專利名稱：應(yīng)用于耐磨性和耐熱性的粉末金屬合金組合物及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大致涉及粉末金屬硬預(yù)制合金鋼組合物，適合于單獨或與其他粉末金屬組 合物混合的壓實和燒結(jié)，而形成粉末金屬制品，以及生產(chǎn)這種硬質(zhì)合金鋼粉末的方法及由 此方法制成的零部件。
背景技術(shù)：
在各種制品的粉末冶金工藝中，高硬度預(yù)合金鋼粉末，如工具鋼級粉末，可以單獨 使用也可與其他粉末金屬組合物混合使用。工具鋼中含有諸如鉻，釩，鉬和鎢元素，該元素 與碳結(jié)合形成各種碳化物，例如M6C, MC, M3C, M7C3，M23C60這些碳化物很硬，有利于工具鋼的 耐磨性。粉末金屬加工的應(yīng)用允許粒子由完全合金熔態(tài)金屬形成，使得每個粒子具有整批 熔化金屬的全部合金化學(xué)組成。該粉末金屬加工還允許熔化金屬迅速凝固成小粒子，從而 消除通常與鑄錠相關(guān)的目視偏析。在高合金鋼的情況下，例如工具鋼，每個粒子內(nèi)的碳化物 是均勻分布的，有助于形成很硬和耐磨的粉末材料。已知通過霧化來產(chǎn)生粉末。對于含有易氧化的高水平的鉻，釩和/或鉬的工具鋼 和其他合金而言，通常采用氣霧化，其中大量熔化合金流過噴嘴進(jìn)入保護(hù)室，由高壓惰性氣 體，如氮氣的氣流將熔化金屬流分散成液滴。該惰性氣體保護(hù)合金元素在霧化過程中不被 氧化，其氣霧化粉末具有特定的流暢，圓潤的形狀。水霧化通常也用于生產(chǎn)粉末金屬。它與氣霧化類似，但霧化液是選用高壓水來代 替氮氣。水可以是更為有效的淬火介質(zhì)，從而與傳統(tǒng)的氣霧化相比具有更高的固化率。水 霧化粒子通常具有比較不規(guī)則的形狀，其更適合于隨后壓實粉末以使得粉末金屬壓實體達(dá) 到更高的生坯強(qiáng)度。然而，對于含有易氧化的高水平的鉻，釩和/或鉬的工具鋼和其他合金 而言，用水作為霧化液將導(dǎo)致合金元素在霧化時被氧化，且這些合金元素的聚集使得它們 不能與碳反應(yīng)形成碳化物。因此，如果采用水霧化，可能需要跟進(jìn)一個單獨的氧化還原和/ 或退火周期，其中粉末被加熱并維持在高溫下一段時間(近似的數(shù)小時或者數(shù)天)，同時需 要還原劑參與，如粉狀石墨或其他碳源或其他還原劑或通過另一個還原過程。石墨中的碳 與氧結(jié)合以釋放合金元素，使他們在隨后的燒結(jié)和退火階段形成碳化物，隨后是固化該粉 末而生坯壓坯。應(yīng)當(dāng)理解，額外的退火/還原步驟和另外的石墨粉將增加通過水霧化形成 高合金粉末的成本和復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種生產(chǎn)高合金鋼粉末的方法，該粉末含有鉬，鉻， 鎢或釩中的至少一種，該方法采用水霧化，但以保護(hù)易氧化的合金元素在霧化中不被氧化 的方式進(jìn)行，使得合金元素可形成碳化物。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，高合金鋼中的碳含量顯著超過形成期望的碳化物的所需 的化學(xué)計量。該增加的碳有利于顯著降低熔化鋼中氧的溶解度，從而抑制熔化物中氧含量。 通過有效降低氧氣水平，該合金元素在熔化體和霧化中不易被氧化。因此合金元素鉬，鉻， 鎢和/或釩中的一種或多種在隨后的熔化和霧化中保持游離狀態(tài)，以與碳結(jié)合形成在粒子 母體中均勻分布的高體積濃度的碳化物。因此，該高濃度的碳的作用是，通過降低熔化物中 的氧含量以保護(hù)合金元素不被氧化，并在隨后與未氧化的游離合金元素結(jié)合以在燒結(jié)過程 中生成在粉末中高濃度均一分布的碳化物。結(jié)果與傳統(tǒng)的氣霧化或傳統(tǒng)的水霧化工藝相對 的具有較低碳含量的組合物相比，完全合金粉末被廉價生產(chǎn)，同時具有提高的硬度。該高碳 水霧化粉末還省略了隨后必要的熱處理(長期退火和/或氧化還原)，這在低碳含量時為了 減少氧并產(chǎn)生相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)是必須的。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，合金組合物中包含的“高”碳量是指其化學(xué)計量超過形成 粒子中碳化物的期望類型和體積百分率所需的碳?！案摺钡奶及俜?jǐn)?shù)可能根據(jù)特定的合金成 分發(fā)生變化。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，通過上述水霧化過程來生產(chǎn)低成本的高合金鋼粉末。水 霧化粉末合金包含選自鉻、釩、鉬或鎢中至少一種合金，其具有至少3. 0重量％的碳。