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CN101124058A - 不锈钢粉末 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包含至少10wt％的铬的不锈钢粉末和组合物。钒以碳和氮的量的至少四倍的量存在。所述钢粉末包含10－30％的铬、0.1－1.0％的钒、0.5－1.5％的硅、低于0.1％的碳和低于0.07％的氮。本发明还要求保护一种用于制备烧结零件的方法以及一种烧结零件。

Description

不锈钢粉末
技术领域
本发明涉及一种新型不锈钢粉末和包含该新型粉末的不锈钢粉末组合物。更具体地，本发明涉及用于制造具有高密度的烧结粉末冶金零件的不锈钢粉末组合物。
背景技术
粉末冶金的主要目标是获得压实体和烧结体的高密度。提高密度有几种方法，其中一种方法是温压，温压可提高粉末的压缩性，使生坯体具有更高的生坯密度。通过在模壁上施加润滑——其使得能够将所用的内部润滑剂的量减到最小，也可增加生坯密度。高的压实压力和少量的润滑剂的结合使用也会导致生坯密度升高。不锈钢粉末的软退火也可改进压缩性，其中在软退火中材料的应变被消除并且再结晶。在压实后，对生坯体进行烧结操作以便获得烧结体。烧结时的高温——即大约1180-1200℃以上的温度——导致烧结期间增加的收缩和更高的体密度。然而，高温烧结需要专门配备的烧结炉。此外能量消耗会增加。
由于使钢耐蚀的铬的存在，在制造高密度的不锈钢PM零件时会遇到特殊问题。
不锈钢具有大约10％以上的铬。碳常常存在于钢中并导致形成碳化铬。碳化铬的形成降低了基体中的铬含量，进而导致耐蚀性降低。为了避免基体中的铬含量降低，经常使用碳化物形成稳定剂，例如铌。这样可避免形成碳化铬，而形成碳化铌，从而可保持耐蚀性。然而，使用铌的一个问题是为了获得高烧结密度需要很高的烧结温度并且能量消耗很大。
已经发现，通过使用根据本发明的新型粉末，可降低用于生产烧结不锈钢PM零件的能量成本。使用所述新型粉末的另一个显著的优点是可获得相对较高的烧结密度。
通过使用新型粉末制造的烧结零件在对零件的成本和性能要求都很高的汽车工业中具有特别重要的意义。新型粉末也可用于排气系统中的烧结零件，尤其是用于排气系统中的法兰。
本发明涉及不锈钢粉末、不锈钢粉末组合物以及由此获得的具有高密度的压实零件和烧结零件。更具体地，本发明涉及用于制造粉末冶金零件的不锈钢粉末组合物。
发明内容
已经意外地发现，通过将钒作为稳定剂加入到不锈钢粉末中，可降低烧结温度并由此降低能量消耗，而烧结密度与当前使用的铌稳定剂相比类似乃至增加。此外，已经发现，钒应当以至少为碳和氮的总量的四倍的量存在，其中氮的量按重量计应当低于0.07％，碳的量按重量计应当低于0.1％。钒的量按重量计应当在0.1-1％范围内。
在文献WO 03/106077和美国专利5 856 625中公开了包含钒的不锈钢组合物。在WO 03/106077中没有公开包含钒的粉末的任何效果或任何实例。根据美国专利5 856 625，不锈钢粉末优选包含1.5-2.5％的钒。这种已知的不锈钢粉末用于具有高耐磨性的材料，并且需要高的碳含量以便在主要由强碳化物形成元素例如Mo、V和W形成的基体中获得适当量的硬质碳化物。专利文献JP 59-47358也公开了一种包含铬、硅、碳和氮的钢粉末。该粉末还可包含镍和/或铜以及钒。根据JP 59-47358的钢粉末的用途是制造例如滑动面。
具体实施方式
具体地，根据本发明的不锈钢粉末包含10-30％的铬、0.1-1％的钒、0.5-1.5％的硅、低于0.1％的碳和低于0.07％的氮。优选地，所述不锈钢粉末包含10-20％的铬、0.15-0.8％的钒、0.7-1.2％的硅、低于0.05％的碳和低于0.05％的氮。
由于不锈钢的耐蚀性具有重要意义，所以应当选择钒的含量，使得形成碳化钒和氮化钒而不是碳化铬和氮化铬。优选地，钒的含量应根据烧结部件中碳和氮的实际含量来选择以便能够形成碳化钒和氮化钒。据认为，所形成的碳化钒和氮化钒是VC和NC类型，并且根据我们现有的知识，钒的含量应当优选为粉末中碳和氮含量的最少四倍。由于在脱润滑剂过程中的吸收(pick up)，烧结部件中碳和氮的实际含量会比粉末中这些元素的含量高。
硅的量应当在0.5％至1.5％之间。由于硅在不锈钢熔体雾化期间产生薄的粘结氧化物层，所以它是一种重要的元素，即硅含量按重量计应当为0.5％或更高。所述氧化物层防止进一步的氧化。过高的硅含量会导致压缩性的下降，因此硅含量按重量计应当为1.5％或更低。
氮的量应当尽可能少，因为氮可具有与碳相同的影响，即通过形成氮化铬或铬的碳氮化物而使材料敏化。氮还具有会降低压缩性的沉淀硬化效应。因此，氮含量按重量计应当不超过0.07％，优选不超过0.05％。在实践中难以获得低于0.001％的氮含量。
