專利名稱：：鐵基粉末的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及具有良好高溫抗氧化性的霧化鐵基粉末，更特別涉及與鉻和鋁預(yù)合金化的粉末。
背景技術(shù)：
：一種常用的鐵l合金通常包含F(xiàn)e、10至30%的Cr和1至10%的Al，即所謂FeCrAl合金，已發(fā)現(xiàn)該合金由于良好的抗氧化性而在多種高溫下具有非常高的應(yīng)用價(jià)值，并可用于高達(dá)1200至1400。C的溫度。例如，這些材料被用來(lái)制造電阻元件和汽車催化劑的栽體材料。由于其鋁成分，該合金能在高溫和大多數(shù)氣氛中形成基本由Ah03構(gòu)成的非可滲的、附著性的表面氧化物。該氧化物保護(hù)金屬免受進(jìn)一步的氧化，并免受許多其它形式的腐蝕，例如滲碳、硫化等。然而粉末冶金中的一個(gè)問題是上述FeCrAl粉末難以燒結(jié)，因?yàn)檠趸X比氧化鉻較難被還原。通過擴(kuò)散作用的燒結(jié)頸的形成被氧化鋁削弱，如果該問題可以克服則是有利。US5,970,306公開了通過熱等靜壓(HIP)由FeCrAl粉末制造耐高溫的成形部件的方法。DE4,235,141>^開了一種由基于FeCrAl合金的熱壓粉末制造部件的方法，其中首先將粉末暴露在含氧氣氛中，以在顆粒的周圍形成氧化鉻。US6,761,751公開了一種通過氣霧化法制造FeCrAl材料的方法，該材料不僅含有鐵(Fe)、鉻(Cr)和鋁(Al)，還含有少量的鉬(Mo)、鉿(Hf)、鋯(Zr)、釔(Y)、氮(N)、碳(C)和氧(O)中的一種或多種。US6,569,221公開了一種粉末冶金FeCrAl合金，其以重量％計(jì)包含小于0.02%的碳、大于0.0且<0.5%的硅、大于0.0且《0.2%的錳、10.0至40.0%的鉻、<0.6%的鎳、《0.01%的銅、2.0至10.0%的鋁、量為0.1至1.0的Sc、Y、La、Ce、Ti、Zr、Hf、V、Nb和Ta中的一種或多種，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)。發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種金屬粉末，該粉末當(dāng)在常規(guī)的燒結(jié)工藝(例如松裝燒結(jié)、冷壓或溫壓)燒結(jié)時(shí)可提供良好的燒結(jié)構(gòu)件，并且燒結(jié)的部件具有良好的高溫氧化性質(zhì)。更具體地，本發(fā)明的目的是提供一種不銹鋼粉末，其包括超過10.5重量％的鉻和3至15重量％的鋁，但該粉末比現(xiàn)有技術(shù)的已知粉末更容易燒結(jié)。發(fā)明概要通過霧化的4失基粉末實(shí)現(xiàn)了上述目的，該粉末與10.5至30重量％的Cr、3至15重量％的Al和5至20重量％的Cu預(yù)合金化。將粉末與銅預(yù)合金化，可以以常見的燒結(jié)工藝將其燒結(jié)成部件，并保持了該燒結(jié)部件令人滿意的材料性能，該部件還具有優(yōu)良的高溫抗氧化性。在第二實(shí)施方式中，提出了與10,5至30重量％的Cr、3至15重量％的Al、5至20重量％的Cu以及8至20重量％的Ni預(yù)合金化的鐵基粉末。本發(fā)明的粉末優(yōu)選如下制造提供鐵和所述合金元素的熔體，將該熔體水霧化，由此，經(jīng)固化由霧化的熔滴形成粉末形式?？梢匀缦滤鲇杀景l(fā)明的粉末制造燒結(jié)部件a)提供包含本發(fā)明粉末的燒結(jié)材料；b)由所述燒結(jié)材料形成生坯；c)在還原或者中性氣氛中，在大氣壓或者低于大氣壓的壓力，在高于110(TC的溫度，將所述生坯燒結(jié)。例如，可以將燒結(jié)材料松裝燒結(jié)、冷壓或者溫壓。涉及冷壓或者溫壓，燒結(jié)材料是粘結(jié)劑和/或潤(rùn)滑劑與本發(fā)明粉末的混合物。冷壓在低于100。