（材料学专业论文）粉末冶金低合金钢的烧结硬化研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 烧结硬化是一种通过烧结段急冷快淬大幅减省生产时间、有效提 高试样硬度和强度的材料制备新工艺。本文以烧结硬化制粉末冶金低 合金钢的制备工艺研究为方向，对成分为 f e - o 5 m o 一2 c u 一4 n i 一0 1 m n 一0 8 c 、f e - l m o 一2 c u - 4 n i 一0 8 c 元素粉混合 粉末以及h o g a n a sa t o m e t 4 7 0 1 、a t o m e t 4 6 0 1 预合金粉末制备铁基低 合金钢烧结硬化行为进行了系统的研究，确定合理的烧结硬化工艺， 并考察合金元素和合金化方法对烧结工艺，烧结件力学性能及显微组 织的影响；选择综合性能好的合金成分、材料制作工艺与合金化方法 来制备铁基烧结硬化低合金钢。 研究结果表明：利用元素混合粉进行烧结硬化时，c 含量为0 8 、 c u 含量2 、n i 含量4 、m o 含量0 5 - 1 ，粉末混合采用行星式高能 球磨1 2 小时，压制压力为7 0 0 m p a 、烧结温度为1 2 0 0 ，冷速6 0 k m i n 时样品马氏体化较为完全，其物理力学性能最优：烧结密度 7 0 7 9 c m 3 ，抗拉强度为6 3 6 m p a ，洛氏硬度达到3 1 h r c 。在一定范围 内提高压制压力和烧结温度均有利于提高材料的致密度，从而有利于 合金元素的扩散，最终提高烧结硬化的性能。在快冷段冷却速度的提 高能够提高材料的过冷度，促进组织的马氏体化。除了常规c u 和c 的添加对制品的力学性能和微观组织产生影响外，在烧结硬化试验 中，添加m o 、n i 等合金元素对材料的淬透性都有明显影响，促进快 冷过程中c c t 曲线的右移。 采用h o g a n a sa t o m e t 4 7 0 1 、a t o m e t 4 6 0 1 预合金粉，压制压力为 7 0 0 m p a 、烧结温度为11 8 0 ，冷速6 0 k m i n 制低合金钢烧结硬化后 硬度达3 7 h r c 、3 5h r c ，拉伸强度6 6 2 m p a 、6 9 4 m p a 均高于元素混合 法制铁基低合金钢。采用预合金粉一方面可以有效解决m n 、c r 在元 素混合和干燥时容易氧化的问题，另一方面由于采用预合金粉，元素 之间热扩散更加容易、更均匀，所需烧结温度降低，节约生产成本。 同等压制压力和烧结温度下，采用烧结硬化工艺与采用微波烧结 都能大大减少烧结时间，在样品最终性能上，烧结硬化制品拉伸强度 等与微波烧结相仿，但硬度更高、质量更稳定。 关键词烧结硬化，铁基低合金钢，显微组织，硬度， 冷却速度 硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s i n t e r - h a r d e n i n gi st h em e t h o dw h i c hc a ni m p r o v et h eh a r d n e s sa n d s t r e n g t ho fp mp a r t sa n dl o w e rt h ep r o d u c i n gc o s tb yq u i c k q u e n c h i n gi n t h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r e a san e ws i n t e rt e c h n o l o g ys i n t e r - h a r d e n i n g h a sb e e nq u i c k l yu s e di na b r o a d i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n d b a s e do nt h ef a s td e v e l o p m e n to fs i n t e r - h a r d e n i n gp r o c e s s w ，ed oal o to f e s s e n t i a l e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h e s c o n c e r n i n g t h e s i n t e r - h a r d e n i n g m a n u f a c t u r ea n dt h e s i n t e r - h a r d e n i n gp r o c e s s s o m ek i n d so f s i n t e r - h a r d e n i n gl o w a l l o y s t e e l sw i t hd i f f e r e n tc o n t e n to fa l l o y i n g e l e m e n t sa n dd i f f e r e n ta l l o y i