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CN1950161A - 粉末冶金组合物及其制备方法 - Google Patents

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CN1950161A CNA2005800105483A CN200580010548A CN1950161A CN 1950161 A CN1950161 A CN 1950161A CN A2005800105483 A CNA2005800105483 A CN A2005800105483A CN 200580010548 A CN200580010548 A CN 200580010548A CN 1950161 A CN1950161 A CN 1950161A
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Abstract

本发明的冶金粉末组合物包括铁基粉末，其与作为提高机械性质的粉末的母合金粉末结合。已经发现添加母合金粉末可提高从冶金粉末组合物制备的最终烧结压制零件的机械性质，尤其是在低烧结温度下。冶金粉末组合物包括至少约80重量％的铁基冶金粉末和约0.10～约20重量％的母合金粉末。以母合金粉末的重量计，母合金粉末包括铁、约1.0～约40重量％的铬和约1.0～约35重量％的硅。

Description

粉末冶金组合物及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属基冶金粉末组合物，更具体地，涉及包括用于提高压制零件的机械性质的母合金粉末的粉末组合物。
背景技术
铁基颗粒长时间以来被用作由粉末冶金方法制造结构组件的基础材料。首先在高压下、在模具中模制铁基颗粒以产生期望的形状。在模制步骤之后，压制的或“生的(green)”组件通常进行烧结步骤以赋予组件必要的强度。
可通过添加某些冶金添加剂，如合金元素，大量提高压制和烧结的组件的机械性质。例如通常由机械混合元素或氧化物形式的粉末合金添加剂来制备合金钢。虽然由于简单带来的方便性，但是这种技术的缺点是导致合金组合物具有不均匀结构，这种不均匀结构由每种元素的热力学和扩散特征决定。此外，在制备均相混合物时具有一些传统的难题，所述均相混合物中合金材料的颗粒是均匀分布的，在运输和处理时将不会分离(segregate)。
与利用通常使用的冶金添加剂相关的成本是另一缺点，因为其可不幸地增加至粉末组合物的所有成本的显著部分。因此，粉末冶金工业中一直以来的兴趣是，试图开发更少成本的冶金添加剂以减少和/或全部代替通常使用的合金元素，例如铜或镍。
使用冶金合金添加剂的另一缺点是他们也可赋予冶金组合物不期望的属性。例如，由于控制零件的使用或丢弃的环境和/或回收规定，粉末冶金零件的制造通常期望限制在压制的冶金零件中使用的铜和/或镍的量。而且，当在高温下烧结时，添加基于镍的冶金添加剂通常导致不期望的压制零件的收缩。粉末冶金工业寻求最小的收缩，以保证烧结的零件大小尽可能地与压制模具的大小接近。
因此，在粉末冶金工业中，目前和一直以来都存在这种需要：开发用于减少冶金粉末组合物中各种普通的冶金添加剂的量或替代其使用的替代品。
发明内容
本发明的冶金粉末组合物包括铁基粉末和由多种合金元素组成的母合金粉末。使用母合金粉末代替元素添加剂粉末，提供了具有更加均匀的结构的压制零件。因此，已经发现，添加母合金粉末能提高从冶金粉末组合物制备的压制零件的机械性质。
在一个实施方案中，冶金粉末组合物包括至少约80重量％的铁基冶金粉末和约0.10～20重量％的母合金粉末。母合金粉末包括铁、约0.10～40重量的铬和约0.10～约30重量％的硅。
本发明也提供制备冶金粉末组合物的方法，和由这种组合物形成压制的和烧结的金属零件的方法，以及用这种方法制备的产品。制备烧结零件的方法包括压制上述的冶金粉末，烧结压制的组合物。已经发现，可在低烧结温度下(例如低于2300°华氏度下)获得最终压制的组件的性质。但是，已经发现，如果“生的”压制零件在高于约2000°华氏度的温度下烧结，最终压制组件的性质将被显著提高。
附图说明
图1是铁-铬-硅母合金粉末在2050°华氏度的三元相图。
图2是铁-铬-硅母合金粉末在2147°华氏度的三元相图。
图3是冶金粉末组合物和参考组合物在2050和2300°华氏度烧结之后的横断裂强度性质的柱状图。
图4是冶金粉末组合物和参考组合物在2050和2300°华氏度烧结之后的最终拉伸强度性质的柱状图。
图5是在2050°华氏度烧结之后的冶金粉末组合物横断裂强度性质作为母合金粉末颗粒尺寸的函数的数据点的X-Y图。
图6是在2300°华氏度烧结之后冶金粉末组合物的横断裂强度性质作为母合金粉末颗粒尺寸的函数的数据点的X-Y图。
图7是用包括铁、24％铬和20％硅的45μm母合金粉末制备的烧结冶金粉末组合物的放大视图。
图8是用包括铁、24％铬和20％硅的11μm母合金粉末制备的烧结冶金粉末组合物的放大视图。
图9是在2300°华氏度烧结之后冶金粉末组合物的大小变化特点作为压制压力的函数的数据点的X-Y图。
图10是在2300°华氏度烧结之后冶金粉末组合物的最终拉伸强度性质作为最终烧结密度的函数的数据点的X-Y图。
具体实施方式
本发明涉及由铁基粉末和由多种合金元素组成的母合金粉末组成的冶金粉末组合物，制备这些组合物的方法，和使用这些组合物来制造压制零件的方法。本发明也涉及由下述方法制备的压制零件。使用母合金粉末代替元素添加剂粉末，提供了具有更加均匀的结构的压制零件。因此，已发现，添加母合金粉末提高了由冶金粉末组合物制备的压制的零件的机械性质。
