專利名稱：：冶金粉末組合物及生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種鐵基粉末。特別地，本發(fā)明涉及一種適于生產(chǎn)耐磨產(chǎn)品如閥座嵌件(valveseatinsert,VSI)的粉末以及由所述粉末制成的元件。
背景技術(shù)：
：高耐磨性產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用，并且人們一直需要與現(xiàn)有產(chǎn)品相比更加廉價(jià)而具有相同或更好性能的產(chǎn)品。僅僅是閥座嵌件，每一年就會(huì)生產(chǎn)超過(guò)1，000,000,000個(gè)元件。高耐磨性產(chǎn)品的制造可基于例如粉末如鐵或鐵基粉末，包含碳化物形式的碳。碳化物非常堅(jiān)硬并具有高熔點(diǎn)，這些特點(diǎn)使它們?cè)谠S多應(yīng)用中有高耐磨性。這種耐磨性常常使得碳化物成為鋼如高速鋼(HSS)中的理想組分，該鋼需要高耐磨性，如用于鉆頭，車床，閥座嵌件等的鋼。燃燒機(jī)中的VSI是一個(gè)嵌到操作中閥與缸頂接觸處的環(huán)。VSI用于限制缸頂上閥造成的磨損。這通過(guò)在VSI中使用耐磨性優(yōu)于缸頂材料的材料實(shí)現(xiàn)，且不會(huì)磨損閥。用于VSI的材料是鑄造材料，或更常見的是壓制和燒結(jié)的PM材料。用粉末冶金法生產(chǎn)閥座嵌件使得VSI的組成非常靈活，并得到極具成本效益的產(chǎn)品。制造PM閥座嵌件的方法開始于制備一種混合物，該混合物包含最終元件所需的所有成分。該粉末混合物最常包括鐵或低合金粉末作為最終元件中的基體，并包括基本合金元素如C、Cu、Ni、Co等等，該基本合金元素應(yīng)較低或較高程度地?cái)U(kuò)散到基體材料中，并提高強(qiáng)度和硬度。可以加入包含碳化物的其它硬相材料和類似相以提高合金的耐磨性。還常見的是加入可機(jī)械加工性增強(qiáng)劑以在機(jī)械加工成品時(shí)減少工具磨損，以及加入固體潤(rùn)滑劑以在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)協(xié)助潤(rùn)滑。此外，在所有待壓制混合物(pressreadymix)中加入蒸發(fā)潤(rùn)滑劑，以協(xié)助壓實(shí)及經(jīng)壓實(shí)的元件的彈出。由PowderMetallurgy生產(chǎn)的一種已知VSI材料是基于高速鋼粉末作為含碳化物的基體材料。所用的所有粉末通常顆粒尺寸小于180μm。混合物的平均顆粒尺寸通常為50到100μm,以使得混合物流動(dòng)并促進(jìn)生產(chǎn)。該合金和潤(rùn)滑劑添加劑很多情況下顆粒尺寸細(xì)于基體粉末，以改善合金元素在粉末混合物以及成品中的分布。然后將該粉末混合物送入具有VSI環(huán)形狀的工具腔。施加400_900MPa的軸向壓力，得到密度為6.4-7.3g/cm3的近網(wǎng)狀金屬VSI元件。在有些情況下使用雙重壓實(shí)以減少昂貴合金元素的使用。雙重壓實(shí)中使用兩種不同的粉末混合物。一種比較昂貴，其具有卓越的耐磨性，形成面向閥的VSI磨損表面，而另一種成本較低，使元件達(dá)到所需高度。壓實(shí)之后，各個(gè)顆粒僅通過(guò)冷焊松散地結(jié)合，并需要隨后的燒結(jié)操作以使得各個(gè)顆粒擴(kuò)散到一起并分散合金元素。燒結(jié)通常在1120°C至1150°C之間進(jìn)行，但可以使用高達(dá)1300°C的溫度，這在通?；诘?dú)夂蜌錃獾倪€原性氣氛中進(jìn)行。