（材料学专业论文）预合金钢粉温压成形与烧结硬化工艺的研究.pdf

料的烧结硬化的力学性能有很大影响，石墨含量高的试样，烧结态的 表 观 硬 度 高 ， 但 r#11强 度 明 显 二， 回 火 处 理 可 提 高 其 抗 拉 强 度 扮 采用烧结硬化工艺、温压成形工艺和烧结扩散粘结技术进行了一 种粉末冶金双连联齿轮的开发。通过齿轮的强度计算确定材料的选择， 新开发的双连齿轮具有局部烧结硬化的特性，与原有生产工艺比较可 降低成本，提高质量。 ab s tract t h i s p a p e r d e a l s w i t h t h e b e h a v i o r o f w a n n c o m p a c t i o n a n d s i n t e r - h a r d e n i n g p r o c e s s o f w a t e r - a t o m iz e d l o w a l l o y e d s t e e l f .i s y 2 0 0 . 3 0 p o w d e r a s r a w m a t e r ia l s . o n e k i n d o f w a r m c o m p a c t io n p o w d e r i s m a d e b y b i n d - t r e a t m e n t . e x p e r i m e n t s s h o w t h a t t h i s m i x t u r e p o w d e r h a s m o r e a d v a n t a g e s t h a n t h a t o f p o w d e r b y d r y - m i x i n g p r o c e s s , w h i c h m a y i m p r o v e p o w d e r fl o w a b i l i t y a n d f i l l a b i l i t y a n d t h e r m a l s t a b i l i t y , a n d c a n i n c r e a s e g r e e n d e n s i t y b y w a r m c o m p a c t i o n o r r o o m - t e m p e r a t u r e p r e s s i n g . t h e g r e e n d e n s ity c a n r e a c h 7 .0 8 妙m w h e n a d o p t i n g t h e m i x t u r e o f f j s y 2 0 0 .3 0 g r a p h it e ( 0 . 8 w t %) + z i n c s t e a r a t e ( 0 . 6 5 w t %) + p v p ( 0 . 1 5 w t %) b y w a r m c o m p a c t i o n a t 6 0 0 m p a， a n d d e n s i t y g a i n s o . l 0 g / c m t h a n t h a t u n d e r r o o m - t e m p e r a t u r e . t h e m e c h a n i s m o f g r e e n d e n s i t y g a i n b y w a r m c o m p a c t i o n h a s b e e n a n a ly z e d i n t h i s s t u d y . r e s u lt s s h o w t h a t m i x t u r e w h i c h c o n t a i n s l u b r i c a n t s u c h a s z i n c s t e a rt a t e a n d a c r a w a x h a s o b v io u s t e m p e r a t u r e e ff e c t . t h e g r e e n d e n s it y c a n r e a c h 7 . 1 1 g / c m w h e n u s i n g t h e m i x t u r e p o w d e r w h ic h c o n t a i n s a c r a w a x , b y w a r m c o m p a c t i o n a t 1 3 0 w i t h p r e s s u r e o f 6 0 o m p a， a n d d e n s i t y c a n i n c r e a s e 0 . 