n gm e t h o d sw e r es t u d i e d t h ep o w d e r i n v o l v et h ea d m i x e d p o w d e r s w h i c hc h e m i c a l c o m p o s i t i o n a r e f e o 5 m o 2 c u 4 n i 0 1m n 0 8 c，f e 一1 m o - 2 c u - 4 n i - 0 8 ca n dp r e a l l o y e d p o w d e r s a t o m e t 4 7 01 、a t o m e t 4 6 0 1w h i c ha r ep r o d u c e db yh o g a n a s c o r p t h ee f f e c to fm i x e rs t y l ea n dt i m e 、s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e 、c o m p a c t p r e s s u r e 、c o o l i n gr a t eo nm a t e r i a lp r o p e r t i e sw a si n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ，h i 曲d e n s i t y ( 7 0 7 9 c m 3 ) ，h i g h a p p a r e n th a r d n e s s ( 3 1h r c ) a n d h i g ht e n s i l es t r e n g t h ( 6 36 m p a ) w i t h c h a m p i o np r o p e r t i e sc a nb ea c h i e v e da tt h o s ec o n d i t i o n s ，w h i c ha r et h e a d m i x e d p o w d e r c o n t a i n s o 8 g r a p h i t e 、2 c o p p e r 、4 n i 、 m o o 5 1 m oa n df e r r o s ，a d m i x e d p o w d e r si sm i l l e db y12h o u r sa n d c o m p a c t e di n7 0 0 m p a ，s a m p l e sa r es i n t e r e da tt h et e m p e r a t u r e12 0 0 ca n d c o o la tf a s ts p e e di nv a c u u mo rh y d r o g e nf u r n a c e i naw i d er a n g e ， i n c r e a s i n gt h ec o m p a c tp r e s s u r ea n dt h es i n t e rt e m p e r a t u r ec o u l de n h a n c e t h ed e n s i f i c a t i o no ft h em a t e r i a la n dr a i s et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a t t h es a m et i m e ，i n c r e a s i n gt h ec o o l i n gr a t ec o u l db eg o o df o ri n c r e a s i n g t h ec o n d e n s a t ed e p r e s s i o no ft h em a t e r i a l sa n dp r o m o t i n gt h em a r t e n s i t e t r a n s f o r m a t i o np r o c e s s e x c e p tt h ea d d i t i o no fc o p p e ra n dg r a p h i t ea r e a f f e c t i v ef o ri m p r o v i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，i nt h es i n t e r - h a r d e n i n g e x p e r i m e n t ，a d dm o 、n ia n ds o m ee l e m e n t se l s e c a na f f e c tt h e h a r d e n a b i l i t ye f f e c t u a l b yu s i n gp r e a l l o y e dp o w d e r sw h i c hp r o d u c e db yh o g a n a sc o r p w e c a ng