專利名稱：用于制備經(jīng)燒結(jié)的金屬構(gòu)件的前體、制備所述前體的方法以及所述構(gòu)件的制備方法
用于制備經(jīng)燒結(jié)的金屬構(gòu)件的前體、制備所述前體的方法以及所述構(gòu)件的制備方法本發(fā)明涉及用于制備經(jīng)燒結(jié)的金屬構(gòu)件的前體、制備所述前體的方法以及所述構(gòu)件的制備方法。為了制備經(jīng)燒結(jié)的金屬構(gòu)件的粉末，通常使用由各種金屬和通常由金屬合金形成的粉末，構(gòu)件希望用所述金屬或金屬合金制備。通過對初始粉末的選取和預(yù)處理能對構(gòu)件的制備施加顯著的影響，其決定了構(gòu)件的性能。因此，所用粉末的粒度大大影響了所制得的構(gòu)件材料的物理密度以及在燒結(jié)過程中的收縮率。過去，特別是由于預(yù)先采用了高能碾磨技術(shù)，構(gòu)件材料的燒結(jié)活性得以提高，由此還提高了構(gòu)件材料的性能。對所用的金屬粉末當(dāng)然還提出了其它的要求。在制備生坯的加工過程中，燒結(jié)粉末之前要求粉末具有良好的流動性，提高的生坯密度和生坯強(qiáng)度。如果生坯在壓制成型的過程中獲得較高的生坯密度，那么在制得的燒結(jié)構(gòu)件中所出現(xiàn)的收縮率降低。但是希望非常小的收縮率，以使得能夠制備輪廓銳利的構(gòu)件，在其中不必進(jìn)行后加工。高合金金屬粉末由于硬度不能通過簡單的粉末冶金技術(shù)如壓制和燒結(jié)來加工成燒結(jié)構(gòu)件。對這類合金粉末進(jìn)行高能碾磨以及隨后的團(tuán)聚均會導(dǎo)致所述粉末例如能被壓縮 (verpressbar)。但是，隨著燒結(jié)活性的提高的代價(jià)必然是差的技術(shù)參數(shù)例如低堆積密度、 差的流動性以及在燒結(jié)過程中高的收縮程度。由于所述不利的性能，在沒有客觀的機(jī)械后加工的情況下是不可能制備出高密度構(gòu)件的。由慣常方式制得的燒結(jié)構(gòu)件能夠達(dá)到如下物理密度，即不大于理論密度的95%以及至少10%的收縮率。因此本發(fā)明的目的在于提出一種能夠制備經(jīng)燒結(jié)的金屬構(gòu)件的可能方法，其使得在制得的燒結(jié)構(gòu)件能夠提高物理密度同時(shí)降低收縮率。按照本發(fā)明，這一目的通過具有權(quán)利要求1中特征的前體實(shí)現(xiàn)。所述前體可通過如權(quán)利要求7所述的方法制備。權(quán)利要求11涉及經(jīng)燒結(jié)的金屬構(gòu)件的制備方法。本發(fā)明中有利的實(shí)施方式和改進(jìn)方案由從屬權(quán)利要求所限定的特征實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明旨在提供有利的制備經(jīng)燒結(jié)的金屬構(gòu)件的可能方法。其中，使用粉末前體， 該粉末前體替代之前所使用的金屬粉末來進(jìn)行成型和燒結(jié)。前體由用殼層包圍著的芯體組成。為了進(jìn)行該前體的制備，使用至少在其粒度上不同的第一和第二粉末。這樣，形成芯體的第一粉末的顆粒較大且其粒度d9(l至少為50 μ m， 優(yōu)選為至少80 μ m。所述粉末為金屬或金屬合金。第二粉末的顆粒較小且其粒度d9(l小于25 μ m，優(yōu)選小于20 μ m，非常特別優(yōu)選小于ΙΟμπ 。殼層中還包含有粘合劑。所述粘合劑可以優(yōu)選為有機(jī)的。例如能使用聚乙烯醇 (PVA)作為粘合劑。第二粉末可以為金屬、金屬合金或金屬氧化物。但是，第二粉末也可以為這些組分中的至少兩種的混合物。此外，碳能夠以石墨的形式存在。