1 2 g / c m c o m p a r i n g t o r o o m - t e m p e r a t u r e p r e s s i n g , b u t t h e g r e e n d e n s ity o f m i x t u r e p o w d e r c o n t a i n i n g p t f e i s l o w e r t h a n . t h a t r o o m - t e m p e r a t u r e p r e s s i n g . t h i s p a p e r d i s c u s s e s t h e i n fl u e n c e o f p r o c e s s p a r a m e t e r s s u c h a s c o m p a c t i n g p r e s s u r e a n d f i l l i n g h e i g h t a n d c o n t e n t s o f l u b r i c a n t a n d d w e l l t i m e a n d d i e t e m p e r a t u r e o n g r e e n d e n s i t y . r e s u lt s s h o w t h a t t h e e ff e c t i v e p r e s s u r e i s a b o u t 6 0 0 mp a，a n d t h e h i g h e r f i l l h e i g h t , t h e m o r e l u b r i c a n t s h o u l d b e a d d e d i n t o t h e m i x t u r e a n d t h e l o n g e r d w e l l t i m e ; t h e o p t i m u m d i e t e m p e r a t u r e i s l i n k e d t o t h e f i l l i n g h e i g h t . h i g h e r g r e e n d e n s it y c a n i n c r e a s e h a r d e n a b i l ity o f c o m p a c t b y s i n t e r - h a r d e n i n g . a s t h e s a m p le g r e e n d e n s ity is 7 . 1 o g .c m w it h t h e m ix t u r e o f f j s y 2 0 0 .3 0 + g r a p h ite ( 0 . 8 w t % ) + c o p p e r ( 2 . o w t % ) , a n d s i n t e r e d a t 1 1 2 0 c f o r o n e a n d h a l f h o u r s . t h e a p p a r e n t h a r d n e s s o f s i n t e r e d c o m p a c t c a n r e a c h h r c 2 3 . w h i c h m i c r o s t r u c t u r e h a s m o r e m a rt e n s it e . a m o u n t o f g r a p h i t e a n d c o p p e r p o w d e r h a s i m p o rt a n t i n fl u e n c e o n m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s o f s i n t e r - h a r d e n i n g . wit h t h e c o n t e n t s o f g r a p h it e , t h e a p p a r e n t h a r d n e s s o f s i n t e r e d c o m p a c t i n c r e a s e s，b u t t h e t e n s i l e s t r e n g t h d e c r e a s e s . a n d t e m p e r t r e a t m e n t w i l l i n c r e a s e t h e t e n s i l e s t r e n g t h . o n e k i n d o f p o w d e r m e t a l l u r g y t w i n - g e a r h a s b e e n d e v e l o p e d b y s i n t e r - h a r d e n i n g a n d w a r m c o m p a c t i o n a n d s i n t e r d i ff u s i o n b i n d t e c h n i q u e . t h e f a b r i c a t e d g e a r h a s a d v a n t a g e o f p a rt i a l s i n t e r - h a r d e n i n g c h a r a c t e r i s t i c w i t h l o w c o s t s . a 第一章 文献综述 1前言 粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末作原料，经过成形和烧结制造 余属材料、复合材料及各种类型制品的工艺技术。