不同预合粉对镍钼铜铸铁组织和力学性能的影响

不同预合粉对镍钼铜铸铁组织和力学性能的影响

中国铁粉产品的产量虽然很大，但中、高强度产品的发展相对缓慢。要提高铁基烧结材料的强度,就要充分发挥合金元素的强化作用;对于低合金钢,合金元素均匀分布且充分固溶对提高性能有很大的作用。孔隙性质和基体的显微组织共同决定了烧结铁基材料的最终力学性能,而显微组织与合金元素的均匀化程度、烧结工艺和热处理工艺有关。不同的预合金化方法对孔隙形貌、显微组织和力学性能的影响是不同的。若合金元素以元素粉末形式加入,则容易出现偏析,材料性能会由于显微组织不均匀而得不到充分提高。将铁粉与合金元素粉末经过扩散处理后,烧结过程中合金元素能进一步扩散,从而提高组织的均匀化程度和制品性能。完全预合金粉烧结钢可以使合金元素均匀分布,组织一致性好,但是粉末的压缩性差。R.S.Hwang等采用注射成形工艺也制备出显微组织很均匀的低合金钢,这是由于粉末细小(1~10μm),活性高,扩散快,使得合金元素分布更均匀,其抗拉强度和延伸率较传统方法制备的材料有大幅度提高。本文通过使用不同的原料粉末重点研究显微组织的变化及其对力学性能的影响。1粉末制备和烧结实验设计了3种原料粉末。(a)是混合粉,采用水雾化铁粉(粒度<120μm)、电解铜粉和元素镍粉(粒度<75μm),以及钼粉(粒度<10μm)配制成化学组成为Fe-xNi-0.5Mo-1.5Cu-0.4C(x=2,4,数据均为质量分数,%,以下同)的2种粉末原料,添加0.5%硬脂酸锌后直接混合制得;(b)是部分(扩散)预合金粉,采用上述的水雾化铁粉、电解铜粉、元素镍粉和钼粉配制成Fe-2Ni-0.5Mo-1.5Cu的粉末,在氢气保护气氛下,于800℃预扩散处理2h,然后添加0.4%C和0.5%硬脂酸锌经球磨混和;(c)是完全预合金粉,采用Fe-2Ni-0.5Mo水雾化合金粉为基粉,并添加1.5%Cu粉(粒度<75μm)、0.4%C、0.5%硬脂酸锌,然后均匀混合制得非严格意义上的完全合金粉。3种粉末均在500MPa的压力下压制成形,将压坯在真空气氛(真空度<0.1Pa)中进行烧结,在1150℃温度下保温1h,再在870℃淬火,密度达6.9g/cm3左右。其中含4%Ni的混合粉在1250℃烧结1h,密度为7.35g/cm3。在AEL-200电子分析天平上用排水法测量烧结态样品的密度。用D/MAX-RA型X射线衍射仪分析合金元素的固溶情况。材料的力学性能测试在万能力学试验机上进行。用德国F1-M3光学显微镜分析金相显微组织,并在日本JSM-5600LV扫描电镜上观察断口形貌。2结果与讨论2.1混合粉对烧结钢孔隙形貌的影响3种粉末的XRD谱如图1所示。混合粉中Cu、Ni、Mo的衍射峰较强。经过部分预合金化后,Cu、Ni、Mo衍射峰变弱,部分预合金元素扩散到铁颗粒中。完全预合金化粉末中Ni、Mo完全进入铁颗粒中,Ni、Mo的衍射峰消失。图2所示为烧结钢未腐蚀样品的孔隙形貌。原料粉末中合金元素的存在状态一定程度上影响了烧结钢的孔隙形貌。混合粉烧结钢中残留的孔隙大小不均匀,可能是Ni、Mo等元素与Fe原子间的不对称扩散遗留下的,当Cu存在偏析的时候也会残留较大的孔隙。完全合金粉烧结钢中的孔隙较小,而且分布相对均匀。2.2金相组织2.2.1u-0.5mo-1.4c混合粉烧结钢的显微组织图3所示为Fe-2Ni-0.5Mo-1.5Cu-0.4C混合粉烧结钢的显微组织。