在最簡單的情況下，第一和第二粉末的顆粒可由相同的金屬或相同的金屬合金形成。但是，有利的是對于所述兩種粉末使用不同的金屬、金屬合金或?qū)τ诘诙勰┦褂媒饘傺趸?。由此存在這樣的可能性，進(jìn)行成品構(gòu)件制備的燒結(jié)過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)合金形成，或者通過合金成分的濃度平衡實(shí)現(xiàn)制得的構(gòu)件材料中的改變的合金組成。對于進(jìn)一步加工有利的是，在制備生坯的過程中以及在成品構(gòu)件中，第二粉末的延展性優(yōu)于第一粉末。由此，在以成型方法制備生坯的壓制過程中可以實(shí)現(xiàn)更高的生坯密度，這最終導(dǎo)致在燒結(jié)后獲得更高的構(gòu)件物理密度并降低收縮率。殼層在其中也起到類似于壓制助劑的功能。在前體情況下，應(yīng)當(dāng)如此制備前體的各個(gè)顆粒也即殼層所占的質(zhì)量份額最多為和芯體的質(zhì)量份額一樣大。粘合劑在殼層中的份額可以保持不考慮或忽略不計(jì)。但是，芯體的質(zhì)量份額應(yīng)當(dāng)優(yōu)選大于殼層的質(zhì)量份額。殼層還應(yīng)當(dāng)具有相同的層厚，這既應(yīng)適用于單獨(dú)的前體顆粒，也應(yīng)適用于所有的前體顆粒。本發(fā)明中的前體可通過向第一粉末顆粒噴涂懸浮液制得。其中所述懸浮液包含第二粉末顆粒和粘合劑。所述懸浮液可使用水性懸浮液。在噴涂的過程中，第一粉末的顆粒被攪動。為此例如可使用流化床轉(zhuǎn)筒。在形成芯體的第一粉末顆粒上達(dá)到指定的殼層厚度后，可以干燥所述前體顆粒。 由此可達(dá)到理論密度的大約40%的高堆積密度，以及達(dá)到好的流動性，其由Hall流動漏斗 (Hall Flow Trichter)測定并可以為低于30s。另外，可對前體進(jìn)行預(yù)燒結(jié)。由此可對前體的性能產(chǎn)生顯著影響，這涉及其堆積密度和流動性。用這種方法能提高堆積密度，并改善流動性。就后者而言，例如在至少800°C 的溫度進(jìn)行預(yù)燒結(jié)時(shí)，流動時(shí)間可由40s減少為30s。這能夠通過Hall流動漏斗確定。最終燒結(jié)構(gòu)件的物理密度也可得到提高，并且收縮率降低到低于5%。前體隨后可進(jìn)行成型。這里，施加導(dǎo)致致密化的壓力。其中所獲得生坯達(dá)到提高的生坯密度和生坯強(qiáng)度。在壓制的過程中，殼層中所含的組分顯著變形。而芯體在此期間通常保持不變形。殼層的變形能夠?qū)崿F(xiàn)增強(qiáng)的致密化，這導(dǎo)致降低了燒結(jié)過程中的收縮率。 所述收縮率可保持低于8%。減少到5%以及更低的情況也是可能的。最終燒結(jié)構(gòu)件的物理密度可達(dá)到理論密度的至少92%和達(dá)到或超過95%。如前所述，在燒結(jié)過程中能夠?qū)е潞辖鹦纬苫蚋淖兊暮辖鸾M成。這里，如果兩種粉末具有彼此不同的一致性或組成，那么用于芯體和殼層的兩種粉末之間發(fā)生濃度平衡。可利用擴(kuò)散過程。這里，最長的擴(kuò)散路徑是前體粒徑的0.5倍。相比于常規(guī)制備工藝，擴(kuò)散所需要的時(shí)間能顯著減少。這同樣適用于與已知采用擴(kuò)散粘結(jié)粉末相比較，其中例如鎳或鉬顆粒被燒結(jié)進(jìn)純鐵顆粒上。但是，僅非常少份額的0. 至2%的合金元素能通過所述方法獲得。于此相比，通過本發(fā)明獲得了高得多的合金化的構(gòu)件材料。相比于已知的技術(shù)方案， 按照本發(fā)明通過燒結(jié)所制得的合金的一致性能夠被設(shè)定得非常精確并可重現(xiàn)地制備。這樣可以制備不同的鐵基、鈷基以及鎳基合金。其中各基礎(chǔ)金屬的份額至少為50 質(zhì)量％。 接下來，將以實(shí)施例來詳細(xì)解釋本發(fā)明。實(shí)施例1制備了一種構(gòu)件，其中的構(gòu)件材料為5. 8W、5. OMo,4. 2Cr、4. IV,0. 3Mn、0. 3Si、l. 3C
