專利名稱：具有高拉伸強(qiáng)度的含錳材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過壓實(shí)和燒結(jié)生產(chǎn)部件的鐵基粉末。具體地，本發(fā)明涉及基本不含鎳的粉末組合物，燒結(jié)時(shí)，得到具有有價(jià)值的性能的部件，如高的拉伸強(qiáng)度。這種部件可以用于汽車工業(yè)中。本發(fā)明還涉及這種粉末的粉末冶金生產(chǎn)的部件以及用粉末冶金生產(chǎn)這樣的部件的方法。
在粉末冶金領(lǐng)域中，鎳是鐵基粉末組合物中較為常見的合金元素。一般認(rèn)為鎳可以改進(jìn)用最多含有8％鎳的鐵粉制備的燒結(jié)部件的拉伸強(qiáng)度。此外，鎳可以促進(jìn)燒結(jié)、增大淬透性能，并且同時(shí)對(duì)延伸率有好的影響。
目前市場(chǎng)上的粉末，其應(yīng)用得到了具有類似于用根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)品得到的性質(zhì)的產(chǎn)品，是DistaloyAE，其中含有4wt％的鎳。
但是對(duì)于不含鎳的粉末有不斷增長(zhǎng)的需求，因?yàn)殒囀前嘿F的，在粉末的加工過程中產(chǎn)生粉塵，少量的鎳就會(huì)產(chǎn)生過敏反應(yīng)。從環(huán)境的觀點(diǎn)來看，應(yīng)該避免使用鎳。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供不含鎳的組合物，至少在某些方面，具有與含鎳組合物相同的性能。
第二個(gè)目的是提供低成本的、環(huán)境上可以接受的材料。
第三個(gè)目的是提供燒結(jié)的產(chǎn)品，在低溫和和高溫?zé)Y(jié)后，所說的燒結(jié)的產(chǎn)品具有優(yōu)于用DistaloyAE得到的拉伸強(qiáng)度值。
根據(jù)本發(fā)明，除了鐵以外，含有0.25-2.0wt％的Mo、1.2-3.5wt％的Mn和0.5-1.75wt％的Si、0.2～1.0wt％的碳和2wt％的雜質(zhì)的金屬粉末表現(xiàn)出非常有趣的性能。因此，在根據(jù)本發(fā)明的金屬粉末壓實(shí)，然后在高溫下燒結(jié)時(shí)，可以得到最大為1200MPa的拉伸強(qiáng)度。
優(yōu)選的根據(jù)本發(fā)明的鐵基粉末含有0.5-2wt％的Mo、1.2-3.wt％的Mn和0.5-1.5wt％的Si、0.3-0.9wt％的C和少于2wt％的雜質(zhì)，其中包括少于0.25％的Cu。除了Cu以外，所說的雜質(zhì)可以由Cr、Ni、Al、P、S、O、N、Be、B等組成。其含量分別小于0.5wt％。
Mo可以用作金屬粉末，與鐵部分預(yù)合金化或與鐵預(yù)合金化。在把Mo加入的鐵粉中時(shí)，壓制的材料的淬透性能增大，推薦的是Mo的含量至少為0.25wt％。但是，隨著Mo含量的增加，會(huì)導(dǎo)致壓縮性降低，因此密度降低，Mo的量?jī)?yōu)選的是應(yīng)該小于2.0wt％。此外，太高含量的Mo特別是與高含量的C組合時(shí)，使燒結(jié)的材料變硬變脆，材料的強(qiáng)度會(huì)降低。
Mo優(yōu)選的是以預(yù)合金的基體粉末的形式加入，使在燒結(jié)的材料中得到由貝氏體和馬氏體組成的更均勻的微觀結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方案，以Astaloy Mo或Astaloy85 Mo(來自Hgans AB，Sweden的)的形式加入Mo，其中分別含有1.5和0.85wt％的Mo。
