（材料加工工程专业论文）铁基（fecumoc）（粉末冶金）齿环材料的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 本文通过球磨、普通压制和烧结制备f e - c u - m o c 同步器齿环材 料，利用金相显微镜、x 射线衍射( x r d ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 等检测手段。研究其合金元素对烧结性能的影响；球磨工艺与烧结性 能关系；合金的热加工性能和合金不同状态的摩擦磨机理。 合金化实验结果表明：m n 和m 0 对硬度的贡献显著，c 对硬度的 作用并不明显。从材料的耐磨性和热加工性能角度出发，f e 一2 c u 一2 1 m 1 - m o c - p 合金具有较好的综合性能。 对f e - 2 c u - 2 m n - m o - c - p 合金研究结果表明：随球磨时间增加，粉 末形状由粒状向块状和层片状变化：粉末间的冷焊促进了碳原子向 铁原子中的扩散，球磨促进了粉末的部分合金化；在优化的球磨工艺 下制备合金，烧结体密度为7 ：2 1 9 c m 3 ，相对密度9 2 6 。与传统一 次压制烧结方法相比提高致密度；热变形下，合金的真应力具有正的 应变速率敏感性，热锻提高合金密度；干摩擦磨损情况下，合金的不 同的状态，有不同的磨损机理。淬火态合金磨损机理为磨粒磨损，磨 损率高；退火态合金的磨损机理为疲劳磨损，麻点的形成是由于表面 下方的裂纹扩展而成，磨损率低。f e - 2 c u - 2 m n - m o - - c - p 合金有着较高 的退火态硬度、良好的热塑性，合金磨损率接近国外齿环材料的水平。 关键词同步器齿环，球磨，磨损，f e c u m o c 硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i np r e s e n tw o r kf e c u m o ca l l o y su s e da ss y n c h r o n i z e rr i n gw e r e p r e p a r e df o l l o w i n gt h er o u t eo fm i l l i n g ，c o m p a c t i o na n ds i n t e r i n g b y u s i n gm o d e me x a m i n a t i o nt e c h n i q u e so fo m ，x r da n ds e m ，t h ee f f e c t o fa l l o ye l e m e n t i n g ，t h er e l a t i q m i l l i n ga n dsinteringot a l l o ye l e m e n to ns i n t e r i n gt h er e l a t i o nb e t w e e nm i l l i n l 乏a n ds i n t e r i n z ， a sw e l la sh o tp r o c e s s i n ga n dd i f f e r e n tf r i c t i o n a lw e a rm e c h a n i s mw e r e d i s c u s s e d r e s p e c t i v e l y a sar e s u l t , m na n dm oh a dac o n s i d e r a b l e c o n t r i b u t i o nt ot h e m a t e r i a lh a r d n e s s ，w h i l eh a r d e n i n ge f f e c to fcw a su n c o n s p i c u o u s i n t e r m so ff r i c t i o nr e s i s t i v i t ya n dh o tp r o c e s s i n gp r o p e r t y , f e - 2 c u - 2 m n m o - c - pa l l o yh a dt h eb e t t e ro v e r a l lp r o p e g i e s a st h em i l l i n gt i m el a s t e d ，m o r p h o l o g yo f p o w d e r se v o l v e df r o mt h e p a r t i c l es h a p et ob l o c ka n dl a y e r e ds t r u c t u r e c o l dw e l d i n gb e t w e e n p o w d e r sa c c e l e r a t e dt h ed i f f u s i o no fca t o mt of e m i l l i n gc a u s e dp a r