Fe基燒結(jié)合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及Fe基燒結(jié)合金及其制備方法。按質(zhì)量百分比計，該Fe基燒結(jié)合金基本上由Mn：0.5-2.0、Mo：0.3-1.6、Cu：0.4-1.5、C：0.4-0.7和余量的Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成；并且具有由相對于除氣孔外的基體材料占5-70％的馬氏體相和相對于除氣孔外的基體材料占25-90％的貝氏體相構(gòu)成的金屬結(jié)構(gòu)。
【專利說明】Fe基燒結(jié)合金及其制備方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請基于并要求2013年3月25日提交的在先日本專利申請N0.2013-061996的優(yōu)先權(quán)益；其全部內(nèi)容在此以引用方式并入。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及一種Fe基燒結(jié)合金及其制備方法，該燒結(jié)合金通過燒結(jié)將含有鐵作為主成分的原料粉末在模具中壓制和壓實而獲得的壓坯來制得。特別是，本發(fā)明涉及一種在燒結(jié)后的燒結(jié)體狀態(tài)下具有高機(jī)械強度和韌性的Fe基燒結(jié)體及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0004]在粉末冶金工藝中，在模具中將原料粉末壓制和壓實，將由此獲得的壓坯燒結(jié)，由于可將目標(biāo)部件成形為接近最終形狀的狀態(tài)，因此粉末冶金工藝的特征在于由于后機(jī)械加工中加工余量少使材料損失少，一旦形成所述的模具可生產(chǎn)大量相同形狀的部件，以及可生產(chǎn)通過常規(guī)熔煉和鑄造方法不能獲得的特殊合金，因此在目標(biāo)部件的形成中顯現(xiàn)了性價t匕。以這種觀點，粉末冶金工藝被廣泛用于車輛部件。
[0005]例如，用于車輛變速器的同步器齒轂需要具有高機(jī)械強度和韌性，這是因為由于與輸入軸、輸出軸、套筒(sleeve)和環(huán)(ring)相對滑動，同步器齒轂在彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)力下驅(qū)動，同時當(dāng)同步器齒轂與對應(yīng)部件通過換擋操作嚙合時其受到?jīng)_擊。對于上述這種同步器齒轂，如專利文件N0.1中所公開，可適用粉末冶金工藝。
[0006]專利文件N0.1中公開的燒結(jié)合金按質(zhì)量百分比計由N1:2_6、Cu: 1-3、Mo:0.6-1.6、 C:0.1-0.8和余量的Fe構(gòu)成，且由部分?jǐn)U散合金粉末、0.1_0.8質(zhì)量％的石墨粉末和0.2-1質(zhì)量％的鑰的混合物的原料粉末制成，該部分?jǐn)U散合金粉末按質(zhì)量百分比計由Ni:2-6, Cu:1-3, Mo:0.4-0.6和余量的Fe構(gòu)成。在專利文件N0.1中公開的燒結(jié)合金中，鎳有助于提高含有鑰和銅的燒結(jié)合金基體材料的淬透性，以便形成例如馬氏體和貝氏體的硬質(zhì)相和形成富含鎳的奧氏體相，從而同時具有機(jī)械強度和韌性。
[0007]專利文件N0.1:日本專利公開第2648519號


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]然而，為了對應(yīng)最近成本降低的趨勢，要求降低燒結(jié)合金成本。相反地，這些例如鎳的金屬太昂貴，因此Fe基燒結(jié)合金的成本降低要求替換專利文件N0.1公開的含有鎳作為必要組分的燒結(jié)合金。以這種觀點，本發(fā)明的目的是提供一種低成本的具有高機(jī)械強度和韌性的Fe基燒結(jié)合金以及該Fe基燒結(jié)合金的制備方法。
