渗透的分离的铁类材料制造技术

优选通过如下方式逐层构造金属性合金：粘合剂喷射，然后烧结和除去粘合剂以形成多孔金属骨架，然后可以用渗透剂对其渗透以提供独立金属性部件。该部件显示通过ASTM G65‑10程序A(2010)测量的小于或等于200mm3的体积损失和根据ASTM E21‑12(2012)大于或等于55J的无切口冲击韧性。

Permeable separated iron materials

It is preferred to construct metallic alloys by layer by layer as follows: the binder is ejected, then the binder is sintered and removed to form a porous metal skeleton, and then the permeable agent can be permeated to provide independent metal components. The component shows the volume loss of less than or equal to or equal to 200mm3 through the ASTM G65 10 program A (2010) and no notch impact toughness based on ASTM E21 12 (2012) or equal to or equal to 55J.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】渗透的分离的铁类材料相关申请的交叉引用本申请要求2015年9月21日提交的美国临时申请序列号62/221,445和2015年11月9日提交的美国临时申请序列号62/252,867的权益。
本专利技术涉及用于以分层方式制备独立(free-standing)金属性材料的合金和方法。
技术介绍
许多应用，例如在工具、模具、模子、钻井、泵送、农业和采矿中发现的应用，需要具有高耐磨性的部件，以便在必须将其更换或翻新之前提高部件的耐久性和预期寿命。对材料进行设计，从而通过提供具有高耐磨性的整体(bulk)材料或提供由在整个基体中含有高耐磨性颗粒的低耐磨性基体组成的复合材料，对部件提供高耐磨性。许多这些材料需要淬硬热处理，例如淬火和回火处理，以获得提供耐磨性的结构。虽然淬硬处理在提高材料的耐磨性方面是有效的，但是由于部件变形和热诱导应力的破裂，它们可对经受淬硬处理的部件的尺寸控制和完整性产生有害影响。在本文中可以将分层构造理解为其中将材料层逐层地堆积(builtup)或铺设以制造零件的工艺。分层构造的实例包括采用激光器或电子束能量源的粉末床熔融、定向能量沉积、粘合剂喷射、片材层压、材料挤出、材料喷射和容器光聚合(vatphotopolymerization)。与金属一起使用的主要分层构造工艺包括粉末床熔融、定向能量沉积和粘合剂喷射。粘合剂喷射方法是通过将粘合剂喷射(或印刷)到粉末床上，固化该粘合剂，沉积新的粉末层并进行重复的分层构造方法，其具有构造终形(netshape)部件的优异能力。这种方法已经商业用于从沙子、陶瓷和各种金属包括316型不锈钢和420型不锈钢(以下分别称呼它们的UNS名称S31600和S42000)制造部件。由于在固态粘合剂喷射方法中的粉末床的性质，在该方法中生产的部件固有地具有显著的孔隙率。在固化所印刷的粘合剂之后，“生结合的(greenbonded)”金属部件通常具有大于或等于40％的孔隙率。生结合部件的烧结通过在颗粒之间产生冶金结合并且还减小孔隙率来增加部件的坚固性。可以使用长烧结时间以降低孔隙率大于5％，但这也会导致部件的部分收缩和变形，并可不利地影响材料结构。因此，生结合的粘合剂喷射部件的烧结的目的是通过产生颗粒间的冶金结合来提高部件强度，而且通过使孔隙率的降低最小化来使变形和收缩率最小化。对于粘合剂喷射部件，烧结收缩率通常在1-5％范围内，孔隙率降低是类似的，这导致烧结部件具有大于35％的孔隙率。烧结部件中的孔隙率不利地影响部件的机械性能，因此期望降低烧结部件的孔隙率。例如，通过毛细管作用的渗透是用于通过用处于液相的另一材料填充烧结部件中的空隙来降低孔隙率的方法。