專(zhuān)利名稱(chēng)：鐵基粉末合成物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)粉末金屬零件的粉末金屬合成物，尤其涉及包括新的改善機(jī)械加工性能的添加劑的粉末金屬合成物。
背景技術(shù)：
粉末冶金制造部件的主要優(yōu)點(diǎn)之一是通過(guò)壓制和燒結(jié)可以生產(chǎn)出具有最終形狀或很接近最終形狀的毛坯。但是，有一些情況隨后需要機(jī)加工，例如，由于高的公差要求或者由于最終部件具有不能直接壓制的形狀，而需要在燒結(jié)之后進(jìn)行機(jī)加工，所以上述機(jī)加工可能是必要的。更具體地，一些幾何形狀如橫向于壓制方向的孔、切口和螺紋都需要機(jī)加工。
由于持續(xù)地開(kāi)發(fā)新的具有更高強(qiáng)度并且也具有更高硬度的燒結(jié)鋼，機(jī)加工已成為粉末冶金制造部件的主要問(wèn)題之一。當(dāng)評(píng)定粉末冶金制造是否是最具有成本效益的制造部件的方法時(shí)，機(jī)加工常常是限制因素。因此，為改善燒結(jié)鋼的機(jī)械加工性能，對(duì)新的更有效的添加劑有很大的需求。而重要的是該添加劑對(duì)燒結(jié)材料的機(jī)械性能如抗拉強(qiáng)度和延伸率的影響不明顯。
目前，存有許多已知物質(zhì)，將所述已知物質(zhì)添加到鐵基粉末混合物中，以便在燒結(jié)之后有助于部件的機(jī)加工。最常用的粉末添加劑是MnS，例如在EP 0183666中提到過(guò)MnS，EP 0183666描述了如何通過(guò)摻合這種粉末來(lái)改善燒結(jié)鋼的機(jī)械加工性能。然而，一些難以機(jī)加工的材料，在該上下文中指的是硬度超過(guò)約180HV的材料，它們不能通過(guò)加入MnS來(lái)合適地機(jī)加工。另外，視添加量和基體材料而定，加入MnS可能降低材料在燒結(jié)后的機(jī)械強(qiáng)度。
WO 91/14526描述了如何使用少量Te和/或Se與MnS一起將難以機(jī)加工的粉末冶金材料的機(jī)械加工性能提高約兩倍。加入Te和/或Se已經(jīng)與環(huán)境因素相矛盾，因?yàn)檫@些添加劑的衛(wèi)生極限值很低，并且有違背更嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)的趨勢(shì)。
美國(guó)專(zhuān)利NO.4927461描述了將六方BN(氮化硼)添加到鐵基粉末混合物中以改善金屬零件在燒結(jié)之后的機(jī)械加工性能。該專(zhuān)利描述了通過(guò)利用很細(xì)的BN粉末的結(jié)塊可以與通過(guò)添加MnS類(lèi)似地實(shí)現(xiàn)改善機(jī)械加工性能。然而，如果添加適當(dāng)量的BN粉末，則燒結(jié)強(qiáng)度比添加MnS受到的影響程度更小。
另外，美國(guó)專(zhuān)利NO.5631431涉及用于改善機(jī)械加工性能的添加劑。按照該專(zhuān)利，添加劑含有氟化鈣顆粒，所述氟化鈣顆粒在粉末合成物中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)含量為0.1％-0.6％。在實(shí)際應(yīng)用中，氟化鈣證明是極好的用于改善機(jī)械加工性能的添加劑。然而，由于持續(xù)開(kāi)發(fā)PM材料，所以同樣需要改善添加劑的性能。
因此，本發(fā)明的目的是提供新的用于金屬粉末合成物的添加劑以進(jìn)一步改善機(jī)械加工性能。本發(fā)明的另一目的是提供新的添加劑，所述新添加劑對(duì)機(jī)械性能無(wú)影響或基本上無(wú)影響。此外，新添加劑應(yīng)是合乎環(huán)境要求的。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將氟化鈣和六方氮化硼組合，得到機(jī)械加工性能改善效果非常好的添加劑。該機(jī)械加工性能的改善可以被認(rèn)為是具有協(xié)同效應(yīng)。此外，這種新添加劑對(duì)燒結(jié)零件的機(jī)械性能基本上沒(méi)有影響或僅有很小的影響。該新添加劑還合乎環(huán)境要求。本發(fā)明還涉及包括這種添加劑的鐵基粉末合成物。
