專利名稱：通過(guò)高壓壓制制備鐵基部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及粉末冶金工業(yè)中使用的金屬粉末組合物。更具體地，本發(fā)明涉及一種使用這些組合物制備高密度部件的方法。
背景技術(shù)：
與傳統(tǒng)的使用真密度(full dense)鋼的相應(yīng)方法相比，使用粉末冶金法生產(chǎn)結(jié)構(gòu)部件有一些優(yōu)點(diǎn)。以這種方式，能量的消耗大大降低，并且材料的利用大大提高。粉末冶金法的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于，具有網(wǎng)狀或近似網(wǎng)狀的部件在燒結(jié)過(guò)程后可以直接出產(chǎn)，而不需要高成本的成形加工，例如車削、銑削、鏜削或磨削。然而，通常真密度鋼材料具有優(yōu)于粉末冶金(PM)部件的機(jī)械性能。這主要是由于粉末冶金部件具有多孔性。因此，研究的方向是提高PM部件的密度，以使其盡可能接近真密度鋼的密度值。
在使PM部件達(dá)到較高密度的方法中，粉末鍛造方法具有可獲得真密度部件的優(yōu)點(diǎn)。然而，該方法成本非常高，并且主要用于重型部件，例如連桿的批量生產(chǎn)。真密度材料也可以在高溫高壓，例如熱等靜壓即HIP下獲得，但這種方法成本也非常高。
通過(guò)使用熱壓制(compaction)，即在通常120℃到250℃的高溫下進(jìn)行壓制的方法，密度可以增加約0.2g/cm3，這對(duì)機(jī)械性能有相當(dāng)大的提高。然而，熱壓制法的缺點(diǎn)是包括附加的投資和處理。其它的方法，例如兩次壓制、兩次燒結(jié)、高溫?zé)Y(jié)等，可以進(jìn)一步提高密度。這些方法同樣會(huì)進(jìn)一步增加生產(chǎn)成本，從而降低總成本效率。
為了擴(kuò)大粉末冶金部件的市場(chǎng)并利用粉末冶金技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，需要一種獲得具有改進(jìn)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)機(jī)械強(qiáng)度的高密度壓制件的簡(jiǎn)單且低成本的方法。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用高的壓制壓力和粗粉末，可以獲得高密度部件。根據(jù)常識(shí)，通常使用的粉末，即包含精細(xì)顆粒的粉末，不可能被壓制到高密度而又不出現(xiàn)例如壓制件表面被損傷或損壞的問(wèn)題，這個(gè)結(jié)果是人們非常不希望的。具體而言，本發(fā)明的方法包括如下步驟提供基本上沒(méi)有精細(xì)顆粒的鐵基粉末；可選地將所述粉末與石墨和其它添加劑混合；在高壓下在一模具中單軸地壓制該粉末，并使壓坯脫出，該壓坯隨后被燒結(jié)。
具體實(shí)施例方式
術(shù)語(yǔ)“高密度”是指壓制件的密度約至少7.3g/cm3。當(dāng)然(本方法)也可以生產(chǎn)較低密度的部件，但通常認(rèn)為這具有較少的益處。
本發(fā)明的鐵基粉末包括純鐵粉末，例如霧化鐵粉，海綿鐵粉，還原鐵粉；部分?jǐn)U散合金化鋼粉；以及完全合金化鋼粉。該部分?jǐn)U散合金化鋼粉優(yōu)選是一種與Cu，Ni，Mo中的一種或多種部分合金化的鋼粉。該完全合金化鋼粉優(yōu)選是一種與Mn，Cu，Ni，Cr，Mo，V，Co，W，Nb，Ti，Al，P，S和B合金化的鋼粉。(使用)不銹鋼粉末也是有益的。
關(guān)于顆粒的形狀，優(yōu)選地，當(dāng)通過(guò)水霧化獲得時(shí)，顆粒具有不規(guī)則形狀。同樣，具有不規(guī)則形狀的顆粒的海綿鐵粉也是有益的。
本發(fā)明的一個(gè)關(guān)鍵特征是所使用的粉末具有粗顆粒，即該粉末基本上沒(méi)有精細(xì)顆粒。術(shù)語(yǔ)“基本上沒(méi)有精細(xì)顆?！笔侵竿ㄟ^(guò)SS-EN 24 497中描述的方法測(cè)量的尺寸在45μm以下的粉末顆粒少于約5％。到目前為止，已經(jīng)用主要包括大于約106μm的顆粒尤其是大于約212μm的顆粒的粉末取得了最有益的結(jié)果。術(shù)語(yǔ)“主要包括”是指至少50％，優(yōu)選地至少60％，并且最優(yōu)選地至少70％的顆粒具有分別大于106和212μm的顆粒尺寸。最大的顆粒尺寸可以是約2mm。在PM生產(chǎn)中使用的鐵基粉末的顆粒尺寸通常按高斯分布曲線進(jìn)行分布，其平均顆粒直徑在30到100μm范圍內(nèi)，并且約10-30％小于45μm。通過(guò)去除粉末中較精細(xì)的部分或通過(guò)生產(chǎn)具有預(yù)定顆粒尺寸分布的粉末，可以獲得基本上沒(méi)有精細(xì)顆粒的鐵基粉末。
