[发明专利]扩散结合的镍－铜粉末冶金粉末

说明书

技术领域

[001]本发明一般涉及粉末冶金(“P/M”)钢中的成合金元素，特别涉及P/M钢用扩散结合的镍-铜前体粉末添加剂和相关的组合物。

发明背景

[002]铜和镍是P/M钢中两种最常用的成合金元素。铜使钢变硬并加强。其在烧结过程中熔融，因此在钢中可以使用相对粗的铜粉而不损害机械性能。在P/M中较细的铜粉是合乎需要的。然而，成本对于获得的利益来说通常太高了。镍也增加钢的硬度和强度，同时使其具有良好延展性能。因为可以使用粗的铜粉，所以与镍相比，加入铜的成本低。因为镍在烧结的过程中不熔融，所以通过使用较细的粉末来加入镍。较细的粉末通过固态扩散可以有较好的分布。

[003]铜的液相烧结在钢中有副作用，因为它使P/M零件膨胀。含铜零件的尺寸膨胀会相当高，从而使它们超出规格，并且降低密度。零件生产商常常向含铜的钢中加入镍，因为镍引起致密化，抵消由铜造成的膨胀。

[004]通常以两种方式向钢母粉(steel master powders)(一般是铁加碳)中加入合金粉末：以混合粉的形式或以完金预合金粉的形式。混合粉是通过将铁或钢粉与所需的元素形式的成合金元素混合而制备的。完全预合金的钢粉是通过将含所需成合金元素组成的钢水雾化成粉末而制造的。杂化粉末结合了这两种合金化方法，由此预合金的铁粉与合金粉末混合。

[005]与预合金粉相比，混合粉显著不利，因为它们易于：a)在运输和加工的过程中(由于组分不均匀组成导致)的偏析；和b)在处理的过程中粉化。出现前一种不理想的偏析现象是因为粉末是由常常在尺寸、形状和密度上明显不同且物理上没有互相连接的颗粒组成的。因此，混合粉在它们运输和处理的过程中易于偏析。此偏析导致由该混合粉制造的生压坯的组成发生改变，因此导致在随后的烧结操作过程中尺寸变化发生改变，并导致烧结状态中机械性能发生改变。混合粉的另一个缺点是它们粉化的倾向，特别是如果成合金元素以非常小的颗粒的形式存在时是这种情况。

[006]在完全预合金粉中，偏析不是问题，因为每个颗粒具有相同的组成。由于没有非常细小的微粒，所以粉化更不成为问题。然而，因为固溶硬化效应，即各种成合金元素都在基质铁粉上，所以预合金粉远不如混合粉可压缩。

[007]尽管有这些缺点，但使用混合粉仍比完全预合金粉具有某些优点。P/M钢的机械性能直接与它们的密度有关，而密度又进而直接与组成该钢的粉末的压缩性有关。此外，混合粉更为经济。在P/M钢中总是混合铜，同时优选混合镍来保持铁粉的压缩性。

[008]元素与铁粉的扩散合金化是采取的减轻粉末混合物中偏析和粉化问题的第一步。英国专利1,162,702公开了部分热退火成合金元素的概念。现在，铁粉制造者制造具有扩散合金化到铁表面上的成合金元素(例如镍、铜、钼)的各种铁粉产品。通常，将这些扩散合金化的共混物看作高性能的材料，并且在需要于最终的零件中获得高的物理性能时使用。虽然在P/M零件往往较小并且需要较高性能的欧洲广泛使用，但这些粉末的成本相对高，从而它们在零件较大，材料成本在成品零件成本中是更重要因素的北美使用不那么广泛。

[009]新近研究了另一种削弱由混合粉引起的偏析和粉化问题的方案。使用有机树脂试剂将各种颗粒粘合在一起。此研究已经改进到树脂粘合的铁粉在性能上可以与相似组成的扩散结合的铁粉竞争的程度。然而，对在树脂粘结的过程中非常细的粉末添加剂与铁粉团聚的一些问题的报道表明在一些材料中需要非常仔细的加工来保持产品质量。尽管比扩散结合的铁粉廉价，但树脂粘合的铁粉给混合铁粉带来了额外的处理和加工步骤，因此给P/M零件制造者带来材料成本代价(penalty)。

[0010]公开树脂粘合(也称为粘合剂处理)的第一个已知专利是美国专利US 4,483,905。使用粘合剂显著提高细小添加剂(即-44μm Fe-P)与粗的铁粉的结合并使大规模钢共混物中石墨(碳)的偏析最小。该专利中优选的粘合剂是：聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙烯醇和甘油，因为它们的化学和物理稳定性(随着时间的过去能够保持颗粒粘合而不变硬的能力)，并且在烧结操作的过程中能够容易地烧掉。

[0011]美国专利US 4,834,800确定了其它适合于使用相似工艺的粘合剂处理铁粉的试剂。该专利关注使用不溶于水的聚合物树脂作为优选的试剂。

[0012]美国专利US 5,069,714选择了一种于任何在前粘合剂处理专利中都未提及的特定粘合剂聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)，并描述了用于实施粘合剂处理工艺的基于溶剂的工艺。