專利名稱：燒結(jié)合金及其制備方法
燒結(jié)合金及其制備方法相關(guān)專利申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)基于并要求于2011年9月7日提交的在先日本專利申請(qǐng)No. 2011-195087的優(yōu)先權(quán)；其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用的方式并入本申請(qǐng)。背景1.技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明涉及一種適用于渦輪增壓器所用渦輪部件的燒結(jié)合金及該燒結(jié)合金的制備方法，其中的渦輪部件特別為噴嘴本體等需要耐熱性、耐腐蝕性以及耐磨性的部件。2.
背景技術(shù)：
一般，在內(nèi)燃機(jī)中設(shè)置的渦輪增壓器中，渦輪可旋轉(zhuǎn)地被渦輪機(jī)外殼所支承，所述潤(rùn)輪機(jī)外殼與內(nèi)燃機(jī)的排氣歧管相連，且多個(gè)噴嘴葉片(nozzle vanes)被可旋轉(zhuǎn)地支承以便圍繞在渦輪的外圍。當(dāng)渦輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，流入渦輪機(jī)外殼的廢氣從其外部流入渦輪，并且沿渦輪的軸向排出。然后，通過(guò)空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，將向內(nèi)燃機(jī)中提供的空氣壓縮，所述空氣壓縮機(jī)與渦輪同軸，并且設(shè)置在渦輪的對(duì)面。本文中，噴嘴葉片可旋轉(zhuǎn)被稱之為“噴嘴本體”或“噴嘴座架(mount nozzle) ”的環(huán)形部件所支撐。所述噴嘴葉片的軸穿過(guò)噴嘴本體并與連桿機(jī)構(gòu)相連。然后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)使得噴嘴葉片旋轉(zhuǎn)，從而控制廢氣流入通道的開(kāi)度。本發(fā)明涉及設(shè)置在渦輪機(jī)外殼內(nèi)的渦輪部件，例如噴嘴本體(噴嘴座架)或附加在其上的噴嘴板(plate nozzle)。上述用于渦輪增壓器的渦輪部件因?yàn)樵摐u輪部件與高溫腐蝕性氣體接觸所以需要耐熱性和耐腐蝕性，并且因?yàn)樵摐u輪部件與噴嘴葉片有相對(duì)滑動(dòng)所以需要耐磨性。根據(jù)這一觀點(diǎn)，通常使用高鉻鑄鋼，由Jis(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))SCH22制造的耐磨材料等，所述耐磨材料為了增強(qiáng)耐腐蝕性等進(jìn)行了鉻表面處理。此外，作為具有耐熱性、耐腐蝕性和耐磨性的低成本的耐磨部件，提出了一種碳化物分散在鐵素體鋼材的基體材料中的耐磨燒結(jié)部件(參考專利文獻(xiàn)No.1)。然而，由于專利文獻(xiàn)I中公開(kāi)的燒結(jié)部件是通過(guò)液相燒結(jié)來(lái)制備的，所以在要求嚴(yán)格尺寸精度的情況下，可能對(duì)該燒結(jié)部件進(jìn)行機(jī)加工。由于在燒結(jié)部件內(nèi)析出大量的硬質(zhì)碳化物，因此所述燒結(jié)部件的可加工性不佳，因此需要進(jìn)行改進(jìn)。此外，渦輪部件通常由奧氏體耐熱材料制成，而專利文獻(xiàn)I中公開(kāi)的渦輪部件由鐵素體不銹鋼材料制成。在這種情況下，由于渦輪部件與鄰近部件的熱膨脹系數(shù)不同，因此在渦輪部件與鄰近部件之間形成一些間隙，從而導(dǎo)致渦輪部件與鄰近部件之間連接不充分，并且使得難以進(jìn)行渦輪增壓器中適用的部件的設(shè)計(jì)。因此，期望渦輪部件與那些由奧氏體耐熱材料制備的鄰近部件具有相似的熱膨脹系數(shù)。專利文獻(xiàn)I JP-B2 No. 3784003(專利)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種燒結(jié)合金，其具有優(yōu)異的耐熱性、耐腐蝕性、耐磨性和可加工性，并且具有與奧氏體耐熱材料相似的熱膨脹系數(shù)，從而使得容易進(jìn)行部件設(shè)計(jì)。本發(fā)明的另一目的是提供制備該燒結(jié)合金的方法。為了解決上述問(wèn)題，依據(jù)本發(fā)明的燒結(jié)合金的第一要點(diǎn)為該燒結(jié)合金由兩種相組成，一相為其中含有較大的分散的碳化物并且具有耐熱性和耐腐蝕性的A相，另一相為其中含有較小的分散的碳化物并且有耐熱性和耐腐蝕性的B相；并且該燒結(jié)合金具有這樣的金屬結(jié)構(gòu)A相隨機(jī)分散在B相內(nèi)。與含有均勻分散的較大碳化物的燒結(jié)合金相比，含有較小的分散的碳化物的B相提高了分散在其中的碳化物的一致性，使得其耐磨性提高并減少了對(duì)配合部件的攻擊從而防止了配合部件的磨損。此外，由于所述碳化物的尺寸小，減少了碳化物對(duì)切削工具刀刃的攻擊從而有助于可加工性的提高。