采用粉末冶金方法制造的 烧结铁基结构零件是粉末冶金工业中产量最大、应用最广的一类产品，广泛 应用于汽车、农机、办公机械、液压件、家用电器、日 用机械等领域。这类 零件通常要求具有较高的机械强度和精度要求。与其它传统加工方法，如切 削加工、精密铸造、模锻、冷挤压等相比较，粉末冶金最大的优点在于它是 一种经济的、高速率的制造精密零件的少、无切削制造技术。 1 . 1影响烧结铁基结构零件材料性能的主要因素 影响烧结铁基结构零件材料性能的主要因素有孔隙、合金化及热处理。 1 . 1 . 1孔隙对材料性能的影响和提高密度的方法 由于粉末冶金烧结铁基结构零件的特有的生产工艺即压制成形和固相烧 结 ( 有时部分添加元素呈液相) ，因此生产的零件不可避免的含有孔隙，孔 隙的存在使材料承受的实际面积减少，材料的强度、塑性和韧性下降。图 1 为烧结铁的机械性能和密度的关系i i i 。除了孔隙度外，烧结铁基零件的机械 性能还受孔隙大小和形状的影响。孔隙越大，形状不规则，都使得孔隙尖端 处的应力集中越强烈，应力足够大时，孔隙尖端处就可能形成裂纹，裂纹 旦产生，应力集中更加强烈，从而使裂纹迅速扩展，引起材料断裂。孔隙分 布不均匀也会导致应力集中，降低材料的强度。 e 4 s.1. (口到川n以月)门气 x 厂口口 卫 口口口 刃 口口月 日 i_i 门 厄口汀门 口口口r 口口国口 口口团门 巨 二二 p 7 * 二 二 二二 巨二二 二巨二二 二 巨巨口厂 扫 巨巨匕日 巨匕口 巨巨巨尽习 匡巨区口 .舀， d. i / c m 4.f a d. a /c 二 厂节 二 厂二 l 门 口口口刃 口口囚曰 曰曰网门 曰口团门 日口困曰 门日门门 曰口口门 口口口 ! i j口门庄 4舀.fa 烧结铁的延伸率6与 密度d的关系 烧结铁的冲击功a , 与 密度d的关系 儿i 烧结铁的 硬度r f 与 密度d的关系 图 1烧结铁的机械性能与密度的关系 要提高烧结铁基结构零件的机械性能，首 先应提高其密度，并控制孔隙 的大小和形状， 特别是要避免出现大孔隙。 常用的一次压制一次烧结工艺 ( 本 文简称为常规工艺)由于受压机、模具以及压坯开裂等因素限制不可能得到 高的压坯密度，因此一般采用复压复烧、渗铜和粉末热锻等方法来制造高密 度的 铁 基零 件。 这 些 工 艺 方 法 简介 如 下 12 , : 复压复烧:将混合粉在 4 0 0 - 5 0 0 mp a压力下进行压制，在 9 0 0 左右预 烧，然后在 8 0 0 - 1 0 0 0 m p a 压力下进行复压，在 1 1 0 0 - 1 2 0 0 烧结，复压复烧 的 密 度 可 超 过7 .5 g / c m . 渗铜:渗铜是提高铁基制品密度的一种有效方法。用铜粉或铜片作为熔 渗片，采用一步法或两步法，在 1 1 0 0 - 1 2 0 0 进行烧结和熔渗，零件的密度 最高 可 达7 . 9 g / c m o 粉末热锻:粉末热锻是从 6 0年代发展起来的一种制造高密度零件的l : 艺。首 先采用成形一烧结方法制成预成形坯。然后把预成形坯加热到一定温 度置于锻模中进行锻造。该工艺可制务全致密的零件，机械性能达到或超过 i , +1 成份的普通锻钢。 尽竹这终上艺能显著提高铁基零件的密度，但都存在明显的限制因素。 扭压复烧和粉末热锻远比常规 t _ 艺复杂，对一于 模其和压机的要求也更严格， 特别是粉末热锻，其 i _ 艺对原料选择， 预成形坯的形状和密度以及模具材质、 锻造温度、锻造压力均有严格的要求，使得其成本远高于常规工艺。渗铜虽 然相对较为简洁方便，但往往存在过渗或欠渗的缺点，而且 浸蚀铁基表而留 有残渣，这对于高精密铁基零件是致命的缺点。 1 . 1 .2合余化与热处理 对于提高烧结铁基材料的力学性能，除增高密度外，合金化与热处理也 是重要途径。 a合金元素与合金化方法 在烧结铁基材料中最常用的合余元素是碳、铜、镍、铝、磷等，铬、锰 虽然有很好的强化效果，但由于在普通保护气体中烧结易氧化，其表面氧化 物难还原，一般不用元素粉末为原料，而常 以中间合金粉、母合金粉或预 合 余 粉 作 原 料 ia l 合金化方法一般分为三种is l :一是预混合法，即将各种合金元素粉末或 母合金粉末混入铁粉中，配制成混合粉。二是将合金元素 ( 镍、相、锰、铬) 与铁熔融，采用气体或水雾化制成预合金粉。三是采用扩散粘结的方法将合 金元素 ( 镍、铝、铜)与纯铁粉制造部分预合金粉。 b烧结铁基材料热处理的特点 热处理是提高烧结铁基材料机械性能的有效途径，与普通钢的热处理工 艺相比，粉末烧结钢的热处理应考虑以下几点因素i6 1 . 烧结铁基材料孔隙度影响淬透性。孔隙减低材料的热导率，从而恶化 材料的淬透性，只有密度大于7 . 