e tm o r eu n i f o r mm i c r o s t r u c t u r ea n dg a i nm o r em a r t e n s i t et h u s p r o d u c et h em a t e r i a lw i t hb e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a l lt h ep r e a l l o y e d s a m p l e sa r eb e a e rt h a nt h ea d m i x e do n e s t a k i n gh o g a n a sp r e a l l o y e d p o w d e r - a t o m e t 4 7 0 1 、a r o 匝t 4 6 01 ，w e g e tt h es i n t e r - h a r d e n i n g l o w a l l o yp ms t e e l sw i t hae x c e l l e n tp r o p e r t i e sw i t hh a r d n e s s3 7 h r c 、 35 陬cr e s p e c t i v e ，t e n s i l es t r e n g t h6 6 2 a 、6 9 4 m p a b e s i d e si t ，t h e p r e a l l o y e dp o w d e r sc o u l da l s or e s o l v et h eo x i d i z ep r o b l e mo fm n 、c r , o n t h eo t h e rh a n d ，d u et ou s i n gp r e a l l o yp o w d e r , t h ee l e m e n t sc o u l d d i f f u s i o nm o r ee a s i l ya n dm o r eu n i f 0 1 t it h a nb e f o r e t h e r e f o r e ，t h e r e q u i r e ds i n t e r i n gt e m p e r a t u r e d e c r e a s e sa n ds a v et h ec o s to fp r o d u c t i o n s i n t e r - h a r d e n i n gt e c h n o l o g ya n d m i c r o w a v es i n t e r i n gb o t hc a n r e d u c et h es i n t e r i n gt i m eg r e a t l y c o m p a r i n gt h ef i n a lp e r f o r m a n c eo ft h e s a m p l e sw h i c hs i n t e r e di nt h et w od i f f e r e n ts i n t e r i n gm e t h o d s ，t h et e n s i l e s t r e n g t ho ft h et w os i n t e r i n gm e t h o d sa r es i m i l a r , b u tt h eh a r d n e s sa n d t e n s i l es t r e n g t ho fs i n t e r - h a r d e n i n gs a m p l e sa r em u c hh i g h e rt h a nt h eo n e t h a ts i n t e r e db ym i c r o w a v es i n t e r i n g k e yw o r d ss i n t e r - h a r d e n i n g ，p ml o w a l l o ys t e e l s ，m i c r o s t r u c t u r e ， h a r d n e s s ，c o o l i n gr a t e 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论文中作了明确的说明。 作者签名： 多荔 - q 、 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：曼：亟导师签名! !： 日期：j 型年月一日 ，1 确一 硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 材料是人类赖以生存的基础和人类文明发展的动力，材料、信息和能源一起 被称为当代科学技术的三大支柱。2 l 世纪，功能化、复合化、智能化和环境友 好的新材料已成为科技进步和经济发展的先导，正在为信息、新能源、生命科学、 太空探索等相关领域的飞跃提供强有力的支撑。材料科学也是当今世界的重点学 科之一。