燒結(jié)過(guò)程中或之后，可將銅浸潤(rùn)在元件的孔中以增加硬度和強(qiáng)度，同時(shí)改善導(dǎo)熱性和耐磨性。很多情況下隨后進(jìn)行熱處理以達(dá)到最終性能。為了達(dá)到所需的VSI的幾何精度，將其機(jī)械加工到需要的尺寸。最后的機(jī)械加工很多情況下在VSI安裝在缸頂中之后進(jìn)行。進(jìn)行最后機(jī)械加工是為了得到VSI和反向閥的輪廓并且具有小的尺寸變化。例如在涉及包含具有細(xì)分散的碳化物的工具鋼粉末的粉末混合物的美國(guó)專利6679932和涉及不銹鋼粉末的美國(guó)專利5856625中公開了具有高耐磨性的傳統(tǒng)鐵基粉末實(shí)例。W、V、Mo、Ti和Nb是形成強(qiáng)碳化物的元素，其使這些元素特別有利于生產(chǎn)耐磨產(chǎn)品。Cr是另一種形成碳化物的元素。但是這些常規(guī)的形成碳化物的金屬大部分是昂貴的，從而導(dǎo)致產(chǎn)生不適用的高價(jià)產(chǎn)品。因此，粉末冶金工業(yè)中需要價(jià)格相對(duì)便宜的鐵基粉末或高速鋼，其對(duì)于例如閥座等的應(yīng)用具有充分的耐磨性。由于鉻相比其它應(yīng)用于高耐磨性傳統(tǒng)粉末和硬相的此類金屬便宜很多，并且是更容易得到的形成碳化物的金屬，因此用鉻作為主要的形成碳化物的金屬將是非常理想的。這樣一來(lái)，該粉末以及由此得到的壓實(shí)產(chǎn)品可以更廉價(jià)地生產(chǎn)。普通高速鋼的碳化物通常相當(dāng)小，但是依照本發(fā)明，現(xiàn)在出人意料地發(fā)現(xiàn)用于例如閥座應(yīng)用的具有相等優(yōu)越耐磨性的粉末可以通過(guò)以鉻作為主要的形成碳化物的金屬來(lái)獲得，只要存在足夠量的大碳化物，并由較少量的較細(xì)且較硬的碳化物支持。發(fā)明概述因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種便宜的鐵基粉末用于制造有高耐磨性的粉末冶金廣品。這個(gè)目的以及從下面的討論明顯可見的其它目的根據(jù)本發(fā)明通過(guò)退火的預(yù)合金水霧化鐵基粉末達(dá)到，該粉末包含10-低于18重量％的Cr；各0.5-5重量％的Mo、W、V和Nb中的至少一種；0.5-2重量％，優(yōu)選0.7-2重量％，最優(yōu)選1-2重量％的C，其中所述鐵基粉末具有包含少于10重量％的Cr的基體。此外，所述鐵基粉末包含大鉻碳化物以及較細(xì)且較硬的鉻碳化物。由于粉末中高Cr含量促進(jìn)形成大型碳化物如M23C6-型碳化物，因此18重量％或更高重量分?jǐn)?shù)的Cr會(huì)使得細(xì)且硬的鉻碳化物的含量太低。按照本發(fā)明，達(dá)到上述目的的該新型粉末可以由一種制備鐵基粉末的方法獲得，此方法包括使包含10-低于18重量％的Cr；各0.5-5重量％的Mo、W、V和Nb中的至少一種；0.5-2重量％，優(yōu)選0.7-2重量％，最優(yōu)選1-2重量％的C的鐵基熔體進(jìn)行水霧化以獲得鐵基粉末顆粒；并在一定溫度下將該粉末顆粒退火足以在顆粒內(nèi)獲得所需碳化物的一段時(shí)間。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，已發(fā)現(xiàn)900-1100°C的溫度和15-72小時(shí)的退火時(shí)間足以在顆粒中獲得所需碳化物。附圖簡(jiǎn)述圖1.表示基于OBl的測(cè)試材料的微觀結(jié)構(gòu)。圖2.表示基于M3/2的測(cè)試材料的微觀結(jié)構(gòu)。