图中:P代表珠光体,如腐蚀较深的区域;V代表孔洞,在深黑色的区域;N代表富Ni区,为白色的区域;M代表马氏体,是腐蚀较浅的区域;A代表奥氏体。显微组织主要由珠光体和铁素体构成,有少量马氏体。富Ni区边界明显,说明Ni在烧结过程中的扩散均匀化能力很有限。淬火组织也很不均匀,有马氏体,铁素体和少量残余奥氏体。富Ni区的界限不像烧结态那样清晰,说明Ni在热处理的过程中仍有一定程度的扩散。上述复杂组织的形成是由于各个区域的微观化学成分存在差异,不同成分的区域将按不同的机制发生转变。在混合粉烧结钢中,合金元素粉末随机分布在铁颗粒之间,烧结过程中合金元素向铁颗粒内部扩散。其中C的扩散速度最快,Ni、Mo、Cu扩散速度的快慢为:Mo>Ni>Cu,但是均匀化程度最差的是Ni,而不是Cu。原因是烧结温度在Cu的熔点之上,Cu产生瞬时液相后沿铁颗粒铺展,能迅速扩散到铁颗粒中,促进了它的均匀化,故Ni成为均匀化最困难的元素,显微组织中往往存在富Ni区。C虽然在20min左右就固溶到铁颗粒中,但是它的均匀化需要一定时间。由于合金元素降低了C在奥氏体中的扩散速度,造成C在合金元素含量高的区域不容易扩散,故富C区为合金元素含量低的区域。在富C区,当C含量达到共析成分时,发生共析转变得到珠光体。合金元素含量高、C含量很低(低于共析成分)的区域转变成铁素体+珠光体。在Ni的富集程度高的区域,由于Ni是奥氏体稳定化元素,在较小的冷却速度下就能得到M或M+残A。图4所示为Fe-4Ni-0.5Mo-1.5Cu-0.4C混合粉烧结钢在1250℃烧结后的显微组织.图4表明混合粉烧结后的组织由铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体构成。珠光体数量减少,贝氏体很明显。B代表贝氏体,是晶粒边界灰色的粒状或针状组织。F代表铁素体。淬火后得到较均匀的马氏体和少量的贝氏体,与图3(b)中的隐针马氏体相比,图4(b)中的马氏体较粗大。可见即使是高温烧结也很难使合金元素扩散均匀,仍出现复杂的显微组织。图4(a)与图3(a)相比,一个显著区别是贝氏体的出现,且富Ni区明显增多而边界变得模糊,这是由于高的烧结温度使合金元素进一步扩散。贝氏体形成于过冷奥氏体中贫C、合金元素含量接近或稍高于平均成分的区域。冷却时先以共格切变的方式形成铁素体,由于这种铁素体是过饱和的,其中的C会从铁素体中脱溶并向奥氏体中扩散,当C浓度达到一定值时出现碳化物,这就是贝氏体组织。C的均匀化受到合金元素的影响,当合金元素分布均匀后,C也趋向于均匀分布,故珠光体的数量随着富C区的扩散而变少。同时高温促进了Ni的扩散,Ni能抑制珠光体转变,而发生贝氏体转变,所以贝氏体组织增多。提高Ni含量使Ni对奥氏体的稳定化作用加强,更易于在冷却过程中获得较均匀的马氏体组织,但是高的烧结温度使奥氏体晶粒长大,所得马氏体较粗大。2.2.2c、ni、cu、ca图5所示为部分预合金粉烧结钢的显微组织。图中显示粉末扩散处理后烧结态的显微组织仍然很不均匀,出现了珠光体、贝氏体、马氏体和铁素体的混合组织。与图3(a)相比,Ni元素的均匀程度有明显的改善,没有边界分明的富Ni区存在,且珠光体减少,贝氏体增多。