粉末冶金溫壓鐵基合金的力學(xué)性能研究

閔 生,黃鈞聲

(廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院,廣東 廣州 510006)

粉末冶金溫壓鐵基合金的力學(xué)性能研究

閔 生,黃鈞聲

(廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院,廣東 廣州 510006)

采用粉末內(nèi)潤滑溫壓工藝制備了 Fe-4Ni-1.5Cu合金與Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C合金.在溫壓溫度100℃、壓制壓力750 M Pa的條件下,加入潤滑劑COM和石墨粉后可以制備出燒結(jié)密度7.18 g/cm3、硬度87HRB、屈服強(qiáng)度488 M Pa、抗拉強(qiáng)度537 MPa、斷后伸長率4.3%的 Fe-4Ni-1.5 Cu-0.5C合金材料;粉末中加入石墨后,在其燒結(jié)試樣中形成了珠光體、馬氏體等較為復(fù)雜的多相組織,強(qiáng)化了基體組織.

粉末冶金;溫壓;粉末內(nèi)潤滑;力學(xué)性能

材料和能耗是當(dāng)今零件制造業(yè)中最重要的兩個技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),在這方面,粉末冶金工藝顯示出良好的優(yōu)勢.在大批量生產(chǎn)形狀較為復(fù)雜、尺寸精度高、性能穩(wěn)定的零部件時,粉末冶金工藝比傳統(tǒng)的鑄造工藝具有更多的競爭優(yōu)勢,符合低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求.目前,各國經(jīng)過多年的研究,開發(fā)出多種不同的生產(chǎn)工藝,如高溫?zé)Y(jié)、滲銅技術(shù)、復(fù)壓復(fù)燒、粉末鍛造、熱等靜壓、噴射沉積、溫壓工藝、快速壓制等工藝[1-3].由于這些工藝存在著不同程度的成本高和零件尺寸精度低等問題,使本富于竟?fàn)幜Φ腜/M零件的潛力難以得到充分發(fā)揮.近十幾年來,國外又成功開發(fā)了粉末冶金溫壓技術(shù),以其經(jīng)濟(jì)可行性引起了轟動并獲得了很大的商業(yè)成功,已被認(rèn)為是20世紀(jì)90年代以來粉末冶金零件生產(chǎn)技術(shù)方面最重要的一項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步.

關(guān)于鐵鎳銅系材料溫壓的相關(guān)研究,目前已取得較快進(jìn)展.如沈元勛等[4]采用溫壓模壁潤滑工藝,以鐵基粉末(94Fe+2Cu+2Ni+1Mo+1C)為基粉并混合質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%的聚合物,在壓制溫壓溫度130℃和壓制壓力700 M Pa下得到密度高達(dá)7.32 g/cm3、硬度達(dá)295HB,抗拉強(qiáng)度高達(dá)853 M Pa的零部件.李金花等[5]采用模壁潤滑溫壓工藝,以鐵基粉末(Fe+2Cu+1C)為基粉并混以0.6%新型潤滑劑,在壓制溫壓溫度140℃和壓制壓力610 M Pa的條件下,得到密度達(dá) 7.18 g/cm3、拉強(qiáng)度達(dá) 537 M Pa的鐵基粉末冶金材料.Abolfazl Babakhani,H.Shokrollahi等[6-7]也獲得了高性能的燒結(jié)部件.本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn),采用一種新型有機(jī)高效潤滑劑,并只使用粉末內(nèi)潤滑的溫壓工藝,研制出Fe-Ni-Cu合金與Fe-Ni-Cu-C合金材料.試驗(yàn)中所使用的潤滑劑價(jià)格低廉,生產(chǎn)工藝簡單易操作,以期減少成本和生產(chǎn)周期的同時可以得到所需合格的零部件材料.

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試料

赫格納斯(中國)有限公司生產(chǎn)的溫壓專用粉末Distaloy AE,其粒徑d＜147μm,化學(xué)成分為 Fe-4Ni-1.5Cu;石墨粉C;潤滑劑為日本新型有機(jī)高效潤滑劑COM.

1.2 試樣制備

A組原料為5 kg Distaloy AE+40g COM,B組原料為5 kg Distaloy AE+40g COM+25g C,將A,B兩組原料分別在V型混粉機(jī)中混合成兩組溫壓粉末.采用揚(yáng)州偉達(dá)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 PH-80T溫壓粉末成型機(jī),在壓制壓力750 M Pa、溫壓溫度100℃的條件下分別將A和B兩組粉末壓制成形,制得A、B兩組生坯試樣,每組 20個,試樣尺寸為GB7963-1987規(guī)定的扁平拉伸試樣.在分解氨氣氛中,在燒結(jié)溫度為1120℃的網(wǎng)帶式連續(xù)燒結(jié)爐中將生坯燒結(jié) 30 min,然后自然冷卻得到燒結(jié)合金試樣.

1.3 測試方法

用排水法測燒結(jié)試樣的密度;在布洛維光學(xué)硬度計(jì)上測試洛氏硬度值 HRB;采用電液伺服微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),并計(jì)算出燒結(jié)試樣斷后伸長率;采用金相顯微鏡觀察金相組織;采用日本日立公司生產(chǎn)的 S-3400N-II型掃描電子顯微鏡(SEM)對拉伸斷口進(jìn)行觀察和分析.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 密度

粉末冶金材料的密度對其性能有著重要的影響.采用排水法測得的平均密度列于表1.