Mn和Si可以改進(jìn)淬透性能。這些元素的合適的加入量分別為1.2和0.5wt％以上。但是，太高含量的Mn和Si，如分別為3.5和1.75wt％以上，會(huì)導(dǎo)致壓縮性的降低，并會(huì)產(chǎn)生氧化問題。在預(yù)合金的基體粉末中高含量的Mn和Si具有強(qiáng)的固溶硬化作用，而以元素形式加入的這些元素對(duì)氧具有強(qiáng)的親和性。
然而，如果，這些元素以母合金的形式加入，則會(huì)降低它們對(duì)氧的親和性，它們對(duì)氧化的敏感性就會(huì)降低。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，Mn和Si以Fe-Mn-Si母合金的形式加入，所說的母合金的組成為10～30wt％的Si、20～70wt％的Mn、其余為Fe，Mn/Si的重量比在1～3之間。這樣的母合金主要由(Fe，Mn)3Si和(Fe，Mn)5Si3組成，在EP97737中提出了這樣的母合金。由于在燒結(jié)過程中，所說的Fe-Mn-Si母合金形成過渡液相，加速燒結(jié)、促進(jìn)擴(kuò)散、增加馬氏體的量并使氣孔變園，所以，所說的母合金可以改進(jìn)壓縮性，燒結(jié)材料的微觀結(jié)構(gòu)變得更均勻。使用這種母合金，可能避免由硅引起的大的收縮，得到接近于零的尺寸變化。另外，Mn和Si可以以鐵-錳和鐵-硅的形式加入。
如果通常以石墨粉的形式加入的C的量小于0.2％，所說的拉伸強(qiáng)度將會(huì)太低，如果C的量在1.0％以上，燒結(jié)部件將會(huì)太脆。用根據(jù)本發(fā)明的組合物制備的部件，其中的C含量較低，表現(xiàn)出良好的延展性、可以接受的拉伸強(qiáng)度，而用較高C含量的組合物制備的制品具有較低的延展性和較大的拉伸強(qiáng)度。石墨添加必須根據(jù)燒結(jié)的氣氛而定。氣氛中的氫氣越多，由于更大的脫碳作用，需要添加的石墨越多。由于一些碳在燒結(jié)過程中不見了，所以，燒結(jié)制品的碳含量比所說的鐵基粉末的碳含量稍低。因此，燒結(jié)制品的碳含量通常在0.15-0.70wt％之間。
至于可能的雜質(zhì)，可以提到Ni、Cu和Cr。這些元素存在的量可以分別小于0.25wt％，但是優(yōu)選的是以痕量存在，即最多為組合物的0.1wt％。其它可能的雜質(zhì)是Al、P、S、O、N、Be、B，在權(quán)利要求書中表明它們的量。雜質(zhì)的總含量應(yīng)該小于2wt％，但是，優(yōu)選的是小于1wt％。
在

圖1、2和3中分別提出了添加不同量的Mo、Mn/Si和C的影響。
除了鐵基粉末以外，本發(fā)明還涉及用這些新粉末生產(chǎn)部件的方法以及生產(chǎn)的部件。以對(duì)于熟悉該技術(shù)的人已知的傳統(tǒng)的方式進(jìn)行所說的粉末冶金方法，包括壓實(shí)、燒結(jié)和任選的再加壓和燒結(jié)和/或驟冷及粉末的回火步驟?？梢砸岳鋲汉蜏貕哼M(jìn)行所說的壓實(shí)步驟，可以以低溫?zé)Y(jié)以及高溫?zé)Y(jié)進(jìn)行所說的燒結(jié)步驟。燒結(jié)氣氛及燒結(jié)時(shí)間能賦予在該技術(shù)中已知的最終產(chǎn)品的性能。
在這方面，可以提到WO80/01083提出了具有類似于本產(chǎn)品的組合物的合金鋼制品。但是，這些已知的產(chǎn)品是通過鑄造制備的傳統(tǒng)的、鑄造的無氣孔的產(chǎn)品。為了得到具有明顯完整的貝氏體結(jié)構(gòu)，隨后進(jìn)行特定的熱處理、等溫回火。除了合金元素的范圍以外，這些已知的產(chǎn)品在一些方面不同于根據(jù)本發(fā)明制備的產(chǎn)品，例如，起始材料的種類、工藝過程和微觀結(jié)構(gòu)。