然而，如果燒結(jié)合金只包含B相，在燒結(jié)合金中可能會(huì)產(chǎn)生塑性流動(dòng)。因此，在本發(fā)明中，通過(guò)在B相中隨機(jī)分散含有較大的分散的碳化物的A相防止了 B相的塑性流動(dòng)，從而有助于燒結(jié)合金的耐磨性。由于本發(fā)明的燒結(jié)合金如上所述構(gòu)成，因此所述燒結(jié)合金能夠在增強(qiáng)耐磨性和增強(qiáng)可加工性之間找到平衡。本發(fā)明的燒結(jié)合金的第二要點(diǎn)為A相和B相中含鎳，因此A相和B相兩者都具有 各自的奧氏體結(jié)構(gòu)。以這種方式，如果燒結(jié)合金的基體材料中完全呈現(xiàn)奧氏體結(jié)構(gòu)，則在高溫下所述燒結(jié)合金的耐熱性和耐腐蝕性能夠提高，同時(shí)所述燒結(jié)合金能夠具有與鄰近的那些奧氏體耐熱材料相似的熱膨脹系數(shù)。依據(jù)本發(fā)明的所述燒結(jié)合金的制備方法的第一要點(diǎn)為使用鐵合金粉末A和鐵合金粉末B以獲得具有A相和B相的所述燒結(jié)合金，其中鐵合金粉末A含有通過(guò)預(yù)先添加碳而析出的碳化物，鐵合金粉末B不含通過(guò)預(yù)先添加碳而析出的碳化物，所述A相含有分散的較大的碳化物，所述B相含有分散的較小的碳化物，并且所述燒結(jié)合金具有A相隨機(jī)分散在B相內(nèi)的金屬結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的制備方法的第二要點(diǎn)為在鐵合金粉末A和鐵合金粉末B中含有鎳，并且向鐵合金粉末A和鐵合金粉末B中添加鎳粉末，從而使得A相和B相呈現(xiàn)奧氏體結(jié)構(gòu)。具體來(lái)講，本發(fā)明的燒結(jié)合金的特征在于以質(zhì)量百分比計(jì)，基本上由Cr :
11.75-39. 98，N1:5. 58-24. 98，S1:0. 16-2. 54，P :0. 1-1. 5，C :0. 58-3. 62 以及余量的 Fe 和不可避免的雜質(zhì)組成，并且A相隨機(jī)分散在B相之中，所述A相含有平均粒徑為10-50 u m的析出的金屬碳化物，所述B相含有平均粒徑為10 y m以下的析出的金屬碳化物，并且A相中析出的金屬碳化物的平均粒徑DA大于B相中析出的金屬碳化物的平均粒徑DB (即DA >DB)。在本發(fā)明的燒結(jié)合金的一個(gè)方面，A相的最大直徑為500 iim以下，并且A相所占據(jù)的面積相對(duì)于燒結(jié)合金全部基體材料為20-80%的范圍內(nèi)，且燒結(jié)合金還包含5%的以下的選自Mo、V、W、Nb和Ti中的至少一種。依據(jù)本發(fā)明的燒結(jié)合金的制備方法的特征在于包括以下步驟制備以質(zhì)量百分比計(jì)由Cr :25-45, N1:5_15，S1:1. 0-3. 0，C :0. 5-4. 0以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)組成的鐵合金粉末A ;制備以質(zhì)量百分比計(jì)由Cr : 12-25，N1:5-115以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)組成的鐵合金粉末B ;制備以質(zhì)量百分比計(jì)由P :10-30以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)組成的鐵磷粉末、以及鎳粉末和石墨粉末；通過(guò)混合鐵合金粉末A和鐵合金粉末B使得鐵合金粉末A相對(duì)于鐵合金粉末A和鐵合金粉末B的總和的比例為20-80質(zhì)量％的范圍內(nèi)，并添加1. 0-5. 0質(zhì)量％范圍內(nèi)的鐵磷粉末、1-12質(zhì)量％范圍內(nèi)的鎳粉末以及0. 5-2. 5質(zhì)量％范圍內(nèi)的石墨粉末來(lái)配制原料粉末；向原料粉末施壓以獲得成型壓塊；以及燒結(jié)該成型壓塊。在本發(fā)明的制備方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，鐵合金粉末A和鐵合金粉末B的最大粒徑分別在300 Pm以下(其對(duì)應(yīng)于通過(guò)50目篩的粉末直徑)的范圍內(nèi)，鎳粉末的最大粒徑在43 以下(其對(duì)應(yīng)于通過(guò)325目篩的粉末直徑)的范圍內(nèi)。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，相對(duì)于上述鐵合金粉末A和鐵合金粉末B,鐵合金粉末A和鐵合金粉末B中的至少一者包含1-5質(zhì)量％的選自Mo、V、W、Nb和Ti中的至少一種，且優(yōu)選的燒結(jié)溫度在1000-1200°C的范圍內(nèi)。本發(fā)明的燒結(jié)合金適用于渦輪增壓器的渦輪部件，其具有含平均粒徑為10-50
