碳含量及燒結溫度對MIM 4340合金鋼組織及力學性能的影響

許婷，何浩，婁嘉，李益民, ，尹健，劉晨，秦健春

碳含量及燒結溫度對MIM 4340合金鋼組織及力學性能的影響

許婷1，何浩2，婁嘉3，李益民1, 2，尹健1，劉晨2，秦健春2

(1. 中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083；2. 廣西科技大學，材料科學與工程研究中心，柳州 545006；3. 湘潭大學 材料科學與工程學院，湘潭 411105)

采用注射成形工藝制備4340低合金鋼，研究碳含量與燒結溫度及熱處理工藝對合金鋼顯微組織和力學性能的影響。結果表明：通過添加德國巴斯夫還原型羰基鐵粉(CN)及改進型羰基鐵粉(OM)的方式，分別配制不同碳含量的混合粉末，并經(jīng)1 280~1 320 ℃保溫2 h燒結后，質量分數(shù)為0.50 %碳含量的樣品最接近標準碳含量。燒結密度隨碳含量的升高先減小后增大，隨燒結溫度升高而增大。燒結態(tài)顯微組織由鐵素體(α-Fe)、珠光體(鐵素體+滲碳體Fe3C)和貝氏體組成，抗拉強度和伸長率為762.16~1 032.03 MPa和5.25%~8.62%。0.50 %碳含量、1 300 ℃燒結態(tài)4340合金鋼樣品經(jīng)850 ℃保溫0.5 h油冷及400 ℃保溫2 h回火熱處理后得到最佳力學性能，抗拉強度和伸長率達到1 510.24 MPa和4.30%，硬度為40.0 HRC。

注射成形；合金鋼；碳含量；燒結溫度；熱處理；力學性能

金屬注射成形技術(metal injection molding，簡稱MIM)因能以較低的成本制備高性能、形狀復雜的金屬零部件而越來越受到人們的關注[1]。4340鋼是一種高強度中碳低合金鋼，常用于建筑構件、汽車零部件和核電站高壓容器[2]等關鍵結構件。目前，采用MIM工藝制備4340鋼小型復雜零部件如渦輪軸、葉片、齒輪等獲得了越來越多的應用。

4340合金鋼的標準碳含量為0.38%~0.43%(質量分數(shù))，碳含量區(qū)間小。MIM工藝制備4340合金鋼時會產(chǎn)生脫脂增碳與燒結脫碳現(xiàn)象。在脫脂過程中，經(jīng)溶劑脫脂與熱脫脂后仍會存在一定的粘結劑殘留，導致脫脂坯中的碳含量增加從而影響燒結后的碳含量及密度。隨后在燒結過程中，合金鋼中的碳會與燒結氣氛產(chǎn)生滲碳-脫碳反應，并會還原粉末中的氧化物，導致碳含量降低。碳含量變化會影響液相轉變溫度和碳化物析出，影響燒結致密化[3]。張翔等[4]發(fā)現(xiàn)在一定范圍內增加碳含量，合金鋼密度呈上升趨勢。同時WU等[5]研究發(fā)現(xiàn)降低碳含量能使馬氏體鋼產(chǎn)生更多δ鐵素體，其物質擴散速率高于奧氏體，加大試樣的收縮，有利于致密化，燒結密度會隨碳含量的增加而降低。COLEMAN[6]，BABAKHANI[7]及黨文龍[8]等人也發(fā)現(xiàn)了相同的規(guī)律。

在制備MIM 4340合金鋼中，常用的方法是在母合金粉與CN羰基鐵粉的混合料中控制石墨的添加量來控制碳含量[3-4]。但石墨粉粒度較大，容易產(chǎn)生成分偏析，碳原子不易擴散到鐵基體中。DAVIES等[9]研究表明，母合金粉與羰基鐵粉的混合有利于得到成分、組織結構均勻的MIM零件。OM羥基鐵粉具有一定的碳含量，可取代石墨粉，更利于碳在鐵基體中的擴散，但目前還未有其對合金鋼組織及力學性能作用的相關研究。因此，本文通過調節(jié)CN及OM鐵粉比例與燒結溫度，研究碳含量及燒結溫度對4340合金鋼密度、組織及力學性能的影響，并通過后續(xù)熱處理工藝得到最佳力學性能。