对部分预合金粉,部分合金元素进入Fe晶格中,使Fe的晶格发生畸变,能量升高,更有利于扩散的进行,同时Cu的液相能有效地携带Ni一起扩散,促进Mo、Ni、Cu的均匀化。扩散处理和在高温下烧结的相似的效果就是提高了C及Ni的均匀性,富C区和富Ni区向四周有更大程度的扩散。同样由于Ni强烈推迟珠光体转变的作用,部分预合金粉烧结钢则由于Ni更大程度的扩散而阻碍珠光体转变,使样品中出现了贝氏体。随着成分的均匀化,珠光体减少,贝氏体增多,而图3(a)中由于有明显的富C区和富Ni区,出现了大量的珠光体,而未出现贝氏体。同时,Ni的均匀化使得图5(b)的淬火组织中马氏体增多。2.2.3金器中的碳化物图6所示为完全预合金粉烧结钢的显微组织,从图中可以看出,在铁素体基体上分布有很多细小的且不规则的碳化物颗粒,局部区域有少量的珠光体。淬火后得到较均匀的马氏体和少量的残余奥氏体。完全预合金化后Mo、Ni、Cu、C都均匀分布,由于C的均匀化需要一定时间,所以C没有完全扩散均匀,在富C区形成了少量的珠光体。在冷却的过程中以共格切变的形式形成铁素体,当C从这种过饱和的固溶体中析出时就得到碳化物分布在铁素体基体中的显微组织,这种显微组织可以看成是由贝氏体退化而成的。淬火组织比图3(b)、图5(b)简单,得到比较均匀的隐针马氏体和少量的残余奥氏体。2.3试验烧结的材料微观成分均匀性不同导致显微组织的改变,从而对力学性能产生较大的影响。混合粉烧结钢的力学性能最差,经过预合金化和在较高的温度烧结都提高了材料的力学性能(见表1)。混合粉烧结钢中Ni偏聚于Fe颗粒表面,当Ni的扩散程度小、均匀化程度差时,其合金化作用得不到发挥,故材料的力学性能较差。在1250℃烧结的混合粉烧结钢的抗弯强度最高,这是由于提高Ni含量使固溶强化作用增大,并且由于高温烧结提高了密度,能充分发挥合金元素的强化作用。而冲击韧性并不是最高的,原因是冲击韧性对显微组织敏感,高的烧结温度使晶粒长大,导致冲击韧性降低。部分预合金粉烧结钢中合金元素经过预扩散,烧结时扩散更充分,合金化作用更显著。在显微组织中,贝氏体组织增多也在一定程度上提高了烧结钢的力学性能。完全预合金粉烧结钢中合金元素完全固溶,力学性能得到充分提高。当Cu含量超过0.5%时,Cu在慢冷过程中能从固溶体中析出富Cu颗粒,起到沉淀硬化的效果。Mo与C生成碳化物,从固溶体中析出时具有硬化作用。因此完全合金粉烧结钢有较高的综合力学性能。2.4混合金粉烧结钢的断裂特征图7所示为抗弯断口形貌。图中T代表脆性断裂,D代表延性断裂。从图7(a)可看出混合粉烧结钢的断裂形式为韧性和脆性混合型断裂方式,只有局部区域有明显的韧窝。部分预合金粉烧结钢主要是延性断裂特征,局部区域呈脆性断裂。完全预合金粉烧结钢是典型的韧性断裂,有明显的韧窝,断裂过程中发生了较大程度的塑性变形。造成这种差异的原因是由于微观组织不均匀,在混合粉烧结钢和部分预合金粉烧结钢中孔隙不规则且存在大孔,容易在局部区域产生应力集中。在孔隙的尖角处达到断裂极限时则发生断裂,不能通过塑性变形来缓和这种应力,于是在局部的区域呈脆性断裂的特征。在完全预合金粉烧结钢中,显微组织均匀,在铁素体基体上分布碳化物颗粒,孔隙大小也较均匀,因此在整个断面上应力分布较均匀,能发生较大程度的塑性变形。3力学性能及断裂强度1)显微组织取决于合金元素的分布。对烧结态显微组织,混合粉烧结钢主要为珠光体和铁素体。1250℃烧结含4%Ni的混合粉合金钢中贝