TWI290073B - Sintered metal parts and method for the manufacturing thereof - Google Patents

Description

1290073 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於粉末冶金技術，更明確關於具有改良疲勞 性能之預合金化鉻粉末金屬零件。 【先前技術】 通常，由粉末冶金技術製造的燒結產物比通過鍛造和滾 軋步驟獲得的錠鋼在花費上有利，且廣泛在（例如）機動車 輛中用作零件。但，經燒結的產物具有在製造過程期間不 可避免形成的孔隙。與完全緻密材料比較，經燒結粉末冶 金材料的此等保留孔隙損害材料之機械性能。此係孔隙作 為應力集中之結果，亦因為孔隙在應力下降低有效體積。 因此，以鐵為主粉末冶金材料的強度、延展性、疲勞強 度、宏觀硬度等隨孔隙度增加而降低。 儘管其疲勞強度較低，但，以鐵為主的粉末冶金材料仍 在一疋範圍用於需要高疲勞強度之零件。Distal〇y® Hp(可 自瑞典，H5ganas ΑΒβ獲得）為一種可用於高性能用途之鋼 粉末。在此Distaloy®*末中，基礎粉末用昂貴合金元素鎳 合金化。該高作用材料相對昂貴，因此，需要至少具有優 良疲勞強度之廉價材料。 改良粉末冶金鋼疲勞性能的一個途徑為第二操作。全部 硬化、表面硬化或珠擊法處理（或組合）為得到零件最高可 此抗疲勞性的可能方法。為利用在表面中壓縮殘餘應力的 有u 般進行珠擊法處理。開到表面的孔隙為粉末 冶金材料中的弱點。此等孔隙至少部分由引入表面壓縮殘 102671 -960206.doc !29〇〇73 9修(¾正替換F| 餘應力而抑制。 j緊壓零件的珠擊法處理揭示於（例如）美國專利第6 J 7 J S46號。根據此專利’在珠擊法後進行最終燒結步驟。以 主的含（例如）鎳之粉末用作原料。如上所示，由於鎳 17貝對不含鎳的粉末需要正在增加。利用含錄粉末的其 他缺點為起塵問題’ S塵可在處理粉末期間發生，並可導 致產生少量過敏反應。因此，應避免使用I美國專利申 睛案第2_/〇177719號亦關於一種包括珠擊法處理之方 更月確而5，§亥申請案揭示一種方法，其中使經緊壓 :牛的-P刀表面在燒結後經過珠擊法處理。根據此申請 為改良最終緊壓零件之性能，需要—種包括粉末鍛造 或上漿之緻密方法。 ^月個目的為提供製備具有高疲勞強度之粉末冶金 7件而無需任何達到芯緻密之步驟之成本有效方法。另一 目的為提供包括不含鎳U末 【發明内容】 二Γ外地發現，藉*珠擊法處理自具有低含量鎳和鉬的 Γ 粉末製備之經燒結零件，可獲得具有高疲勞強

度之零件。 W 本發明所用的粉太氣4 J θ 士 i ^ 為匕括低$鉻和鉬之預合金化以鐵為 1 °較佳量為U·3·5重量％之鉻和0.15-〇.7重量％之 ^暫粉末柯包含少量請纽3重”之猛及*可避免的 ㈣…"粉末經美國專利第6 348 _號及W0 03/106079而為已知。 102671 -960206.doc 1290073 ^ Μ ‘日綠幾)正替換頁… 使基礎粉末進一步與石墨混合，以獲得所需材料強度。 與以鐵為主粉末混合的石墨之量為g1m.g%，較佳〇15至 0.85% ^將粉末混合物在模中緊壓，以產生生體。 力為至少600百萬帕斯卡，較佳至少7〇〇百萬帕斯卡 緊壓壓 ，更佳 _百萬帕斯卡。緊壓可藉由冷緊壓或熱緊壓進行。緊壓 後，將所得生件在高於110(rc之燒結溫度燒結較佳高於 1220°C。燒結氛圍較佳為氮氣和氫氣之混合物。在燒结製 程中的正常冷卻速率為〇.rc/秒，在〇5口秒和間 之範圍較佳。燒結密度較佳高於7.15克/釐米3，更佳高於 7.3克/釐米3。利用較低鉻和鉬含量，經燒結材料中的所得 微結構主要為細珠光體（peaditic)，對於略高絡和翻含量^ 則為麻田散鐵型（mamnsitie)或較低貝氏型出c)。 已意外地發現，㈣疲勞極限顯著增加可藉由珠擊法處 理經燒結的低㈣末材料而獲得。特別顯著增加對切口零 件獲得，在此，可自以下實例看到，可獲得大於5〇%且甚 至大於70%增加。由阿爾曼(α1_)α強度界定的珠擊法處 理度較佳在0 · 2 0和〇 · 3 7毫米之間。 為使性能更加改良，可在珠擊法處理之前進行第二操 作，例如，全部硬化及表面硬化。因此，在全部硬化及隨 後回火後’材料為主要為麻田散鐵型，且疲勞極限由珠擊 法處理而增加。在表面硬化期間形成的表面中的麻田散鐵 型咸信形成對疲勞極限有利的壓縮應力。 燒結硬化為在燒結製程中應用的選擇性方法。燒姓硬化 在零件燒結製程結束利用強制冷卻，這產生硬化二。 102671 -960206.doc 1290073 r—————————^ 0讲E丨修魏)正替換頁丨 疲勞試驗對應力集中因數未切口 樣品進行。試驗顯示，對切口樣品珠擊法處理時比對未切 口樣品進行珠擊法處理時顯示更大彎曲疲勞極限增加。在 本文中，”切口”指具有高於丨·3之應力集中因數之樣品或零 件。 【實施方式】 本發明由以下非限制實例說明。 實例1 在研究中包括兩種預合金化基礎粉末Astai〇y® crL和

