La2O3添加量對(duì)Fe-3Mo-3Cr-0.6V-0.5Mn-0.8C合金組織與力學(xué)性能的影響

徐杰，劉如鐵，熊翔，丁煥，陳潔，廖寧

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La2O3添加量對(duì)Fe-3Mo-3Cr-0.6V-0.5Mn-0.8C合金組織與力學(xué)性能的影響

徐杰，劉如鐵，熊翔，丁煥，陳潔，廖寧

(中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083)

以羰基鐵粉、鉬鐵粉、鉻鐵粉、釩鐵粉、錳鐵粉、石墨和稀土La2O3為原料，采用真空燒結(jié)法制備La2O3改性Fe-3Mo-3Cr-0.6V-0.5Mn-0.8C合金，研究La2O3添加量(0.1%~0.7%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))對(duì)合金密度、硬度、組織結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨La2O3添加量增加，合金的晶粒度明顯減小，密度、硬度與抗彎強(qiáng)度都出現(xiàn)“雙峰值效應(yīng)”。當(dāng)合金中加入0.1%La2O3時(shí)，合金具有最高的密度6.79 g/cm3和較高的硬度(HB)240，抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值2 300 MPa，比不含La2O3的合金抗彎強(qiáng)度提高近12%，彎曲斷裂形式由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚?沿晶斷裂的復(fù)合斷裂形式。

燒結(jié)合金鋼；稀土；氧化鑭；力學(xué)性能；雙峰值效應(yīng)；穿晶?沿晶斷裂

鐵基粉末冶金材料具有綜合力學(xué)性能高、原材料價(jià)格低廉、可加工性好等特點(diǎn)[1?2]，在汽車的車體、發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、變速箱等部件中得到廣泛的應(yīng)用[3]。隨著汽車工業(yè)對(duì)節(jié)能、安全、低成本的要求越來(lái)越高，對(duì)高強(qiáng)度高密度鐵基粉末冶金材料的要求更加迫切[4]。稀土具有細(xì)化晶粒、固溶強(qiáng)化、形成新的強(qiáng)化相以及降低有害雜質(zhì)影響等作用[5?8]。在鐵基粉末冶金材料中添加少量稀土，既能促進(jìn)燒結(jié)致密化，又能起到阻礙晶粒長(zhǎng)大和彌散強(qiáng)化的作用[9?10]，從而提高材料的密度和強(qiáng)度。在以往的研究中，稀土添加劑一般是以純稀土[9]和稀土中間合金[10?12]為主，如張弘[12]在基礎(chǔ)配方FMPS中加入適量的無(wú)氧化稀土合金，稀土完全固溶于Fe基體中，起到強(qiáng)化基體、促進(jìn)燒結(jié)的作用，獲得良好的力學(xué)性能。但添加純稀土和稀土中間合金的實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜且成本較高，而稀土氧化物來(lái)源廣泛而相對(duì)便宜，已成為最常見(jiàn)的稀土添加劑[13?16]。范景蓮等[13?14]在超細(xì)Mo復(fù)合粉末中添加Y2O3[13]，在超細(xì)鎢復(fù)合粉末中添加La2O3，都能提高粉末燒結(jié)活性，細(xì)化材料組織；La2O3和Y2O3彌散分布在晶界與晶內(nèi)，細(xì)化晶粒從而提高材料強(qiáng)度。然而以La2O3形式添加稀土對(duì)Fe-Mo-Cr-V-Mn-C合金進(jìn)行改性的研究鮮有報(bào)道。因此本文采用真空燒結(jié)法制備La2O3改性Fe-3Mo-3Cr-0.6V-0.5Mn-0.8C合金，研究La2O3添加量對(duì)合金密度、組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響，為制備高強(qiáng)度高密度鐵基粉末冶金材料提供理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

實(shí)驗(yàn)用原料為羰基鐵粉、鉬鐵粉、鉻鐵粉、釩鐵粉、錳鐵粉、微細(xì)石墨、稀土La2O3。使用石蠟微粉作為成形劑。各原料粉末的純度和粒度列于表1。

