含游离石墨的粉末制造技术

提供一种改进的雾化粉末金属材料，其在热处理和/或烧结后含有增加的量的游离石墨。所述粉末金属材料通常是铁合金，并且包括，基于粉末金属材料的总重量计，量为1.0wt.％至6.5wt.％的碳和量为0.1wt.％至6.0wt.％的硅。粉末金属材料还可包括各种其他合金化元素，例如镍(Ni)、钴(Co)、铜(Cu)、锡(Sn)、铝(Al)、硫(S)、磷(P)、硼(B)、氮(N)、铬(Cr)、锰(Mn)、钼(Mo)、钒(V)、(Nb)、钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、锆(Zr)、锌(Zn)、锶(Sr)、钙(Ca)、钡(Ba)、镁(Mg)、锂(Li)、钠(Na)和钾(K)中的至少一种。

Powder Containing Free Graphite

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】含游离石墨的粉末相关申请的交叉引用本美国实用专利申请要求2016年10月17日提交的序号为60/409,444的美国临时专利申请和2017年10月16日提交的序号为15/784,587的美国专利申请，其内容通过引用整体并入本文。
技术介绍
1.专利
本专利技术一般涉及粉末金属材料，包括粉末金属材料的烧结部件，以及形成粉末金属材料和烧结部件的方法。2.相关技术粉末金属材料经常用于形成具有改进的耐磨性和/或润滑性和/或机械加工性的部件，用于机动车辆应用，例如阀引导件、阀座插入件、齿轮和衬套。粉末金属材料通常通过水或气体雾化熔融金属材料以形成多个雾化颗粒而形成。然后可以对雾化的颗粒进行各种处理，例如筛分、研磨、热处理、与其他粉末混合、固结/压制、印刷(增材制造)和烧结以形成具有改进性能的部件。在粉末金属工业中，已经努力在烧结后在部件中获得游离石墨。游离石墨可以提供多种益处，例如通过润滑性改善的耐磨性，增强的可加工性和轻质。游离石墨还可以通过超固相线液相烧结提供大致密化的可能性，并提供烧结后高相对密度的可能性。然而，获得游离石墨的任务并不容易，因为大多数粉末金属部件是由铁合金制成的，并且因为碳(石墨的主要元素)在高温下显著溶于铁并且在冷却过程中容易形成碳化物。
技术实现思路
本专利技术的一方面提供改进的含有游离石墨的粉末金属材料。所述粉末金属材料通常是铁合金，但也可以是另一种铁、镍和/或钴基材料。所述粉末金属材料包括，基于粉末金属材料的总重量计，量为1.0wt.％至6.5wt.％的碳、量为0.1wt.％至6.0wt.％的硅。所述粉末金属材料还可包括各种其他合金化元素，例如镍(Ni)、钴(Co)、铜(Cu)、锡(Sn)、铝(Al)、硫(S)、磷(P)、硼(B)、氮(N)、铬(Cr)、锰(Mn)、钼(Mo)、钒(V)、铌(Nb)、钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、锆(Zr)、锌(Zn)、锶(Sr)、钙(Ca)、钡(Ba)、镁(Mg)、锂(Li)、钠(Na)和钾(K)中的至少一种。所述粉末金属材料此外还是雾化的并包括游离石墨。本专利技术的另一方面提供一种制造粉末金属材料的方法。该方法包括水或气体雾化熔体，但是可以使用其它粉末制造工艺，例如等离子体雾化和旋转盘雾化，以形成多个雾化颗粒，也称为粉末金属材料。该方法优选包括热处理雾化颗粒以增加材料中存在的游离石墨的量。本专利技术的另一方面提供由粉末金属材料形成的烧结部件以及制造该烧结部件的方法。存在于粉末金属材料中的游离石墨提供增强的机械加工性、减轻的重量和烧结后高密度的可能性。另外，由该粉末金属材料形成的烧结部件，例如阀引导件，由于游离石墨提供的增加的润滑性而具有改善的耐磨性。附图的简要说明本专利技术的其它优点将是容易理解的，因为当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，可以更好地理解本专利技术的优点，其中：图1包括提供了粉末金属材料的可能的组成的总结的表格；图2是表示区域#1至#4的图，所述区域的每个分别代表粉末金属材料的可能的组成的范围；图3列出了区域#1的粉末金属材料中存在的每种元素的优选范围；图4列出了区域#2的粉末金属材料中存在的每种元素的优选范围；图5列出了区域#3的粉末金属材料中存在的每种元素的优选范围；图6列出了区域#4的粉末金属材料中存在的每种元素的优选范围；图7是表示含游离石墨的粉末金属材料的几个具体示例的图表。图8-16示出了示例性粉末金属材料的微结构；图17-23说明了含有至少一种新型粉末金属材料的烧结粉末混合物的微结构；图24示出了磨损测试结果，其显示由根据本专利技术的示例性实施例的粉末金属材料形成的部件显著优于参考材料。