具體實(shí)施例方式
為了得到改善機(jī)械加工性能的效果，添加劑在鐵基合成物中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)含量應(yīng)在0.02％和1.0％之間，優(yōu)選在0.02％和0.6％之間。
另外，重要的是新添加劑成分的類(lèi)型和含量。因此，六方氮化硼在鐵基粉末合成物中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)含量在0.01％-0.5％，優(yōu)選在0.01％-0.2％范圍內(nèi)。氟化鈣在鐵基粉末合成物中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)含量應(yīng)在0.01％-0.5％，優(yōu)選在0.1％-0.4％范圍內(nèi)。一起或單獨(dú)添加比上述含量低的六方氮化硼和氟化鈣對(duì)加工性能都不會(huì)產(chǎn)生預(yù)期的效果，而較高的含量將會(huì)對(duì)機(jī)械性能產(chǎn)生負(fù)面影響。另外，優(yōu)選的是，氟化鈣的含量高于氮化硼的含量。
關(guān)于新添加劑中所包括的成分的粒度，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的六方氮化硼的平均粒度可在1-50μm之間，優(yōu)選在1-30μm之間變動(dòng)。優(yōu)選的是，六方氮化硼是未結(jié)塊的片狀顆粒。
氟化鈣的平均粒度小于約100μm，優(yōu)選在20-70μm之間。平均粒度大于100μm將會(huì)對(duì)加工性能和機(jī)械性能產(chǎn)生負(fù)面影響，而平均粒度小于20μm將使加工性能的改善程度更小。
鐵基粉末類(lèi)型這種新的用于改善機(jī)械加工性能的粉末添加劑可以基本上用于任何含鐵的粉末合成物。因此，鐵基粉末可以是純鐵粉如霧化鐵粉，還原鐵粉及類(lèi)似物。不僅包括合金元素的預(yù)制合金水霧化粉末而且部分合金鋼粉也是有利的。當(dāng)然，這些粉末可以組合使用。
其它添加劑本發(fā)明的粉末合成物還可以包括添加劑如石墨，其它合金元素如Ni，Mo，Cr，V，Co，Mn或Cu，粘合劑和潤(rùn)滑劑及其它常規(guī)用于改善機(jī)械加工性能的添加劑如MnS。
方法包括本發(fā)明添加劑的部件的粉末冶金制造通過(guò)下列方法步驟以常規(guī)方式，亦即最常用的方式實(shí)施將鐵基粉末亦即鐵粉或鋼粉與石墨和所希望的任選合金元素如鎳、銅、鉬及本發(fā)明所述粉末形式的添加劑摻合。合金元素也可以作為預(yù)制合金或擴(kuò)散合金鐵基粉末或作為混合的合金元素、擴(kuò)散合金粉末或預(yù)制合金粉末之間的組合加入。這種粉末混合物在壓制之前與常規(guī)潤(rùn)滑劑例如硬脂酸鋅或亞乙基雙硬脂酰胺摻合。混合物中的較細(xì)顆?？梢酝ㄟ^(guò)粘結(jié)物質(zhì)粘結(jié)到鐵基粉末上。此后將粉末混合物在壓機(jī)工具中壓制，從而產(chǎn)生接近最終幾何形狀的所謂的生坯體。壓制一般是在400-1200MPa的壓力下進(jìn)行。壓制之后，將壓制品燒結(jié)，同時(shí)確定其最終強(qiáng)度、硬度、延伸率等。
本發(fā)明的用于改善機(jī)械加工性能的添加劑包括粉狀氟化鈣和粉狀六方氮化硼?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，通過(guò)以相應(yīng)于六方氮化硼含量與氟化鈣含量之間的比值小于1∶1但不小于1∶40，優(yōu)選不小于1∶10的量添加用于改善機(jī)械加工性能的添加劑，加工性能明顯地得到改善。換句話說(shuō)，六方氮化硼含量應(yīng)一定程度地小于氟化鈣含量。
下面以非限制性示例子說(shuō)明本發(fā)明示例1a)機(jī)械性能的研究研究了按表1所示的不同種類(lèi)的六方氮化硼。六方氮化硼I型是未結(jié)塊顆粒的粉末，而II型是亞微米顆粒的結(jié)塊，亦即粒度小于1μm的結(jié)塊顆粒。
表1

*)亞微米顆粒的結(jié)塊顆粒六方氮化硼和氟化鈣按照表2以不同的量與金屬粉末DistaloyAE混合，所述金屬粉末DistaloyAE購(gòu)自Hgans AB，它是由純鐵與Mo，Ni和Cu擴(kuò)散合金化而得到。金屬粉末還與潤(rùn)滑劑，0.8％EBS(亞乙基雙硬脂酰胺)和0.5％石墨混合。