发展高性能、多用途的先进材料已被确定为许多国家材料科学发展战略 目标中的重点发展领域。材料科学技术的发展水平及规模，已成为衡量一个国家 科技进步、综合国力的重要标志。而粉末冶金材料则是材料科学与工程领域的一 个重要发展方向。 1 1 国内外铁铜基粉末冶金零部件的发展 1 1 1 行业概述 粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末作原料，经过成型和烧结制造金属材 料、复合材料及各种类型制品的工艺技术乜1 。其生产工艺与陶瓷制品相类似，所 以又称金属陶瓷法。粉末冶金法不仅是制取具有某些特殊性能材料的方法，也是 一种制取制品的无切屑或少切屑的加工方法。它具有生产率高、材料利用率高、 节省机床和生产占地面积少等优点。但金属粉末和模具费用高，制品大小和形状 受到一定限制。粉末冶金法常用于制作硬质合金、减摩材料、结构材料、摩擦材 料、难溶金属材料、过滤材料、金属陶瓷、无偏析高速工具钢、磁性材料、耐热 材料等口1 。 在过去的5 0 年中，粉末冶金工业的发展速度一直高于整个工业的平均发展 速度，且近几年的发展势头更好。2 0 0 3 年全球粉末货运总量约为8 8 万吨，其中 美国占5 1 、欧洲1 8 、日本1 3 ，其它国家和地区1 8 。特别是近几年来，国外 加强了对高密度、高强度、高精度和复杂异形粉末冶金零件的开发，由此发展了 一些高效、节能、净尽成形的粉末冶金新工艺，使得粉末冶金零件的应用面在深 度和广度方面取得了长足的发展。 1 1 2 铁基粉末冶金材料 粉末冶金制品的用途广泛，其中铁基低合金钢机械零件是目前粉末冶金工业 硕士学位论文 第一章文献综述 中产量最大、应用领域最广的一类产品。 近几年来，我国的铁基粉末冶金零件产量在持续增长。根据中国机协粉末冶 金分会的统计，近几年中国( 大陆) 的粉末冶金零件产量中，铁基零件一直在9 0 左右，并且与2 0 0 3 年相比，2 0 0 4 年铁基粉末冶金零件产量增长7 2 7 ，达至u 5 6 1 6 6 t ( 见表1 - 1 ) 钔。 表1 1 中国( 大陆) 2 0 0 1 2 0 0 4 年粉末冶金零件产量1 t a b l e1 一io u t p u to fp mp a r t sp e ry e a ri nm a i n l a n dc h i n ao f2 0 01 2 0 0 4 t o n 目前，汽车行业仍然是铁基粉末冶金工业发展的最大动力和最大用户。一方 面汽车的产量在不断增加，另一方面粉末冶金零件在单辆汽车上的用量也在不断 增加。2 0 0 3 年，北美轻型车产量达1 5 8 0 万辆，每辆车平均用粉末冶金零件1 8 1 k g ， 西欧为8 7 k g ，日本为8 0 k g ( 见表1 - 2 ) ，而中国( 大陆) 大体上只有美国的1 4 ， 西欧的1 2 ，日本的1 2 ，这一方面说明我国的粉末冶金汽车零件与国外的差距 较大，另一方面表明我国的粉末冶金汽车零件的市场潜力巨大。 2 硕士学位论文第一章文献综述 表1 2 几个地区平均每辆汽车使用的粉末冶金零件重量的变化f 5 】 t a b l e1 - 2i n c r e a s i n gt r e n d so fp mp a r t su s e di np e rc a l i ns e v e r a la r e a s 在国外，福特汽车平均每辆车用粉末冶金零件已达2 1 8 k g 。9 5 的福特汽车 使用粉末锻造连杆，自1 9 8 6 年以来已累计制造5 亿多个粉末锻造连杆嘲。预计 北美自由贸易区的汽车销售量将快速增长，到2 0 0 8 年每辆卡车平均用粉末冶金 零件2 1 3 k g ，轻型汽车2 0 4 k g ，小汽车1 7 2 k g 订1 。瑞典h s g a n i i sa b 公司研究与 开发部经理j a nt e n g z e l i n s 认为阳1 ，若粉末冶金能充分利用其潜力，则每辆家 用轿车的粉末冶金零件使用量平均可达2 7 k g 。 中国的粉末冶金汽车零件也在快速发展，表1 - 3 列出了1 9 9 9 2 0 0 4 年中国粉 末冶金零件市场的变化。从中可见，中国粉末冶金汽车零件的市场增长较大，2 0 0 4 年比2 0 0 3 年增长6 1 ，达到了2 1 1 3 2 t 。而农机零件和电动工具零件分别下跌了 3 6 3 和2 2 。据预计到2 0 1 0 年，我国年产汽车将达到1 0 0 0 万辆，而随着粉末 冶金材料性能的不断提高，无疑将提高粉末冶金零件在汽车工业上的应用，并给 3 硕士学位论文 第一章文献综述 粉末冶金零件的发展提高极大的发展机遇。 表1 - 31 9 9 9 - 2 0 0 4 年中国大陆粉末冶金零件市场的变化h 1 t a b l e1 - 3c h a n g eo fp mp a r t si nm a i n l a n dc h i n ao f19 9 9 - 2 0 0 4 1 1 3 烧结硬化概述 烧结硬化是粉末冶金产品在烧结温度冷却时产生的马氏体相变的过程。烧结 硬化包含烧结和热处理2 个独立的步骤，在简化了工艺步骤的同时大大提高了材 料的硬度和耐磨性。