的析出的金屬碳化物的A相和含平均粒徑為IOym以下的析出的金屬碳化物的B相，以致顯示A相隨機(jī)分散在B相中的金屬結(jié)構(gòu)，由此具備高溫下的優(yōu)異的耐熱性、耐腐蝕性和耐磨
性以及可加工性。此外，由于本發(fā)明的燒結(jié)合金具有奧氏體基體材料，該燒結(jié)合金具有與奧氏體耐熱材料相似的熱膨脹系數(shù)，由此簡(jiǎn)化了部件的設(shè)計(jì)。


圖1為依據(jù)本發(fā)明的燒結(jié)合金的金屬結(jié)構(gòu)照片的實(shí)例。圖2圖示了金屬結(jié)構(gòu)照片中A相的區(qū)域。
具體實(shí)施例方式(燒結(jié)合金的金屬結(jié)構(gòu))碳化物的尺寸影響含碳化物的燒結(jié)合金的耐磨性。如果燒結(jié)合金含有盡可能多的碳化物就能夠增強(qiáng)燒結(jié)合金的耐磨性。然而，如果燒結(jié)合金含有太多的碳化物，在燒結(jié)合金自身耐磨性增強(qiáng)的同時(shí)，也增加了對(duì)燒結(jié)合金的配合部件的攻擊，這導(dǎo)致燒結(jié)合金和配合部件總體的大量磨損。在燒結(jié)合金基體材料中只分散有較大的碳化物的情況下，如果較大的碳化物的分布度增加到能夠增強(qiáng)所述燒結(jié)合金的耐磨性的程度，則需要更大量的碳，從而增加硬質(zhì)碳化物的分布度，導(dǎo)致燒結(jié)合金的可加工性惡化。在本發(fā)明的燒結(jié)合金中，所述燒結(jié)合金由以下兩相組成一相為含有較大的分散的碳化物的A相，另一相為含有較小的分散的碳化物的B相。因此，如果碳化物的分布度增力口，燒結(jié)合金的耐磨性能夠增強(qiáng)，因?yàn)闊Y(jié)合金中的碳量可以整體上減少，使得燒結(jié)體對(duì)配合部件的攻擊得以降低并且增強(qiáng)了燒結(jié)體的可加工性。較大碳化物相防止了燒結(jié)合金基體材料的粘附磨損和燒結(jié)合金的塑性流動(dòng)。因此，具有各自10 Pm以下直徑的碳化物不能幫助防止燒結(jié)合金的塑性流動(dòng)。另一方面，如果碳化物具有各自50pm以上的直徑，碳化物自身聚集以致在局部攻擊配合部件。如果碳化物生長(zhǎng)得過(guò)大，鄰近碳化物之間的間隔將增大從而使基體材料不合碳化物的區(qū)域也變大，該區(qū)域很容易成為燒結(jié)合金的粘附磨損的起源。根據(jù)這種觀點(diǎn)，將A相中所含碳化物的尺寸作為平均粒徑設(shè)定為10-50 y m的范圍內(nèi)。除包含具有較大的分散的碳化物的A相的區(qū)域以外的沒(méi)有碳化物析出的區(qū)域促使了對(duì)配合部件的粘附磨損。因此，需要在除包含具有較大碳化物的A相區(qū)域以外的區(qū)域中分散碳化物以便防止粘附磨損。根據(jù)這種觀點(diǎn)，在除包含具有較大碳化物的A相的區(qū)域以外的區(qū)域中提供(rendered)含有較小的分散的碳化物的B相。以這種方式，通過(guò)使B相中所含碳化物的尺寸小于A相中所含碳化物的尺寸，碳的總量可得以降低，從而使得碳化物的總量也能得到降低，同時(shí)保持了高的碳化物分布度。B相中分散的較小的碳化物的尺寸被設(shè)定為足夠小以防止燒結(jié)合金的粘附磨損，具體為10 y m以下且優(yōu)選2 y m以上的范圍內(nèi)。如果B相中分散的碳化物的尺寸被設(shè)定為大于10 u m,則碳化物生長(zhǎng)過(guò)大從而惡化了碳化物的分布度，并因此惡化了燒結(jié)合金的耐磨性。此外，如果B相中分散的碳化物的尺寸被設(shè)定為小于2 ym，則可能不足以充分抑制燒結(jié)合金的粘附磨損。進(jìn)一步地，需要使A相中析出的金屬碳化物的平均粒徑DA大于B相中析出的金屬碳化物的平均粒徑DB (即DA > DB)。也就是說(shuō)，如果將A相中析出的金屬碳化物的平均粒徑DA設(shè)為等于B相中析出的金屬碳化物的平均粒徑DB，則含有較小的分散的 碳化物的B相無(wú)法從含有較大的分散的碳化物的A相中獨(dú)立地形成，從而不能實(shí)現(xiàn)燒結(jié)合金的耐磨性增強(qiáng)、對(duì)配合部件的攻擊降低和可加工性增強(qiáng)中的任何一種。通過(guò)在含有較小的分散的碳化物的B相中隨機(jī)分散含有較大的分散的碳化物的A相，能夠在保持高的碳化物分布度和減少總的碳量的同時(shí)保持燒結(jié)合金的耐磨性，由此降低對(duì)配合部件的攻擊并增強(qiáng)可加工性。相對(duì)于燒結(jié)合金的橫截面面積，即燒結(jié)合金的基體材料，含有較大的分散的碳化物的A相相對(duì)于含有較小的分散的碳化物的B相的比例設(shè)為20-80%的范圍內(nèi)。如果將該比例設(shè)為小于20%，保持耐磨性的A相的量不足，導(dǎo)致耐磨性惡化。另一方面，如果將該比例設(shè)為大于80 %，促使攻擊配合部件的相的比例過(guò)度增加，導(dǎo)致促進(jìn)對(duì)配合部件的攻擊，并且由于較大的碳化物的增加，導(dǎo)致可加工性的惡化。優(yōu)選將A相相對(duì)于B相的比例設(shè)為