0 g / c m 时，粉末烧结铁基材料方能达到较厚 的淬硬层。 合金元素也是影响烧结铁基材料淬透性的主要因素，加入 mn , mo , n i , c r 可提高材料的淬 透性系 数。 烧结铁m材料的热处理必须在保护介质中进行加热，以免氧化。 孔隙的存在使粉末烧结铁基材料的热处理难于致密钢的热处理，而且 淬火中的热应力更容易使材料产生裂纹和翘曲变形。 淬火回火是烧结铁基结构零件最常用的热处理工艺，可以有效提高材料 的耐磨性和增高强度，感应加热淬火是一种比较先进的热处理工艺，由于加 热周期短，可不需保护气氛，而且可保证材料较强的韧性。 1 .2铁基粉末冶金的新进展 近十几年来，国外先进的铁粉及零件生产厂家、设备制造商和科研机构 不断研究开发新技术和新工艺，使得铁基结构零件的性能得到很大提高，应 用范围更广。8 0年代中期到 9 0年代，在原材料和生产技术方面最引人注目 的成就如下: a高压缩性铁粉h 1 :通过对水雾化制粉工艺的完善和改进，能制备更纯、 流动性、 填充性、压缩性更高的 铁粉。 h o e g a n a e s 公司 牌号为a s c 1 0 0 .2 9的 水雾化铁粉具有很高的化学纯度和压缩性，单压 ( 6 0 0 mp a压力)可获得高 达7 .2 g / e m 的密度，而极优化学纯度的a b c 1 0 0 .3 0 铁粉 6 0 0 m p a 压力下更 可获得7 .4 g / c m 密度。在制造合金粉的工艺方面， 采用扩散粘结的方法，将 分散的合金元素铜、镍、铝等与高压缩性的纯雾化铁粉扩散粘结，可制得部 分预合金钢粉，这种部分预合金粉保证了良好的压缩性，而且合金元素能得 到充分利 用， 采用 这 种粉末 制备的 材料， 其性能十分 优良 ， 例如 牌号为d i s t a l o y a e的部分预合金粉，其基础粉为 a s c 1 0 0 .2 9铁粉，扩散粘结了 4 %的 n i , 1 .5 % c u , 0 .5 % m o ， 在6 0 0 m p a 压力 下 可获 得7 . 1 5 g /c m ， 密 度， 这 种粉 可生 产 抗拉强度为7 5 0 n / m m ，有良 好淬硬性的材料。 b混粉技术和添加剂 粘结化处理混粉工艺是 8 0年代开始研究发明的一种制备高性能待压混 合粉的新工艺18 10 i 混粉时加入一种特定的粘结剂，可使混合粉中的各种添 加元素均匀分散且固定在基体铁粉上，减少偏析，少或无碳损失，增加粉末 流动性和填充性，减少零件的尺寸变化程度，公差可降低两个 i t级，减少 化学组分的变化，因而减少了粉末冶余零件内部和零件之间的物理性能差 异 。 h o e g a n a e s 公司 的混合站采用注册为a n c o r b o n d的粘结化混粉工艺可生 产5 吨、1 0 吨、1 5 吨批量的 均匀混合粉。 随着粘结化处理混粉工艺的进一步发展，新开发的粘结剂，不仅具备粘 结性，而且具有润滑性，粘结化处理混粉工艺推动了温压成形工艺的产生! 川 。 混粉中的添加剂，特别是润滑剂也是近年研究的重点，新开发的具有增 强润滑作用的润滑剂取代传统的硬脂酸锌，不仅润滑效果增加，可以降低润 滑剂的添加量，提高压缩性和压坯强度，降低脱模力，而且烧结环境比用硬 脂酸锌要洁净得多。另外还开发了可提高切削性能的添加剂，如mn s ，它是 由mn 和s的热稳定化合物组成， 它不仅可获得良好的零件表面加工光洁度， 而且作为固休润滑剂可提高模具寿命，并且 mn s不会影响零件的力学性能 和尺寸变化12 1 c烧结硬化工艺1 . 15 为提高粉末冶金铁基零件的强度和硬度，通常对零件进行热处理。但常 规热处理工艺如淬火、回火，存在一些无法避免的缺陷，粉末零件的淬火导 致大的内应力和零件变形，另处，山于存在孔隙，零件在热处理前后还必须 清除油脂，而且随零件尺寸大小及孔隙量变化，粉末冶金零件比 锻材更难淬 火。正是为了解决以上问题，开发了烧结硬化工艺，所谓烧结硬化可以定义 为烧结铁基零件在烧结冷却阶段，显微组织全部或部分转化为马氏体的一种 生产工艺。该工艺的关键技术在于制备烧结硬化用的低合金钢粉以及烧结工 艺的确定 。烧结硬化用的合金粉采用水雾化合金粉，合金元素包括一定量 的n i , m n , c r , mo ，为烧结硬化专门设计的预合金钢粉具有良好的淬透性， 在较高的冷却速率下 ( 约0 . 7 0c / s ) ,零件可获得h r c 3 0以上的硬度。为获得 较高的冷却速度，烧结炉一般配置快速冷却装置。烧结硬化是一种生产高硬 度粉末冶金铁基零件的有吸引力的技术，因为它省去了 烧结后的热处理，明 1 3 降低了成本，该技术避免了传统淬火导致的高应力和零件变形，改善了最 终零件尺寸精度。 d温压成形工艺 一 次压制一 次烧结是粉末冶金工艺中最经济高效的工艺流程 16 1 ，如果能 采用该流程制备出高密度、高性能的铁基t 7! 末冶金件，将使粉末冶金的竞争 能力大大提高。为了实现这一目的，粉末冶金工作者不断研究、探索。进入 9 0年代后，随着高压缩性铁粉制备 技术、粘结化混粉工艺、高性能润滑剂制 备 技术的成熟， 终于创造和发明了 温压成形工艺。