燒結(jié)溫度對Fe-9Mn-4Al-0.4C低密度鋼組織結(jié)構(gòu)和性能的影響

王發(fā)倉，馬嘯宇

（1.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇南京 210035；2.安徽工業(yè)大學(xué)冶金學(xué)院，安徽馬鞍山 243000）

0 引言

在Fe-Mn-C系合金材料中添加密度較小的Al和Si等元素，能夠獲得具有高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)的低密度鋼，廣泛應(yīng)用于鐵路、航海以及航空航天等領(lǐng)域，對汽車、船舶、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和輕量化發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響。目前低密度鋼的性能提升是研究的重點(diǎn)，Kyung-Tae［1］以Fe-20Mn-11Al-1.8C低密度鋼為實(shí)驗(yàn)材料，在1 100℃等溫15 min后水冷至室溫并冷軋，顯著提高了合金的硬度、拉伸性能。周占明等［2］對不同固溶溫度Fe-22.8Mn-8.48Al-0.86C低密度鋼的組織演變規(guī)律和力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在1 100℃固溶處理1 h后,實(shí)驗(yàn)鋼強(qiáng)塑性最佳；劉少尊等［3］在1 000℃對Fe-27Mn-8Al-1.6C低密度鋼進(jìn)行了固溶處理，得到了強(qiáng)塑積43.1 GPa的合金材料。

但是上述研究大多是通過傳統(tǒng)鑄造和熱處理的方式獲得機(jī)械性能優(yōu)秀的低密度鋼，隨著溫度升高，材料的硬度和強(qiáng)度會(huì)逐漸退化，嚴(yán)重影響使用壽命［4］，同時(shí)實(shí)驗(yàn)過程中無可避免地產(chǎn)生了大量氧化鐵皮，降低了成品率的同時(shí)提高了生產(chǎn)成本。因此，新生產(chǎn)工藝的引入迫在眉睫。一般來說，晶粒的細(xì)化可以顯著提高合金的硬度和強(qiáng)度等機(jī)械性能。機(jī)械合金化（MA）作為一種成熟的粉末生產(chǎn)技術(shù)，能夠制備得到有良好燒結(jié)活性的納米晶粉末材料。放電等離子燒結(jié)（SPS）可以通過脈沖電流實(shí)現(xiàn)快速升溫，在縮短燒結(jié)時(shí)間的同時(shí)抑制了晶粒長大，從而得到晶粒細(xì)小的致密塊體材料［5］。因此，本文利用機(jī)械合金化和放電等離子相結(jié)合的方法，分別在1 050℃，1 100℃，1 150℃制備了Fe-9Mn-4Al-0.4C塊體材料，并研究了燒結(jié)溫度對塊體合金組織結(jié)構(gòu)和性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)選用純度 99.9wt%的 Fe，Mn，Al（粒度≤45）粉末以及純度99.9 wt%的C粉（粒度≤20）作為實(shí)驗(yàn)材料。首先將各成分粉末按照Fe-9Mn-4Al-0.4C（wt.%）的固定配比進(jìn)行均勻混合，隨后將100 g的混合粉末與900 g的不銹鋼研磨球一同置入不銹鋼研磨罐，充入氬氣后密封。使用高能行星球磨機(jī)以300 rmp轉(zhuǎn)速對混合粉末進(jìn)行機(jī)械合金化操作，總球磨時(shí)間10 h。將混合均勻的粉末裝入石墨模具，采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行燒結(jié)，升溫速率設(shè)定為200℃/min，分別在1 050℃，1 100℃，1 150℃進(jìn)行燒結(jié)并保溫10 min，燒結(jié)過程中持續(xù)施加50 MPa大小的軸向壓力，燒結(jié)結(jié)束后緩冷至室溫。

使用4%硝酸酒精腐蝕燒結(jié)試樣60 s，采用JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡（SEM）結(jié)合EDS能譜對材料的微觀組織進(jìn)行表征；使用D8 ADVANCE型X射線衍射儀對試樣進(jìn)行物相分析；使用THV-1MD顯微硬度計(jì)測量材料的維氏硬度；燒結(jié)樣密度使用阿基米德排水法進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)溫度對Fe-9Mn-4Al-0.4C合金顯微組織的影響

圖1 不同燒結(jié)溫度下合金的顯微組織

圖1 是不同燒結(jié)溫度下燒結(jié)試樣的顯微組織圖片?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)燒結(jié)溫度為1 050℃，1 100℃時(shí)，晶粒細(xì)小，平均晶粒尺寸在之間；當(dāng)燒結(jié)溫度升高到1150℃時(shí)，晶粒尺寸增大。此外，當(dāng)燒結(jié)溫度為1050℃時(shí)，組織中的晶界比較模糊，不易觀察，隨著燒結(jié)溫度進(jìn)一步升高，晶界逐漸清晰。綜上所述，燒結(jié)溫度對晶界的形成和晶粒尺寸都存在較大影響，從動(dòng)力學(xué)角度分析，燒結(jié)溫度越高，就能夠提供越多的能量促進(jìn)晶粒形核并長大。