从而通过直接提高烧结粉末材料的硬度省去了奥氏体化后进 行油淬和热处理的工艺。在最近几年中，由于采用烧结硬化工艺节省工序，以及 能得到较高的硬度、耐磨性和强度，大大节省了经济成本，从而引起了越来越多 人的强烈兴趣。与传统的粉末烧结工艺相比，烧结硬化工艺在以下几个方面具有 难以替代的优势旧1 ： 1 省去了传统工艺的淬火一硬化工序，节省了产品的制备成本。同时避免了零件 在热处理过程中淬火时产生的尺寸变化，从而获得更高的尺寸精度。 2 常规烧结的结构零件通过油浴淬火时容易在其开孔隙中残留一定的杂质，而 回火温度若高于油浴淬火温度，传统工艺为防止淬火过程中将油点燃就必须将油 浴淬火时的温度降到2 0 0 c 以下。但是采用烧结硬化工艺就不必如此，且还可以 4 硕士学位论文第章文献综述 减少油对试件的腐蚀。 3 采用烧结硬化工艺生产的零部件在诸如电镀之前不需要除油的工序。 当然，与此同时烧结硬化零件也有着难于进行复杂机加工和零件尺寸存在限 制等缺点n 0 1 。烧结硬化过程包括：粉末冶金生坯压制、烧结和回火等工艺。需要 对普通f e 基粉末冶金烧结炉系统进行改进或专f l $ l j 造装备快冷装置的烧结炉来 实现3 。烧结硬化过程与淬火和时效的对比如图1 - 1 n 引。 a ) 烧结硬化b ) 普通烧结+ 后续热处理 a ) s i n t e r - h a r d e n i n gp r o c e s s b ) n o r m a ls i n t e r i n g + o i lq u e n c hp r o c e s s 图卜1 烧结硬化与传统淬火和时效工艺路线的比较( a ：烧结硬化工序b ：常规烧结+ 油 淬工序) f i g 1 - lc o m p a r i s o no ft h es i n t e r - h a r d e n i n ga n dq u e n c ha n dt e m p e rp r o c e s s ( a ：s i n t e r - h a r d e n i n g p r o c e s s b ：n o r m a ls i n t e r i n g + q u e n c ha n dt e m p e rp r o c e s s ) 1 1 4 合金元素对烧结硬化的影响 粉末冶金烧结硬化钢中添加某些特定的合金可以提高合金钢的淬透性。通 常在生坯密度一定时，合金体系淬透性的提高有利于零件获得更好的力学性能。 而合金元素在雾化之前添加就可以形成预合金粉，但添加的合金元素量要适中， 添加量越高，其压缩性便越低，从而使得它难以达到较高的密度。同时不同的合 金元素对淬透性提高的作用也不同，大量的研究证明合金元素对淬透性影响从大 5 硕士学位论文第一章文献综述 到小依次为锰、铬、钼、铜、镍；在对试样压缩性的影响方面铜 镍 铬 锰 钼； 而各添加合金元素对氧的亲和力大小对合金最终的力学性能也有很大影响，其中 对氧亲和力最大的是锰，其次分别为铬、镍、钼、铜n 3 1 。 综上所述可知，要提高材料烧结后的力学性能需要从合金元素对淬透性、 压缩性的影响和合金元素对氧的亲和力多方面综合考虑。 在制备预合金钢粉时c u 是对氧亲和力最小的合金元素。其在压制和烧结过 程中比较稳定。且含c u 的材料在较低的冷却速度下可以获得较高的硬度n 劓。材 料在一定的c 含量范围内，添加c u 对其拉伸强度和屈服强度的提高有很好的作 用。当普碳钢中添加有c u 时，强度也提高n 副。而且，c u 作为烧结添加剂，可以 在铁中形成液相，在温度超过1 0 8 3 时将大大促进烧结过程的进行。与含n i 材 料相比，含c u 材料由于c u 的膨胀而具有较低的密度n6 i 。 m o 作为一种合金添加元素，它可以降低钢的马氏体转变临界温度，抑制珠 光体的转变n7 1 。m o 对钢的淬透性的提高能力较m n 和c r 差，位列第三；但是m o 对氧的亲和力较小，能够被氢气在适当温度下还原，这使它更适用于烧结硬化合 金。 n i 是合金钢中另一种重要的并且广泛使用的合金元素，它可以起到固溶强 化的作用。它是一种中度的合金淬透性元素，更重要的是，它可以提高合金钢的 韧性；添加n i ，还可以降低合金中由c u 引起的膨胀，并且得到较高的烧结密度 1 5 ，l e o m n 和c r 也可以作为非常有效的提高材料淬透性的元素，它们还可通过在 氮基气氛中烧结得到高的强度n 9 矧。但是，如果压坯在弱氧化状态下( 如吸热性 气氛) 烧结，由于m n 和c r 对氧强烈的亲和力，以至于形成氧化物。氧化物的形 成，使得烧结零件的强度降低。因此，制造低含氧量和好的压缩性的含c r 和m n 的粉末冶金预合金钢是困难的。一般地，含c r 和m n 的钢在锻钢中很普遍，而在 铁基粉末冶金中则少见。n i ，m o 和c u 为粉末冶金钢中添加最多的是合金元素。 然而，如果过分追求材料烧结硬化中淬透性的提高而不断提高添加合金元 素的含量，粉末的压缩性将显著下降，导致烧结零件力学性能的恶化。因此，预 合金元素的数量应该控制在不大幅降低粉末的压缩性范围内为宜。 碳也是影响粉末冶金钢的一个重要元素。