1 9 9 4年， h o e g a n a e s 公司 在 加拿大多 伦多 举 行的p m 2 t e c 9 4 ( p o w d e r m e t a l l u r g y a n d p a rt i c u l a t e m a t e r i a l s t e c h n o l o g y - 1 9 9 4 ) 粉末冶金国际会议上，公布了一项注册为 a n c o r d e n s e 的 温压工艺n , 1 。 温压工艺描述十分简单，即对传统压制工艺稍加改进， 将粉 末加热到 1 5 0 左右，在差不多相同温度的模具中进行压制成形。采用温压 成 形 工 艺， 一 次 压 制， 压 坯密 度 可 达7 .3 g / c m ， 以 上， 同 等 条 件 下， 可比 普 通 室 温压 制压 坯密 度提高0 . 1 - - 0 . 3 g / c 耐。由 于该工艺 较简单，普 通粉末制品 压 机经过改装即能实现，因此它一经出现就引起了粉末冶余界的广泛关注和浓 厚兴趣。到 1 9 % 年时，全球已建立了三十余条温压零件生产线，能制造出 数十种温压零件。温压工艺迅猛发展的关键在于其以低成本制造高密度、高 性能的粉末冶金铁基结构零件，为高密度零件在性能和成本之间找到了一个 较佳的结合点，被誉为是 “ 导致粉末冶金革命的一项新技术”d e l 2温压成形工艺简介 2 . 1 h o e g a n a e s 公司的a n c o r d e n s e 温压特性 h o e g a n a e s公司最早 研究并使温压成形工艺实用化。八十年代木期. 瑞 典h o e g a n a e s 公司的m u s e l l a 等人开展了 粉末在预热条件下的压制研究，发 现压坯密度的提高幅度显著，并于 1 9 9 0年获得有关温压成形制备高密度铁 预合金钢粉，预合金粉末比预混合粉末具有更佳的淬透性。与烧结低合金钢 和粉末热锻钢所采用的预合金钢粉相比较，其合金元素的含量要更高一些。 合金元素能以不同的组合来提高钢的淬透性，图 1 2为钥、锰、镍、铬含量 对淬透性倍乘系数的影响效果四，锰对淬透性的影响效果最显著，接下来是 铂、铬、镍。采用淬透性系数较高而且价格低廉的锰和铬替换一定量的铝和 镍是烧结硬化工艺用合金钢粉研究的新方向。但锰和铬与氧的亲和力大，且 不易还原，有损坯压压缩性和烧结性能的危险14 1 ，目 豁嶙保华 1 i-0 .00 20 . 4 0 . 6 0 乃1 . 0 1 . 2 合金兀素 % 图1 2锰、铝m 1 镍的淬透性倍乘系数 为了测定合金元素对烧结硬化钢性能的影响，加拿大魁北克金属粉末有 限公 司 ( q m p ) 的工艺开发实验室制取了 几组实验用粉末 13 1 ，表1 给出了 这 些实验粉末的化学成分，在合金粉中添加 0 .8 %石墨、2 % 铜和 0 . 7 5 % 硬脂酸 锌 制成待压混 合粉， 压制到 6 . 8 g / c m ， 进行 硬化 烧结， 测得的 压坯、 烧结 性能 及化学成分见表2 0 表 1五组试验用钢粉的预定化学成分 气4cuj件，了 .- 11q了，jn， ，阳1勺妇勺妇，二 锰 % 0 . 4 0 0 . 4 0 0 . 8 2 5 0 . 8 5 0 . 7 0 牛 口 % i . 2 5 0 . 7 0 1 . 2 5 镍 %铬 % 0 . 0 5 i ; .i l 性系数 0 . 0 5 0 . 0 5 0 . 7 00 . 0 5 19曰1119 0 . 6 00 . 6 0 表2几种合金的生坯、烧结性能和化学分析 锰铝镍铬氧it : 力 %mp a 硬度 hrc 抗% i 强度 mp a 1 4 5 9 抗拉 强度 mp a 屈服 强度 m p a 延f 巾 率 % th tor 叫火 硬度 hrc ，了气jn，1 气j，-，j，、 3175) 12胶11从12 户、乙n飞甘4， 八u00nllo 内j弓j4护、n的 1，产亡、，jl ，了、7207 7909302354 8，in己，产on 0 . 4 0 1 . 3 2 1 . 9 0 0 . 0 5 0 .0 8 5 2 4 0 . 4 0 0 .6 8 1 . 2 2 0 . 0 5 0 . 1 1 4 2 8 0 . 8 6 1 .2 3 1 . 1 2 0 .0 5 0 . 1 7 5 7 9 0 . 8 7 0 . 7 6 1 . 9 6 0 .0 5 0 . 1 9 5 2 4 0 . 7 3 0 . 5 9 1 . 1 2 0 .6 0 0 . 2 3 5 7 9 : 1 4 2 3 1 1 6 6 1 2 9 4 1 5 0 0 3739 实验发现减少锰和铬的含量到0 .4 5 %会明显降低氧含量至0 .2 %，可提高 粉末压缩性，一种新的合金粉 ( mn : 0 .4 5 %, mo : 0 .9 0 %, n i : 1 . 1 0 %, c r : 0 .4 5 %)具有良好的淬透性和压缩性，试样烧结硬化的材料力学性能也很优 良。 