C的溫度、優(yōu)選在100至1000MPa之間的壓力進(jìn)行。溫壓在100至200。C的溫度、優(yōu)選在300至1000MPa之間的壓力進(jìn)行。松裝燒結(jié)是在不對(duì)生坯加壓的情況下進(jìn)行的。這里，燒結(jié)材料可以是粘結(jié)劑和/或潤(rùn)滑劑與本發(fā)明粉末的混合物，也可以是粉末自身，即不將粉末與粘結(jié)劑和/或潤(rùn)滑劑混合。例如，當(dāng)不使用粘結(jié)劑時(shí)，可將燒結(jié)材料倒入模型中，其中將裝有該燒結(jié)材料的模型插入燒結(jié)爐中。例如，通過將本發(fā)明粉末松裝燒結(jié)，可以制造具有優(yōu)良高溫抗氧化性的過濾器。此外，已發(fā)現(xiàn)，可由本發(fā)明的粉末制造具有優(yōu)良的高溫抗氧化性的燒結(jié)部件，該燒結(jié)部件具有高于6.5g/cn^的燒結(jié)密度、高于500MPa的抗拉強(qiáng)度、高于400MPa屈服強(qiáng)度。圖1顯示了Fe-Cu相圖，和圖2A顯示了包含Cr、Al、Cu和Fe的試驗(yàn)棒的金相照片，和圖2B顯示了包含Cr、Al和Fe的試驗(yàn)棒的金相照片，和圖3A顯示了包含Cr、Al、Cu、Ni和Fe的試驗(yàn)棒的金相照片，和圖3B顯示了包含Cr、Al、Ni和Fe的試驗(yàn)棒的金相照片。發(fā)明詳述本發(fā)明涉及預(yù)合金化的鐵基粉末，其包含超過10.5重量％的鉻，以及特定量的鋁和銅。如上所述，F(xiàn)eCrAl合金已顯示出具有優(yōu)良的高溫抗氧化性，但令人遺憾地，在大氣壓下或更低的壓力(真空)燒結(jié)困難。這就是基于FeCrAl粉末的復(fù)合物要通過HIP法(例如，如US5,970,306所述)制造的原因。通過還與銅預(yù)合金化，減少了燒結(jié)帶來(lái)的問題，與不含銅的對(duì)比材料相比，燒結(jié)結(jié)構(gòu)得到改善。從所附金相照片可以看出，銅組分有利于燒結(jié)頸的形成。我們相信，該效果的產(chǎn)生是由于液化的銅破壞了氧化鋁層。還將銅與FeCrAl粉末混合后進(jìn)行測(cè)試，但是在這種情況下燒結(jié)沒有明顯的改善。本發(fā)明的粉末通過制造鐵和需要的合金元素的熔體來(lái)制造。然后將該熔體霧化，由此通過固化由霧化的熔滴形成粉末。通過常規(guī)^t術(shù)(例如氣霧化或水霧化)進(jìn)行霧化。事實(shí)上，高度優(yōu)選將熔體摻合物水霧化，因?yàn)樗F化的粉末比氣霧化的粉末更容易壓實(shí)。當(dāng)由于水霧化而形成粉末時(shí)，粉末被氧化，并在粉末顆粒的表面形成薄的氧化鉻和氧化鋁層。如下所述，測(cè)試了鋁含量的有效范圍，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，為了獲得需要的抗氧化性，鋁含量應(yīng)當(dāng)高于3%，優(yōu)選地，鋁含量應(yīng)高于5%。然而，如果鋁含量過高，熔點(diǎn)就會(huì)降低，材料在升高的溫度下強(qiáng)度降低。還可認(rèn)為鋁超過一定量后，抗氧化性不明顯提高，進(jìn)一步增大鋁含量只會(huì)稍提高抗氧化性。因此，根據(jù)本發(fā)明，鋁含量的上限被為15重量％，實(shí)際上，優(yōu)選鋁含量低于12重量％。由下述測(cè)試獲得了銅含量的范圍。相應(yīng)地，銅含量應(yīng)超過5重量％，以利于燒結(jié)頸的形成，并提供具有良好高溫抗氧化性的燒結(jié)部件。另外，銅含量應(yīng)低于20重量％,具有高的銅含量的粉末可能對(duì)于某些應(yīng)用非常有用，但它們不在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。圖1顯示了Fe-Cu相圖，但相信Cu將以相似的方式影響系統(tǒng)。為了減少/破壞氧化鋁層，相信必須形成一定量的液相，即(yFe+L)區(qū)域令人關(guān)注。