添加碳的含量在0 7 w t 1 5 之间时，可以提高粉末冶金钢的马氏体转变温度并且强化材料。但c 含量超过 0 8 的同时粉末冶金钢会部分出现残留奥氏体组织，对强度和力学性能的稳定 性产生影响。 值得注意的是，如果粉末冶金钢提高淬透性的元素太多，过多的残留奥氏 体将会形成，导致材料的强度和硬度降低晗引。 6 硕士学位论文第一章文献综述 1 1 5 合金化方法的影响 铁基粉末冶金材料的力学性能与它们的微观组织及其孔隙的尺寸、分布和 形貌直接相关。不同的合金化方法对最终烧结零件的孔隙和微观组织有非常大的 影响。对铁基粉末冶金零件而言，主要有四种合金化方法旧1 ： 1 元素混合法( 预混合法) ：合金元素以元素状直接添加到铁粉中。它是最常 用的，生产费用最低的一种方法。元素混合粉能保持基体铁粉的大部分压 缩性。然而，粉末在烧结温度下的合金化程度受到合金元素和铁之间的热 扩散速率的限制，因此元素混合法制备的材料的微观组织有时会因混料时 部分合金化导致少量粉末硬度提高、烧结中热扩散不充分而导致成分的不 均匀性。 2 部分合金化法( 扩散合金化法) ：它是以高压缩性铁粉或预合金钢粉为母粉， 添加合金元素经均匀混合后在电炉内于一定温度和条件下进行扩散处理， 将合金元素扩散在母粉颗粒上。该法生产的粉末特点为：具有较高的压缩 性；合金元素在制品烧结过程中进一步合金化，使烧结零件保持尺寸公差 稳定，化学成分的扩散较预混合法制备的试样均匀，力学性能更好啪1 。 3 预合金化法：除了碳之外，其它的合金元素在铁粉的雾化之前加入，用高 压水在雾化器内将熔融的钢液破碎成微小液滴，再经脱水、烘干、高温还 原、粉饼破碎、筛分、合批等工序精制而成，该法生产的粉末具有均匀的 微观组织和一致的微观硬度。粉末的压缩性比元素混合法以及部分合金化 法低；粉末颗粒组成中合金元素均匀分布，用其生产的烧结材料具有均匀 的显微结构、高的强度和高的耐磨性；同时预合金化法生产预合金钢粉较 其他元素能更有效地利用合金元素。 4 混合合金化法：混合合金化法是指合金元素，如n i ，c u 和石墨以元素态加 入到预合金化钢粉中，以使材料在其淬透性和压缩性之间找到最好的结合 点。目前，混合合金化使用的越来越广泛。 7 硕士学位论文第一章文献综述 激a d 乏m i x 乏e d 一 u i 一各“毛， 囝参囱。 毯珏 鸯毯o ，h y b r i d口p r e a l i o y e d 图l 一34 种粉末混合方法( a ：预混合法；b ：扩散合金化法；c ：预合金法；d ：混 合合金化法) f i g 3f o u rt y p e so fp o w d e rm i x t u r e s ( a ) b a s ei r o ne i t h e re l e m e n t a l ，( b ) p a r t i c a l l ya l l o y e d ， ( c ) p r e a l l o y e d ，( d ) b o n d e dm i x e dw i t ha l l o y i n gi n g r e d i e n t sa n dl u b r i c a n t 为了提高合金的淬透性，合金元素必须固溶在基体中。预混合、部分合金化 和混合合金化材料依靠烧结时的扩散过程来影响材料的合金化。因此，通常，一 般地，预合金粉末有比混合粉末、部分合金化粉以及混合合金粉末较好的淬透性。 牌号系列为f l c ，f l n c 和大多数牌号系列为f l n 的钢( 主要为含n i 、c u 、m o 、 m n 等元素的合金钢) 被推荐为烧结硬化钢，因为它们在烧结冷却时可以起到很 好的硬化作用。 1 1 6 烧结工艺的影响 1 1 6 1 烧结温度的影响 较高的烧结温度可以帮助添加的合金元素在粉末冶金钢中热扩散、合金化得 到更加均匀的微观组织，并且可以提高烧结零件的淬透性因此提高了材料形成马 氏体结构的能力。较高的烧结温度还可以提高材料的冲击性能。通过温压技术成 形的烧结硬化材料比常规成形的有更好的机械性能。烧结材料的强度与形成烧结 颈颗粒在全部颗粒中所占的比率有关乜引。在低温时，很明显的烧结颈长大导致材 料在低致密化阶段强度上有较大的增加。致密化在高温阶段很明显，进一步提高 了烧结强度。试验结果显示，烧结温度是烧结颈长大和致密化的一个主要因素1 。 同时，提高烧结温度，合金元素有更好的扩散，因此材料有更好的淬透性，导致 材料在拉伸、屈服、横向断裂强度；延伸率和冲击韧性方面均有提高。但是，如 果烧结温度过高，就会出现晶粒长大和孔隙粗化，使得烧结零件的性能降低。粉 末冶金钢的烧结温度一般在1 1 2 0 - 1 2 5 0 之间。 8 硕士学位论文第一章文献综述 1 1 6 2 冷却速度的影响 冷却速度是烧结硬化工艺中最重要的工艺参数，烧结硬化材料的硬度主要取 决于冷却速度啪制。图1 - 4 总结了在不同的冷却速度下，f e c 合金产生不同的 组织的可能转变途径口。通过控制冷却速度，可以得到所需要的比例的马氏体， 以产生相应的力学性能。随着冷却速度的增加，转变的马氏体比例也随之增加， 相应的，材料的拉伸、屈服、冲击性能、横向断裂强度和硬度均显著增加。