[发明专利]一种用于制造烧结硬化钢零件的中间合金以及该烧结硬化零件的制造工艺

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35USC§119(e)要求2010年2月15日提交的第61/304,600号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及一种用于通过烧结硬化技术制造硬化钢零件的中间合金，以及用于制造包含该中间合金的烧结硬化钢零件的工艺。

背景技术

硬化合金元素被广泛应用于粉末冶金中制造高性能钢零件。这种硬化合金元素包括：镍，钼和铜。这种合金元素的缺陷之一就是较高以及频繁波动的成本。

在传统的熟钢冶金中，附加的硬化合金元素包括：锰，铬和硅。锰是一种特别有效的硬化合金。这些附加的合金元素较便宜并且它们的成本更加稳定。这些较便宜的元素的主要缺点是它们易于氧化，因此直到目前，限制了它们在粉末冶金中的应用。

许多方法均可将合金元素引入粉末冶金组合物中。其中的一种方法涉及在雾化之前将合金元素加入到液体钢中（预合金pre-alloying）。另一种方法就是将合金元素作为一种添加剂加入到粉末混合物中（混合admixed）。一方面，预合金粉末展示出了一种相对较低的压缩率但是能够产生更均一的微观结构/特性。另一方面，混合合金元素较少地阻碍其压缩率但是要求更高的烧结温度从而确保雾化扩散，进而保证均一的微观结构/特性。

GB 1,504,547（申请人：Zaft等人，受让人：company Sintermetallwerk Krebsoge GmbH）公开了一种烧结合金钢，通过将一种粉末混合物与钢粉末和复合碳化物硬化铁合金一起进行冲压和烧结而制造，含有以下元素：25%的Cr，25%的Mo，25%的Mn，作为复合碳化物的10%的C，其余由Fe补足。这种唯一地含有的由Zaft等人公开的碳化物铁合金（carbide ferro-alloy）非常坚硬，从而可能在钢零件的制造中引起使用的设备和工具的磨损（“一种制造合金钢烧结零件的工艺以及工艺中所使用的烧结粉末（Process for making alloyed steel sintered parts and sinter powder for use in the process），G.Zapf等人，专利GB 1,504,547,1974）。Zaft等人公开的这种中间合金引起制造设备过量磨损的结论在“高性能应用的新的Cr-Mn-烧结钢（New alloyed sintered steel for high-performance applications,Paul Beiss）”(Advances in Powder Metallurgy&Particulate Materials,Part 7,Page 24,2005)中进行了解释。

因此，对于硬化合金钢零件的制造需要一种更软或硬度较小的中间合金，减少了昂贵的硬化合金元素的使用，并且降低了在这些零件制造中的工具磨损，从而节省了材料以及制造成本，从而使得该工艺可行。这种中间合金还应该避免亲氧性元素例如锰和铬在制造过程中发生氧化。

发明内容

本发明公开的中间合金以及工艺允许使用较便宜的并且具有较高亲氧性的硬化合金元素。特别是，在含碳相的固溶体中，例如奥氏体以及含碳的其他化合物中，锰和铬被防止发生氧化。固溶体中碳的存在避免了这些合金元素在中间合金的制造以及随后的加工步骤（包括烧结硬化）发生氧化。

根据本发明的一方面，提供了一种包括一种组合物的中间合金，该组合物含有：大约占所述中间合金1-5wt%的C，大约占所述中间合金3-15wt%的Mn；大约占所述中间合金3-15wt%的Cr，其余由铁和不可避免的杂质补足；其中，该中间合金包括由所述合金元素和碳的固溶体组成的微观结构，该微观结构包括至少10V%的奥氏体，其余为铁化合物。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于制造烧结硬化钢零件的工艺，包括：制备一种包括一种组合物的中间合金的粉末，该组合物含有：大约占所述中间合金1-7wt%的C，大约占所述中间合金3-20wt%的Mn；大约占所述中间合金3-20wt%的Cr，其余由铁和不可避免的杂质补足；其中，该中间合金包括由所述合金元素和碳的固溶体组成的微观结构，该微观结构包括至少10V%的奥氏体，其余为铁化合物；将该中间合金粉末与钢粉末混合以制造一种混合物，其中该中间合金占该混合物的质量分数为5-35wt%；将该混合物压缩使该零件成形；烧结该混合物以制造该钢零件；并且在烧结之后控制冷却以形成烧结硬化。