優(yōu)選實(shí)施方案詳述本發(fā)明的預(yù)合金粉末含有10-低于18重量％的鉻；各0.5-5重量％的鉬、鎢、釩和鈮中的至少一種；和0.5-2重量％，優(yōu)選0.7-2重量％，最優(yōu)選1-2重量％的碳，其余為Fe、任選的其它合金元素以及不可避免的雜質(zhì)。該預(yù)合金粉末可任選地含有其它合金元素如硅，至多2重量％。也可任選包含其它合金元素或添加劑。應(yīng)該特別指出的是，非常昂貴的形成碳化物的金屬鈮和鈦在本發(fā)明粉末中不需要。所述預(yù)合金粉末優(yōu)選平均顆粒尺寸為40-100μm,優(yōu)選大約80μm。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述預(yù)合金粉末包含12-17重量％的Cr，例如15_17重量％的Cr；例如16重量％的Cr。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述預(yù)合金粉末包含12-低于18重量％的0，1-3重量％的Mo，1-3，5重量％的W，0.5-1.5重量％的V，0.2-1重量％的Si，1-2重量％的C，其余為Fe。在最優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述預(yù)合金粉末包含14-低于18重量％的Cr，1-2重量％的船，1-2重量％的10.5-1.5重量％的￥，0.2-1重量％的Si，1-2重量％的C，其余為Fe。在另一個(gè)最優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述預(yù)合金粉末包含12-低于15重量％的&，1-2重量％的Mo，2-3重量％&W，0.5-1.5重量％的乂，0.2_1重量％的Si，1_2重量％的(，其余為Fe。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，大鉻碳化物為M23C6-型(M=Cr、Fe、Mo、W)，換言之，除了Cr作為主要的形成碳化物的元素以外，還可以存在Fe、Mo和W當(dāng)中的一種或多種。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，更細(xì)且更硬的鉻碳化物為M7C3-型(M=Cr、Fe、V)，換言之，除了鉻作為主要的形成碳化物的元素以外，還可以存在Fe和V中的一種或多種。這兩種類型的碳化物還可能包含少量上述以外的形成碳化物的元素。該粉末可進(jìn)一步包含上述以外的碳化物類型。本發(fā)明粉末的大碳化物優(yōu)選平均尺寸為8-45μm,更優(yōu)選8_30μm,硬度為大約1100-1300微維(microvickers)，并且優(yōu)選占總粉末體積的10-30%。本發(fā)明粉末的M7C3-型較小碳化物比M23C6-型大碳化物更小且更硬。本發(fā)明粉末的較小碳化物優(yōu)選平均尺寸低于8μm,硬度為大約1400-1600微維，并且優(yōu)選占總粉末體積的3-10%。由于碳化物的形狀不規(guī)則，“尺寸”定義為在顯微鏡下最長(zhǎng)的延伸。為獲得這些大碳化物，將該預(yù)合金粉末進(jìn)行延長(zhǎng)時(shí)間的退火，優(yōu)選在真空條件下。該退火優(yōu)選在900-1100°C進(jìn)行，最優(yōu)選在大約1000°C進(jìn)行，在此溫度下預(yù)合金粉末中的鉻與碳反應(yīng)生成鉻碳化物。在退火過(guò)程中，新的碳化物形成并且生長(zhǎng)，而已有的碳化物通過(guò)鉻與碳之間的反應(yīng)繼續(xù)生長(zhǎng)。退火優(yōu)選持續(xù)15-72小時(shí)，更優(yōu)選超過(guò)48小時(shí)，以獲得所需尺寸的碳化物。