用于耐磨和耐熱應用的粉末金屬組合物及其生產方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年3月15日提交的序列號為13/837,549的美國申請的優先權， 其內容整體通過引用合并于此。
技術領域
[0003] 本發明大體設及粉末金屬組合物，W及由鐵基合金生產粉末金屬組合物的方法。
【背景技術】
[0004] 高硬度的預合金的鐵基粉末，如工具鋼級的粉末，既可W在制造各種制品的粉末 冶金生產中單獨使用，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，運些元素與碳結合形成各種碳化物，例如MeC，MC，MsC，Μ而和Μ23&。運些碳 化物非常堅硬，有利于工具鋼的耐磨性。
[0005] 粉末金屬加工的應用允許顆粒完全由合金化的烙化的金屬形成，W使得每個顆粒 具有整批烙化的金屬的完全合金化的化學組成。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聯的宏觀偏析。在高合金化的鋼（如工具鋼）中，碳 化物的均勻分布可W在每個顆粒內部實現，從而形成非常硬且耐磨的粉末材料。
[0006] 通常通過霧化來產生粉末。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，烙化的合金流通過噴嘴注入到防護性腔室中并利用高壓惰 性氣體（諸如氮氣）的氣流將烙化的金屬流分散為液滴。惰性氣體防止合金元素在霧化過 程中發生氧化，氣霧化的粉末具有典型的平滑的圓形形狀。
[0007] 水霧化也常用來生產粉末金屬。它與氣體霧化類似，不同的是高壓水被用來代替 氮氣氣體作為霧化流體。水可W是更有效的澤火劑，從而與傳統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則的形狀，其更適合于隨后壓實粉末W使得粉 末金屬壓實體達到更高的生巧強度。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致合金元素在霧化過程中發生氧化，并且運些合金元素的聚集使 得它們無法與碳反應形成碳化物。因此，如果使用水霧化，它可能需要接下來進行單獨的氧 化還原和/或退火循環，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， 或通過另一還原過程）的情況下，粉末被加熱并保持在高溫下一段很長的時間（近似幾小 時或幾天）。石墨的碳會與氧結合W釋放合金元素，使他們在固結粉末形成生壓巧的隨后的 燒結和退火階段中可用于形成碳化物。應當理解，額外的退火/還原步驟和石墨粉末的添 加將增加通過水霧化形成高合金粉末的成本和復雜性。
【發明內容】
[0008] 本發明的一個方面提供一種生產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] 本發明的另一個方面提供一種生產燒結制品的方法，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形成預成型件； W及燒結該預成型件。
[0010] 本發明的另一個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] 本發明的另一個方面提供一種燒結的粉末金屬組合物，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0. 5重量％的氧，W及至少40. 0重量％的鐵，基于燒結的粉末金屬組合物的總重 量。
【附圖說明】
[0012] 對于本領域技術人員來說，結合詳細描述和示意性地示出了生產粉末的工藝的附 圖，本發明的運些和其它特征W及優點將變得更加明顯。
[0013] 圖1是生產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系的曲線圖。
【具體實施方式】
[0015] 圖1示意性地示出了用于生產高碳的鐵基合金粉末（也被稱為預燒結的粉末金屬 組合物）的工藝。該粉末金屬組合物被廉價地生產，與通過氣體霧化或傳統水霧化工藝獲 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（相比于水霧化），例如更好的流動性，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則形狀的金屬液滴或顆粒。因暴露于水和無保護氣 氛，金屬顆粒的外表面可能被氧化。霧化的顆粒通過烘干機14,然后在磨床16上被機械研 磨或壓碎。也可W使用球磨機或其它機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 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可進一步通過尺寸，形狀和其他與粉末金屬相關聯 的特征進行篩分。
[0018] 提供用于霧化的鐵基合金的批次10具有高的碳含量。在一個實施例中，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，碳的量優選為足W在霧化過程中形成基于粉末金屬組合物18的總體積的超過15 體積％的金屬碳化物。
[0019] 在鐵基合金中添加過量的碳的另一個原因是防止鐵基合金在烙化和霧化步驟發 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Cr和/或V的含量 高時，碳的量還確保基質基本上是奧氏體和/或馬氏體中的一個，碳化物沉淀在該基質中。
[0020] "低"的氧含量是基于鐵基合金的總重量的不超過0. 5重量％。在一個實施例中， 氧含量不超過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生氧化， 因此，從而能夠自由地與碳結合形成碳化物。
[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是形成非常堅硬的碳化物（具有高的碳 化物密度）的一個很好的選擇，但是目前相對銘來說非常昂貴。為了開發低成本的工具級 質量的鋼，其具有與更昂貴的傳統