30-70 %的范圍內(nèi)，且更優(yōu)選設(shè)為40-60 %的范圍內(nèi)。各含有較大的分散的碳化物的A相是其中各自尺寸為5-50 iim的較大的碳化物集中分散的相，并且A相的尺寸通過(guò)連接較大的碳化物的周緣的區(qū)域來(lái)定義。如果將含有較大的分散的碳化物的A相的尺寸設(shè)為大于500 u m，較大的碳化物很可能在A相中局部分散，導(dǎo)致燒結(jié)合金的耐磨性局部惡化。此外，如果需要切削加工，因?yàn)闊Y(jié)合金的硬度存在局部的和顯著的變化，所以會(huì)縮短切削工具的壽命。與此相反，如果將A相的尺寸設(shè)為小于10 u m,則使得A相中析出和分散的碳化物的尺寸小于5 u m。(制備燒結(jié)合金的方法以及限定原料粉末組成的理由)為了形成含有較大的分散的碳化物的A相隨機(jī)分散在B相中的金屬結(jié)構(gòu)，將形成A相的鐵合金粉末A和形成B相的鐵合金粉末B相互混合,壓制以及燒結(jié)。含有較大的分散的碳化物的A相和含有較小的分散的碳化物的B相均需要耐熱性和耐腐蝕性。因此，相A和相B中含有通過(guò)固溶來(lái)增強(qiáng)鐵基材料的耐熱性和耐腐蝕性的鉻。此外，鉻與碳結(jié)合形成碳化鉻或者由鉻和鐵形成復(fù)合材料(以下，碳化鉻和復(fù)合材料二者簡(jiǎn)寫(xiě)為“碳化鉻”)，由此增強(qiáng)了燒結(jié)合金的耐磨性。為了使燒結(jié)合金的基體材料均勻地受到上述這樣的鉻效果的影響，將鉻分別固溶在鐵合金粉末A和鐵合金粉末B中。因?yàn)殍F合金粉末A本來(lái)含有碳，因此通過(guò)添加比鐵合金粉末B中更多的鉻，將鐵合金粉末A制備為預(yù)先含有碳化鉻的粉末。以這種方式，在燒結(jié)過(guò)程中，如果使用其中含有碳化鉻的鐵合金粉末A，通過(guò)利用鐵合金粉末A中預(yù)先形成的碳化鉻作為核，碳化物得以生長(zhǎng)，從而形成含有較大的分散的碳化物的A相。為了獲得上述這樣的效果，所述鐵合金粉末A以質(zhì)量百分比計(jì)含有Cr :25-45和C :0. 5-4. O。由于在鐵合金粉末A中預(yù)先析出和分散有碳化鉻,如果鉻含量小于25質(zhì)量貝Ij在燒結(jié)合金的基體材料中鉻不足，導(dǎo)致由鐵合金粉末A形成的A相的耐熱性和耐腐蝕性惡化。另一方面，如果鐵合金粉末A中的鉻含量大于45質(zhì)量％，則鐵合金粉末A的壓縮性明顯惡化。因此，將鐵合金粉末A中的鉻含量的上限值設(shè)為45質(zhì)量％。如果鐵合金粉末A中的碳含量小于0. 5質(zhì)量％，則碳化鉻不足，使得燒結(jié)過(guò)程中作為核的碳化物也不足，從而難以使A相中分散的碳化物的尺寸在上述范圍內(nèi)。另一方面，如果鐵合金粉末中含有4. 0質(zhì)量％以上的 碳，則鐵合金粉末A中析出的碳化物的量過(guò)多，導(dǎo)致鐵合金粉末A的硬度增加并導(dǎo)致鐵合金粉末A的壓縮性惡化。另一方面，由于鐵合金粉末B所含鉻的量比鐵合金粉末A少,并且不含碳，因此鐵合金粉末B中的鉻在燒結(jié)過(guò)程中與將在下文中描述的石墨粉末形式的碳結(jié)合形成碳化鉻。然而，由于鐵合金粉末B不預(yù)先含有碳，因此鐵合金粉末B中碳化鉻的生長(zhǎng)速度非常緩慢，結(jié)果形成含有較小的分散的碳化物的B相。因此，鐵合金粉末B以質(zhì)量百分比計(jì)含有Cr 12-25并且不含碳。這里，“不含碳”的含義為在鐵合金粉末B中不主動(dòng)添加碳且允許不可避免的雜質(zhì)碳。鐵合金粉末B中的鉻含量設(shè)定為12-25質(zhì)量％的范圍內(nèi)。如果將鉻含量設(shè)定為小于12質(zhì)量％，則B相的耐磨性和耐腐蝕性惡化，這是因?yàn)樵跓Y(jié)過(guò)程中當(dāng)形成一些碳化鉻時(shí)會(huì)導(dǎo)致B相中鉻含量的不足。另一方面，需要限制鐵合金粉末B中所含鉻的含量，以便讓有助于燒結(jié)合金耐磨性的碳化物細(xì)微地分散。因此，將鐵合金粉末B中鉻含量的上限值設(shè)定為25質(zhì)量％。以石墨粉末的形式向鐵合金粉末A和鐵合金粉末B的混合物中添加碳，所述碳用于在鐵合金粉末A形成的A相和鐵合金粉末B形成的B相中析出和分散碳化物。由于在燒結(jié)過(guò)程中鐵合金粉末的氧化物膜的還原部分地消耗了石墨粉末，所以添加的石墨粉末的量需要視用于還原的石墨粉末的消耗量而定。也就是說(shuō)，由于鐵合金粉末A和鐵合金粉末B含有容易氧化的鉻，所以在鐵合金粉末A和鐵合金粉末B的表面分別形成氧化鉻膜。因此，在燒結(jié)過(guò)程中需要過(guò)量的石墨粉末以將在鐵合金粉末A和鐵合金粉末B各自表面上形成的氧化鉻膜還原。燒結(jié)過(guò)程中用于還原的石墨粉末的消耗比例為大約0. 2%，按上述預(yù)期的消耗比例，可將向鐵合金粉末A和鐵合金粉末B中添加的石墨粉末量設(shè)定為0. 5質(zhì)量％以上。也就是說(shuō)，由石墨粉末所提供的且固溶在燒結(jié)合金的基體材料中的碳含量為大約0. 3質(zhì)量％以上。