退火的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，碳化物顆粒增長(zhǎng)得越大。然而，退火消耗大量的能量，如果其持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間會(huì)成為生產(chǎn)流程中的瓶頸。因此，雖然大鉻碳化物的平均鉻碳化物顆粒尺寸為約20-30μm可能是最佳的，但是根據(jù)優(yōu)先性，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，更有利的是當(dāng)大鉻碳化物的平均鉻碳化物顆粒尺寸約為ομm時(shí)早點(diǎn)終止退火。從退火溫度開始進(jìn)行非常緩慢冷卻，優(yōu)選超過(guò)12小時(shí)。緩慢冷卻會(huì)使碳化物進(jìn)一步生長(zhǎng)，因?yàn)檩^大量的碳化物在較低溫度下熱力學(xué)穩(wěn)定。緩慢冷卻還能確保基體為鐵素體的，這對(duì)于粉末的可壓實(shí)性很重要。將粉末退火除了碳化物的生長(zhǎng)還有其它優(yōu)點(diǎn)。退火期間基體顆粒也生長(zhǎng)，并且釋放水霧化導(dǎo)致的粉末顆粒的內(nèi)在應(yīng)力。這些因素使得粉末硬度較低而且更易被壓實(shí)，例如使該粉末有更好的可壓實(shí)性。退火過(guò)程中，粉末的碳和氧含量可以調(diào)節(jié)。通常需要將氧含量保持為低。退火過(guò)程中碳與氧反應(yīng)形成氣態(tài)碳氧化物，這降低粉末的氧含量。如果預(yù)合金粉末中本身沒(méi)有足夠的碳，為了形成碳化物以及降低氧含量，可以以石墨粉末的形式提供另外的碳用于退火。由于預(yù)合金粉末的許多鉻在退火期間從基體遷移到碳化物，所得退火粉末的基體中溶解的鉻的含量低于基體的10重量％，優(yōu)選低于9重量％，最優(yōu)選低于8重量％，因此該粉末并非不銹。粉末的基體組合物設(shè)計(jì)成使得在燒結(jié)過(guò)程中鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。因此，奧氏體在燒結(jié)后的冷卻過(guò)程中可以轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。在馬氏體基體中，大碳化物結(jié)合較小且較硬的碳化物，將使壓制和燒結(jié)的元件具有良好耐磨性。本發(fā)明的退火粉末在壓實(shí)和燒結(jié)之前可以與其它粉末組分混合以生產(chǎn)高耐磨性產(chǎn)品，其它粉末組分為例如其它鐵基粉末、石墨、蒸發(fā)潤(rùn)滑劑、固體潤(rùn)滑劑和可機(jī)械加工性增強(qiáng)劑等。人們可以例如將本發(fā)明粉末與純鐵粉末和石墨粉末混合，或與不銹鋼粉末混合?？梢蕴砑訋椭鷫簩?shí)然后在燒結(jié)期間蒸發(fā)的潤(rùn)滑劑如蠟、硬脂酸鹽、金屬皂等，以及減少燒結(jié)產(chǎn)品使用中的摩擦并同樣會(huì)增強(qiáng)燒結(jié)產(chǎn)品可機(jī)械加工性的固體潤(rùn)滑劑如MnS、CaF2、MoS2。也可以添加可機(jī)械加工性增強(qiáng)劑以及粉末冶金領(lǐng)域的其它常規(guī)添加劑。由于其良好的可壓實(shí)性，所得混合物很適合壓實(shí)成具有斜切反向閥輪廓(chamferedinvertedvalveprofile)的近網(wǎng)狀VSI元件。實(shí)施例1水霧化包含16.0重量％0，1.5重量％]0，1.5重量％1，1重量％乂，0.5重量％Si，1.5重量％C且其余為Fe的熔體以形成預(yù)合金粉末。