与烧结的粘合剂喷射部件以及许多粉末冶金工艺一起使用部件渗透，并且因此部件渗透是众所周知的。渗透可能遇到的主要问题包括导致不完全渗透的烧结骨架与渗透剂之间的不良润湿性，烧结骨架与渗透剂之间的材料相互作用例如烧结骨架的溶解侵蚀和新相形成，以及由于不匹配的材料性质可发展的内应力。对于粘合剂喷射和渗透方法，已经尝试开发新的材料体系，但是由于上述问题，极少能够商业化。存在的用于工业产品的粘合剂喷射的两种金属材料体系是：(1)用90-10青铜渗透的S31600，和(2)用90-10青铜渗透的S42000。S31600合金按重量百分比计具有以下组成：16<Cr<18；10<Ni<14；2.0<Mo<3.0；Mn<2.0；Si<1.0；C<0.08，余量为Fe。S31600不能通过热处理淬硬，并且在渗透态下相对柔软且认为具有低耐磨性，因为通过激光粉末床熔融增材制造工艺生产且通过ASTMG65-04(2010)工序A测量的该合金的耐磨性为342mm3。因此，青铜渗透的S31600不是用于高耐磨部件的合适材料。S42000合金按重量百分比计具有以下组成：12<Cr<14；Mn<1.0；Si<1.0；C≥0.15，余量为Fe。S42000可以通过淬火和回火工艺淬硬，并且因此用作需要耐磨性的粘合剂喷射部件的耐磨材料。用于渗透粘合剂喷射S42000部件的方法包括将部件埋入颗粒状陶瓷材料中，该颗粒状陶瓷材料作为支撑结构以支撑部件并抵抗在烧结和渗透工艺中的部件变形。将粘合剂喷射部件包裹在陶瓷中也有助于热量在部件内的均匀化，这降低了热梯度和部件变形以及因梯度而破裂的可能性。S42000依赖于从渗透温度开始相对高的淬火速率，以将奥氏体组织转化为提供高硬度和耐磨性的马氏体组织。S42000被认为是一种可空气淬硬的合金，但强烈建议在油中淬火该部件，以确保整个部件厚度中的冷却速率足以将所有的奥氏体转化为马氏体。在从90-10青铜(下文称作Cu10Sn)的常用渗透温度1120℃淬火时，油淬具有大于20℃/秒的典型淬火速率，而空气淬火速率约为5℃/秒。作为淬火中的热障的、粘合剂喷射部件周围的陶瓷层和渗透炉的淬火能力的组合限制了部件可实现的淬火速率，从而限制了部件的硬度。典型的渗透炉中的淬火速率大约为0.01℃/秒，这将是在这种炉中渗透的部件将要暴露的最高淬火速率，并且它们可能会经历较低的淬火速率，因为这些部件被包埋在绝缘陶瓷层。此外，S42000的奥氏体化温度为1038℃，远高于Cu10Sn的固相线温度(859℃)，也高于液相线温度(1010℃)。因此，不能在不熔化青铜渗透剂的情况下在渗透后在单独的步骤中将S42000奥氏体化和淬火。可淬硬钢诸如析出淬硬(PH)和马氏体类型的钢遭受与S42000类似的热极限性限制的缺点，该S42000是马氏体钢种。PH钢种诸如17-4PH和15-5PH取决于从奥氏体化温度开始的高淬火速率以使元素过饱和进入固溶体。PH钢的不足淬火速率导致冷却过程中第二相的偏析，以及时效过程中低至无的过饱和与析出驱动力。马氏体钢种诸如420、410、440C型不锈钢和H13、4340和P20工具钢取决于从奥氏体化温度开始的高淬火速率以驱动无扩散奥氏体向马氏体转化。马氏体钢的不足淬火速率导致高度的残余奥氏体或到铁素体的转化，这两者都对材料的耐磨性能是不利的。马氏体时效钢是另一种可淬硬钢，与PH和马氏体钢种不同，它能够在渗透过程中以固有的低冷却速率有效淬硬。马氏体时效钢中奥氏体向马氏体的转化与冷却速率和在时效过程中金属间相的析出无关，能够在足够低的温度(480-510℃)下发生高硬度从而在很大程度上避免与渗透剂的反应。因此，马氏体时效钢可用于粘合剂喷射和渗透，以开发渗有第二材料如青铜的高硬度钢骨架。尽管马氏体时效钢在时效中发展高达约55HRC的高硬度，但耐磨性相对差。当在ASTMG65-10工序A磨损测试中进行测试时，淬硬至55HRC的18Ni(300)马氏体时效钢种的激光粉末床熔融增材制造和热处理的样品具有2.9g的质量损失和360mm3的体积损失。该耐磨性类似于具有95HRB的硬度、2.87g的质量损失和363mm3的体积损失的退火型316L不锈钢。