粉末冶金温压铁基合金的力学性能研究

闵 生,黄钧声

(广东工业大学材料与能源学院,广东 广州 510006)

粉末冶金温压铁基合金的力学性能研究

闵 生,黄钧声

(广东工业大学材料与能源学院,广东 广州 510006)

采用粉末内润滑温压工艺制备了 Fe-4Ni-1.5Cu合金与Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C合金.在温压温度100℃、压制压力750 M Pa的条件下,加入润滑剂COM和石墨粉后可以制备出烧结密度7.18 g/cm3、硬度87HRB、屈服强度488 M Pa、抗拉强度537 MPa、断后伸长率4.3%的 Fe-4Ni-1.5 Cu-0.5C合金材料;粉末中加入石墨后,在其烧结试样中形成了珠光体、马氏体等较为复杂的多相组织,强化了基体组织.

粉末冶金;温压;粉末内润滑;力学性能

材料和能耗是当今零件制造业中最重要的两个技术经济指标,在这方面,粉末冶金工艺显示出良好的优势.在大批量生产形状较为复杂、尺寸精度高、性能稳定的零部件时,粉末冶金工艺比传统的铸造工艺具有更多的竞争优势,符合低碳经济的发展要求.目前,各国经过多年的研究,开发出多种不同的生产工艺,如高温烧结、渗铜技术、复压复烧、粉末锻造、热等静压、喷射沉积、温压工艺、快速压制等工艺[1-3].由于这些工艺存在着不同程度的成本高和零件尺寸精度低等问题,使本富于竟争力的P/M零件的潜力难以得到充分发挥.近十几年来,国外又成功开发了粉末冶金温压技术,以其经济可行性引起了轰动并获得了很大的商业成功,已被认为是20世纪90年代以来粉末冶金零件生产技术方面最重要的一项技术进步.

关于铁镍铜系材料温压的相关研究,目前已取得较快进展.如沈元勋等[4]采用温压模壁润滑工艺,以铁基粉末(94Fe+2Cu+2Ni+1Mo+1C)为基粉并混合质量分数0.3%的聚合物,在压制温压温度130℃和压制压力700 M Pa下得到密度高达7.32 g/cm3、硬度达295HB,抗拉强度高达853 M Pa的零部件.李金花等[5]采用模壁润滑温压工艺,以铁基粉末(Fe+2Cu+1C)为基粉并混以0.6%新型润滑剂,在压制温压温度140℃和压制压力610 M Pa的条件下,得到密度达 7.18 g/cm3、拉强度达 537 M Pa的铁基粉末冶金材料.Abolfazl Babakhani,H.Shokrollahi等[6-7]也获得了高性能的烧结部件.本文结合实际生产,采用一种新型有机高效润滑剂,并只使用粉末内润滑的温压工艺,研制出Fe-Ni-Cu合金与Fe-Ni-Cu-C合金材料.试验中所使用的润滑剂价格低廉,生产工艺简单易操作,以期减少成本和生产周期的同时可以得到所需合格的零部件材料.

1 试样制备与试验方法

1.1 试料

赫格纳斯(中国)有限公司生产的温压专用粉末Distaloy AE,其粒径d＜147μm,化学成分为 Fe-4Ni-1.5Cu;石墨粉C;润滑剂为日本新型有机高效润滑剂COM.

1.2 试样制备

A组原料为5 kg Distaloy AE+40g COM,B组原料为5 kg Distaloy AE+40g COM+25g C,将A,B两组原料分别在V型混粉机中混合成两组温压粉末.采用扬州伟达机械有限公司生产的 PH-80T温压粉末成型机,在压制压力750 M Pa、温压温度100℃的条件下分别将A和B两组粉末压制成形,制得A、B两组生坯试样,每组 20个,试样尺寸为GB7963-1987规定的扁平拉伸试样.在分解氨气氛中,在烧结温度为1120℃的网带式连续烧结炉中将生坯烧结 30 min,然后自然冷却得到烧结合金试样.

1.3 测试方法

用排水法测烧结试样的密度;在布洛维光学硬度计上测试洛氏硬度值 HRB;采用电液伺服微机控制万能试验机进行拉伸试验,并计算出烧结试样断后伸长率;采用金相显微镜观察金相组织;采用日本日立公司生产的 S-3400N-II型扫描电子显微镜(SEM)对拉伸断口进行观察和分析.

2 实验结果与讨论

2.1 密度

粉末冶金材料的密度对其性能有着重要的影响.采用排水法测得的平均密度列于表1.

