低合金鋼粉的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請?zhí)枮?00880125654.X、申請日為2008年12月18日、發(fā)明名稱為"低 合金鋼粉"的申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及低合金化鐵基粉末以及含有該粉末和其它添加劑的粉末組合物，和由 該粉末組合物制成的粉末鍛造部件。該粉末和粉末組合物計劃用于成本有效地制造粉末鍛 造部件，例如連桿。
【背景技術(shù)】
[0003] 在工業(yè)中，通過壓制和燒結(jié)金屬粉末組合物而制成的金屬產(chǎn)品的應(yīng)用日益廣泛。 生產(chǎn)具有各種形狀和厚度的許多不同產(chǎn)品，并在希望降低成本的同時不斷提高質(zhì)量要求。 由于通過鐵粉組合物的壓制和燒結(jié)獲得凈形部件或只需極少機械加工就可達到最終形狀 的近凈形部件以及高的材料利用程度，該技術(shù)大大優(yōu)于金屬部件的傳統(tǒng)成形技術(shù)，例如由 棒料或鍛件模制或機械加工。
[0004] 但是，與壓制和燒結(jié)法相關(guān)的一個問題在于，燒結(jié)部件含有一定量的孔隙，以致降 低該部件的強度。基本上有兩種方式克服由部件多孔性造成的對機械性質(zhì)的負面影響。1) 可以通過引入合金元素，例如碳、銅、鎳、鉬等，來提高燒結(jié)部件的強度。2)通過提高該粉末 組合物的可壓縮性、和/或提高壓制壓力以獲得更高生坯密度、或提高該部件在燒結(jié)過程 中的收縮率，可以降低燒結(jié)部件的孔隙率。在實踐中，采用通過添加合金元素來增強該部件 與將孔隙率降至最低的組合。
[0005] 粉末鍛造包括使用鍛造沖擊使燒結(jié)的預(yù)成型坯快速致密化。結(jié)果獲得了完全致密 的凈形或近凈形的適合高性能用途的部件。通常，由與銅和石墨混合的鐵粉制造粉末鍛造 制品。建議的其它類型的材料包括與鎳和鉬和少量錳預(yù)合金化的鐵粉，以在不產(chǎn)生穩(wěn)定氧 化物的情況下提高鐵可淬硬性。也常加入機械加工性增強劑，例如MnS。
[0006] 制成部件中的碳會提高強度和硬度。銅在達到燒結(jié)溫度之間熔融，由此提高擴散 速率和促進燒結(jié)頸的形成。添加銅會改進強度、硬度和可淬硬性。
[0007] 已通過粉末鍛造技術(shù)成功制造內(nèi)燃機連桿。當(dāng)使用粉末鍛造法制造連桿時，通常 對該壓制和燒結(jié)部件的大端施以裂解（fracturesplit)操作。對供大端螺栓用的孔和螺 紋機械加工。內(nèi)燃機中連桿的基本性質(zhì)是高壓縮屈服強度，因為這類連桿受到拉伸載荷三 倍高的壓縮載荷。另一基本的材料性質(zhì)是適當(dāng)?shù)目蓹C械加工性，因為必須對孔和螺紋機械 加工以在安裝后連接裂開的大端。但是，連桿制造是具有嚴格的性能、設(shè)計和耐久性要求的 大規(guī)模和價格敏感的用途。因此，提供較低成本的材料或方法非常合意。
[0008] US3901661、US4069044、US4266974、US5605559、US6348080 和W003/106079 描述了含鉬粉末。當(dāng)與鉬預(yù)合金化的粉末用于制造壓制和燒結(jié)部件時，在燒結(jié)部件中容易 形成貝氏體。特別地，當(dāng)使用具有低鉬含量的粉末時，所形成的貝氏體粗大以致?lián)p害機械加 工性，這對需要良好機械加工性的連桿而言特別成問題。鉬作為合金元素也非常昂貴。
[0009] 但是，在US5605559中，通過使Mn保持非常低，用Mo合金粉末獲得了細珠光體 微結(jié)構(gòu)。要指出，Mo通過碳化鉬的固溶硬化和沉淀硬化等改進鋼的強度。但是，當(dāng)Mo含量 小于大約0.1重量％時，其作用小。Mn通過改進其可淬硬性來改進熱處理材料的強度。但 是，當(dāng)Mn含量超過大約0. 08重量％時，在合金鋼粉表面上產(chǎn)生氧化物，以致可壓縮性降低 和可淬硬性提高超出所需水平。因此，形成粗大的上貝氏體結(jié)構(gòu)并且強度降低。但是，保持 低Mn含量是昂貴的，特別是在生產(chǎn)中使用廉價的鋼肩時，因為鋼肩通常含有0. 1重量％和 更高的Mn。因此，由于低Mn含量和Mo的成本，制成的粉末因而相當(dāng)昂貴。
[0010] US2003/0033904、US2003/0196511 和US2006/086204 描述了可用于制造粉末 鍛造的連桿的粉末。該粉末含有與銅粉和石墨混合的預(yù)合金化鐵基含錳和硫的粉末。US 2006/086204描述了由鐵粉、石墨、硫化錳和銅粉的混合物制成的連桿。具有3重量％Cu和 0. 7重量％石墨的材料獲得了 775MPa的最高壓縮屈服強度值。相應(yīng)的硬度值為34. 7HRC， 這相當(dāng)于大約340HV1。銅和碳含量的降低也導(dǎo)致降低的壓縮屈服強度和硬度。