示例性实施例的详细描述本专利技术的一方面提供含有游离石墨的粉末金属材料，也称为含游离石墨的粉末。粉末金属材料通过雾化形成，通常通过水或气体雾化熔体，并且优选地热处理该雾化的颗粒。粉末金属材料可用于形成烧结部件，例如用于机动车辆的阀引导件。存在于粉末金属材料中的游离石墨提供增强的机械加工性、减轻的重量以及烧结后高的相对密度的可能性。由粉末金属材料形成的烧结部件由于游离石墨提供的增加的润滑性而具有改善的耐磨性。粉末金属材料包括铁，并且通常是铁合金，例如铸铁粉末。铸铁微结构在粉末金属工业中由于其诸多优势而受到追求，这些优势包括由石墨的存在引起的自润滑性、增强的可加工性、由于石墨的低密度导致的更轻的重量以及更大的烧结密度的可能性，包括高达完全致密的材料。然而，粉末金属材料可以是另一种类型的金属材料，例如镍、钴、铁基材料和/或这些金属的混合物。铁基粉末金属材料包括，基于粉末金属材料的总重量计，量为至少50wt.％的铁。镍基粉末金属材料包括，基于粉末金属材料的总重量计，量为至少50wt.％的镍。钴基粉末金属材料包括，基于粉末金属材料的总重量计，量为至少50wt.％的钴。基于铁、镍和/或钴的混合物的材料包括至少50wt.％的混合物。每个实施例的粉末金属材料还包括，基于粉末金属材料的总重量计，量为至少1.0wt.％且高达6.5wt％的碳，以及量为至少为0.1wt.％且高达6.0wt％的硅。碳构成石墨并且将决定可形成的石墨的最大量。换句话说，石墨由100％碳制成，因此如果碳含量太低，则石墨不会沉淀。石墨密度与铁密度之间的因数约为3.5。因此，1.0wt.％的碳表示约3.5vol.％的石墨。碳供不应与其他元素，例如碳化物，结合，因为它会降低游离石墨的可能量。应仔细平衡碳化物形成元素的量和总碳含量，以形成游离石墨。游离石墨和含有碳的其他相或微结构组分(例如碳化物)的组合也是可能的。硅是是一种石墨化剂，其意味着它增加了溶液中碳的活性，因此有利于石墨的沉淀。在富铁体系中，硅对石墨沉淀的影响更大。在铁系统中，奥氏体中溶液中的部分碳将在冷却过程中形成碳化物，例如渗碳体。然而，硅增加了溶液中碳的活性，并且会迫使碳从溶液中析出，从而有利于石墨沉淀。与不含硅的系统相比，铁-碳(Fe-C)系统中的硅将增加在给定温度下的液相的量。这有利于在超固相线液相烧结过程中由粉末金属材料形成的部件的致密化。硅会使铁素体硬化，当与其他合金化元素结合使用时，会提高淬透性。硅也对碳的扩散产生影响，这被称为富集扩散。可以利用这种现象来控制烧结后石墨的形态，从而更好地控制部件的机械性能。在铸铁粉末中，硅促进石墨沉淀，因为它减少了溶液中的碳的量。在雾化铸铁粉末的情况下，大部分石墨在雾化后的热处理过程中将以固态沉淀。硅含量越大，越容易促进石墨。铸铁中较低的硅含量需要较长时间的热处理以使石墨沉淀。然而，可以将硅引入粉末金属材料中以促进石墨，增加铁素体和珠光体的硬度，并且还提高淬透性。对于固定量的碳，与较低硅含量的铸铁相比，硅将增加在给定温度下液相的量。因此，基于铸铁的粉末金属材料是液相烧结的理想候选者，液相烧结可导致大的致密化，并且达到完全致密的材料。粉末金属材料还可包括各种其他合金化元素。除了铁(Fe)之外，镍(Ni)、碳(C)、硅(Si)和钴(Co)中的至少一种通常是具有游离石墨的粉末金属材料的主要组分。但是，不需要镍(Ni)和钴(Co)。其他可能的合金化元素包括铜(Cu)、锡(Sn)、铝(Al)、硫(S)、磷(P)、硼(B)、氮(N)、铬(Cr)、锰(Mn)、钼(Mo)、钒(V)、铌(Nb)、钨(W)、钛(Ti)、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种材料，包括：粉末金属，所述粉末金属被雾化并在所述粉末金属的热处理之后和/或烧结期间含有游离石墨，所述粉末金属是铁基的，所述粉末金属包括，基于所述粉末金属的总重量计，量为1.0wt.％至2.0wt.％的碳(C)以及量为0.1wt.％至6.0wt％的硅(Si)，所述粉末金属可选地包括镍(Ni)、钴(Co)、铜(Cu)、锡(Sn)、铝(Al)、硫(S)、磷(P)、硼(B)、氮(N)、铬(Cr)、锰(Mn)、钼(Mo)、钒(V)、铌(Nb)、钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、锆(Zr)、锌(Zn)、锶(Sr)、钙(Ca)、钡(Ba)、镁(Mg)、锂(Li)、钠(Na)和钾(K)中的至少一种。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.17 US 62/409,244;2017.10.16 US 15/784,5871.