用于耐磨和耐熱應(yīng)用的粉末金屬組合物及其生產(chǎn)方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求2013年3月15日提交的序列號(hào)為13/837,549的美國(guó)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)， 其內(nèi)容整體通過(guò)引用合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明大體設(shè)及粉末金屬組合物，W及由鐵基合金生產(chǎn)粉末金屬組合物的方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 高硬度的預(yù)合金的鐵基粉末，如工具鋼級(jí)的粉末，既可W在制造各種制品的粉末 冶金生產(chǎn)中單獨(dú)使用，也可W與其他粉末金屬組合物混合使用。工具鋼中含有諸如銘，饑， 鋼和鶴的元素，運(yùn)些元素與碳結(jié)合形成各種碳化物，例如MeC，MC，MsC，Μ而和Μ23&。運(yùn)些碳 化物非常堅(jiān)硬，有利于工具鋼的耐磨性。
[0005] 粉末金屬加工的應(yīng)用允許顆粒完全由合金化的烙化的金屬形成，W使得每個(gè)顆粒 具有整批烙化的金屬的完全合金化的化學(xué)組成。該粉末金屬加工還允許烙化的金屬快速凝 固成小顆粒，從而消除通常與鑄件相關(guān)聯(lián)的宏觀偏析。在高合金化的鋼（如工具鋼）中，碳 化物的均勻分布可W在每個(gè)顆粒內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，從而形成非常硬且耐磨的粉末材料。
[0006] 通常通過(guò)霧化來(lái)產(chǎn)生粉末。在工具鋼和含有大量易于氧化的銘和/或饑的其他合 金中，通常使用氣體霧化，其中，烙化的合金流通過(guò)噴嘴注入到防護(hù)性腔室中并利用高壓惰 性氣體（諸如氮?dú)猓┑臍饬鲗⒗踊慕饘倭鞣稚橐旱?。惰性氣體防止合金元素在霧化過(guò) 程中發(fā)生氧化，氣霧化的粉末具有典型的平滑的圓形形狀。
[0007] 水霧化也常用來(lái)生產(chǎn)粉末金屬。它與氣體霧化類(lèi)似，不同的是高壓水被用來(lái)代替 氮?dú)鈿怏w作為霧化流體。水可W是更有效的澤火劑，從而與傳統(tǒng)氣體霧化相比可具有更高 的凝固速率。水霧化的顆粒通常具有更不規(guī)則的形狀，其更適合于隨后壓實(shí)粉末W使得粉 末金屬壓實(shí)體達(dá)到更高的生巧強(qiáng)度。但是，在工具鋼和含有大量銘和/或饑的其他鋼中，作 為霧化流體作用的水將導(dǎo)致合金元素在霧化過(guò)程中發(fā)生氧化，并且運(yùn)些合金元素的聚集使 得它們無(wú)法與碳反應(yīng)形成碳化物。因此，如果使用水霧化，它可能需要接下來(lái)進(jìn)行單獨(dú)的氧 化還原和/或退火循環(huán)，其中，在存在還原劑（諸如粉狀石墨，或其它碳源，或其它還原劑， 或通過(guò)另一還原過(guò)程）的情況下，粉末被加熱并保持在高溫下一段很長(zhǎng)的時(shí)間（近似幾小 時(shí)或幾天）。石墨的碳會(huì)與氧結(jié)合W釋放合金元素，使他們?cè)诠探Y(jié)粉末形成生壓巧的隨后的 燒結(jié)和退火階段中可用于形成碳化物。應(yīng)當(dāng)理解，額外的退火/還原步驟和石墨粉末的添 加將增加通過(guò)水霧化形成高合金粉末的成本和復(fù)雜性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種生產(chǎn)粉末金屬組合物的方法，其包括W下步驟：提供 烙融的鐵基合金，該鐵基合金包括3. 0-7. 0重量％的碳，10. 0-25. 0重量％的銘，1. 0-5. 0 重量％的鶴，3. 5-7. 0重量％的饑，1. 0-5. 0重量％的鋼，不超過(guò)0. 5重量％的氧，W及至少 40.ο重量％的鐵；W及霧化烙融的鐵基合金W提供鐵基合金的霧化液滴。
[0009] 本發(fā)明的另一個(gè)方面提供一種生產(chǎn)燒結(jié)制品的方法，其包括W下步驟：提供烙融 的鐵基合金，該鐵基合金包括3. 0-7. 0重量％的碳，10. 0-25. 0重量％的銘，1. 0-5. 0重量％ 的鶴，3. 5-7. 0重量％的饑，1. 0-5. 0重量％的鋼，不超過(guò)0. 5重量％的氧，W及至少40. 0重 量％的鐵；W及霧化烙融的鐵基合金W提供鐵基合金的霧化液滴，被稱為粉末金屬組合物。 該方法接下來(lái)包括將粉末金屬組合物與另一粉末金屬混合；壓制混合物W形成預(yù)成型件； W及燒結(jié)該預(yù)成型件。