出乎意料地發(fā)現(xiàn)通過使用新型的鐵基混合物可以獲得拉伸強(qiáng)度最大為約1200MPa的材料。例如，通過在氫氣氛中在約1200～1280℃之間的高溫?zé)Y(jié)約1小時(shí)，可以得到這些顯著高的數(shù)值。值得注意的是用根據(jù)本發(fā)明的鐵基粉末制得的壓制坯體，在經(jīng)過低溫?zé)Y(jié)，即在1110～1150℃之間的溫度燒結(jié)，也可以通過最大為1000MPa的非常高的拉伸強(qiáng)度來區(qū)分。還可以觀察到以較為適度的密度，如6.8-7.0g/cm3，得到出乎意料的高強(qiáng)度。此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在不同的密度下，新的組合物在尺寸變化方面表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。
簡(jiǎn)單來說，根據(jù)本發(fā)明的燒結(jié)產(chǎn)品的高拉伸強(qiáng)度與粉末的低成本以及對(duì)環(huán)境的適度的影響使本發(fā)明特別有利。
在下列實(shí)施例中更詳細(xì)地描述了本發(fā)明。
實(shí)施例已經(jīng)試驗(yàn)了關(guān)于Mo、Mn、Si和C的不同的合金組合物。在下列試驗(yàn)中使用了組成為45％Mn、21％的Si、其余為Fe的母合金。把所說的母合金、石墨和在某些試驗(yàn)中還有Mo粉末與ASC100.29、Astaloy85 Mo或AstaloyMo混合。以600MPa壓制拉伸試樣，然后在氫氣與氮?dú)獾幕旌蠚夥罩?，?250℃燒結(jié)30～60分鐘。在鉬含量為0.25-2.0％時(shí)得到了最優(yōu)的強(qiáng)度性質(zhì)，見圖1。鉬的添加量小時(shí)淬透性能太低，而鉬的添加量太高時(shí)，密度太低。鉬的含量?jī)?yōu)選的是在0.5-2％之間。除了鐵和不同量的Mo以外，試驗(yàn)的粉末還含有2.8％的Mn、1.2％的Si、0.7％的石墨。
較少的母合金添加量導(dǎo)致材料的低淬透性能，從而導(dǎo)致較低的強(qiáng)度。高的合金添加量導(dǎo)致大體積的母合金，降低壓縮性，并會(huì)導(dǎo)致材料的膨脹增大。由于低密度從而使強(qiáng)度降低。最佳的錳和硅的添加量分別為1～3.5％的Mn和0.5-1.75％的Si，見圖2。除了鐵和Mn、Si的變化的量以外，試驗(yàn)的粉末還包括0.85％Mo和0.7％的石墨。
分析的碳含量取決于加入的石墨量，還取決于所用的燒結(jié)氣氛。使用的氫氣含量越高，脫碳作用越大。燒結(jié)試樣的最佳碳含量在0.15-0.7％之間，見圖4。在這些試驗(yàn)中，這對(duì)應(yīng)于粉末組合物中的0.3-0.9％的石墨，見圖3。試驗(yàn)的鐵基粉末含有0.85％的Mo、1.8％的Mn、0.8％的Si和變化量的石墨。
通過提高燒結(jié)溫度和增大燒結(jié)時(shí)間增大材料的強(qiáng)度。這主要是由于所混合的合金元素的較好的擴(kuò)散，這改進(jìn)了淬透性能，從而改進(jìn)了材料的強(qiáng)度。對(duì)于由鐵、0.85％的Mo、1.8％的Mn、0.8％的Si和0.5-0.7％的石墨組成的粉末，這種效果可以在圖5中看出。
對(duì)于新開發(fā)的材料來說，在不同的密度下尺寸的變化是穩(wěn)定的。在生產(chǎn)具有較高的內(nèi)在的密度變化量的部件時(shí)，這是很有利的。通過使用尺寸穩(wěn)定的材料保持小的公差變得更容易。圖6提出了對(duì)于在400、600和800MPa壓制的Fe-0.85Mo-1.8Mn-0.8Si-(0.6-0.7C)的尺寸變化量。在1120℃和1250℃進(jìn)行燒結(jié)。尺寸的變化量分別為0.03％和0.12％，密度的變化范圍為6.6-7.1g/cm3。