冶金粉末组合物包括：铁基粉末，其作为主要组分；和由多种合金元素组成的母合金粉末，其作为用于提高机械性质的合金粉末。此处所用的“母合金粉末”是指高浓度合金材料的预合金粉末，其将与铁基粉末结合以增加铁基粉末的合金含量，并产生具有期望的总合金含量的冶金粉末组合物。本发明的冶金粉末组合物也任选地包括其他已知添加剂，如粘合剂和润滑剂。
铁基粉末，如它在此处所用的术语一样，是基本上纯的铁粉，与增加最终产品的强度、硬度、电磁性质或其它期望的性质的其它元素(例如生产钢的元素)一起预合金的铁粉末，和这些其它元素已经被扩散键合到其上的铁粉末。
用于本发明的基本纯的铁粉是这样的铁粉，其具有不大于约1.0重量％，优选不大于约0.5重量％的正常杂质。这种高度可压缩的冶金级别的铁粉末的例子是可从Hoeganeaes Corporation，Riverton，NewJersey获得的ANCORSTEEL 1000系列纯铁粉，例如1000，1000B和1000C。例如，ANCORSTEEL 1000铁粉，具有以下典型的筛形分布(screen profile)，约22重量％的低于No.325筛子(U.S.系列)的颗粒、约10重量％的大于No.100筛子的颗粒，其余在这两个粒度之间(痕量大于No.60筛子)。ANCORSTEEL 1000粉末具有约2.85～3.00g/cm3的表观密度，典型地为2.94g/cm3。本发明中使用的其它铁粉是典型的海绵铁粉，如Hoeganaes的ANCOR MH-100粉末。
铁基粉末可任选地结合能提高最终金属零件的机械或其它性质的一种或多种合金元素。这种铁基粉末是与一种或多种这样的元素预合金的铁粉末，优选基本上是纯铁。预合金的粉末这样来制备，通过使铁和期望的合金元素熔化，然后雾化熔融物，由此雾化的液滴通过固化形成粉末。铁基粉末是通过本领域技术人员通常所知的常规的水雾化或气雾化技术雾化的。
与铁粉末混合的或预合金的合金元素的例子包括(但不限于)，钼、锰、镁、铬、硅、铜、镍、钒、钶(铌)、碳、磷、铝，及其组合。所含合金元素的量取决于期望的最终组合物的性质。含有这样的合金元素的预合金的铁基粉末可从Hoeganaes Corp.，以其ANCORSTEEL粉末系列的一部分获得。
铁基粉末包括小于20重量％的合金元素。优选地，基于铁基粉末的重量，铁基粉末包括小于15重量％，更优选地包括小于10重量％的合金元素。
在本发明的实践中有用的其它铁基粉末是铁磁性粉末。例如，包括与少量磷预合金的铁粉的铁磁性粉末。
铁基粉末的另一个例子是扩散键合的铁基粉末，其是具有扩散进它们的外表面的一种或多种其它金属的层或涂层的基本上纯的铁粉末，所述其它金属如生产钢的元素。这类可商业获得的粉末包括从Hoeganaes Corporation获得的DISTALOY 4600A扩散键合粉末，其含约1.8％的镍、约0.55％的钼和约1.6％的铜，和从Hoeganaes Corporation获得的DISTALOY 4800A扩散键合粉末，其含约4.05％的镍、约0.55％的钼和约1.6％的铜。
通过激光散射技术测定，铁颗粒具有小至1微米或更小，或者最高约850～1,000微米的重均(weight average)粒度，但是通常颗粒将具有在10～500微米的范围内的重均粒度。优选的粒度是铁或预合金的铁颗粒具有高达约350微米的最大重均粒度；更优选的是颗粒具有在约25～150微米范围的重均粒度，最优选为80～150微米。
铁基粉末组成冶金粉末组合物的主要部分，通常组成至少约80重量％，优选至少约85重量％，更优选至少约90重量％。母合金粉末组成冶金粉末组合物的较小部分，通常组成不大于冶金粉末组合物的20重量％。优选地，母合金粉末以约0.5～10重量％在冶金组合物中存在。
母合金粉末是预合金的粉末，其包括铁和多种合金元素。包括在母合金粉末中的合金元素的例子包括(但不限于)钼、锰、铬、硅、铜、镍、钒、钶(铌)、碳、磷，及其组合。所含合金元素的量取决于期望的最终组合物的性质。优选地，母合金粉末由铁、硅、铬和锰组成。更优选的母合金粉末由铁、硅和铬组成。
使用传统技术通过熔融混合铁基粉末和多种合金元素来制备母合金粉末。然后使用传统技术雾化、粉碎或研磨熔融混合物以获得母合金粉末颗粒。然后用传统分离技术分离具有优选粒度的粉末。
向铁基粉末中加入母合金粉末克服了与掺合各个元素的合金粉末相关的缺点，例如以“岛”的形式形成的合金元素的聚集。母合金粉末中的给定合金材料的浓度低于元素合金粉末中的浓度。所以，获得合金元素的特定含量所需的母合金粉末颗粒的数量，与添加元素合金添加剂相比更高。使用更多的合金添加剂，即母合金粉末，能够比添加元素合金添加剂更好地散布合金元素到整个压制品，即使是在烧结前，因此可更均匀地散布合金元素到压制零件中。与各元素合金粉末相比，使用母合金粉末的结果是在烧结后得到更加均匀的结构。
关于包含铁和过渡金属(例如铬、锰、钒、或钶)的合金添加剂的方法，在美国专利5,217,683中公开，其全部内容在此处结合作为参考。美国专利6,364,927公开了关于碳化硅合金添加剂的方法，其全部内容在此处结合作为参考。
虽然铬、锰和硅在强化用粉末冶金技术制造的组件方面是有效的，但在制造期间这些材料的元素粉末具有对氧的高亲和力并易于氧化。例如，除非严格控制雾化时的条件，否则在用水雾化时可形成氧化铬、氧化锰和氧化硅。由铁基粉末和母合金粉末组成的粉末组合物与由相同的合金材料组成的全部预合金的粉末相比，显示出更低的氧含量。不受理论限制，相信母合金粉末在每个粉末颗粒的表面形成薄的、富硅的氧化物屏障，其可防止在雾化和随后的加工中进一步氧化。在一个实施方案中，母合金粉末包括多种已与低氧含量的铁基粉末熔融混合的合金元素，以减少母合金粉末的氧含量。低氧含量的铁基粉末包括本领域技术人员已知的那些铁基粉末。
