碳含量对扩散预合金化铁-cu-c合金组织和性能的影响

碳含量对扩散预合金化铁-cu-c合金组织和性能的影响

低合金钢是粉金属件中使用最多、最广泛的材料。它的力学特性是最好的，能够满足工程结构零件的硬度、强度和耐碱性的要求。Cu可提高强度、表观硬度和耐磨性,但其在烧结过程中会向Fe粉颗粒内扩散形成置换固溶体,从而使Fe粉颗粒体积胀大,而在Cu原来的位置留下孔隙,使得烧结后的试样发生膨胀。添加碳能提高合金的强度和表观硬度,并且抑制Fe与Cu的相互扩散,从而抑制合金的膨胀,抑制效果随含碳量的增加而增大。Fe-Cu-C低合金钢的常规生产方法是将Fe粉、Cu粉、石墨粉机械混合,经过压制、烧结、热处理成为制品。由于各组元密度和粒度的差异,混合粉末在运输和处理的过程中存在成分偏析。实际生产中,不同密度的压坯烧结前、后的尺寸变化差异较大,制品稳定性和一致性较差。扩散预合金粉末是指通过高温扩散使合金添加剂和基体元素Fe形成冶金结合的合金化粉末。通过扩散合金化可减小混合粉的扬尘与合金添加剂的偏聚倾向,从而使用一次压制-烧结工艺即可制备高强度、高韧性的粉末冶金零件。国内刘多俊曾自制了Fe-Cu预扩散粉末,经预扩散处理后的Fe粉、Cu粉均匀地扩散粘结在一起,除松装密度增高外,预扩散粉末的工艺性能变化很小。Michael等研究了不同粒度的Cu粉及其添加方式对Fe-Cu-C材料性能的影响,发现添加粘结处理的预混合粉的零件的尺寸分散性要比标准混合粉制备的零件小。为了提高Fe-Cu-C合金制品的综合性能和产品质量稳定性,有研粉末新材料(北京)有限公司研制了具有良好表面形貌和成分均匀性的Fe-2%Cu(质量分数,下同)扩散合金化粉(DC2粉)。本文以DC2粉为原料,研究了不同碳含量对Fe-Cu-C扩散合金化粉末烧结坯的显微组织、尺寸变化等性能的影响。1试样的制备与燃烧DC2粉的微观形貌如图1所示。其松装密度为3.04g/cm3,流速为24.5s/50g,氧含量为1000~1200ppm,粒度分布如表1所示。可以看出,DC2粉基本保留了原雾化Fe粉的形貌和基本性能,细小Cu粉颗粒通过扩散与Fe粉之间形成冶金结合,均匀分布在Fe粉表面,很好地避免了Cu粉的偏聚和分布不均匀性。以DC2粉、石墨粉(粒度<43μm)为原料制备成分为Fe-2Cu-xC的混合粉末。其中,碳含量分别为0.4%、0.6%、0.8%、1.0%,每种粉末添加0.8%的硬脂酸锌作为润滑剂。以雾化Fe粉(粒度<150μm)、电解Cu粉(粒度<43μm)和石墨粉在三维摇臂式混料机中混合1h制备同样成分的Fe-2Cu-xC作为对比粉末。各试样的化学成分如表2所示,将这8种粉末分别在400MPa、500MPa、600MPa、700MPa压力下压制成ϕ25mm的片状压坯,压坯在1120℃烧结30min,烧结气氛为N2和H2的混合气。采用排水法测定试样密度,用千分尺测量试样尺寸,并采用式(1)计算烧结尺寸变化率ΔdGS。ΔdGS=dS−dGdG×100%(1)ΔdGS=dS-dGdG×100%(1)式中:dS为烧结坯直径,dG为生坯直径。ΔdGS为正表示试样发生胀大,ΔdGS为负表示试样发生收缩。用HR-150型洛氏硬度计测定试样的硬度,测量点≥5个,取其平均值。