權(quán)利要求
1.一種用于通過粉末的壓制和燒結(jié)生產(chǎn)多孔部件的鐵基粉末，除了鐵以外包括0.25-2.0wt％的Mo1.2-3.5wt％的Mn0.5-1.75wt％的Si0.2-1.0wt％的C和不超過2wt％，優(yōu)選的是不超過1wt％的雜質(zhì)，其中包括小于0.25wt％的Cu。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1的粉末，其特征在于Mo的量為0.5-2.0wt％。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1或2的粉末，其特征在于Mn的量為1.2-3.0wt％。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1～3的任一個(gè)的粉末，其特征在于Si的量為0.5-1.50wt％。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1～4的任一個(gè)的粉末，其特征在于C的量為0.3-0.9wt％。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求1～5的任一個(gè)的粉末，其特征在于Mn和Si以錳鐵、硅鐵或硅-錳-鐵母合金的形式加入。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求6的粉末，其特征在于所說的硅-錳-鐵母合金的錳/硅的重量比在1～3之間變化。
8.一種根據(jù)上述權(quán)利要求的任一個(gè)的粉末，其特征在于Mo以Fe和Mo的預(yù)合金的形式加入。
9.一種根據(jù)上述權(quán)利要求的任一個(gè)的粉末，其特征在于它包括不可避免的雜質(zhì)，范圍如下Cr＜0.25Cu＜0.25Ni＜0.25Al＜0.20P＜0.05S＜0.05O＜0.03N＜0.02Be＜0.01B＜0.02其它＜0.5。
10.一種粉末冶金生產(chǎn)的多孔部件，其中，除了鐵以外，包括0.25-2.0wt％的Mo1.2-3.5wt％的Mn0.5-1.75wt％的Si0.15-0.70wt％的C和不超過2％的雜質(zhì)，包括小于0.25wt％的Cu。
11.一種粉末冶金生產(chǎn)燒結(jié)的多孔部件的方法，其特征在于使用一種鐵基粉末，含有0.25-2.0wt％的Mo1.2-3.5wt％的Mn0.5-1.75wt％的Si0.2-1.0wt％的C和不超過2％的雜質(zhì)，包括小于0.25wt％的Cu；把所說的粉末壓成要求的形狀，在1120℃以上的溫度燒結(jié)所說的壓塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過粉末的壓塊和燒結(jié)用粉末冶金生產(chǎn)部件的鐵基粉末。該粉末含有0.25-2.0wt％的Mo、1.2-3.5wt％的Mn、0.5-1.75wt％的Si和0.2-1.0wt％的C和不超過2％的雜質(zhì)，包括小于0.25wt％的Cu。本發(fā)明還包括用這種鐵粉制備燒結(jié)的部件的方法以及燒結(jié)的產(chǎn)品。
文檔編號(hào)C22C38/12GK1166802SQ9519639
公開日1997年12月3日 申請(qǐng)日期1995年11月21日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月25日
發(fā)明者C·林德伯格 申請(qǐng)人:赫加奈斯公司