另一方面，過(guò)量添加石墨粉末會(huì)引起碳化物過(guò)量析出，導(dǎo)致燒結(jié)合金的脆化、由于對(duì)配合部件的攻擊的顯著增強(qiáng)而造成的配合部件的磨損、或者燒結(jié)合金的可加工性的惡化。此外，碳化物的過(guò)量析出使燒結(jié)合金的耐熱性和耐腐蝕性惡化，這是由于燒結(jié)合金的基體材料中所含鉻的含量的減少。因此，將石墨粉末的上限值設(shè)定為2. 5質(zhì)量％。石墨粉末與將在下文中描述的鐵磷合金粉末在燒結(jié)過(guò)程中生成Fe-P-C液相，從而降低了液化溫度并因此促進(jìn)了燒結(jié)合金的致密化。燒結(jié)合金的基體材料需要耐熱性和耐腐蝕性，同時(shí)該基體材料具有與那些鄰近的奧氏體耐熱材料相似的熱膨脹系數(shù)。因此，在本發(fā)明的燒結(jié)合金中，為了增強(qiáng)燒結(jié)合金的基體材料的耐熱性和耐腐蝕性并且使得燒結(jié)合金的基體材料的金屬結(jié)構(gòu)呈相應(yīng)的奧氏體結(jié)構(gòu)，將鎳固溶于并因此包含在該基體材料中。本發(fā)明的燒結(jié)合金具有含有較大的分散的碳化物的A相隨機(jī)分散在含有較小的分散的碳化物的B相中的金屬結(jié)構(gòu)，并且為了使A相和B呈相應(yīng)的奧氏體結(jié)構(gòu)，形成相A的鐵合金粉末A和形成相B的鐵合金粉末B中含有鎳，同時(shí)，鐵合金粉末A和鐵合金粉末B中含有鎳粉末。如果鐵合金粉末A和B中含有鎳，則所述鐵合金粉末的基體材料具有相應(yīng)的奧氏體結(jié)構(gòu)，因而降低了鐵合金粉末A和B的硬度并增強(qiáng)了鐵合金粉末A和B的壓縮性。如果鐵合金粉末A和B中的鎳含量小于5質(zhì)量％，則鐵合金粉末A和B的奧氏體化不足。另一方面，如果鐵合金粉末A和B中的鎳含量大于15質(zhì)量％，則不能增強(qiáng)鐵合金粉末A和B的壓縮性。此外，鎳比鐵和鉻都貴，而且裸金屬鎳價(jià)格最近大幅上漲。根據(jù)這一觀點(diǎn)，將鐵合金粉末A和鐵合金粉末B中的鎳含量設(shè)定為5-15質(zhì)量％的范圍內(nèi)。如果除了在鐵合金粉末A和鐵合金粉末B中固溶的鎳之外，還向鐵合金粉末A和鐵合金粉末B中添加鎳粉末，則可以促進(jìn)燒結(jié)合金的致密化。如果鎳粉末的添加量小于I質(zhì)量％，則致密化的促進(jìn)效果可能變差。另一方面，如果鎳粉末的添加量大于12質(zhì)量％，則鎳粉末的量變得過(guò)量，使得鎳粉末中的鎳元素不能完全的擴(kuò)散進(jìn)入燒結(jié)合金的鐵基材料 中，并因此可能保持原來(lái)的形態(tài)。由于在燒結(jié)合金的鐵基材料中，由殘留鎳元素所形成的鎳相中不析出碳化物，燒結(jié)合金變得很容易與配合部件粘附，使得促進(jìn)了燒結(jié)合金和配合部件的粘附部分的磨損，從而惡化了燒結(jié)合金的耐磨性。根據(jù)這一觀點(diǎn)，將鐵合金粉末A和鐵合金粉末B中的鎳粉末的添加量設(shè)定為1-12質(zhì)量％的范圍內(nèi)。優(yōu)選隨著鎳粉末的粒徑變小在鐵基材料中不可能殘留鎳相。此外，隨著鎳粉末的粒徑變小，鎳粉末的比表面積增加，從而在燒結(jié)過(guò)程中促進(jìn)了鎳顆粒的擴(kuò)散并且增強(qiáng)了燒結(jié)合金的致密化。根據(jù)這一觀點(diǎn)，優(yōu)選將鎳粉末最大粒徑設(shè)定為74 以下(對(duì)應(yīng)于通過(guò)200目篩的粉末直徑)且43 y m以上(對(duì)應(yīng)于通過(guò)325目篩的粉末直徑)。在含有易于氧化的鉻等的鐵合金粉末的制備中，向鐵合金粉末的熔融金屬中添加作為脫氧劑的硅。然而，當(dāng)硅固溶在燒結(jié)合金的鐵基材料中時(shí)，鐵基材料會(huì)硬化，這是不利的效果/作用。這里，由于鐵合金粉末A含有預(yù)先析出的碳化物，因此鐵合金粉末A的硬度本來(lái)就大。與此相反，由于鐵合金粉末B為軟粉末材料，因此將鐵合金粉末B與鐵合金粉末A混合，以確保由鐵合金粉末A和鐵合金粉末B所組成的原料粉末的壓縮性。因此，在本發(fā)明的燒結(jié)合金的制備方法中，在原本硬質(zhì)的鐵合金粉末中含有大量容易氧化的硅，從而對(duì)燒結(jié)合金施加硅的所述效果/作用。根據(jù)這一觀點(diǎn)，鐵合金粉末A含有的娃在1. 0-3. 0質(zhì)量％的范圍內(nèi)。如果將鐵合金粉末A中所含硅的含量設(shè)定為小于1.0質(zhì)量％，則不足以顯示硅的效果/作用。另一方面，如果將鐵合金粉末A中所含娃的含量設(shè)定為大于3. 0質(zhì)量則鐵合金粉末A就變得過(guò)硬從而顯著惡化了鐵合金粉末A的壓縮性。鑒于鐵合金粉末B的壓縮性，鐵合金粉末B不含硅。然而，由于鐵合金粉末B含有容易氧化的鉻，因此鐵合金粉末B中也可以允許作為不可避免的雜質(zhì)的1. 0質(zhì)量％以下的硅，因?yàn)樵阼F合金粉末的制備中可以將硅用作脫氧劑。為了在燒結(jié)過(guò)程中在鐵合金粉末A和B中生成液相并因此促進(jìn)燒結(jié)合金的致密化，以鐵磷粉末的形式添加磷。磷與碳在燒結(jié)過(guò)程中生成Fe-P-C液相來(lái)促進(jìn)燒結(jié)合金的致密化。