燒結(jié)溫度對Fe-2Ni合金材質(zhì)轉(zhuǎn)軸的性能影響

周萌萌

合肥聯(lián)寶信息技術(shù)有限公司,安徽 合肥 230009

0 引言

筆記本電腦的行業(yè)趨勢逐漸趨向于設(shè)計(jì)輕薄、造型多變,與之配套的MIM轉(zhuǎn)軸產(chǎn)品趨向于復(fù)雜化、精密化和較高的力學(xué)性能,同時(shí)需要滿足功能上的多種傳動(dòng)需求。轉(zhuǎn)軸作為筆記本電腦典型的活動(dòng)部件,設(shè)計(jì)不僅要保證穩(wěn)固可靠,還要有一定的靈活性,以方便用戶使用。金屬注射成形(metal injection molding,MIM)是一種融合注塑成形工藝學(xué)、粉末冶金工藝學(xué)、高分子化學(xué)和金屬材料學(xué)等多學(xué)科交叉的新型粉末冶金近凈成形技術(shù)[1],對于生產(chǎn)幾何形狀復(fù)雜、要求較高的精密產(chǎn)品具有很大優(yōu)勢[2]。目前,該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、鐘表制造、齒輪制造以及航空航天等多個(gè)領(lǐng)域,被贊譽(yù)為“21世紀(jì)最熱門的零部件成形技術(shù)”[1]。

筆記本電腦轉(zhuǎn)軸高性能和復(fù)雜性等特點(diǎn),使其對原料粉末的性能要求也更高[3]。Fe-2Ni合金韌性和強(qiáng)度較優(yōu),成本低,在筆記本電腦制造行業(yè)中常用于制造轉(zhuǎn)軸,但常規(guī)的機(jī)加工工藝不易實(shí)現(xiàn),故本研究采用MIM工藝制造筆記本電腦轉(zhuǎn)軸系列零件非常有意義。燒結(jié)是MIM中最重要的一步,合金粉末在這個(gè)過程中經(jīng)歷粘結(jié)、擴(kuò)散、融合和再結(jié)晶,使粉末由物理嚙合轉(zhuǎn)變?yōu)榫w融合。在制造業(yè)中,為了效益最大化,通常會(huì)通過研究燒結(jié)溫度來提高產(chǎn)品的機(jī)械性能。喬斌 等[4]分析燒結(jié)過程中的溫度和時(shí)間對燒結(jié)密度和力學(xué)性能的影響,得出最佳燒結(jié)溫度為1 225 ℃。李輝隆 等[5]研究了不同溫度下燒結(jié)后的產(chǎn)品性能,表明溫度和保溫時(shí)間對力學(xué)性能有顯著提升。以上研究均未深入闡述不同燒結(jié)溫度對Fe-2Ni材質(zhì)轉(zhuǎn)軸制品的微觀組織及力學(xué)性能影響,限制了MIM工藝在轉(zhuǎn)軸上的應(yīng)用。

綜上所述,本研究采用Fe-2Ni合金作為原料,研究了燒結(jié)溫度對Fe-2Ni合金微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響,為MIM工藝在筆記本電腦轉(zhuǎn)軸的產(chǎn)業(yè)化提供理論和技術(shù)支持[1]。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)原料選取Fe-2Ni合金粉末,呈球形顆粒狀,填振實(shí)密度為4.30 g/cm3,合金粉末化學(xué)組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.03%Ni、97.15%Fe、0.32%C和0.5%其他元素。

MIM技術(shù)的黏結(jié)劑有水基體系、熱固性聚合物及熱塑性聚合物等[6]。在熱塑性聚合物中,聚甲醛(POM)擴(kuò)散速率及脫除效率較高[7],且添加一定量的高密度聚乙烯(HDPE)后,可維持脫脂坯的形狀[8]。本研究采用組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為89%POM、6%HDPE和5%SA的黏結(jié)劑。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)以Fe-2Ni合金粉末為原料,粉末裝載量為60%,經(jīng)注射溫度195 ℃、注射壓力50 MPa,以注射速度45 mm/s形成注射坯,經(jīng)脫脂120 ℃,保溫300 min脫脂和燒結(jié)工藝形成Fe-2Ni合金試樣,其中燒結(jié)環(huán)境為Ar和N2,燒結(jié)溫度選擇參考Fe-Ni合金相圖的固相線的80%左右,分別為1 220、1 230、12 240和1 250 ℃,制得合金試樣,測試其力學(xué)性能并分析組織結(jié)構(gòu)[1,9]。

1.3 Fe-2Ni合金測試與評價(jià)方法

排水法測量試樣的密度。試樣硬度選用200HVS-5型號(hào)維氏硬度計(jì),測量5個(gè)點(diǎn)取平均值。材料的拉伸性能選用SANS CMT-5205型萬能材料試驗(yàn)機(jī),結(jié)果取5個(gè)試樣的平均值。伸長率是評價(jià)試樣韌性質(zhì)量的重要參考,試樣拉伸前后的長度采用卡尺測量。 試樣打磨拋光后,選用4%的硝酸酒精腐蝕試樣,使用Zeiss Axio vert.A1金相顯微鏡觀察試樣的孔隙和顯微組織[1]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同燒結(jié)溫度下Fe-2Ni合金的致密化

