烧结铁铜碳零件的气氛

烧结气氛： Sintering atmosphere for Iron-Copper-Carbon components铁-铜-碳零件的烧结气氛 前言： 有相同的质量和特性。由于烧结铁-铜-碳零件的质量、特性、成本是依据气氛的构成情况，所以烧结铁-铜-碳零件在选择正确的烧结气氛是非常重要的。例如：1、过度的使用天然瓦斯在烧结气氛中，结果将在零件和炉膛产生煤灰。需要清理已烧结的零件而且会降低炉子的使用寿命。2、过度的使用氢气在烧结气氛中，结果将增加整个使用气氛的成本，根本就不符合经济。因此，烧结铁-铜-碳零件时，如何选择正确的烧结构成气氛，且此烧结构成气氛在烧结零件上对质量和特性的影响是令人想要的知识。以下将叙述：有关烧结温度和氮-氢-天然瓦斯合成气氛在烧结铁-铜-碳零件时，对零件的外观表面硬度、微结构、碳含量和横断破裂强度所造成的影响。序论：在粉末冶金行业中，使用预拌的铁-铜-碳粉末来生产简单且多样化、复杂的几何图形的碳钢零件有越来越多的趋势。这些零件由压缩铁-铜-碳粉末并置放于已存在控制好气氛的连续炉中烧结。为了加强烧结零件的机械特性，如强度、外观表面硬度等，常在铁粉末中加入铜和碳粉。烧结碳钢零件所使用已控制的气氛是由吸热性产生器、氨分解或简单地由氮、氢混合或氮、氢与强化瓦斯所供应。吸热性气氛是由接触反应燃烧控制氢氮气的数量所产生。如存在于空气中的天然瓦斯就是吸热性产生器。A：典型的吸热性气氛包括氮(约40%)、氢(约40%)、一氧化碳(约20%)和由氧化碳、水和已不存在的碳氢化合物气体所形成的不纯气体。B：由裂解氨炉所产生的气氛是包含氢(约75%)、氮(约40%)和由水和未分解氨所形成的不纯气体。由吸热性产生的气氛使用于烧结碳钢零件已经被知道将造成令人不快的渗碳循环而且需要去除已烧结零件中的碳素。此归因于它存在高准位的一氧化碳、氢和水分。同样的，由裂解氨炉所使用气氛已经被知道严重地需要去除已烧结零件中的碳素。此也归因于它存在高准位的氢气。因此，由吸热性产生器和裂解氨炉所产生的气氛通常不使用于需要生产质量和特性一致的碳钢零件。他们常常和氮混合达到下列情况：1、降低和一氧化碳、氢气和水的浓度所发生的作用。2、降低令人不快的渗碳循环和需要去除已烧结零件中的碳素的情形。3、改善产品的质量和特性。再其它方面：由于氮-氢-天然瓦斯所构成的气氛能轻易、精确的受到控制。它们广泛地使用于粉末冶金工业的碳钢零件，使产品具有一致地质量和特性。然而更重要的是只要小心的选择和控制它们的构成。则可避免下列情况：1、过度的使用天然气在烧结炉而产生煤灰。2、过度的使用氢气而不何合乎经济。这篇说明了烧结温度和氮-氢-天然瓦斯合成气氛在烧结铁-铜-碳零件上对外观表面硬度、微结构、碳含量和横断破裂强度的影响。实验报告：设备：烧结炉分三区：预热区、高温区、冷却区 宽30.5cm 连续炉速度为 0.17cm/s 24min 样品：0.635cm*1.27cm*3.175cm横断破坏测试棒TRS 预热区温度为816 30min 高温区保持烧结的温度 60min 冷却区在出口位置用窗帘装备以防止空气进入烧结胪由铁-铜-碳粉末原料压出生胚密度6.8g/cm3 使用材料：1、ANCORSTEEL 1000铁粉2、1.0 wt.% 细石墨粉3、2.0 wt%细铜粉所混合的铁-铜-碳粉末原料，此些粉末还混合0.75wt%的硬酯酸锌做为润滑剂。四个不同的烧结实验是完成在氮-氢-天然瓦斯气氛下的TRS测试棒。1、第一个实验是在高温区或烧结温度的变化从1010到1121时，测定在烧结温度上升对烧结棒特性的影响。