的鐵合金。對于形成前體芯體的第一粉末使用包含8. 1W、6. 7Mo、5. 9Cr、0. 4Mn、0. 4Si的鐵基合金。其粒度d9Q為95 μ m。第二粉末用于殼層，其是質(zhì)量百分比為31.0%的羰基鐵粉末與1.3%的部分無定形石墨的混合物，各自的粒度d9(1小于10 μ m。這樣得到67. 7質(zhì)量％的芯體份額和32. 3質(zhì)量％的不含粘合劑的殼體份額。羰基鐵以還原態(tài)使用，但是也可以非還原態(tài)使用。第一粉末作為初始加料而加入到流化床轉(zhuǎn)筒中并在其中被攪動。通過與轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)方向呈切向設(shè)置的雙物質(zhì)噴嘴噴入由水、PVA以及用于殼層的粉末混合物形成的懸浮液。包圍著芯體的殼層的形成應(yīng)當(dāng)盡可能緩慢地進(jìn)行。所述懸浮液的組成為質(zhì)量百分比為38%的水、58%的羰基鐵粉末、2. 4%的部分無定形石墨以及1. 8%的粘合劑(PVA)。干燥之后粉狀前體的粒度d9(1為125 μ m。隨后進(jìn)行成型，以壓制來實(shí)現(xiàn)致密化和形成生坯。對此可采用通常的成型方法，如在模具中模壓、注塑或擠出?？色@得6. 9g/cm3的生坯密度以及10. 3MPa的生坯強(qiáng)度。其后，在成型氣體氛圍下(占體積分?jǐn)?shù)10%的H2和90%的N2)對生坯進(jìn)行燒結(jié)。 熱處理溫度以25(TC、350°C和600°C的多個(gè)階段進(jìn)行，并在每個(gè)階段保持0.證。最高溫度 1200°C保持 2h。完成燒結(jié)的構(gòu)件具有7. 95g/cm3的物理密度，而燒結(jié)之后的收縮率為4. 6%。這種材料的理論密度為7. 97g/cm3。實(shí)施例2為了由34. OCr,2. IMo,2. OSiU. 3C、余量為鐵的鐵基合金制備構(gòu)件，對于芯體使用粒度d90為82 μ m的含51. 5Cr、3. 6Μο、2· 7Si、0. 68Μη、1· 9C、余量為鐵的合金的第一粉末。對于第二粉末，其中有一次使用未還原的羰基鐵粉末(粒度d9(l為9μπι)作為變體 1，以及使用由被還原的鐵氧化物形成的鐵粉末(粒度d9(l為5 μ m)作為變體2。第一粉末的質(zhì)量份額為66.7%，而第二粉末的質(zhì)量百分比在每一情況下為 33. 3 % ο第一粉末作為初始加料而加入到流化床轉(zhuǎn)筒中并在其中被攪動。通過與轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)方向呈切向設(shè)置的雙物質(zhì)噴嘴噴入由水、PVA以及用于殼層的粉末混合物形成的懸浮液。包圍著芯體的殼層的形成應(yīng)當(dāng)盡可能緩慢地進(jìn)行。所述懸浮液的組成為質(zhì)量百分比為49%的水、49%的第二粉末以及2%的粘合劑(PVA)。由變體1所得的前體具有2. 2g/cm3的堆積密度，以及由Hall流動漏斗測得的流動時(shí)間為36s。而由變體2所得的前體能具有2. 4g/cm3的堆積密度，以及測得的流動時(shí)間 33s0隨后進(jìn)行成型，以壓制來實(shí)現(xiàn)致密化和形成生坯。對此可采用通常的成型方法，如在模具中模壓、注塑或擠出。由變體1所得的生坯具有5. 3g/cm3的生坯密度以及3. SMPa的生坯強(qiáng)度，而由變體2所得生坯具有5. 