t i a l a l l o y i n go fp o w d e r s m a t e r i a lw a sp r e p a r e df o l l o w i n gt h eo p t i m i z e d m i l l i n gp r o c e s s i n g ，a n da f t e rs i n t e r i n gi t sd e n s i t yw a s7 21g c m 3 ，r e l a t i v e d e n s i t y9 2 6 c o m p a r e dt ot h ec a s eo ft r a d i t i o n a lr o u t ew i t ho n l yo n e c o m p a c t i o na n ds i n t e r i n g ，m a t e r i a ld e n s i t yw a si n c r e a s e d d u r i n gh o t d e f o r m a t i o nt r u es t r e s so fa l l o y sh a dp o s i t i v es t r a i nr a t es e n s i t i v i t y , a n d h o t f o r g i n gc o u l di m p r o v em a t e r i a ld e n s i t y u n d e rt h ed r yf r i c t i o n c o n d i t i o n s ，d i f f e r e n ts t a t e so fa l l o y sc o r r e s p o n d e dt od i f f e r e n tw e a r m e c h a n i s m s a s - q u e n c h e da l l o y se x h i b i t e da sg r a i na b r a s i o n ，w i t hah i g h w e a rr a t e a n dt h ew e a rm e c h a n i s mw a sf a t i g u ew e a rf o rt h ea n n e a l e d a l l o y s ，c o r r o s i v ep i t t i n gf o r m e dd u et oc r a c kg r o w i n gu n d e rt h es u r f a c e a n dw e a l r a t el o w a f t e ra n n e a l i n gf e - 2 c u - 2 m n m o - c pa l l o yh a da h i 曲h a r d n e s sa n dg o o dt h e r m a lp l a s t i c i t y , a n da l l o yw e a rr a t ew a sc l o s e t ot h el e v e lo ff o r e i g ns y n c h r o n i z e rr i n gm a t e r i a l s w o r d s ： y n c h r o n i z e r l g ，b a l m i l l i n g ，w e a r , f e c u m o k e y w o r d s ： s y n c h r o n i z e rr m rb a l lm i l l i n nw e a r ,o c 一， -_ u 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：翌墓幺日期：2 垒盥年上月三日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 日期：掣年厶# 日 硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 引言 第一章文献综述 我国近几年来汽车工业的飞速发展带动了汽车零部件生产水平的迅速提高。 手动变速器作为汽车中一个重要的零部件，有三种主要类型：滑动齿轮、接 合套换档和同步啮合。前两种由于在啮合时发生齿轮碰撞，一般只用于农用和工 业机械。同步啮合能消除齿轮碰撞，使齿轮换档平稳，使用在现代汽车上。同步 啮合变速常分为四种类型【1 】：滑块式、盘和块式、平面式和销式同步变速。所有 同步器均是利用摩擦在关联之前使齿轮和轴速度达到同步。同步器齿环材料质量 直接影响同步器的性能与寿命。同步器齿环恶劣工作条件决定其材料必须具有以 下特点【2 】： ( 1 ) 具有优良的加工性能； ( 2 ) 耐磨性能好； ( 3 ) 具有高强度、耐高温、抗冲击载荷能力强的力学性能； ( 4 ) 相当而匹配的摩擦系数。 其中耐磨性为其主要的性能指标。 早期的同步器齿环材料大多采用铝青铜，到了1 9 7 0 年代后，各汽车生产厂 家逐步采用复杂耐磨黄铜f 3 卅取代铝青铜。