[發明專利]使用很少氫氣或不使用氫氣燒結粉末金屬壓坯的組合物和方法

在審

• 申請號: 201780084310.8
• 申請日: 2017-12-04
• 公開（公告）號: CN110769954A
• 公開（公告）日: 2020-02-07
• 發明（設計）人: 丹尼斯·L·哈蒙德
• 申請（專利權）人: 德昌電機北美公司
• 主分類號: B22F9/04
• 分類號: B22F9/04;B22F1/00
• 代理公司: 11262 北京安信方達知識產權代理有限公司
• 代理人: 艾娟;鄭霞

用于壓制粉末冶金的金屬粉末組合物，以及使用這些金屬粉末組合物形成金屬部件的方法。金屬粉末組合物包含金屬粉末和潤滑劑體系，這些金屬粉末組合物被壓制形成生坯壓坯。當在脫潤滑過程中加熱該生坯壓坯時，潤滑劑體系在金屬粉末的表面上提供反應性碳涂層，該反應性碳涂層在隨后燒結時與金屬粉末表面上存在的金屬氧化物反應以形成易于從體系中除去的氣體。從金屬粉末表面除去金屬氧化物提供了更致密的金屬部件，并且允許在不需要氫氣的情況下燒結生坯壓坯，否則從金屬粉末表面上除去金屬氧化物將需要氫氣。

相關申請的交叉引用

本申請要求2016年12月9日提交的美國臨時專利申請序列號62/431,970的權益，該專利通過引用結合在此。

背景技術

技術領域

本發明涉及在壓制粉末冶金過程中使用很少氫氣或不使用氫氣燒結粉末金屬壓坯的組合物和方法。

相關領域說明

在壓制粉末冶金中，將基本干燥的金屬粉末組合物裝入模壓機的模腔中并壓縮以形成生坯壓坯。壓制使金屬粉末組合物中的金屬粉末顆粒機械地聯鎖并形成冷焊結合，該冷焊結合足夠強以使生坯壓坯能夠被處理并進一步加工。在壓制之后，將生坯壓坯從模腔中移除并在一定溫度下燒結，該溫度低于金屬粉末組合物的主要金屬成分的熔點，但足夠高以主要通過固態擴散強化金屬粉末顆粒之間的結合。

在壓制粉末冶金應用中，可以在干燥金屬粉末組合物被壓制以形成生坯壓坯之前將潤滑劑添加到干燥金屬粉末組合物中。潤滑劑有助于使金屬粉末顆粒移動到模腔的所有部分中，允許在壓制期間進行一些顆粒與顆粒的重新對準，并且用作脫模劑，該脫模劑有助于在壓制之后從模腔中移除生坯壓坯。通常使用獲得良好流動和釋放必需的最少量的潤滑劑。這是因為潤滑劑也會不利地影響生坯密度并導致在脫潤滑(delubing)和燒結操作過程中產生不希望的流出物。潤滑劑還可以導致金屬部件中的最終密度過低、在“脫潤滑”操作中除去潤滑劑所需的熔爐時間延長、以及在燒結過程中形成裂縫和氣泡。

常規地，在壓制之后，在脫潤滑操作中從生坯壓坯中除去潤滑劑，這可以包括以相對低的加熱速率(例如，約15°F/min)逐漸加熱生坯壓坯，直到潤滑劑熔化、沸騰和/或熱分解(例如燒掉)，這樣使得潤滑劑完全從生坯壓坯中除去。脫潤滑通常在燒結前的預熱階段期間或在燒結過程開始時的初始加熱階段期間完成。在低于燒結溫度的溫度下從生坯壓坯中完全除去潤滑劑。

在基于鐵的粉末金屬部件的粉末金屬加工中，通常的做法是在還原氣氛中燒結，例如在分離的氨氣、吸熱性氣體或氫氣/氮氣混合物中燒結。該氣氛有助于從金屬粉末表面除去金屬氧化物。從金屬粉末表面除去金屬氧化物允許金屬粉末更充分地燒結以形成具有更高密度和/或更好性能的金屬部件，該金屬部件密度類似于金屬粉末壓坯的生坯密度。然而，所有這些常規體系都存在一些安全性、操作和成本問題。近年來，由于便利性和廠內部件至部件的可重復性，大多采用氫氣/氮氣混合物。一般認為氫氣是有效燒結所必需的，因為氫氣能夠用作正常在金屬粉末表面上的金屬氧化物的還原劑。例如，鐵粉末在燒結之前通常在金屬顆粒表面上含有1,000至1,500ppm或更多的氧化物。據信這類氧化物抑制金屬粉末顆粒的燒結，并且因此會阻礙金屬部件獲得可接受的燒結密度和可接受的所得性能。

理想地，最終部件的燒結密度將是用于形成部件的金屬粉末組合物的金屬成分的理論密度的100％。然而，由大多數常規金屬粉末組合物形成的部件的燒結密度不接近理論密度的100％。使用常規的高碳或低合金鋼金屬粉末組合物和壓制粉末冶金方法，在一次壓制和燒結中燒結密度僅能達到理論密度的約93％至94％。對于不銹鋼，燒結密度通常小于常規粉末冶金組合物的理論密度的90％。需要額外的加工步驟，諸如鍛造和壓制，以增加燒結金屬部件的密度。