[0009]為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的燒結(jié)合金的第一要點是使用鑰和錳代替鎳作為合金元素，以提高淬透性。根據(jù)本發(fā)明的燒結(jié)合金的第二要點是通過使該燒結(jié)合金的金屬結(jié)構(gòu)為馬氏體和貝氏體的混合物的狀態(tài)來同時具有高機(jī)械強度和韌性，馬氏體在機(jī)械強度方面優(yōu)異而在韌性方面差，貝氏體與馬氏體相比在機(jī)械強度方面較差但在韌性方面優(yōu)于馬氏體。
[0010]具體地，本發(fā)明的Fe基燒結(jié)合金的特征在于，總組成按質(zhì)量百分比計由Mn:
0.5-2.0、Mo:0.3-1.6、Cu:0.4-1.5、C:0.4-0.7和余量的Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，并且具有由相對于除氣孔外的燒結(jié)合金的基體材料占5-70%的馬氏體相和相對于除氣孔外的燒結(jié)合金的基體材料占25-90 %的貝氏體相構(gòu)成的金屬結(jié)構(gòu)。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的Fe基燒結(jié)合金的制備方法的要點是鑰和錳以Fe-M0合金粉末和Fe-Mn合金粉末的形式用作主原料粉末，且添加銅粉末或銅合金粉末和石墨粉末，以制備目標(biāo)原料粉末。
[0012]此處，詞語“主原料粉末”與通常使用的主原料粉末的含義相同，指在所有粉末材料中以最大量使用的粉末材料。
[0013]具體地，根據(jù)本發(fā)明的Fe基燒結(jié)合金的制備方法包括:原料粉末混合步驟，將基本上由Mo和余量的Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的Fe-Mo合金粉末、基本上由Mn和余量的Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的Fe-Mn合金粉末、選自由銅粉末、具有1120°C或更低的液相線溫度的Cu-Mn合金粉末和具有1120°C或更低的液相線溫度的Fe-Cu-Mn合金粉末構(gòu)成的組中的至少一種、以及石墨粉進(jìn)行混合，以調(diào)制原料粉末，按重量百分比計，該原料粉末基本上由Mn:0.5-2.0,Mo:0.3-1.6、Cu:0.4-1.5、C:0.4-0.7和余量的Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成；壓實步驟，在模具中壓制和壓實原料粉末混合步驟中獲得的原料粉末；以及燒結(jié)步驟，在非氧化性氣氛下、在1120-1200°C的溫度范圍內(nèi)燒結(jié)壓實步驟中獲得的壓坯，以及然后以10-60°C /分鐘范圍內(nèi)的平均冷卻速度冷卻由此獲得的燒結(jié)體直到900-200°C的溫度范圍。
[0014]本發(fā)明的Fe基燒結(jié)合金通過調(diào)整其金屬結(jié)構(gòu)同時具有高機(jī)械強度和韌性，且優(yōu)選用于受到重復(fù)沖擊的同步器齒轂等。
[0015]根據(jù)Fe基燒結(jié)合金的制備方法，原料粉末不含昂貴的鎳，并且通過不包括淬火過程的燒結(jié)工藝獲得了上述金屬結(jié)構(gòu)，從而以低成本形成了 Fe基燒結(jié)合金，并制得了上述的機(jī)械部件。

【具體實施方式】
