粉末冶金铁基软磁材料的发展与应用

用粉末冶金工艺制作的软磁材料,在电动机、压缩机及其他旋转装置中得到了广泛应用。烧结软磁材料广泛应用于汽车和非汽车领域。为了进一步发展粉末冶金产业,近年来开发了许多材料。新近开发出了具有优良磁感应强度与矫顽力的,高密度软磁材料(AncorLam)。其于880MPa的压力下压制时,生坯密度为7.55g/cm3,矫顽力为310A/m,电阻率为8000micro-ohmcm,及生坯强度为100MPa。这篇文章将讨论这些材料的应用。

用一次压制-一次烧结达到高密度

利用一次压制-一次烧结高密度工艺可使铁基粉末冶金材料的生产减低生产成本及制造性能较高的零件。用一次压制-一次烧结达到高密度是一个系统方法,需要制备原料粉的预混合粉和随后进行压制与烧结。这篇论文将说明有助于用一次压制-一次烧结达到密度7.5g/cm3所使用的粉末与生产工艺方法。烧结体密度达到这个水平的粉末冶金零件,与用现行压制工艺生产的相比,力学性能有显著改进,已接近锻钢的使用性能。

预混合粉材料烧结

深入了解预混合粉材料的烧结,对促进铁基粉末冶金零件产业的发展具有重要作用。这涉及到固态烧结与液相烧结两个方面。本论文讨论了添加下列合金元素粉末的预混合粉材料的烧结:(1)石墨粉;(2)镍粉与石墨粉;(3)铜粉与石墨粉;(4)磷铁粉状的磷;(5)硼铁粉状的硼。另外,还讨论了这些材料的显微组织与力学性能。

粉末冶金齿轮材料进展

对于生产齿轮与类似的最终形零件,粉末冶金是一种有效工艺。鉴于因固有孔隙度产生的限制和受限制于可用的合金系统,传统的粉末冶金齿轮应用皆用于受力较小者。近年来,采用新压制工艺和新合金材料生产的粉末冶金零件,其屈服强度与抗拉强度皆显著增高,已接近锻造齿轮材料的水平。这篇论文将评述新粉末冶金工艺与新材料,和他们对齿轮类应用的适用性。另外,还将和常用的汽车齿轮材料(包括球墨铸铁、可锻铸铁及锻轧低合金钢)的力学性能进行比较。

烧结条件与组成对含Cr粉末冶金钢力学性能的影响

对先进铁基粉末冶金材料的期望,已导致开发了更接近模拟锻钢组成的合金。像Cr等传统锻钢合金化元素,已用于提高力学性能与淬透性,而且成本可行。过去在粉末冶金中避免用铬是因为与氧相关的问题,但现在较新的合金系都含有这种元素。尽管这些合金可提供良好的力学性能与生产总成本可行,但这些合金的适当烧结仍是关键性问题。将介绍烧结条件与组成对含Cr粉末冶金钢的力学性能与显微结构的影响。

用先进的温模压制工艺生产高密度汽车零件

高密度压制工艺(温模压制)扩大了粉末冶金零件的应用范围。鉴于一次压制/一次烧结(1P/1S)所达到的密度已超过了7.3 g/cm^3,这种成本可行的零件生产方法,往往是最新高密度汽车零件应用采用的方法。达到较高零件密度的关键的第一步是改进润滑剂与预混合工艺,以将润滑剂的含量减小到预混合粉重量的0.25%。本文详述了新润滑剂系统,能够使润滑剂含量减低到预混合粉重量的0.25%,并使生坯密度高达7.5 g/cm^3左右。除了生坯密度高外,生坯强度也达到了30 MPa左右;并能将压制与生坯零件后续处理时开裂的可能性减小到最小程度。虽然还不能用于所有类型的零件,但在Cloyes Gear已证明,这种新的粉末预混合粉,对于生产汽车的气门机构零件是成功的。将详述开发工作的情况和得到的生产体验,并讨论其优点与局限性。

先进的烧结-硬化材料在汽车齿轮、凸轮及链轮等中的应用

最近的汽车产业应用,要求具有高表观硬度、高淬透性及高力学性能的粉末冶金零件材料。这些要求往往是相互矛盾的,因此需要开发烧结态具有高表观硬度、良好静态动态力学性能又不会增加后续热处理费用的新材料。传统上,烧结硬化材料具有适用的表观硬度,但力学性能与烧结体密度差。这里将用资料证明具有良好压缩性,高表观硬度及提高力学性能的一系列烧结硬化材料的力学性能。集中讨论这些材料在汽车发动机与变速器中的应用,诸如齿轮、凸轮及链轮等,这些零件目前都是由压制-烧结及热处理工艺或由铸件或锻造材料用常规切削加工生产的。也将讨论用高温烧结来增强其工艺过程。