Astaloy® CrM及一種擴散合金化基礎粉末Distai〇y® HP。

Distaloy® HP用Ni和Cu擴散合金化，且用Mo預合金化。在 此研究中包括的三種材料顯示於表1中。 表1 材料 Ni [%] Cu [%] Mo [%] Cr [%] 一 Astaloy CrL 0.2 1.5 Astaloy CrM 0.5 3.0 Distaloy HP 4.0 2.0 1.5 以下給出關於製程參數、密度和碳含量的詳細資料。在 表2中對利用約〇.8 °C/秒冷卻速率在90/10 N2/H2中燒結30分 鐘的不同合金顯示未切口樣品的平面彎曲疲勞性能。對未 切口樣品的疲勞試驗利用具有削邊的5毫米is〇3928樣品進 行。試驗在以負荷比R=-1彎曲的四點平面進行。在階梯中 以13-18個樣品使用階梯方法，且2百萬個週期作為突破極 限。階梯評估（staircase evaluation)(50%概率疲勞極限及標 準偏差）根據MPIF 56標準進行。試驗頻率為27_3〇赫茲。 102671-960206.doc 1290073 • Vt；| 4> ；:； 表 2 ι —一- .…:-…— 粉末 密度 [克/爱米3] 經燒結碳 [%] σ A, 50% [百萬帕斯 卡] 標準偏差 [百萬帕斯 卡] ^ A, 90% [百萬帕斯 卡] Astaloy CrL 7.17 0.60 244 7 234 7.16 0.80 267 5 260 Astaloy CrM 7.06 0.35 284 7.0 274 7.04 0.56 316 8.4 300 Distaloy HP 7.13 0.65 295 22.5 261 7.13 0.85 330 <5 >322 具有低於0.6%燒結碳和冷卻速率約0.8°c/秒之Astaloy CrL之微結構為較高貝氏型。高於0.74°/。的增加碳使微結構 改變成細珠光體。 1120°C燒結的Astaloy CrM材料和冷卻速率0.8°C/秒及利 用0.32%和0.49%間燒結碳含量之微結構分析顯示稠密較高 貝氏型微結構。稠密較高貝氏型具有與常規較高貝氏型相 同的特徵，即鐵素體（ferrite)和滲碳體（cementite)之不規則 混合物。差異為碳化物間的較小距離及碳化物之大小。增 加的燒結碳使微結構轉移到麻田散鐵型和較低貝氏型之混 合物。 表3顯示冷壓Astaloy CrL的緊壓壓力和碳含量之影響。 所有材料均在90/10 N2/H2中於1120°C燒結30分鐘。在表3 中，Astaloy CrL在兩個緊壓壓力和兩個量添加石墨的平面 彎曲疲勞性能（標準偏差<5)之概要顯示，散射小，且不能 應用MPIF 56評估標準偏差。表3中的樣品未切口。 102671-960206.doc -9- T290073 —«m» 妒· __⑽·_ — .... w修(緣)正替換頁 表3 材料 石墨 C-UF4 [%] 緊壓壓力 [百萬帕 斯卡] 燒結密度 [克/ 釐米3] 燒結碳 [%] σ A, 50% [百萬帕 斯卡] 標準偏差 [百萬帕 斯卡] σ A, 90% [百萬帕 斯卡] Astaloy CrL 1120°C 30分鐘 90/10 N2/H2 0.8〇C/秒 0.6 600 6.94 0.56 224 11.6 205 0.8 600 6.93 0.75 233 9.5 218 0.6 800 7.13 0.55 236 8.5 222 0.8 800 7.09 0.74 252 <5 >244 表4中顯示燒結溫度對利用未切口樣品之疲勞性能之影 響。