顆粒尺寸分布以及顆粒形狀對(duì)壓制性能和壓制件性能的影響已經(jīng)得到了認(rèn)真的研究。例如，US專利5,594,186公開(kāi)了一種通過(guò)使用具有三角形截面的基本上是細(xì)長(zhǎng)的針狀金屬顆粒，來(lái)生產(chǎn)密度高于理論密度的95％的PM部件的方法。這種顆粒適于通過(guò)機(jī)加工方法或粉碎方法來(lái)生產(chǎn)。
包含粗顆粒的粉末還用于制造軟磁部件。例如，US專利6 309 748公開(kāi)了一種鐵磁粉末，該粉末的顆粒的直徑尺寸在40到600μm之間。與本發(fā)明的鐵基粉末顆粒相比，這些粉末顆粒具有涂層。
US專利4,190,441中公開(kāi)了一種用于生產(chǎn)燒結(jié)軟磁部件的粉末組合物。在該專利中，鐵粉包含少于5％的大于417μm的顆粒，并且少于約20％的粉末顆粒具有小于147μm的尺寸。該專利指出，因?yàn)樾∮?47μm的顆粒的含量非常低，所以由這些粗的高純度粉末生產(chǎn)的部件的機(jī)械性能非常低。此外，該專利指出，如果需要更高的強(qiáng)度，則不可能既增加尺寸小于147μm的顆粒的含量，同時(shí)又不降低軟磁的性能。因此，該粉末混有特定量的磷鐵?？梢栽诒景l(fā)明的組合物中使用的石墨在該專利中沒(méi)有提及，而且石墨的存在將降低磁性。
US專利5225459(EP 554 009)也公開(kāi)了包含粗顆粒的粉末混合物，該專利還涉及用于制備軟磁部件的粉末混合物。這些粉末混合物中也不包含石墨。
在粉末鍛造領(lǐng)域，還已知的是，可以使用包含粗顆粒的預(yù)合金化鐵基粉末。US專利3 901 661公開(kāi)了這種粉末。該專利指出，(該粉末)可以包含一種潤(rùn)滑劑，特別是，按重量計(jì)算該潤(rùn)滑劑的含量應(yīng)當(dāng)是1％(例1)。然而，如果本發(fā)明的粉末混有如此高含量的潤(rùn)滑劑，那么該粉末不可能獲得很高的密度。
為獲得根據(jù)本發(fā)明的其燒結(jié)部件具有令人滿意的機(jī)械燒結(jié)性能的壓制件，需要將一定量的石墨添加到要被壓制的粉末混合物中。因此，在壓制前，可以添加按全部混合物重量計(jì)算在0.1-1％，優(yōu)選地0.2-1.0％并且最優(yōu)選地0.2-0.8％之間的石墨。
在壓制前，也可以將其它添加劑，例如，包括Mn，Cu，Ni，Cr，Mo，V，Co，W，Nb，Ti，Al，P，S和B的合金元素添加到鐵基粉末中。按重量計(jì)算，這些合金元素共計(jì)可添加到10％。還有一些添加劑是可以提高可加工性的化合物，硬相(hard phase)材料和流動(dòng)劑。
在將鐵基粉末放入模具之前，也可使鐵基粉末與潤(rùn)滑劑結(jié)合(內(nèi)部潤(rùn)滑)。添加潤(rùn)滑劑是用于在壓制或擠壓(pressing)步驟中減少金屬粉末顆粒之間以及顆粒和模具之間的摩擦。合適的潤(rùn)滑劑是例如硬脂酸鹽，蠟，脂肪酸及其衍生物，低聚物，聚合物，以及具有潤(rùn)滑作用的其它有機(jī)物。潤(rùn)滑劑優(yōu)選以顆粒的形式添加，但也可以粘結(jié)和/或覆蓋在顆粒上。根據(jù)本發(fā)明，添加到鐵基粉末中的潤(rùn)滑劑的量按混合物的重量計(jì)算可以在0.05-0.6％之間，優(yōu)選地在0.1-0.5％之間。
根據(jù)本發(fā)明的方法還可以使用外部潤(rùn)滑(模具壁潤(rùn)滑)進(jìn)行，即在壓制之前在模具的壁上設(shè)置潤(rùn)滑劑。也可以將外部潤(rùn)滑和內(nèi)部潤(rùn)滑結(jié)合使用。
術(shù)語(yǔ)“在高壓制壓力下”是指在約至少800MPa的壓力下。在更高的壓力，例如高于900Mpa，優(yōu)選地高于1000Mpa，更優(yōu)選地高于1100MPa的壓力下可以獲得更有益的結(jié)果。
一般認(rèn)為，使用常規(guī)使用的包含較精細(xì)顆粒的粉末，添加少量潤(rùn)滑劑(按重量計(jì)算少于0.6％)，在高壓即高于約800MPa的壓力下進(jìn)行的常規(guī)壓制方法是不合適的，因?yàn)樵摲椒ㄐ枰艽蟮牧Σ拍軐褐萍哪＞咧忻摮觯殡S有模具的嚴(yán)重磨損，而且部件表面很可能不夠光澤或受損。通過(guò)使用本發(fā)明的粉末，意外地發(fā)現(xiàn)，在約1000MPa的高壓下的推頂力(ejection force)減小了，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)不使用模具壁潤(rùn)滑時(shí)同樣可獲得具有合格甚至完美的表面的部件。