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供的低成本的水霧化工具鋼合金粉末具有至少3重 量％的碳，高于10重量％的鉻，低于5重量％的鉬和低于0. 5重量％的氧含量，其氧達(dá)到 約0. 2重量％。在霧化狀態(tài)下，由于在水霧化過程中發(fā)生快速凝固，碳化物形成合金示出 為超飽和的狀態(tài)。該未氧化的超飽和狀態(tài)的合金元素與高碳量結(jié)合，使得碳化物在隨后的 燒結(jié)階段迅速沉淀和充分生長(幾分鐘內(nèi))，而不需要長期的在先的退火周期(數(shù)小時或 數(shù)天)，雖然如果需要的話粉末可以進(jìn)行退火，例如，從1至48小時，溫度約900-110(TC， 或如果需要的話可依照其他退火周期。應(yīng)當(dāng)理解，退火不是強(qiáng)制性的，但是可選的?？梢?生產(chǎn)高體積百分?jǐn)?shù)的碳化物(類似于47-52體積％ )，且碳化物均勻分散和非常細(xì)小(約 1-2 μ m)。由此產(chǎn)生的高體積密度碳化物沉淀以制備一種非常堅硬的粉末，其顯微硬度在范 圍 1000-1200Hv50 內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，可制備特定合金組合物，其重量百分比為，3. 8碳，13 鉻，4釩，1. 5鉬和2. 5鎢，剩余量基本上為鐵。燒結(jié)后的粉末粒子中富含鉻的碳化物的體 積分?jǐn)?shù)為約40-45體積％，富含釩的碳化物為約7體積％。富含鉻的碳化物的尺寸約為 1-2 μ m0粒子的顯微硬度為約1000-1200Hv5(1。這些性能可以通過燒結(jié)和退火來維持，包括 硬度大于IOOOHV5ci，盡管粒子中包含的超過形成碳化物所需的過量的碳如果與另一個具有 較低碳含量的鐵粉組分混合可分散粒子的硬度。這些過量的碳擴(kuò)散具有額外的消除作用或 者至少降低富含碳的粉末(如石墨粉)所需的添加量，所述粉末是指有時需要在壓實和燒 結(jié)過程中為了控制微觀結(jié)構(gòu)和提高性能而添加的。此外，預(yù)合金碳會降低石墨分離的趨勢， 該趨勢可能隨著單獨的石墨的添加而發(fā)生。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，水霧化粉末在霧化后通過機(jī)械研磨而破裂并分離出任5何外部氧化皮，該氧化皮可能是在水霧化過程中形成的。應(yīng)當(dāng)理解，雖然合金帶有高的碳含 量，粒子外表面還是可能發(fā)生氧化，而粒子內(nèi)的合金成分在熔化和霧化過程中不被氧化。在 某些情況下，氧含量可能足夠低(如低于0. 03重量％ )，粉末表面的任何氧化物極少且不用 去掉就可以接受，，從而在某些情況下至少為了破裂外表面層而進(jìn)行研磨是可選的。該機(jī)械 研磨通過去除材料的外氧化層可同時減小粒子的大小并降低粒子的有效氧含量，如果需要 的話，它也可以在水霧化中形成。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，添加不損害合金的期望屬性的硫，錳和其他元素，包括偶 然的和/或不可避免的雜質(zhì)，都屬于本發(fā)明的范圍。


本領(lǐng)域的技術(shù)人員結(jié)合詳細(xì)說明和附圖中示出的生產(chǎn)該粉末的工藝流程，可以更 好地理解本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點。附圖1中示出了高碳高合金鋼粉末的生產(chǎn)過程。
具體實施例方式準(zhǔn)備好一批熔化的完全合金鋼10并將其送入水霧化器12中，其中熔化金屬流10 被高壓水流沖擊，該高壓水流將熔融金屬流分散并迅速凝固成全合金金屬液滴或者不規(guī)則 形狀的粒子。該粒子的外表面由于暴露于水和無保護(hù)的大氣中而有可能被氧化。霧化粉末 通過烘干機(jī)14后被傳輸?shù)侥ゴ?6上，在磨床上被機(jī)械研磨或壓碎。可以使用球磨機(jī)或者 其他減速機(jī)械設(shè)備。機(jī)械研磨該粒子將外氧化皮破裂并從粒子上分離開。這些粒子本身也 可能破裂而減小尺寸。研磨后的粒子將氧化物分開，形成水霧化粉末18和氧化物粒子20。 粉末18可根據(jù)尺寸、形狀和其他通常與金屬粉末相關(guān)的特征作進(jìn)一步分類。這批合金鋼10具有高合金含量，高碳含量和低氧含量。合金含量包括工具鋼級的 鋼所特有的碳化物形成元素，即鉻，鉬，釩或鎢中的至少一個?！案摺碧己渴侵钙浜吭诨?學(xué)計量上超過形成粒子中所需的碳類型和體積％的量。“低”氧量是指氧含量低于0.5重 量％。在熔化物中添加過量的碳的原因是避免合金在熔化和霧化過程中被氧化。鋼的碳 含量增加降低了熔化物中氧的溶解度。減少溶化物中的氧氣水平有利于防止碳化物形成合 金組分在熔化或水霧化過程中被氧化，因而保持游離狀態(tài)而與碳結(jié)合以在燒結(jié)過程形成所 需的碳化物。