專利名稱：鐵基粉末合成物的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于生產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械加工性能的添加劑的粉末金屬合成物。
背景技術：
粉末冶金制造部件的主要優點之一是通過壓制和燒結可以生產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，而需要在燒結之后進行機加工，所以上述機加工可能是必要的。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加工。
由于持續地開發新的具有更高強度并且也具有更高硬度的燒結鋼，機加工已成為粉末冶金制造部件的主要問題之一。當評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，機加工常常是限制因素。因此，為改善燒結鋼的機械加工性能，對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燒結材料的機械性能如抗拉強度和延伸率的影響不明顯。
目前，存有許多已知物質，將所述已知物質添加到鐵基粉末混合物中，以便在燒結之后有助于部件的機加工。最常用的粉末添加劑是MnS，例如在EP 0183666中提到過MnS，EP 0183666描述了如何通過摻合這種粉末來改善燒結鋼的機械加工性能。然而，一些難以機加工的材料，在該上下文中指的是硬度超過約180HV的材料，它們不能通過加入MnS來合適地機加工。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后的機械強度。
WO 91/14526描述了如何使用少量Te和/或Se與MnS一起將難以機加工的粉末冶金材料的機械加工性能提高約兩倍。加入Te和/或Se已經與環境因素相矛盾，因為這些添加劑的衛生極限值很低，并且有違背更嚴格的環境法規的趨勢。
美國專利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之后的機械加工性能。該專利描述了通過利用很細的BN粉末的結塊可以與通過添加MnS類似地實現改善機械加工性能。然而，如果添加適當量的BN粉末，則燒結強度比添加MnS受到的影響程度更小。
另外，美國專利NO.5631431涉及用于改善機械加工性能的添加劑。按照該專利，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量百分數含量為0.1％-0.6％。在實際應用中，氟化鈣證明是極好的用于改善機械加工性能的添加劑。然而，由于持續開發PM材料，所以同樣需要改善添加劑的性能。
因此，本發明的目的是提供新的用于金屬粉末合成物的添加劑以進一步改善機械加工性能。本發明的另一目的是提供新的添加劑，所述新添加劑對機械性能無影響或基本上無影響。此外，新添加劑應是合乎環境要求的。
發明內容
按照本發明，現已發現，通過將氟化鈣和六方氮化硼組合，得到機械加工性能改善效果非常好的添加劑。該機械加工性能的改善可以被認為是具有協同效應。此外，這種新添加劑對燒結零件的機械性能基本上沒有影響或僅有很小的影響。該新添加劑還合乎環境要求。本發明還涉及包括這種添加劑的鐵基粉末合成物。
具體實施例方式
為了得到改善機械加工性能的效果，添加劑在鐵基合成物中的質量百分數含量應在0.02％和1.0％之間，優選在0.02％和0.6％之間。
另外，重要的是新添加劑成分的類型和含量。因此，六方氮化硼在鐵基粉末合成物中的質量百分數含量在0.01％-0.5％，優選在0.01％-0.2％范圍內。氟化鈣在鐵基粉末合成物中的質量百分數含量應在0.01％-0.5％，優選在0.1％-0.4％范圍內。一起或單獨添加比上述含量低的六方氮化硼和氟化鈣對加工性能都不會產生預期的效果，而較高的含量將會對機械性能產生負面影響。另外，優選的是，氟化鈣的含量高于氮化硼的含量。
關于新添加劑中所包括的成分的粒度，現已發現，本發明的六方氮化硼的平均粒度可在1-50μm之間，優選在1-30μm之間變動。優選的是，六方氮化硼是未結塊的片狀顆粒。
氟化鈣的平均粒度小于約100μm，優選在20-70μm之間。平均粒度大于100μm將會對加工性能和機械性能產生負面影響，而平均粒度小于20μm將使加工性能的改善程度更小。
鐵基粉末類型這種新的用于改善機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，還原鐵粉及類似物。不僅包括合金元素的預制合金水霧化粉末而且部分合金鋼粉也是有利的。當然，這些粉末可以組合使用。
其它添加劑本發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，粘合劑和潤滑劑及其它常規用于改善機械加工性能的添加劑如MnS。
方法包括本發明添加劑的部件的粉末冶金制造通過下列方法步驟以常規方式，亦即最常用的方式實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、鉬及本發明所述粉末形式的添加劑摻合。合金元素也可以作為預制合金或擴散合金鐵基粉末或作為混合的合金元素、擴散合金粉末或預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潤滑劑例如硬脂酸鋅或亞乙基雙硬脂酰胺摻合。混合物中的較細顆粒可以通過粘結物質粘結到鐵基粉末上。此后將粉末混合物在壓機工具中壓制，從而產生接近最終幾何形狀的所謂的生坯體。壓制一般是在400-1200MPa的壓力下進行。壓制之后，將壓制品燒結，同時確定其最終強度、硬度、延伸率等。
本發明的用于改善機械加工性能的添加劑包括粉狀氟化鈣和粉狀六方氮化硼。現已發現，通過以相應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，優選不小于1∶10的量添加用于改善機械加工性能的添加劑，加工性能明顯地得到改善。換句話說，六方氮化硼含量應一定程度地小于氟化鈣含量。
下面以非限制性示例子說明本發明示例1a)機械性能的研究研究了按表1所示的不同種類的六方氮化硼。六方氮化硼I型是未結塊顆粒的粉末，而II型是亞微米顆粒的結塊，亦即粒度小于1μm的結塊顆粒。