[0016]在本發(fā)明的燒結(jié)合金中，使用鑰和錳作為合金元素，以代替鎳提高淬火性能。與鎳相比，鑰和錳很大地影響臨界冷卻速度，從而使得其少量的添加即能夠提高燒結(jié)合金的鐵基材料的淬火性能。這些合金元素形成相應(yīng)特定的碳化物，從而抑制了晶粒的生長，并因此有助于提高鐵基材料的機(jī)械強度。對于錳和鑰，如果錳的含量設(shè)定在低于0.5質(zhì)量％的范圍內(nèi)，且鑰的含量設(shè)定在低于0.3質(zhì)量％的范圍內(nèi)，淬火性能的提高效果變?nèi)酢Ａ硪环矫?，如果錳的含量設(shè)定在高于2.0質(zhì)量％的范圍內(nèi)，且鑰的含量設(shè)定在高于1.6質(zhì)量％的范圍內(nèi)，則淬火性能提高太多，使得馬氏體相的比例變得過多(這將在之后敘述)，并由此使燒結(jié)合金的韌性變差。
[0017]在本發(fā)明的燒結(jié)合金中，金屬結(jié)構(gòu)為馬氏體相和貝氏體相形成的混合結(jié)構(gòu)，其中馬氏體相在機(jī)械強度方面優(yōu)異而在韌性方面差，貝氏體相與馬氏體相比在機(jī)械強度方面較差而在韌性方面優(yōu)于馬氏體。這樣，當(dāng)觀察該燒結(jié)合金的橫截面的金屬結(jié)構(gòu)時，相對于除氣孔之外的基體材料的總面積的5-70 %為馬氏體相，相對于除氣孔之外的基體材料的總面積的25-90 %為貝氏體相。如果馬氏體相的比例設(shè)定在低于5 %的范圍內(nèi)，則該燒結(jié)合金的機(jī)械強度變差。另一方面，如果馬氏體相的比例設(shè)定在高于70 %的范圍內(nèi)，則該燒結(jié)合金的韌性變差。如果貝氏體相的比例設(shè)定在高于90%的范圍內(nèi)，則該燒結(jié)合金的機(jī)械強度變差。
[0018]在本發(fā)明的燒結(jié)合金中，優(yōu)選該燒結(jié)合金僅由馬氏體相和貝氏體相的混合結(jié)構(gòu)形成，但是只有當(dāng)90%或更高的該混合相占據(jù)該燒結(jié)合金的總面積時，10%或更低的剩余相可為珠光體、索氏體、鐵素體等的混合相。
[0019]由于鑰向鐵基材料中的擴(kuò)散速度非常低，以Fe-Mo合金粉末的形式作為主原料粉末添加鑰。另一方面，由于錳很大地影響鐵基材料的硬度，如果以錳被合金化的主原料粉末的形式添加錳，該原料粉末的可壓縮性變差。因此，錳以Fe-Mn合金粉末的形式與Fe-Mo合金粉末一起添加。以Fe-Mn合金粉末形式添加的猛在燒結(jié)時擴(kuò)散到作為主原料粉末的Fe-Mo合金粉末中，形成該燒結(jié)合金的鐵基材料。
[0020]然而，在Fe-Mn合金粉末被添加到Fe-Mo合金粉末中的情況下，錳的擴(kuò)散速度變慢，使得需要過長的時間段來進(jìn)行原料粉末的燒結(jié)。以這種觀點，在本發(fā)明中，使用了銅，并以銅粉末或銅合金粉末的形式添加。在這種情況下，在原料粉末的燒結(jié)過程中產(chǎn)生銅液相，從而促進(jìn)了燒結(jié)和錳向鐵基材料中的擴(kuò)散。另外，由于銅也能提高臨界冷卻速度，因此有助于提高該鐵基材料的淬火性能。如果銅的含量設(shè)定在低于0.4%的范圍內(nèi)，則燒結(jié)過程中產(chǎn)生的液相的量變少，使得燒結(jié)促進(jìn)作用和錳擴(kuò)散促進(jìn)作用變差。另一方面，如果銅的含量設(shè)定在高于1.5 %的范圍內(nèi)，則淬火性能提高太多，使得可形成過量的馬氏體相。
[0021]銅可以銅合金粉末的形式添加。然而，由于需要產(chǎn)生液相，當(dāng)以銅合金粉末的形式添加銅時，必須使用液相線溫度低于燒結(jié)保持溫度(將在此之后敘述，1120°C或更低)的銅合金粉末。
[0022]碳固溶在鐵基材料中，因此有助于馬氏體相和貝氏體相的形成。如果以合金粉末的形式添加碳，則原料粉末的可壓縮性變差，所以如常規(guī)操作一樣以石墨粉末的形式添加碳。如果碳的含量設(shè)定在低于0.1%的范圍內(nèi)，則不能形成前述的金屬結(jié)構(gòu)。如果碳的含量設(shè)定在高于0.8%的范圍內(nèi)，則馬氏體相變得太硬而使該燒結(jié)合金的機(jī)械強度變差。