表1 烧结试样的硬度、密度、屈服强度、抗拉强度和断后伸长率Table 1 Hardness,density,yield strength,ultimate tensile strength and elongation after fracture of sintered samples

由表1可看出,所制得的试样都有较高的烧结密度,加石墨粉的B组试样的密度稍低.其主要原因,一方面是采用的新型有机高效润滑剂在温压温度范围内以熔融状态为主,很大程度上提高了粉末之间的润滑效果,大大地减小了颗粒之间的摩擦阻力,提高了有效压力;另一方面,润滑剂的良好润滑效果促进了颗粒的重排,有效地提高了粉末的塑性变形程度.此外,石墨本身也具有一定的润滑作用,会增强颗粒之间的润滑效果,但是由于其本身密度较小,会稍微降低合金材料的密度.结果表明,所采用的新型有机润滑剂COM在一定的压制压力和压制温度下表现出了很好的润滑效果,可以得到密度较高的 Fe-4Ni-1.5Cu合金与 Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C合金材料.

2.2 力学性能

所测样品的硬度、屈服强度、抗拉强度和断后伸长率均列于表1.由表1可知,两组试样都达到了较高的硬度,只是B组的硬度稍高;与A组试样相比,加石墨的B组试样,其屈服强度和抗拉强度分别提高98 M Pa和53 M Pa,断后伸长率也稍增大,达到4.3%.B组试样的综合性能如硬度、屈服强度、抗拉强度等均高于A组,是由于加入的石墨,形成了珠光体、奥氏体、马氏体等较为复杂的相组织(图2),该组织具有良好的烧结强化效果.另外,加入的碳降低了铜对铁的润湿性,使铜富集于小颗粒和晶界处,而镍可以充分扩散,最终获得了较为均匀的组织,大大地提高了材料的力学性能.

结果表明:新型有机润滑剂COM在压制压力750 M Pa、温压温度100℃的条件下表现出了较好的润滑效果,加入石墨粉后得到的 Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C合金可用于硬度要求较高且成本要求较低的场合.

2.3 显微组织和断口形貌

图1是Fe-4Ni-1.5Cu试样的显微组织,其中颗粒状的是由铁镍铜形成的固溶体相,其余的是纯铁相.图2是Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C试样的显微组织.图2中深灰色的相是珠光体,浅灰色的相是铁素体,灰白色的相是奥氏体,浅灰色的边界区域主要是马氏体.

图3是综合性能较好的Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C烧结试样拉伸断口的扫描照片.由图3可看出,断口存在一些细小的孔洞,断面主要由韧窝和解理断面组成,其断裂机理是韧性断裂和解理断裂共存的混合型断裂.

图1 Fe-4Ni-1.5Cu试样显微组织Fig.1 Themicrostructureof Fe-4Ni-1.5Cu

图2 Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C试样显微组织Fig.2 The microstructure of Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C

图3 Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C试样断口形貌Fig.3 SEM fracture surface morphology of Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C

3 结 论

在温压温度100℃、压制压力750 M Pa的条件下,加入新型有机润滑剂COM和石墨后可得到烧结密度达7.18 g/cm3、硬度达87HRB、屈服强度达488 M Pa、抗拉强度达 537 M Pa、断后伸长率达4.3%的Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C合金材料.加入碳后,可形成珠光体、马氏体等较为复杂的多相组织,强化了基体组织.

[1]黄培云.粉末冶金原理[M].第2版.北京:冶金工业出版社,1997:377-380.

[2]韩凤麟.粉末冶金机械零件[M].北京:机械工业出版社,1987:115.

[3]JONES P,GOLDER K B,LAWCOCK R,et al.Densifications trategies for high endurance P/M components[J].Inter J Pow der Metall,1997,33(3):37-43.

[4]沈元勋,肖志瑜,方亮,等.部分扩散预合金温压铁-铜-镍-钼-碳材料得组织与性能[J].机械工程材料,2007,31(9):31-33.

[5]李金花,倪东惠,朱权利,等.粉末冶金温压工艺制备 Fe-Cu-C材料[J].机械工程材料,2005,29(5):38-40.

[6]Babakhani A,Haerian A,Ghambari M.On the combined effect of lubricantion and compaction temperature on p roperties of iron-based P/M parts[J].Materials Science and Engineering,2006,A 437:360-365.

[7]SHOKROLLAH IH,JANGHORBAN K.Effectof warm compaction on the magnetic and electrical p roperties of Fe-base soft magnetic composite[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2007(313):182-186.

Research on mechan ical properties of iron-based alloys by warm com paction powder metallurgy

M IN Sheng,HUANGJun-sheng
(Faculty of M aterial and Energy,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)

Fe-4Ni-1.5Cu alloy and Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C alloy were p repared by pow der lubrication warm compaction.Results show that under the conditions of compaction p ressure of 750 M Pa and compaction temperature of 100℃,the Fe-4Ni-1.5Cu-0.5C alloy p resents 7.18g/cm-3sintered density,87 HRB hardness,488M Pa yield strength,537 M Pa ultimate tensile strength and 4.3%elongation.The addition of C into the pow der can form multiphase microstructures such as pearlite and martensite,w hich is beneficial to enhance matrix.

pow der metallurgy;warm compaction;pow der lubrication;mechanical p roperties

TF124

A

1673-9981(2011)01-0039-03

2010-10-15

闵生(1984—),男,安徽蚌埠人,硕士研究生.