所述壓制(過(guò)程)可以使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行，這意味著這種新的方法不需要很高的投資就可以實(shí)施。該壓制可以在環(huán)境溫度或高溫下在單獨(dú)一個(gè)步驟內(nèi)單軸地進(jìn)行?；蛘?，該壓制可以在專利出版物WO 02/38315中描述的一種撞擊機(jī)(Hydropulsor公司的HYP35-4機(jī)型)的幫助下進(jìn)行。
燒結(jié)可以在PM領(lǐng)域通常所使用的溫度，例如在1080℃和1160℃之間的標(biāo)準(zhǔn)溫度，或者高于1160℃的較高溫度下，并且在常規(guī)使用的氣氛下進(jìn)行。
還可以對(duì)坯件或燒結(jié)部件進(jìn)行其它的處理，例如機(jī)械加工，表面硬化，表面密化，或者其它在PM技術(shù)中使用的方法。
簡(jiǎn)言之，使用本發(fā)明的方法的優(yōu)點(diǎn)是，可以低成本地生產(chǎn)高密度壓坯。這種新方法還可以生產(chǎn)用常規(guī)技術(shù)難以生產(chǎn)的較高(密度)的部件。另外，可使用標(biāo)準(zhǔn)的壓制設(shè)備生產(chǎn)具有合格甚至完美的表面光潔度的高密度壓制件。
適合通過(guò)這種新方法生產(chǎn)的產(chǎn)品的例子是連桿、齒輪以及承受高負(fù)荷的其它結(jié)構(gòu)部件。通過(guò)使用不銹鋼粉末所生產(chǎn)的法蘭具有特別的益處。
通過(guò)下面的例子對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
例1根據(jù)本發(fā)明的兩種不同的鐵基粉末組合物與一種標(biāo)準(zhǔn)的鐵基粉末組合物比較。所有這三種組合物都是由瑞典Hgans AB公司的Astaloy Mo生產(chǎn)的，并添加有按重量計(jì)算占0.2％的石墨和按重量計(jì)算占0.4％的潤(rùn)滑劑(KenolubeTM)。在本發(fā)明的一種鐵基粉末組合物中，直徑小于45μm的Astaloy Mo顆粒被去除，并且在本發(fā)明的另一種組合物中，(直徑)小于212μm的Astaloy Mo顆粒被去除。在常溫下和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備中進(jìn)行壓制。從

圖1-1中可以看出，使用顆粒尺寸大于212μm的粉末，在所有的壓制壓力下密度都有明顯的增加。
圖1-2表明，為獲得沒(méi)有受損表面的部件，最重要的因素是減少或消除最小的顆粒，即小于45μm的顆粒。而且從圖中還可以看出，與使用具有約20％的小于45μm的顆粒的標(biāo)準(zhǔn)鐵基粉末組合物生產(chǎn)的壓制件需要的推頂力相比，使用沒(méi)有小于212μm的顆粒的鐵基粉末組合物生產(chǎn)的壓制件需要的推頂力有顯著的減少。與使用該標(biāo)準(zhǔn)粉末相比，使用沒(méi)有小于45μm的顆粒的本發(fā)明的鐵基粉末組合物生產(chǎn)的壓制件需要的推頂力也有所減少。
一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是，根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的壓制件需要的推頂力隨著脫模壓力的增加而減小，而對(duì)于該標(biāo)準(zhǔn)組合物卻相反。
還可以觀察到，將該標(biāo)準(zhǔn)粉末在高于700MPa的壓力下壓制得到的壓制件具有受損表面，因此是不合格的。將基本上沒(méi)有小于45μm的顆粒的粉末在高于700MPa的壓力下壓制得到的壓制件具有不夠光澤的表面，這至少在某些情況下是合格的。
例2對(duì)例1進(jìn)行重復(fù)，但是使用0.5％的EBS(亞乙基雙硬脂酰胺)潤(rùn)滑劑，并且壓制在一種撞擊機(jī)(瑞典Hydropulsor公司的HYP35-4機(jī)型)的幫助下進(jìn)行。
分別從圖2-1和2-2可以看出，與具有標(biāo)準(zhǔn)粉末的粉末組合物相比，本發(fā)明的粉末組合物可以獲得較高的壓坯密度和較低的推頂力。還可以看出，在所有的壓制壓力下，由該標(biāo)準(zhǔn)粉末生產(chǎn)的部件都有受損表面。
權(quán)利要求