表4中的材料之微結構表現為主要較高貝氏型（1120°C 0.58% C)和細珠光體（1120°C，〇·77% C 和 1250°C，0.74% C)之特徵。 表4 粉末 燒結溫度 燒結密度 [克/釐米3] 燒結碳 [%] σ A, 50% [百萬帕 斯卡] 標準偏差 [百萬帕斯 卡] σ A, 90% [百萬帕斯卡] Astaloy CrL 1120°C 7.10 0.58 220 11 203 1120°C 7.08 0.77 236 9.7 222 1250〇C 7.02 0.74 290 18 264 實例2 對Astaloy CrL 3毫米邊緣切口樣品研究珠擊法處理和加 熱處理與珠擊法處理之組合之影響。切口包括在壓具中， 且不進行機械加工。彎曲中的應力集中因數由FEM獲得， 達kt=l .38。試驗頻率為27-30赫茲。 材料在1280°CKH2中燒結30分鐘。冷卻速率為0.8°C/秒。 進行珠擊法處理，以獲得0·32毫米之阿爾曼A強度。 燒結和燒結+珠擊法處理的樣品之評估平面彎曲疲勞性 能顯示於表5中。 102671-960206.doc -10· •Ί 1290073 表5 粉末 燒結碳 [%] 燒結密度 [克/爱米3] 第二操作 彎曲疲勞極限 [百萬帕斯卡] 珠擊法處理 後 增加 珠擊法處 理 切口的 Astaloy CrL 0.70 7.30 否 235 是 420 +79% 未切口的 Astaloy CrL 0.85 7.30 否 340 是 450 +32% 表6中顯示全部硬化回火和珠擊法處理之樣品之評估平 面彎曲疲勞性能。完全硬化用在880 °C的奥氏體反應 (arstenitization)溫度進行。奥氏體反應後以8°C/秒進行冷 卻。最後，樣品在250°C回火1小時。 表6 粉末 燒結碳 [%] 燒結密度 [克/爱米3] 第二操作 彎曲疲 勞極限 [百萬 帕斯 卡] 珠擊法 處理後 增加 全部 硬化 250〇C 回 火1小時 珠擊法 處理 切口的 Astaloy CrL 0.50 7.30 是 是 否 285 0.50 7.30 是 是 是 490 +73% 未切口的 Astaloy CrL 0.50 7.30 是 是 否 370 0.50 7.30 是 是 是 520 +41% 可自表5和6發現，彎曲疲勞極限增加由珠擊法處理含鉻 和麵之材料達到。 102671-960206.doc -11 -

Claims (1)

1. μ90073 r 十、申睛專利範圍： 包:i二:改良疲勞強度之粉末冶金零件之方法，其 之預：：含至少H3.5重量%之鉻、〇ΐ5_〇·7重量%之钥 Ό孟化以鐵為主的金屬粉末， -將該粉末與0.1-1.0重量％之石墨混合， -在至少_百萬帕斯卡之麼力緊壓所得混合物， 件，在高於11〇(rc之溫度於單個步驟燒結經緊壓的零 珠擊法處理該零件。 【如=項!之方法’其中該疲勞強度之增加為至少5〇%。 .擊月或2之方法’其中該經緊壓及燒結之零件係於珠 擊法處理前經過硬化及回火。 4· 一 Γ如請求項1至3中任一項之方法製造之粉末冶金零件， :具有主要珠光體微結構，較佳主要細珠光體微結構。 ，如請求項1至3中任一項之方法製造之粉末冶金零件， /、具有麻田散鐵型及較低貝氏型微結構。 1290073 f 帕斯卡、較佳在7.3克/釐米3之燒結 Af丰*以 度至少400百萬帕 斯卡之考曲疲勞極限，其特徵為該 ⑺不係經過緊壓、燒 結及選擇性回火及退火，並經過珠擊法處理。 & 9·如請求項8之粉末冶金零件之用途，該粉末冶金零件具有 高於1·3之應力集中因數。 102671-960206.doc