將表2中的材料混合物壓制成生坯密度為7.10g/cm3，以便按照ISO2740使拉力試棒標(biāo)準(zhǔn)化。該試棒放在實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)帶式爐中于10％氫和90％氮的混合物中在1120℃燒結(jié)30分鐘。利用燒結(jié)后的試棒來(lái)按照EN 10001-1測(cè)定抗拉強(qiáng)度，按照ISO 4498/1測(cè)定硬度和按照ISO 4492測(cè)定尺寸變化。
表2

DC是燒結(jié)期間抗拉強(qiáng)度棒的長(zhǎng)度變化。
SD是抗拉強(qiáng)度棒燒結(jié)后的密度。
HV 10是抗拉強(qiáng)度棒的維氏硬度。
TS是抗拉強(qiáng)度棒的抗拉強(qiáng)度。
A是在抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)期間的塑性延伸率。
如在表2中可以看到的，在Distaloy AE中添加0.2％和0.4％h-BN II型的量對(duì)燒結(jié)體的機(jī)械性能有影響，而僅僅添加0.2％h-BN I型對(duì)燒結(jié)體的機(jī)械性能的影響很小。
b)機(jī)械加工性能指數(shù)的研究為了用不同添加劑合成物確定機(jī)械加工性能，如在表3中可以看出的，將直徑為80mm和高度為12mm的圓盤(pán)壓制成具有7.10g/cm3的生坯密度。將圓盤(pán)放入實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)帶式爐內(nèi)于10％氫和90％氮的混合物中在1120℃燒結(jié)30分鐘。在鉆孔試驗(yàn)中利用圓盤(pán)來(lái)確定機(jī)械加工性能指數(shù)。該指數(shù)定義為每個(gè)鉆頭在鉆頭磨損之前可以加工的平均孔數(shù)。鉆孔是在沒(méi)有任何冷卻劑的情況下用高速鋼鉆頭以恒速和恒進(jìn)給的方式實(shí)施。
如在表3中可看出的，無(wú)論用添加劑h-BN還是用添加劑CaF2都能改善機(jī)械加工性能指數(shù)。但是，通過(guò)組合使用h-BN(I型)和CaF2，可以看出明顯的改善。
表3

M.Index是用一個(gè)鉆頭在由該材料制成的圓盤(pán)中可以鉆出的孔的平均數(shù)。效果是與混合物1-4b相比，機(jī)械加工性能提高的倍數(shù)。
示例2將六方氮化硼I型和CaF2按照表4以不同的量與金屬粉末DistaloyDH-1混合，所述金屬粉末DistaloyDH-1來(lái)自Hgans AB，它是由鐵用1.5％Mo預(yù)制合金化和此后用2％Cu擴(kuò)散合金化而得到的。金屬粉末還與潤(rùn)滑劑，0.8％EBS(乙烯雙硬脂酸胺)和不同量的石墨混合。表4中的材料混合物已壓制成具有不同的密度，以便按照ISO 2740使拉力試棒標(biāo)準(zhǔn)化，并制備直徑為80mm和高度為12mm的圓盤(pán)，以便確定機(jī)械加工性能。試棒和圓盤(pán)放在實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)帶式爐內(nèi)于10％氫和90％氮的混合物中在1120℃燒結(jié)30分鐘。利用燒結(jié)后的試棒來(lái)按照EN 10001-1測(cè)定抗拉強(qiáng)度，按照ISO 4498/1測(cè)定硬度以及按照ISO 4495測(cè)定尺寸變化。在鉆孔試驗(yàn)中利用圓盤(pán)來(lái)確定機(jī)械加工性能指數(shù)。該指數(shù)定義為每個(gè)鉆頭在鉆頭磨損之前可以加工的平均孔數(shù)。鉆孔是在沒(méi)有任何冷卻劑的情況下用高速鋼鉆頭以恒速和恒進(jìn)給的方式實(shí)施。