表1
*)亞微米顆粒的結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DistaloyAE混合，所述金屬粉末DistaloyAE購自Hgans AB，它是由純鐵與Mo，Ni和Cu擴散合金化而得到。金屬粉末還與潤滑劑，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使拉力試棒標準化。該試棒放在實驗室網帶式爐中于10％氫和90％氮的混合物中在1120℃燒結30分鐘。利用燒結后的試棒來按照EN 10001-1測定抗拉強度，按照ISO 4498/1測定硬度和按照ISO 4492測定尺寸變化。
表2
DC是燒結期間抗拉強度棒的長度變化。
SD是抗拉強度棒燒結后的密度。
HV 10是抗拉強度棒的維氏硬度。
TS是抗拉強度棒的抗拉強度。
A是在抗拉強度試驗期間的塑性延伸率。
如在表2中可以看到的，在Distaloy AE中添加0.2％和0.4％h-BN II型的量對燒結體的機械性能有影響，而僅僅添加0.2％h-BN I型對燒結體的機械性能的影響很小。
b)機械加工性能指數的研究為了用不同添加劑合成物確定機械加工性能，如在表3中可以看出的，將直徑為80mm和高度為12mm的圓盤壓制成具有7.10g/cm3的生坯密度。將圓盤放入實驗室網帶式爐內于10％氫和90％氮的混合物中在1120℃燒結30分鐘。在鉆孔試驗中利用圓盤來確定機械加工性能指數。該指數定義為每個鉆頭在鉆頭磨損之前可以加工的平均孔數。鉆孔是在沒有任何冷卻劑的情況下用高速鋼鉆頭以恒速和恒進給的方式實施。
如在表3中可看出的，無論用添加劑h-BN還是用添加劑CaF2都能改善機械加工性能指數。但是，通過組合使用h-BN(I型)和CaF2，可以看出明顯的改善。
表3
M.Index是用一個鉆頭在由該材料制成的圓盤中可以鉆出的孔的平均數。效果是與混合物1-4b相比，機械加工性能提高的倍數。
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DistaloyDH-1混合，所述金屬粉末DistaloyDH-1來自Hgans AB，它是由鐵用1.5％Mo預制合金化和此后用2％Cu擴散合金化而得到的。金屬粉末還與潤滑劑，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使拉力試棒標準化，并制備直徑為80mm和高度為12mm的圓盤，以便確定機械加工性能。試棒和圓盤放在實驗室網帶式爐內于10％氫和90％氮的混合物中在1120℃燒結30分鐘。利用燒結后的試棒來按照EN 10001-1測定抗拉強度，按照ISO 4498/1測定硬度以及按照ISO 4495測定尺寸變化。在鉆孔試驗中利用圓盤來確定機械加工性能指數。該指數定義為每個鉆頭在鉆頭磨損之前可以加工的平均孔數。鉆孔是在沒有任何冷卻劑的情況下用高速鋼鉆頭以恒速和恒進給的方式實施。
表4示出，當將h-BN(六方氮化硼)I型添加到Distaloy DH-1中時，燒結體將具有較低的硬度和抗拉強度。因為h-BN可以減少石墨在基體中的溶解度，所以可以認為硬度和抗拉強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為是作為游離石墨存在。燒結體的較低硬度在機械加工性能方面可能是有利的。但是，當增加石墨添加量以補償游離石墨量時，對含有h-BN和CaF2組合的樣品而言仍能實現機械加工性能明顯地增加。當把樣品2-8，2-10和2-11的結果進行比較時，可以看出這點。
表4
GR是以質量百分數表示的石墨添加量。
GD是壓制的生坯密度。
DC是燒結期間抗拉強度棒的長度變化。
SD是抗拉強度棒燒結后的密度。
HV10是抗拉強度棒的維氏硬度。
TS是抗拉強度棒的抗拉強度。
A是抗拉強度試驗期間的塑性延伸率。
M.Index是用一個鉆頭在由該材料制成的圓盤中可能鉆出的孔的平均數。
權利要求
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，還包括質量百分數在0.02％和1.0％之間，優選在0.02％和0.6％之間的用于改善機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％，優選在0.01％-0.2％范圍內。
3.按照上述權利要求中任一項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％，優選在0.1％-0.4％范圍內。
4.按照上述權利要求中任一項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，優選為1-30μm。
5.按照上述權利要求中任一項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，優選為20-70μm。
6.按照上述權利要求中任一項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、粘合劑或潤滑劑的一組物質中選定。
7.用于改善機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，優選在1∶1與1∶10之間。
8.按照權利要求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械加工性能的燒結制品，所述燒結制品由按照權利要求1-6中任一項所述的鐵基合成物制備而成。
全文摘要
本發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，還包括質量百分數為0.02％和1.0％的用于改善機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。本發明還涉及所述的添加劑。
文檔編號C22C33/02GK1946502SQ200580013241
公開日2007年4月11日 申請日期2005年4月25日 優先權日2004年4月26日
發明者O·安德森 申請人:霍加納斯股份有限公司