但传统方法生产黄铜制造齿环的缺点 是工序长，很容易造成成分不均，材料利用率低等。 现代粉末冶金具有传统优点【2 ，5 】的同时，还拥有以下新特点： ( 1 ) 粉末冶金件具备特殊性能：具有良好的自润滑和减摩性能；作为高合 金元件具有偏析小、机械性能好的优点；作为铜基或铁基摩擦材料( 混以非金属 组元) ，在很大温度范围内其摩擦系数稳定，耐磨性、热导性较好；作为结构件 不但具有省料、省工序、高效、低成本的特点，还可适应耐磨耐腐蚀的特殊环境 的需要。 ( 2 ) 从材料利用率来看，粉末冶金材料利用率比其它传统工艺要高，粉末 冶金零件的材料利用率为9 0 以上，精锻件为7 5 - 8 5 ，而锻、铸件与机加工 件的材料利用率仅为4 0 7 0 ； ( 3 ) 节省加工工时和机床设备； 硕士学位论文第一章文献综述 ( 4 ) 从节约能源的角度来看，粉末冶金制品优于其它任何生产方式( 如切 削加工、锻、铸等) 。以美国为例：l 克重的还原铁粉所耗能量为2 0 7 9 2 1 d ，每 克粉末冶金件混合粉需耗能o 0 3 1 d ，压制需0 2 8 1 d ，烧结需1 5 6 k j ，后续加工为 0 6 k j ，合计1 克重粉末冶金件平均消耗3 7 3 0 2 1 d 。 粉末冶金方法已发展成为制取各种高性能结构材料、特种功能材料和极限条 件下工作材料的有效途径【5 】。而铁基粉末冶金所用原材料大部分是铁粉，现今铁 粉主要由轧钢铁鳞制成，并不耗用钢材，可以变废为宝对我国有着很大的经济意 义。 1 2 烧结铁基材料 1 2 1 烧结铁基结构材料 烧结铁基结构零件包括烧结铁、烧结碳钢、烧结合金钢、熔浸钢等材料。影 响材料的性能的因素主要有孔隙度、合金化及热处理等。它们各自对性能影响如 下： ( 一) 孔隙对材料性能的影响和提高密度的方法 粉末冶金材料通常存在大量的孔隙，致使材料承受载荷的实际面积减小，材 料的强度、塑性、韧性下降。只有当相对密度( 实际密度理论密度) 大于9 0 时，材料的延伸率和冲击韧性才急剧增加睁7 1 。 粉末冶金材料的机械性能，还受孔隙大小和形状的影响。因为孔隙是烧结材 料中的一种结构缺陷，而抗拉强度、延伸率和冲击韧性等对材料的结构缺陷( 即 孔隙的形貌) 是很敏感的。材料的断裂一般可分为裂纹的形成、扩展和张开( 断 裂) 三个阶段嘲。孔隙，尤其是孔隙的尖锐处，就可能存在微裂纹而成为断裂源， 或是由于应力集中而首先在孔隙尖锐处形成裂纹，从而导致材料的断裂。孔隙越 大、孔隙尖端曲率半径越小，则应力集中越强烈，这时孔隙尖端就有可能形成裂 纹。裂纹一旦产生，应力集中更加强烈，使裂纹扩展导致材料断裂。减d q l 隙尺 寸使孔隙内表面圆滑，孔隙形状球化可明显降低应力集中，从而提高材料的强度 和韧性。 ( 二) 材料合金化的研究 提高烧结材料性能的方法，除增大相对密度外，合金化也是一条重要的途径。 合金元素提高铁基粉末冶金材料性能的强化机制与铸锻钢基本相同，但在合金元 素的选用和加入方式有自己的特点。由于粉末的比表面积很大，化学活性大，若 2 硕士学位论文 第一章文献综述 假如合金元素在铁基体中的扩散不足以使合金元素扩散均匀化，也将对性能产生 不良影响。如果将所有的合金元素作预合金化处理，粉末的压制性能将大幅下降 【刀，正是这些因素限制了可用于铁基烧结材料的合金元素种类。目前应用最多的 是c 、c u 、m o 、m n 、p 、n i 、s i 等，它们的特性如下。合金元素与氧的亲和力 最好小于f e 与氧的亲和力，便于烧结气氛的控制。 a ) 碳通常以石墨状态加入，加入量在0 2 1 0 之间，当化合碳含量高于1 0 时，材料拉伸强度降低，部件易产生烧结变形与合金偏析，切削性能和整体性 能明显恶化【7 - 9 。 b ) 铜的熔点是1 0 8 3 ，在铁基粉末冶金结构零件的烧结温度下生成液相，具 有促进烧结的效果。实际应用中，铜添加量为1 3 0 6 ，加入太多，零件烧结变形 大，尺寸精度降低1 1o 1 l 】。 c ) 钼是烧结钢中常用的合金元素，它可溶入铁中起固溶强化作用，其主要作 用是细化晶粒提高淬透性和防止回火脆性。中等密度( 6 5 9 c m ) 以上的结构零 件和粉末锻钢体系中都含有钼，含量一般在1 0 以下【1 2 , 1 3 】。 d ) 磷在1 0 5 0 c 与铁形成共晶，在9 6 5 与铁和碳形成共晶。含磷铁基粉末冶 金材料在烧结温度下产生液相，活化烧结，提高材料的密度和性能【棒1 6 】。 e ) 锰在烧结钢中有很理想的强化作用，特别能使材料的淬透性与耐磨性得到 改善。 f ) 镍是扩大铁的y 相区和稳定奥氏体元素，镍与铁可互溶产生固溶强化作 用。镍使f e _ c 相图的共析点向左下方移动，这样可得到更多更细的珠光体，从 而提高强度而不降低塑性和韧性 6 a 7 1 。 从上几点可知，提高烧结材料的力学性能，有两种途径：提高烧结材料的密 度避免出现大孔隙和采用合适的合金元素强化材料。 1 2 2 提高烧结材料密度的方法 ( 一) 压制对压坯密度的影响 金属粉末在压制过程中，通常压坯的相对密度发生下述三个阶段变化【l 引。 