1 實驗

實驗采用湖南恒基粉末科技有限責任公司提供的4340合金鋼母合金粉、CN和OM鐵粉作為原料，合金鋼粉末的元素組成及粉末中位徑如表1所列，粉末形貌如圖1所示。

將4340合金鋼母合金粉末、CN鐵粉及OM鐵粉按表2中比例混合，分別配制成0.40%，0.50%，0.55%，0.60%，0.65%和0.70%(質量分數(shù))含碳量的粉末原料，以300 r/min的轉速在四罐混料器中混粉2 h。將不同粉末與同種粘結劑混合，裝載量為58%(體積分數(shù))，采用造粒和注射成形工藝注射成生坯，通過催化脫脂+熱脫脂兩步脫脂法脫去粘結劑。其中，催化脫脂的催化劑為硝酸，溫度110 ℃，脫脂4 h；熱脫脂溫度為850±50 ℃，脫脂1 h。

表1 不同原料粉末元素含量表

圖1 粉末原料掃描電鏡觀察照片

(a) 4340MA; (b) CN-Fe; (c) OM-Fe

表2 原料粉末混合質量分數(shù)及碳氧含量表

將脫脂坯分別在1 280，1 300和1 320 ℃進行燒結，保溫時間為2 h，燒結設備為VQS—113型高溫真空燒結爐，燒結氣氛為真空氣氛，真空度為10-1Pa。取部分樣品進行熱處理實驗，具體工藝為：經(jīng)850 ℃保溫0.5 h后油淬至室溫，再經(jīng)200，300，400，500和600 ℃保溫2 h回火后得到不同組織樣品。

采用阿基米德排水法進行燒結坯密度檢測，在密度測量以及隨后其他數(shù)據(jù)的測量過程中，結果取三個試樣的平均值；采用碳—硫分析儀和氧—氮分析儀對燒結后不同狀態(tài)試樣進行碳、氧含量檢測；采用Instron3369力學試驗機測量抗拉強度，拉伸速度為2.0 mm/min；采用洛氏硬度計檢測燒結坯硬度，測試時的試驗載荷為150 N；采用Leica金相顯微鏡觀察腐蝕后燒結坯顯微組織；采用JSM—6360掃描電鏡觀察試樣拉伸斷面形貌。

2 結果與討論

2.1 粉末碳含量對MIM 4340合金鋼燒結后碳含量及密度的影響

圖2所示為1 280~1 320 ℃下4340合金鋼樣品燒結后碳含量及密度隨原料粉末碳含量變化圖。從圖2(a)可看出，燒結態(tài)碳含量隨粉末碳含量升高而升高，粉末碳含量為0.50%~0.55%時符合表1中AISI-4340成分要求，其脫碳量在0.104%~0.118%。從圖2(b)可看出，升高燒結溫度可提高樣品密度，且隨碳含量升高，密度先降低后升高。粉末碳含量為0.40%~0.60%時，隨碳含量升高，樣品密度降低，是由于OM鐵粉氧含量較高。隨OM鐵粉含量升高，原料粉末的氧含量從0.206%增加至0.237%，樣品中的氧化物增多，粉末顆粒表面容易形成Fe2O3氧化層，阻礙燒結頸的生長，導致密度降低[12]。其主要原因可能是基體的表面氧化物及間隙氧化物增加，元素擴散難度增大；氧對擴散激活能的增量越高，阻礙越大。CHASOGLOU等[13-17]也得出了相同的結論。粉末碳含量為0.60%~0.70%時，樣品密度升高，可能是因為碳含量急劇升高，碳在奧氏體中的擴散速度以及鐵的自擴散速度均增加，促進燒結頸的形成，導致燒結密度提高。同時根據(jù)Fe-Cr-C三元合金相圖[18]可以看出，在碳含量為0.40%時，液相線約為1 400 ℃，增加碳含量至0.60%時，液相線急速降低至1 300 ℃左右，這使得燒結致密化速率及最終燒結密度都有所提高。關于高碳含量對低合金鋼燒結密度的影響還有待進一步研究。結合圖2(a)和(b)可看出，粉末碳含量為0.50%的樣品具有符合成分要求的碳含量與較高的密度，可用于后續(xù)的熱處理。

圖2 燒結態(tài)樣品碳含量(a)及密度(b)隨粉末碳含量變化圖

2.2 燒結態(tài)MIM4340合金的微觀組織

圖3為燒結態(tài)MIM4340合金的金相照片。由圖可知，其組織主要由鐵素體、珠光體、貝氏體組成。圖3(a)~(f)顯示燒結溫度為1 300 ℃時，隨碳含量增加，組織中碳化物增多，珠光體增多。圖3(g)的樣品孔隙較多，致密度低，珠光體含量低于圖3(b)樣品。圖3(h)的樣品雖然孔隙極少，致密度高，但金相組織邊緣有過燒現(xiàn)象，力學性能較差。圖3(b)的樣品(0.50%C)組織主要由大量白色呈不規(guī)則多邊形的鐵素體、黑色粗片層狀珠光體及少量馬氏體組成，組織分布均勻，樣品孔隙較少，密度高。

