專利名稱：生產(chǎn)表面致密的粉末金屬部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)粉末金屬部件的方法，具體地說本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)具有高芯強(qiáng)度和堅硬致密化表面的粉未金屬部件的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的用于生產(chǎn)金屬零件的方法包括，例如用鍛件、棒材或管材進(jìn)行機(jī)加工。但是，與由粉末冶金生產(chǎn)(PM)的產(chǎn)品相比，這些傳統(tǒng)加工方法具有較差的材料利用性以及比較高的成本。采用PM生產(chǎn)方法的其它優(yōu)點(diǎn)包括以單一的成形操作、最低精加工、高容量及高能效地形成形狀復(fù)雜形狀的制品。
盡管有上文所述的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)與低合金鍛鋼相比時，汽車中應(yīng)用PM燒結(jié)部件仍然較少。在汽車工業(yè)中PM部件應(yīng)用未來趨勢的一個領(lǐng)域歸于成功引入PM部件以進(jìn)入要求更高應(yīng)用領(lǐng)域如動力傳輸應(yīng)用，例如，傳動齒輪。在過去由PM方法形成齒輪的一個問題是在齒輪的齒和根部區(qū)域中粉末金屬齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度已經(jīng)減低，由于顯微組織中的殘余孔隙，與由棒料或鍛件機(jī)械加工的齒輪相比齒根面上耐磨損性降低。成功生產(chǎn)PM傳動齒輪的一個方法在于軋制齒輪外部以使表面密實，如GB 2250227B所示。但是，從該方法認(rèn)識到芯部密度比致密化區(qū)域的密度低，典型約為鍛鋼完全理論密度的90％。其導(dǎo)致齒具有比其機(jī)械鍛鋼的齒輪低的耐彎曲疲勞性。
雖然燒結(jié)溫度可對以給定密度燒結(jié)的PM部件的動態(tài)性能上有顯著影響，但是任何燒結(jié)方法可達(dá)到的最終動態(tài)性能水平受所使用的合金系統(tǒng)和所獲得的燒結(jié)密度控制。雖然用典型的PM方法(有或沒有熱處理)以單一的最高7.2g/cm3的壓制密度水平獲得高抗張強(qiáng)度，但在循環(huán)載荷下動態(tài)性能如斷裂韌性和耐疲勞度將總是小于那些鋼的可比強(qiáng)度。因此，PM傳動齒輪的生產(chǎn)方法不能得到廣泛支持。這主要是由于殘余孔隙的負(fù)面效果。因而，改善高載荷的PM部件性能的方法，必須考慮高載荷區(qū)域的致密化和顯微組織，以獲得很好的循環(huán)彎曲壽命和表面耐久性。
從美國專利5729822、5540883和5997805中已經(jīng)理解了用于改善PM部件性能的方法。
美國專利5729822公開了一種制造可用于齒輪的PM部件的方法，包括以下步驟a)燒結(jié)粉末金屬坯料使芯部密度介于7.4至7.6g/cm3之間；b)軋制齒輪坯料表面使其表面致密；c)在真空爐中加熱已被軋制并燒結(jié)的齒輪然后滲碳。
美國專利5540883公開了一種生產(chǎn)可用于軸承的PM部件的方法，包括以下步驟a)將碳、鐵合金粉和潤滑劑與可壓縮的鐵粉混合形成混合物；b)壓制混合物以形成制品；c)燒結(jié)制品；d)用輥?zhàn)訚L壓成形該制品的至少部分表面；e)對該層進(jìn)行熱處理。
美國專利5540883公開了一種生產(chǎn)高密度、高碳、燒結(jié)PM鋼的方法。該方法包括混合預(yù)期組分的粉末；壓制并燒結(jié)粉末；通過保持恒溫或緩冷冷卻已燒結(jié)的制品；其后成形該制品密度介于7.4至7.7g/cm3之間。在通過冷卻燒結(jié)的制品然后恒溫保持，獲得的低硬度的高碳材料用于其后的成形操作。
本發(fā)明提供一種用于生產(chǎn)PM部件的新方法，該P(yáng)M部件的芯部的特征在于具有中密度至高密度、高屈服強(qiáng)度，所述PM部件還具有高硬度、高密度的表面。

