[发明专利]预合金化铁基粉末、含有预合金化铁基粉末的铁基粉末混合物和由该铁基粉末混合物制造压制和烧结部件的方法

说明书

发明领域

本发明涉及预合金化铁基粉末。本发明特别涉及包括少量合金元素的预合金化铁基粉末，以成本有效地制造烧结零件，特别是齿轮。

背景

在工业中，通过压实和烧结金属粉末组合物制成的金属产品的应用变得越来越广泛。生产具有各种形状和厚度的许多不同产品。质量要求不断提高，同时希望降低成本。使用单轴压制的粉末冶金(PM)技术能够成本有效地制造部件，尤其是在长序列中制造复杂部件时，因为不需要昂贵的机械加工就可制造净形状(net shape)或近净形状部件。但是，使用单轴压制的PM技术的一个缺点在于，烧结零件表现出一定孔隙度，这可能不利地影响该零件的机械性质。PM工业内的发展因此涉及基本沿两个不同的发展方向克服孔隙度的负面影响。

一个方向是通过将粉末压实至较高生坯密度(GD)、促进烧结至高烧结密度(SD)和/或在生坯体(green body)收缩至高SD的条件下进行烧结来降低孔隙量。也可以通过不同种类的表面致密化操作除去部件表面区域(在此孔隙度对机械性质最有害)的孔隙以消除孔隙度的负面影响。

另一发展路径集中于添加到铁基粉末中的合金元素。合金元素可作为混合粉末添加；完全预合金化到基础铁粉中；或通过所谓扩散结合法结合到基础铁粉的表面上。碳通常以石墨形式混入以避免粉末硬度的有害提高和可压缩性的降低(如果预合金化)。其它常用合金元素是铜、镍、钼和铬。但是，合金元素，尤其是镍、铜和钼的成本使得这些元素的添加不那么有吸引力。在废料再循环过程中铜也会累积，因此此类再循环材料不适用于不需要铜或需要最低限度铜的许多钢等级。由于低成本和优异的可硬化效应，铬更有吸引力。

US 4 266 974公开了仅含锰和铬作为有意加入的合金元素的在所要求保护的范围外的合金粉末的实例。这些实例含有2.92％的铬及0.24％的锰，4.79％的铬及0.21重量％的锰，或0.55％的铬及0.89重量％的锰。

JP59173201公开了含有铬、锰和钼的低合金钢粉的还原退火方法。一个实例显示具有1.14重量％的铬含量和1.44重量％的锰含量作为仅有的有意加入的合金元素的粉末。

在US 6 348 080中公开了铬、锰和钼基预合金化钢粉。

WO03/106079公开了具有比US 6 348 080中描述的钢粉低的合金元素含量的铬、锰和钼合金化钢粉。该粉末适合在高于大约0.4重量％的碳含量下形成贝氏体结构。

近年来，工业中对通过PM工艺制造用于汽车用途的部件，如齿轮和同步毂(synchronization hub)表现出提高的兴趣，因为此类部件在长序列(long series)中制造并通常具有适合这种制造法的尺寸和形状。但是，已经表明，难以获得对此类部件而言足够的强度和硬度以耐受此类部件经受的恶劣环境。为了克服这些问题，必须采用附加工艺步骤，如表面致密化，以获得足够的表面硬度和尺寸公差(dimensional tolerance)。也遇到与烧结部件的硬化相关的问题，因为在采用通过在常压下气体渗碳接着在油中淬火的传统表面硬化工艺时，该部件中的孔隙率使得难以控制表面硬化层深度。此外，PM齿轮的传统表面硬化造成含有氧化敏感的合金元素，例如铬的粉末材料氧化的问题。因此，需要用于制造针对高负荷状况(stressful conditions)的PM部件的改进的材料和方法。

发明概述

能够更好控制PM零件的表面硬化层深度以及将Cr合金材料的氧化问题减至最低的一种备选的表面硬化法是低压渗碳(LPC)和随后高压气淬(HPGQ)。结合高温真空烧结与通过LPC-HPGQ法热处理的炉技术提供成本有效地制造优质PM部件，如齿轮和同步毂的优异可能性。这种技术也非常适用于加工成本有效的铬合金粉末钢材料。用于例如齿轮和同步毂的此类粉末材料的关键特征是高可压缩性(能够压实至高部件密度)、高纯度(以避免夹杂物对机械性质的有害作用)和对LPC-HPGQ法优化的可硬化性(以在气淬(gas quenching)后在齿轮中提供所需微结构)。本发明包括旨在具有所有上述关键特征的新型低成本低(lean)预合金化铁基粉末。因此，尽管该合金粉末中的合金元素含量低并且与传统油淬火相比HPGQ的冷却速率相对较低，但该材料的可硬化性足以提供通过该新型方法制成的PM部件，如齿轮和同步毂的优异性质。术语低压渗碳在本文中也意在包括低压碳氮共渗(carbonitriding)。

详述