[发明专利]使用很少氢气或不使用氢气烧结粉末金属压坯的组合物和方法

说明书

用于压制粉末冶金的金属粉末组合物，以及使用这些金属粉末组合物形成金属部件的方法。金属粉末组合物包含金属粉末和润滑剂体系，这些金属粉末组合物被压制形成生坯压坯。当在脱润滑过程中加热该生坯压坯时，润滑剂体系在金属粉末的表面上提供反应性碳涂层，该反应性碳涂层在随后烧结时与金属粉末表面上存在的金属氧化物反应以形成易于从体系中除去的气体。从金属粉末表面除去金属氧化物提供了更致密的金属部件，并且允许在不需要氢气的情况下烧结生坯压坯，否则从金属粉末表面上除去金属氧化物将需要氢气。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年12月9日提交的美国临时专利申请序列号62/431,970的权益，该专利通过引用结合在此。

背景技术

技术领域

本发明涉及在压制粉末冶金过程中使用很少氢气或不使用氢气烧结粉末金属压坯的组合物和方法。

相关领域说明

在压制粉末冶金中，将基本干燥的金属粉末组合物装入模压机的模腔中并压缩以形成生坯压坯。压制使金属粉末组合物中的金属粉末颗粒机械地联锁并形成冷焊结合，该冷焊结合足够强以使生坯压坯能够被处理并进一步加工。在压制之后，将生坯压坯从模腔中移除并在一定温度下烧结，该温度低于金属粉末组合物的主要金属成分的熔点，但足够高以主要通过固态扩散强化金属粉末颗粒之间的结合。

在压制粉末冶金应用中，可以在干燥金属粉末组合物被压制以形成生坯压坯之前将润滑剂添加到干燥金属粉末组合物中。润滑剂有助于使金属粉末颗粒移动到模腔的所有部分中，允许在压制期间进行一些颗粒与颗粒的重新对准，并且用作脱模剂，该脱模剂有助于在压制之后从模腔中移除生坯压坯。通常使用获得良好流动和释放必需的最少量的润滑剂。这是因为润滑剂也会不利地影响生坯密度并导致在脱润滑(delubing)和烧结操作过程中产生不希望的流出物。润滑剂还可以导致金属部件中的最终密度过低、在“脱润滑”操作中除去润滑剂所需的熔炉时间延长、以及在烧结过程中形成裂缝和气泡。

常规地，在压制之后，在脱润滑操作中从生坯压坯中除去润滑剂，这可以包括以相对低的加热速率(例如，约15°F/min)逐渐加热生坯压坯，直到润滑剂熔化、沸腾和/或热分解(例如烧掉)，这样使得润滑剂完全从生坯压坯中除去。脱润滑通常在烧结前的预热阶段期间或在烧结过程开始时的初始加热阶段期间完成。在低于烧结温度的温度下从生坯压坯中完全除去润滑剂。

在基于铁的粉末金属部件的粉末金属加工中，通常的做法是在还原气氛中烧结，例如在分离的氨气、吸热性气体或氢气/氮气混合物中烧结。该气氛有助于从金属粉末表面除去金属氧化物。从金属粉末表面除去金属氧化物允许金属粉末更充分地烧结以形成具有更高密度和/或更好性能的金属部件，该金属部件密度类似于金属粉末压坯的生坯密度。然而，所有这些常规体系都存在一些安全性、操作和成本问题。近年来，由于便利性和厂内部件至部件的可重复性，大多采用氢气/氮气混合物。一般认为氢气是有效烧结所必需的，因为氢气能够用作正常在金属粉末表面上的金属氧化物的还原剂。例如，铁粉末在烧结之前通常在金属颗粒表面上含有1,000至1,500ppm或更多的氧化物。据信这类氧化物抑制金属粉末颗粒的烧结，并且因此会阻碍金属部件获得可接受的烧结密度和可接受的所得性能。

理想地，最终部件的烧结密度将是用于形成部件的金属粉末组合物的金属成分的理论密度的100％。然而，由大多数常规金属粉末组合物形成的部件的烧结密度不接近理论密度的100％。使用常规的高碳或低合金钢金属粉末组合物和压制粉末冶金方法，在一次压制和烧结中烧结密度仅能达到理论密度的约93％至94％。对于不锈钢，烧结密度通常小于常规粉末冶金组合物的理论密度的90％。需要额外的加工步骤，诸如锻造和压制，以增加烧结金属部件的密度。