试样经切割、磨抛后用2%硝酸酒精溶液浸蚀,用MeF3A型金相显微镜观察试样的显微组织。2结果与分析2.1烧结试样的组织图2比较了不同碳含量时扩散合金粉和机械混合粉烧结体的显微组织。试样在600MPa压力下成形,经烧结、切割、磨抛和浸蚀。图中白色区域为铁素体,条纹状组织为珠光体,网络状组织为渗碳体,黑色区域为孔隙。可以看到,碳含量为0.4%时,烧结试样的组织由铁素体和珠光体组成;随着碳含量的增加,试样中的珠光体逐渐增加,铁素体相对减少;碳含量达到0.8%时,游离的渗碳体和片层状珠光体交织出现;碳含量为1.0%时,铁素体很少,网状渗碳体大量出现。另外,扩散合金粉烧结后孔隙较少、比较致密,而机械混合粉的烧结试样孔隙多、较为疏松。2.2碳含量对烧结体密度的影响图3为600MPa成形压力时,碳含量对2种粉末试样密度的影响曲线。可以看出:1)在本试验的碳含量范围内,试样的生坯密度均高于烧结密度,这表明烧结后试样体积膨胀,致使密度降低。碳含量为1.0%时,机械混合粉试样的生坯密度和烧结密度差别很小,表明此时试样烧结后的体积膨胀很小。这些结果同后述的烧结体尺寸变化结果一致。2)随着碳含量的增加,扩散粉与混合粉试样的生坯密度和烧结密度都呈下降趋势。这是因为烧结过程中碳对金属原子间的扩散起阻碍作用,阻碍了烧结颈的形成,增大了材料的孔隙度。碳含量越高,烧结体的孔隙度越大(见图2),从而导致密度降低。3)随碳含量增加,机械混合粉试样的生坯密度和烧结密度的下降趋势快于扩散粉试样的生坯密度和烧结密度。碳含量为0.4%时,2种粉末的烧结密度基本相同,约6.90g/cm3;而碳含量为1.0%时,扩散粉试样的烧结密度仍为6.86g/cm3,机械混合粉试样的烧结密度已降低到6.80g/cm3。可见碳含量对扩散合金粉坯体的密度变化影响较小,原因是扩散合金粉中的Cu颗粒粘附于Fe粉表面,阻碍了碳的扩散;而同样的烧结条件下,机械混合粉中的碳能更快地扩散进入Fe粉中。图4为不同压制压力下试样烧结前后的密度变化曲线。可以看出,碳含量相同时,扩散合金粉末的压坯密度和烧结密度分别高于机械混合粉末的压坯密度和烧结密度,这与图2中的结果是一致的。由于扩散合金粉中的Cu与Fe之间形成了冶金结合,Fe粉表面粘附的细小Cu粉颗粒提高了Fe粉的压制性,模壁与粉末间的摩擦减小,易于获得更高的生坯密度;烧结时,附着在Fe粉表面的细小Cu粉能更快地扩散,与Fe形成固溶体,烧结密度随之提高。碳含量为0.4%、0.6%和0.8%时,在较高的压制压力(如700MPa)下,扩散合金粉和机械混合粉试样的生坯密度和烧结密度几乎相同,表明此时试样密度仅由粉末成分决定,对粉末形貌的依赖性较小。碳含量为1.0%时,由于试样的致密度不够高,扩散合金粉和机械混合粉的坯体密度仍存在差异。2.3烧结材料的硬度和密度表3为不同碳含量时2种粉末烧结试样的硬度。可以看出,随着碳含量的增加,2种样品的硬度都逐渐增加;且扩散合金粉的试样表面硬度比机械混合粉的试样高。由图2可知,碳含量为0.4%时,烧结试样的组织主要由铁素体和珠光体组成。铁素体是软质相,因此,材料的强度和硬度都不是很高,但具有良好的韧性,扩散粉烧结钢的硬度为66HRB,混合粉烧结钢的硬度为60HRB。