粉末。FMCA材料顯示有較多的富Mo區(qū)，和這些區(qū)域還連接有馬氏體區(qū)和貝氏體區(qū)。FMCA材料還顯示有晶間碳化物。FMCA材料的顯微結(jié)構(gòu)有點(diǎn)相似于被稱為FMC(用未合金化鐵粉，1.35％C/0.5％Mo)的材料，它的銅含量按早先的工藝由同時燒結(jié)和滲透過程提供。除了滲透過程外，F(xiàn)MC的燒結(jié)條件和FMCA及FMCD材料的條件一樣。在FMC材料中存在晶間碳化物，基體是珠層鐵，還有與Mo顆粒相關(guān)的富Mo區(qū)，但與FMCA材料相比，這個區(qū)域很小。
在燒結(jié)過程中，F(xiàn)MCD材料中的MoS2部分發(fā)生分解，將游離的Mo釋放到結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生與富Mo區(qū)相關(guān)的定域化馬氏體/貝氏體結(jié)構(gòu)。MoS2中分解出的某些S與鐵和銅反應(yīng)，形成金屬硫化物，這些硫化物可以提高材料的切削性能。在FMCD材料中，沒有見到碳化物網(wǎng)絡(luò)，基體是珠層鐵。
圖2顯示的是刀具磨損與FMC、FMCA和FMCD材料被切削加工的部件的數(shù)目曲線圖。由圖可見，采用擴(kuò)大了馬氏體/貝氏體區(qū)域的Fe-Cu預(yù)合金化粉末的材料，盡管其強(qiáng)度更大，更抗磨損，但其機(jī)械加工性能不受影響。事實(shí)上，F(xiàn)MCA材料和FMCD材料的切削性能都超過用早先工藝制備的FMC材料。
權(quán)利要求
1.制造含銅量為12-26重量％的鐵質(zhì)燒結(jié)制品的方法，該方法包括的步驟為制備所需組成的粉末混合物，總含量的鐵和銅中至少有一定比例由與銅不可分離相連的鐵粉提供，將該粉末混合物壓制形成所要制造的制品的生坯壓件，然后燒結(jié)該生坯壓件。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于銅含量范圍為15-20重量％。
3.權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述粉末混合物含有鋼粉。
4.權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述鋼粉含有鉻。
5.權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述鋼粉含有鉬。
6.權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述鋼粉含有鎳。
7.權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述鋼粉是高速鋼粉。
8.權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述鋼粉是M3/2鋼粉。
9.權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述鋼粉是不銹鋼粉。
10.權(quán)利要求9方法，其特征在于所述的不銹鋼粉是316鋼粉。
11.上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述粉末混合物含有碳粉。
12.上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述鐵-銅材料選自鐵-銅擴(kuò)散結(jié)合的粉末和鐵-銅預(yù)合金化的粉末。
13.權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述鐵-銅材料重量％組成為Fe-20Cu。
14.上述任一項(xiàng)權(quán)利要求方法，其特征在于所述所述的粉末混合物也還包含元素銅粉。
15.上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述粉末混合物包含可以促進(jìn)馬氏體形成的元素。
16.權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述元素選自鉻、鉬和鎳。
17.上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，還包括對燒結(jié)材料低溫處理的步驟。
18.上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，還包括對燒結(jié)材料回火的步驟。
19.上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，還包括在粉末混合物中提供二硫化鉬或二硫化鎢的步驟。
20.權(quán)利要求1-19中任一項(xiàng)所述的方法制造的鐵質(zhì)燒結(jié)材料制品。
21.權(quán)利要求20所述的燒結(jié)制品，該制品是內(nèi)燃機(jī)的閥座鑲?cè)Α?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及含銅量為12－26重量％的鐵質(zhì)燒結(jié)材料的制造方法。該方法包括的步驟為制造所需組成的粉末混合物，鐵和銅總含量中有至少一定比例的由與銅不可分離相連的鐵粉如預(yù)合金或擴(kuò)散結(jié)合的粉末來提供，將該粉末混合物壓實(shí)形成所要制造的制品的生坯壓件，然后燒結(jié)該生坯壓件。
文檔編號C22C38/16GK1488006SQ02803920
公開日2004年4月7日 申請日期2002年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月24日
發(fā)明者P·莫利克, P 莫利克 申請人:聯(lián)邦-蒙古爾燒結(jié)產(chǎn)品有限公司