因此，可以獲得密度比為90%以上的燒結(jié)合金。如果將鐵磷合金粉末中的磷含量設(shè)定為小于10質(zhì)量％，則不能生成足夠的液相從而無(wú)助于燒結(jié)合金的致密化。另一方面，如果將鐵磷合金粉末中的磷含量設(shè)定為大于30質(zhì)量％，則鐵磷合金的硬度增加，結(jié)果顯著惡化了鐵合金粉末A和鐵合金粉末B的壓縮性。如果鐵磷合金粉末向鐵合金粉末A和鐵合金粉末B的混合物中的添加量小于1. 0質(zhì)量％，則燒結(jié)合金的密度比將低于90%。另一方面,如果鐵磷合金粉末向鐵合金粉末A和鐵合金粉末B的混合物中的添加量大于5. 0質(zhì)量％，則生成過(guò)量的液相，結(jié)果在燒結(jié)過(guò)程中引起燒結(jié)合金走樣(losing shape)。因此,使用含磷在10_30質(zhì)量％范圍內(nèi)的鐵磷合金粉末，同時(shí)將鐵磷合金粉末向鐵合金粉末A和鐵合金粉末B的混合物中的添加量設(shè)定為1.0-5. 0質(zhì)量％的范圍內(nèi)。雖然鐵磷合金粉末生成上述Fe-P-C液相，但是這樣所生成的Fe-P-C液相在鐵合金粉末A和鐵合金粉末B的混合物的鐵基材料中擴(kuò)散并被吸收。以這種方式，原料粉末由鐵合金粉末A、鐵合金粉末B、石墨粉末、鎳粉末以及鐵磷合金粉末組成。如上所述，鐵合金粉末A以質(zhì)量百分比計(jì)包含Cr :25-45, N1:5_15、Si 1.0-3. O、C :0. 5-4. 0以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)。鐵合金粉末B以質(zhì)量百分比計(jì)包
含Cr :12-25,N1:5_15以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)。此外，鐵磷粉末以質(zhì)量百分比計(jì)包含P 10-30以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)。在原料粉末中，鐵合金粉末A形成含有較大的分散的碳化物的A相，鐵合金粉末B形成含有較小的分散的碳化物的B相。此外，石墨粉末和鐵磷合金粉末生成Fe-P-C液相從而有助于燒結(jié)合金的致密化，接著在由A相和B相形成的燒結(jié)合金的鐵基材料中擴(kuò)散并被吸收。通過(guò)將鐵合金粉末A相對(duì)于鐵合金粉末A和鐵合金粉末B的總和的比例設(shè)定為20-80質(zhì)量％的范圍內(nèi)，能夠?qū)相與A相和B相的總和的比例相對(duì)于燒結(jié)合金的橫截面區(qū)域，即燒結(jié)合金的基體材料設(shè)定為20-80%的范圍內(nèi)。以這種方式，將鐵合金粉末A和鐵合金粉末B添加,從而將鐵合金粉末A相對(duì)于鐵合金粉末A和鐵合金粉末B的總和的比例設(shè)定為20-80質(zhì)量％的范圍內(nèi)，同時(shí)添加1. 0-5. 0質(zhì)量％的鐵磷合金粉末、1-12質(zhì)量％的鎳粉末和0. 5-2. 5質(zhì)量％的石墨粉末,從而形成預(yù)期的原料粉末。如過(guò)去所進(jìn)行的，將原料粉末填充到由壓模裝置形成的空腔中，該壓模裝置具有?？?、下沖頭和芯棒，其中所述?？仔纬刹考耐獠啃螤?，所述下沖頭可滑動(dòng)地裝配在壓模裝置的模孔中并且形成部件的下端形狀，所述芯棒可以根據(jù)情況形成部件的內(nèi)部形狀或者部件的輕量化形狀(lightening shape),并通過(guò)上沖頭和下沖頭進(jìn)行壓制,所述上沖頭形成上端形狀。將由此獲得的成型壓塊從壓模裝置的模孔中拔出。該制備方法被稱為“壓制方法”。在燒結(jié)爐中將成型壓塊加熱和燒結(jié)。加熱溫度即燒結(jié)溫度顯著影響燒結(jié)過(guò)程和碳化物生長(zhǎng)過(guò)程。如果燒結(jié)溫度低于1000°c，則不能夠生成足夠的Fe-P-C液相，從而無(wú)法使燒結(jié)合金足夠致密并因此降低了燒結(jié)合金的密度，導(dǎo)致燒結(jié)合金的耐磨性和耐腐蝕性的惡化，雖然碳化物尺寸能夠保持在預(yù)定的范圍內(nèi)。另一方面，如果燒結(jié)溫度高于1200°C，會(huì)增進(jìn)元素?cái)U(kuò)散，從而一些元素(尤其是鉻和碳)在由鐵合金粉末A形成的A相和由鐵合金粉末B形成的B相之間的含量差異變小，并且B相中析出和分散的碳化物生長(zhǎng)超過(guò)10 y m的平均粒徑，導(dǎo)致燒結(jié)合金的耐磨性的惡化，雖然燒結(jié)合金的密度有了足夠的增加。因此，將燒結(jié)溫度設(shè)定在1000-1200°C的范圍內(nèi)。通過(guò)如上所述壓制和燒結(jié)原料粉末，能夠獲得具有上述金屬結(jié)構(gòu)的燒結(jié)合金。燒結(jié)合金以質(zhì)量百分比計(jì)包含 Cr 11. 75-39. 98,N1:5. 58-24. 98,S1:0. 16-2. 54,P :0. 1-1. 5、C :0. 58-3. 