表1 原料粉末的純度和粒度

1.2 Fe-Mo-Cr-V-Mn-C合金制備

按照表2所列鐵基合金的名義成分計(jì)算各原料粉末的用量。先將Fe-60Mo粉、Fe-65Cr粉、Fe-50V粉和Fe-80Mn粉裝入行星球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨，以酒精為介質(zhì)，硬質(zhì)合金球?yàn)槟デ?，球料質(zhì)量比為10:1，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min，球磨時(shí)間為12~16 h。球磨后得到機(jī)械合金化粉末，平均粒徑為8.31 μm；再將羰基鐵粉、高能球磨后的粉末、石墨和La2O3裝入行星式球磨機(jī)中，外加2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的石蠟微粉作為成形劑，以酒精作為濕磨介質(zhì)進(jìn)行球磨混合，不銹鋼球?yàn)槟デ?，球料質(zhì)量比為3:1，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為80 r/min，球磨時(shí)間為22~26 h。將球磨后的粉末在鼓風(fēng)干燥機(jī)中于60 ℃下烘干后裝入模具，在700 MPa壓力下雙向壓制成形。然后將壓坯放入氫氣爐中進(jìn)行脫脂，脫脂溫度為750℃，脫脂時(shí)間為1~2 h。將脫脂后的坯體放入真空燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)曲線如圖1所示。隨爐冷卻至室溫，得到5組不同La2O3含量的鐵基粉末冶金材料樣品。

表2 鐵基合金的名義成分

圖1 鐵基合金的真空燒結(jié)工藝曲線

1.3 性能測(cè)試

采用阿基米德排水法測(cè)定合金密度；將燒結(jié)后的合金試樣機(jī)加工成尺寸為30 mm×6 mm×6 mm的彎曲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣，采用Instron萬(wàn)能電子力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試樣的抗彎強(qiáng)度(TRS)。加載速率為2 mm/min，取3個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)試，取平均值，用JSM-5600LV掃描電鏡觀察彎曲斷口的形貌；采用HBRVU-187.5型布洛維光學(xué)硬度計(jì)測(cè)定合金的硬度，加載載荷為1 837.5 N，加載時(shí)間為30 s，每組取3個(gè)試樣，每個(gè)試樣測(cè)量3次，取平均值；采用DM4500P金相顯微鏡與JSM- 5600LV掃描電鏡觀察合金的微觀組織，并利用ImageJ軟件計(jì)算合金的平均晶粒尺寸。

2 結(jié)果與分析

2.1 密度

圖2所示為L(zhǎng)a2O3添加量(La2O3)對(duì)粉末冶金鐵基合金密度的影響。圖3所示為不同La2O3添加量的合金表面金相組織。由圖2和圖3可知未添加La2O3的合金表面孔隙較多，且多為不規(guī)則大孔隙，合金的孔隙率為20.62%。隨(La2O3)增加，大孔隙逐漸減少，轉(zhuǎn)化為形狀規(guī)則的近圓形小孔隙，在(La2O3)為0.1%時(shí)密度達(dá)到最大值6.79 g/cm3。因?yàn)長(zhǎng)a2O3為表面活性物質(zhì)，燒結(jié)過(guò)程中易吸附在晶粒表面而降低晶粒的表面能和晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力，從而起到細(xì)化晶粒、增加晶界數(shù)量的作用，促進(jìn)合金元素的擴(kuò)散，使得燒結(jié)致密化進(jìn)程加快。隨(La2O3)從0.1%增加到0.3%，合金密度逐漸下降到最低值。這是因?yàn)橄⊥猎仉x子含量過(guò)多，生成第二相沉淀，阻礙坯體內(nèi)氣體的排出，從而導(dǎo)致合金的孔隙率增加[17]。(La2O3)從0.3%進(jìn)一步增加至0.5%時(shí)，合金密度逐漸提高，這是因?yàn)楦嗟腖a2O3彌散分布在晶粒之間，晶界得到進(jìn)一步細(xì)化，孔隙的形態(tài)與分布得到改善。但隨(La2O3)從0.5%增加至0.7%時(shí)，大量La2O3彌散分布在晶粒之間，不利于顆粒重排，影響孔隙的球化和均勻化，阻礙試樣的燒結(jié)致密化，合金的孔隙增加，密度降低。La2O3添加量與合金密度之間的這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，稱之為“雙峰值效應(yīng)”[6]。因此，添加適量的La2O3有利于提高粉末冶金鐵基合金的密度。

