專利名稱：粉末冶金組合物及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬基冶金粉末組合物，更具體地，涉及包括用于提高壓制零件的機械性質的母合金粉末的粉末組合物。
背景技術：
鐵基顆粒長時間以來被用作由粉末冶金方法制造結構組件的基礎材料。首先在高壓下、在模具中模制鐵基顆粒以產生期望的形狀。在模制步驟之后，壓制的或“生的(green)”組件通常進行燒結步驟以賦予組件必要的強度。
可通過添加某些冶金添加劑，如合金元素，大量提高壓制和燒結的組件的機械性質。例如通常由機械混合元素或氧化物形式的粉末合金添加劑來制備合金鋼。雖然由于簡單帶來的方便性，但是這種技術的缺點是導致合金組合物具有不均勻結構，這種不均勻結構由每種元素的熱力學和擴散特征決定。此外，在制備均相混合物時具有一些傳統(tǒng)的難題，所述均相混合物中合金材料的顆粒是均勻分布的，在運輸和處理時將不會分離(segregate)。
與利用通常使用的冶金添加劑相關的成本是另一缺點，因為其可不幸地增加至粉末組合物的所有成本的顯著部分。因此，粉末冶金工業(yè)中一直以來的興趣是，試圖開發(fā)更少成本的冶金添加劑以減少和/或全部代替通常使用的合金元素，例如銅或鎳。
使用冶金合金添加劑的另一缺點是他們也可賦予冶金組合物不期望的屬性。例如，由于控制零件的使用或丟棄的環(huán)境和/或回收規(guī)定，粉末冶金零件的制造通常期望限制在壓制的冶金零件中使用的銅和/或鎳的量。而且，當在高溫下燒結時，添加基于鎳的冶金添加劑通常導致不期望的壓制零件的收縮。粉末冶金工業(yè)尋求最小的收縮，以保證燒結的零件大小盡可能地與壓制模具的大小接近。
因此，在粉末冶金工業(yè)中，目前和一直以來都存在這種需要開發(fā)用于減少冶金粉末組合物中各種普通的冶金添加劑的量或替代其使用的替代品。

發(fā)明內容
本發(fā)明的冶金粉末組合物包括鐵基粉末和由多種合金元素組成的母合金粉末。使用母合金粉末代替元素添加劑粉末，提供了具有更加均勻的結構的壓制零件。因此，已經發(fā)現(xiàn)，添加母合金粉末能提高從冶金粉末組合物制備的壓制零件的機械性質。
在一個實施方案中，冶金粉末組合物包括至少約80重量％的鐵基冶金粉末和約0.10～20重量％的母合金粉末。母合金粉末包括鐵、約0.10～40重量的鉻和約0.10～約30重量％的硅。
本發(fā)明也提供制備冶金粉末組合物的方法，和由這種組合物形成壓制的和燒結的金屬零件的方法，以及用這種方法制備的產品。制備燒結零件的方法包括壓制上述的冶金粉末，燒結壓制的組合物。已經發(fā)現(xiàn)，可在低燒結溫度下(例如低于2300°華氏度下)獲得最終壓制的組件的性質。但是，已經發(fā)現(xiàn)，如果“生的”壓制零件在高于約2000°華氏度的溫度下燒結，最終壓制組件的性質將被顯著提高。