由于該相圖是純Fe-Cu系統(tǒng)，因此從中獲得的信息只具有指導(dǎo)性。特別令人關(guān)注的是燒結(jié)過程中形成的液相的量。需要形成液相以破壞氧化鋁層，但是過量的液相則會(huì)在燒結(jié)中破壞結(jié)構(gòu)。形成的液相的量與化學(xué)組成和燒結(jié)溫度有關(guān)。對(duì)液相形成具有最重要影響的元素是銅。這就是在氧化測(cè)試之前根據(jù)樣品中的銅含量施加不同燒結(jié)溫度的原因。當(dāng)然，還可關(guān)注其它合金元素。特別地，如果需要獲得奧氏體結(jié)構(gòu)，還可使粉末與形成奧氏體的元素(特別是鎳，以及與鎳等同的錳)預(yù)合金化。鎳不僅是形成奧氏體的元素，還已知對(duì)抗氧化性具有有益影響，這在本發(fā)明粉末的預(yù)期應(yīng)用當(dāng)然也是合意的。如果粉末中還含有鎳，優(yōu)選地，鎳含量為8至20重量％。錳也可以是附加的形成奧氏體的合金元素，優(yōu)選地，錳含量低于3重量％。通常不使用鈷，因?yàn)槠湎鄬?duì)比較昂貴。還優(yōu)選將碳的含量保持較低，因?yàn)樘伎赡軐?dǎo)致晶粒間腐蝕，因此，碳含量應(yīng)優(yōu)選小于0.1重量％。在所測(cè)試的樣品中，碳含量為約0.02重量％或更低。還優(yōu)選將氮含量保持盡可能的低，氮含量?jī)?yōu)選低于0.2重量％。實(shí)施例1通過制造鐵和所需合金元素的熔體，制造具有如表1所示組成的七種不同的水霧化粉末。然后將熔體水霧化，從而經(jīng)固化由霧化的熔滴形成粉末。霧化通過常規(guī)的水霧化技術(shù)進(jìn)行。通過提供75nm的最大直徑的網(wǎng)柵提取所獲粉末。對(duì)于各粉末，制備燒結(jié)的測(cè)試樣品。對(duì)燒結(jié)的測(cè)試樣品和具有310B組成(25重量％Cr+20重量％Ni+2.5重量％Si+余量的Fe)的對(duì)比樣品進(jìn)行下述高溫氧化測(cè)試。選擇310B材料作對(duì)比是因?yàn)槠渚哂辛己玫母邷乜寡趸?。用有關(guān)粉末填充模型(直徑10mm，厚2mm)，然后使其表面平整，不將粉末壓實(shí)，由此制得測(cè)試樣品和對(duì)比樣品。該工序提供了具有高的比表面積(約45%孔隙率)的樣品。將測(cè)試樣品在100%氫氣氛中燒結(jié)30分鐘，燒結(jié)溫度取決于Cu的含量參照下表5%Cu1150。C10%Cu1320。C15%Cu1350。C20%Cu1320。C將對(duì)比樣品在100%氫氣氛中在132(TC燒結(jié)30分鐘。此后，這樣制得的測(cè)試樣品和對(duì)比樣品已準(zhǔn)備好進(jìn)行高溫氧化測(cè)試。氧化測(cè)試在實(shí)驗(yàn)伊Lenton12/50/300中在800。C在空氣中進(jìn)行。將天平MettlerToledoAE260與電腦相連以自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。通過將6個(gè)樣品放置在樣品架上可以同時(shí)測(cè)試6個(gè)樣品，每次測(cè)試時(shí)，樣品中的2個(gè)是對(duì)比樣品。將樣品稱重，然后放在爐中。進(jìn)行短周期循環(huán)，每個(gè)周期包括2分鐘的加熱和30秒的冷卻，該冷卻過程足以將樣品冷卻到15(TC以下。該周期重復(fù)15次，因而在爐中30分鐘。每在加熱區(qū)中30分鐘之后，將樣品稱重，記錄各次稱重的重量增加。在加熱區(qū)20小時(shí)之后測(cè)試停止。表1粉末編號(hào)化學(xué)組成[重量％1,重量增-其余為鐵gAlCuCr對(duì)比樣品重相對(duì)于對(duì)比樣品的量增量[gl重量增加[%j<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>結(jié)果表明，粉末6和7的抗氧化性比對(duì)比粉末8差。