圖2 La2O3添加量對(duì)鐵基合金密度的影響

圖3 不同La2O3含量的鐵基合金金相組織

(a) 0; (b) 0.1%; (c) 0.3%; (d) 0.5%; (e) 0.7%

2.2 組織結(jié)構(gòu)

圖4所示為不同La2O3添加量的合金掃描電鏡背散射電子照片。從圖4可知，La2O3的加入可明顯細(xì)化鐵基合金的顯微組織，隨(La2O3)增加，組織更細(xì)小，La2O3粒子彌散分布在合金的晶界和晶內(nèi)。經(jīng)ImageJ軟件計(jì)算，5組合金的平均晶粒尺寸分別為19.45，15.06，13.23，12.23和10.88 μm。雖然La2O3含量不同，但合金的物相組成相同，晶粒內(nèi)部由屈氏體(灰黑色相)和貝氏體體(灰白相)組成[18]；由EDS分析可知，晶界處的白色相為富稀土相。

圖4 不同La2O3含量的鐵基合金背散射電子照片

(a) 0; (b) 0.1%; (c) 0.3%; (d) 0.5%; (e) 0.7%; (f) EDS analysis of selected area in the Fig.4 (d)

2.3 力學(xué)性能

圖5所示為L(zhǎng)a2O3添加量對(duì)鐵基合金硬度的影響。由圖可知，隨(La2O3)增加，合金的硬度表現(xiàn)出與密度相同的“雙峰值效應(yīng)”現(xiàn)象。由圖4可知，由于不同La2O3添加量的合金物相組成相同，因此密度是評(píng)價(jià)材料質(zhì)量的重要屬性之一，材料性能與密度密切相關(guān)。同時(shí)稀土能降低碳的活度使其固溶于基體和碳化物中，可提高材料的耐磨性[5]。由圖5可知，(La2O3)為0.5%時(shí)，合金的硬度(HB)達(dá)到最大值255。隨(La2O3)增加，基體中的含碳量增加，因此材料的硬度隨之增大。但(La2O3)增加至0.7%時(shí)，由于合金的密度降低，孔隙增多，導(dǎo)致材料的硬度減小。

圖5 La2O3含量對(duì)鐵基合金硬度的影響

圖6所示為L(zhǎng)a2O3添加量對(duì)合金抗彎強(qiáng)度的影響。由圖可知，合金的抗彎強(qiáng)度同樣表現(xiàn)出與密度相同的規(guī)律，呈“雙峰值效應(yīng)”現(xiàn)象。(La2O3)為0.1%時(shí)，試樣的抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值2 300 MPa，比不含La2O3的合金試樣提高近12%。La2O3對(duì)合金抗彎強(qiáng)度的影響主要包括如下幾個(gè)方面：1) La2O3為表面活性物質(zhì)，可有效促進(jìn)合金的燒結(jié)致密化，材料的致密度提高，因此其抗彎強(qiáng)度隨之提高[19]；2) La2O3作為硬質(zhì)點(diǎn)彌散分布于基體中，起到阻礙晶粒長(zhǎng)大和彌散強(qiáng)化的作用；3) La2O3和奧氏體同屬于NaCl型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，且原子間距非常接近，兩者的失配度很小，可作為異質(zhì)晶核來(lái)細(xì)化晶粒；4) 稀土元素固溶到鐵素體中，導(dǎo)致鐵素體晶格畸變，從而起到固溶強(qiáng)化的作用[20]，但由于La2O3容易在晶界處聚集，(La2O3)過(guò)高時(shí)，在合金基體上形成大量的白色夾雜物，破壞基體的連續(xù)性，導(dǎo)致材料的性能降低；另有文獻(xiàn)[5]報(bào)道，當(dāng)稀土氧化物添加過(guò)量時(shí)，由于稀土碳化物的自由能低于滲碳體，多余的稀土氧化物會(huì)消耗合金的一部分碳生成稀土碳化物，破壞碳化物形狀，不利于滲碳體和珠光體的形成，從而影響合金的力學(xué)性能。所以，當(dāng)La2O3添加量超過(guò)0.1%后，La2O3幾乎沒(méi)有提高合金抗彎強(qiáng)度的作用。