圖1是鐵-鉻-硅母合金粉末在2050°華氏度的三元相圖。
圖2是鐵-鉻-硅母合金粉末在2147°華氏度的三元相圖。
圖3是冶金粉末組合物和參考組合物在2050和2300°華氏度燒結之后的橫斷裂強度性質的柱狀圖。
圖4是冶金粉末組合物和參考組合物在2050和2300°華氏度燒結之后的最終拉伸強度性質的柱狀圖。
圖5是在2050°華氏度燒結之后的冶金粉末組合物橫斷裂強度性質作為母合金粉末顆粒尺寸的函數(shù)的數(shù)據(jù)點的X-Y圖。
圖6是在2300°華氏度燒結之后冶金粉末組合物的橫斷裂強度性質作為母合金粉末顆粒尺寸的函數(shù)的數(shù)據(jù)點的X-Y圖。
圖7是用包括鐵、24％鉻和20％硅的45μm母合金粉末制備的燒結冶金粉末組合物的放大視圖。
圖8是用包括鐵、24％鉻和20％硅的11μm母合金粉末制備的燒結冶金粉末組合物的放大視圖。
圖9是在2300°華氏度燒結之后冶金粉末組合物的大小變化特點作為壓制壓力的函數(shù)的數(shù)據(jù)點的X-Y圖。
圖10是在2300°華氏度燒結之后冶金粉末組合物的最終拉伸強度性質作為最終燒結密度的函數(shù)的數(shù)據(jù)點的X-Y圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及由鐵基粉末和由多種合金元素組成的母合金粉末組成的冶金粉末組合物，制備這些組合物的方法，和使用這些組合物來制造壓制零件的方法。本發(fā)明也涉及由下述方法制備的壓制零件。使用母合金粉末代替元素添加劑粉末，提供了具有更加均勻的結構的壓制零件。因此，已發(fā)現(xiàn)，添加母合金粉末提高了由冶金粉末組合物制備的壓制的零件的機械性質。
冶金粉末組合物包括鐵基粉末，其作為主要組分；和由多種合金元素組成的母合金粉末，其作為用于提高機械性質的合金粉末。此處所用的“母合金粉末”是指高濃度合金材料的預合金粉末，其將與鐵基粉末結合以增加鐵基粉末的合金含量，并產生具有期望的總合金含量的冶金粉末組合物。本發(fā)明的冶金粉末組合物也任選地包括其他已知添加劑，如粘合劑和潤滑劑。
鐵基粉末，如它在此處所用的術語一樣，是基本上純的鐵粉，與增加最終產品的強度、硬度、電磁性質或其它期望的性質的其它元素(例如生產鋼的元素)一起預合金的鐵粉末，和這些其它元素已經被擴散鍵合到其上的鐵粉末。
用于本發(fā)明的基本純的鐵粉是這樣的鐵粉，其具有不大于約1.0重量％，優(yōu)選不大于約0.5重量％的正常雜質。這種高度可壓縮的冶金級別的鐵粉末的例子是可從Hoeganeaes Corporation，Riverton，NewJersey獲得的ANCORSTEEL 1000系列純鐵粉，例如1000，1000B和1000C。例如，ANCORSTEEL 1000鐵粉，具有以下典型的篩形分布(screen profile)，約22重量％的低于No.325篩子(U.S.系列)的顆粒、約10重量％的大于No.100篩子的顆粒，其余在這兩個粒度之間(痕量大于No.60篩子)。ANCORSTEEL 1000粉末具有約2.85～3.00g/cm3的表觀密度，典型地為2.94g/cm3。本發(fā)明中使用的其它鐵粉是典型的海綿鐵粉，如Hoeganaes的ANCOR MH-100粉末。
鐵基粉末可任選地結合能提高最終金屬零件的機械或其它性質的一種或多種合金元素。這種鐵基粉末是與一種或多種這樣的元素預合金的鐵粉末，優(yōu)選基本上是純鐵。預合金的粉末這樣來制備，通過使鐵和期望的合金元素熔化，然后霧化熔融物，由此霧化的液滴通過固化形成粉末。鐵基粉末是通過本領域技術人員通常所知的常規(guī)的水霧化或氣霧化技術霧化的。
與鐵粉末混合的或預合金的合金元素的例子包括(但不限于)，鉬、錳、鎂、鉻、硅、銅、鎳、釩、鈳(鈮)、碳、磷、鋁，及其組合。所含合金元素的量取決于期望的最終組合物的性質。含有這樣的合金元素的預合金的鐵基粉末可從Hoeganaes Corp.，以其ANCORSTEEL粉末系列的一部分獲得。
鐵基粉末包括小于20重量％的合金元素。優(yōu)選地，基于鐵基粉末的重量，鐵基粉末包括小于15重量％，更優(yōu)選地包括小于10重量％的合金元素。
在本發(fā)明的實踐中有用的其它鐵基粉末是鐵磁性粉末。例如，包括與少量磷預合金的鐵粉的鐵磁性粉末。
鐵基粉末的另一個例子是擴散鍵合的鐵基粉末，其是具有擴散進它們的外表面的一種或多種其它金屬的層或涂層的基本上純的鐵粉末，所述其它金屬如生產鋼的元素。這類可商業(yè)獲得的粉末包括從Hoeganaes Corporation獲得的DISTALOY 4600A擴散鍵合粉末，其含約1.8％的鎳、約0.55％的鉬和約1.6％的銅，和從Hoeganaes Corporation獲得的DISTALOY 4800A擴散鍵合粉末，其含約4.05％的鎳、約0.55％的鉬和約1.6％的銅。