母合金粉末有利地具有比包括于母合金的每个合金元素的各自熔融点更低的熔融点。不受理论限制，相信母合金的低熔融点相比于元素或二元合金系，能使得合金元素在加热时在整个压制零件中更高效和更有效地分散，例如扩散。所以，即使当在更低的温度烧结更短的时间，含有母合金粉末的冶金粉末组合物也能获得与由各元素合金添加剂组成的冶金粉末组合物类似的机械性质。在烧结的过程中，母合金粉末可为固体、液体或液体和固体的混合物。
图1是在2050°华氏度下铁-铬-硅母合金粉末的三元相图。图2是在2147°华氏度下铁-铬-硅母合金粉末的三元相图。参考图1和2，铁-铬-硅母合金粉末的三元图中有阴影线的区域表示母合金粉末优选的组成。如图1和2所示，随着温度增加液相区域的尺寸增加，由此提供了更广的液体烧结温度范围。
相比而言，三种可能的二元系，即Fe-Cr、Fe-Si和Si-Cr，显示出基本上更高的熔点(分别为1200℃、1513℃和1335℃)。当与这些二元系相比时，铁-铬-硅母合金粉末更快地扩散到整个压制零件的孔隙中，不需要昂贵的高温烧结炉。
基于冶金粉末组合物的总重量，母合金粉末通常包括约0.10～约35重量％，更通常地，约1.0～约35重量％的硅。优选母合金粉末包括约10～约35重量％的硅。甚至更优选母合金粉末包括约15～约25重量％的硅。还更优选，母合金粉末包括约15～约22重量％的硅。
基于冶金粉末组合物的总重量，母合金粉末通常还包括约0.10～约40重量％，更通常约1.0～约40重量％的铬。优选母合金粉末包括约10～约35重量％的铬。甚至更优选母合金粉末包括约15～约35重量％的铬。
在一个实施方案中，母合金粉末包括铁、约18重量％的硅和约29重量％的铬。在另一实施方案中，母合金粉末包括铁、约20重量％的硅和约24重量％的铬。
在另一实施方案中，母合金粉末包括最高达35重量％的锰。优选地，母合金粉末包括约1.0～约35重量％的锰。更优选地，母合金粉末包括约10～约30重量％的锰。还更优选地，母合金粉末包括约15～约25重量％的锰。
在一个实施方案中，基于冶金粉末组合物的总重量，母合金粉末包括铁和约1.0～约35重量％的硅、约1.0～约40重量％的铬和约1.0～约35重量％的锰。优选地，母合金粉末包括铁和约14重量％的硅，约20重量％的铬和约20重量％的锰。
在另一实施方案中，母合金粉末包括最高达5重量％的碳。优选地，母合金粉末包括约0.10～约5重量％的碳。更优选地，母合金粉末包括约0.1～约1.0重量％的碳。
在另一实施方案中，母合金粉末包括最高达25重量％的镍。优选地，母合金粉末包括约1.0～约20重量％的镍。更优选地，母合金粉末包括约5～约15重量％的镍。
母合金粉末是颗粒形式，其尺寸通常比与它们混合的铁基粉末的颗粒更细。母合金粉末通常的重均粒度小于约100微米，优选小于约75微米，更优选小于约33微米，最优选小于约11微米。
冶金粉末组合物也可包含润滑剂粉末，以减少当压制零件从压制模腔中取出时的排出力。这种润滑剂的例子包括：硬脂酸盐化合物，如锂、锌、锰和钙的硬脂酸盐；蜡，如乙烯双硬脂酰胺、聚乙烯蜡，和聚烯烃；以及这些类型润滑剂的混合物。除了授权给Johnson等的美国专利5,330,792中公开的那些以外，其它润滑剂包括：包含如授权给Luk的美国专利5,498,276中所述的聚醚化合物的那些，和授权给Luk的美国专利5,368,630中所述的在更高压制温度下有用的那些，所有这些全文引入作为参考。使用本领域技术人员已知的技术将润滑剂加入冶金粉末组合物中。
润滑剂通常的添加量最高达冶金粉末组合物的约2.0重量％，优选约0.1～约1.5重量％，更优选约0.1～约1.0重量％，最优选约0.2～约0.75重量％。
冶金粉末组合物也可包括一种或多种粘合剂，尤其是使用两种或多种合金粉末时，以粘合冶金粉末组合物中存在的不同组分，从而抑制分离和减少起尘。此处所用的“粘合”是指任何便于冶金粉末组合物的组分粘附的物理或化学方法。使用本领域技术人员已知的技术将粘合剂加入冶金粉末组合物中。
在优选实施方案中，通过使用至少一种粘合剂进行粘合。可用于本发明的粘合剂是通常用于粉末冶金工艺的那些。例如，这些粘合剂包括授权给Semel的美国专利4,834,800、授权给Engstrom的美国专利4,483,905、授权给Semel等的美国专利5,298,055和授权给Luk的美国专利5,368,630中的那些，其每个的公开内容由此全文引入作为参考。
这种粘合剂例如包括：聚二醇，如聚乙二醇或聚丙二醇；甘油；聚乙烯醇；乙酸乙烯酯的均聚物或共聚物；纤维素酯或醚树脂；甲基丙烯酸酯聚合物或共聚物；醇酸树脂；聚氨酯树脂；聚酯树脂；或其组合。有用的粘合剂的其它例子是授权给Semel等的美国专利5,298,055中所述的相对高分子量的聚氧化烷撑基组合物。有用的粘合剂也包括二元有机酸如壬二酸，和一种或多种极性组分如聚醚(液体或固体)，和授权给Luk的美国专利5,290,336中所公开的丙烯酸树脂，该专利在此全文引入作为参考。授权给Luk的’336专利中的粘合剂也可有利地用作粘合剂和润滑剂的组合。另外的有用的粘合剂包括授权给Luk的美国专利5,368,630中所述的纤维素酯树脂、羟基烷基纤维素树脂和热塑性酚树脂。
粘合剂还可以是低熔点、固体聚合物或蜡，如具有低于200℃(390)软化温度的聚合物或蜡，例如聚酯、聚乙烯、环氧树脂类、氨基甲酸酯、石蜡、乙烯双硬脂酸酰胺和棉花籽蜡，和具有低于3000的重均分子量的聚烯烃，和为C14-24烷基部分三甘油酯及其衍生物的氢化植物油，包括氢化的衍生物，例如1999年4月29日公开的WO99/20689中所述的棉花籽油、大豆油、西蒙得木油及其混合物，其在此全文引入作为参考。可用该申请中所述的干粘合技术并以上面对于粘合剂所述的通常用量来应用这些粘合剂。可在本发明中使用的另外的粘合剂是美国专利5,069,714(其在此全文引入作为参考)中所述的聚乙烯吡咯烷酮，或妥尔油酯。