添加其它的合金元素以提高某些性能，例如强度、硬度等。所述合金元素选自钼、铜、锰和镍。
根据本发明，铁素体不锈钢是优选的。铁素体不锈钢比与镍进行合金化的奥氏体不锈钢便宜。与奥氏体基体相比，铁素体基体热膨胀系数较小，这对于例如不锈钢排气系统中的法兰是有益的。因此，根据本发明的不锈钢的一个优选实施例是基本上不合镍的。具体地，铁素体不锈钢可包含按重量计10-20％的铬、0-5％的钼、低于1％的镍、低于0.2％的锰。
其它可能的添加剂是流动剂、机械加工性能改进剂例如氟化钙、硫化锰、氮化硼或它们的组合。
不锈钢粉末可以是气雾化或水雾化的预合金化粉末，其平均粒度在大约20μm以上，这取决于粉末的凝固方法。通常平均粒度在大约50μm以上。
常常在压实之前加入润滑剂以便提高粉末的压缩性并利于生坯部件的顶出。润滑剂的量通常在0.1％至2％之间，优选在0.3％至1.5％之间。润滑剂可选自金属硬脂酸盐例如硬脂酸锌或硬脂酸锂、Kenolube、氨基聚合物或氨基低聚物、乙撑双硬脂酸酰胺、脂肪酸衍生物或其它具有润滑作用的适当物质。也可单独使用模壁润滑或与内部润滑剂结合使用模壁润滑。
在可选的退火过程之后，将不锈钢粉末与润滑剂和其它可选的添加剂混合。将粉末混合物在400-1200MPa下压实并在1150-1350℃下烧结5分钟至1小时以便获得至少为7.20g/cm3的密度。然而，根据本发明的粉末可用于生产具有较低烧结密度的零件以便降低加工成本。压实步骤可执行为冷压或温压。
通过烧结期间增加的收缩而获得高烧结密度，在不希望受任何特定理论束缚的情况下，认为这种收缩是增进的体积扩散的结果。在有碳存在时所形成的碳化钒会在升高的温度尤其是在烧结温度下溶解，但是在较低温度下例如在金属粉末退火时也会溶解。通常不锈钢粉末的烧结温度为大约1150-1300℃。
示例1
制备具有根据表1的化学成分并包含铌和钒作为碳化物形成元素的三种不同的熔体。根据表2和3，制备几种用于冷压和温压的混合物。为了进行冷压和温压，使用了润滑剂。使用来自Degussa的Aerosil A-200作为温压中的流动剂。
表1.未退火粉末的化学分析
批次 Cr％ Nb％ V％ Si％ Mn％ Ni％ P％ C％ N％ O％   S％
  A  11.85  ---  0.29  0.68   0.23  0.053  0.008  0.024  0.014  0.144  0.0033
  B  11.94  0.39  ---  0.68   0.23  0.051  0.010  0.025  0.011  0.152  0.0027
  C  11.79  0.58  ---  0.73   0.23  0.056  0.009  0.026  0.011  0.143  0.0030
表2.用于冷压的混合物
    混合物编号     成分
    4*     A+1％润滑剂
    5     B+1％润滑剂
    6     C+1％润滑剂
*＝根据本发明的组合物
表3.用于温压的混合物
    混合物编号     成分
    10*   A+1％润滑剂+0.1％A-200
    11   B+1％润滑剂+0.1％A-200
    12   C+1％润滑剂+0.1％A-200
*＝根据本发明的组合物
压实根据表2和3的粉末混合物并确定不同压实压力下的生坯性能。结果如表4所示。将压实体在氢气氛中在1250℃下烧结45分钟并确定烧结密度和机械性能。结果如表5所示。
表4.
混合物编号 压实压力 生坯强度(MPa) 生坯密度(g/cm3)
    4*     600     15.3     6.57
    700     18.0     6.69
    800     19.3     6.79
    5     600     15.4     6.55
    700     18.1     6.68
    800     19.5     6.80
    6     600     15.3     6.55
    700     18.1     6.68
    800     19.4     6.78
    10*     600     31.3     6.73
    700     37.5     6.87
    800     39.9     6.96
    11     600     30.1     6.71
    700     36.7     6.86
    800     40.4     6.96
    12     600     29.4     6.71
    700     34.9     6.86
    800     39.4     6.96
*＝根据本发明的组合物
表5.