通過激光散射技術測定，鐵顆粒具有小至1微米或更小，或者最高約850～1,000微米的重均(weight average)粒度，但是通常顆粒將具有在10～500微米的范圍內的重均粒度。優(yōu)選的粒度是鐵或預合金的鐵顆粒具有高達約350微米的最大重均粒度；更優(yōu)選的是顆粒具有在約25～150微米范圍的重均粒度，最優(yōu)選為80～150微米。
鐵基粉末組成冶金粉末組合物的主要部分，通常組成至少約80重量％，優(yōu)選至少約85重量％，更優(yōu)選至少約90重量％。母合金粉末組成冶金粉末組合物的較小部分，通常組成不大于冶金粉末組合物的20重量％。優(yōu)選地，母合金粉末以約0.5～10重量％在冶金組合物中存在。
母合金粉末是預合金的粉末，其包括鐵和多種合金元素。包括在母合金粉末中的合金元素的例子包括(但不限于)鉬、錳、鉻、硅、銅、鎳、釩、鈳(鈮)、碳、磷，及其組合。所含合金元素的量取決于期望的最終組合物的性質。優(yōu)選地，母合金粉末由鐵、硅、鉻和錳組成。更優(yōu)選的母合金粉末由鐵、硅和鉻組成。
使用傳統(tǒng)技術通過熔融混合鐵基粉末和多種合金元素來制備母合金粉末。然后使用傳統(tǒng)技術霧化、粉碎或研磨熔融混合物以獲得母合金粉末顆粒。然后用傳統(tǒng)分離技術分離具有優(yōu)選粒度的粉末。
向鐵基粉末中加入母合金粉末克服了與摻合各個元素的合金粉末相關的缺點，例如以“島”的形式形成的合金元素的聚集。母合金粉末中的給定合金材料的濃度低于元素合金粉末中的濃度。所以，獲得合金元素的特定含量所需的母合金粉末顆粒的數(shù)量，與添加元素合金添加劑相比更高。使用更多的合金添加劑，即母合金粉末，能夠比添加元素合金添加劑更好地散布合金元素到整個壓制品，即使是在燒結前，因此可更均勻地散布合金元素到壓制零件中。與各元素合金粉末相比，使用母合金粉末的結果是在燒結后得到更加均勻的結構。
關于包含鐵和過渡金屬(例如鉻、錳、釩、或鈳)的合金添加劑的方法，在美國專利5,217,683中公開，其全部內容在此處結合作為參考。美國專利6,364,927公開了關于碳化硅合金添加劑的方法，其全部內容在此處結合作為參考。
雖然鉻、錳和硅在強化用粉末冶金技術制造的組件方面是有效的，但在制造期間這些材料的元素粉末具有對氧的高親和力并易于氧化。例如，除非嚴格控制霧化時的條件，否則在用水霧化時可形成氧化鉻、氧化錳和氧化硅。由鐵基粉末和母合金粉末組成的粉末組合物與由相同的合金材料組成的全部預合金的粉末相比，顯示出更低的氧含量。不受理論限制，相信母合金粉末在每個粉末顆粒的表面形成薄的、富硅的氧化物屏障，其可防止在霧化和隨后的加工中進一步氧化。在一個實施方案中，母合金粉末包括多種已與低氧含量的鐵基粉末熔融混合的合金元素，以減少母合金粉末的氧含量。低氧含量的鐵基粉末包括本領域技術人員已知的那些鐵基粉末。
母合金粉末有利地具有比包括于母合金的每個合金元素的各自熔融點更低的熔融點。不受理論限制，相信母合金的低熔融點相比于元素或二元合金系，能使得合金元素在加熱時在整個壓制零件中更高效和更有效地分散，例如擴散。所以，即使當在更低的溫度燒結更短的時間，含有母合金粉末的冶金粉末組合物也能獲得與由各元素合金添加劑組成的冶金粉末組合物類似的機械性質。在燒結的過程中，母合金粉末可為固體、液體或液體和固體的混合物。
圖1是在2050°華氏度下鐵-鉻-硅母合金粉末的三元相圖。圖2是在2147°華氏度下鐵-鉻-硅母合金粉末的三元相圖。參考圖1和2，鐵-鉻-硅母合金粉末的三元圖中有陰影線的區(qū)域表示母合金粉末優(yōu)選的組成。如圖1和2所示，隨著溫度增加液相區(qū)域的尺寸增加，由此提供了更廣的液體燒結溫度范圍。
相比而言，三種可能的二元系，即Fe-Cr、Fe-Si和Si-Cr，顯示出基本上更高的熔點(分別為1200℃、1513℃和1335℃)。當與這些二元系相比時，鐵-鉻-硅母合金粉末更快地擴散到整個壓制零件的孔隙中，不需要昂貴的高溫燒結爐。
基于冶金粉末組合物的總重量，母合金粉末通常包括約0.10～約35重量％，更通常地，約1.0～約35重量％的硅。優(yōu)選母合金粉末包括約10～約35重量％的硅。甚至更優(yōu)選母合金粉末包括約15～約25重量％的硅。還更優(yōu)選，母合金粉末包括約15～約22重量％的硅。
基于冶金粉末組合物的總重量，母合金粉末通常還包括約0.10～約40重量％，更通常約1.0～約40重量％的鉻。優(yōu)選母合金粉末包括約10～約35重量％的鉻。甚至更優(yōu)選母合金粉末包括約15～約35重量％的鉻。
在一個實施方案中，母合金粉末包括鐵、約18重量％的硅和約29重量％的鉻。在另一實施方案中，母合金粉末包括鐵、約20重量％的硅和約24重量％的鉻。