第一阶段：在这个阶段内，由于粉末颗粒发生位移，填充孔隙，因此当稍有 增加时，压坯的密度增加很快，此阶段又称为滑动阶段。 第二阶段：压力继续增加时，压坯密度几乎不变，这是因为粉末体出现了一 定的压缩阻力，在此阶段内，虽然压力增大，孔隙度不减少，密度变化不大。 第三阶段：当压力继续增大超过某一定值后，压坯的相对密度又继续增大。 因为当成形压力超过粉末的临界压力后，粉末颗粒开始变形，位移和变形都起作 硕士学位论文 第一章文献综述 用，压坯密度随之增加。 粉末压制的各个变形阶段是否出现还与合金粉末的塑性大小有很大关系。塑 性大的粉末，粉末的变形不会出现跳跃性变化。反之，硬而脆的粉末压制时第二 阶段变化较明显。 ( 二) 润滑剂对压坯密度的影响 金属粉末在压制过程时由于模壁和粉末间，粉末与粉末间产生摩擦压力损 失，造成压力和压坯密度不均匀，从压坯质量和减小压制压力方面，要尽量减少 这种内摩擦。 减少压制过程中的内摩擦的方法主要有两种：一是采用高光洁度的模具或采 用硬质合金模代替钢模：另外就是使用成形剂或润滑剂。成形剂是为了改善粉末 成形性能而添加的物质，可以增加压坯的密度。润滑剂是降低粉末颗粒与模具间 摩擦、改善密度分布、减少压模磨损和有利于脱模的添加剂。 铁基粉末制品通常使用的润滑剂有硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钡、石墨粉、 机油等。 润滑剂一般满足以下要求【1 8 】： ( 1 ) 具有适当的粘性和良好的润滑性且易于和粉末混合； ( 2 ) 与粉末物料不发生化学反应，预烧或烧结时易于排出且不残留有害杂 质，所产生的气体对人、设备环境损害小； ( 3 ) 对混合后的粉末松装密度和流动性影响不大，除特殊情况( 挤压等) 外，软化温度高，防止由于混料过程中温度升高而熔化； ( 4 ) 烧结后对产品性能和外观没有影响。 生产实践表明，压制铁粉零件，硬脂酸锌的最佳含量为0 5 - - i 5 ( 吼) 润滑剂的加入量还与压坯形状因素和润滑剂的粒度有关。 ( 三) 压制方式对压制过程的影响 在用普通模具压制过程中，由于压力损失，造成压坯密度不均匀。为减少 这种现象，可以采用双向压制及多向压制( 等静压制) 或者改变模压结构等办法。 特别是当压坯的高径比较大的情况下，采用单向压制是不能保证产品质量要求。 对于形状比较复杂的零件，压形时为了使各处的密度分布均匀，常采用组合模具。 粉末在压制过程中，对于形状较复杂或体积较大的制品来说，保压时间是一 个非常重要的因素。保压一定的时间可以使孔隙中的空气尽量逸出，保证压坯不 出现裂纹等缺陷，还可以减小压坯密度的差别。保压作用在于： ( 1 ) 使压力传递充分，有利于压坯中各部分的密度分布； 4 硕士学位论文 第一章文献综述 ( 2 ) 使粉末体孔隙中的空气有足够的时间从阴模和阳模缝隙中逸出； ( 3 ) 给粉末之间的机械啮合和变形以时间，有利于应变的松弛。 1 2 3 粉末冶金烧结的一般理论 烧结是粉末冶金生产中最基本的工序之一是由粉末成型和粉末毛坯热处 理( 烧结) 两道工序组成。烧结对最终产品的性能起着决定性作用。下面将从各 个方面分析。 ( 一) 烧结热力学 从热力学方面来说，粉末烧结是系统自由能减少的过程。而自由能的降低， 是烧结过程的驱动力，包括以下几个方面： ( 1 ) 由于颗粒结合面( 烧结颈) 的增大和颗粒表面的平直化，粉末体的总 比表面积和总表面自由能减小： ( 2 ) 烧结体内孔隙的总体积和总表面积减小： ( 3 ) 粉末颗粒内晶格畸变的消除。 总之，烧结前于粉末体内存在着过剩自由能和晶格畸变能，在烧结过程，特 别是初期阶段，起主要作用的是表面能。因为从理论上讲，烧结后的低能位状态 至多是对应单晶体的平衡缺陷浓度，而烧结体是有着更多的热平衡缺陷的多晶 体。烧结过程中晶格畸变能减少的绝对值，相对表面能的降低仍是次要的，烧结 体内总保留一定数量的热平衡空位、空位团和位错网【l 引。 烧结过程中孔隙的总表面积总是减小的。隔离孔隙形成后，在孔隙体积不变 的情况下，表面积减小主要靠孔隙的球化，而球形孔隙继续收缩和消失也能使总 表面积进一步减小，因此，孔隙表面能的降低，始终是烧结过程的驱动力【i s 】。 ( 二) 烧结机构的理论 烧结过程中，颗粒粘结面上发生量与质的变化以及烧结体内孔隙的球化与缩 小等过程，都是以物质的迁移为前提的。烧结机构就是研究烧结过程中各种可能 的物质迁移方式及速率的。主要的烧结机构【l s 】有以下几种： ( 1 ) 粘性流动烧结初期颗粒间的粘结具有范德华力的性质，不需要原子作 明显的迁移，只涉及颗粒接触面上部分原子排列改变或位置的调整，这过程需要 激活能比较低。 ( 2 ) 蒸发与凝聚蒸汽压差使原子从表面蒸发，重新在烧结颈凹面上凝聚下 来，由此引起烧结颈长大的这种机构称为蒸发与凝聚。只有那些在接近熔点时具 5 硕士学位论文第一章文献综述 有较高蒸汽压的物质才可能发生蒸发与凝聚的物质迁移过程，如n a c i 和t i 0 2 等氧化物。对于铁基烧结材料，蒸发与凝聚不是主要的烧结机构。 