此实验是完成在氮-氢气氛包含氢气30%而没有天然瓦斯之条件下。2、 其它 二、三、四等实验是在在碳-氢-天然瓦斯气氛中，在天然瓦斯由0.0、0.25、0.5 VOL%变化的浓度下。同时氢气由1、3、5、10、15和30VOL%变化的浓度下。由这些浓度的应用，测定已烧结棒在碳-氢-天然瓦斯气氛下，改变氢气浓度和天然瓦斯浓度时其物理特性的变化情形。高温区或烧结温度保持恒定温度如此选择以第一实验结果为基础。氮-氢-天然瓦斯气氛被导入在位于炉子高温区和冷却区之间的转移区。选择碳-氢-天然瓦斯气氛总流量的于约25次/小时气氛的转换并排除空气渗入炉子。采集几次先前炉子高温区和烧结实验期间的气氛样品，确认在炉子的完整性和确定没有空气由外部进入炉子。特别采用Teledyne trace oxygen analyzer氧气追踪分析仪做氧气和水份的分析、Vaisala humidity湿度计、temperature温度计、和露点指示器。烧结炉已做好先前几小时原始的烧结实验所需求的氮-氢-天然瓦斯气氛组合成份的条件。20个测试棒样品将在四个实验中的每一项烧结。1、开始于高浓度氢气。2、低浓度氢气。3、在氮-氢-天然瓦斯气氛中天然瓦斯的浓度是逐渐增加从0.00 vol %到0.50 vol%。4、不合适的天然瓦斯浓度的选择将造成微小的妨碍。这些烧结棒将做尺寸和重量变化、烧结密度、微结构特性、碳含量(换言之：烧结棒的碳含量不包括渗碳和不渗碳区带)、外观表面硬度、横断破坏强度的测试。结果和说明：烧结温度的影响：烧结温度从1010到1121加以改变同时在氮-氢气氛中保持氢的浓度在30 vol%，测定烧结温度对烧结棒的影响。此实验完成在气氛中没有存在天然瓦斯气体。所有烧结棒的表面在烧结温度从1010到1121改变时是清洁的没有存在任何的煤灰。其数据如下表所示：表一：改变烧结温度时尺寸和重量变化的数据温度 /重量变化 尺寸变化 1010/18501.250.020.561037/19001.250.020.501065/19501.250.020.471093/20001.250.020.611121/20501.310.020.46重量减少的原因说明：1、烧结棒在1010重量损失约1.22。一部份重量的损失归因于是除去了测试棒内部的润滑剂、在此同时剩余的重量损失是除去铁表面的氧化物和存在粉末中的铜石墨颗粒或存在于气氛中的氢气。2、有趣的是烧结棒在烧结温度从1010/1850一直增加到1121/2050情形下没发现重量的损失增加。这是因为事实上烧结温度在1010/1850时已经足够除去大部份测试棒内部的润滑剂和表面的氧化物。烧结测试棒直线的尺寸成长原因说明：1、在1010/1850时，烧结测试棒直线的尺寸成长约0.56%。这成长的主要的原因是由于在铁母体中碳扩散所致。它可由图1a加以确认。测试棒在1010/1850烧结时的横断面微结构相片中了解并没有存在ferrite(肥粒铁)和pearlite(波来铁)结构。在此相片中可发现结构中存在无溶解的铜。更进一步确认成长的主要的原因是由于在铁母体中碳扩散所致。烧结棒中存在无溶解的铜，因为烧结温度低于铜的溶解温度所致。(铜的溶解温度是1082/1981)2、在烧结温度从1010/1850增加到在1065/1950时，直线的尺寸成长从0.56%减少到0.47。此成长的降低的原因是和烧结的温度上升程度有关由图1。(比较图1a和图1b)。在更高的温度的烧结棒的横断面微结构相片中，也显示更进一层在铁母体中碳扩散。