燒結溫度對粉末冶金鐵基材料組織與性能的影響

李相榮，徐瀛，宋相宇,2，熊計，黃遠清

燒結溫度對粉末冶金鐵基材料組織與性能的影響

李相榮1，徐瀛1，宋相宇1,2，熊計1，黃遠清3

（1. 四川大學 機械工程學院，成都 610044；2. 浙江振興石化機械有限公司，浙江 溫州 325200； 3. 陽江十八子刀剪制品有限公司，廣東 陽江 529931）

利用粉末冶金工藝制備了Fe-Ni-Cu-Cr-Si-C（石墨）材料，并且研究燒結溫度對材料顯微組織、硬度、致密度、耐磨性的影響。在1050，1100，1150 ℃燒結溫度下燒結2 h后得到了3組樣品，并利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀對樣品進行組織結構分析。采用布氏硬度計和電子天平分別對樣品進行硬度和密度測試，采用球盤磨損實驗機對樣品進行耐磨性分析。隨著燒結溫度的升高，晶粒尺寸逐漸變大。當燒結溫度從1050 ℃增大到1100 ℃時，奧氏體量增加，表明奧氏體的轉變在進行，且硬度和致密度也逐漸增加。燒結溫度從1100 ℃增大到1150 ℃時，硬度的增速放緩，且在1150 ℃時硬度達到最大值，燒結溫度在1150 ℃時耐磨損性能最好。隨著燒結溫度的升高，摩擦因數逐漸減小，由于材料的硬度增大，基體更有能力支撐表面潤滑膜，從而表現出更加優(yōu)越的耐磨損性能。在1050~1150 ℃范圍內，燒結溫度的提高可以改善顯微組織，提高組織的硬度、致密性、耐磨性。

粉末冶金；鐵基材料；燒結溫度；顯微組織

鎳奧氏體鑄鐵因其優(yōu)良的力學性能，并具有耐磨耐蝕性能，在石油、核電、海洋、水電等領域被廣泛應用[1—3]，但傳統鎳奧氏體鑄鐵主要由鑄造成形技術制備，在工作條件下常因組織中存在偏析、不均勻等缺陷而失效損壞[4—6]。粉末冶金與鑄造成形相比，具有近凈成形、高效節(jié)能、節(jié)約成本等優(yōu)點，且粉末冶金工件具有組織均勻、晶粒細小等優(yōu)點[7—9]。鐵基粉末冶金材料逐漸取代部分鑄鋼、鍛鋼材料，在機械、航空，特別是汽車、摩托車工業(yè)上得到廣泛應用[10—12]。

目前，學者們研究了粉末冶金工藝制備耐摩擦磨損材料，其中王蕊等[13]利用粉末冶金工藝制備了Fe-Cr-Mo-Si-C（石墨）-P鐵基粉末冶金凸輪材料，并且對其力學和摩擦學性能進行了研究。由于石墨在粉末冶金鐵基材料中可作為潤滑組元，可改善鐵基粉末冶金材料的摩擦學性能[14]，因此，文中將石墨添加進鐵基材料中，并采用粉末冶金工藝代替鑄造，在1050，1100，1150 ℃燒結溫度下制備了Fe-Ni-Cu-Cr- Si-石墨材料，研究了燒結溫度對材料組織和耐磨性能的影響。

1 實驗

1.1 試樣制備

采用羰基鐵粉、石墨粉、錳粉、銅粉、硅粉、鎳粉、鉻粉作為原始粉末，將原始粉末按配比混合（具體配比見表1），然后倒入球料比為10∶1（質量比）的球磨罐中，汽油作為研磨介質，以石蠟作為成形劑，在轉速為68 r/min的球磨機上球磨25 h，然后將烘干、過篩、制粒后的粉末在萬能液壓機上壓制，壓力為500 MPa，生坯尺寸為6.5 mm×5.25 mm×20 mm。將生坯置于燒結爐中燒結，通入0.05 MPa氬氣，分別在1050，1100，1150 ℃燒結溫度下燒結2 h，然后隨爐冷卻。

