燒結(jié)工藝對(duì)鐵基粉末冶金組織性能影響研究

胡乃悅等

摘要：借助傳統(tǒng)金相、XRD及掃描電鏡測(cè)試技術(shù)，研究了不同燒結(jié)工藝對(duì)鐵基粉末冶金組織性能的影響，優(yōu)化了燒結(jié)工藝。將一定比例的鐵粉進(jìn)行充分混合后壓制成型，在不同溫度下進(jìn)行燒結(jié)，隨爐冷卻到室溫或淬火。利用電子顯微鏡進(jìn)行金相分析，掃描電鏡觀察微觀組織及斷口形貌，測(cè)量測(cè)密度與耐磨性等綜合性能。研究結(jié)果表明，燒結(jié)溫度越高，粉末顆粒被燒結(jié)的程度越好，組織均勻性明顯提高，材料的硬度、耐磨性也得到提高。

關(guān)鍵詞：鐵基粉末冶金；燒結(jié)工藝；粒度；性能

鐵基粉末冶金材料是發(fā)展迅速的工程材料。近年來，由于具有優(yōu)異的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，鐵基粉末冶金材料逐漸取代部分傳統(tǒng)的鍛鑄材料在機(jī)械、航天、農(nóng)機(jī)，特別是汽車工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，制造像汽車齒輪、齒類零件和凸輪軸等幾何形狀復(fù)雜，加工困難或加工成本高的部件。目前，粉末冶金技術(shù)正向著高致密化高性能化集成化和低成本等方向發(fā)展[1]。

1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)樣品采用在200目鐵粉中添加3 %的400目、3%的800目和0.3%的3000目的羰基鐵粉，0.2%碳粉。在研缽中均勻混合30min-50min后，將粉末置于鋼模中用平板硫化機(jī)采用單向壓制出直徑為20mm，高為5mm的圓柱形試樣，壓力定位600MPa。按照表1中的各種配方成型件燒結(jié)熱處理工藝，將試樣置于箱式電阻爐進(jìn)行燒結(jié)，用耐火土覆蓋[2]。成品試樣測(cè)試內(nèi)容包括斷口掃描、XRD、密度測(cè)試、金相組織觀察等[3]。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由試樣在不同燒結(jié)溫度下燒結(jié)金相照片圖1可以看出，當(dāng)燒結(jié)溫度為1000℃時(shí)，粉末基本得到燒結(jié)，但也存在組織不均勻，鐵顆粒之間燒結(jié)不夠充分，還沒有擴(kuò)散連接的部位，；當(dāng)燒結(jié)溫度為1050℃時(shí)，燒結(jié)效果也要優(yōu)于1000℃；當(dāng)燒結(jié)溫度為1100℃，可以看到組織較均勻，也看不到明顯的碳顆粒，鐵粉之間得到了很好的燒結(jié)，缺陷也有所減少，組織均勻程度好[4]。

從表2可以看出，在相同的成分下，隨著溫度的提高，試樣密度也在提高。在1100℃下燒結(jié)密度最高，950℃下燒結(jié)密度最低?？傮w趨勢(shì)呈上升。

從表3可以看出，在1100℃下燒結(jié)耐磨性最高，950℃下燒結(jié)耐磨性最低，總體趨勢(shì)呈上升。原因是在相同的成分下，隨著燒結(jié)溫度的提高，硬度與致密度隨之提高，而耐磨性與硬度和致密度有關(guān)系，一般而言耐磨性隨著硬度和致密度的提高而提高[5]。

通過XRD可以看出，試樣的主要成分為鐵，沒有其他氧化物和雜質(zhì)，說明在燒結(jié)過程中，試樣不存在被氧化的現(xiàn)象。試樣在燒結(jié)過程得到很好的保護(hù)，這樣使得試樣不會(huì)因?yàn)闊Y(jié)氧化而降低力學(xué)性能。