62以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)，其源自上述材料粉末的混合比例。如上所述，由于燒結(jié)合金的A相由鐵合金粉末A形成，所以A相的尺寸可以通過(guò)調(diào)整鐵合金粉末A的粒徑來(lái)控制。為了將A相的最大尺寸設(shè)定為500 以下，鐵合金粉末A的最大顆粒尺寸設(shè)定為300 以下(對(duì)應(yīng)于通過(guò)50目篩的粉末尺寸)。為了將A相的尺寸設(shè)定為100 u m以上，需使用含有5質(zhì)量％以上的最大粒徑為500 y m以下(對(duì)應(yīng)于通過(guò)32目篩的尺寸)且IOOiim以上(對(duì)應(yīng)于未通過(guò)149目篩的尺寸)的粉末的鐵合金粉末A。優(yōu)選的鐵合金粉末A的顆粒分布為含有5質(zhì)量％以上的最大粒徑在100-300 U m的范圍內(nèi)的粉末，且含有50質(zhì)量％以下的粒徑在45 iim以下的范圍內(nèi)的粉末。形成含有較小的分散的碳化物的B相的鐵合金粉末B的粒徑?jīng)]有限制，但鐵合金粉末B優(yōu)選含有90%以上的具有100目以下的顆粒分布的粉末。 燒結(jié)合金還包含選自Mo、V、W、Nb和Ti中的至少一種。由于Mo、V、W、Nb和Ti作為碳化物形成元素，各自具有比Cr更強(qiáng)的碳化物形成能力，因此這些元素與Cr相比優(yōu)先形成碳化物。因此，如果燒結(jié)合金包含這些元素，可以防止基體材料中Cr含量的降低，從而有助于增強(qiáng)基體材料的耐磨性和耐腐蝕性。此外，這些元素中的一種或多種與碳結(jié)合形成金屬碳化物，從而增強(qiáng)了基體材料也就是燒結(jié)合金的耐磨性。然而，如果這些元素中的一種或多種以純金屬粉末的形式添加到原料粉末中，這樣形成的合金的擴(kuò)散速度小，使得這些元素中的一種或多種不可能在基體材料中均勻擴(kuò)散。因此，優(yōu)選這些元素中的一種或多種以鐵合金粉末的形式添加。根據(jù)這一觀點(diǎn)，在本發(fā)明的制備方法中，當(dāng)這些元素中的一種或多種作為附加元素添加時(shí)，這些元素中的一種或多種在鐵合金粉末A和鐵合金粉末B中固溶。如果固溶在鐵合金粉末中的這些元素中的一種或多種的量超過(guò)5. 0質(zhì)量％，則擔(dān)心引起鐵合金粉末A和鐵合金粉末B壓縮性的惡化，這是因?yàn)檫@些元素中的一種或多種的過(guò)量添加使鐵合金粉末A和鐵合金粉末B硬化。因此,在鐵合金粉末A和鐵合金粉末B中的一者或兩者中添加5質(zhì)量％以上的選自Mo、V、W、Nb和Ti中的至少一種。實(shí)施例(實(shí)施例1)制備鐵合金粉末A、鐵合金粉末B、鐵磷粉末、鎳粉末以及石墨粉末并以表I中所示比例相互混合以配制原料粉末，其中鐵合金粉末A以質(zhì)量百分比計(jì)包含Cr 34, N1:10、Si
2、C:2以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)，鐵合金粉末B以質(zhì)量百分比計(jì)包含Cr :18、Ni 8以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)，鐵磷粉末以質(zhì)量百分比計(jì)包含P 20以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)。將所述原料粉末壓制成外徑IOmm且高IOmm的柱狀以及外徑24mm且高8mm的薄片狀，接著在1100°C的溫度和無(wú)氧氣氛中燒結(jié)形成以數(shù)字01-11表示的燒結(jié)樣品。表I中列出了每個(gè)燒結(jié)樣品的組成以及上述制備的材料粉末的比例。對(duì)柱狀燒結(jié)樣品的橫截面進(jìn)行鏡面拋光并用王水(硫酸硝酸=I 3)腐蝕，利用200放大倍率的顯微鏡觀察燒結(jié)樣品橫截面的金屬結(jié)構(gòu)，采用圖像處理器(WinROOF，MITANI CORPORATION制造)進(jìn)行圖像分析，以便測(cè)量相中的碳化物的粒徑并計(jì)算其平均粒徑，測(cè)量A相的面積和尺寸并計(jì)算其面積比和最大尺寸。圖1為燒結(jié)樣品06的金屬結(jié)構(gòu)照片。如圖2所示，分散有較大的碳化物的區(qū)域被封閉，并且因此將封閉區(qū)域定義為各自的A相。接著計(jì)算A相的面積比，A相的最大長(zhǎng)度被定義為A相的最大直徑。
在700°C的溫度下加熱燒結(jié)樣品，以便研究其熱膨脹系數(shù)。并且將燒結(jié)樣品在大氣中在850-950°C的溫度范圍內(nèi)加熱，以研究其加熱后的重量增加。結(jié)果列于表2中。接著，將薄片狀的燒結(jié)樣品用作圓盤(pán)部件并進(jìn)行磨損測(cè)試，所述磨損測(cè)試使用外徑15mm、長(zhǎng)度22mm且由滲鉻的JIS SUS 316L制備的棍部件作為棍-盤(pán)(roll-on-disc)磨損測(cè)試中的配合部件，在輥-盤(pán)磨損測(cè)試中將燒結(jié)樣品在700°C的溫度下在輥部件上反復(fù)滑動(dòng)15分鐘。磨損結(jié)果也列于表2中。需要注意的是，熱膨脹系數(shù)為IeXKT6IT1以上，磨損深度為以下，850°C的溫度下的由于氧化造成的重量增加 為10g/m2以下，900°C的溫度下的由于氧化造成的重量增加為15g/m2以下，且950°C的溫度下的由于氧化造成的重量增加為20g/m2以下的燒結(jié)樣品通過(guò)了上述測(cè)試。
