一种用于制造烧结硬化钢零件的中间合金以及该烧结硬化零件的制造工艺制造技术

本发明专利技术描述了一种用于制造钢零件的中间合金，以及由这种中间合金制造烧结硬化钢零件的工艺。该粉末状中间合金包括由以下组成的组合物，包括：铁，大约1-5wt%的C，大约3-15wt%的Mn，大约3-15wt%的Cr，其中，该中间合金具有由该合金元素和碳的固溶体组成的微观结构，该微观结构包括：至少10V%奥氏体，剩余为铁化合物。该工艺包括：制备该中间合金，将该中间合金与钢粉末混合制造一种混合物，其中，该中间合金占该混合物的5-35wt%，将该混合物装入零件的模具中压缩，烧结该混合物以制造该钢零件，并在烧结之后控制冷却速率从而产生烧结硬化。该中间合金粉末还可在与低合金钢粉末混合时作为烧结硬化增强剂使用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请根据35USC§119(e)要求2010年2月15日提交的第61/304,600号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用合并于此。
本专利技术涉及一种用于通过烧结硬化技术制造硬化钢零件的中间合金，以及用于制造包含该中间合金的烧结硬化钢零件的工艺。
技术介绍
硬化合金元素被广泛应用于粉末冶金中制造高性能钢零件。这种硬化合金元素包括：镍，钼和铜。这种合金元素的缺陷之一就是较高以及频繁波动的成本。在传统的熟钢冶金中，附加的硬化合金元素包括：锰，铬和硅。锰是一种特别有效的硬化合金。这些附加的合金元素较便宜并且它们的成本更加稳定。这些较便宜的元素的主要缺点是它们易于氧化，因此直到目前，限制了它们在粉末冶金中的应用。许多方法均可将合金元素引入粉末冶金组合物中。其中的一种方法涉及在雾化之前将合金元素加入到液体钢中（预合金pre-alloying）。另一种方法就是将合金元素作为一种添加剂加入到粉末混合物中（混合admixed）。一方面，预合金粉末展示出了一种相对较低的压缩率但是能够产生更均一的微观结构/特性。另一方面，混合合金元素较少地阻碍其压缩率但是要求更高的烧结温度从而确保雾化扩散，进而保证均一的微观结构/特性。GB 1,504,547（申请人：Zaft等人，受让人：company Sintermetallwerk Krebsoge GmbH）公开了一种烧结合金钢，通过将一种粉末混合物与钢粉末和复合碳化物硬化铁合金一起进行冲压和烧结而制造，含有以下元素：25%的Cr，25%的Mo，25%的Mn，作为复合碳化物的10%的C，其余由Fe补足。这种唯一地含有的由Zaft等人公开的碳化物铁合金（carbide ferro-alloy）非常坚硬，从而可能在钢零件的制造中引起使用的设备和工具的磨损（“一种制造合金钢烧结零件的工艺以及工艺中所使用的烧结粉末（Process for making alloyed steel sintered parts and sinter powder for use in the process），G.Zapf等人，专利GB 1,504,547,1974）。Zaft等人公开的这种中间合金引起制造设备过量磨损的结论在“高性能应用的新的Cr-Mn-烧结钢（New alloyed sintered steel for high-performance applications,Paul Beiss）”(Advances in Powder Metallurgy&Particulate Materials,Part 7,Page 24,2005)中进行了解释。因此，对于硬化合金钢零件的制造需要一种更软或硬度较小的中间合金，减少了昂贵的硬化合金元素的使用，并且降低了在这些零件制造中的工具磨损，从而节省了材料以及制造成本，从而使得该工艺可行。这种中间合金还应该避免亲氧性元素例如锰和铬在制造过程中发生氧化。
技术实现思路
本专利技术公开的中间合金以及工艺允许使用较便宜的并且具有较高亲氧性的硬化合金元素。特别是，在含碳相的固溶体中，例如奥氏体以及含碳的其他化合物中，锰和铬被防止发生氧化。固溶体中碳的存在避免了这些合金元素在中间合金的制造以及随后的加工步骤（包括烧结硬化）发生氧化。根据本专利技术的一方面，提供了一种包括一种组合物的中间合金，该组合物含有：大约占所述中间合金1-5wt%的C，大约占所述中间合金3-15wt%的Mn；大约占所述中间合金3-15wt%的Cr，其余由铁和不可避免的杂质补足；其中，该中间合金包括由所述合金元素和碳的固溶体组成的微观结构，该微观结构包括至少10V%的奥氏体，其余为铁化合物。