在另一實施方案中，母合金粉末包括最高達35重量％的錳。優(yōu)選地，母合金粉末包括約1.0～約35重量％的錳。更優(yōu)選地，母合金粉末包括約10～約30重量％的錳。還更優(yōu)選地，母合金粉末包括約15～約25重量％的錳。
在一個實施方案中，基于冶金粉末組合物的總重量，母合金粉末包括鐵和約1.0～約35重量％的硅、約1.0～約40重量％的鉻和約1.0～約35重量％的錳。優(yōu)選地，母合金粉末包括鐵和約14重量％的硅，約20重量％的鉻和約20重量％的錳。
在另一實施方案中，母合金粉末包括最高達5重量％的碳。優(yōu)選地，母合金粉末包括約0.10～約5重量％的碳。更優(yōu)選地，母合金粉末包括約0.1～約1.0重量％的碳。
在另一實施方案中，母合金粉末包括最高達25重量％的鎳。優(yōu)選地，母合金粉末包括約1.0～約20重量％的鎳。更優(yōu)選地，母合金粉末包括約5～約15重量％的鎳。
母合金粉末是顆粒形式，其尺寸通常比與它們混合的鐵基粉末的顆粒更細。母合金粉末通常的重均粒度小于約100微米，優(yōu)選小于約75微米，更優(yōu)選小于約33微米，最優(yōu)選小于約11微米。
冶金粉末組合物也可包含潤滑劑粉末，以減少當壓制零件從壓制模腔中取出時的排出力。這種潤滑劑的例子包括硬脂酸鹽化合物，如鋰、鋅、錳和鈣的硬脂酸鹽；蠟，如乙烯雙硬脂酰胺、聚乙烯蠟，和聚烯烴；以及這些類型潤滑劑的混合物。除了授權給Johnson等的美國專利5,330,792中公開的那些以外，其它潤滑劑包括包含如授權給Luk的美國專利5,498,276中所述的聚醚化合物的那些，和授權給Luk的美國專利5,368,630中所述的在更高壓制溫度下有用的那些，所有這些全文引入作為參考。使用本領域技術人員已知的技術將潤滑劑加入冶金粉末組合物中。
潤滑劑通常的添加量最高達冶金粉末組合物的約2.0重量％，優(yōu)選約0.1～約1.5重量％，更優(yōu)選約0.1～約1.0重量％，最優(yōu)選約0.2～約0.75重量％。
冶金粉末組合物也可包括一種或多種粘合劑，尤其是使用兩種或多種合金粉末時，以粘合冶金粉末組合物中存在的不同組分，從而抑制分離和減少起塵。此處所用的“粘合”是指任何便于冶金粉末組合物的組分粘附的物理或化學方法。使用本領域技術人員已知的技術將粘合劑加入冶金粉末組合物中。
在優(yōu)選實施方案中，通過使用至少一種粘合劑進行粘合?？捎糜诒景l(fā)明的粘合劑是通常用于粉末冶金工藝的那些。例如，這些粘合劑包括授權給Semel的美國專利4,834,800、授權給Engstrom的美國專利4,483,905、授權給Semel等的美國專利5,298,055和授權給Luk的美國專利5,368,630中的那些，其每個的公開內容由此全文引入作為參考。
這種粘合劑例如包括聚二醇，如聚乙二醇或聚丙二醇；甘油；聚乙烯醇；乙酸乙烯酯的均聚物或共聚物；纖維素酯或醚樹脂；甲基丙烯酸酯聚合物或共聚物；醇酸樹脂；聚氨酯樹脂；聚酯樹脂；或其組合。有用的粘合劑的其它例子是授權給Semel等的美國專利5,298,055中所述的相對高分子量的聚氧化烷撐基組合物。有用的粘合劑也包括二元有機酸如壬二酸，和一種或多種極性組分如聚醚(液體或固體)，和授權給Luk的美國專利5,290,336中所公開的丙烯酸樹脂，該專利在此全文引入作為參考。授權給Luk的’336專利中的粘合劑也可有利地用作粘合劑和潤滑劑的組合。另外的有用的粘合劑包括授權給Luk的美國專利5,368,630中所述的纖維素酯樹脂、羥基烷基纖維素樹脂和熱塑性酚樹脂。
粘合劑還可以是低熔點、固體聚合物或蠟，如具有低于200℃(390)軟化溫度的聚合物或蠟，例如聚酯、聚乙烯、環(huán)氧樹脂類、氨基甲酸酯、石蠟、乙烯雙硬脂酸酰胺和棉花籽蠟，和具有低于3000的重均分子量的聚烯烴，和為C14-24烷基部分三甘油酯及其衍生物的氫化植物油，包括氫化的衍生物，例如1999年4月29日公開的WO99/20689中所述的棉花籽油、大豆油、西蒙得木油及其混合物，其在此全文引入作為參考?？捎迷撋暾堉兴龅母烧澈霞夹g并以上面對于粘合劑所述的通常用量來應用這些粘合劑。可在本發(fā)明中使用的另外的粘合劑是美國專利5,069,714(其在此全文引入作為參考)中所述的聚乙烯吡咯烷酮，或妥爾油酯。
冶金粉末組合物中存在的粘合劑的量根據(jù)如下這些因素確定，如密度、粒度分布和冶金粉末組合物中鐵基粉末和母合金粉末的量。通常，加入的粘合劑的量為，基于冶金粉末組合物的總重量，至少約0.005重量％，優(yōu)選約0.005～約2重量％，最優(yōu)選約0.05～約1重量％。