3 .2工艺参数对烧结硬化材料力学性能的影响d 3 - 1 5 1 烧结硬化材料的力学性能受工艺参数的强烈影响，生成马氏体数量及材 料的力学性能是合金淬透性、混合粉配方和制品冷却速率的函数。烧结温度 是另一个影响材料力学性能的变量。 3 .2 . 1石墨和铜的添加量对烧结硬化材料力学性能的影响 采用 a t o m e t 4 7 0 1合金钢粉，添加不同的石墨和铜，压制到 6 .8 g / c 耐 的密度，在 1 1 2 0 烧结 3 0分钟，烧结气氛为分解氨，8 7 0 到 6 5 0 的冷却 速度为0 . 7 0c / s , 2 0 5 回火 1 小时。图1 3为2 % 铜的混合粉硬度随碳含量变 化曲线，烧结态下硬度随碳含量增加而增加，回火处理减少硬度。图 1 4为 抗拉极限随碳含量变化的曲线;当化合碳含量增加，抗拉强度迅速下降，回 火能提高强度。 烧结体中城介甲x 石年含欲 f 图 1 3石墨含量对表观硬度的影响作用图 1 4石墨含童对抗拉极限的影响作用 图 1 5示出石墨固定为 0 .9 % ( 或烧结体中碳含量为 0 . 7 5 %) ，添加铜从 0 到2 %时，硬度变化曲线，铜提高了材料的淬透性，铜含量进超过 1 %时，回 火硬度减少变得明显。图 1 6为抗拉极限随铜加入量的变化曲线，烧结太抗 拉强度受铜的加入量影响不大，回火后，极限抗拉强度随铜含量的增加而线 性递加。 曰翻 咧该旧11. 尸产 一一一、 二 图 1 5铜含量对表观硬度的影响作用图 1 6铜含量对抗拉极限的影响作用 3 .2 .2烧结温度对材料力学性能的影响11 5 1 采用 a t o me 丁 4 7 0 1 烧结硬化合金钢粉，加入2 %钊 司 和两种石墨 ( 保证化 合 碳含量分别为0 .6 5和0 . 8 0 %) , 11 制成6 . 8 g / c m 的 试样，在氮裱 气氛f 烧 结，表3为样品在 1 1 2 0 c, 1 2 0 5 *c和 1 2 9 0 c 温度 f 烧结，然后于2 0 5 c 1 1 1 1 火 i小时的力学性能，可以看到表观硬度随烧结温度和碳含量的增加而增加， 与含 0 . 8 %碳相比，烧结温度对 0 .6 5 %碳的影响更明显。含 0 .6 5 % 碳的样品比 含 0 . 8 0 %碳的样品受烧结温度的影响要小。冲击韧性随烧结温度的升高而增 大，对0 . 8 0 %碳含量的影响更显著。 表3随化合碳和烧结温度变化的回火样品的性能 一尺 寸 变 化 什4 r e烧结温度精4 tr 4度屈服强度表观硬度冲击吸收功 % mp a mp a hr c 相对于阴模) % 113侧30一27 刀27 0 . 6 5 0 . 8 0 1 1 2 0 1 2 0 5 1 2 9 0 1 1 2 0 1 2 0 5 1 2 9 0 6 6 6 6 4 0 7 2 3 6 9 3 3 0 2 7 31 3 2 649791813一582 802877-702 :; + 0 . 2 7 0 . 1 5 +0 . 0 9 +0 . 1 8 + 0 . 0 5 _ 0 刀1 3 .2 .3冷却速率对表观硬度的影响11 4 1 冷却速率强烈影响烧结后的表观硬度，冷却速率受烧结炉的冷却能力和 制品的尺寸大小的影响。 尺寸较大的制品， 冷却速率小。 图1 7 为质量为4 5 0 . 8 9 5 和1 3 4 5 克的圆片试样测出的表观硬度。这些圆片试样是采用表1 中的合 金 1 , 3 .矿和 5 制成，试样 ( 5 f )从 5 合金中得到的圆片样品，但其冷却 速 度要 快， 可以 看到除 5 f试 样外， 其 它几 种试 样的 烧结 硬 化大 致相同 ， 而 5 f经过快速冷却处理，因而具有的表观硬度最高，所有样品的表观硬度随 样品的重量增加而减小。 . . 叫 卜 . 种1 扛 一3 君 一4 = 一5 二 一6 f 门妇划门划改门门n乙卜匕d上9户八曰 d二.q价八n八今门仆门峥门q一qq自曰比一 生二到到奢书 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 图1 7圆片试样人小对表观硬度的影响效果 4低合金钢粉的性能和用途与本文研究的目的 用纯铁粉与元素合金粉末混合制造烧结铁基结构零件时，加入的合金元 素烧结时扩散不充分，形成组织不均匀，结果零件的机械性能和热处理性能 都不够好。采用水雾化熔融合金钢可以得到完全预合金化的低合金钢粉，合 金元素一般为镍、 铝、 锰，每个独立的钢粉颗粒都具有均匀含量的合金元素， 与元素混合粉和部分预合金钢粉相比较，不须采用长时间和高温烧结就能获 得均匀的烧结组织，但由于合余元素在铁中的固溶强化作用，预合金钢粉颗 粒硬度增高，使得粉末的压缩性和成形性变坏。 表4 为h o e g a n a e s 公司生产的两种牌号水雾化低合金钢粉的主要粉末性 能 1; 8 1 , a s t a l o y a的化学成份为:1 . 9 0 0/ o n i . 0 .5 0 % m o , 0 . 2 5 % m n 。 这种粉末 的主要用途是用于粉末热锻工艺，但也用于一般压制烧结部件，该粉末具有 较高的 淬透性。 a s t a l o y m o含 1 . 