[0023]在由原料粉末獲得的燒結(jié)合金中，錳的量在原有的Fe-Mn合金粉末周圍增加，同時錳的量在原有的Fe-Mo合金粉末的中心區(qū)域和原有的Fe-Mn合金粉末的貧化區(qū)域減少，其中的原料粉末是通過向作為主原料粉末的Fe-Mo合金粉末中添加Fe-Mn合金粉末、銅粉末或銅合金粉末和石墨粉末而制成的。因此，可形成錳擴(kuò)散量的濃度差異。通過錳擴(kuò)散量的濃度差異形成了前述的金屬結(jié)構(gòu)。即，錳擴(kuò)散量大的區(qū)域形成馬氏體相，而錳擴(kuò)散量小的區(qū)域形成貝氏體相。
[0024]當(dāng)通過EPMA裝置分析該燒結(jié)合金橫截面的金屬結(jié)構(gòu)時，如果將錳含量變?yōu)?0%或更低的面積在該橫截面面積中的比例設(shè)定在80 %或更高的范圍，則在前述的混合比例下可形成前述的混合金屬結(jié)構(gòu)。
[0025]對于Fe-Mn合金粉末,如果猛含量降低，需要添加大量的Fe-Mn合金粉末,使得前述錳擴(kuò)散量的濃度差異不可能形成。另一方面，如果錳含量過高，擴(kuò)散到Fe-Mo合金材料中的錳量減少，且Fe-Mn合金粉末的可壓縮性變差，使得原料粉末的可壓縮性變差。以這種觀點，F(xiàn)e-Mn合金粉末的錳含量優(yōu)選設(shè)定在35-90質(zhì)量％的范圍內(nèi)。
[0026] 在此，希望錳不以Fe-Mn合金粉的形式殘留，而是擴(kuò)散進(jìn)入Fe-Mo合金材料中。以這種觀點，使用平均直徑45 μ m或更小的Fe-Mn合金粉末是理想的。可形成富Mn且貧Mo的區(qū)域。通過使用325目的篩子篩分規(guī)定的Fe-Mn合金粉末并收集篩下的合金粉末可獲得該Fe-Mn合金粉末。
[0027]關(guān)于促進(jìn)錳的擴(kuò)散和抑制錳的偏析，可對原料粉末進(jìn)行常規(guī)的防偏析處理。即，使用由平均直徑45 μ m或更小的Fe-Mn合金粉末和粘附或粘結(jié)有50質(zhì)量％或更高的Fe-Mn合金粉末的Fe-Mo合金粉末制成的原料粉末是理想的。
[0028]如以往所進(jìn)行的，原料粉末被裝入由模具組件形成的空腔中，該模具組件具有形成部件外部形狀的模具孔，形成部件下端形狀的下部沖頭，并通過形成上端形狀的上部沖頭和下部沖頭的壓縮形成具有部件形狀的壓坯(壓實處理)。
[0029]壓坯被送入燒結(jié)爐中，并在非氧化性氣氛下、在1120_1200°C的溫度范圍保持和燒結(jié)。如果燒結(jié)溫度設(shè)定在低于1120°C的范圍內(nèi)，則原料粉末之間的相互擴(kuò)散不能充分進(jìn)行，使得燒結(jié)合金的機(jī)械強度變差。另一方面，如果燒結(jié)溫度設(shè)定在高于1200°C的范圍內(nèi)，錳的擴(kuò)散過度進(jìn)行，導(dǎo)致難以形成前述金屬結(jié)構(gòu)，同時還形成過量液相而引起燒結(jié)合金失去形狀。例如，可將在燒結(jié)溫度的保持時間設(shè)定在10-180分鐘的范圍內(nèi)。
[0030]將在前述溫度范圍內(nèi)保持和燒結(jié)的燒結(jié)體冷卻到低于燒結(jié)溫度100°C或更多的溫度范圍內(nèi)，例如直至室溫，并從燒結(jié)爐取出。在該燒結(jié)處理后的冷卻處理中，通過將直至900-200°C的溫度范圍的平均冷卻速度設(shè)定在10-60°C /分鐘的范圍內(nèi)，可獲得具有前述金屬結(jié)構(gòu)的燒結(jié)合金。如果直至900-200°C的溫度范圍的平均冷卻速度設(shè)定在高于60°C /分鐘的范圍內(nèi)，則形成的馬氏體太多。另一方面，如將平均冷卻速度設(shè)定在低于10°C /分鐘的范圍內(nèi)，則形成的馬氏體太少。