因此，本文期望通过两种方法生产终形部件：(1)粘合剂喷射，烧结以提供至多5％的收缩率，然后进行渗透工序并形成独立部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于逐层形成独立金属性部件的方法，包括：(a)供应金属合金颗粒，其包含至少50重量％的Fe和至少0.5重量％的B以及选自Cr、Ni、Si和Mn的一种或多种元素，其中所述颗粒具有初始水平的硼化物相；(b)将所述金属性合金颗粒与粘合剂混合，其中所述粘合剂结合所述颗粒并形成所述独立金属性部件的层，其中所述层具有在20％‑60％的范围内的孔隙率；(c)加热所述金属性合金颗粒和所述粘合剂并在所述颗粒之间形成结合；(d)通过在大于或等于800℃的温度下加热来烧结所述金属性合金颗粒和所述粘合剂，且去除所述粘合剂并冷却多孔金属性骨架；(e)在大于或等于800℃的温度下用渗透剂渗透所述多孔金属性骨架，并冷却和形成所述独立金属性部件，其中在所述烧结和/或渗透步骤期间，增加硼化物相的水平；其中所述独立金属性部件显示根据ASTM G65‑10工序A(2010)测量的小于或等于200mm3的体积损失和根据ASTM E23‑12(2012)的大于或等于55J的未切口冲击韧性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.21 US 62/221,445;2015.11.09 US 62/252,8671.一种用于逐层形成独立金属性部件的方法，包括：(a)供应金属合金颗粒，其包含至少50重量％的Fe和至少0.5重量％的B以及选自Cr、Ni、Si和Mn的一种或多种元素，其中所述颗粒具有初始水平的硼化物相；(b)将所述金属性合金颗粒与粘合剂混合，其中所述粘合剂结合所述颗粒并形成所述独立金属性部件的层，其中所述层具有在20％-60％的范围内的孔隙率；(c)加热所述金属性合金颗粒和所述粘合剂并在所述颗粒之间形成结合；(d)通过在大于或等于800℃的温度下加热来烧结所述金属性合金颗粒和所述粘合剂，且去除所述粘合剂并冷却多孔金属性骨架；(e)在大于或等于800℃的温度下用渗透剂渗透所述多孔金属性骨架，并冷却和形成所述独立金属性部件，其中在所述烧结和/或渗透步骤期间，增加硼化物相的水平；其中所述独立金属性部件显示根据ASTMG65-10工序A(2010)测量的小于或等于200mm3的体积损失和根据ASTME23-12(2012)的大于或等于55J的未切口冲击韧性。2.如权利要求1所述的方法，其中所述选自Cr、Ni、Si和Mn的一种或多种元素包含Cr、Ni和Si。3.如权利要求1所述的方法，其中所述选自Cr、Ni、Si和Mn的一种或多种元素包含Cr、Ni、B、Si和Mn。4.如权利要求1所述的方法，其中所述合金包含15.0-22.0重量％的Cr、5.0-15.0重量％的Ni、0-3.5重量％的Mn、2.0-5.0重量％的Si、0-1.5重量％的C、0.5-3.0重量％的B和77.5-50.0重量％的Fe。5.如权利要求1所述的方法，其中所述合金包含15.0-20.0重量％的Cr、11.0-15.0重量％的Ni、2.0-5.0重量％的Si、0-1.5重量％的C、0.5-3.0重量％的B和71.5-55.5重量％的Fe。6.如权利要求1所述的方法，其中所述合金包含17.0-22.0重量％的Cr、5.0-10.0重量％的Ni、0.3-3.0重量％的Mn、2.0-5.0重量％的Si、0-1.5重量％的C、0.5-3.0重量％的B和55.5-75.2重量％的Fe。7.如权利要求1所述的方法，其中所述合金包含15.0-22.0重量％的Cr、5.0-15.0重量％的Ni、0-3.5重量％的Mn、2.0-5.0重量％的Si、0-1.5重量％的C、0.5-3.0重量％的B和77.5-50.0重量％的Fe。8.如权利要求1所述的方法、其中所述合金含有15.0-20.0重量％的Cr、11.0-15.0重量％的Ni、0.5-2.0重量％的Si；0-1.5重量％的C、0.5-3.0重量％的B和60.0-73.0重量％的Fe。9.如权利要求1所述的方法，其中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·D·图菲尔，H·莱姆基，P·E·麦克，
申请(专利权)人：纳米钢公司，
类型：发明
国别省市：美国,US