烧结-硬化钢的尺寸精度

尺寸精度是铁基粉末冶金零件生产工艺的关键参数。除了和标准粉末冶金低合金钢的压制与烧结相关的尺寸变化外,烧结-硬化合金还会产生从奥氏体转变为马氏体的相变。马氏体是钢中密度最低的相,因此,冷却时马氏体的形成会导致零件显著胀大。当马氏体转变为密度较高的铁素体与碳化物显微组织时,回火的淬硬钢发生收缩。这两种相变对零件的尺寸变化都有很大影响。另外,在Cu与C含量高的马氏体区可能有大量残余奥氏体存在。奥氏体相密度最高,所以残余奥氏体会导致压坯胀大较小。除回火处理外,马氏体与残余奥氏体的存在都会影响零件的最终尺寸。本文考察了两个烧结-硬化钢牌号,同时通过不同的后烧结热处理,研究了这两个牌号钢的尺寸变化和显微组织变化。

替代扩散合金化粉末的粘结剂处理粉的研制

为替代扩散-合金化粉末,研制了巧妙设计的粘结剂处理的预混合粉。一类粘结剂处理的材料,符合MPIF标准35"粉末冶金结构零件材料标准"中扩散-合金化材料的化学组成范围。另一类粘结剂处理的预混合粉,是用来替代高性能扩散-合金化材料的,这些材料都是以含Mo1.5%(质量分数)的预合金化低合金钢为基体的。考察了新材料的烧结态和淬火-硬化与回火状态的性能,并将之和化学组成相似的扩散-合金化材料进行了比较。

铁基粉末冶金材料烧结程度的判定

烧结过程可改进压制-烧结的铁基材料的物理-力学性能。烧结时因扩散产生颗粒结合与合金化;随着烧结时间增长,强化材料性能。烧结的作用通过显微组织特征(诸如颗粒边界与孔隙边缘)的变化可以看出。烧结的一些改进表现为颗粒边界消失,孔隙边缘变得较平滑和颗粒间尖角特征数量减少。一般将这些特征与特性的外观和它们发生的频率一起当做是烧结程度。用众所周知的体视技术(Stereological practies)与适当制备的金相试样,可以判定烧结程度。关于判定与区分烧结程度不同的材料,将讨论3种试验方法。另外,将用烧结时间不同的铁-铜-碳预混合粉材料的图像来说明这些显微组织的变化。

添加铜合金的方法对烧结Fe-Cu-C钢的尺寸敏感性的影响

在用压制-烧结工艺制造粉末冶金零件中,Fe-Cu-C是最常用的合金系统。这个合金系统有许多优势;优异的力学性能,烧结性及可竞争的生产成本。可是,当最终客户要求成品零件的尺寸进行更精密控制时,由于这种合金内在的尺寸易变性,其是不易达到的。改变添加铜或钢合金的方法时,会影响这个合金系统的尺寸稳定性。这个工作研究了使用添加雾化铜粉,扩散合金化的Fe-Cu粉及化学粘结铜粉的方式添加铜时,烧结Fe-Cu-C钢的力学性能,尺寸及显微组织的差异。

可得到高使用性能的一次压制／一次烧结生产工艺

高密度粉末冶金零件(PM)意味着力学性能增高与零件的使用性能改进。虽然,高密度零件生产工艺不是新工艺(熔渗铜与二次压制/二次烧结工艺都已应用了许多年),但是最近10多年的发展,使着用一次压制/一次烧结工艺已可得到较高的密度。这些先进的生产工艺叫做温压,其是一种利用有专利权的润滑剂与温模或温热粉末相结合的压制工艺。其在得到高密度烧结件的同时,仍然可保持粉末冶金固有的优势。可得到高密度的其它粉末冶金工艺还有模壁润滑与选择性表面致密化。对于每一种方法都进行了述评,并附带用资料证明了材料的性能与使用性能。