可由图中的pearlite(波来铁) 含量的增加和ferrite(肥粒铁)含量的减少得知。(比较图1a和图1b)最终，烧结棒在1065/1950时的横断面微结构相片，在结构中存在无溶解的铜。这是因为烧结温度低于铜的溶解温度。(铜的溶解温度是1082/1981)。3、烧结温度更进一步增加到在1093/2000时造成直线的成长至0.61%(看表一)。这成长的增加是因为在铁-碳合金中的溶解铜扩散和溶化之故。烧结棒在1093/2000时的横断面微结构相片如图1c确认没有未溶化的铜存在于结构中。它显示出一个完全的在铁母体中碳扩散，确认没有ferrite(肥粒铁) 存在于结构中。4、再更进一步，显示颗粒与颗粒的结合和烧结正开始。当炉子增加烧结温度到在1121/2050时造成成长降低至0.46%。这是表示接近于完全的颗粒与颗粒的结合和烧结。如图1d所示。比较图1c和图1d展现了要得到完整的烧结结构烧结温度需要接近于1121/2050。外观表面硬度的变化：1、烧结温度从1010/1850增加到1065/1950时，其外观表面硬度从60HRB到68HRB产生些微的增加。此增加的原因是因为烧结温度增加的程度和铁母体中碳扩散。2、烧结温度从1065/1950升到1093/2000时，其外观表面硬度增加从68HRB到79HRB。此增加和在铁母体中的铜和碳两者完全的扩散有关。3、更进一步的增加烧结温度到1121/2050时，其外观表面硬度增加到83HRB。如图二所示。此增加是几乎完全的颗粒与颗粒的结合和烧结有关。图2硬度的数据也确认了，要得到几乎完整的烧结结构，烧结温度需要在1121/2050。图二烧结温度对外观表面硬度的变化：横断破裂强度的变化： 1、烧结温度从1010/1850增加到1065/1950时，其横断破裂强度增加从如54KSI到83KSI。此增加的原因和烧结温度的上升的程度和铁母体中碳扩散有关。2、引人注意的是烧结温度从1065/1950升到1093/2000时其横断破裂强度增加从83KSI到79128KSI。此增加和在铁母体中两个完全的铜和碳扩散有关。3、更进一步的增加烧结温度到1121/2050时，其横断破裂强度增加到150KSI。此增加的原因是接近于完全的颗粒与颗粒的结合和烧结。图3展现了要得到完整的烧结结构接近烧结温度在1121/2050是需要。烧结样品棒的横断破裂强度的增加能经由更高的烧结温度和较长时间的烧结而增加。图三烧结温度对横断破裂强度的变化：氢气浓度的影响：在氮-氢气氛中，氢浓度可加以从1、3、5、10、15、30 vol%变化，在第二次实验中利用氢浓度不同时在测定烧结棒的特性时所产生的影响。此实验执行于在氮-氢气氛中没有添加任何天然瓦斯气体。实验的温度选择在高温区或烧结温度保持在1121/2050。温度的选择以第一次实验结果为基础。在氮-氢气氛中，氢浓度从1到30 vol%变化。所有烧结棒的表面清洁而无任何煤灰。表二：氢浓度不同气氛下烧结棒特性变化的数据氢浓度vol 重量变化尺寸变化表面硬度HRB横断破坏强度KSI1.01.300.4583.90.61.270.4984.11.11.270.5083.91.2138.93.410.01.270.5083.80.91.280.4983.51.0142.04.230.01.320.4783.71.0142.62.8说明：1、重量改变的原因：在氮-氢气氛中，氢浓度1.0 vol 时重量减少呈现1.30。其原因是除去了测试棒内部的润滑剂和除去铁表面的氧化物和存在粉末中的铜颗粒和石墨或气氛中的氢。