一( 3 ) 体积扩散在颗粒接触面上空位浓度很高，原子与空位交换位置，不 断向接触面迁移，使烧结颈长大：而且烧结后期，在闭孔周围的物质内，表面应 力又使空位浓度增大，不断向烧结体外扩散，引起孔隙收缩。 ( 4 ) 表面扩散烧结过程中颗粒的相互粘结。首先在颗粒表面上进行，由 于表面原子的扩散，颗粒粘结面增大，颗粒表面的凹处逐渐被填平。邵尔瓦德认 为，当烧结体内，未完全形成隔离闭孔之前，表面扩散对物质的迁移具有特别重 要的作用l 1 8 】。， ( 5 ) 晶界扩散晶界对烧结的作用体现在两个方面：其一，烧结时，在颗粒 接触面上容易形成稳定的晶界，特别是细粉末烧结后形成许多的网状晶界与孔隙 互相交替，使烧结颈边缘和细孔隙表面过剩的空位容易通过邻接的晶界进行扩散 或被它吸收；再有，晶界的激活能只有体积扩散的一半，而扩散系数大1 0 0 0 倍。 而且随温度的降低，扩散系数差别更大。 ( 6 ) 塑性流动烧结颈形成和长大可看成是金属粉末在表面张力作用下发生 塑性变形的结果。塑性流动与粘性流动不同，外应力o 必须超过塑性材料的屈服 应力o ，才能发生。 1 2 4 铁基多元粉末冶金烧结理论研究 ( 一) 铁基烧结材料致密化研究 将少量合金元素粉末加入到基体粉末中，不论是保持固相或形成少量液相， 都会改变烧结体系的缺陷浓度和基体原子的扩散通道，从而影响整个烧结体系原 子的扩散。如果合金元素提高体系的烧结速度或降低烧结温度，则称之为活化烧 结。 对于金属粉末烧结体系，g e r m a n 提出合金元素对整个体系烧结活化性影响 的三个判据：即溶解度判据，偏析判据和扩散判据【1 9 1 。活化元素的溶解度判据是 指合金元素在基体中溶解度应当远小于基体在合金元素中的溶解度。偏析判据是 指在烧结保温期间，合金元素在足够长的保温时间内偏聚于烧结颈处，为原子提 供一个高速的扩散通道。而扩散判据要求基体原子在该偏析层的扩散系数应当远 大于基体原子的自扩散系数。可见一个理想的烧结活化元素与基体元素应当具有 如图1 - 1 所示的相图的全部或部分特征【1 9 , 2 0 l 。 液相烧结致密化还受粉末粒度、生坯密度、固一液两相湿润角、晶界两面角 等因素的影响，粗的粒度、高的压坯密度、大的湿润角、大的晶界两面角等都能 6 硕士学位论文第一章文献综述 离溶解度 a 活化搠 b 基体 图1 - 1 理想活化烧结的二元相图 陡降的溃、 固相线 澈檑烧结 活化烧结 低溶解度 导致烧结体产生膨胀。为了比较不同的合金元素的活化能力，m i o d o w i n k 在总结 难熔金属钨活化烧结实验基础上，对g e r m a n 提出的三个判据进行量化，建议采 用一个统一的优化指数来定量描述合金元素活化烧结的能力 2 0 2 1 】。优化指数由 下式定义： 中=h。+h2+h3(i-i) 式中的h 。、h 。、h 。分别与溶解度、扩散和偏析的热力学参数有关，都具有 能量的量纲。值越大，表明合金元素的活化烧结能力越强。 将m i o d o w i n k 的优化指数应用于烧结铁基合金系时遇到困难，理论预测与 实际结果相差较大甚至相反。m a d a n 和g e r m a n 等人提出，应对m i o d o w i n k 的优 化指数进行修正，在三项判据的量化指数之前须加上不同的加权系数，并将此应 用于评估不同活化剂强化烧结铁基材料的能力【1 9 1 。他们提出，合金元素对铁基材 表卜1 铁基合金元素强化烧结的优化指数及参数意义7 1 7 硪士学位地文第一章文献综述 料烧结的影响与三个因素有关：合金元素与铁基体之间的溶解度之比；合金元素 在铁基体烧结颈的偏聚程度；以及铁原子在偏析层的扩散速率。合金元素强化烧 结的能力用优化指数0 表示： n = c 。8 + c 目心( 1 2 ) 其中c 。( i = l ，2 ，3 ) 是加权系数，可由实验数据修订，a 表示热力学参数袁达 的数据项，各项内容和解释如表1 - 1 所示。采用该模型，m a d a n 等人研究了多种 合金元素对铁基烧结的影响，结果表明，b 、c 、p 等实验结果符合的较好，并 被判定为强化效果的活化剂，而n i 、m n 、c u 等被判定为“坏的活化剂” z g l 。 在烧结过程中，烧结体的收缩并不是必然的。在某些场合，有些烧结体不但 不产生收缩甚至会膨胀，即发生反致密化现象。反致密化现象主要出现在多元合 金多相烧结过程中，其主要原因是合金组元扩散到基体后，在颗粒原位留下较大 孔隙且这些孔隙在随后的烧结过程中不能被消除。此外，不等量互扩散导致的 二次孔隙；相变引起的晶格膨胀；以及烧结末期封闭孔隙中气体压强的作用等也 是引起膨胀的因素”。 g e r m a n 研究发现，液相烧结时烧结体是否产生膨胀过程决定于舍金体系中 两个溶解度固相在液相中的溶解度和液相在固相中的溶解度之间的比值。如 果固相( 一般即为基体) 在液相( 台金组元) 中的溶解度( s b ) 大于液相在同相 中的溶解度( s ) ( s s s ) 旃结体将发生烧结收缩致密化，反之，当s b s ” 烧结体则发生膨胀反致密化如图i - 2 所示。 h “i 图卜2 泣相烧蛄过程中溶解度比对烧蛄体收缩或膨胀的彰响” 烧结过程出现的不等量扩散，即k i r k e n d a l l 效应，也是导致烧结膨胀的重要 硕士学位论文 第一章文献综述 因素。