合金密度和硬度如圖1所示,當(dāng)溫度為1 220 ℃時(shí),密度和硬度較低,這是因?yàn)闇囟冗^低導(dǎo)致原子擴(kuò)散能量弱,燒結(jié)過程中沒有出現(xiàn)液相,材料之間未形成聯(lián)結(jié)統(tǒng)一的整體,孔隙較多。當(dāng)溫度逐漸升高,原子擴(kuò)散能力增強(qiáng),燒結(jié)出現(xiàn)液相,材料之間融合更加充分,收縮率和密度隨之增大。當(dāng)溫度達(dá)到1 240 ℃時(shí),燒結(jié)最充分,孔隙數(shù)量最少,且分布均勻,此時(shí)密度達(dá)7.63 g/cm3,硬度最高達(dá)196.52 HV。當(dāng)溫度達(dá)到1 250 ℃時(shí),燒結(jié)溫度過高導(dǎo)致晶體異常變大,使晶體之間間隙增多,同時(shí)石墨等雜質(zhì)也會(huì)受熱反應(yīng)揮發(fā),使得孔隙增多[10],密度和硬度反而下降。由此可知,本研究試樣的最佳燒結(jié)溫度為1 240 ℃。

圖1 Fe-2Ni合金的密度和硬度圖

2.2 不同燒結(jié)溫度下Fe-2Ni合金的微觀組織

參考Fe-Ni合金相圖[11]可以得到如下發(fā)現(xiàn)。

當(dāng)燒結(jié)溫度為1 220 ℃時(shí),能量不足以使所有的鐵素體全能轉(zhuǎn)化成奧氏體,導(dǎo)致這些鐵素體晶體逐漸長大形成較大晶體保留到室溫,而奧氏體組織在降溫到室溫后轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w,故得到了大量白色鐵素體和片層相間的珠光體,導(dǎo)致該溫度下Fe-2Ni合金的力學(xué)性能較差。

當(dāng)燒結(jié)溫度升高,即能量提升,鐵素體轉(zhuǎn)變形成的奧氏體數(shù)量增多,則初始鐵素體數(shù)量相對減少,同步冷卻后的組織中鐵素體含量相對減少,轉(zhuǎn)化形成的奧氏體保留到室溫形成的珠光體則相對增多。珠光體比鐵素體的力學(xué)性能更為優(yōu)異[12-13]。繼續(xù)升高溫度,初始的鐵素體在能量飽和的條件下,最大程度的轉(zhuǎn)化為奧氏體組織,最終得到微觀組織主要為少量鐵素體和片層間隙均勻相間的珠光體。

當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)1 250 ℃時(shí),與1 240 ℃時(shí)相比合金的組織基本相同,但可觀察到異常長大的晶粒和增多的孔隙。這是由于燒結(jié)溫度過高導(dǎo)致奧氏體晶體產(chǎn)生異常長大,保留到室溫后形成較大的珠光體,同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致石墨等雜質(zhì)受熱反應(yīng)揮發(fā)生成大量孔隙[14]。故由此可得,隨著燒結(jié)溫度的升高,鐵素體能最大程度轉(zhuǎn)化為性能更優(yōu)異的奧氏體,降溫后奧氏體基本形成了珠光體,鐵素體比例則相對降低。

2.3 不同燒結(jié)溫度下Fe-2Ni合金的力學(xué)性能

圖2為試樣在不同燒結(jié)溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖2 1 220～1 250 ℃溫度下Fe-2Ni合金的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖中可分析得出,試樣表現(xiàn)為韌性斷裂,且伸長率與溫度成正比,這說明溫度的升高能增強(qiáng)合金的韌性。但未完全燒結(jié)會(huì)殘留一些孔隙,孔隙的存在成為應(yīng)力集中、裂紋形成的誘因,不利于合金強(qiáng)度和韌性的提高[1,15]。隨著溫度升高試樣逐步充分燒結(jié)形成液相,填滿了內(nèi)在的孔隙,提高了材料的致密化,合金的各項(xiàng)性能有了顯著提高[16]。當(dāng)溫度升高至1 240 ℃時(shí),孔隙數(shù)量減少和形狀變化使合金具有較高的強(qiáng)度與韌性[1]。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)1 250 ℃時(shí),過高溫度導(dǎo)致石墨等雜質(zhì)受熱反應(yīng)揮發(fā)生成大量孔隙[14],降低了試樣的強(qiáng)度和韌性。因此,最佳的燒結(jié)溫度為1 240 ℃。

3 結(jié)論

1)隨著燒結(jié)溫度的升高,原子擴(kuò)散能力增強(qiáng),試樣的密度和硬度也隨之不斷增大,在溫度1 240 ℃下到達(dá)峰值,分別為7.63 g/cm3和196.52 HV。當(dāng)溫度達(dá)到1 250 ℃時(shí),過高的燒結(jié)溫度導(dǎo)致晶體異常變大,同時(shí)石墨等雜質(zhì)受熱反應(yīng)揮發(fā),使得孔隙增多,故收縮率和密度卻反而下降。由此可知,本研究試樣的最佳燒結(jié)溫度為1 240 ℃。

2)當(dāng)溫度由1 220 ℃升高至1 240 ℃時(shí),合金中鐵素體轉(zhuǎn)化成珠光體的含量增多,合金的抗拉強(qiáng)度不斷增大,當(dāng)溫度至1 240 ℃時(shí),抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值為732.46 MPa。繼續(xù)升高溫度,奧氏體晶體會(huì)產(chǎn)生異常長大,保留到室溫后形成較大的珠光體,力學(xué)性能降低。

3)根據(jù)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可得出不同燒結(jié)溫度下試樣均為韌性斷裂。