本發(fā)明的冶金粉末組合物的組分可根據(jù)常規(guī)粉末冶金技術制備。通常，用常規(guī)粉末冶金技術把鐵基粉末、母合金粉末、和(任選的)固體潤滑劑和/或粘合劑(連同任何其他添加劑，如合金添加劑)混合在一起，所述常規(guī)粉末冶金技術例如使用雙錐混合器。然后混合的粉末組合物可備用。
使用常規(guī)技術將冶金粉末組合物形成壓制零件?？稍趶氖覝刂?75℃的溫度范圍進行壓制。在任何壓制技術中，潤滑劑，通常用量為最高約1重量％，可被混合到粉末組合物中或直接施涂到模具或砂模壁上。使用潤滑劑減少了與從模腔中取出壓制組件相關的剝離和滑動壓力。通常，冶金粉末組合物被倒入模腔中，并在如約5～約200噸每平方英寸(tsi)的壓力下壓制，更通常地為約10～約100tsi的壓力。優(yōu)選冶金粉末組合物在約30～約80tsi，更優(yōu)選約40～約80tsi的壓力下壓制。然后從模腔中取出壓制的零件。
可燒結壓制的(“生的”)零件，以提高機械性質，如強度。在本領域技術人員已知的常規(guī)燒結溫度燒結生的零件。例如美國專利5,969,276中描述了燒結技術，其全部內容在此引入作為參考。
優(yōu)選地，生的零件在不低于約2000的溫度下燒結，但是，通常壓制的零件在不低于約2050的溫度下燒結。例如，生的壓制物在約2000～約2150的溫度下燒結。已發(fā)現(xiàn)，如果在高于約2150，優(yōu)選高于約2200，更優(yōu)選高于約2250，甚至更優(yōu)選高于約2300的溫度下燒結，生的零件的機械性質提高。例如，生的壓制物在約2000～約2400的溫度下燒結。
壓制的組件在燒結溫度下保持足夠的時間以獲得冶金鍵合和合金化。通常，根據(jù)壓制組件的尺寸和初始溫度，加熱需要約0.5小時～約3小時，更優(yōu)選約0.5小時～約1小時。優(yōu)選在惰性氣氛(如氮氣、氫氣)或稀有氣體(如氬氣)下進行燒結。此外，優(yōu)選在壓制組件從模具中移除后進行燒結。
如以下實施例所示，優(yōu)選在將引起包含在母合金粉末中的合金元素擴散到鐵基粉末的鐵基質中以致其與鐵合金的溫度下，燒結冶金粉末組合物?？墒褂昧硗獾姆椒?，如鍛造或其它合適的制造技術或次級操作，來制造最終零件。例如任選地，壓制的零件可被熱處理。進一步提高機械性質的熱處理包括本領域技術人員已知的那些，如回火。
在以下實施例中將詳細描述本發(fā)明的一些實施方案。根據(jù)本發(fā)明的方法制備了冶金粉末組合物并形成壓制組件。而且，為了對比，制備了其它鐵粉末并形成核心組件。評價了形成的核心組件的機械性質。
實施例并不意圖加以限制的以下實施例描述了本發(fā)明的某些實施方案和優(yōu)點。除非另外說明，任何百分比是基于重量的。
粉末混合物以及生的和燒結的壓制物的物理性質通常根據(jù)以下American Society for Testing and Materials and the Metal PowderIndustries Federation測試方法來測定性質測試方法生密度(g/cm3) ASTM B331-76生強度(psi) ASTM B312-76尺寸變化(％)ASTM B610-76橫斷裂強度(ksi) MPIF Std.41最終拉伸強度(ksi) MPIF Std.10沖擊能量(ft.lbf) MPIF Std.40實施例1評價包含母合金粉末的冶金粉末組合物，并與沒有加入合金粉末的參考粉末以及由含鉻粉末添加劑和單獨的含硅粉末添加劑組成的參考粉末相比較。參考粉末I包括與0.75重量％的乙烯雙硬脂酰胺蠟潤滑劑(從Glycol Chemical Co.以Acrawax商業(yè)獲得)和0.6重量％的碳(從Asbury Graphite Mills以3203石墨商業(yè)獲得)混合的鐵基粉末。該鐵基粉末是與0.85重量％的鉬(從Hoeganaes Corp.以Ancorsteel 85HP商業(yè)獲得)預合金的鐵粉末。
通過混合參考粉末I與重均粒度為9.3微米的鐵-鉻-碳合金添加劑粉末(從F.W.Winter Co.以高碳鐵鉻粉商業(yè)獲得)和重均粒度為7.6微米的常規(guī)含硅添加劑粉末來制備參考粉末II。一旦與兩種添加劑粉末混合，參考粉末II包括0.4重量％的鉻、0.35重量％的硅。
通過混合參考粉末I和母合金粉末制備測試組合物I。以母合金的重量計，母合金粉末包括24.0重量％的鉻、20.0重量％的硅和56重量％的鐵，并具有11微米的重均粒度。添加了母合金粉末之后，測試組合物I包括0.4重量％的鉻和0.35重量％的硅。
以45噸每平方英寸的壓力壓每種粉末組合物。制備測量為0.25英寸高、0.5英寸寬和1.25英寸長的條進行橫斷裂強度測試。制備另外的樣品進行拉伸強度測試。然后在兩種不同的商業(yè)燒結溫度下，即2050和2300下，分別在90％氮和10％氫的氣氛中燒結壓制物。
表1示出了參考組合物和測試組合物I在2050燒結溫度下的機械性質表1