圖6 La2O3含量對(duì)合金抗彎強(qiáng)度的影響

圖7所示為不同La2O3含量的合金彎曲斷口形貌。由圖可見(jiàn)，未加入La2O3的合金斷口呈現(xiàn)明顯的脆性斷裂形貌，且孔隙較多；當(dāng)加入0.1%La2O3時(shí)，合金的斷口所呈現(xiàn)的雖然也是脆性斷裂形貌，但觀察到大量韌窩的存在，合金的斷裂形式表現(xiàn)為穿晶?沿晶斷裂的復(fù)合斷裂形式；隨La2O3添加量增加至0.7%時(shí)，合金斷口呈現(xiàn)大量的冰糖雪梨狀斷口形貌，發(fā)生的是沿晶斷裂。這是由于過(guò)多地添加La2O3，過(guò)量的稀土氧化物在晶界處聚集，破壞了基體的連續(xù)性，使晶界成為最薄弱的地帶，從而降低合金的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

1) 采用真空燒結(jié)法制備La2O3改性Fe-3Mo-3Cr- 0.6V-0.5Mn-0.8C合金，隨La2O3添加量增加，合金晶粒度明顯減小，合金的密度與硬度、與抗彎強(qiáng)度都出現(xiàn)“雙峰值效應(yīng)”。

2) 當(dāng)合金中加入0.1%La2O3時(shí)，合金具有最高的密度6.79 g/cm3和較高的硬度(HB)240，抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值2 300 MPa，比不含La2O3的合金抗彎強(qiáng)度提高近12%，彎曲斷裂形式由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚?沿晶斷裂的復(fù)合斷裂形式。

圖7 不同La2O3添加量的鐵基合金彎曲斷口形貌

(a) 0; (b) 0.1%; (c) 0.7%

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(編輯 湯金芝)

Effects of La2O3content on microstructure and mechanical property of Fe-3Mo-3Cr-0.6V-0.5Mn-0.8C alloy

XU Jie, LIU Rutie, XIONG Xiang, DING Huan, CHEN Jie, LIAO Ning

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

The lanthana oxide modified Fe-3Mo-3Cr-0.6V-0.5Mn-0.8C alloy were prepared by vacuum sintering using carbonyl iron, molybdenum iron, chromium iron, vanadium iron, and manganese iron powders, graphite and rare earth La2O3as raw materials. The effects of La2O3content (0.1%~0.7%, mass fraction) on the density, hardness, microstructure and mechanical property of the alloys were studied. The results show that the grain size decreases obviously, density, hardness and bend strength all show a “bimodal peak effect” with increasing La2O3content. When La2O3content is 0.1%, the alloy has the highest density of 6.79 g/cm3, higher hardness (HB) of 240, and the maximum bending strength of 2300MPa which is 12% higher than that of alloy without La2O3.The bend fracture mode changes from brittle fracture to composite fracture mode of transgranular and intergranular fracture.

sintered alloy steel; rare earth; lanthanum oxide; mechanical property; bimodal peak effect; trans-inter granular fracture

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB0700302)

2017?04?07；

2017?06?11

劉如鐵，副教授，博士。電話：0731-88876566；E-mail: llrrtt@csu.edu.cn

TF125

A

1673-0224(2017)06-808-07