進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，不同溫度的燒結(jié)試樣顯微組織特征差別不大，由深灰色基體、淺灰色析出物與少量孔隙組成。其中，在深灰色基體部分均勻分布的奧氏體晶粒是主要的組成部分。同時(shí)奧氏體晶界呈白色，是碳元素飽和后從奧氏體中析出的二次滲碳體，沿晶界均勻分布，整體呈現(xiàn)白色網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這是由于燒結(jié)完成后采用了緩冷方式進(jìn)行冷卻，隨著冷卻的繼續(xù)進(jìn)行，奧氏體中溶解的碳達(dá)到飽和，逐漸析出。同時(shí)又因?yàn)榫Ы缟系娜毕菥哂懈嗄芰?，利于原子擴(kuò)散，對滲碳體核心形成提供了便利，最終滲碳體沿奧氏體晶界分布。值得一提的是，隨著滲碳體的形成與生長，其兩側(cè)的奧氏體會(huì)形成一定的貧碳區(qū)，為鐵素體形核創(chuàng)造一定條件。但本實(shí)驗(yàn)顯微組織中并沒有觀察到鐵素體，在后續(xù)的XRD分析中也沒有發(fā)現(xiàn)α相的存在，說明燒結(jié)樣中的奧氏體組織穩(wěn)定性較好。

對燒結(jié)樣的高倍二次衍射圖像進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)除去深灰色基體、淺灰色析出物之外，在相鄰?qiáng)W氏體晶界上能觀察到形狀不規(guī)則的亮白色顆粒，數(shù)量較多且分布不均勻。Wang等［6］早年在研究中發(fā)現(xiàn)，在Fe-Mn-Al-C合金中的碳含量小于1.3 wt.%的情況下，k型碳化物會(huì)沿奧氏體晶界不均勻析出，使奧氏體中C含量降低的同時(shí)阻止奧氏體進(jìn)一步長大。因此初步推斷奧氏體晶界間亮白色顆粒為k型碳化物，同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度升高到1 150℃時(shí)，視場內(nèi)存在的亮白色顆粒明顯減少，這是由于高溫?zé)Y(jié)過程中，部分碳化物溶解。

2.2 燒結(jié)溫度對Fe-9Mn-4Al-0.4C合金物相組成的影響

圖2為不同燒結(jié)溫度各試樣的X射線衍射圖譜。當(dāng)燒結(jié)溫度不同時(shí)，試樣的相組成成分并沒有明顯的區(qū)別，都包含γ相、（Fe，Mn）3C滲碳體和k型碳化物這3種組成相。當(dāng)燒結(jié)區(qū)溫度為1 100℃時(shí)，γ相在圖譜中的衍射峰相對強(qiáng)度大于1 050℃時(shí)的衍射峰強(qiáng)度，這說明升溫過程中碳化物的析出在持續(xù)進(jìn)行，相轉(zhuǎn)變?nèi)栽诎l(fā)生。當(dāng)燒結(jié)溫度提高到1 150℃后，γ相和碳化物對應(yīng)的衍射峰強(qiáng)度同時(shí)下降，說明在1 100～1 150℃之間，碳化物開始溶解。隨著碳化物溶解的進(jìn)行，越來越多的碳原子轉(zhuǎn)移到奧氏體晶格的間隙位置，導(dǎo)致奧氏體晶格參數(shù)降低，在X射線衍射圖譜上表現(xiàn)為衍射峰相對強(qiáng)度的減小。

圖2 不同燒結(jié)溫度下合金的XRD衍射

可以明確的是，在燒結(jié)過程完成了γ→γ0（貧碳奧氏體）+k的轉(zhuǎn)變，直接導(dǎo)致了k型碳化物在晶界的不均勻析出，相同的現(xiàn)象也存在于Y.Kim等［7］的研究中。這是在驅(qū)動(dòng)力足夠的前提下，Al元素及C元素在奧氏體中充分?jǐn)U散，促進(jìn)了γ相的分解，從而生成了K型碳化物。但是在圖2中并沒有觀察到典型的γ+k雙相結(jié)構(gòu)，這是由于Fe-9Mn-4Al-0.4C合金中奧氏體形成元素Mn含量不高，要想觀察到穩(wěn)定的γ+k雙相結(jié)構(gòu)，合金中Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)至少需要達(dá)到13 wt.%［8］。