[0031]通過該燒結(jié)處理獲得的燒結(jié)合金具有前述的金屬結(jié)構(gòu)，并因此可以以該狀態(tài)使用。然而，對燒結(jié)體進(jìn)行退火處理是理想的，其中將燒結(jié)體再次加熱到150-300°C的溫度范圍內(nèi)并在燒結(jié)爐中冷卻，因為馬氏體相與剛淬火完時相似，是敏感的。該退火處理可按如下進(jìn)行。即，在燒結(jié)處理后的冷卻處理中將燒結(jié)體冷卻至100°C或更低的溫度范圍內(nèi)并再次加熱到150-300°C的溫度范圍內(nèi)，或在冷卻處理中在爐中保持在150-300°C的溫度范圍內(nèi)。保持時間可設(shè)定在10-180分鐘的范圍內(nèi)。
[0032]在本發(fā)明的燒結(jié)合金中，優(yōu)選可添加0.5質(zhì)量％或更低的硅(Si)。硅可提高臨界冷卻速度，從而提高淬火性能。即，硅有助于提高燒結(jié)合金的淬火性能。由于硅向鐵基材料中的擴(kuò)散速度快，如果硅與Fe-Mn合金粉末一起合金化形成Fe-Mn-Si合金粉末，錳可能在硅擴(kuò)散的同時擴(kuò)散至Fe-Mo合金中。然而，如果硅含量設(shè)定為高于0.5質(zhì)量％的范圍內(nèi)，淬火性能提高的太多使得可形成過量的馬氏體。以這種方式，硅的量應(yīng)設(shè)定在0.5質(zhì)量％或更低的范圍內(nèi)。
[0033]當(dāng)硅固溶在鐵基材料中時，鐵基材料的硬度提高。因此，當(dāng)以Fe-Mn-Si合金粉末的形式添加硅時，如果Fe-Mn-Si合金粉末中的硅含量設(shè)定在高于30質(zhì)量％的范圍內(nèi)，則Fe-Mn-Si合金粉末的硬度增加，使得其可壓縮性變差。以這種方式，優(yōu)選Fe-Mn-Si合金粉末中的硅含量設(shè)定在30質(zhì)量％或更低的范圍內(nèi)。
[0034]實施例
[0035](實施例1)
[0036]準(zhǔn)備100目篩子篩下的平均直徑(D5tl)為88μπι的Fe-Mo合金粉末，其按重量百分比計由Mo:0.55和余量的Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，200目篩子篩下的平均直徑(D5tl)為16 μ m的Fe-Mn合金粉末,其按重量百分比計由Mn:60和余量的Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，200目篩子篩下的平均直徑(D5tl)為21 μ m的Fe-Mn (Fe-Mn-Si)合金粉末，其按重量百分比計由Mn:60、Si:16.5和余量的Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成,200目篩子篩下的銅粉末，以及325目篩子篩下的石墨粉末。
[0037]然后，向Fe-Mo合金粉末中添加I質(zhì)量％的銅粉末和0.6質(zhì)量％的石墨粉末，同時按表1中所示改變Fe-Mn合金粉末的比例，混合得到原料粉末。在600MPa的壓制壓力下將該原料粉末壓制成長10mm、寬60mm、高1mm的方柱形狀,然后在氮和氫的混合氣體氣氛下、在1160°C的溫度下燒結(jié)，之后以30°C /分鐘的平均冷卻速度冷卻至900-200°C的溫度范圍內(nèi)，以形成由數(shù)字01-22表示的燒結(jié)試樣。每個燒結(jié)試樣的組成列于表2中。
[0038]將方柱形狀的試樣機(jī)械加工成拉伸測試的形式，以便測量相應(yīng)的拉伸強度。然后，對一些方柱形狀的試樣進(jìn)行無缺口夏氏沖擊試驗，由此測量相應(yīng)的無缺口夏氏沖擊值。通過500倍的顯微鏡觀察燒結(jié)試樣的橫截面，并通過圖像處理器(MITANI CORPORAT1N生產(chǎn)的WinROOF)分析圖像，從而測量相對于除氣孔之外的基體材料的總面積的馬氏體相和貝氏體相的比例。測量的結(jié)果列于表3中。在表3中，使用“Mt相”表不馬氏體相,使用“B相”表示貝氏體相。需注意的是，具有700MPa或更高的拉伸強度和17J/cm2或更高的夏氏沖擊值的燒結(jié)試樣通過了前述測試。