[0010] 本發(fā)明的另一個(gè)方面提供一種粉末金屬組合物，包括：3. 0-7. 0重量％的碳， 10. 0-25. 0重量％的銘，1. 0-5. 0重量％的鶴，3. 5-7. 0重量％的饑，1. 0-5. 0重量％的鋼，不 超過(guò)0.5重量％的氧，W及至少40.0重量％的鐵，基于粉末金屬組合物的總重量。
[0011] 本發(fā)明的另一個(gè)方面提供一種燒結(jié)的粉末金屬組合物，包括：3.0-7. 0重量％的 碳，10. 0-25. 0重量％的銘，1. 0-5. 0重量％的鶴，3. 5-7. 0重量％的饑，1. 0-5. 0重量％的 鋼，不超過(guò)0. 5重量％的氧，W及至少40. 0重量％的鐵，基于燒結(jié)的粉末金屬組合物的總重 量。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，結(jié)合詳細(xì)描述和示意性地示出了生產(chǎn)粉末的工藝的附 圖，本發(fā)明的運(yùn)些和其它特征W及優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯。
[0013] 圖1是生產(chǎn)粉末金屬組合物的工藝的示意圖。
[0014] 圖2是硬度與碳含量的關(guān)系的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 圖1示意性地示出了用于生產(chǎn)高碳的鐵基合金粉末（也被稱為預(yù)燒結(jié)的粉末金屬 組合物）的工藝。該粉末金屬組合物被廉價(jià)地生產(chǎn)，與通過(guò)氣體霧化或傳統(tǒng)水霧化工藝獲 得的具有較低碳含量的可比合金組合物相比，該粉末金屬組合物被認(rèn)為具有升高的硬度。
[0016] 該工藝首先包括制備一批鐵基合金10。該鐵基合金與碳化物形成元素完全合金 化，該碳化物形成元素包括銘（化)，鋼（Mo)，鶴（W)，和饑（V)。鐵基合金是烙融的，然后輸 送到霧化器12。在圖1的實(shí)施例中，霧化器12是水霧化器，但也可替代為氣體霧化器。一 些屬性可使用氣體霧化加W改進(jìn)（相比于水霧化），例如更好的流動(dòng)性，表觀密度，W及較 低的氧含量。此外，氣體霧化提供具有大致圓形形狀的液滴。
[0017] 在圖1的水霧化步驟中，一種高壓水流作用于烙化的批次10的流，將該烙化的流 分散并快速凝固成完全合金化的不規(guī)則形狀的金屬液滴或顆粒。因暴露于水和無(wú)保護(hù)氣 氛，金屬顆粒的外表面可能被氧化。霧化的顆粒通過(guò)烘干機(jī)14,然后在磨床16上被機(jī)械研 磨或壓碎。也可W使用球磨機(jī)或其它機(jī)械性減小尺寸的裝置。如果霧化液滴上形成有氧化 表皮，顆粒的機(jī)械研磨將破碎和分離顆粒的氧化表皮，隨后，研磨顆粒從氧化物中分離出來(lái) W獲得霧化的粉末金屬組合物18和氧化顆粒20。粉末金屬顆粒和/或氧化顆粒也可能破 碎，從而減小尺寸。粉末金屬組合物18可進(jìn)一步通過(guò)尺寸，形狀和其他與粉末金屬相關(guān)聯(lián) 的特征進(jìn)行篩分。
[0018] 提供用于霧化的鐵基合金的批次10具有高的碳含量。在一個(gè)實(shí)施例中，鐵基合金 包括至少3.ο重量％的碳，或3. 0-7.ο重量％的碳，或3. 5-4.ο重量％的碳，優(yōu)選約3. 8重 量％的碳，基于鐵基合金的總重量。鐵基合金中的碳的量取決于碳化物形成元素的量和組 成。然而，碳的量?jī)?yōu)選為足W在霧化過(guò)程中形成基于粉末金屬組合物18的總體積的超過(guò)15 體積％的金屬碳化物。
[0019] 在鐵基合金中添加過(guò)量的碳的另一個(gè)原因是防止鐵基合金在烙化和霧化步驟發(fā) 生氧化。碳量的增加降低了氧在烙融的鐵基合金中的溶解度。特別是當(dāng)Cr和/或V的含量 高時(shí)，碳的量還確保基質(zhì)基本上是奧氏體和/或馬氏體中的一個(gè)，碳化物沉淀在該基質(zhì)中。
[0020] "低"的氧含量是基于鐵基合金的總重量的不超過(guò)0. 5重量％。在一個(gè)實(shí)施例中， 氧含量不超過(guò)0. 3重量％，例如為0. 2重量％。烙融物中的氧含量的消耗的益處在于，防止 碳化物形成合金元素，如銘（Cr)，鋼（Mo)，鶴（W)，和饑（V)在烙化或霧化步驟中發(fā)生氧化， 因此，從而能夠自由地與碳結(jié)合形成碳化物。
[0021] 鐵基合金的銘（化），鋼（Mo)，鶴（W)，和饑（V)的量也為足W形成基于粉末金屬組 合物18的總體積的至少15體積％的金屬碳化物。出于成本的原因，還希望某些碳化物形 成合金元素的量比其他元素的量高。因此，雖然Mo是形成非常堅(jiān)硬的碳化物（具有高的碳 化物密度）的一個(gè)很好的選擇，但是目前相對(duì)銘來(lái)說(shuō)非常昂貴。為了開(kāi)發(fā)低成本的工具級(jí) 質(zhì)量的鋼，其具有與更昂貴的傳統(tǒng)