2.3 燒結(jié)溫度對Fe-9Mn-4Al-0.4C合金致密性的影響

不同燒結(jié)溫度下各試樣的表面形貌如圖3所示，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的孔隙存在，這是由于燒結(jié)進(jìn)行到后期在接近燒結(jié)體表面形成了無孔的致密層，只有通過腐蝕的手段才能對內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析。觀察不同燒結(jié)溫度下各試樣的顯微特征如圖2所示，當(dāng)燒結(jié)溫度為1 050℃時(shí)，觀察到有大量的孔隙存在，這些孔隙首尾相接形成了密集的孔隙網(wǎng)絡(luò)，在幾何外形上是高度連通的。燒結(jié)溫度提高到1 100℃后，連通的孔隙網(wǎng)絡(luò)被相互隔離的閉孔所取代，孔隙形狀變得愈發(fā)不規(guī)則同時(shí)尺寸明顯減小。提高燒結(jié)溫度，不規(guī)則閉孔進(jìn)一步收縮，最終形成了小尺寸的球形孔隙。

連通孔隙的不斷消失與隔離閉孔的收縮是貫穿整個(gè)燒結(jié)過程中的組織變化特征，燒結(jié)溫度越高，該變化過程進(jìn)行得就越快，孔隙的收縮球化也就越徹底。燒結(jié)過程中如果孔隙與晶界分離，會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)的最終密度下降，理想情況下致密化后的孔隙位于晶界的邊界位置［9］。燒結(jié)試樣的BSE圖像如圖4（a）所示，觀察后發(fā)現(xiàn)，1 100℃燒結(jié)溫度下，燒結(jié)試樣中的球形孔隙占據(jù)了晶粒邊界，形成了標(biāo)準(zhǔn)的孔隙-晶粒邊界結(jié)構(gòu)。在孔隙對晶界產(chǎn)生釘扎作用的同時(shí)，能夠阻止晶粒的進(jìn)一步長大。

2.4 燒結(jié)溫度對Fe-9Mn-4Al-0.4C合金物理性能的影響

圖5為燒結(jié)溫度對Fe-9Mn-4Al-0.4C合金密度和硬度的影響。在1 050℃，1 100℃和1 150℃的燒結(jié)溫度下，F(xiàn)e-9Mn-4Al-0.4C合金試樣的密度分別為7.287，7.322，7.334，由于輕質(zhì)元素Al含量不高，與傳統(tǒng)鋼相比密度值下降了6%左右，足以應(yīng)對輕量化需求。合金在燒結(jié)溫度1 050℃時(shí)密度最小，此時(shí)試樣的硬度最低；隨著燒結(jié)溫度升高，合金致密度也呈現(xiàn)增大趨勢，硬度也隨之增大。當(dāng)燒結(jié)溫度升高到一定程度后，致密度增大趨勢變緩，硬度值增量也隨之減小。說明燒結(jié)體硬度屬于對孔隙形狀不敏感的性能，主要取決于材料的致密程度。溫度升高促進(jìn)了轉(zhuǎn)變，也導(dǎo)致了一部分碳化物的溶解，但燒結(jié)樣的主要組成相依舊是處于固溶狀態(tài)［10］的相，因此對硬度變化影響不大。但由于固溶強(qiáng)化的存在，燒結(jié)得到的Fe-9Mn-4Al-0.4C合金比相應(yīng)鍛造材料的硬度高，表現(xiàn)出更為優(yōu)異力學(xué)性能。

3 結(jié)論

（1）放電等離子燒結(jié)得到的Fe-9Mn-4Al-0.4C合金主要由γ相、Mn溶于Fe3C形成的合金滲碳體和k型碳化物組成；隨著燒結(jié)溫度的持續(xù)升高，碳化物首先沿境界析出，最后緩慢溶解。

圖3 不同燒結(jié)溫度下合金的SEM形貌

圖5 燒結(jié)溫度對合金密度、硬度的影響

（2）放電等離子燒結(jié)得到的Fe-9Mn-4Al-0.4C合金致密性較好，隨著燒結(jié)溫度的升高，連通孔隙逐漸閉合收縮，最終成為尺寸細(xì)小的球形閉孔?？紫墩紦?jù)晶粒邊界，形成孔隙-晶粒邊界結(jié)構(gòu)阻止晶粒長大。

（3）放電等離子燒結(jié)得到的Fe-9Mn-4Al-0.4C合金具有較高的致密度和顯微硬度，隨著燒結(jié)溫度的升高，合金致密度和硬度呈增大趨勢；硬度對孔隙形狀不敏感，與合金致密度密切相關(guān)。