根据本专利技术的另一方面，提供了一种用于制造烧结硬化钢零件的工艺，包括：制备一种包括一种组合物的中间合金的粉末，该组合物含有：大约占所述中间合金1-7wt%的C，大约占所述中间合金3-20wt%的Mn；大约占所述中间合金3-20wt%的Cr，其余由铁和不可避免的杂质补足；其中，该中间合金包括由所述合金元素和碳的固溶体组成的微观结构，该微观结构包括至少10V%的奥氏体，其余为铁化合物；将该中间合金粉末与钢粉末混合以制造一种混合物，其中该中间合金占该混合物的质量分数为5-35wt%；将该混合物压缩使该零件成形；烧结该混合物以制造该钢零件；并且在烧结之后控制冷却以形成烧结硬化。根据本专利技术的一个常规方面，提供了一种用于烧结硬化钢零件的中间合金，该中间合金包括一种组合物，该组合物包括：铁；大约占所述中间合金1-5wt%的C；大约占所述中间合金3-15wt%的Mn；大约占所述中间合金3-15wt%的Cr，并且其中，所述中间合金包括由所述合金元素和碳的固溶体组成的微观结构，该微观结构包括至少10V%的奥氏体。根据本专利技术的另一常规方面，提供了一种制造烧结硬化钢零件的工艺，包括：制备一种中间合金的粉末，所述中间合金包括由以下组成的一种组合物：铁；大约占所述中间合金1-7wt%的C；大约占所述中间合金3-20wt%的Mn；大约占所述中间合金3-20wt%的Cr，以及其中，所述中间合金包括由所述合金元素和碳的固溶体组成的微观结构，该微观结构包括至少10V%的奥氏体；将该中间合金粉末与钢粉末混合制造一种混合物，其中该中间合金占该混合物的5-35wt%；将所述混合物压实使所述零件成形；将该混合物烧结制造所述钢零件；以及在烧结之后控制冷却以形成烧结硬化。根据本专利技术的另一常规方面，提供了一种通过上述工艺获得的烧结硬化钢零件。根据本专利技术的又一常规方面，提供了一种用于制造钢零件的粉末混合物，包括：一种钢粉末；以及占所述粉末混合物大约5-35wt%的浓度的中间合金粉末，所述中间合金粉末包括：铁；大约占所述中间合金1-7wt%的C；大约占所述中间合金3-20wt%的Mn；大约占所述中间合金3-20wt%的Cr，以及其中，该中间合金包括由所述合金元素和碳的固溶体组成的微观结构，所述微观结构包括至少10V%的奥氏体。在本说明书中，术语“中间合金”是指一种基底金属，例如与一种或多种附加元素进行预合金的铁，举例来说，可加入到基底金属熔化物中的碳（C），锰（Mn）和铬（Cr）。该中间合金通过对制备的中间合金与适合的高压介质（例如液体或气体）的熔池进行雾化获得。该中间合金微粒具有微米量级的尺寸。在本说明书中，术语“铁合金ferroalloy”是指铁与高比例的一种或多种元素的各种合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.02.15 US 61/304,6001.一种用于烧结硬化钢零件的中间合金，其特征在于，所述中间合金包
括由以下组成的组合物，包括：
铁；
大约占所述中间合金1-5wt%的C；
大约占所述中间合金3-15wt%的Mn；
大约占所述中间合金3-15wt%的Cr，以及
其中，所述中间合金具有由所述合金元素和碳的固溶体组成的微观结构，
所述微观结构包括至少10V%的奥氏体。
2.如权利要求1所述的中间合金，其特征在于，所述微观结构包括至少
20V%的奥氏体，所述奥氏体含有固溶体的合金元素和碳。
3.如权利要求1所述的中间合金，其特征在于，所述微观结构包括至少
40V%的奥氏体，所述奥氏体含有固溶体的合金元素和碳。
4.如权利要求1所述的中间合金，其特征在于，所述微观结构包括至少
60V%的奥氏体，所述奥氏体含有固溶体的合金元素和碳。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的中间合金，其特征在于，所述中间
合金以通过雾化制造的微粒的形式存在。
6.如权利要求5所述的中间合金，其特征在于，所述微粒尺寸通过研磨
控制。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的中间合金，其特征在于，所述中间
合金的维氏硬度低于900。
8.如权利要求1-6中任意一项所述的中间合金，其特征在于，所述中间
合金的维氏硬度低于800。
9.如权利要求1-8中任意一项所述的中间合金，其特征在于，所述中间
合金以微粒的形式存在，所述微粒的d50在5-30μm之间。
10.如权利要求9所述的中间合金，其特征在于，所述微粒的d50在5-20μm
之间。
11.如权利要求9所述的中间合金，其特征在于，所述微粒的d50为大约
10μm。
12.如权利要求1-11中任意一项所述的中间合金，其特征在于，所述微
粒的d90在20-60μm之间。
13.如权利要求1-11中任意一项所述的中间合金，其特征在于，所述微