此重量减少不随着氢浓度从1.0 到30.0vol 的增加而改变。表示除去了测试棒内部的润滑剂和除去铁表面的氧化物在氮-氢气氛中是不依据氢浓度存在的高低而改变。2、烧结棒的尺寸改变、外观表面硬度和横断破裂强度的测试值被发现在氮-氢气氛中对于氢浓度的高低是不敏感的。且非常接近于粉末供货商的报告。3,烧结棒的微结构呈现出无显著的不同在改变氢浓度从1.0 到30.0vol 。他们是均一而且类似如图1d。4、烧结棒中容积碳含量变化于0.77到0.8%，这变化的程度被发现存在氮-氢气氛中的氢浓度是独立的。5、烧结密度改变在6.71g/cm3到6.73g/cm3之间。 无关于存在在氮-氢气氛中的氢浓度。以上数据清楚的说明烧结铁-铜-碳棒在1121/2050的特性不因氮-氢气氛中的氢浓度从1.0 到30.0vol 的增加而改变。因此适当的使用低浓度的氢气于烧结铁-铜-碳零件的同时可以降低整个气氛成本。天然气浓度的影响：在第三、四次实验中利用天然气浓度从0.25到0.50vol%变化的不同,测定天然气对烧结棒的特性所产生的影响。此实验在氮-氢-天然气瓦斯气氛中,氢浓度从1、3、5、10、15、到30 vol%。同时保持烧结温度在1121/2050。这温度的选择以第一次实验结果为基础。所有烧结棒的表面在氮-氢-天然瓦斯气氛中，包含0.25 vol%天然瓦斯和氢气浓度从1到30 vol%变化将覆盖少许的煤灰。此烧结棒的表面和炉子煤灰的形成是和加到气氛中天然瓦斯热的分馏有关。在氮-氢-天然瓦斯气氛中烧结棒的表面和炉子煤灰增加形成的程度是依天然气浓度从0.25到0.50 vol%变化增加而增加。烧结棒表面所形成的煤灰对整个处理成本的观点是不希望的，因为它需要附加后处理或清洁工作。在炉子内部所形成的煤灰也是不希望的，因为它将增加处理费用和减少炉子的使用寿命。因此，在氮-氢-天然瓦斯气氛中,希望能少量或除去使用天然瓦斯。表三：存在天然瓦斯0.25vol%烧结棒特性氢浓度 重量改变尺寸改变表面硬度HRB横断破坏强度KSI1.01.280.4585.10.7144.05.73.01.260.5085.20.6-5.01.260.5185.20.91.260.5084.90.6-15.01.280.4984.90.9136.23.830.01.280.4885.00.7142.54.0说明：1、重量改变的原因，烧结棒存在于天然瓦斯0.25vol%和氢1% 呈现了1.28的重量损失(如表三)。此重量减少不随着氢浓度从1.0 到30.0vol 的增加而改变。意味着除去了测试棒内部的润滑剂和铁表面的氧化物是不依赖气氛中所存在氢浓度的高低而有所改变。更重要的是使用天然瓦斯的重量损失是较低于没使用天然瓦斯的重量损失。(比较表二和表三)。2、包括天然瓦斯0.25 vol%在氮-氢气氛中,测试烧结棒的尺寸改变、外观表面硬度和横断破裂强度的资料。表示不依靠在气氛中存在氢浓度的高低(看表三)。在天然瓦斯0.25 vol%之气氛下，此尺寸改变和横断破裂强度的数据非常接近于在没有天然瓦斯所得的数据(。(比较表二和表三)。3、在天然瓦斯0.25 vol%之外观表面硬度是少量地(85HRB)高于在没有天然瓦斯所得的数据 (84HRB) 。这少量地高的外观表面硬度可能和烧结棒存在稍微高的外观表面和容绩含碳量存在天然瓦斯0.25%气氛比没有天然瓦斯有关。(存在天然瓦斯0.25 vol%之烧结棒中容积碳含量变化是0.79到0.81%相对于没有天然瓦斯烧结棒中碳含量变化是0.77到0.8%。)4、