表2示出了參考組合物和測試組合物I在2300燒結溫度下的機械性質表2

圖3是冶金粉末組合物和參考組合物在2050和2300下燒結后的橫斷裂強度性質的柱狀圖。圖4是冶金粉末組合物和參考組合物在2050和2300下燒結后的最終拉伸強度性質的柱狀圖。參考圖3和圖4，在2050和2300下燒結后，測試組合物I相比于參考粉末I和II顯示出更高的橫斷裂強度和更高的最終拉伸強度。在2300下燒結后，測試組合物I相比于在2050燒結的測試組合物I顯示出更高的橫斷裂強度和更高的最終拉伸強度。
不受理論限制，相信由母合金粉末組成的冶金粉末組合物隨著燒結溫度和時間的增加，其強度也增加。更高的燒結溫度和更長的燒結時間提供了提高的母合金粉末的擴散性，其提高了燒結的壓制物的強度。
實施例2用具有不同重均粒度的母合金粉末制備冶金粉末組合物、測試組合物I-V。通過混合參考粉末I和母合金粉末制備測試組合物I-V中的每種，基于母合金的總重量，該母合金粉末具有24.0重量％的鉻、20.0重量％的硅和56重量％的鐵。加入母合金粉末時，每種測試組合物包括0.4重量％的鉻和0.35重量％的硅。
如實施例1所述，測試組合物I的母合金粉末具有11微米的重均粒度。測試組合物II的母合金粉末具有8微米的重均粒度。測試組合物III的母合金粉末具有18微米的重均粒度。測試組合物IV的母合金粉末具有26微米的重均粒度。測試組合物V的母合金粉末具有45微米的重均粒度。
如實施例1所述，將每種測試組合物壓成條，并且在2050和2300下，在90％氮和10％氫組成的氣氛中燒結。表3a示出了測試組合物I-V在2050的燒結溫度下的機械性質
表3a

表3b示出了測試組合物I和V在2050的燒結溫度下的機械性質表3b

圖5是在2050華氏度燒結之后冶金粉末組合物和參考組合物的橫斷裂強度性質作為母合金粉末粒度的函數(shù)的數(shù)據(jù)點的X-Y圖。參考圖5和表1、3a和3b，在2050燒結之后，測試組合物I-IV(即由粒度小于或等于26μm的母合金粉末組成的那些)顯示出比參考粉末I和II更高的橫斷裂強度。最好的通過數(shù)據(jù)點的擬合線的統(tǒng)計分析表明，具有小于37μm粒度的母合金粉末比參考粉末和測試組合物V具有更好的機械性質。不受理論限制，相信具有更小粒度的母合金粉末在燒結的壓制物中產生更好的合金元素分布，由此提高燒結零件的機械性質。
表4示出了測試組合物I-V在2250燒結溫度下的橫斷裂強度性質
表4

表5示出了測試組合物I、III和V在2300的燒結溫度下的機械性質表5

相比于包含更大粒度的母合金粉末的測試組合物，由更小粒度的母合金粉末組成的組合物顯示出更高的橫斷裂強度、屈服強度和最終拉伸強度。
圖6是在2300°華氏度燒結之后冶金粉末組合物的橫斷裂強度性質作為母合金粉末粒度的函數(shù)的數(shù)據(jù)點的X-Y圖。參考圖6和表5，在2300燒結之后，粒度小于或等于18μm的母合金粉末顯示出比由更大粒度的母合金粉末組成的測試組合物和參考粉末I和II更好的機械性質。
圖7是用包括鐵、24％鉻和20％硅的45μm母合金粉末制備的燒結冶金粉末組合物的放大視圖。參考圖7，冶金圖分析表明，加入大粒度的母合金粉末產生由熔融和毛細管運動的擴散導致的大孔。
圖8是用包括鐵、24％鉻和20％硅的11μm母合金粉末制備的燒結冶金粉末組合物的放大視圖。參考圖8，冶金圖分析表明，加入小粒度的母合金粉末導致類似于燒結體的周圍孔隙率(surrounding porosity)的孔隙率。不受理論限制，相信大粒度的母合金粉末比小粒度的母合金粉末在最終的燒結組件中提供更高的孔隙率。由此，由小粒度的母合金粉末組成的冶金粉末組合物相比于大粒度的母合金粉末，增加了燒結組件的斷裂韌性和疲勞壽命。
實施例3將由母合金粉末組成的冶金粉末組合物、測試組合物I與由昂貴的常規(guī)鎳和銅合金粉末組成的參考粉末進行比較。以與實施例1的參考粉末相同的方法制備參考粉末III，除了另外加入2.0重量％的鎳合金粉末(可從Inco Limited以“Inco 123”粉末商業(yè)獲得)。
通過混合鐵基粉末(從Hoeganaes Corp.以Ancorsteel 1000B商業(yè)獲得)、2.0重量％的銅合金粉末(從Alcan Inc.以Alcan 8081商業(yè)獲得)、0.9重量％的碳(從Asbury Graphite Mills以3203石墨商業(yè)獲得)和0.75重量％的乙烯雙硬脂酸酰胺蠟潤滑劑(從Glycol Chemical Co.以Acrawax商業(yè)獲得)來制備參考粉末IV，上述百分比均基于參考粉末IV的總重量。
表6示出了參考粉末III和IV與測試組合物I在2050燒結后的冶金性質
表6