所得粉末隨后在1000°C真空退火大約48小時(shí)，總退火時(shí)間為大約60小時(shí)，此后粉末顆粒在鐵素體基體中含有大約20體積％的平均顆粒尺寸為大約的禮而-型碳化物，和大約5體積％的平均顆粒尺寸為大約3iim的M7C3-型碳化物。將獲得的粉末(此后稱作0B1)與0.5重量％的石墨和0.75重量％的蒸發(fā)潤(rùn)滑劑混合。該混合物在700Mpa壓力下被壓實(shí)成測(cè)試條。得到的樣品在90隊(duì)/10112氣氛中在1120°C燒結(jié)。燒結(jié)后將樣品在液氮中低溫冷卻，隨后在550°C回火。使用與上述相同的方法制備基于已知HSS粉末M3/2的類似混合物并生產(chǎn)測(cè)試條。根據(jù)Vickers方法對(duì)該測(cè)試條進(jìn)行硬度測(cè)試。在三個(gè)不同溫度(300/400/500°C)測(cè)試熱硬度。結(jié)果總結(jié)于下表。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>0B1測(cè)試材料的微觀結(jié)構(gòu)(見圖1)由馬氏體基體中大和小碳化物的所需混合物組成。參考材料也有類似的微觀結(jié)構(gòu)(見圖2)，但比0B1材料的碳化物小。0B1材料的孔隙率略高于M3/2材料，這解釋了為什么0B1硬度值(HV5)低于M3/2的硬度值，雖然0B1的顯微硬度高于M3/2的顯微硬度。在生產(chǎn)PMVSI元件時(shí)，孔隙率通常通過(guò)在燒結(jié)期間浸潤(rùn)銅而消除，因此該影響可以忽略。鑒于此，0B1材料的硬度值與參考材料M3/2的硬度值相當(dāng)，這很好地表明該材料的耐磨性應(yīng)該相當(dāng)。特別地，在高溫下保持硬度對(duì)VSI應(yīng)用中的耐磨性非常重要。熱硬度測(cè)試結(jié)果表明0B1材料符合這些要求。實(shí)施例2水霧化包含14，5重量％0，1.5重量％]0，2.5重量％1，1重量％￥，0.5重量％Si，1.5重量％C且其余為Fe的熔體以形成預(yù)合金粉末。所得粉末隨后在1000°C真空退火大約48小時(shí)，總退火時(shí)間為大約60小時(shí)，此后粉末顆粒在鐵素體基體中含有大約20體積％的平均顆粒尺寸為大約的禮而-型碳化物，和大約5體積％的平均顆粒尺寸為大約3iim的M7C3-型碳化物。處理該粉末，與0.5重量％石墨和0.75重量％蒸發(fā)潤(rùn)滑劑混合，以與實(shí)施例1相同的方式制成測(cè)試條，得到與圖1中非常相似的微觀結(jié)構(gòu)。權(quán)利要求一種退火的預(yù)合金水霧化鐵基粉末，其包含10-低于18重量％的Cr；各0.5-5重量％的Mo、W、V和Nb中的至少一種；0.5-2重量％，優(yōu)選0.7-2重量％，最優(yōu)選1-2重量％的C，其中所述鐵基粉末具有含少于10重量％的Cr的基體，并且其中所述鐵基粉末包含大鉻碳化物以及較小且較硬的鉻碳化物。2.按照權(quán)利要求1的鐵基粉末，其包含平均尺寸為8-45μm的大鉻碳化物，以及平均尺寸小于8μm的較小且較硬的鉻碳化物。3.按照權(quán)利要求1的鐵基粉末，其包含平均尺寸為8-30μm的大鉻碳化物，以及平均尺寸小于8μm的較小且較硬的鉻碳化物。4.按照權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)的鐵基粉末，其包含10-30體積％的大鉻碳化物和3-10體積％的較小且較硬的鉻碳化物。5.按照權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)的鐵基粉末，其中基體并非不銹。6.按照權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)的鐵基粉末，其中該粉末還包含0-2%Si。