滲銅處理對鐵基粉末冶金零件性能及尺寸精度的影響

符乃科，李篤信，陸冠華，張 鋒

1.中南大學(xué)粉末冶金研究院，湖南 長沙 410083；2.廣州省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院）粉末冶金研究所，廣東 廣州 510650

隨著粉末冶金技術(shù)的發(fā)展，粉末冶金結(jié)構(gòu)件在各行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，為鐵基粉末冶金零件的應(yīng)用提供了更大的市場.同時，市場對粉末冶金零件性能的要求也越來越高，不僅要有良好的耐磨性、耐沖擊性，又要保持較高的強度和硬度.但采用常規(guī)的壓制－燒結(jié)工藝制造的粉末冶金燒結(jié)鋼零部件，壓制過程中不可能達到完全致密的狀態(tài)，其中殘留的孔隙作為一種缺陷會影響其性能.鐵基粉末冶金零件往往存在強度不高、硬度不足等問題，致使其不能滿足使用要求.因此，消除或減少其殘留孔隙是獲得高致密性、高性能燒結(jié)鋼的最有效途徑，而滲銅處理就是一種常用的方法.研究表明［1－3］，用銅或銅合金粉末對燒結(jié)鋼進行熔滲能明顯減少或消除燒結(jié)鋼中的孔隙、提高密度、改善其力學(xué)性能和動力學(xué)性能等.滲銅處理較傳統(tǒng)的復(fù)壓復(fù)燒、粉末鍛造、溫壓等致密化工藝具有成本低、工序簡單、易調(diào)整等優(yōu)點，目前已成為生產(chǎn)高性能鐵基粉末冶金零部件不可或缺的致密化工藝［1］.

本文以Fe－Cu－C作為基體，研究在不同壓坯密度熔滲燒結(jié)時，滲銅量對其機械性能及尺寸精度的影響，為實際生產(chǎn)工藝和模具設(shè)計提供有效的數(shù)據(jù)依據(jù).

1 試驗過程

1.1 試 料

0.150 mm（100目）水霧化鐵粉的化學(xué)成分和物理性能分別列于表1和表2.0.075mm（200目）電解銅粉的化學(xué)成分和物理性能滿足GB／T5246－1985規(guī)定的FTD3型號的技術(shù)要求.0.0374mm（400目）高純鱗片石墨粉的化學(xué)成分列于表3.實驗中添加Cu和C的質(zhì)量分數(shù)分別為3.0%，1.0%，添加微型蠟質(zhì)量分數(shù)為0.8%，在V型混料機中將鐵粉、銅粉、石墨粉和微型蠟混合2h后，用篩孔0.18mm（80目）的篩網(wǎng)過篩獲得試驗粉料.

表1 水霧化鐵粉的化學(xué)成分Table 1 The chemical composition of water－atomized iron powder

表2 水霧化鐵粉的物理性能Table 2 The physical properties of water－atomized iron powder

表3 高純鱗片石墨粉的化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of high－purity foliate graphite

1.2 試樣制備

在100t油壓機上分別壓制基體密度為6.6，6.8，7.0g／cm3的三種基體試樣，然后按試樣質(zhì)量的5%，10%，15%，20%分別壓制相應(yīng)質(zhì)量、形狀相同的滲銅坯樣，并將其置于基體壓坯上面一起放入網(wǎng)帶爐中，在HN3分解氣氛保護下，經(jīng)1125℃，1.5h熔滲燒結(jié)制成樣品.

1.3 測試方法

在TG728B型單盤光電分析天平上秤試樣質(zhì)量，用排水法測定試樣密度，用HR－150A洛氏硬度計測試燒結(jié)件的硬度，用LEICADMIRM倒置金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織，用WE－10T液壓萬能試驗機測定抗壓強度，用MQ564三坐標測量儀測定試樣尺寸.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 滲銅量對燒結(jié)試樣硬度及抗壓強度的影響

三種基體密度不同的試樣，經(jīng)滲銅處理后，其硬度和強度隨滲銅量變化的情況如圖1所示.由圖1可看出，滲銅處理對燒結(jié)后試樣硬度和強度的影響是很顯著的.三種不同密度試樣的硬度和強度，都隨滲銅量的增加而提高，但增幅隨基體密度增加逐漸減小.當滲銅質(zhì)量分數(shù)達15%時，基體密度為6.6，6.8g／cm3試樣的硬度分別從HRB70和HRB78提高到HRB93和HRB97，抗壓強度分別從830MPa和930MPa提高到1100MPa和1230MPa，而基體密度為7.0g／cm3試樣的硬度和強度分別達到HRB100和1300MPa的峰值.當滲銅量增至質(zhì)量分數(shù)20%時，密度7.0g／cm3試樣的硬度和強度不僅沒得到提升反而略有下降.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，一方面是由于銅對基體固溶強化的結(jié)果.當銅含量太少時，銅在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的固溶強化效果可能是局部或整個組織的輕微強化.隨著滲銅量的增加，固溶強化的作用逐漸增強，硬度值也就不斷上升.另一方面，當燒結(jié)溫度超過銅的熔點（1083℃）時，隨著滲銅量的增加，液體銅在毛細管力的作用下迅速沿鐵粉顆粒表面浸透，包裹在鐵粉顆粒表面并向顆粒內(nèi)部擴散溶解，形成含銅質(zhì)量分數(shù)8%的固溶體，而多余的液相銅迅速填充于燒結(jié)基體內(nèi)部連通孔隙，減少或消除孔隙，促使基體致密化，從而強化基體的力學(xué)性能.銅熔滲鐵基合金時，液相銅會在鐵及其它合金顆粒表面形成所謂的“載體相”.該相成為物質(zhì)遷移的載體，并通過溶解－析出機制，使合金元素均勻分布于基體上［2］.當滲銅質(zhì)量分數(shù)超過15%后，基體中的游離銅不斷增多，并以單質(zhì)銅軟相析出，從而降低了基體材料的表面硬度和強度.