[0011] 發(fā)明目的
[0012] 本發(fā)明的目的是提供合金化鐵基粉末，其適用于制造粉末鍛造部件，例如連桿，且 基本不含昂貴的合金元素，例如鉬和鎳。
[0013] 本發(fā)明的另一目的是提供低合金鋼粉，其適用于制造具有基本為珠光體/鐵素體 結(jié)構(gòu)的粉末鍛造部件。
[0014] 本發(fā)明的另一目的是提供粉末，其能夠形成具有高于820Mpa的高壓縮屈服應(yīng)力 CYS以及最多380HV1、優(yōu)選低于360HV1的維氏硬度的粉末鍛造部件，以使該粉末鍛造部件 在仍足夠強韌的情況下容易被機械加工。
[0015] 本發(fā)明的另一目的是提供具有上述性質(zhì)的粉末鍛造部件，優(yōu)選連桿。
[0016] 發(fā)明概述
[0017] 通過下述各項實現(xiàn)了這些目的中的至少一個：
[0018] -水霧化的低合金鋼粉，按重量％計，其包含：0.2至1. 5的Cr、0. 05至0.4的V、 0. 09至0. 6的Mn、少于0. 1的Mo、少于0. 1的Ni、少于0. 2的Cu、少于0. 1的C、少于0. 25 的〇、少于〇. 5的不可避免的雜質(zhì)，余量是鐵。
[0019]-基于所述鋼粉的組合物，按該組合物的重量％計，其具有：0.35至1的石墨形式 的C、0. 05至2的潤滑劑、任選地0至4的銅粉形式的Cu;和任選地硬相材料和機械加工性 增強劑。
[0020] -制造燒結(jié)和任選地粉末鍛造的部件的方法，包括下述步驟：
[0021] a)制備上述鐵基鋼粉組合物，
[0022] b)對該組合物施以400至2000MPa的壓制，
[0023] c)在還原氣氛中在1000至1400°C的溫度燒結(jié)所得生坯部件，和
[0024] d)任選地，在高于500°C的溫度鍛造所述經(jīng)加熱的部件，或?qū)λ脽Y(jié)部件施以 熱處理。
[0025] _由所述組合物制成的部件。
[0026] 該鋼粉具有低的和指定的鉻、錳和釩含量且基本不含鉬和鎳，并且已表明能夠提 供具有高于820MPa的壓縮屈服應(yīng)力以及低于380HV1的硬度值的部件。
[0027] 發(fā)明詳述
[0028] 鐵基合金鋼粉的制各
[0029] 通過含有指定量的合金元素的鋼熔體的水霧化制造鋼粉。進一步對該霧化粉末施 以如美國專利6027544中所述的還原退火法，該專利經(jīng)此引用并入本文。該鋼粉的粒度可 以為任何尺寸，只要其與壓制和燒結(jié)或粉末鍛造法相容即可。合適的粒度的實例是可獲自 HdganSsAB，Sweden的已知粉末ABC100. 30的粒度，其大約10重量％高于150微米且大 約20重量％低于45微米。
[0030] 鋼粉的含量
[0031] 鉻用于通過固溶硬化增強基質(zhì)。鉻還提高燒結(jié)體的可淬硬性、抗氧化性和耐磨性。 但是，高于1. 5重量％的鉻含量會降低鋼粉的可壓縮性，并導(dǎo)致較難形成鐵素體/珠光體微 結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，從可壓縮性的角度看，上限含量為大約1.2重量％。
[0032] 錳與鉻一樣，提高鋼粉的強度、硬度和可淬硬性。此外，如果錳含量太低，就不可能 使用廉價的回收碎肩，除非在制鋼過程中進行特定的處理以降低其含量，這提高了成本。因 此，猛含量不應(yīng)低于0. 09重量％，優(yōu)選高于0. 1重量％，再更優(yōu)選高于0. 15重量％。高于 0. 6重量％的Mn含量會提高該鋼粉中含錳夾雜物的形成，還由于固溶硬化和提高的鐵素體 硬度而對可壓縮性具有負面影響。因此，Mn含量不應(yīng)超過0. 6重量％。
[0033] 但是，如果錳和鉻都具有高含量，則導(dǎo)致通過退火將氧含量降至低水平更難和更 昂貴。因此，根據(jù)一個實施方案，當(dāng)鉻含量高于0. 6重量％時，錳含量為最多0. 3重量％。
[0034] 如果具有較低的鉻含量，則可以設(shè)定略高的錳下限以提高鋼粉的強度、硬度和可 淬硬性。因此，根據(jù)另一實施方案，當(dāng)Cr的含量為0. 2至0. 6重量％時，Mn含量為0. 2至 〇. 6重量％。
[0035] 釩通過沉淀硬化提高強度。釩也具有粒度細化作用，并在這種情況下被認為有助 于形成合意的細粒珠光體/鐵素體微結(jié)構(gòu)。當(dāng)釩含量高于〇. 4%時，碳化釩和氮化釩沉淀物 的尺寸增大，由此損害該粉末的特性。低于〇. 05重量％的含量對所需性質(zhì)具有不明顯的作