5 % m o ，开发生产这种粉末是为了同时获得 最佳的表面硬化和芯部强度性能。 表4 a s t a l o y a和a s t a l o y m o 合金钢粉的主要性能 k :.缩性 颖粒尺寸 牌 、 松装密度 g / c m ,r6e4 t1s/50go % ) 长 月 、 强度 n/ mm2 0 . 8 %6 1 脂酸锌 g / c m 0 . 8 %6 !l 脂阳锌 c% 6 0 0 m p a6 0 0 m p a 2 0 -1 8 0 ，一-一-曰一. 一一 a 八 t a l o, 2 ( ) 一1 8 0 m( 、 t 须合金低合金钢粉常用于中等到高密度粉木冶金结构零件，但由于压缩 性较低，当 要求最终密度为7 .0 g / c 耐或更.氰 时， 一般采用复压复 烧_ 1 一 艺 制造。 h o e g a n a e s 公司采 用压 缩性较好 的低 合金 钢粉a n c o r s t e e l 8 5 h p( 含0 .8 g / c m 的5 % m o ) 添加。 .6 % 石墨用于 温压成形工艺， 6 9 0 m p a 压力下， 可获得7 . 3 4 妙时 爪 坯密度，1 2 6 0 的烧结密度为 7 .3 4 g / c m ，热处理后可获得良 好的芯部强 度和表面硬度，特别适合于齿轮件和液压件13 2 1 4 低合金钢粉添加元素粉末烧结状态的共析产物和纯铁一碳系统的细珠光 体不同，碳化物片较粗和先共析铁素体的分布不够清晰，难以用金相来估计 化合碳含量。烧结低合金钢中可能含游离铁高达 5 %，添加有铜 的合金在烧 结态组织中可能出现马氏体。合余元素含量较高的低合金钢粉 ( 特别是锰、 铬)添加一定量的铜粉和石墨粉，烧结后在较快的冷却速度条件下，其微观 组织部分或全部转为马氏体，即为所谓的烧结硬化钢。烧结低合金钢热处理 后具的均匀的回火马氏体组织，添加元素粉末时，将形成元素混合粉制造的 烧结钢相似的多相显微组织，并可提高强度13 9 1 本文研究所采用的低合金钢粉为鞍钢引进德国曼内斯曼公司技术生产的 一 种水雾化合金钢粉，牌号为 f j s y 2 0 0 . 3 0 ，其主要性能指标见表 5 ，由表中 可见，与具的近似合金含量的a s t a l o y a粉相比 较，其氧含量 ( 由 氢损值推 出) ，碳含量均高于后者，所以压缩性也低。该种粉末的主要用途是粉末热 锻。 表5 f j s y 2 0 0 .3 0 的 土要 物化 性能 化学成分 ( 小人于 %) s i mn 0 . 0 5 0 . 1 5。 p0.0 15， s0 .0 15. n i7-2 .0m o(1.5- 0 6 ai c i l l ( ) 20 - 2 松l 匕 g / c m 3 . 0 ， 卜 缩f q 5 9 0 m p a 6 .8 5 g / c m 采用国产低合金钢粉 f j s y 2 0 0 . 3 0进行温压成形和烧结硬化工艺的研究 有若 一 定的现实意义。日前，国内的粉末冶金零件生产主要以中等密度的零 件为 l ，这除了受压制、烧结等条件的限制外，一个重要的原因是受国产原 料铁粉的现状所决定。长期以来，国产铁粉生产以还原的海绵铁粉为毛，水 雾化的铁粉和合金粉所占比例很少，而且质量还的待进一步提高。进入 9 0 年代，随着国内汽车工业、家电行业的高速发展，对相关配套的粉末铁基零 件的性能要求越来越高，市场对高密度、高强度、高硬度的铁基零件的需求 最也日益增加，国内的粉末冶金企业大多为中小规模，出于对提高产品质量 和档次，提高竞争力的需要，对于一些先进的技术和工艺极为渴望.但由于 技术和资金方面的原因，往往可望而不可及。 8 0 年代中期，国内一些粉末冶金企业追踪当时先进的粉末热锻技术，进 行高强度的汽车铁基结构零件开发，f j s y 2 0 0 . 3 0 预合金粉就是为了满足当时 这种需要随后生产的，但受市场原因，最主要是企业自身技术水平限制，大 多没有形成批量生产。由于该粉末颗粒硬度较高， 压缩性和成形性都比较差， 采用常规压制烧结很难获得高密度， 其应用范围受到限制。 采用f j s y 2 0 0 . 3 0 合金钢粉进行温压成形和烧结硬化工艺的研究，可以为使用该粉末制造高密 度、高硬度材料找一个成本低而有效的方法，这不仅对实际生产有利，而且 对于温压成形和烧结硬化这两种工艺在原材料的应用范围也是一种扩大。 第二章 低合金钢温压混合粉的制备和温压致密化 机理的研究 1概述 目前，温压成形工艺所采用的原料铁粉为水雾化纯铁粉和扩散粘结的 部分预合金粉，这类粉末具有良好的压缩性。温压成形所能获得的高密度除 了与所选用的原料铁粉有关外，很大程度上还归功于混合粉的配方和特殊的 粘结剂、润滑剂以及混合工艺。本章采用了一种具有粘结性和润滑性的低聚 物p v p 作粘结剂，通过特殊的混粉方式制备了f j s y 2 0 0 .3 0 低合金钢混合粉， 与 常规混粉工艺比较，无论是室温压制还是温压均表现出优越性，特别是温 压压制采用硬脂酸锌作润滑剂， 6 0 0 m p a压力下， 温压比 室温压制提高压坯 密度0 . 1 0 眺m . 