表1 試樣的化學成分（質量分數）

Tab.1 Chemical composition of the sample (mass fraction) %

1.2 組織表征方法

采用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM，JEOLJSM-6400）對材料進行微觀結構分析，并配備能量色散X射線（EDX）微量分析儀。樣品物相使用PHILIPS X'Pert Pro MPD DY1291X射線衍射儀檢測，靶材為Co靶，掃描2范圍為20°~110°。

1.3 硬度及密度

采用HB-3000B布氏硬度計對每個樣品進行硬度測試。在每個實驗中，施加的載荷為613 N，壓球直徑為5 mm，施加載荷時停留時間為11 s，每個樣品的硬度根據3次測量值求平均后得到。密度實驗儀器是BS220電子天平，精度為0.1 mg。采用阿基米德排水法測量材料的密度。

1.4 滑動摩擦磨損實驗

磨損實驗采用HT-1000型球盤磨損實驗機，Si3N4磨球的直徑為3 mm，其硬度值在70HRC~ 75HRC范圍，每個實驗后，換用一個新的氮化硅球。所有試樣實驗都在室溫無潤滑的環(huán)境下進行，滑動磨損實驗的滑動時間為45 min，電動機頻率為17.8 Hz，外加負載為10 N。

2 結果與討論

2.1 燒結溫度對粉末冶金鐵基材料顯微組織的影響

1050，1100，1150 ℃燒結溫度下，試樣的顯微組織SEM圖見圖1，可知，3個溫度下的組織主要由基體和黑色團聚物石墨相組成，可以看出在游離石墨周圍衍生出無規(guī)則狀孔隙。在燒結溫度1050 ℃時組織中黑色團聚物含量最多，隨著燒結溫度的升高，含量逐漸減少。圖2是1150 ℃燒結溫度下試樣的能譜分析圖譜，其中C元素主要聚集在黑色團聚物處，除Si元素有稍微偏析外，Fe，Cr，Ni，Cu，Mn元素分布較均勻，進一步證明黑色團聚物為游離石墨相。由圖1得出隨著燒結溫度增加，組織中的石墨含量減少。圖3是光學顯微鏡下的金相圖片，金相組織是由體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后得到，可以看到各個試樣中基體組織主要由奧氏體、游離石墨相，以及少量碳化物組成，未發(fā)現鐵素體相，證明這3個燒結溫度點都保證了鐵素體完全向奧氏體轉化。當燒結溫度為1050 ℃時，晶粒平均尺寸細小，當燒結溫度為1100 ℃和1150 ℃時，晶粒平均尺寸增大，并且出現了部分大尺寸晶粒的晶界不完整的現象。綜上可知，燒結溫度對組織中的石墨含量和晶粒尺寸有較大影響。這是因為奧氏體的形成是擴散相變的過程，隨著燒結溫度的升高，原子的擴散系數逐漸增加，特別是碳原子在奧氏體中的擴散系數增加，從而加快了奧氏體形核和長大的速度，也縮短了剩余滲碳體溶解的速度[13]。

圖1 不同燒結溫度下試樣的SEM圖

圖2 燒結溫度1100 ℃下組織的EDS面譜

圖3 不同燒結溫度下試樣的金相圖

2.2 燒結溫度對粉末冶金鐵基材料相組成的影響

圖4是不同燒結溫度下各試樣的XRD衍射表征，可以看出當燒結溫度不同時，各試樣的物相成分并沒有明顯的區(qū)別，都包含-Fe相和石墨相兩種組成相。當燒結溫度增大到1100 ℃時，XRD圖譜中相的衍射峰相對強度大于1050 ℃時相的衍射峰強度，表明了在1050~1150 ℃升溫過程中相轉變仍在進行。