2.3 MIM4340合金鋼燒結態(tài)的力學性能

圖4為不同粉末碳含量燒結態(tài)樣品拉伸性能變化曲線。圖4(a)和(b)顯示，隨粉末碳含量增加，樣品的抗拉強度和屈服強度分別從762.16 MPa和626.52 MPa增加到1 032.03 MPa和834.82 MPa，而燒結溫度對其影響不大，說明碳含量是抗拉強度和屈服強度的主要影響因素。圖4(c)顯示，伸長率隨粉末碳含量增加，出現(xiàn)先降低后升高的趨勢，與圖2中密度變化趨勢一致，說明密度影響材料塑性。燒結溫度為1 300 ℃的0.50%碳含量樣品強度及伸長率均優(yōu)于其余兩種燒結溫度樣品，其抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為935.95 MPa、766.89 MPa和7.24%。其中1 280 ℃的樣品強度與伸長率均較低，原因是孔隙多，密度低(圖3(g))，1 320 ℃的樣品由于燒結溫度較高，存在過燒現(xiàn)象，雖密度較高，但拉伸強度未有提升，伸長率仍低于1 300 ℃燒結樣品。

綜合粉末碳含量對燒結密度、燒結后碳含量、組織及力學性能的影響，并結合4340鋼的標準碳含量區(qū)間，可以看出粉末碳含量為0.50%的樣品具有最佳力學性能。超出碳含量標準區(qū)間的樣品力學性能差，不滿足生產(chǎn)應用需求，說明碳含量控制的重要性。

圖3 不同碳含量及燒結溫度的4340合金鋼燒結態(tài)金相圖

(a)-(f) 0.40%-0.70%C-1 300 ℃; (g) 0.50%C-1 280 ℃; (h) 0.50%C-1 320 ℃

圖4 不同粉末碳含量燒結態(tài)樣品拉伸性能圖

(a) Tensile strength; (b) Yield strength; (c) Elongation

2.4 熱處理工藝對4340合金鋼組織及力學性能的影響

通過硬度測試得出，原料粉末碳含量為0.50%的1 300 ℃燒結樣品硬度僅為25.2 HRC，達不到使用要求，所以需通過后續(xù)熱處理工藝提升力學性能。

圖5(a)所示為原料粉末碳含量為0.50%的1 300 ℃燒結態(tài)樣品經(jīng)850 ℃/0.5 h淬火后的金相照片，可以看出，組織中存在大量板條、針狀馬氏體與殘留奧氏體，其中殘留奧氏體以薄膜形式存在于馬氏體板條之間。淬火鋼一般硬度及強度高，但塑性差。為提高淬火鋼的塑性，并盡可能降低淬火引起的殘余應力，淬火后需進行回火處理。圖5(b)~(f)為淬火態(tài)樣品經(jīng)200~600 ℃回火后的金相照片?？梢钥闯?，200 ℃回火樣品組織由回火馬氏體組成，硬度強度較高，但塑性低；300~400 ℃組織中針狀馬氏體消失，碳化物細小，主要為回火托氏體；500 ℃回火組織由回火索氏體和回火托氏體組成，600 ℃回火組織主要為鐵素體和顆粒狀碳化物組成的回火索氏體[19]。較高的回火溫度會使Fe3C粗化和球化，使材料強度及塑性降低。因此，400 ℃回火后得到的碳化物細小的回火托氏體組織具有最佳的力學性能。

圖6(a)為不同粉末碳含量的1 300 ℃燒結樣品經(jīng)850 ℃保溫0.5 h油淬后的力學性能，由圖可知，隨碳含量升高，樣品抗拉強度和屈服強度先升高后降低，伸長率降低，硬度升高。經(jīng)淬火處理后，燒結態(tài)碳含量位于標準碳含量區(qū)間內的0.50%樣品性能最好，但是超出碳含量區(qū)間的其它幾組性能較差，說明碳含量對于熱處理效果的影響更為明顯。從圖中可以看出0.50%C樣品抗拉強度和屈服強度分別為1 689.70 MPa和1 689.18 MPa，伸長率為1.06%，硬度為47.9 HRC。對比模鍛成形4340合金鋼淬火樣(抗拉強度為1 145 MPa)[20]，0.50%C樣品具有更高的抗拉強度，但伸長率較低，塑性差，需經(jīng)回火處理提高塑性。