在圖3（a）中，表現(xiàn)為典型的顆粒狀與韌窩狀混合斷口。從斷口形貌分析，鐵顆粒之間燒結(jié)比較充分，存在少量還沒有擴(kuò)散連接的部位。從圖3（b）中可以看到，斷開的鐵顆粒上更多的塑性撕裂棱和較多的“韌窩”。所測(cè)產(chǎn)品的密度為6.77g/cm3，硬度為81.5HB。因此添加了不同粒度的粉末后，可以使得在降低燒結(jié)溫度的情況下，使之綜合性能獲得顯著的提高。

3.工藝對(duì)比

我們實(shí)際了解到傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝，燒結(jié)過程分為以下幾個(gè)階段：預(yù)熱階段：指壓坯從進(jìn)入爐中到進(jìn)入高溫?zé)Y(jié)前的準(zhǔn)備階段，溫度在600℃～950℃之間。實(shí)際生產(chǎn)中粉末件在600℃預(yù)熱半小時(shí)。燒結(jié)階段：鐵基材料的燒結(jié)溫度為1050℃～1250℃，實(shí)際燒結(jié)溫度一般為1150℃左右，保溫兩個(gè)個(gè)小時(shí)。冷卻階段：鐵基粉末件經(jīng)燒結(jié)后，迅速放入油中進(jìn)行淬火。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)其燒結(jié)工藝進(jìn)行了優(yōu)化，其燒結(jié)工藝是，試樣隨爐升溫到650℃，保溫半小時(shí)，然后將溫度分別上升到1150℃并保溫2小時(shí)，然后油淬。

圖4傳統(tǒng)工藝的燒結(jié)試樣圖5 1150℃燒結(jié)油淬試樣

由掃描電鏡圖片可以看出，兩種燒結(jié)工藝下到粉末均能得到良好的燒結(jié)，圖4中可以明顯看到空隙，圖5中只存在少量的空隙。由此可以看出，雖然在燒結(jié)工藝上存在差異，但得到的燒結(jié)組織并沒有太大不同，這說明通過在200目鐵粉中添加定比例的更細(xì)的鐵粉，能夠起到優(yōu)化燒結(jié)工藝，降低燒結(jié)時(shí)間的作用。這對(duì)未來粉末冶金行業(yè)的發(fā)展有積極意義。

4.結(jié)論

4.1燒結(jié)溫度升高達(dá)到1100℃時(shí)，所研究鐵基粉末冶金材料的平均硬度達(dá)到81.5HB、密度為6.77g ∕cm3、耐磨性也增加。這歸因于良好的燒結(jié)工藝使試樣得到較好的燒結(jié)，試樣致密化程度提高以及組織均勻化程度增加。

4.21150℃燒結(jié)后淬火后的掃描電鏡圖片可以看出，在200目鐵粉中添加一定數(shù)量的更細(xì)粉末可以起到縮短燒結(jié)時(shí)間的作用。

4.3采用隨爐升溫到650℃，保溫半小時(shí)，然后將溫度分別上升到1000℃并保溫2小時(shí)，然后油淬的生產(chǎn)工藝，就可以使綜合性能達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)使用性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮琴.粉末冶金材料在摩托車上的應(yīng)用[J].摩托車技術(shù)，2003：3-14.

[2]毛志強(qiáng).粉末冶金零件在汽車上的應(yīng)用[M].粉末冶金工業(yè)，2003，13（1）：8-11.

[3]You Wang，Tingquan Lei，Wear behavior of steel 1080 with different microstructures during dry sliding[J]. Wear， 1996， 194 ： 44-53.

[4]王爾德，胡連喜.機(jī)械合金化納米晶材料研究進(jìn)展[J].粉末冶金技術(shù)，2002 ，20 （3） ： 135-139 .

[5]馬金龍，童學(xué)鋒，彭虎，燒結(jié)技術(shù)的革命，微波燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀[J ].新材料產(chǎn)業(yè)， 2001 ， 96 （6） ：30-32.

作者簡(jiǎn)介：胡乃悅（1990—），男，安徽蚌埠人，碩士研究生，研究方向：鐵基粉末冶金材料。