高碳量的另一個原因是為了確保該母體中的殘留的碳化沉淀物大致為馬氏體 和/或奧氏體，特別是當(dāng)鉻和/或鎢的水平很高時。至少出于成本考慮，希望相對于其他元素提高某些碳化物形成合金元素。因此，雖 然鉬是形成高碳密度的硬質(zhì)碳化物的很好的選擇，但是與鉻相比，非常昂貴。因此，為了開 發(fā)一種低成本的工具鋼級質(zhì)量的鋼，其性能與更貴和傳統(tǒng)的M2級工具鋼至少相當(dāng)，建議以 較便宜的元素替代較昂貴的形成元素，同時增加碳含量以通過性能和成本結(jié)構(gòu)實現(xiàn)所需的 最終結(jié)果。這是通過在鋼合金中添加至少5重量％的鉻，將鉬減少到少于1. 5重量％并增 加碳量至超過3重量％來實現(xiàn)的。釩，鎢的添加可以根據(jù)所需形成碳化物變化。下表1給 出了結(jié)合本發(fā)明制備的特定合金組合物L(fēng)A的實施例，與之相對比的是商品級的M2工具鋼。表1、合金成分(重量％ )
權(quán)利要求
1.預(yù)燒結(jié)粉末金屬組合物，包括至少一部分預(yù)合金水霧化鋼粉末，其含有至少3. 0重量％的碳；選自鉻，釩，鉬或鎢中 的至少一個碳化物形成合金元素；含量低于0. 5重量％的氧，且剩余量中除了偶然的雜質(zhì) 以外，基本上是鐵。
2.如權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，所述至少一個碳化物形成合金元素為過 飽和狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，所述預(yù)合金粉末中鉻含量高于10重量％， 而鉬含量低于5重量％。
4.如權(quán)利要求3所述的組合物，其特征在于，鉻為約13重量％，鉬為約1.5重量％，并 且進(jìn)一步包括約4重量％的釩和2. 5重量％的鎢。
5.如權(quán)利要求3所述的組合物，其特征在于，所述鉬的含量約為1.5重量％。
6.如權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，所述預(yù)合金鋼粉末部分與另一粉末混合。
7.如權(quán)利要求6所述的組合物，其特征在于，來自于所述預(yù)合金粉末中的碳在燒結(jié)過 程中滲入所述的另一粉末中。
8.如權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，所述粉末在退火或者不退火的情況下，所 述至少一個碳化物形成合金元素都為過飽和狀態(tài)。
9.如權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，所述粉末被機(jī)械研磨。
10.如權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，所述粉末未經(jīng)研磨。
11.一種粉末金屬的制造方法，包括制備一熔化鋼合金組合物，該組合物中包括碳，選自鉻，釩，鉬或鎢中的至少一個碳化 物形成合金元素，剩余量中除了偶然的雜質(zhì)以外，基本上是鐵；水霧化所述熔化合金以產(chǎn)生預(yù)合金粉末金屬粒子；及在熔化鋼合金的制備過程中，控制碳的加入量使得碳含量超過與所述至少一種碳化物 形成合金元素結(jié)合以在隨后的燒結(jié)階段中產(chǎn)生碳化物所需的量，從而定義一個過量的碳成 分，該過量的碳成分降低熔化鋼合金中的氧的溶解度并保護(hù)所述至少一種碳化物形成合金 元素在水霧化時被氧化。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述碳含量為至少3.0重量％，其氧含量 低于0. 5重量％。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，包括選擇至少鉻作為所述碳化物形成合金元素，其含 量大于10重量％。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，包括選擇鉻的含量大于13重量％。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，包括選擇至少鉬作為所述碳化物形成合金元素，其含量低于5重量％。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一個碳化物形成合金元素在所 述水霧化粉末中過飽和。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，包括壓實和燒結(jié)所述金屬粉末，使得碳與所述至少一 個碳化物形成合金元素結(jié)合以形成碳化物。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，包括將所述預(yù)合金粉末與另一粉末混合，使得至少部 分所述預(yù)合金粉末中的碳在燒結(jié)過程中滲入所述另一粉末中。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，包括在燒結(jié)之前機(jī)械研磨所述預(yù)合金粉末。