4g/cm3的生坯密度以及5. OMPa的生坯密度。隨后，由所有兩種變體所得的生坯在成型氣體氛圍(占體積分?jǐn)?shù)10%的!12和占體積分?jǐn)?shù)90%的隊(duì))下燒結(jié)。采用階梯式的溫度制度，并在250°C、350°C和600°C的溫度各保持0.證。隨后在1250°C保持池完成燒結(jié)。由變體1所得的完成燒結(jié)的構(gòu)件具有7. lg/cm3的物理密度，且燒結(jié)之后的收縮率為7. 6%，而由變體2所得的完成燒結(jié)的構(gòu)件具有6. 9g/cm3的物理密度，且收縮率為6. 3%。 這種材料的理論密度為7. 35g/cm3。實(shí)施例3為了用具有如下組成的目標(biāo)合金作為鈷基合金制備構(gòu)件27.6Mo，8.9Cr，2.2Si， 余量為鈷，使用第二合金粉末和由水霧化的第一合金粉末，其中第一合金包含27. 6Mo, 8. 9Cr，2. 2Si，余量的鈷，且粒度d90為53. 6 μ m,第二合金包含27. 6Mo，8. 9Cr，2. 2Si，余量的鈷，且粒度d9(1為21μπι。為了制備前體，所述兩種粉末均以質(zhì)量百分比50%使用。懸浮液的組成為質(zhì)量百分比為的水、69%的第二粉末、的石蠟以及1.4%的粘合劑(PVA)。第一粉末作為初始加料而加入到流化床轉(zhuǎn)筒中并在其中被攪動。通過與轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)方向呈切向設(shè)置的雙物質(zhì)噴嘴噴入由水、PVA以及用于殼層的粉末混合物形成的懸浮液。包圍著芯體的殼層的形成應(yīng)當(dāng)盡可能緩慢地進(jìn)行。干燥之后，粉末前體的粒度d9(1為130 μ m。其堆積密度為3. Og/cm3，且通過Hall流動漏斗測得流動時(shí)間為四8。隨后進(jìn)行成型，以壓制來實(shí)現(xiàn)致密化和形成生坯。對此可采用通常的成型方法，如在模具中模壓、注塑或擠出。獲得6. 4g/cm3的生坯密度。隨后，生坯在以下的參數(shù)條件下并在氫氣氛圍中進(jìn)行燒結(jié)熱處理以250°C、350°C和600°C溫度的多個(gè)階段進(jìn)行，并在每個(gè)階段保持0. 5h，隨后升溫至1285°C。并在該最高溫度保持池。完成燒結(jié)的構(gòu)件具有8. 7g/cm3的物理密度，而燒結(jié)之后的收縮率為10. 2%。
權(quán)利要求
1.用于制備經(jīng)燒結(jié)的金屬構(gòu)件的前體，其中在各自由第一金屬粉末的一個(gè)顆粒形成的芯體上形成殼層，且其中殼層用第二粉末和粘合劑形成；其中所述第一粉末的粒度d9(1為至少50 μ m,和所述第二粉末的粒度d9(1為小于25 μ m, 且所述前體是粉狀的。
2.如權(quán)利要求1所述的前體，其特征在于所述芯體由金屬或金屬合金形成。
3.如權(quán)利要求1或2所述的前體，其特征在于所述殼層用金屬、金屬合金和/或金屬氧化物形成。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的前體，其特征在于所述殼層中的金屬、金屬合金和 /或金屬氧化物所占的質(zhì)量份額少于或等于形成各芯體的第一粉末顆粒的質(zhì)量份額。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的前體，其特征在于所述殼層中另外含有碳。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的前體，其特征在于用于形成所述殼層的第二粉末的延展性優(yōu)于形成所述芯體的第一粉末。