冶金粉末组合物中存在的粘合剂的量根据如下这些因素确定，如密度、粒度分布和冶金粉末组合物中铁基粉末和母合金粉末的量。通常，加入的粘合剂的量为，基于冶金粉末组合物的总重量，至少约0.005重量％，优选约0.005～约2重量％，最优选约0.05～约1重量％。
本发明的冶金粉末组合物的组分可根据常规粉末冶金技术制备。通常，用常规粉末冶金技术把铁基粉末、母合金粉末、和(任选的)固体润滑剂和/或粘合剂(连同任何其他添加剂，如合金添加剂)混合在一起，所述常规粉末冶金技术例如使用双锥混合器。然后混合的粉末组合物可备用。
使用常规技术将冶金粉末组合物形成压制零件。可在从室温至375℃的温度范围进行压制。在任何压制技术中，润滑剂，通常用量为最高约1重量％，可被混合到粉末组合物中或直接施涂到模具或砂模壁上。使用润滑剂减少了与从模腔中取出压制组件相关的剥离和滑动压力。通常，冶金粉末组合物被倒入模腔中，并在如约5～约200吨每平方英寸(tsi)的压力下压制，更通常地为约10～约100tsi的压力。优选冶金粉末组合物在约30～约80tsi，更优选约40～约80tsi的压力下压制。然后从模腔中取出压制的零件。
可烧结压制的(“生的”)零件，以提高机械性质，如强度。在本领域技术人员已知的常规烧结温度烧结生的零件。例如美国专利5,969,276中描述了烧结技术，其全部内容在此引入作为参考。
优选地，生的零件在不低于约2000的温度下烧结，但是，通常压制的零件在不低于约2050的温度下烧结。例如，生的压制物在约2000～约2150的温度下烧结。已发现，如果在高于约2150，优选高于约2200，更优选高于约2250，甚至更优选高于约2300的温度下烧结，生的零件的机械性质提高。例如，生的压制物在约2000～约2400的温度下烧结。
压制的组件在烧结温度下保持足够的时间以获得冶金键合和合金化。通常，根据压制组件的尺寸和初始温度，加热需要约0.5小时～约3小时，更优选约0.5小时～约1小时。优选在惰性气氛(如氮气、氢气)或稀有气体(如氩气)下进行烧结。此外，优选在压制组件从模具中移除后进行烧结。
如以下实施例所示，优选在将引起包含在母合金粉末中的合金元素扩散到铁基粉末的铁基质中以致其与铁合金的温度下，烧结冶金粉末组合物。可使用另外的方法，如锻造或其它合适的制造技术或次级操作，来制造最终零件。例如任选地，压制的零件可被热处理。进一步提高机械性质的热处理包括本领域技术人员已知的那些，如回火。
在以下实施例中将详细描述本发明的一些实施方案。根据本发明的方法制备了冶金粉末组合物并形成压制组件。而且，为了对比，制备了其它铁粉末并形成核心组件。评价了形成的核心组件的机械性质。
实施例
并不意图加以限制的以下实施例描述了本发明的某些实施方案和优点。除非另外说明，任何百分比是基于重量的。
粉末混合物以及生的和烧结的压制物的物理性质通常根据以下American Society for Testing and Materials and the Metal PowderIndustries Federation测试方法来测定：
性质                                测试方法
生密度(g/cm3)                       ASTM B331-76
生强度(psi)                         ASTM B312-76
尺寸变化(％)                        ASTM B610-76
横断裂强度(ksi)                     MPIF Std.41
最终拉伸强度(ksi)                   MPIF Std.10
冲击能量(ft.lbf)                   MPIF Std.40
实施例1
评价包含母合金粉末的冶金粉末组合物，并与没有加入合金粉末的参考粉末以及由含铬粉末添加剂和单独的含硅粉末添加剂组成的参考粉末相比较。参考粉末I包括与0.75重量％的乙烯双硬脂酰胺蜡润滑剂(从Glycol Chemical Co.以Acrawax商业获得)和0.6重量％的碳(从Asbury Graphite Mills以3203石墨商业获得)混合的铁基粉末。该铁基粉末是与0.85重量％的钼(从Hoeganaes Corp.以Ancorsteel 85HP商业获得)预合金的铁粉末。
通过混合参考粉末I与重均粒度为9.3微米的铁-铬-碳合金添加剂粉末(从F.W.Winter Co.以高碳铁铬粉商业获得)和重均粒度为7.6微米的常规含硅添加剂粉末来制备参考粉末II。一旦与两种添加剂粉末混合，参考粉末II包括0.4重量％的铬、0.35重量％的硅。
通过混合参考粉末I和母合金粉末制备测试组合物I。以母合金的重量计，母合金粉末包括24.0重量％的铬、20.0重量％的硅和56重量％的铁，并具有11微米的重均粒度。添加了母合金粉末之后，测试组合物I包括0.4重量％的铬和0.35重量％的硅。
以45吨每平方英寸的压力压每种粉末组合物。制备测量为0.25英寸高、0.5英寸宽和1.25英寸长的条进行横断裂强度测试。制备另外的样品进行拉伸强度测试。然后在两种不同的商业烧结温度下，即2050和2300下，分别在90％氮和10％氢的气氛中烧结压制物。
表1示出了参考组合物和测试组合物I在2050烧结温度下的机械性质：
表1
  横断裂强度(psi)   最终拉伸强度(psi)
  参考粉末I   144,000   68,900