金属原子的不等量扩散，会引起空位的反向偏聚，形成烧结颈区下陷的烧 结沟，阻碍烧结颈的长大，从而阻碍了致密化的进行。 一般情况下，金属粉末都是在空气中压制成形，粉末颗粒表面吸附着少量的 氮和氧，在烧结末期，压坯孔隙会因为气体解析和还原反应而存在氮气和水蒸气。 如果这些气体不溶于金属基体中，在长时间的烧结过程中，气体的压力增大导致 烧结坯的体积膨胀。 ( 二) 铁基粉末冶金烧结研究 铁基粉末冶金的烧结遵循一般的烧结机理外，又有自己独特烧结规律。 由于f e c u 系列合金具有重要工业价值，人们首先研究了f e c u 合金烧结机 理。f e c u 合金的烧结温度一般在1 0 8 0 - 1 1 5 0 之间，在该温度下，铜形成液相， 铜在铁中的溶解度远大于铁在铜中的溶解度，因此，在烧结过程中，铜迅速渗入 铁颗粒或晶粒的表面，在原先颗粒存在的位置留下大的孔洞圈，使f e c u 合金出 现较大的膨胀。另外，固溶铜的铁晶体的膨胀也增大整个烧结体的膨胀。 合金元素和铁粉的类型对f e c u 合金的烧结膨胀有很大的影响。雾化铁粉 的烧结膨胀大，还原铁粉的烧结膨胀较小。 在研究f e c u - c 合金的烧结机制时，原先人们普遍认为碳阻碍了f e c u 烧 结膨胀的原因在于碳溶解于铁基体中，降低了铜在铁中的固溶度以及铜在铁中的 扩散速度。k u r o l d 等人的最新研究：提出了碳抑制f e - c u 烧结膨胀的一种新机制 2 3 。2 5 1 。他们认为，铁颗粒之间的碳的浓度差是烧结体产生收缩并控制铜膨胀的主 要原因。在碳浓度差引起的驱动力下作用下，液态铜在铁颗粒周围形成一层半渗 透膜，铁原子可以通过这层半渗透膜在颗粒间进行扩散，而碳原子则不能，从而 提高了铁合金的烧结性。 f e - p 合金是得到较多研究的另一个合金系。合金烧结时，磷一般以中间合 金f e 3 p 或c u e p 的形式加入。j a m e s 2 2 认为，磷在烧结过程中出现的瞬时液相， 强化了合金在a 相中的烧结，从而提高了烧结密度。当磷含量超过0 6 时，烧 结体产生很大的收缩和变形。在合金中加入碳可以抑制过大的烧结收缩率。 m o l i n a r i 等人的研究 2 6 , 2 7 表明，当碳含量为0 2 5 时，合金的收缩率随磷含量增 加而减小。 实际使用的铁基粉末冶金零件都是多元合金的组合，常用的合金元素包括 c 、c u 、n i 、m o 、p 、m n 等，至于这些元素在不同烧结工艺下对铁基合金烧结 特性的影响，它们之间是否存在协同作用、活化烧结的具体机制等，至今尚未见 有关这方面系统的研究报告【7 1 。 9 硕士学位论文第一章文献综述 ( 三) 烧结气氛对烧结的影响 烧结气氛的作用是控制压坯与环境之间的化学反应和清除润滑剂的分解产 物，具体说有三个方面【1 8 l ： ( 1 ) 防止或减少周围环境对烧结产品的有害反应，如氧化、脱碳等，从而 保证烧结有利进行和产品质量稳定。 ( 2 ) 排除有害杂质，如吸附气体、表面氧化或内部杂质。净化后通常可提 高烧结的动力，加快烧结速度，能改善烧结制品的性能。 ( 3 ) 维持或改变烧结材料中的有用成分，这些成分常常能与烧结金属生成 合金或活化烧结过程，例如烧结钢的碳控制、渗碳和预氧化烧结等。 常见的烧结气氛有五种基本类型：氧化气氛、还原气氛、惰性或中性气氛、 渗碳气氛、氮化气氛。工业使用的烧结气氛主要有氢气、分解氨气、吸热或放热 气体以及真空。烧结气氛中一般含有h 2 、c o 等还原性或保护性气体，烧结气氛 的还原能力由金属的氧化一还原反应的热力学所决定， m e o + 1 1 2 0e 令m e + h 2 0 k p - p n , 0 | p h t m e o + c o ，m e + c 0 2 i g = p c o ：i p c o ( 1 3 ) ( 1 4 ) 在指定烧结温度下，上面两个反应的平衡常数都为定值，也就是在反应系统内有 固定的气体组成分压比，只要气氛中h 2 0 h 2 和c 0 2 c o 的比值维持低于平衡常 数所规定的临界分压比，还原反应就能够进行。氢的还原能力与气氛中的水蒸气 含量直接有关。通常用露点来描述气氛的干湿程度：露点越低，水蒸气含量越少。 本实验采用热分解氨气体，露点为一3 0 一5 0 ，满足烧结铁基制品的条件。 1 3 粉末锻造 粉末锻造通常是指将烧结的预成型坯加热，然后在闭式模中锻造成零件，是 将传统的粉末冶金和精密模锻结合起来的一种新工艺。它具有粉末冶金和精密模 锻两者的优点，可以制取相对密度在9 8 以上的粉末锻件，克服了普通粉末冶 金零件密度低的缺点；可获得较均匀的细晶粒组织，显著提高强度和韧性。 同时可实现少、无飞边锻造，具有成型精确、材料利用率高、锻造能量低、模具 寿命高和成本低的特点。因此，粉末锻造为制备高密度、高强度、高韧性粉末冶 金零件开劈了广阔的前景。目前，常用粉末锻造的基本工艺过程见图卜3 。 影响粉末锻造的工艺因素，除多孔坯的可锻性以外，还有锻造压力、锻造温 度、锻模温度、润滑及冷却等。 