7.制備如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的前體的方法，其特征在于，在粒度d9(l至少為 50 μ m的第一金屬粉末上以如下方式涂覆含有粒度d9(l小于25 μ m的第二粉末和粘合劑的懸浮液使得含粘合劑和第二粉末顆粒的殼層形成在形成芯體的第一粉末顆粒上。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于作為第二粉末使用金屬、金屬合金和/或金屬氧化物。
9.如權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于使用這樣的第一粉末和第二粉末，它們在燒結(jié)過程中形成金屬合金。
10.如權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于攪動第一粉末顆粒，在此情況下同時(shí)噴涂含所述粘合劑和第二粉末的懸浮液，并在達(dá)到可預(yù)定的殼層層厚后干燥所述前體。
11.使用如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的粉狀前體來制備經(jīng)燒結(jié)的金屬構(gòu)件的方法， 其中，經(jīng)干燥的粉狀前體經(jīng)歷成型過程，在該成型過程中使其致密化并獲得生坯，隨后對其進(jìn)行燒結(jié)以制備所述構(gòu)件。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在殼層中含有金屬氧化物的前體在還原性氣氛下進(jìn)行燒結(jié)過程。
13.如權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，由燒結(jié)過程中第一粉末和第二粉末所含的成分形成金屬合金。
14.如權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于在燒結(jié)過程的實(shí)施中通過擴(kuò)散過程實(shí)現(xiàn)合金形成。
15.如權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，用借助第二粉末形成的懸浮液涂覆第一粉末顆粒，以在該由第一粉末顆粒形成的芯體上形成殼層，所述成型過程和所述燒結(jié)過程如此實(shí)施使得在燒結(jié)后收縮率低于8%，且密度大于理論密度的92%。
16.如前所述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于制備用鐵基、鈷基或鎳基合金形成的構(gòu)件。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于制備經(jīng)燒結(jié)的金屬構(gòu)件的前體、制備所述前體的方法以及所述構(gòu)件的制備方法。本發(fā)明的目的在于提出可行的能制備經(jīng)燒結(jié)的金屬構(gòu)件的方法，該方法使得所制得的燒結(jié)構(gòu)件能具有提高的物理密度和降低的收縮率。在本發(fā)明的用于制備經(jīng)燒結(jié)的金屬構(gòu)件的前體中，在各自由第一金屬粉末的一個(gè)顆粒形成的芯體之上形成殼層。殼層由第二粉末和粘合劑形成。其中第一粉末的粒度d90至少為50μm，第二粉末的粒度d90小于25μm。所述前體是粉狀的。
文檔編號B22F1/00GK102245332SQ200980149949
公開日2011年11月16日 申請日期2009年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月11日
發(fā)明者P·洛伊特, U·瓦格 申請人:H.C.施塔克股份有限公司