  参考粉末II   146,000   73,900
  测试组合物I   170,000   88,900
表2示出了参考组合物和测试组合物I在2300烧结温度下的机械性质：
表2
  横断裂强度(psi)   最终拉伸强度(psi)
  参考粉末I   154,000   76,400
  参考粉末II   196,000   90,300
  测试组合物I   204,000   99,800
图3是冶金粉末组合物和参考组合物在2050和2300下烧结后的横断裂强度性质的柱状图。图4是冶金粉末组合物和参考组合物在2050和2300下烧结后的最终拉伸强度性质的柱状图。参考图3和图4，在2050和2300下烧结后，测试组合物I相比于参考粉末I和II显示出更高的横断裂强度和更高的最终拉伸强度。在2300下烧结后，测试组合物I相比于在2050烧结的测试组合物I显示出更高的横断裂强度和更高的最终拉伸强度。
不受理论限制，相信由母合金粉末组成的冶金粉末组合物随着烧结温度和时间的增加，其强度也增加。更高的烧结温度和更长的烧结时间提供了提高的母合金粉末的扩散性，其提高了烧结的压制物的强度。
实施例2
用具有不同重均粒度的母合金粉末制备冶金粉末组合物、测试组合物I-V。通过混合参考粉末I和母合金粉末制备测试组合物I-V中的每种，基于母合金的总重量，该母合金粉末具有24.0重量％的铬、20.0重量％的硅和56重量％的铁。加入母合金粉末时，每种测试组合物包括0.4重量％的铬和0.35重量％的硅。
如实施例1所述，测试组合物I的母合金粉末具有11微米的重均粒度。测试组合物II的母合金粉末具有8微米的重均粒度。测试组合物III的母合金粉末具有18微米的重均粒度。测试组合物IV的母合金粉末具有26微米的重均粒度。测试组合物V的母合金粉末具有45微米的重均粒度。
如实施例1所述，将每种测试组合物压成条，并且在2050和2300下，在90％氮和10％氢组成的气氛中烧结。表3a示出了测试组合物I-V在2050的烧结温度下的机械性质：
表3a
  粒度(μm)   横断裂强度(psi)   屈服强度   ％伸长率  最终拉伸强度(psi)
 测试组合物I   11   170,000   67.9   1.63   67,900
 测试组合物II   8   168,000   -   -   -
 测试组合物III   18   159,000   -   -   -
 测试组合物IV   26   153,000   -   -   -
 测试组合物V   45   141,000   56.2   1.51   56,200
表3b示出了测试组合物I和V在2050的烧结温度下的机械性质：
表3b
 粒度(μm)   屈服强度   ％伸长率   最终拉伸强度(psi)
 测试组合物I   11   67.9   1.63   67,900
 测试组合物V   45   56.2   1.51   56,200
图5是在2050华氏度烧结之后冶金粉末组合物和参考组合物的横断裂强度性质作为母合金粉末粒度的函数的数据点的X-Y图。参考图5和表1、3a和3b，在2050烧结之后，测试组合物I-IV(即由粒度小于或等于26μm的母合金粉末组成的那些)显示出比参考粉末I和II更高的横断裂强度。最好的通过数据点的拟合线的统计分析表明，具有小于37μm粒度的母合金粉末比参考粉末和测试组合物V具有更好的机械性质。不受理论限制，相信具有更小粒度的母合金粉末在烧结的压制物中产生更好的合金元素分布，由此提高烧结零件的机械性质。
表4示出了测试组合物I-V在2250烧结温度下的横断裂强度性质：
表4
  横断裂强度(psi)
  测试组合物I   198,000
  测试组合物II   199,000
  测试组合物IV   189,000
  测试组合物V   180,000
表5示出了测试组合物I、III和V在2300的烧结温度下的机械性质：
表5
  粒度(μm)   横断裂强度(psi)   屈服强度   ％伸长率   最终拉伸强度(psi)
 测试组合物I   11   204,000   72.3   2.68   99,800
 测试组合物III   18   203,000   -   -   -
 测试组合物V   45   183,000   66.9   2.68   95,800
相比于包含更大粒度的母合金粉末的测试组合物，由更小粒度的母合金粉末组成的组合物显示出更高的横断裂强度、屈服强度和最终拉伸强度。
图6是在2300°华氏度烧结之后冶金粉末组合物的横断裂强度性质作为母合金粉末粒度的函数的数据点的X-Y图。参考图6和表5，在2300烧结之后，粒度小于或等于18μm的母合金粉末显示出比由更大粒度的母合金粉末组成的测试组合物和参考粉末I和II更好的机械性质。
图7是用包括铁、24％铬和20％硅的45μm母合金粉末制备的烧结冶金粉末组合物的放大视图。参考图7，冶金图分析表明，加入大粒度的母合金粉末产生由熔融和毛细管运动的扩散导致的大孔。
图8是用包括铁、24％铬和20％硅的11μm母合金粉末制备的烧结冶金粉末组合物的放大视图。参考图8，冶金图分析表明，加入小粒度的母合金粉末导致类似于烧结体的周围孔隙率(surrounding porosity)的孔隙率。不受理论限制，相信大粒度的母合金粉末比小粒度的母合金粉末在最终的烧结组件中提供更高的孔隙率。由此，由小粒度的母合金粉末组成的冶金粉末组合物相比于大粒度的母合金粉末，增加了烧结组件的断裂韧性和疲劳寿命。
实施例3