一种材料，包括：粉末金属，所述粉末金属被雾化并在所述粉末金属的热处理之后和/或烧结期间含有游离石墨，所述粉末金属是铁基的，所述粉末金属包括，基于所述粉末金属的总重量计，量为1.0wt.％至2.0wt.％的碳(C)以及量为0.1wt.％至6.0wt％的硅(Si)，所述粉末金属可选地包括镍(Ni)、钴(Co)、铜(Cu)、锡(Sn)、铝(Al)、硫(S)、磷(P)、硼(B)、氮(N)、铬(Cr)、锰(Mn)、钼(Mo)、钒(V)、铌(Nb)、钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、锆(Zr)、锌(Zn)、锶(Sr)、钙(Ca)、钡(Ba)、镁(Mg)、锂(Li)、钠(Na)和钾(K)中的至少一种。2.如权利要求1所述的材料，其中，所述粉末金属包括，基于所述粉末金属的总重量计，量为1.1wt.％至2.0wt.％的碳和量为0.2wt.％至5.0wt.％的硅(Si)。3.如权利要求1所述的材料，其中，所述粉末金属被烧结。4.一种材料，包括：粉末金属，所述粉末金属被雾化并在所述粉末金属的热处理之后和/或烧结期间含有游离石墨，所述粉末金属是铁基的，所述粉末金属包括基于所述粉末金属的总重量计，量为2.0wt.％至5.0wt.％的碳(C)和量为2.5wt.％至6.0wt的硅(Si)，所述粉末金属可选地包括镍(Ni)、钴(Co)、铜(Cu)、锡(Sn)、铝(Al)、硫(S)、磷(P)、硼(B)、氮(N)、铬(Cr)、锰(Mn)、钼(Mo)、钒(V)、铌(Nb)、钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、锆(Zr)、锌(Zn)、锶(Sr)、钙(Ca)、钡(Ba)、镁(Mg)、锂(Li)、钠(Na)和钾(K)中的至少一种。5.如权利要求4所述的材料，其中，所述粉末金属包括，基于所述粉末金属的总重量计，量为2.0wt.％至4.8wt.％的碳和量为2.5wt.％至4.5wt.％的硅(Si)。6.如权利要求4所述的材料，其中，所述粉末金属被烧结。7.一种材料，包括：粉末金属，所述粉末金属被雾化并在所述粉末金属的热处理之后和/或烧结期间含有游离石墨，所述粉末金属是铁基的，所述粉末金属包括，基于所述粉末金属的总重量计，量为5.0wt.％至6.5wt.％的碳(C)和量为0.1wt.％至6.0wt％的硅(Si)，所述粉末金属可选地包括镍(Ni)、钴(Co)、铜(Cu)、锡(Sn)、铝(Al)、硫(S)、磷(P)、硼(B)、氮(N)、铬(Cr)、锰(Mn)、钼(Mo)、钒(V)、铌(Nb)、钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、锆(Zr)、锌(Zn)、锶(Sr)、钙(Ca)、钡(Ba)、镁(Mg)、锂(Li)、钠(Na)和钾(K)中的至少一种。8.如权利要求7所述的材料，其中，所述粉末金属包括，基于所述粉末金属的总重量计，量为5.05wt.％至6.0wt.％的碳和量为0.2wt.％至5.0wt.％的硅(Si)。9.如权利要求7所述的材料，其中，所述粉末金属被烧结。10.一种材料，包括：粉末金属，所述粉末金属被雾化并在所述粉末金属的热处理之后和/或烧结期间含有游离石墨，所述粉末金属是铁基的，所述粉末金属包括，基于所述粉末金属的总重量计，量为2.0wt.％至5.0wt.％的碳(C)、量为0.1wt.％至2.5wt.％的硅(Si)以及以下至少一种：量为4.0至46wt.％的镍、量为0.1至46wt.％的钴、量为3.0至40wt.％的铜、量为0.1至15wt.％的锡、量为0.1至10wt.％的铝、量为0.05至2.0wt.％的硫、量为1.0至2.0wt.％的磷、量为0.20至1.0wt.％的硼、量为0.05至1.0wt.％的氮、量为2至25wt.％的铬、量为2至25wt.％的锰、量为4至10wt.％的钼、量为0.1至10wt.％的钒(V)、量为0.1至10wt.％的铌(Nb)、量为0.1至20wt.％的钨(W)、量为0.1至10wt.％的钛(Ti)、量为0.1至10wt.％的钽(Ta)以及量为0.1至10wt.％的锆(Zr)，所述粉末金属可选地包括锌(Zn)、锶(Sr)、钙(Ca)、钡(Ba)、镁(Mg)、锂(Li)、钠(Na)和钾(K)中的至少一种。11.如权利要求10所述的材料，其中，所述粉末金属包括，基于所述粉末金属的总重量计，量为2.2wt.％至4.8wt.％的碳(C)，量为0.5wt.％至2.5wt％硅(Si)以及以...

【专利技术属性】
技术研发人员：马蒂厄·布瓦韦尔，吉勒斯·莱斯佩朗斯，菲力浦·比利，小丹尼斯·B·克里斯托弗森，
申请(专利权)人：天纳克有限责任公司，综合理工大学，
类型：发明
国别省市：美国,US