1.一種制備高密度壓坯的方法，包括如下步驟-提供一種鐵的粉末或鐵基粉末，其中具有45μm以下尺寸的鐵基粉顆粒少于約5％；-可選地將所述粉末與石墨和其它添加劑混合；-在至少約800MPa的壓制壓力下，在一模具中單軸地壓制該粉末；以及-將壓坯從該模具中脫出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述壓制是在單獨(dú)一個(gè)步驟中進(jìn)行的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少50％，優(yōu)選地至少60％并且最優(yōu)選地至少70％的該鐵基粉末由顆粒尺寸大于約106μm的顆粒組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，至少50％，優(yōu)選地至少60％并且最優(yōu)選地至少70％的該鐵基粉末由顆粒尺寸大于約212μm的顆粒組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，最大的顆粒尺寸約為2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求2-5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該石墨的含量為0.1-1.0％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在壓制前，將所述鐵基粉末與按重量計(jì)算其含量在0.05-0.6％之間的一種潤(rùn)滑劑相結(jié)合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述壓制在一涂有潤(rùn)滑劑的模具中進(jìn)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求7-8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述壓制通過(guò)使用內(nèi)部潤(rùn)滑和外部潤(rùn)滑的結(jié)合而進(jìn)行。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該添加劑從包括合金元素例如Mn，Cu，Ni，Cr，Mo，V，Co，W，Nb，Ti，Al，P，S和B，可加工性提高劑，硬相材料以及流動(dòng)劑的集合中選取。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述壓制在至少900MPa，更優(yōu)選地至少1000Mpa并且最優(yōu)選地高于1100MPa的壓力下進(jìn)行。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述壓制在環(huán)境溫度下進(jìn)行。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述壓制在高溫下進(jìn)行。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的制備燒結(jié)產(chǎn)品的方法，其特征在于，所述方法還包括在高于1100℃的溫度下的單獨(dú)一個(gè)燒結(jié)步驟。
15.一種包括鐵的粉末或鐵基粉末的粉末組合物，其中，尺寸小于45μm的該粉末顆粒少于約5％；并且石墨按重量計(jì)算占0.1-1.0％。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的粉末組合物，其特征在于，還包括按重量計(jì)算占0.05-0.6％的一種潤(rùn)滑劑。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的組合物，其特征在于，至少50％，優(yōu)選地至少60％并且最優(yōu)選地至少70％的該鐵基粉末的顆粒尺寸大于約106μm。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的組合物，其特征在于，至少50％的該鐵基粉末的顆粒尺寸大于約212μm。
19.根據(jù)權(quán)利要求15-18中任一項(xiàng)所述的組合物，其特征在于，還包括從包含合金元素例如Mn，Cu，Ni，Cr，Mo，V，Co，W，Nb，Ti，Al，P，S和B，可加工性提高劑，硬相材料以及流動(dòng)劑的集合中選取的添加劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備高密度壓坯的方法，包括如下步驟提供一種基本上沒(méi)有精細(xì)顆粒的鐵基粉末；可選地將所述粉末與石墨和其它添加劑混合；在至少約800MPa的壓制壓力下，在一模具中單軸地壓制該粉末；以及使壓坯脫出。本發(fā)明還涉及在該方法中使用的粉末。
文檔編號(hào)B22F1/00GK1705533SQ200380101698
公開(kāi)日2005年12月7日 申請(qǐng)日期2003年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月22日
發(fā)明者M·凱茨埃爾曼, P·斯科格隆, H·維達(dá)爾森 申請(qǐng)人:霍加納斯股份有限公司