提高 冷却速度的一个途径为提高烧结硬化过程中炉子冷却区气氛中的氢气流量口别。 图1 - 4 铁碳合金在不同冷速下可能的相变路径 f i g 1 - 4p o s s i b l et r a n s f o r m a t i o np a t h so fi r o n - c a r b o na l l o y su n d e rd i f f e r e n tc o o l i n gr a t e s 9 硕士学位论文第一章文献综述 i 蕊科盘嚆篁c n gt r 髂f 掰释螭t ；啦n 横6 秽a f n 锄1 4 n g c “ l 静啐_ w h 秆a n 甜洲m o 耠每nd 韬托n 薅t 硝| n 程 l ，1t 1 0i o o t t h 协f j 图1 5 对于铁碳共析合金淬透性、连续冷却速率以及纤维结构的关系 f i g 1 - 5c o r r e l a t i o no fh a r d e n a b i l i t y , c o n t i n u o u sc o o l i n gr a t ea n dm i c r o s t r u c t u r ef o ra ni r o n c a r b o n a l l o yo fe u t e c t o i dc o m p o s i t i o n 连续冷却转变曲线( c c t ) 经常被用于以冷却速度为因素，确定微观组织的 变化。图卜5 表明了共析钢的一个c c t 曲线，其中，冷却曲线沿着j o m i n y 棒的 四个特定位置成阶层分布，得到了相应的微观组织。“。传统的冷却速度( d ) 将 形成奥氏体到粗珠光体的转变。较高的冷却速度下( 如气冷) ，将得到细珠光体。 当冷却速度高到足以避免c c t 曲线( a ) 的鼻端时，就会形成马氏体。合金元素， 例如m o 、c u 和n i 可以使得c c t 曲线的鼻端向右移动，因此允许在较低冷却速度 下发生相变。m 。 1 1 6 3 回火的影响 回火在烧结硬化工艺中也是重要的一部分。回火可以消除马氏体相变产生的 应力，只是轻微的软化马氏体结构。一般地，回火可用来恢复烧结硬化材料的机 械性能b j l6 | 。然而，回火降低了材料的表面硬度，特别对于硬度大于h r c 3 0 的烧 结硬化材料而言，因为回火的马氏体比没有回火的马氏体的硬度低些n7 | 。回火可 1 0 硕士学位论文 第一章文献综述 以提高烧结硬化材料的拉伸强度，并且随着碳含量的增加，拉伸强度随之增加啪3 。 而且，回火可以显著提高烧结硬化材料的屈服强度。 1 1 7 显微组织的表征和观察 可以通过光学显微镜和扫描电镜( s e m ) 观察烧结硬化材料的显微组织，采 用x 射线能谱仪( e d s ) 探测碳、氮以及氧等轻元素。图卜6 显示了对烧结硬化 材料中所有物相的化学成份和几何形貌进行完整表征的程序啪1 。 图l _ 6 烧结硬化材料化学表征和宏观材料参数测量的步骤 f i g i - 6c h a r ts h o w i n gp r o c e d u r ef o rc h a r a c t e r i z a t i o ni nt e r m so fc h e m i s t r ya n ds t e r e o l o g i c a l p a r a m e t e r so fs i n t e r - h a r d e n i n gm a t e r i a l s 经硝酸酒精溶液和苦味酸腐蚀后，马氏体呈现出白色的特征针状结构，这在 光学显微镜中清晰可辨。然而，与之不同的是，珠光体和贝氏体却表现为黑色的 岛状结构。为了从贝氏体中区分出珠光体，这就需要使用具有更高分辨率的扫描 电镜。由于碳化物相析出于片状贝氏体( 上贝氏体) 之间或于其内( 下贝氏体) ， 硕士学位论文第一章文献综述 从而扫描电镜能够分辨出微小的片状珠光体和针状的铁素体。一旦确定微观区域 组元后，就能够通过逐点计数对光学显微镜和扫描电镜图片进行定量图像分析， 从而确定各微观区域组元的数量。此外，各微观区域组元的化学成份可以利用扫 描电镜上的x 射线能谱( e d s ) 作出分析。这一技术在确定组元中的合金化元素 如预混合的铜以及元素的空间分布尤其有用。结合图像分析获得的形貌参数和 e d s 确定的化学成份，这就实现了对所有微观组元的完整表征。 图1 - 7 给出了采用光学金相显微镜拍摄的分别经过标准冷却和快冷方法获 得的f e 一1 2 5 m o 一1 4 0 n i - o 4 2 m n 一1 o c u - o 7 c 材料的不同的微观结构照片。标准 冷却获取的样品由粗化的片状马氏体、隔离的珠光体以及贝氏体构成，但是，快 冷样品的马氏体细小，而且含有痕量的贝氏体，从而使得材料的性能优异h 引。 a ) b ) 图1 7f e 1 2 5 m o 1 4 0 n i 0 4 2 m n 1 0 c u 0 7 c 材料在1 1 2 0o c 烧结自然冷却和快速冷却时的 微观组织结构删a ) 炉冷b ) 快速冷却 f i g1 - 7m i c r o s t r u c t u r e so fs i n t e r e da t112 0 。