l o 硕士学位论文第一章文献综述 成形 烧 ! t i ； 锻 朴党加工 ，；两j 妇理“ ： 图卜3 粉末锻造的基本工艺过程【6 】 锻造时，当预成形坯受到作用力后，由于模具的作用阻止了预成形坯向下运 动和横向的流动，从而造成闭式模锻的条件。当预成形坯产生流动时，在预成形 坯与模壁接触面上，产生一个与金属流动方向相反的摩擦阻力，由于摩擦力作用 的结果，改变了反作用力的方向，其合力不再垂直于模壁，而偏向于与金属流动 的反方向。并使变形抗力增高，显著影响预成形坯的变形和致密过程。 在粉末模锻过程中，多孔预成形坯的变形和致密有三种基本方式：单轴压缩、 平面应变压缩和复压( 见图i - 4 ) 。它们各自的特征如下： 图i - 4 多孔预成形坯变形和致密的三种基本方式 ( a ) 单轴压缩( b ) 平面应变压缩( c ) 复压 ( 1 ) 单轴压缩这是无摩擦平板模镦粗时所发生的变形方式。在闭式模锻 硕士学位论文第一章文献综述 变形的第一阶段，当预成形坯与模壁接触以前，所发生的无摩擦镦粗变形也属于 单轴压缩。 ( 2 ) 平面应变压缩在平板模镦粗长条预成形坯时，在长条坯的中心截面上 产生平面应变压缩。在闭式模锻变形的第二阶段，当预成形坯开始向模壁接触时， 在预成形坯的横向流动部分受阻情况下所发生的变形，也属于平面应变压缩。 ( 3 ) 复压是发生在热复压过程的一种变形。在闭式模锻变形的最后阶段， 当预成形坯填满模腔后所发生的变形，这是一种全约束的压缩变形。 但上述的变形方式和致密化的情况，取决于预成形坯的形状设计和模具结构 设计。变形方式与应力状态是密切相关的，而应力状态与预成形坯的形状、尺寸 和模具结构有关。应力状态是粉末热锻一个重要控制因素 多孔预成形坯的变形特性是粉末锻造过程塑性的理论基础。锻造时，与致密 金属坯的塑性变形相比，多孔预成形坯具有下列特性【i 引。 ( 1 ) 质量不变条件 由于在加工过程中，没有质量m 损失。故有： p o v o = p v ( 1 5 ) 式中岛、户分别为变形前后的密度； 圪、矿分别为变形前后的体积。 畎骂乩卫他旦：0 ( i - 6 ) 、p o v o 7 p ov o 如果定义h 虽2 白( 真实密度应变) 1 n 号2 q ( 真实体应变) 岛 则 q + 8 5 + 龟+ 岛= 0 ， 蜀，岛，岛分别为三个真实主应变 质量不变条件可表示为 岛+ 岛+ 岛+ 白= 0 圆柱多孔预成型坯在无摩擦单轴压缩 0 520 3 岛= h 瓦h = 岛 岛= 岛乩旦d o = 。 1 2 ( 1 - 7 ) ( 1 - 8 ) ( 1 - 9 ) 硕士学位论文第一章文献综述 泊松比 一专 岛= 岛= 一匕毛 v 一v 一 ，_ v ( 1 - 1 0 ) 由上式可知，当匕= o 5 时，则白= o ，岛+ 岛+ 岛= o ，即密度和体积不变，这 属于致密材料的纯塑性变形：当专。时，则一白= 岛，即高度应变全部转变为 多孔坯的纯压实过程，热复压属于这种情况。当o o 5 时，即多孔坯同时发 生塑性变形和致密化两种过程。由此可见，质量不变条件是描述变形一致密的一 种更普遍的规律。 ( 2 ) 低的屈服强度和低的拉伸塑性 由铁粉预成型坯无润滑平面应变热锻， 系满足下式【1 8 】： a p = a l 七k l 锻造压力与高度应变及相对密度的关 式中仃。多孔坯的屈服强度； 仃。相应致密金属的屈服强度； 足。多孔坯的强化系数； 占多孔坯的真实应变； 力。多孔坯的加工硬化指数，当占 6 0 1 0 5 1 0 5 1 8 0 l8 0 3 3 0 3 3 0 h v 5 、h b 2 5 12 6 2 5 3 0 、h i 强 h v l 0 、h b 2 5 31 2 5 1 5 、h i 强 h v 3 0 、衄2 5 6 2 5 1 0 、h r b h v 5 0 、h b 2 5 1 8 7 5 1 0 、h r a h v l 0 0 、h b 2 5 18 7 5 1 0 、h r c 2 3 3 差热分析 从烧结后的试样上取少许样品，用日本理学差热分析仪t a s l 0 0 对样品进行 熔点和相变点测试，为热处理工艺的制定提供依据。测试时的升温速度为2 0 分，加热时采用氮气保护。 2 3 4 金相显微组织观察 测试样须经以下过程： ( 1 ) 水磨：水磨前首先将待磨面圆周导角，避免水磨过程中镶样粉弄脏试样 表面。磨的过程中用力要轻，防止试样表面范性变形； ( 2 ) 粗磨：待样品磨平后，依次用0 l # 、0 3 # 、0 5 # 、0 7 # 金相砂纸仔细 研磨，每次的磨向与上次留下的划痕方向垂直，磨到看不见上次的划痕为止； ( 3 ) 抛光：在d a p u 抛光机上机械抛光。抛光液选用常规的c r 2 0 3 ； “) 浸蚀：浸蚀剂选用2 的硝酸酒精溶液，浸蚀后的表面立即用酒精擦洗， 用滤纸和吹风机吹干： 2l 硕士学位论文 第一章文献综述 ( 5 ) 在n e o p h o t 金相显微镜上进行显微组织观察。 2 3 5 扫描电镜实验 粉末样品均匀撒在导电胶布上，直接在电镜下观察。