圖1 滲銅量對燒結(jié)試樣物理性能的影響Fig.1 The effect of copper infiltration on physical properties of sintered samples

2.2 滲銅量對燒結(jié)試樣徑向尺寸及密度的影響

圖2 和圖3分別為滲銅量對燒結(jié)試樣徑向尺寸和密度影響的曲線.從圖2可看出，基體密度越高，燒結(jié)膨脹率越大.當滲銅質(zhì)量分數(shù)低于10%時，三種密度試樣的燒結(jié)膨脹率都變化不大；滲銅質(zhì)量分數(shù)超過10%后，試樣的燒結(jié)膨脹率均大幅增加.當滲銅質(zhì)量分數(shù)達20%時，基體密度6.6g／cm3試樣的燒結(jié)膨脹率急劇升至0.48%，基體密度7.0g／cm3試樣的燒結(jié)膨脹率達0.66%.由圖3可知，隨滲銅量的增加，三種基體密度試樣的燒結(jié)密度都是逐漸提高；當滲銅質(zhì)量分數(shù)超過15%后，燒結(jié)密度增幅減小，而且基體密度越高，其燒結(jié)密度增幅越小.這是因為滲銅燒結(jié)屬于液相燒結(jié)，液相銅不斷填充基體孔隙，促使基體致密化，從而提高了試樣的密度.但隨著基體密度的提高，孔隙率減小，而滲銅量過多時，多余的銅相從基體表面析出，體積膨脹，所以對密度的提高并不明顯.

圖2 滲銅量對燒結(jié)試樣徑向尺寸的影響Fig.2 The influence of copper infiltration on the radial size

圖3 滲銅量對燒結(jié)試樣密度的影響Fig.3 The influence of copper infiltration on the density

2.3 滲銅前后試樣金相組織

圖4 為基體密度6.8g／cm3的試樣在滲銅前后燒結(jié)樣品的金相顯微組織.由圖4（a）可見，滲銅前其基體組織主要為層片狀珠光體和少量鐵素體.圖4（b）顯示，滲銅后樣品的顯微組織主要為銅、珠光體以及少量鐵素體.這是由于常溫下銅在鐵中的溶解飽和度較小，約0.2%，熔滲燒結(jié)時，大部分銅都以單質(zhì)形態(tài)填充基體的孔隙［4］.

圖4 滲銅前后燒結(jié)樣品的金相組織（a）基體；（b）滲銅20%Fig.4 The metallographic of samples before and after copper infiltration（a）the matrix sample；（b）the 20%copper－infiltrated sample

3 結(jié) 論

以Fe－Cu－C為基體，經(jīng)滲銅處理后，材料的硬度和強度都得到明顯提高，其增幅隨滲銅量的增加而減小.當滲銅量小于15%時，基體密度越高，其燒結(jié)材料的硬度和強度越高.對于基體密度7.0g／cm3的試樣，當滲銅質(zhì)量分數(shù)為15%時，其表面硬度和抗壓強度分別達最大值HRB100和1300MPa.基體密度為6.6～7.0g／cm3的試樣，經(jīng)滲銅20%處理后，表面硬度可達 HRB96～99，抗壓強度可達1120～1280MPa，其微觀組織主要是銅、珠光體和少量鐵素體，燒結(jié)密度可達7.48～7.89g／cm3，徑向膨脹率分別為0.48%～0.66%.

［1］徐景杰，汪禮敏，王林山，等.滲銅燒結(jié)鋼用高性能滲銅劑的研究及應(yīng)用［J］.粉末冶金工業(yè)，2011，12（6）：43－47.

［2］吳曉莉，楊德統(tǒng)，申小平.熔滲銅對高合金燒結(jié)鋼組織的影響［J］.粉末冶金技術(shù)，2001，19（4）：199－203.

［3］張華誠.粉末冶金使用工藝學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

［4］孫加寶，熊翔，黨勝云，等.粉末冶金滲銅鋼的摩擦磨損性能［J］.粉末冶金材料科學(xué)與工程，2013，18（1）：33－38.