權(quán)利要求
1.一種燒結(jié)合金，其以質(zhì)量百分比計(jì)主要由Cr :11. 75-39.98、N1:5. 58-24. 98、Si O.16-2. 54、P :0. 1-1. 5、C :0. 58-3. 62以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)組成； 含有平均粒徑為10-50 μ m的析出的金屬碳化物的A相；和 含有平均粒徑為IOym以下的析出的金屬碳化物的B相； 其中A相隨機(jī)分散在B相中，并且A相中析出的金屬碳化物的平均粒徑DA大于B相中析出的金屬碳化物的平均粒徑DB。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燒結(jié)合金，其中A相的最大尺寸為500μ m以下的范圍內(nèi)，且A相占基體材料總面積的20-80%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燒結(jié)合金，還包含5質(zhì)量％以下的選自Mo、V、W、Nb和Ti中的至少一種。
4.一種制備燒結(jié)合金的方法，包括以下步驟 制備鐵合金粉末A，其以質(zhì)量百分比計(jì)由Cr :25-45, N1:5_15、S1:1. 0-3. O、C :0. 5-4. O以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)組成； 制備鐵合金粉末B，其以質(zhì)量百分比計(jì)由Cr :12-25、N1:5_15以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)組成； 制備鐵磷粉末、鎳粉末以及石墨粉末，其中鐵磷粉末以質(zhì)量百分比計(jì)由P =10-30以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)組成； 混合鐵合金粉末A和鐵合金粉末B,使得鐵合金粉末A相對(duì)于鐵合金粉末A和鐵合金粉末B的總和的比例為20-80質(zhì)量％的范圍內(nèi)，并添加1. 0-5. O質(zhì)量％范圍內(nèi)的鐵磷粉末、1-12質(zhì)量％范圍內(nèi)的鎳粉末以及O. 5-2. 5質(zhì)量％范圍內(nèi)的石墨粉末來(lái)配制原料粉末； 壓制和燒結(jié)該原料粉末。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其中鐵合金粉末A的最大粒徑設(shè)定為300μ m以下的范圍內(nèi)(其對(duì)應(yīng)于通過(guò)50目篩的粉末)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其中鎳粉末的最大粒徑設(shè)定為74μ m以下的范圍內(nèi)(其對(duì)應(yīng)于通過(guò)200目篩的粉末)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，還包括下述步驟向鐵合金粉末A和鐵合金粉末B中的一者或兩者添加5質(zhì)量％以下的選自Mo、V、W、Nb和Ti中的至少一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，還包括下述步驟向鐵合金粉末A中添加相對(duì)于原料粉末為1. 0-3. O質(zhì)量％范圍內(nèi)的硅。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其中燒結(jié)溫度設(shè)定為1000-1200°C的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及燒結(jié)合金及其制備方法，該燒結(jié)合金以質(zhì)量百分比計(jì)包含Cr11.75-39.98、Ni5.58-24.98、Si0.16-2.54、P0.1-1.5、C0.58-3.62以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)；含有平均粒徑為10-50μm的析出的金屬碳化物的A相；含有平均粒徑為10μm以下的析出的金屬碳化物的B相，其中A相隨機(jī)分散在B相中，并且A相中析出的金屬碳化物的平均粒徑DA大于B相中析出的金屬碳化物的平均粒徑DB。
文檔編號(hào)C22C33/02GK102994896SQ20121050962
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月7日
發(fā)明者深江大輔, 河田英昭 申請(qǐng)人:日立粉末冶金株式會(huì)社