非粉末样品经预磨、机 械抛光后，用2 的硝酸酒精溶液腐蚀后观察。 实验仪器：k y k y - 2 8 0 0 扫描电子显微镜 实验目的：观察其样品的微观组织，并对其中存在的相进行能谱分析。 2 8 6x 射线衍射实验 取样，用x 射线衍射作物相分析。 实验仪器：b d 9 0 x 射线衍射仪，使用c u 靶，管电压3 6 k v ，管电流3 0 m a ， 步宽为0 0 3 度，衍射角为1 5 。 - - 8 0 。 实验目的：检测粉末和合金中主要相的组成。 22 硕士擘位论文 第三章合尘成分曲聘走 3 1 实验成分的选择 3 1i 粉末的选取 第三章合金成分的确定 鳕3 一l 粉末熙h 铁粉选用国内某厂生产的还原铁粉，粒度为1 0 0 目。粉末形状见幽3l ，由 图可见铁粉形状不规则。铜、镅以单一粉体加入，粒度为一2 0 0 目：碳以石墨粉 形式加入，形状为鳞片状。因为直接加磷粉时会因烧结损失难以准确控制添加量， 另外还存在烧结变形严重，材料脆性大等现象，本实验磷卧磷铁台金形式加入 p 8 埘。由于锰与氧的亲和力大，在一般烧结气氛下，表面易生成氧化物且难以 还原，不利于台金均匀化和烧结因此锰以锰铁台金形式加入。 3 1 2 台金元素的作用及限量原则 对于铁基烧结材料的合金化一些特点已在前面阐述过。正确选择台金元索的 添加量是非常蓖要的。 铜在铁基材料中有良好的固溶强化作用，还能引起活化烧结改普材科的抗 腐蚀、抗氧化性能。铜禽量在2 时具有烧结变形小，制品精度高等特点。在 生产中铜的经济添加量控制在大约2 左右”l 。本研究选定铜添加量为2 ( u 1 ) 。 硕士学位论文第三章合金成分的确定 磷对烧结钢的有利影响可用3 种不同的机理来解释【3 8 4 1 1 。 1 铁素体的固溶强化： 2 烧结期间液相的形成； 3 烧结期间铁素体相的稳定作用。 图3 2 所示可知在铁中添加0 3 5 o 6 5 p ，结构由富磷铁索体( o 6 5 p ) 和贫磷( 0 3 p ) 奥氏体组成。磷含量较高时，烧结结构由两相( q + y ) 变为 单相( o ) 时，塑性显著下降。由图3 2 可见磷含量超过0 6 时，磷合金化钢 的延伸率和冲击强度明显下降【4 1 1 ，不利于材料的热锻加工。综合上述考虑本实验 磷的添加量选定为o 5 图3 - 21 1 2 0 f e p 两相相图及各种磷含量的材料的力争挂能【4 1 1 锰作为主要的固溶强化元素，由合金元素强化烧结的能力优化指数q 【l 圳表 明，锰在铁基烧结材料中并不是一种活性烧结元素。同时锰含量增加，残余奥氏 体增多。故锰含量控制在l 3 间是合适的【l l 】。 铝可溶入铁中起固溶强化作用，主要作用是细化晶粒提高淬透性和防止回火 脆性。含量一般在1 0 以下【1 2 , 1 3 。 碳通常加入量在0 2 1 0 之间，碳含量高于1 0 时，材料拉伸强度降低， 部件易产生烧结变形与合金偏析，切削性能和整体性能明显恶化1 7 叫。 24 硕士学位论文第三章舍金成分的确定 因此，本研究初步确定实验合金为砖扣卜q d 锄) m 川剐啦删9 识。 3 1 3 实验方案 为了减少实验的次数，实验采用正交试验与单因素试验相结合的方案。具体 实验合金成分见表3 1 所示。另外，为对比材料的磨损性能，7 # 合金为按表1 2 中1 0 # 合金成分配制。 表3 - 1 实验合金具体成分( w t ) 将粉末按表3 2 比例称好放入行星球磨机球磨罐，同时加1 的硬脂酸锌，球 重与粉末重量比为4 2 ：l ，磨球和粉末的体积控制在球磨罐容积的2 3 以下。抽 真空后充氮气保护，球磨机公转角速度为2 1 m m i n 。球磨2 小时后取出粉末，分 别在6 0 0 、7 0 0 、8 0 0 、9 0 0 m p a 压制成巾1 2 5x1 1 圆柱体。根据式2 3 测量压坯密 度，然后压坯在热分解氨气氛下烧结，烧结温度为1 0 5 0 - 1 1 5 0 ，烧结时间为2 0 4 0 m i n 。烧结后试样在木炭保护下，进行7 6 0 4 小时的退火处理，按表2 1 要 求进行硬度测量。l 6 # 烧结后合金试样( 烧结密度6 4 5 9 c 岔) 在g l e e b l e 一1 5 0 0 机 上9 0 0 热等温压缩，保温时间3 分钟，升温速度5 s ，变形速率0 1 s 一，变 形程度5 0 。压缩实验开始之前在平锤表面均匀涂上润滑剂( 7 5 石墨+ 2 0 4 6 号机油+ 5 硝酸三甲苯脂) 。 3 2 实验结果与讨论 如若根据负荷来估算材料抗力，可以肯定硬度测试和磨损两者具有一些共同 的特征，即两者的材料抗力都只局限于表面层。在作硬度测试时，材料的抗力导 致局部范围内的塑性变形，从而形成压痕。磨损时，材料在表面范围内往往发生 塑性变形。 25 硕士学位论文第三章合金成分的确定 硬度测试和磨损之间的最主要区别在于，材料在磨损过程中除受到表面法向 压力外，还要考虑切向力的作用。切向力的影响程度还与摩擦副之间的相对运动 咱勺大小与持续时间紧密相关，一般伴随着磨损同时磨损材料表面的温度会升高。 而硬度测试时，压头与测试材料之间只有很小的相对运动，而且负荷作用的时间 很