当碳含量超过0.8%时,试样中出现了网状渗碳体,材料的硬度也随之增加;碳含量为1.0%时,游离的渗碳体增多并与珠光体形成交织组织,试样的硬度进一步提高,此时扩散粉烧结钢的硬度为92HRB,混合粉烧结钢的硬度为87HRB。在1120℃烧结时,Cu熔化为液体。由于毛细作用,液态Cu被吸入孔隙中,活化了烧结过程,导致颗粒边界的迅速消失和烧结颈的显著增长。扩散合金化粉末中的Cu由于粒度细小迅速溶解在Fe中,而机械混合粉中的Cu粉颗粒较大,因此扩散合金化粉末相对于单质混合粉末达到相同的合金化程度要迁移的原子数量减少,所需时间缩短。从图2的对比可以看出,扩散合金化粉末烧结后的孔隙比机械混合粉少。图3也表明,扩散粉烧结后的试样密度高于机械混合粉的烧结密度。因此在相同的烧结温度下,扩散合金粉末试样的硬度更高。2.4不同碳含量的烧结效果对烧结前、后的试样进行尺寸测量并计算其尺寸变化率,如图5、图6所示。图5为600MPa成形压力下,烧结Fe-Cu-C合金的尺寸变化率与碳含量的关系。可以看到,随着合金中碳含量的增加,2种材料的尺寸变化率都是减小的,且机械混合粉试样降低的幅度更大。碳含量为0.4%时,扩散粉试样和混合粉试样的尺寸变化率分别为0.18%和0.38%;碳含量为0.8%时,扩散粉试样的尺寸变化率与混合粉的试样基本相同,为0.15%左右;碳含量为1.0%时,扩散粉试样和混合粉试样的尺寸变化率分别为0.13%和0.05%。随着碳的加入,Cu固溶于Fe晶格点阵的量减少,引起晶格间距增大的因素随之减少,因而材料在宏观上的尺寸变化率减小。此外,虽然碳溶入奥氏体中使晶格常数增大,但由于奥氏体中含碳量增加,Fe的自扩散系数增加,Fe粉颗粒快速烧结则会使体积收缩,部分抵消了Cu的胀大作用。对比2种粉末材料,碳减小烧结胀大的效应对扩散合金化粉末效果不明显,这是因为Fe粉颗粒表面粘附的Cu颗粒与基体合金化区域产生了Fe晶格畸变,导致该区域的体系能量升高,未合金化区域中的碳倾向于扩散到合金化区域,未合金化区域中的间隙原子向合金化区域产生定向迁移,使得碳的收缩效应降低。图6为各试样的烧结尺寸变化与烧结密度的关系曲线。由图可见,在同一碳含量下,扩散粉试样烧结后的尺寸变化率的变动范围很小,不超过0.05%;不同碳含量下,其尺寸变化率的差别也很小(见图5、图6)。对于机械混合粉试样,0.4%碳含量时,尺寸变化率的范围为0.31%~0.41%,变动量达0.10%;0.6%碳含量时,其尺寸变化率范围为0.20%~0.30%;碳含量为1.0%时,其尺寸变化率接近于0,且变动范围也很小,仅为0.03%。另外,随烧结密度增加,各试样的尺寸变化率普遍有增加的趋势,这是因为随压坯密度增大,试样烧结后倾向于更大的体积膨胀。但扩散粉烧结坯尺寸更为稳定,对密度和碳含量的变化较不敏感。3扩散合金化粉末烧结试样的密度、硬度和尺寸变化率1)通过扩散合金化方法生产的Fe-2Cu合金粉末具有较好的成形性和无偏析性,用其生产的Fe-Cu-C合金烧结后的微观组织致密且成分均匀。2)相对于机械混合粉,扩散合金化粉末试样的生坯密度和烧结密度均较高。成分为Fe-2Cu-0.8C的试样在600MPa成形后的生坯密度为7.00g/cm3,烧结密度为6.88g/cm3。扩散合金化的粉末试样密度随碳含量增加的降低幅度不大。3)扩散合金化粉烧结后试样的硬度随着碳含量的增加而增大,且均高于机械混合粉末的试样。