圖4 不同燒結溫度下試樣的XRD模型

2.3 燒結溫度對粉末冶金鐵基材料硬度和致密度的影響

圖5展示了不同燒結溫度對粉末冶金鐵基材料硬度和致密度的影響，其中在3個燒結溫度下，試樣的密度分別為6.15，6.42，6.51 g/cm3，試樣的硬度分別為125.1HB，138.6HB，145.2HB。可知隨著燒結溫度的升高，試樣密度逐漸升高，致密度也隨之升高。致密度隨燒結溫度升高而升高的原因是：粉末冶金燒結組織的致密度是依靠原子的擴散遷移而實現的，在低的燒結溫度下原子的擴散速率、晶粒的生長速率、晶界的移動速率較低，會抑制晶粒的生長發(fā)育，也會產生較多的孔隙和缺陷[14]。當燒結溫度升高時，粉末顆粒晶粒內、晶界處及顆粒表面液相增多。在毛細管力的作用下，粉末顆粒碎裂，原子重新排列，晶粒中晶界再滑動使晶粒粗化，通過溶解-沉淀機制消除孔隙，提高了材料的致密度[15]。燒結溫度為1050 ℃時，試樣的致密度最小，并且試樣的布氏硬度也最低。隨著燒結溫度升高，試樣的致密度和硬度都逐漸增大，在燒結溫度從1100 ℃上升到1150 ℃的過程中，致密度和硬度的增速較大，但在燒結溫度從1100 ℃上升到1150 ℃的過程中，試樣致密度的增大速率逐漸變緩，隨之硬度增速也減小。出現這種情況的原因是：① 隨著燒結溫度升高，材料的致密程度增大，組織中孔隙減少導致了宏觀硬度的增加，致密度增速放緩，硬度增速也隨之放緩；② 組織中游離態(tài)的石墨會割裂基體，降低強度，石墨含量隨著燒結溫度的升高而減少，材料的硬度呈現上升的趨勢。

圖5 不同燒結溫度下試樣的硬度和密度

2.4 燒結溫度對粉末冶金鐵基材料磨損性能的影響

不同燒結溫度下3組試樣磨損實驗中的摩擦因數變化情況見圖6，可以看到，磨損實驗中3組樣品都達到了一個摩擦因數穩(wěn)定階段，且3組樣品的平均摩擦因數數值分別為0.552，0.527，0.524。石墨具有自潤滑作用，在基體中是穩(wěn)固的潤滑劑“源”，這對減少摩擦因數具有積極作用，但是從圖6可以看出，隨著燒結溫度的升高，石墨含量減少，摩擦因數逐漸減少，與以前的結論相反。出現這種情況的原因是：① 當石墨含量過高，雖然其潤滑作用也增大了，但由于游離石墨數量過多，其對基體的割裂作用大大增加，導致整體的抗拉強度降低，磨損過程中基體表面產生的氧化膜容易整體剝落，反而使摩擦因數變大，所以隨著燒結溫度的升高，石墨含量的減少至一定范圍，摩擦因數也會減少[16]；② 燒結溫度為1050 ℃時，材料中孔隙較多，致密度較低，并且基體上硬質相生成也較少，材料整體硬度低，在磨損過程中，基體對表面氧化層的支撐能力減弱，從而摩擦因數最大。隨著燒結溫度升高，材料的致密性升高，基體整體硬度升高，磨損過程中基體對表面氧化層的支撐力也變強，因此，摩擦因數變小。

圖6 不同燒結溫度下試樣的摩擦因數變化曲線

不同燒結溫度的材料在磨損實驗后的磨損形貌見圖7，可以看出3個溫度下的試樣主要磨損機制為氧化磨損，且摩擦表面出現了一層氧化膜。這是因為隨著磨損的進行，兩摩擦表面間相互作用加劇，產生大量的摩擦熱，導致摩擦表面升溫，摩擦表面與空氣中的氧發(fā)生氧化反應生成氧化物，這些氧化物在摩擦過程中被擠壓在材料表面，形成氧化膜。這層氧化膜起到潤滑作用從而減小摩擦因數，但在燒結溫度為1050 ℃下的材料，強度較低，造成摩擦過程中表面氧化膜的剝落，對于燒結溫度為1100 ℃和1150 ℃下的材料次表層中基體對潤滑層的支撐力增強，剝落情況減弱。

