热处理对粉末冶金温压铁基合金的作用2011-5-14.doc

热处理对粉末冶金温压铁基合金的作用黄钧声* 作者简介：黄钧声（1964），男，湖南省长沙市人，工学博士，副教授，硕士生导师，一直从事高性能金属材料的研究，E-mail：GL，电话：02039322570，李崔昕（广东工业大学材料与能源学院，广东 广州 510006）摘 要：采用粉末冶金温压工艺制备了Fe-3.5Ni-1.95Cu-0.54Mo-0.2C合金，并进行了渗碳淬火和回火的热处理，研究了热处理对合金的力学性能和微观组织的作用，结果表明：经过热处理后，该合金的抗拉强度可由650MPa提高到1024MPa，硬度可由93.5HRB提高到44.5HRC。经热处理后生成了大量板条马氏体。烧结体合金的断裂属于韧性断裂和解理断裂共存的混合型断裂，热处理态合金的断裂为脆性准解理断裂。关键词：热处理；粉末冶金；温压；力学性能；微观组织Effects of Heat-treatment on Powder MetallurgyIron-based Alloy Made by Warm CompactionHUANG Junsheng, LI Cuixin（Materials and energy Faculty in Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006, P. R. China）Abstract: Fe-3.5Ni-1.95Cu-0.54Mo-0.2C alloy was prepared by powder metallurgy(P/M) warm compaction, then was heat-treated with quenching and tempering. The effects of the heat-treatment on the P/M iron-based alloy made by warm compaction were investigated. The results shows: after heat-treatment, the ultimate tensile strength was increased from 650MPa to 1024MPa, the hardness was increased from 93.5 HRB to 44.5 HRC, and a lot of martensitic plates were created. The cracks of the sintered alloy were mixture fracture mode of toughness and cleavage. The cracks of heat-treated alloy were quasi-cleavage brittle fracture.Key words: heat-treatment; powder metallurgy; warm compaction; mechanical property; microstructure各国经过多年的研究，开发出多种不同的粉末冶金生产工艺，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、快速压制等。由于这些工艺存在着不同程度的成本和零件尺寸精度保证困难等问题，使本富于竞争力的粉末冶金零件的潜力难以得到充分发挥。近十几年来国外又开发成功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，现已被认为是20世纪90年代以来粉末冶金零件生产技术方面最为重要的一项技术进步1。现在关于铁镍铜系材料温压的相关研究已取得了较快的进展，如采用温压模壁润滑工艺以铁基粉末(94Fe+2Cu+2Ni+1Mo+1C）为基粉并混合以质量分数0.3的聚合物，在压制温度130和压制压力700MPa下得到密度最高达7.34 g/cm3 压坯部件，在烧结炉中以1150烧结得到密度高达7.32 g/cm3的零部件，硬度295HB,经拉伸试验测得抗拉强度高达853MPa2。采用低温温压工艺以铁基粉末（Fe4Ni+0.5Mo +1Cu+0.5C）为基粉并混以新型石蜡润滑剂在粉末加热温度95、模具温度125、压制压力615MPa下得到7.34 g/cm3的压坯，烧结后获得7.33 g/cm3的部件3。还获得了密度7.30 g/cm3以上、抗拉强度700MPa以上的高性能烧结部件4-5。热处理是显著提高铁基粉末冶金零件材料力学性能的工艺手段之一。热处理能提高粉末冶金烧结钢的强度、硬度和耐磨性，特别是对于烧结合金钢，只有经过热处理，才能充分发挥合金化的作用。粉末冶金烧结钢零件与铸锻钢零件的最大区别之一是前者存在有孔隙，并可能存在组织不均匀性和密度不均匀性，这些特点会明显影响热处理后零件的材料力学性能6。为了进一步提高温压件烧结体的强度和硬度，人们开始对粉末冶金温压烧结体进行热处理加工2,获得了抗拉强度1086MPa、伸长率3.7。但是研究还很不系统和很不深入。本文对此进行了探索。1试样制备与试验方法1.1试样制备试验原料是美国海格纳士有限公司生产的混有高效温压专用润滑剂的温压专用粉末，化学成分为Fe-3.5Ni-1.95Cu-0.5Mo-0.2C，松装密度为3.11g/cc,流动速率为24.5s/50g。