将由母合金粉末组成的冶金粉末组合物、测试组合物I与由昂贵的常规镍和铜合金粉末组成的参考粉末进行比较。以与实施例1的参考粉末相同的方法制备参考粉末III，除了另外加入2.0重量％的镍合金粉末(可从Inco Limited以“Inco 123”粉末商业获得)。
通过混合铁基粉末(从Hoeganaes Corp.以Ancorsteel 1000B商业获得)、2.0重量％的铜合金粉末(从Alcan Inc.以Alcan 8081商业获得)、0.9重量％的碳(从Asbury Graphite Mills以3203石墨商业获得)和0.75重量％的乙烯双硬脂酸酰胺蜡润滑剂(从Glycol Chemical Co.以Acrawax商业获得)来制备参考粉末IV，上述百分比均基于参考粉末IV的总重量。
表6示出了参考粉末III和IV与测试组合物I在2050烧结后的冶金性质：
表6
  测试组合物I   参考粉末III   参考粉末IV
  烧结密度(g/cc)   7.04   7.09   7.09
  横断裂强度(psi)   169,000   190,000   175,000
  硬度(HRA)   53.0   53.8   54.0
  屈服强度(psi)   67,900   66,400   73,100
  最终拉伸强度(psi)   88,900   92,700   94,100
  伸长率(％)   1.6   1.9   1.0
  冲击能量(ft.lbf)   8.0   12.0   7.0
表7示出了参考粉末III和测试组合物I在2300烧结后的冶金性质：
表7
  测试组合物I   参考粉末III
 烧结密度(g/cc)   7.06   7.13
 横断裂强度(psi)   204,000   206,000
 硬度(HRA)   53.4   53.5
 屈服强度(psi)   72,300   70,000
 最终拉伸强度(psi)   99,800   99,000
 伸长率(％)   2.7   2.1
 冲击能量(ft.lbf)   12.7   20.0
如表6和7所示，母合金粉末可用来获得与昂贵的镍和铜合金粉末相比类似的机械性质。例如，当在2300烧结时，测试组合物I显示出相对于参考粉末III类似的或更好的横断裂强度、硬度和最终拉伸强度。
实施例4
将包含母合金粉末的冶金粉末组合物与不加入合金粉末的参考粉末和由含硅粉末组成的参考粉末进行比较。通过混合铁基粉末(从Hoeganaes Corp.以Ancorloy MDA商业获得)与乙烯双硬脂酸酰胺蜡润滑剂(从Glycol Chemical Co.以Acrawax商业获得)和常规粘合剂，制备参考粉末V。铁基粉末由基本上纯的铁粉末、石墨粉末和硅粉末组成。制备后，参考粉末V包含0.9重量％的石墨、0.7重量％的硅和0.75重量％的润滑剂与粘合剂。
通过混合基本上纯的铁基粉末(从Hoeganaes Corp.以Ancorsteel1000B商业获得)与0.9重量％的石墨添加剂和母合金，制备测试组合物VI。基于母合金的重量，母合金粉末包括24.0重量％的铬、20.0重量％的硅和56重量％的铁，并具有11微米的重均粒度。加入母合金粉末之后，测试组合物VI包括0.85重量％的铬和0.7重量％的硅。
用50吨每平方英寸的压力压制每种粉末组合物。制备测量为0.25英寸高、0.5英寸宽和1.25英寸长的条进行横断裂强度测试。制备另外的压制物进行拉伸强度测试。然后在两种不同的商业烧结温度下，即分别为2050和2300，在90％氮和10％氢的气氛中烧结压制物。然后压制物在400下回火1小时。
表8示出了参考粉末V和测试组合物VI在2050下烧结后的冶金性质：
表8
  测试组合物VI   参考粉末V
 烧结密度(g/cc)   6.95   6.99
 自模具尺寸的尺寸变化(％)   0.39   0.24
 横断裂强度(psi)   145,000   115,000
 硬度(HRA)   49   43
 屈服强度(ksi)   55,000   50,000
 最终拉伸强度(psi)   70,000   60,000
 伸长率(％)   1.7   1.6
 冲击能量(ft.lbf)   6   7
表9示出了参考粉末V和测试组合物VI在2300下烧结后的冶金性质：
表9
  测试组合物VI   参考粉末V
 烧结密度(g/cc)   7.01   7.05
 自模具尺寸的尺寸变化(％)   0.19   -0.03
 横断裂强度(psi)   215,000   165,000
 硬度(HRA)   54   46
 屈服强度(ksi)   75,000   60,000
 最终拉伸强度(psi)   110,000   95,000
 伸长率(％)   3.8   3.8
 冲击能量(ft.lbf)   13   16
如表8和9所示，测试组合物VI显示出更好的机械性质，例如在2050和2300下烧结时相对于参考粉末V更高的横断裂强度、硬度和最终拉伸强度。
实施例5
将包括母合金粉末的冶金粉末组合物与包含镍粉末添加剂的参考粉末相比较。通过混合铁基粉末(从Hoeganaes Corp.以Ancorloy MDB商业获得)与乙烯双硬脂酸酰胺蜡润滑剂(从Glycol Chemical Co.以Acrawax商业获得)制备参考粉末VI。铁基粉末包括与0.85重量％的钼预合金的铁、含硅粉末添加剂、镍粉末添加剂和石墨。制备后，参考粉末VI包含0.7重量％的硅、2.0重量％的镍、0.6重量％的碳和0.75重量％的润滑剂与粘合剂。参考粉末VII与参考粉末VI相同，除了它包含4.4重量％的镍，并可从Hoeganaes Corp.以Ancorloy MDC商业获得。