  混合物编号 压实压力(MPa) 烧结密度(g/cm3)   尺寸变化(％) 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa)
  4*   600   7.36   -3.87   222   390
  700   7.42   -3.29   216   409
  800   7.45   -2.71   215   405
  5   600   7.24   -3.48   204   366
  700   7.31   -3.09   208   375
  800   7.38   -2.82   228   384
  6   600   7.10   -2.85   202   356
  700   7.20   -2.55   208   366
  800   7.26   -2.30   213   376
  10*   600   7.42   -3.38   221   420
  700   7.47   -2.67   230   434
  800   7.49   -2.20   234   431
  11   600   7.28   -2.93   206   371
  700   7.36   -2.52   210   386
  800   7.43   -2.20   216   400
  12   600   7.16   -2.36   203   361
  700   7.27   -2.05   212   377
  800   7.33   -1.79   214   389
*＝根据本发明的组合物
从表4和5可以清楚地看出，从根据本发明的材料制成的试样的烧结密度有所提高，而根据本发明的材料的生坯密度与对比材料的生坯密度类似。与已知材料相比，使用根据本发明的材料也提高了烧结部件的机械性能。
示例2
为了评价烧结温度和烧结时间的影响，将粉末混合物4、5和6在600MPa和环境温度下在单轴向压制运动中压实成根据ISO 2740的抗拉试验试样。所得到的生坯试样在氢气氛中分别在1200℃、1250℃和1300℃下烧结20分钟和45分钟。
在烧结后根据ISO 3369测量烧结试样的烧结密度。结果如表6所示。从表6可得出结论，对于添加了钒的铁素体不锈钢粉末，即使是在低至1200℃的烧结温度下也能获得高于7.2g/cm3的烧结密度。在1250℃的烧结温度下20分钟的烧结时间可获得7.35g/cm3的烧结密度，而根据铌的添加量的不同，用铌稳定的铁素体不锈钢粉末的对应密度分别是7.15g/cm3和7.03g/cm3。
该示例显示了对由根据本发明的铁素体不锈钢粉末制成的生坯体在烧结期间的收缩所产生的异常巨大的影响。
表6.
混合物编号   烧结时间(分钟)     在不同烧结温度下的烧结密度(g/cm3)
    1200℃     1250℃     1300℃
    4*     45     7.29     7.36     7.46
    5     45     7.03     7.24     7.47
    6     45     6.92     7.1     7.38
    4*     20     -     7.35     -
    5     20     -     7.16     -
    6     20     -     7.03     -
*＝根据本发明的组合物
示例3
为了评价不锈钢粉末中的氮含量的影响，对一熔体进行雾化并且通过在含氮气氛中退火而从雾化粉末制备具有不同氮含量的粉末试样。使用在100％的氢气氛中退火的粉末作为参照材料。将粉末试样与1％的润滑剂混合并在不同压力下将所获得的组合物冷压成试件。将试件在氢气氛中在1250℃下烧结45分钟。除了如表8所示在退火后确定的氮含量以外，对不同粉末试样的化学分析如表7所示。在表8中示出不同试件的烧结密度。
表7.
批次 Cr％ Nb％ V％ Si％ Mn％ Ni％ P％ C％ S％
  D  12.14  0.01  0.29  0.83  0.13  0.05  0.001  0.017  0.012
表8.
   批次 压实压力(MPa)     ％N 烧结密度(g/cm3)
   D1     600     0.056     7.18
   D1     700     7.28
   D1     800     7.36
   D2     600     0.072     7.13
   D2     700     7.24
   D2     800     7.31
   D(参照)     600     0.019     7.23
   D(参照)     700     7.34
   D(参照)     800     7.39
从示例3可以看到，高于0.07％的氮含量会导致不期望的烧结密度。

Claims (8)

1.一种包含按重量计至少10％的铬、低于0.1％的碳和低于0.07％的氮的预合金化不锈钢粉末，所述粉末还包含其量为碳和氮的总量的至少四倍的钒，其中钒的量按重量计为0.1-1％。
2.根据权利要求1所述的不锈钢粉末，其特征在于，所述不锈钢粉末包含10-30％的铬和0.5-1.5％的硅。
3.根据权利要求1或2所述的不锈钢粉末，其特征在于，所述不锈钢粉末包含10-20％的铬、0.15-0.8％的钒、0.7-1.2％的硅、低于0.05％的碳和低于0.05％的氮。
4.根据权利要求1、2或3所述的不锈钢粉末，其特征在于，所述不锈钢粉末基本不含镍。
5.一种包含根据前述权利要求中任一项所述的不锈钢粉末以及选自润滑剂、流动剂、机械加工性能改进剂和合金元素的添加剂的粉末冶金组合物。
6.一种制备不锈钢粉末的压实零件的方法，所述方法包括以下步骤：
-使根据权利要求1至4中任一项所述的不锈钢粉末可选地与润滑剂混合；
-在1150-1350℃的温度下对压实零件进行烧结。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，烧结进行到获得至少为7.20g/cm3的密度。
8.一种根据权利要求1至4中任一项所述的不锈钢粉末的烧结零件，所述烧结零件具有至少为7.20g/cm3的烧结密度。
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