觀察鋁含量為5.5重量％的樣品，即粉末2、4、5和6，可以看到當(dāng)銅含量從5重量％(樣品6)提高到10重量％(粉末4)時(shí)抗氧化性明顯提高；當(dāng)銅含量為15重量％(粉末2)時(shí)，抗氧化性達(dá)到了最高值。當(dāng)進(jìn)一步增加銅含量達(dá)到20重量％(粉末5)時(shí)，抗氧化性結(jié)果與含有10重量％銅的粉末(粉末4)相同。可以看出，銅含量為15%時(shí)可以提供最好的高溫抗氧化性。但粉末5在燒結(jié)時(shí)明顯收縮，表明當(dāng)銅含量高于約20重量％時(shí)形成了過多的液相。比較粉末4與3、粉末2與1,可以看出，當(dāng)鋁含量從5.5重量％增加時(shí)，抗氧化性略孩l提高。實(shí)施例2進(jìn)一步在不同的氧化溫度測(cè)試粉末2和3。下表顯示了相對(duì)于對(duì)比樣310B的重量增加。表2測(cè)試溫度[。Cj■850■9501000粉末3相對(duì)于對(duì)比粉末2相對(duì)于對(duì)比樣品的重量增加樣品的重量增加(%)(%)46432114202422211413備注16小時(shí)后4亭止表2表明，在高于800。C的溫度，含有銅和鋁的樣品與對(duì)比樣品之間的抗氧化性的區(qū)別更為明顯。此外，5.5%鋁和15%銅的化學(xué)組成看上去比10%鋁和10%銅的化學(xué)組成的抗氧化性更好。實(shí)施例3為了評(píng)價(jià)添加的銅含量對(duì)燒結(jié)密度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的影響，比較了4種不同的粉末。這些粉末與實(shí)施例1和2水霧化粉末相同。將這些粉末與1%的Acrawax⑧混合。在600MPa的壓制壓力將混合物壓成拉伸測(cè)試棒。將測(cè)試棒在1320'C、在100%氫氣氛中燒結(jié)30分鐘。測(cè)量燒結(jié)密度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。結(jié)果如表3所示。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表3表明，如果Al-含Cr或者Cr-Ni不銹鋼粉末與Cu預(yù)合金化，其密度和機(jī)械性質(zhì)明顯提高。這表明燒結(jié)活性大大提高。進(jìn)一步對(duì)拉伸測(cè)試棒進(jìn)行金屬性檢測(cè)。金相照片圖2A、2B和圖3A、3B清楚表明，將銅與Al-含Cr或者Cr-Ni基不銹鋼粉末結(jié)合明顯增強(qiáng)了材料的燒結(jié)性。圖2A顯示了包含22Cr+5.5A1+10Cu+余量鐵的測(cè)試棒的金相照片。圖2B顯示了包含22Cr+5.5A1+余量鐵的相應(yīng)對(duì)比測(cè)試棒的金相照片。圖3A顯示了包含22Cr+5.5A1+18Ni+8Cu+余量鐵的測(cè)試棒的金相照片。圖2B顯示了包含22Cr+5.5A1+18Ni+余量鐵的相應(yīng)對(duì)比測(cè)試棒的金相照片。權(quán)利要求1、一種霧化的預(yù)合金鐵基粉末，其以重量％計(jì)包含10.5至30的Cr3至15的Al5至20的Cu最多0.1的C最多0.2的N最多3.0的Mn最多2.5的Si最多3.0的Mo其余基本僅僅是鐵和不可避免的雜質(zhì)。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉末，其中Al的含量為5至12重量y。。3、根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的粉末，其中Cu的含量為7至17重量％。4、根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的粉末，其中Cr的含量為15至30重量％。