[0039]表1
[0040]

【權(quán)利要求】
1.一種Fe基燒結(jié)合金，按質(zhì)量百分比，基本上由Mn:0.5-2.0、Mo:0.3-1.6、Cu:0.4-1.5、C:0.4-0.7和余量的Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成；并且 具有由相對于除氣孔外的基體材料占5-70%的馬氏體相和相對于除氣孔外的基體材料占25-90%的貝氏體相形成的金屬結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Fe基燒結(jié)合金，其進(jìn)一步包括0.65質(zhì)量％或更低的Si。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Fe基燒結(jié)合金，其中相對于基體材料馬氏體相和貝氏體相之和占90%或更多。
4.一種Fe基燒結(jié)合金的制備方法，包括: 原料粉末混合步驟，將基本上由Mo和余量的Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的Fe-Mo合金粉末、基本上由Mn和余量的Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的Fe-Mn合金粉末、選自由銅粉末、具有1120°C或更低的液相線溫度的Cu-Mn合金粉末和具有1120°C或更低的液相線溫度的Fe-Cu-Mn合金粉末構(gòu)成的組中的至少一種、以及石墨粉進(jìn)行混合，以調(diào)制原料粉末，按重量百分比計，該原料粉末基本上由Mn:0.5-2.0、Mo:0.3-1.6、Cu:0.4-1.5、C:0.4-0.7和余量的Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成； 壓實步驟，在模具中壓制和壓實原料粉末混合步驟中獲得的原料粉末；以及 燒結(jié)步驟，在非氧化性氣氛下、在1120-1200°C的溫度范圍內(nèi)燒結(jié)壓實步驟中獲得的壓坯，以及然后以10-60°C /分鐘范圍內(nèi)的平均冷卻速度冷卻由此獲得的燒結(jié)體直到900-200°C的溫度范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其中Fe-Mn合金粉末的平均直徑設(shè)定在45μ m或更小的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其中Fe-Mn合金粉末按50質(zhì)量％或更高的量與Fe-Mo合金粉末粘附或粘結(jié)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其中Fe-Mn合金粉末的錳(Mn)含量設(shè)定在35-90質(zhì)量％的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其中Fe-Mn合金粉末含30質(zhì)量％或更多的硅(Si)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其中在燒結(jié)處理后的冷卻處理中，在燒結(jié)體被冷卻至100°C或更低的溫度范圍內(nèi)后，將燒結(jié)體加熱并保持在150-300°c的溫度范圍內(nèi)，或者將燒結(jié)體保持在150-300°C的溫度范圍內(nèi)。
【文檔編號】C22C38/16GK104073707SQ201410165335
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月25日
【發(fā)明者】大守洋, 山西祐司 申請人:日立化成株式會社