通过混合实施例1的铁基粉末、母合金粉末和1.0重量％的镍粉末添加剂来制备测试组合物VIII。基于母合金的重量，母合金粉末包括24.0重量％的铬、20.0重量％的硅和56重量％的铁，并具有11微米的重均粒度。加入母合金粉末之后，测试组合物VIII包括0.85重量％的铬和0.7重量％的硅。测试组合物IX与测试组合物VIII相同，除了它包含3.0重量％的镍。
用50吨每平方英寸的压力压制每种粉末组合物。制备测量为0.25英寸高、0.5英寸宽和1.25英寸长的条进行横断裂强度测试。制备另外的压制物进行进一步的机械性质测试。然后在两种不同的商业烧结温度下，即分别为2050和2300，在90％氮和10％氢的气氛中烧结压制物。然后这些条在400下回火1小时。
表10示出了参考粉末VI和VII与测试组合物VIII和IX在2050下烧结后的冶金性质：
表10
  测试组合物VIII   参考粉末VI   测试组合物IX  参考粉末VII
 镍含量(重量％)   1.0   2.0   3.0   4.4
 烧结密度(g/cc)   7.1   7.14   7.12   7.18
 自模具尺寸的尺寸变化(％)   0.19   0.08   0.09   -0.02
 横断裂强度(psi)   230,000   215,000   240,000   230,000
 硬度(HRA)   62   60   65   64
 屈服强度(psi)   95,000   90,000   95,000   92,000
 最终拉伸强度(psi)   115,000   110,000   130,000   130,000
 伸长率(％)   1.2   1.0   1.5   1.9
 冲击能量(ft.lbf)   8   9   9   9
表11示出了参考粉末VI和VII与测试组合物VIII和IX在2300下烧结后的冶金性质：
表11
  测试组合物VIII   参考粉末VI   测试组合物IX  参考粉末VII
 镍含量(重量％)   1.0   2.0   3.0   4.4
 烧结密度(g/cc)   7.13   7.16   7.16   7.26
 自模具尺寸的尺寸变化(％)   0.10   -0.23   0.0   -0.32
 横断裂强度(psi)   325,000   270,000   375,000   350,000
 硬度(HRA)   64   62   69   68
 屈服强度(psi)   110,000   90,000   125,000   125,000
 最终拉伸强度(psi)   160,000   130,000   190,000   185,000
 伸长率(％)   2.2   2.5   2.5   2.7
 冲击能量(ft.lbf)   19   19   23   23
如表10和11所示，母合金粉末的加入使得冶金粉末组合物的镍含量减少，而且不有害地影响其机械性质。测试组合物VII和IX显示出提高的机械性质，例如在相对于参考粉末VI和VII更高的横断裂强度、硬度和最终拉伸强度。而且，2300下烧结后，测试组合物IX显示出0.0％的从模具尺寸到最终烧结尺寸的尺寸变化。
实施例6
在各种不同的压制压力下压制测试组合物IX和参考粉末VII与VIII并进行比较。通过混合铁基粉末、镍粉末添加剂、石墨和乙烯双硬脂酸酰胺蜡润滑剂来制备参考粉末VIII。参考粉末VIII可从Hoeganaes Corp.以FLN4-4405商业获得。铁基粉末包括与0.85重量％的钼预合金的铁。制备后，参考粉末VIII包含4.0重量％的镍、0.6重量％的碳和0.75重量％的润滑剂与粘合剂。
用30、40、50和55吨每平方英寸的压力压制每种粉末组合物。然后在两种不同的商业烧结温度下，即分别为2050和2300，在90％氮和10％氢的气氛中烧结压制物。然后该条在400下回火1小时。
表12示出了参考粉末VII和VIII与测试组合物IX在2300下烧结后的尺寸变化特性和最终拉伸强度性质：
表12
  压缩压力(tsi)   烧结密度(g/cc)   最终拉伸强度(psi)   尺寸变化(％)
  测试组合物IX   30   6.94   151,800   -0.13
  40   7.15   178,000   -0.05
  50   7.28   182,900   0.00
  55   7.30   191,200   0.03
  参考粉末VII   30   7.02   145,200   -0.54
  40   7.22   163,600   -0.39
  50   7.34   181,000   -0.28
  55   7.38   180,300   -0.25
  参考粉末VIII   30   7.06   123,200   -0.58
  40   7.29   143,900   -0.44
  50   7.42   154,400   -0.37
  55   7.46   157,200   -0.32
图9是在2300°华氏度烧结之后冶金粉末组合物的尺寸变化特性作为压制压力的函数的数据点的X-Y图。
图10是在2300°华氏度烧结之后冶金粉末组合物的最终拉伸强度性质作为最终烧结密度的函数的数据点的X-Y图。参考图9和10，显示出，在30～55吨每平方英寸下压制时，测试组合物IX自模具尺寸的尺寸变化相比于参考粉末VII和VIII更低。在类似的密度下，测试组合物IX相比于参考粉末VII和VIII显示出更大的最终拉伸强度。
这样，已经描述了冶金粉末组合物和制造它的特定优选的实施方案。尽管公开和描述了优选的实施方案，但本领域技术人员会认识到，可以在不偏离本发明的精神和范围下进行各种变化和改进。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