表1 燒結(jié)試樣的硬度、密度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率Table 1 Hardness,density,yield strength,ultimate tensile strength and elongation after fracture of sintered samples

由表1可看出,所制得的試樣都有較高的燒結(jié)密度,加石墨粉的B組試樣的密度稍低.其主要原因,一方面是采用的新型有機(jī)高效潤滑劑在溫壓溫度范圍內(nèi)以熔融狀態(tài)為主,很大程度上提高了粉末之間的潤滑效果,大大地減小了顆粒之間的摩擦阻力,提高了有效壓力;另一方面,潤滑劑的良好潤滑效果促進(jìn)了顆粒的重排,有效地提高了粉末的塑性變形程度.此外,石墨本身也具有一定的潤滑作用,會增強(qiáng)顆粒之間的潤滑效果,但是由于其本身密度較小,會稍微降低合金材料的密度.結(jié)果表明,所采用的新型有機(jī)潤滑劑COM在一定的壓制壓力和壓制溫度下表現(xiàn)出了很好的潤滑效果,可以得到密度較高的 Fe-4Ni-1.5Cu合金與 Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C合金材料.

2.2 力學(xué)性能

所測樣品的硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均列于表1.由表1可知,兩組試樣都達(dá)到了較高的硬度,只是B組的硬度稍高;與A組試樣相比,加石墨的B組試樣,其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高98 M Pa和53 M Pa,斷后伸長率也稍增大,達(dá)到4.3%.B組試樣的綜合性能如硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等均高于A組,是由于加入的石墨,形成了珠光體、奧氏體、馬氏體等較為復(fù)雜的相組織(圖2),該組織具有良好的燒結(jié)強(qiáng)化效果.另外,加入的碳降低了銅對鐵的潤濕性,使銅富集于小顆粒和晶界處,而鎳可以充分?jǐn)U散,最終獲得了較為均勻的組織,大大地提高了材料的力學(xué)性能.

結(jié)果表明:新型有機(jī)潤滑劑COM在壓制壓力750 M Pa、溫壓溫度100℃的條件下表現(xiàn)出了較好的潤滑效果,加入石墨粉后得到的 Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C合金可用于硬度要求較高且成本要求較低的場合.

2.3 顯微組織和斷口形貌

圖1是Fe-4Ni-1.5Cu試樣的顯微組織,其中顆粒狀的是由鐵鎳銅形成的固溶體相,其余的是純鐵相.圖2是Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C試樣的顯微組織.圖2中深灰色的相是珠光體,淺灰色的相是鐵素體,灰白色的相是奧氏體,淺灰色的邊界區(qū)域主要是馬氏體.

圖3是綜合性能較好的Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C燒結(jié)試樣拉伸斷口的掃描照片.由圖3可看出,斷口存在一些細(xì)小的孔洞,斷面主要由韌窩和解理斷面組成,其斷裂機(jī)理是韌性斷裂和解理斷裂共存的混合型斷裂.

圖1 Fe-4Ni-1.5Cu試樣顯微組織Fig.1 Themicrostructureof Fe-4Ni-1.5Cu

圖2 Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C試樣顯微組織Fig.2 The microstructure of Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C

圖3 Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C試樣斷口形貌Fig.3 SEM fracture surface morphology of Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C

3 結(jié) 論

在溫壓溫度100℃、壓制壓力750 M Pa的條件下,加入新型有機(jī)潤滑劑COM和石墨后可得到燒結(jié)密度達(dá)7.18 g/cm3、硬度達(dá)87HRB、屈服強(qiáng)度達(dá)488 M Pa、抗拉強(qiáng)度達(dá) 537 M Pa、斷后伸長率達(dá)4.3%的Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C合金材料.加入碳后,可形成珠光體、馬氏體等較為復(fù)雜的多相組織,強(qiáng)化了基體組織.

[1]黃培云.粉末冶金原理[M].第2版.北京:冶金工業(yè)出版社,1997:377-380.

[2]韓鳳麟.粉末冶金機(jī)械零件[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1987:115.

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Research on mechan ical properties of iron-based alloys by warm com paction powder metallurgy

M IN Sheng,HUANGJun-sheng
(Faculty of M aterial and Energy,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)

Fe-4Ni-1.5Cu alloy and Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C alloy were p repared by pow der lubrication warm compaction.Results show that under the conditions of compaction p ressure of 750 M Pa and compaction temperature of 100℃,the Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C alloy p resents 7.18g/cm-3sintered density,87 HRB hardness,488M Pa yield strength,537 M Pa ultimate tensile strength and 4.3%elongation.The addition of C into the pow der can form multiphase microstructures such as pearlite and martensite,w hich is beneficial to enhance matrix.

pow der metallurgy;warm compaction;pow der lubrication;mechanical p roperties

TF124

A

1673-9981(2011)01-0039-03

2010-10-15

閔生(1984—),男,安徽蚌埠人,碩士研究生.