20.如權(quán)利要求11所述的方法，包括在燒結(jié)之前退火所述預(yù)合金粉末，其中所述至少 一個碳化物形成合金元素中的至少部分為過飽和。
21.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述預(yù)合金粉末在燒結(jié)之前未進(jìn)行退火 和研磨。
22.如權(quán)利要求11的所述的方法，其特征在于，鉻為約13重量％，鉬為約1.5重量％和 進(jìn)一步包括約4重量％的釩和2. 5重量％的鎢。
23.一種制造燒結(jié)制品的方法，包括制備一熔化金屬合金組合物，該組合物中包括至少3. 0重量％的碳；選自鉻，釩，鉬或 鎢中的至少一個碳化物形成合金元素；含量小于0. 5重量％的氧，剩余量中除了偶然的雜 質(zhì)以外基本上為鐵；水霧化所述熔化金屬合金以生產(chǎn)預(yù)合金粉末；壓實并燒結(jié)單獨的或與其他粉末混合的所述預(yù)合金粉末，使碳與所述至少一個碳化物 形成合金元素結(jié)合以形成碳化物。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，水霧化后，所述至少一個碳化物形成合金 元素過飽和。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述預(yù)合金粉末與另一粉末在燒結(jié)過程 中混合，其中部分碳從所述預(yù)合金粉末中滲入到所述另一粉末中。
26.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，在燒結(jié)過程中，所述預(yù)合金粉末中的碳與 至少一個碳化物形成合金元素結(jié)合形成碳化物。
27.如權(quán)利要求M所述的方法，其特征在于，燒結(jié)后的所述預(yù)合金粒子中富含鉻的碳 化物的體積分?jǐn)?shù)為至少40體積％。
28.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，燒結(jié)后的所述預(yù)合金粒子中富含鉻的碳 化物的體積分?jǐn)?shù)為至少45體積％。
29.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，燒結(jié)后的所述預(yù)合金粒子中富含釩的碳 化物的體積分?jǐn)?shù)為至少7體積％。
30.如權(quán)利要求沈所述的方法，其特征在于，燒結(jié)后的所述預(yù)合金粒子中富含釩的碳 化物的體積分?jǐn)?shù)為至少7體積％。
31.如權(quán)利要求M所述的方法，其特征在于，燒結(jié)后的所述預(yù)合金粒子中碳化物的體 積分?jǐn)?shù)為至少47體積％。
32.如權(quán)利要求四所述的方法，其特征在于，所述碳化物的尺寸約為1-2μ m。
33.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，鉻占13重量％，鉬占1.5重量％，釩占4 重量％，且鎢占2. 5重量％。
34.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，鉻超過10重量％，鉬低于5重量％。
35.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，燒結(jié)后的預(yù)合金粉末的顯微硬度為1000-1200Hv50o
全文摘要
一種應(yīng)用于高磨損和高溫的粉末金屬鋼合金組合物，通過水霧化熔化金屬合金組合物形成，該熔化金屬合金組合物中包括至少3.0重量％的碳；選自鉻、釩、鉬或鎢中至少一個碳化物形成合金元素；氧含量低于0.5重量％，剩余量中除了偶然的雜質(zhì)以外，基本上是鐵。該高碳量降低了熔化物中氧的溶解度，從而將氧含量降低至——比導(dǎo)致該碳化物形成元素在水霧化過程中氧化的量要低。因此該合金元素不與氧化物反應(yīng)，而在隨后的燒結(jié)階段用來快速直接形成碳化物。過量的碳還可用于滲入一種或者多種摻粉中，該摻粉在燒結(jié)中被添加到預(yù)制合金粉末中以控制最后部分的微結(jié)構(gòu)和性能。
文檔編號B22F1/00GK102057072SQ200980121989
公開日2011年5月11日 申請日期2009年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月8日
發(fā)明者吉勒斯·L"埃斯佩蘭斯, 小丹尼斯·B·克里斯托弗森, 托德·舍恩懷特, 萊斯利·約翰·法辛, 飛利浦·比利 申請人:蒙特利爾大學(xué)蒙特利爾理工學(xué)院公司, 費德羅-莫格爾公司