29.如权利要求5的粉末冶金组合物，其中母合金粉末的重均粒度小于或等于约37μm。
30.如权利要求5的粉末冶金组合物，其中母合金粉末的重均粒度小于或等于约11μm。
31.如权利要求13的粉末冶金组合物，其中母合金粉末的重均粒度小于或等于约37μm。
32.如权利要求13的粉末冶金组合物，其中母合金粉末的重均粒度小于或等于约11μm。
33.如权利要求21的粉末冶金组合物，其中母合金粉末的重均粒度小于或等于约37μm。
34.如权利要求21的粉末冶金组合物，其中母合金粉末的重均粒度小于或等于约11μm。
35.如权利要求5的粉末冶金组合物，其中母合金粉末还包括约15～约25重量％的锰。
36.如权利要求10的粉末冶金组合物，其中母合金粉末还包括约15～约25重量％的锰。
37.如权利要求21的粉末冶金组合物，其中母合金粉末还包括约15～约25重量％的锰。
38.如权利要求5的粉末冶金组合物，还包括约0.1～约5.0重量％的碳。
39.如权利要求5的粉末冶金组合物，其中母合金粉末还包括约0.1～约1.0重量％的颗粒状元素碳。
40.如权利要求5的粉末冶金组合物，其中母合金粉末是预合金，该预合金包括约0.1～约1.0重量％的碳。
41.如权利要求13的粉末冶金组合物，还包括约0.1～约5.0重量％的碳。
42.如权利要求13的粉末冶金组合物，其中母合金粉末还包括约0.1～约1.0重量％的颗粒状元素碳。
43.如权利要求13的粉末冶金组合物，其中母合金粉末是预合金，该预合金包括约0.1～约1.0重量％的碳。
44.如权利要求21的粉末冶金组合物，还包括约0.1～约5.0重量％的碳。
45.如权利要求21的粉末冶金组合物，其中母合金粉末还包括约0.1～约1.0重量％的颗粒状元素碳。
46.如权利要求21的粉末冶金组合物，其中母合金粉末是预合金，该预合金包括约0.1～约1.0重量％的碳。

Claims (28)

1.一种粉末冶金组合物，包括：
以粉末冶金组合物的总重量计，至少约80重量％的铁基冶金粉末；和
以粉末冶金组合物的总重量计，约0.10～约20重量％的母合金粉末，其包括：
以母合金粉末的总重量计，至少约35重量％的铁，
约1.0～约40重量％的铬，和
约1.0～约35重量％的硅。
2.如权利要求1的粉末冶金组合物，其中母合金粉末包括约10～约35重量％的铬。
3.如权利要求1的粉末冶金组合物，其中母合金粉末包括约10～约35重量％的硅。
4.如权利要求1的粉末冶金组合物，其中母合金粉末包括约15～约35重量％的铬。
5.如权利要求1的粉末冶金组合物，其中母合金粉末包括约15～约22重量％的硅。
6.如权利要求1的粉末冶金组合物，其中母合金粉末包括约24重量％的铬和约20重量％的硅。
7.如权利要求1的粉末冶金组合物，其中母合金粉末包括约29重量％的铬和约18重量％的硅。
8.如权利要求1的粉末冶金组合物，其中母合金粉末包括：
约10～约35重量％的铬，和
约10～约35重量％的硅。
9.如权利要求1的粉末冶金组合物，其中铁基粉末包括至少90重量％的铁。
10.如权利要求9的粉末冶金组合物，其中母合金粉末包括：
约10～约35重量％的铬，和
约10～约35重量％的硅。
11.如权利要求1的粉末冶金组合物，其中母合金粉末还包括最高约35重量％锰。
12.如权利要求1的粉末冶金组合物，其中母合金粉末还包括约10～约30重量％锰。
13.如权利要求10的粉末冶金组合物，其中母合金粉末还包括约10～约30重量％锰。
14.如权利要求1的粉末冶金组合物，其中母合金粉末还包括约15～约25重量％锰。
15.如权利要求1的粉末冶金组合物，其中母合金粉末还包括约20重量％的铬，约14重量％的硅和约20重量％的锰。
16.如权利要求1的粉末冶金组合物，其中母合金粉末还包括最高约5重量％的碳。
17.如权利要求1的粉末冶金组合物，其中母合金粉末还包括最高约25重量％的镍。
18.如权利要求1的粉末冶金组合物，其中母合金粉末还包括约1.0～约20重量％的镍。
19.如权利要求1的粉末冶金组合物，其中母合金粉末还包括约5～约15重量％的镍。
20.如权利要求12的粉末冶金组合物，其中母合金粉末还包括约1.0～约20重量％的镍。
21.如权利要求1的粉末冶金组合物，其中母合金粉末包括：
约10～约35重量％的铬；
约10～约35重量％的硅；
约10～约35重量％的锰，和
约5～约25重量％的镍；
22.如权利要求1的粉末冶金组合物，其中母合金粉末的重均粒度小于或等于约37μm。
23.如权利要求1的粉末冶金组合物，其中母合金粉末的重均粒度小于或等于约11μm。
24.如权利要求10的粉末冶金组合物，其中母合金粉末的重均粒度小于或等于约11μm。
25.一种制备烧结零件的方法，包括如下步骤：
a.提供冶金粉末组合物，其包括：
主要量的铁基粉末，和
次要量的铁基预合金的母合金粉末，以该母合金粉末的总重量计，其包括约1.0～约30重量％的硅和约1.0～约40重量％的铬；
b.在约30～80吨每平方英寸的压力下，在模具中压制冶金粉末组合物；和
c.在至少约2000的温度下烧结压制的冶金粉末组合物。
26.如权利要求25的方法，其中所述的烧结步骤在约2000～约2400的温度下进行。
27.如权利要求25的方法，其中所述的烧结步骤在约2000～约2150的温度下进行。
28.如权利要求25的方法，其中母合金粉末包括：
约10～约35重量％的铬，和
约10～约35重量％的硅。
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