7.按照權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)的鐵基粉末，其重均顆粒尺寸為40-100μm。8.按照權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)的鐵基粉末，其包含12-低于18重量％的Cr，1-3重量％的Mo，1-3，5重量％的W，0.5-1.5重量％的V，0.2-1重量％的Si，1-2重量％的C，其余是Fe。9.按照權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)的鐵基粉末，其包含12-低于15重量％的Cr，1-2重量％的Mo，2-3重量％&W，0.5-1.5重量％的V，0.2-1重量％的Si，1-2重量％的C，其余是Fe。10.按照權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)的鐵基粉末，其包含14-低于18重量％的Cr，1-2重量％的Mo，1-2重量％&W，0.5-1.5重量％&V，0.2-1重量％的Si，1-2重量％的C，其余是Fe。11.按照權(quán)利要求1的鐵基粉末，其中大鉻碳化物為M23C6-型，其中M=Cr、Fe、Mo、W。12.按照權(quán)利要求1的鐵基粉末，其中較小且較硬的鉻碳化物為M7C3-型，其中M=Cr、Fe、V。13.—種生產(chǎn)鐵基粉末的方法，該鐵基粉末具有含少于10重量％的Cr的基體，所述方法包括使包含10-低于18重量％的Cr；各0.5-5重量％的Mo、W、V和Nb中的至少一種；0.5-2重量％，優(yōu)選0.7-2重量％，最優(yōu)選1-2重量％的C的鐵基熔體水霧化，以獲得鐵基粉末顆粒；以及將該粉末顆粒在一定溫度下退火足以在顆粒中獲得大鉻碳化物和較小且較硬的鉻碳化物的時(shí)間期間。14.一種壓制和燒結(jié)的元件，其由至少一種權(quán)利要求1中所述的粉末生產(chǎn)。15.按照權(quán)利要求14的壓制和燒結(jié)的元件，其中C-含量的一部分在燒結(jié)過(guò)程中合金化。16.按照權(quán)利要求14的壓制和燒結(jié)的元件，其中壓制和燒結(jié)的元件由包含權(quán)利要求1的粉末以及鐵基粉末、石墨、蒸發(fā)潤(rùn)滑劑、固體潤(rùn)滑劑、和可機(jī)械加工性增強(qiáng)劑中的至少一種的粉末組合物制成。17.按照權(quán)利要求14-16任一項(xiàng)的壓制和燒結(jié)的元件，其中所述壓制和燒結(jié)的元件是閥座嵌件。18.按照權(quán)利要求17的壓制和燒結(jié)的元件，其包含具有在壓實(shí)期間形成的反向閥輪廓的斜切匹配表面。全文摘要本發(fā)明涉及退火的預(yù)合金水霧化鐵基粉末，該粉末適合于生產(chǎn)具有高耐磨性的壓制和燒結(jié)的元件。該鐵基粉末包含10-低于18重量％的Cr；各0.5-5重量％的Mo、W、V和Nb中的至少一種；0.5-2重量％，優(yōu)選0.7-2重量％，最優(yōu)選1-2重量％的C。該粉末具有包含少于10重量％的Cr的基體，并包含M23C6-型大碳化物以及M7C3-型碳化物。本發(fā)明還涉及一種生產(chǎn)鐵基粉末的方法和一種生產(chǎn)具有高耐磨性的壓制和燒結(jié)的元件的方法以及具有高耐磨性的壓制和燒結(jié)的元件。文檔編號(hào)C22C33/02GK101809180SQ200880108977公開日2010年8月18日申請(qǐng)日期2008年9月24日優(yōu)先權(quán)日2007年9月28日發(fā)明者O·貝格曼,P·D·努爾森申請(qǐng)人:霍加納斯股份有限公司