發(fā)明內(nèi)容
簡單地說，本發(fā)明涉及一種用于任選為燒結(jié)粉末金屬部件的表面層致密化的方法，該方法包括以下步驟使表面層脫碳以便軟化該部件的表面層；使該部件的表面層致密。
對于一個燒結(jié)的部件，脫碳可作為燒結(jié)步驟的一部分也可作為燒結(jié)之后的一個獨(dú)立步驟。
本發(fā)明還涉及一種鐵合金的燒結(jié)粉末金屬部件，該合金在其芯部碳含量為0.3-1.0％而在其表面硬化外層為0.3-1.5％，優(yōu)選0.5-0.9％。
具體實施例方式
脫碳的具體原因在于，軟化該部件的表面以便能夠?qū)υ摬考M(jìn)行有效的表面致密化。脫碳表面層與芯部相比具有更低的屈服應(yīng)力。表面層將密實而芯部上的應(yīng)力將下降。根據(jù)本發(fā)明采用該方法，可以使用正常的壓力和工具材料來在具有高屈服強(qiáng)度的芯部和柔軟表面層的材料上進(jìn)行密實化。所得到的部件將具有高尺寸精度和高芯部強(qiáng)度。為了增加表面硬度和抗磨損性，表面致密化后，可進(jìn)行任意的表面硬化或進(jìn)行其他相當(dāng)?shù)谋砻嬗不ㄌ幚怼Ｓ捎谄漭^高的密度和表面硬化層，表面獲得一個優(yōu)于芯部材料的硬度，并且抗彎曲疲勞及滾動接觸疲勞性能大大增加。在整個過程中部件芯部包含對于高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的最佳碳含量。
根據(jù)本發(fā)明可使用的優(yōu)選粉為鐵粉或任意包括一種或多種成合金元素的鐵基粉末。該粉末可以例如包含最高達(dá)10％的一種或多種從由銅、鉻、鉬、鎳、錳、磷、釩和碳組成的組中所選的合金元素。該粉末可以是粉末混合物、預(yù)合金粉末和擴(kuò)散結(jié)合(diffusion-bonded)合金粉末或其組合。
在壓力為400-1000MPa，優(yōu)選為600-800MPa時進(jìn)行壓實。
在1100-1350℃時進(jìn)行燒結(jié)，該溫度為傳統(tǒng)的用于預(yù)合金和部分預(yù)合金化鐵的溫度。
在溫度為750-1200℃，優(yōu)選為850-1000℃時在受控氣氛中進(jìn)行脫碳。該氣氛優(yōu)選由氫組成或由帶有任意添加的H2O的氫和氮的混合物組成，使用氮/氫混合物(其中50-100％的氫被H2O飽和)可得到特別好的結(jié)果。
脫碳層的厚度為0.1-1.5mm，優(yōu)選0.8-1.2mm并且碳含量為0-0.5％，優(yōu)選0.03-0.3％。
由于部件表面的低碳含量，當(dāng)其被機(jī)械加工時該材料是軟的。表面層由于機(jī)械加工而達(dá)到完全致密化，這就意味著可利用材料全部潛能。層厚度應(yīng)充分容納部件作業(yè)環(huán)境所產(chǎn)生的應(yīng)力。
表面致密化可通過機(jī)械成形如表面壓制、表面軋制、噴丸硬化處理、精壓(sizing)或任何其他可以局部提高部件密度的方法進(jìn)行。但是在精壓與軋制之間有一個顯著不同。精壓操作的主要目的是改善形狀公差，而增加局部密度僅為次要目的。
軋制操作是獲得與鍛件和表面硬化鋼相當(dāng)?shù)男阅艿年P(guān)鍵。但是，作為第二功能，該軋制操作使形狀公差改善。必須為所關(guān)心的部件確定好精確的軋制次序及與軋制相關(guān)的其他參數(shù)。
表面致密化之后的表面硬化將產(chǎn)生一個非常致密而硬的表面。表面硬化在溫度為850-1000℃，優(yōu)選900-950℃時在用0.3-1.5％碳，優(yōu)選0.5-0.9％碳富集的氛圍中進(jìn)行。術(shù)語“表面硬化”意為包含任何類型的包括添加一種硬化劑例如碳或氮的表面硬化。典型的硬化方法包括傳統(tǒng)的表面硬化、含碳的(carbo)氮化、含氮的(nitro)碳化、等離子氮化、離子氮化等等。
在表面硬化后表面層碳含量為0.3-1.5％，優(yōu)選0.5-0.9％。芯部的碳含量保持在0.3-1.0％。
表面硬化后優(yōu)選在低溫空氣中回火。
本發(fā)明現(xiàn)將就下列實例進(jìn)一步說明。


圖1所示為不同表面處理后的顯微硬度曲線圖。
圖2所示為在脫碳表面上表面壓制結(jié)果的圖片。
圖3所示為在燒結(jié)樣品上表面壓制結(jié)果的圖片。
實例準(zhǔn)備具有依據(jù)表1成分的鐵基合金。粉末混合物用約600MPa密實壓力壓制成測試部件從而產(chǎn)生約7.0g/cm3的生坯密度。其后被壓實的部件受到以下所示的五個不同的脫碳方法的處理。
A.以1120℃/30分鐘的速度在30％N2/70％H2中燒結(jié)，隨后以0.5-2.0℃/s的速度冷卻。
B.(單一過程)以1120℃/25分鐘的速度在90％N2/10％H2的混合物中燒結(jié)，其后以1120℃/5分鐘的速度在33％濕氣以及67％干燥的90％N2/10％H2的混合物中燒結(jié)(脫碳)，并以0.5-2.0℃/s的速度在33％濕氣以及67％干燥的90％N2/10％H2的混合物中冷卻。
C.(單一過程)以1120℃/25分鐘的速度在90％N2/10％H2的混合物中燒結(jié)，其后以1120℃/5分鐘的速度在20％濕氣以及80％干燥的90％N2/10％H2的混合物中燒結(jié)(脫碳)，并以0.5-2.0℃/s的速度在20％濕氣以及80％干燥的90％N2/10％H2的混合物中冷卻。
D.以1120℃/30分鐘的速度在具有0.65％CO2的吸熱型氣體中燒結(jié)，其后以0.5-2.0℃/s的速度冷卻。
E.(雙重過程)以1120℃/30分鐘的速度在30％N2/70％H2的混合物中燒結(jié)，其后以950℃/20分鐘的速度在50％濕氣以及50％干燥的H2中脫碳，并以0.5-2.0℃/S的速度冷卻。表1