粒的d90大约小于45μm。
14.如权利要求1-13中任意一项所述的中间合金，其特征在于，所述组
合物进一步包括占所述中间合金的少于10wt%的Mo。
15.如权利要求1-14中任意一项所述的中间合金，其特征在于，所述组
合物进一步包括占所述中间合金的少于10wt%的Si。
16.如权利要求1-15中任意一项所述的中间合金，其特征在于，所述组
合物进一步包括占所述中间合金的少于10wt%的Cu。
17.如权利要求1-16中任意一项所述的中间合金，其特征在于，所述组
合物进一步包括占所述中间合金的少于5wt%的V，少于5wt%的W，少于5
wt%的Nb，少于5wt%的Ni，少于1wt%的P，少于0.1wt%的B。
18.如权利要求1-17中任意一项所述的中间合金，其特征在于，所述组
合物的剩余由铁和不可避免的杂质补足。
19.如权利要求1-18中任意一项所述的中间合金，其特征在于，所述中
间合金具有雾化微粒的外形，该雾化微粒具有大约低于1wt%的总的含氧量。
20.如权利要求1-19中任意一项所述的中间合金，其特征在于，所述中
间合金包括至少60wt%的铁。
21.一种制造烧结硬化钢零件的工艺，其特征在于，所述工艺包括：
制备一种中间合金的粉末，所述中间合金包括由以下组成的组合物，包
括：
铁；
大约占所述中间合金1-7wt%的C；
大约占所述中间合金3-20wt%的Mn；
大约占所述中间合金3-20wt%的Cr，以及
其中，所述中间合金包括由所述合金元素和碳的固溶体组成的微观结构，
所述微观结构包括至少10V%的奥氏体；
将所述中间合金粉末与钢粉末混合制造一种混合物，其中所述中间合金
占所述混合物的5-35wt%；
将所述混合物压实使所述零件成形；
将所述混合物烧结以制造所述钢零件；以及
烧结之后控制冷却以形成烧结硬化。
22.如权利要求21所述的工艺，其特征在于，所述工艺进一步包括：对
所述烧结钢零件进行退火热处理。
23.如权利要求22所述的工艺，其特征在于，所述烧结钢零件的退火热
处理是在大约150-250°C的温度范围内进行大约60分钟。
24.如权利要求21-23中任意一项所述的工艺，其特征在于，所述工艺进
一步包括至少一个以下操作：对所述烧结硬化钢零件进行机械加工，热处理，
浸渍，渗透以及涂层。
25.如权利要求21-24中任意一项所述的工艺，其特征在于，制备所述中
间合金的粉末包括：
在熔池中熔融所述组合物；
采用一种流体对所述组合物进行雾化制造出一种雾化粉末；
将所述雾化粉末进行干燥制造出一种干燥的雾化粉末；
对所述干燥的雾化粉末进行研磨制造出一种磨碎的粉末；以及
对所述磨碎的粉末进行筛选制造出所述中间合金粉末。
26.如权利要求25所述的工艺，其特征在于，所述工艺进一步包括对所
述干燥的雾化粉末进行热处理，使得至少部分地去除所述中间合金中的氧化
物残留。
27.如权利要求25或26中任意一项所述的工艺，其特征在于，所述工
艺进一步包括对所述雾化粉末进行碾磨，从而将氧化物从所述中间合金粉末
的表面去除。
28.如权利要求25-27中任意一项所述的工艺，其特征在于，所述研磨进
一步包括加入一种过程控制剂，以增强所述磨碎的中间合金粉末的细度。
29.如权利要求28所述的工艺，其特征在于，所述过程控制剂包括硬脂
酸。
30.如权利要求25-29中任意一项所述的工艺，其特征在于，所述工艺进
一步包括将所述筛选的中间合金粉末进行磁性分离，从而移除氧化物颗粒。
31.如权利要求25-30中任意一项所述的工艺，其特征在于，所述工艺进
一步包括对所述磨碎的中间合金粉末进行退火热处理，以软化所述颗粒的微
观结构。
32.如权利要求25-31中任意一项所述的工艺，其特征在于，所述组合物
的熔融在大约为1400-1700°C的温度范围内进行。
33.如权利要求25-32中任意一项所述的工艺，其特征在于，所述雾化采
用水在氩气氛中进行。
34.如权利要求21所述的工艺，其特征在于，所述混合物的压实和烧结
包括：
将所述混合物放置在定形条件下，制造出一种被压缩的组分；
在大约1100-1300°C的温度范围内烧结所述压紧的组分，以制造出一种烧
结的零件；并且
以可控制的高于0.2°C/s的冷却速率将所述烧结零件从550°C冷却到
350°C，以制造一种部分地或完全硬化的钢零件。
35.如权利要求21-34中任意一项所述的工艺，其特征在于，所述烧结在
N2/H2气氛中进行。
36.如权利要求21-35中任...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉勒斯·埃斯佩兰斯，伊恩·巴隆普若尔，小丹尼斯·克里斯托夫森，
申请(专利权)人：费德罗摩格尔公司，
类型：
国别省市：