烧结硬化材料在现代汽车齿轮、链轮、凸轮中的应用

近年来,汽车产业内部要求应用的材料需要具有高表观硬度、高淬透性以及提高力学性能。这些往往-矛盾的要求迫使寻找开发新材料,这些新材料必须不增大后续热处理的费用,能够提供较高的烧结态表观硬度及良好的静态/动态力学性能。传统的烧结硬化材料虽然提供适用的表观硬度,但力学性能与烧结体密度却不高。本文将用许多文献资料证明,一系列烧结硬化材料既有好的压缩性、高表观硬度,又能增高力学性能。将着重讨论这些材料在汽车(包括发动机与变速器)的,诸如齿轮、凸轮及链轮中的应用。这些零件当前是用压制-烧结-热处理工艺,或者是用常规的铸锻材料-切削加工制造的。还将讨论用高温烧结来强化生产工艺。

制造高密度零件的一种新工艺

介绍一种制造零件的粉末冶金新工艺,制造的零件性能可能相当于或好于球墨铸铁,密度可达7.55g/cm3。这一工艺正处于初期研发阶段,它实质上是一种首创性技术,在很大程度上既不是依靠高压力压制,也不是利用高温烧结。这一工艺有可能用于经济地生产大型零件,因为所需生坯密度低于6.8g/cm3,典型工艺温度为1175℃。本文将详细介绍当前对该工艺与技术依据的了解。

高密度烧结-硬化材料的性能与应用

烧结-硬化材料的特点是淬透性高,这使着在加速冷却时可形成的马氏体的量(体积分数)>80%。但是,这些中等合金化的材料往往压缩性较低,从而导致密度较低,限制了其在高强度零件中的应用。为了使这些材料用于新的高强度零件用途,需要用何种方法来增高当今烧结-硬化材料的生坯与烧结件的密度呢?本文阐述了如何用新合金化系统和先进的粘结剂技术相结合,来增高标准的烧结-硬化合金的生坯与烧结件密度。将说明导致的力学性能改进,以及高密度烧结-硬化材料可能在像高强度齿轮之类用途中找到应用。

现行烧结-硬化工艺回顾

烧结-硬化工艺,因为不需要再进行热处理,已发展成制造淬硬粉末冶金零件非常有效的一种减低成本的生产方法。最近几年,在烧结-硬化材料系统和烧结炉技术方面都取得了进展。这篇论文将评述这些进展和制造优质烧结-硬化零件所需要的一些关键工艺参数。涉及的具体内容有:合金选择,力学与疲劳性能,显微组织改进,烧结炉冷却速率最佳化及正确的回火周期。

烧结-硬化时冷却速率的影响

烧结-硬化正在成为应用范围较广的生产高强度粉末冶金零件的生产工艺。这种工艺能够使钢件在烧结炉中直接形成马氏体,使得用这种工艺生产的零件性能接近于淬火-回火钢件的性能。也省掉了单独的热处理作业,经济效益也很高。因为烧结-硬化的成功取决于烧结后加速冷却时,钢件稳定地形成高含量马氏体显微组织的能力。所以本文将研究从烧结温度开始冷却速率的变化对粉末冶金钢的显微组织、硬度及性能的影响。也将进一步说明如何利用比较设备末端淬火与烧结炉的冷却曲线来改进烧结-硬化工艺。

双相沉淀硬化粉冶不锈钢的开发

不锈钢可通过压制与烧结水雾化粉末来制取。粉冶品级的不锈钢有铁素体、奥氏体、马氏体、两相(铁素体+奥氏体)、双相(铁素体+马氏体)以及沉淀硬化(马氏体)等不锈钢。开发双相粉冶不锈钢反映了对较高强度、较高延性与韧性的需求在增长。在本研究中,开发出一种新的低成本粉冶不锈钢,它将双相(铁素体+马氏体)显微结构与沉淀硬化的优点结合在一起。它与其他沉淀硬化合金不同,尽管这种不锈钢在时效后强度与韧性有所提高,但延性与冲击韧度的提高更大。借助组成与显微结构评估了新合金的力学性能。

MIM Fe-2Ni-0.8C的烧结

鉴于水雾化工艺比气雾化与化学法可节约成本,长期以来,在粉末注射成形工艺中使用水雾化粉末,一直是个值得注意的领域,在这个研究课题中,研究了水雾化Fe-2Ni粉末在研磨与接收状态下的烧结特性.研究了粒度、含碳量、加热速率、烧结温度与气氛的变化.结果表明,除了烧结温度与气氛的变化外,对烧结体的密度影响最要的因素是颗粒大小、加热速率及表面的化学性质.研磨可改变表面的化学性质与减小颗粒大小,这二者都会使烧结件的密度增高。