*+0.6％ Kenolube**以石墨添加在軋制壓力為15-35KN并且軋制轉(zhuǎn)數(shù)為5-40R的條件下在部件上通過表面軋制進(jìn)行表面致密。
表面硬化在致密部件上通過使部件以9500℃/60分鐘的速度在0.5％碳勢的氛圍中進(jìn)行，其后以185℃/60分鐘的速度在空氣中回火。
為了表征脫碳的效果和其對表面致密化的影響，進(jìn)行脫碳部件剖面的表面硬度測量(HV10)和顯微組織觀測(LOM)。分析給出的表面硬度和軟脫碳層厚度的信息。
表面硬度測量的結(jié)果如表2和圖1所示。清楚可見表面硬度在脫碳后降低，而在表面致密化和表面硬化后增大。
圖2和3所示分別為表面壓制(壓力60KN)對被脫碳后和燒結(jié)態(tài)的表面的影響(材料Distaloy AE+0.6％C)。表2

*wg＝濕氣在不同的脫碳處理后的碳含量如表3所示。從表中可見單獨(dú)的脫碳過程(方法E，雙重過程)所得的表面脫碳效果比單一過程(方法B和C)大得多，雖然后者具有一定的脫碳效果。與單一的和雙重的過程相比，燒結(jié)對表面脫碳的影響非常有限。這主要由反應(yīng)中的動力學(xué)效果決定。
表3

*wg＝濕氣**DP＝雙重過程在整體而不是在樣品表面上進(jìn)行碳測量。樣品表面上碳含量應(yīng)比現(xiàn)測量的數(shù)值低得多。
在1120℃持續(xù)30分鐘在90％N2/10％H2的氣氛中燒結(jié)的樣品上進(jìn)行拉伸測試。其結(jié)果如表4所示。
表4

*氣氛90％N2/10％H權(quán)利要求
1.一種用于對由鐵或鐵基粉末制成的任選為燒結(jié)的含碳部件的表面層進(jìn)行密實化的方法，該方法其包括以下步驟使表面層脫碳以便使該部件表面層軟化；通過機(jī)械成形使部件的表面層致密化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在足以提供具有厚度為0.1-1.5mm，優(yōu)選0.8-1.2mm的軟表面層的條件下進(jìn)行脫碳。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于足以在部件的軟表面層提供0-0.5wt％的碳含量，優(yōu)選0.03-0.3wt％的條件下進(jìn)行脫碳。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的方法，其特征在于所述表面致密之后進(jìn)行表面硬化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述表面致密化作為碳化過程進(jìn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于，在足以在部件表面層提供0.3-1.5wt％的碳含量，優(yōu)選為0.5-0.9wt％的條件下進(jìn)行表面硬化。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項所述的方法，其特征在于，所述表面硬化部件的芯部的碳含量為0.3-1.0wt％。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法，其特征在于，脫碳步驟包括在受控氣氛中在750-1200℃，優(yōu)選850-1000℃下加熱該部件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項所述的方法，其特征在于所述部件包括一種或多種選自銅、鉻、鉬、鎳、錳、磷、釩和碳的合金元素。
10.一種用于生產(chǎn)具有高密度和致密化表面的粉末金屬部件的方法，包括如下步驟燒結(jié)壓制的部件并在一部分燒結(jié)過程中對部件表面層進(jìn)行脫碳以軟化表面層；使部件的軟化表面層致密化。
11.一種鐵合金的燒結(jié)粉末金屬部件，該鐵合金在其芯部具有0.3-1.0％的碳含量且在其表面硬化外層為0.3-1.5％，優(yōu)選0.5-0.9％。
全文摘要
一種用于任意燒結(jié)的粉末金屬部件的表面層致密化的方法，包括以下步驟使表面層脫碳以便軟化部件的表面層；并且使部件的表面層致密。
文檔編號C21D1/06GK1438926SQ0181185
公開日2003年8月27日 申請日期2001年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月28日
發(fā)明者S·苯特森, 于洋, M·斯文森 申請人:赫加奈斯公司