圖7 不同燒結溫度下試樣磨損表面的微觀形貌

3 結論

采用粉末冶金技術制備了Fe-Ni-Cu-Cr-Si-C（石墨）材料，并研究了燒結溫度對材料顯微組織和性能的影響，結果如下。

1）燒結溫度影響石墨含量，隨著燒結溫度升高，石墨含量減少。這是因為在較低燒結溫度時，碳原子的擴散速率小，還未完全溶于奧氏體。隨著燒結溫度升高，原子擴散增強，加快石墨溶解，石墨含量會減少。燒結溫度也會影響奧氏體晶粒形核及生長，當燒結溫度在1050~1100 ℃上升過程中，奧氏體轉化正在進行，奧氏體晶粒形核加快，晶粒尺寸變大，但燒結溫度在1100~1150 ℃上升過程中，晶粒形核速率變緩，晶界變得模糊。

2）隨著燒結溫度的升高，硬度和致密度增大，原因是孔隙的減少以及質軟的石墨含量減少。

3）石墨作為自潤滑元，有利于減輕磨損，對減小摩擦因數也有積極作用，但是隨著燒結溫度升高石墨含量減少，磨損過程中摩擦因數隨著石墨量減少而減小，是由于基體硬度升高導致次表層的基體更有能力支撐表面潤滑膜，潤滑膜減小了磨損面的摩擦因數。

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Effect of Sintering Temperature on Microstructure and Properties of Powder Metallrgy Iron-Based Materials

LI Xiang-rong1, XU Ying1, SONG Xiang-yu1,2, XIONG Ji1, HUANG Yuan-qing3

(1. School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610044, China; 2. Zhejiang Zhenxing Petrochemical Mach-i-n-ery Co., Ltd., Wenzhou 325200, China; 3. Yangjiang Shibazi Knife and Shearing Products Co., Ltd., Yangjiang 529931, China)

The work aims to prepare Fe-Ni-Cu-Cr-Si-graphite alloy by powder metallurgy and study the effect of sintering temperature on microstructure, hardness, density and wear resistance of material. Three groups of samples were obtained after sintering at 1050, 1100 and 1150 ℃ for 2 h. The microstructure of the samples was analyzed by optical microscope, scanning electron microscope and X-ray diffractometer. The hardness and density of the samples were measured by Brinell hardness tester and electronic balance respectively, and the wear resistance of the samples was analyzed by ball-on-disk wear tester. The results showed that the grain size increased with the increase of sintering temperature. The austenite mass increased when the sintering temperature increased from 1050 ℃ to 1100 ℃, indicating that austenite transformation was still going on. Hardness and density also increased, but the increase rate of hardness slowed down when the sintering temperature increased from 1100 ℃ to 1150 ℃. Abrasion resistance was the best in the sintering temperature of 1150 ℃. With the increase of sintering temperature, the friction coefficient gradually decreased. The increase of the hardness of the material enhanced the bonding ability between the matrix and the surface lubrication film. Thus, it showed the better wear resistance. In the range of 1050 ℃ to 1150 ℃, the increased sintering temperature will improve the microstructure and improve the hardness, density and wear resistance of the microstructure.

powder metallurgy; iron-based materials; sintering temperature; microstructure

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.02.006

TM272

A

1674-6457(2021)02-0036-06

2020-07-10

企業(yè)委托項目（19H0218）

李相榮（1993—），女，碩士生，主要研究方向為先進功能材料制備。

熊計（1965—），男，博士，教授，主要研究方向為機械加工切削刀具、難熔金屬與硬質材料、粉末冶金材料設計及成形。