表4示出，當(dāng)將h-BN(六方氮化硼)I型添加到Distaloy DH-1中時(shí)，燒結(jié)體將具有較低的硬度和抗拉強(qiáng)度。因?yàn)閔-BN可以減少石墨在基體中的溶解度，所以可以認(rèn)為硬度和抗拉強(qiáng)度較低的原因在于溶解的石墨量較低，其中一部分石墨可以認(rèn)為是作為游離石墨存在。燒結(jié)體的較低硬度在機(jī)械加工性能方面可能是有利的。但是，當(dāng)增加石墨添加量以補(bǔ)償游離石墨量時(shí)，對(duì)含有h-BN和CaF2組合的樣品而言仍能實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工性能明顯地增加。當(dāng)把樣品2-8，2-10和2-11的結(jié)果進(jìn)行比較時(shí)，可以看出這點(diǎn)。
表4

GR是以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示的石墨添加量。
GD是壓制的生坯密度。
DC是燒結(jié)期間抗拉強(qiáng)度棒的長(zhǎng)度變化。
SD是抗拉強(qiáng)度棒燒結(jié)后的密度。
HV10是抗拉強(qiáng)度棒的維氏硬度。
TS是抗拉強(qiáng)度棒的抗拉強(qiáng)度。
A是抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)期間的塑性延伸率。
M.Index是用一個(gè)鉆頭在由該材料制成的圓盤(pán)中可能鉆出的孔的平均數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種鐵基粉末合成物，該鐵基粉末合成物除了包括鐵基粉末之外，還包括質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在0.02％和1.0％之間，優(yōu)選在0.02％和0.6％之間的用于改善機(jī)械加工性能的添加劑，所述添加劑包括氟化鈣和六方氮化硼及任選的添加劑。
2.按照權(quán)利要求1所述的鐵基粉末合成物，其特征在于，氮化硼含量在0.01％-0.5％，優(yōu)選在0.01％-0.2％范圍內(nèi)。
3.按照上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的鐵基粉末合成物，其特征在于，氟化鈣含量在0.01％-0.5％，優(yōu)選在0.1％-0.4％范圍內(nèi)。
4.按照上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的鐵基粉末合成物，其特征在于，氮化硼的平均粒度為1-50μm，優(yōu)選為1-30μm。
5.按照上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的鐵基粉末合成物，其特征在于，氟化鈣的平均粒度小于100μm，優(yōu)選為20-70μm。
6.按照上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的鐵基粉末合成物，其特征在于，所述合成物還包括至少一種添加劑，該添加劑從包括石墨、粘合劑或潤(rùn)滑劑的一組物質(zhì)中選定。
7.用于改善機(jī)械加工性能的添加劑，包括粉狀氟化鈣和粉狀六方氮化硼，其中，六方氮化硼與氟化鈣之間的含量比在1∶1與1∶40之間，優(yōu)選在1∶1與1∶10之間。
8.按照權(quán)利要求7所述的添加劑，其特征在于，平均粒度小于100μm。
9.一種具有改善的機(jī)械加工性能的燒結(jié)制品，所述燒結(jié)制品由按照權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的鐵基合成物制備而成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鐵基粉末合成物，所述鐵基粉末合成物除了包括鐵基粉末之外，還包括質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.02％和1.0％的用于改善機(jī)械加工性能的添加劑，所述添加劑包括氟化鈣和六方氮化硼。本發(fā)明還涉及所述的添加劑。
文檔編號(hào)C22C33/02GK1946502SQ200580013241
公開(kāi)日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2005年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月26日
發(fā)明者O·安德森 申請(qǐng)人:霍加納斯股份有限公司