表7示出了參考粉末III和測試組合物I在2300燒結后的冶金性質表7

如表6和7所示，母合金粉末可用來獲得與昂貴的鎳和銅合金粉末相比類似的機械性質。例如，當在2300燒結時，測試組合物I顯示出相對于參考粉末III類似的或更好的橫斷裂強度、硬度和最終拉伸強度。
實施例4將包含母合金粉末的冶金粉末組合物與不加入合金粉末的參考粉末和由含硅粉末組成的參考粉末進行比較。通過混合鐵基粉末(從Hoeganaes Corp.以Ancorloy MDA商業(yè)獲得)與乙烯雙硬脂酸酰胺蠟潤滑劑(從Glycol Chemical Co.以Acrawax商業(yè)獲得)和常規(guī)粘合劑，制備參考粉末V。鐵基粉末由基本上純的鐵粉末、石墨粉末和硅粉末組成。制備后，參考粉末V包含0.9重量％的石墨、0.7重量％的硅和0.75重量％的潤滑劑與粘合劑。
通過混合基本上純的鐵基粉末(從Hoeganaes Corp.以Ancorsteel1000B商業(yè)獲得)與0.9重量％的石墨添加劑和母合金，制備測試組合物VI?；谀负辖鸬闹亓?，母合金粉末包括24.0重量％的鉻、20.0重量％的硅和56重量％的鐵，并具有11微米的重均粒度。加入母合金粉末之后，測試組合物VI包括0.85重量％的鉻和0.7重量％的硅。
用50噸每平方英寸的壓力壓制每種粉末組合物。制備測量為0.25英寸高、0.5英寸寬和1.25英寸長的條進行橫斷裂強度測試。制備另外的壓制物進行拉伸強度測試。然后在兩種不同的商業(yè)燒結溫度下，即分別為2050和2300，在90％氮和10％氫的氣氛中燒結壓制物。然后壓制物在400下回火1小時。
表8示出了參考粉末V和測試組合物VI在2050下燒結后的冶金性質表8

表9示出了參考粉末V和測試組合物VI在2300下燒結后的冶金性質表9

如表8和9所示，測試組合物VI顯示出更好的機械性質，例如在2050和2300下燒結時相對于參考粉末V更高的橫斷裂強度、硬度和最終拉伸強度。
實施例5將包括母合金粉末的冶金粉末組合物與包含鎳粉末添加劑的參考粉末相比較。通過混合鐵基粉末(從Hoeganaes Corp.以Ancorloy MDB商業(yè)獲得)與乙烯雙硬脂酸酰胺蠟潤滑劑(從Glycol Chemical Co.以Acrawax商業(yè)獲得)制備參考粉末VI。鐵基粉末包括與0.85重量％的鉬預合金的鐵、含硅粉末添加劑、鎳粉末添加劑和石墨。制備后，參考粉末VI包含0.7重量％的硅、2.0重量％的鎳、0.6重量％的碳和0.75重量％的潤滑劑與粘合劑。參考粉末VII與參考粉末VI相同，除了它包含4.4重量％的鎳，并可從Hoeganaes Corp.以Ancorloy MDC商業(yè)獲得。
通過混合實施例1的鐵基粉末、母合金粉末和1.0重量％的鎳粉末添加劑來制備測試組合物VIII?；谀负辖鸬闹亓浚负辖鸱勰┌?4.0重量％的鉻、20.0重量％的硅和56重量％的鐵，并具有11微米的重均粒度。加入母合金粉末之后，測試組合物VIII包括0.85重量％的鉻和0.7重量％的硅。測試組合物IX與測試組合物VIII相同，除了它包含3.0重量％的鎳。
用50噸每平方英寸的壓力壓制每種粉末組合物。制備測量為0.25英寸高、0.5英寸寬和1.25英寸長的條進行橫斷裂強度測試。制備另外的壓制物進行進一步的機械性質測試。然后在兩種不同的商業(yè)燒結溫度下，即分別為2050和2300，在90％氮和10％氫的氣氛中燒結壓制物。然后這些條在400下回火1小時。
表10示出了參考粉末VI和VII與測試組合物VIII和IX在2050下燒結后的冶金性質表10

表11示出了參考粉末VI和VII與測試組合物VIII和IX在2300下燒結后的冶金性質表11

如表10和11所示，母合金粉末的加入使得冶金粉末組合物的鎳含量減少，而且不有害地影響其機械性質。測試組合物VII和IX顯示出提高的機械性質，例如在相對于參考粉末VI和VII更高的橫斷裂強度、硬度和最終拉伸強度。而且，2300下燒結后，測試組合物IX顯示出0.0％的從模具尺寸到最終燒結尺寸的尺寸變化。
實施例6在各種不同的壓制壓力下壓制測試組合物IX和參考粉末VII與VIII并進行比較。通過混合鐵基粉末、鎳粉末添加劑、石墨和乙烯雙硬脂酸酰胺蠟潤滑劑來制備參考粉末VIII。參考粉末VIII可從Hoeganaes Corp.以FLN4-4405商業(yè)獲得。鐵基粉末包括與0.85重量％的鉬預合金的鐵。制備后，參考粉末VIII包含4.0重量％的鎳、0.6重量％的碳和0.75重量％的潤滑劑與粘合劑。
用30、40、50和55噸每平方英寸的壓力壓制每種粉末組合物。然后在兩種不同的商業(yè)燒結溫度下，即分別為2050和2300，在90％氮和10％氫的氣氛中燒結壓制物。然后該條在400下回火1小時。
表12示出了參考粉末VII和VIII與測試組合物IX在2300下燒結后的尺寸變化特性和最終拉伸強度性質表12