温压粉末在扬州伟达机械有限公司生产的PH-80T温压粉末成型机里进行压制，压制压力为800MPa，温压温度为100。压制得到了生坯试样，试样尺寸为GB7963-1987规定的扁平板状拉伸试样。然后在分解氨气氛中，在烧结温度为1120的网带式连续烧结炉中烧结30分钟后自然冷却得到烧结合金试样。选择部分试样再进行8502h渗碳淬火（碳势0.7）和1801.5h回火。1.2试验方法用排水法测烧结试样密度；在布洛维光学硬度计上测试洛氏硬度值HRC及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；将试样磨平抛光后再用4硝酸酒精溶液浸蚀，用光学显微镜观察了微观组织；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试验结果与讨论2.1 密度粉末冶金材料密度对其性能有很大影响。通过排水法测得热处理前后两组试样的平均密度等结果见表1。由表1可见，铁基粉末经温压和烧结后获得了较高的密度。表1 烧结试样热处理前后的密度、硬度、屈服强度、抗拉强度和断后伸长率试样编号 密度（g/cm3） 硬 度抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）断后伸长率（%）1.烧结体7.4293.5HRB6504404.02.热处理后7.4244.5HRC10248900.82.2 硬度和拉伸力学性能热处理前后的硬度和拉伸力学性能也列于表1中。烧结体和热处理后的试样的拉伸力学性能均使用图1所列之哑铃形板状试样测试。值得一提的是，按照美国MPIF标准107, 热处理硬化的拉伸力学性能试样应为图2所示之形状和尺寸，先制备方形横截面成形体试样，烧结和热处理后再机械加工成圆形横截面试样。我们的试样在热处理后没有观察到明显的变形，考虑到避免加工繁琐和便于比较热处理前后的性能，热处理试样仍然采用了图1的标准。由表1可以看出，经热处理后试样的硬度和抗拉强度、屈服强度均有十分明显的提高，其中抗拉强度由650MPa提高到了1024MPa，硬度由93.5HRB提高到44.5HRC，但断后延伸率却下降了。图1 烧结体拉伸试样的形状和尺寸图2 热处理拉伸试样的形状和尺寸 (USA MPIF)72.3 微观组织采用光学显微镜（OM）分析了试样在热处理前后的金相组织（图3）。烧结体合金中存在着大块的奥氏体和少量珠光体，经淬火和回火热处理后，除了少量残余奥氏体以外，生成了大量坚硬的、脆性的板条状马氏体，这是热处理能明显提高合金的抗拉强度、屈服强度和硬度、并导致延伸率降低的最根本的原因。采用扫描电镜观察了合金在热处理前后的拉伸断口形貌（示于图4）。烧结体合金拉伸断口由许多韧窝和包含河流状花样的解理断面组成，属于韧性断裂和解理断裂共存的混合型断裂（图4（a）。合金经淬火和回火热处理后，由于碳化物坚硬质点的作用，当裂纹在晶内扩展时，难以严格地沿一定晶面扩展，其微观形态特征为准解理断口8（图4（b），属于脆性断裂。表1中的断后延伸率数据也显示了热处理态合金的低塑性。解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。 图3 试样在热处理前后的金相组织（OM）（a）烧结体 （b）热处理后 图4 拉伸试样断口形貌（SEM）（a）烧结体 （b）热处理后结论经过8502h渗碳淬火（碳势0.7）和1801.5h回火热处理后，温压铁基合金的抗拉强度可由650MPa提高到1024MPa，硬度可由93.5HRB提高到44.5HRC。经热处理后生成了大量板条马氏体。烧结体合金的断裂属于韧性断裂和解理断裂共存的混合型断裂，热处理态合金的断裂为脆性准解理断裂。致谢 广东省东莞浦和冶金有限公司对本研究进行了经费资助和实验帮助，广州有色金属研究院况敏高级工程师协助进行了金相分析，本文作者在此表示衷心的感谢。参考文献1李元元. 金属粉末温压成形原理与技术M,广州：华南理工大学出版社，2008：42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）：31-33.3曹顺华，林信平，李炯义等.铁基合金粉末低温温压工艺研究J.机械工程材料，2005，29（7）：38-40 .4Abolfazl Babakhani,Ali Haerian,Mohammad Ghambari.On the combined effect of lubricantion and compaction temperature on properties of iron-based P/MpartsJ.Materials Science and Engineering，2006 ,A437:360-365.5H.Shokrollahi,K.Janghorban.Effect of warm compaction on the magnetic and electrical properties of Fe-base soft magnetic compositeJ.Journal of Magnetism and Magnetic Materials 313，2007:182-186.6韩凤麟