本章通过润滑剂的温度效应分析初步研究了低合金钢温压混合粉温压 致密化的机理。一般认为温压成形工艺能获得较高压坯密度是由于温压温度 下铁粉颗粒的屈服强度和加工硬化速度降低，有利于粉末塑性变形过程的充 分进行，这一点对于纯铁粉和扩散粘结的部分预合金粉可以理解，因为粉末 在受压时变形会导致加工硬化，粉末愈软，加工硬化现象愈严重14 0 1 。对于预 合金钢粉，由于合金元素的固溶强化作用，粉末颗粒硬度较高，加工硬化速 度远低于纯铁粉，而且加热到 1 4 0 左右不可能使其屈服强度和加工硬化速 度有明显降低。 实际上，温压成形工艺是对室温压制工艺的一种改进，温压压制理论 应当符合室温压制理论。室温压制理论认为压制压力作用粉末体_ 卜 之后分为 两部分，一部分是用来使粉末产生位移、变形和克服粉末的内摩擦力，称之 为真实压力，另一部分克服粉末颗粒与模壁之间的外摩擦力，称之为压力损 失，通过加入适量的润滑剂 和采用有效的润滑方式可大大降低模壁摩擦力， 而提高真实压力，增加压坯密度j4 1 1 。在固体和金属的摩擦运动中，一些固体 润滑膜在其熔点之前，随温度的增加，润滑作用增加，摩擦系数减低，并且 在熔点附近温度时，达到最低值14 2 1根据这一理论，本章选取了不同类型的 润滑剂添加到混合粉中，采用粘结化处理混粉工艺制备温压混合粉，进行温 压实验，结果发现具有明显温度效应的润滑剂制备的混合粉都呈现了一定的 温压有效性，而随温度变化润滑性能基本不变的润滑剂制备的棍合粉，温压 压制的压坯密度比室温压制反而有所降低。 2研究的背景基础 2 . 1粘结化处理混粉工艺的发展和实验采用的混粉工艺流程 粘结化处理温粉工艺产生于 8 0年代，早期研究粘结化处理混粉技术是 为了解决细粉的粉尘飞扬问题，随着研究的深入，发现粘结化处理混粉工艺 对于提高零件的尺寸精度有积极的 作用，1 9 8 6 年h o e g a n a e s 公司开发了一种 名 为s t a r m i x的生产待压混合 粉的 技术 14 1 1 , s t a r m i x是s t a b l e r e c i p e m i x 的缩写，意思是不变的，经处理的混合粉，该技术采用特殊的专利工艺把混 合粉中各种添加物粘结到铁颗粒上， 使其固定在原处， 它的优点在于无偏析， 少或无碳损失，减少了最终粉末冶金零件尺寸变化的程度，减少了化学组分 的 变 化， 该技术不影响 松装密 度， 不影响 压 缩性和压坯强 度。 1 9 8 8 年h o e g a n a e s 公司又推出了a n c o r b o n d粘结化处理混粉工艺14 4 1 ，使得混合粉的流动性、填 充性增强，压缩性和压坯强度也得到提高。对于压缩性提高的理论依据，文 献中未作分析，但根据固体润滑剂基本性能最重要的两点即与摩擦表面易附 着性和易剪切性可以知道，加入粘结剂可以将润滑剂更加牢固地附着在铁粉 颗粒表面，而润滑剂本身的易剪切性并不受影响，这有助于提高润滑剂的润 滑性能 14 3 1 。 进入 9 0年代后，在粘结剂的 研究方 面又取得了进一步发展，新 研制的低聚物粘结剂与固体润滑剂有着近似的结构特性，使得其既具有粘结 性又具有润滑性，即所谓粘结剂润滑剂概念，p v p及其改性物就具有这 种 特性l4 0 1 9 9 4年 h o e g a n a e :公司在 a n c o r b o n d混粉工艺的基础1创造了 a n c o r d e n s e 温压成形工艺。 为了制备温压混合粉，本章采用了一种两步混合的粘结化处理混粉工 艺见图 1 ，粘结剂 p v p用无水酒精溶解制成 p v p溶液，先加入到原料粉末 中进行搅拌混合，混合均匀后缓慢干燥，当处于半干燥状态时再加入润滑剂， 用 v型搅拌机进行混合，最后进行完全干燥处理。采用这种混粉工艺可以防 止溶剂挥发产生猛烈沸腾而使润滑膜破裂，保证润滑剂与铁粉颗粒有较强的 粘附力，获得较好的摩擦性能。 p vp溶液硬脂酸锌 搅拌混合半+埃李 星合+燥混合粉 图 1 粘结化处理棍粉 1 _ 艺流程图 2 .2润滑剂温度效应对摩擦性能的影响4 2 1 5 0年代，英国剑桥大学的 f . p鲍登教授与 d . 泰伯教授在进行摩擦与 润滑领域的研究工作中发现，在一定温度范围一些润滑剂的润滑性能随温度 升高而得到提高。钢在锢膜 ( 润滑剂)上滑动时摩擦性能与温度的关系见图 2 ( a )和 ( b ) ,随着温度的升高，摩擦稳定的下降，并在锢 的熔点处达到 一个最低值。当完全熔融时，摩擦力突然上升 ( 见图2 ( a ) ) 。 若让膜再凝固， 则摩擦重新降到一个低的值 ( 见图2 ( b ) ) 0 a 2 钢在锢膜上滑动时摩擦与温度的函数关系 ( a ) 加热时摩擦缓慢 卜 降，但在锢的熔点1 5 5 时迅速升高。 ( b ) 在冷却 卜 当锢 膜固休时，摩擦明显地降低。 用涂在工具钢上的 3 x3 0 - i. 厘米的铅膜也得到了类似的结果，在 2 0到 2 7 0 的温度范围内，摩擦降低了一半，并且和温度几乎成线性关系。图 3 为铅膜和长链的烃类、醇类、脂肪酸类及余属皂膜涂覆在金属表面时，温度 对润滑表面摩擦的影响。这些固体润