ci n9 0v on 2 10v oh 2 ，a ) s t a n d a r dc o o l i n g ，b ) a c c e l e r a t e dc o o l i n g 1 1 8 烧结硬化零件的应用 烧结硬化材料在许多不同的制造业和产品加工行业中都有潜在的应用，这包 括汽车、园艺工具、家用电器、手动电动工具以及压缩机等等。表卜4 中列举 了部分烧结硬化零件的应用情况n 。 1 2 硕士学位论文第一章文献综述 表1 4 部分烧结硬化零件及其应用领域 t a b l el - 4p e r c e i v e dp a r ta n dp a r to p p o r t u n i t i e sf o rs i n t e rh a r d e n i n g 近来，m a s c o t e c hs i n t e r e dc o m p o n e n t s 采用烧结硬化工艺开发出变速箱链 轮，如图1 - 8 所示。通常，链轮生产的实际程序中包括成型、烧结、精整和热处 理等。但是，使用烧结硬化技术，它仅仅包括成型和烧结步骤，这就显著的降低 了成本n 2 、3 l 。6 在今后几年中，我们期待对烧结硬化技术的应用快速增长，同时 也将开发出一些新的、易硬化粉末，而且电炉制造商家也将对用于快冷的烧结粉 末冶金零件的系统进行改进。 图l - 8 分动箱齿轮 f i g 1 8t r a n s f e rc a s es p r o c k e t 4 2 1 1 3 硕士学位论文第一章文献综述 1 2 论文选题及研究内容 烧结硬化能够以较低的成本制造出高硬度、高强度、高耐磨性的铁基低合 金钢结构零件，无疑极大地扩大了粉末冶金材料在工业上的应用。目前，在国外， 烧结硬化技术已经进入规模化工业生产阶段。但是作为一种国外新开发的受到大 量专利保护的技术，除了h o g a n a s 和魁北克公司在一些会议和国外相关杂志上 的报道外，现有国内的关于烧结硬化工艺参数，合金化方法合金元素等对烧结硬 化影响的研究极少。但由于烧结硬化工艺可以提高材料的各项力学性能，减少热 处理的时间，大大提高生产效率节约成本，因此对烧结硬化的研究就显得十分的 迫切和有意义。本文选择了以最常见的铁基粉末冶金低合金钢材料为主，试样粉 末原料分别选用元素混合粉和专用烧结硬化预合金粉末，对烧结硬化制备铁基低 合金钢从工艺参数、合金元素等各方面着手，进行摸索和总结，同时实验过程中 通过进行大量的常规烧结试验与烧结硬化工艺进行对比互为补充，以期对烧结硬 化工艺在中国的发展传播和烧结硬化设备的国产化能够起到一定的作用。 本文主要研究了以下几个方面的内容： l 、以元素混合粉制取试样，详细研究了混料方式、压制压力、烧结温度、冷却 速度等参数对最终烧结硬化试样组织结构和力学性能的影响，并试图总结出 基本的规律和建设性的实验方案，以期为以后制备更高性能的烧结硬化钢奠 定实验和理论基础。 2 、系统的研究了对烧结硬化材料制备中有影响的合金元素：c u 、n i 、m o 、m n 等对烧结硬化试样微观结构、淬透性、力学性能等方面的影响，同时研究了 不同的合金化方法制备低合金钢，在烧结过程中元素的合金化和热扩散程度 以及将不同合金化方法制备的烧结硬化钢的性能性能进行对比，从成本和性 能两方面考虑，给出参考的方案。 3 、最后针对与烧结硬化一样可以大大减少烧结时间提高生产效率的微波烧结 在组织结构、烧结过程、最终性能等方面进行了系统的对比，希望使今后的 研究得以借鉴。 1 4 硕士学位论文 第二章基本工艺及实验过程 2 1 工艺流程图 第二章基本工艺及实验过程 工艺流程具体如下图2 1 图2 1 工艺流程图 1 5 硕士学位论文第二章基本工艺及实验过程 2 2 原料处理 2 2 1 还原 由于铁粉中含有磷，硫等较多的杂质，还有部分铁粉由于在空气中存放得太 久，而被空气中的氧和水分所氧化。铁的纯度对制品的性能有很大的影响。因而 在使用前必须先将其还原。具体还原温度和还原时间如图2 - 2 田0 t d 口 锄 皇口o p 餐删 ) _ 3 0 0 刁口 啪 o d蛐司2 z j x | 事碍翩i - 图2 - 2 还原温度和时间的工艺 f ig 2 - 2t h ep r o c e s so fr e d u c t i o nt e m p e r a t u r ea n ds i n t e rt i m e 2 2 2 原料配比与混合 参看国外相关研究人员的研究和对预合金元素对低合金钢的基本影响，设计 初步方案，配好各种不同的料，混合粉配好铁粉，石墨及各种合金元素后，再每 种成分添加0 8 的硬脂酸锌，并随着研究的开展不断改进配方。各组的成分如 表2 1 所示 1 6 硕士学位论文 第二章基本工艺及实验过程 表2 1 各种制品的成分 t a b l e2 - 1i n g r e d i e n t so fd i f f e r e n tp r o d u c t s 初选选好原料成分后，进行混料。先用研磨棒把上面配好的料初步混合后， 放入x q m _ _ 0 4 l 行星式球磨机，球料质量比为5 ：