圖9是在2300°華氏度燒結之后冶金粉末組合物的尺寸變化特性作為壓制壓力的函數(shù)的數(shù)據(jù)點的X-Y圖。
圖10是在2300°華氏度燒結之后冶金粉末組合物的最終拉伸強度性質作為最終燒結密度的函數(shù)的數(shù)據(jù)點的X-Y圖。參考圖9和10，顯示出，在30～55噸每平方英寸下壓制時，測試組合物IX自模具尺寸的尺寸變化相比于參考粉末VII和VIII更低。在類似的密度下，測試組合物IX相比于參考粉末VII和VIII顯示出更大的最終拉伸強度。
這樣，已經描述了冶金粉末組合物和制造它的特定優(yōu)選的實施方案。盡管公開和描述了優(yōu)選的實施方案，但本領域技術人員會認識到，可以在不偏離本發(fā)明的精神和范圍下進行各種變化和改進。
權利要求
1.一種粉末冶金組合物，包括以粉末冶金組合物的總重量計，至少約80重量％的鐵基冶金粉末；和以粉末冶金組合物的總重量計，約0.10～約20重量％的母合金粉末，其包括以母合金粉末的總重量計，至少約35重量％的鐵，約1.0～約40重量％的鉻，和約1.0～約35重量％的硅。
2.如權利要求1的粉末冶金組合物，其中母合金粉末包括約10～約35重量％的鉻。
3.如權利要求1的粉末冶金組合物，其中母合金粉末包括約10～約35重量％的硅。
4.如權利要求1的粉末冶金組合物，其中母合金粉末包括約15～約35重量％的鉻。
5.如權利要求1的粉末冶金組合物，其中母合金粉末包括約15～約22重量％的硅。
6.如權利要求1的粉末冶金組合物，其中母合金粉末包括約24重量％的鉻和約20重量％的硅。
7.如權利要求1的粉末冶金組合物，其中母合金粉末包括約29重量％的鉻和約18重量％的硅。
8.如權利要求1的粉末冶金組合物，其中母合金粉末包括約10～約35重量％的鉻，和約10～約35重量％的硅。
9.如權利要求1的粉末冶金組合物，其中鐵基粉末包括至少90重量％的鐵。
10.如權利要求9的粉末冶金組合物，其中母合金粉末包括約10～約35重量％的鉻，和約10～約35重量％的硅。
11.如權利要求1的粉末冶金組合物，其中母合金粉末還包括最高約35重量％錳。
12.如權利要求1的粉末冶金組合物，其中母合金粉末還包括約10～約30重量％錳。
13.如權利要求10的粉末冶金組合物，其中母合金粉末還包括約10～約30重量％錳。
14.如權利要求1的粉末冶金組合物，其中母合金粉末還包括約15～約25重量％錳。
15.如權利要求1的粉末冶金組合物，其中母合金粉末還包括約20重量％的鉻，約14重量％的硅和約20重量％的錳。
16.如權利要求1的粉末冶金組合物，其中母合金粉末還包括最高約5重量％的碳。
17.如權利要求1的粉末冶金組合物，其中母合金粉末還包括最高約25重量％的鎳。
18.如權利要求1的粉末冶金組合物，其中母合金粉末還包括約1.0～約20重量％的鎳。
19.如權利要求1的粉末冶金組合物，其中母合金粉末還包括約5～約15重量％的鎳。
20.如權利要求12的粉末冶金組合物，其中母合金粉末還包括約1.0～約20重量％的鎳。
21.如權利要求1的粉末冶金組合物，其中母合金粉末包括約10～約35重量％的鉻；約10～約35重量％的硅；約10～約35重量％的錳，和約5～約25重量％的鎳；
22.如權利要求1的粉末冶金組合物，其中母合金粉末的重均粒度小于或等于約37μm。
23.如權利要求1的粉末冶金組合物，其中母合金粉末的重均粒度小于或等于約11μm。
24.如權利要求10的粉末冶金組合物，其中母合金粉末的重均粒度小于或等于約11μm。
25.一種制備燒結零件的方法，包括如下步驟a.提供冶金粉末組合物，其包括主要量的鐵基粉末，和次要量的鐵基預合金的母合金粉末，以該母合金粉末的總重量計，其包括約1.0～約30重量％的硅和約1.0～約40重量％的鉻；b.在約30～80噸每平方英寸的壓力下，在模具中壓制冶金粉末組合物；和c.在至少約2000的溫度下燒結壓制的冶金粉末組合物。
26.如權利要求25的方法，其中所述的燒結步驟在約2000～約2400的溫度下進行。
27.如權利要求25的方法，其中所述的燒結步驟在約2000～約2150的溫度下進行。
28.如權利要求25的方法，其中母合金粉末包括約10～約35重量％的鉻，和約10～約35重量％的硅。
全文摘要
本發(fā)明的冶金粉末組合物包括鐵基粉末，其與作為提高機械性質的粉末的母合金粉末結合。已經發(fā)現(xiàn)添加母合金粉末可提高從冶金粉末組合物制備的最終燒結壓制零件的機械性質，尤其是在低燒結溫度下。冶金粉末組合物包括至少約80重量％的鐵基冶金粉末和約0.10～約20重量％的母合金粉末。以母合金粉末的重量計，母合金粉末包括鐵、約1.0～約40重量％的鉻和約1.0～約35重量％的硅。
文檔編號C22C33/02GK1950161SQ200580010548
公開日2007年4月18日 申請日期2005年3月29日 優(yōu)先權日2004年4月6日
發(fā)明者布魯斯·林斯利, 帕特里克·金, 克里斯托弗·T·謝德 申請人:赫格納斯公司