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的粉末，其中0的含量為20至30重量％。6、根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的粉末，其中該粉末還包含8至20重量％的Ni。7、根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的粉末，其中該粉末是通過水霧化法制造的。8、制造水霧化的預(yù)合金4&粉末的方法，其中該4失基粉末以重量％計(jì)包含10.5至30的Cr3至15的A15至20的Cu最多0.1的C最多0.2的N最多3.0的Mn最多2.5的Si最多3.0的Mo其余基本僅僅是鐵和不可避免的雜質(zhì)，所述方法包括提供鐵和所述合金元素的熔體，將所述熔體水霧化，從而由霧化的熔滴經(jīng)固化形成粉末。9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述鐵基粉末還包含8至20重量％的Ni。10、制造燒結(jié)部件的方法，包括a)提供含有水霧化的預(yù)合金鐵基粉末的燒結(jié)材料，所述鐵基粉末以重量％計(jì)包含10.5至30的Cr3至15的A15至20的Cu最多0.1的C最多0.2的N最多3.0的Mn最多2.5的Si最多3.0的Mo其余基本僅僅是鐵和不可避免的雜質(zhì)；b)由所述燒結(jié)材料制成生坯；和c)在還原或者中性氣氛中、在大氣壓或者低于大氣壓的壓力、在高于1100。C的溫度將所述生坯燒結(jié)。11、根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中在a)中，所提供的燒結(jié)材料是潤(rùn)滑劑和/或粘結(jié)劑與所述水霧化的預(yù)合金4失基粉末的混合物。12、根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中在b)中，所述生坯是通過冷壓所述混合物而制成的，其中優(yōu)選地，壓制壓力在100至1000MPa之間，且優(yōu)選地，溫度^f氐于10(TC。13、根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中在b)中，所述生坯是通過溫壓所述混合物而制成的，其中優(yōu)選地，壓制壓力在300至1000MPa之間，且優(yōu)選地，溫度在100至200。C之間。14、根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中在a)中，所提供的燒結(jié)材料僅是所述水霧化的預(yù)合金4失基粉末。15、根據(jù)權(quán)利要求11或14所述的方法，其中在不壓制所述生坯的情況下使所述生坯成形。16、由權(quán)利要求IO至14任一項(xiàng)的方法制成的燒結(jié)部件，其中所述部件的燒結(jié)密度高于6.5g/cm3。17、由權(quán)利要求10至14任一項(xiàng)的方法制成的燒結(jié)部件，其中所述部件的抗拉強(qiáng)度高于500MPa。18、由權(quán)利要求10至14任一項(xiàng)的方法制成的燒結(jié)部件，其中所述部件的屈力l強(qiáng)度高于400MPa。全文摘要本發(fā)明涉及一種霧化的預(yù)合金鐵基粉末，其以重量％計(jì)包含10.5至30的Cr、3至15的Al、5至20的Cu、最多0.1的C、最多0.2的N、最多3.0的Mn、最多2.5的Si、最多3.0的Mo，其余基本僅僅是鐵和不可避免的雜質(zhì)。文檔編號(hào)B22F1/00GK101516549SQ200780026953公開日2009年8月26日申請(qǐng)日期2007年6月20日優(yōu)先權(quán)日2006年7月21日發(fā)明者I·豪爾,O·H·莫斯申請(qǐng)人:霍加納斯公司(Publ)