圖6(b)為粉末碳含量為0.50%的淬火態(tài)樣品在不同回火溫度下保溫2 h的力學性能，從圖中可以看出抗拉強度、屈服強度、伸長率和硬度均隨回火溫度提高而先升高后降低。在400 ℃回火時，抗拉強度和屈服強度分別為1 510.24 MPa和1 477.47 MPa，伸長率為4.30%，硬度為40.0 HRC，具有最佳力學性能。

圖7為4340合金鋼燒結及熱處理態(tài)拉伸斷口形貌照片。四組樣品的斷口均出現(xiàn)大量韌窩，為韌性斷裂。1 320 ℃燒結態(tài)樣品斷口較1 300 ℃的河流花樣明顯增多，說明燒結溫度過高會影響材料塑性。圖7(c)的淬火樣品有韌窩特征，但韌窩淺，塑性脊窄，韌性差，這是因為淬火后基體主要為板條狀馬氏體組織，導致淬火樣硬度高而塑性低。圖7(d)顯示回火樣品中出現(xiàn)大量的塑性脊和較深的韌窩，相比燒結態(tài)和淬火態(tài)，發(fā)生了更大的變形，其塑性最好。

圖5 不同熱處理態(tài)試樣的金相照片

(a) Quenched state; (b)-(f) 200-600 ℃ tempered state

圖6 熱處理態(tài)樣品力學性能隨原料粉末碳含量及回火溫度的變化曲線

圖7 不同狀態(tài)試樣拉伸斷口SEM形貌照片

(a) 1 300 ℃ sintered state; (b) 1 320 ℃ sintered state; (c) 1 300 ℃ sample quenched state; (d) 1 300 ℃ sample 400 ℃ tempered state

3 結論

1) MIM 4340合金鋼燒結密度最高可達到7.44 g/cm3，相對密度為94.78%，升高燒結溫度可提高樣品密度，而提高原料粉末碳含量會使密度先降低后升高。

2) MIM 4340合金鋼燒結態(tài)顯微組織主要由鐵素體(α-Fe)和珠光體(鐵素體+滲碳體Fe3C)及少量貝氏體組成。400 ℃回火后得到的回火托氏體組織具有最佳的力學性能。

3) MIM 4340合金鋼燒結態(tài)抗拉強度和伸長率為762.16 MPa~1 032.03 MPa和5.25%~8.62%。采用850 ℃保溫0.5 h油淬，400 ℃保溫2 h回火的熱處理工藝，抗拉強度達到1 510.24 MPa，伸長率為4.30%，硬度為40.0 HRC。

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Effect of carbon content and sintering temperature on microstructure and mechanical properties of MIM 4340 alloy steel

XU Ting1, HE Hao2, LOU Jia3, LI Yimin1, 2, YIN Jian1, LIU Chen2, QIN Jianchun2

(1. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Research Center of Materials Science and Engineering,Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China;3. School of Materials Science and Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

4340 low alloy steel was prepared by injection molding process. The effects of carbon contents, sintering temperature and heat treatment process on microstructure and mechanical properties were studied. The results show that the powders with different carbon contents can be prepared by adding CN/OM iron powders. After sintering at 1 280-1 320 ℃ for 2 h, the sample (mass fraction of 0.50% carbon content in raw powders) is closest to the standard carbon content. The density decreases first and then increased with the increase of carbon contents, and the density increases with the increase of sintering temperature. The microstructure consists of ferrite (α-Fe), pearlite (ferrite+cementite Fe3C) and bainite. The tensile strength and elongation are 762.16 MPa to 1032.03 MPa and 5.25% to 8.62%, respectively. The best mechanical properties are obtained after oil quenching at 850 ℃ for 0.5 hour and tempering at 400 ℃ for 2 h. The tensile strength and elongation reaches to 1 510.24 MPa and 4.30%, respectively, and the hardness is 40.0 HRC.

injection molding; alloy steel; carbon content; sintering temperature; heat treatment; mechanical properties

TF124

A

1673-0224(2019)06-563-08

湖南省科技計劃(2017GK2264)；2019年廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目(2019KY0381)；柳州市科技計劃(2018DH10505)

2019-07-22；

2019-09-02

尹健，副研究員，博士。電話：13974827640；E-mail：jianyin@csu.edu.cn

(編輯 高海燕)