材料与制程因素对烧结重合金机械性质影响之研究分析 机械工程专业

材料与制程因素对烧结重合金机械性质影响之研究摘要本文之研究目的在于探讨液相成份、成形压力与烧结时间对钨镍铁系重合金之密度、硬度、径向、轴向与体积尺寸收缩率、抗拉强度和伸长率的影响。实验结果显示：1.W-Ni-Fe系重合金之机械性质优于W-Ni-Cu重合金，其最佳的液相成份为Ni:Fe=1:1。2.压粉体密度与烧结密度随成形压力之增加而提高，但是，径向、轴向与体积收缩率则随成形压力之增加而减少。3.液相含量增加时，W-Ni-Fe重合金之密度值与硬度降低，各项收缩率增大。抗拉强度于液相含量为8%时达到最大，伸长率则随液相含量减少而显著降低。4.重合金适当的烧结时间为30分钟左右，烧结时间再增长无助于提升其机械性质。一、前言重合金系以粉末冶金技术制作而成，具有高密度(比重)的特性，强度和韧性颇为良好。工业上之应用为陀螺仪之转子材料、加玛射线的屏蔽板、高转速机器如涡轮引擎之平衡件和攻击装甲车辆之穿甲弹头。依成份可分成两类：钨镍铁系和钨镍铜系，系典型的液相烧结合金的一种。粉末压胚体于烧结温度下，藉着镍、铁粉末或者镍、铜粉末熔化而形成之共晶液相，将钨粉颗粒黏合在一起。其原理和超硬合金及混凝土近似，前者系藉烧结时形成的钴基液相或镍基液相，将碳化钨或碳化钛等硬粒子黏合在一起而形成各种超硬合金；后者则是藉砂和水泥浆把小石子黏合在一起而形成混凝土。过去，国外有关此种烧结合金所发表的论文为数不少。Edmonds曾探讨液相烧结重合金内，固液相界面间产生的脆化现象及其成因(1)。Cimpoeru研究重合金在高应变率(strainrate)下之机械性质(2)，Lea等人探讨重合金内固液相界面间，杂质元素偏析之现象及解决的方法(3)。German调查烧结气体种类对重合金机械性质的影响(4)，Zukas研究W-Ni-Fe系重合金之烧结机构(5)。O,Donnell等人探讨烧结时间之长短对于重合金机械性质的影响(6)，Yoon研究重合金于氢气之中烧结后，所遭遇的氢脆化问题(7)。Churn探讨重合金于破坏时，所产生的结构变化过程与现象(8)。Hong调查磷含量对重合金冲击强度的影响(9)。本文之实验工作从技术实务层面着手，探讨成形压力、烧结时间、液相含量等制程因素对烧结密度、硬度、尺寸收缩率和抗拉强度的影响。在相同的钨粉固相含量下，液相合金成份对重合金机械性质的影响。在相同的液相成份下，液相含量对成形密度、烧结密度、尺寸变化率、合金之硬度、抗拉强度与伸长率的影响。接着，调查在固定的钨含量与液相成份下，烧结时间之长短对机械性质的影响。二、实验方法1、实验用材料A.钨粉德国H.C.Starck公司所生产，平均粒度分别为2.0μm。其粒度分布如表一所示：表一钨粉之粒度分布μm0.1-0.20.2-0.30.3-0.40.4-0.50.5-0.60.6-0.80.8-1.0%0002.52.555μm1-22-33-44-55-66-88-10%33241053.565B.铜粉以雾化法制成，粒度小于44μm，纯度为99%以上。C.铁粉为carbonyleiron粉，平均粒度为3.0μm。D.镍粉为carbonylenickel粉，平均粒度为3.0μm。E.成形结合剂将适量的石蜡溶解于乙醚里，做成之溶液与钨镍铜或钨镍铁粉末搅拌均匀。静置等待乙醚完全挥发，石蜡会在粉末颗粒表面形成被覆层，以作为加压成形时之粉粒结合剂。2、实验设备A.万能试验机最大出力为30吨，用于拉伸试件之加压成形和烧结合金拉伸试件抗拉强度的测试。B.桌上型油压成形机最大出力为10吨，用于圆形试件的加压成形以量测试件于烧结前后的尺寸与体积变化率。C.低温烧结炉最高使用温度为1100oC，用于粉末成形试件的脱蜡与预烧结。D.高温烧结炉最高使用温度为1500oC，用于粉末成形试件的烧结。E.光学显微镜观察烧结合金之金相组织与钨固相颗粒之大小。F.硬度试验电子式之洛氏Rockwell硬度试验机3、实验过程秤量预定份量的镍粉与铁粉(或铜粉)置于研钵内研混均匀，然后加入等体积的钨粉研混；接着将此W-Ni-Fe基粉倒入大量的钨粉末内进行搅拌。如此，可使少量的镍、铁粉末(3-10%)均匀地分散于大量的钨粉(90-97%)里面。为使镍、铁粉末更均匀地分散于钨粉之中，这些手工混合妥的W-Ni-Fe粉末倒入球磨壶内进行12小时的湿式球磨混合作业。球磨壶由之不锈钢板焊成，直径为100mm，长度为200mm。将适量的无水酒精加入混合粉末内，调合成黏稠状浆液；然后倒入球磨壶内。接着添加直径为6mm、重量为混合粉末三倍之小钢珠。锁上磨壶顶盖，放置于球磨机上旋转(60rpm)；藉磨壶内小钢珠之转动、撞击作用，使镍、铁粉末作更均匀的分散。球磨混合作业完成之后，将粉末浆液倒出阴干，使无水酒精完全挥发。压碎阴干之粉体块，再加入适量的石蜡石油醚溶液，石油醚挥发之后，石蜡被覆于粉体表面以做为成形结合剂。使用模具钢制作成形模具，小圆试片之直径为11.3mm，截面积为1cm2；有助于准确地控制施加的成形压力。此试片用于量测烧结前后的密度、尺寸与体积变化率与硬度值，并作金相研磨与观察。抗拉试片成形模具系根据美国粉末冶金协会(MPIF)所订的M2规格制作而成，用以量测烧结合金的抗拉强度与伸长率。粉末压胚体于烧结之前，先于低温烧结炉中以400oC加热，并通入氮气将充作成形黏结剂的石蜡加热、熔化并驱逐干净。脱蜡之后的压粉体于炉内继续升温至900oC，通入氢气作30分钟之预烧结，使其具有适当的强度以承受接续的拿取、放入高温烧结炉的作业；尤其是长条状、细长而重的拉伸试片脱蜡后十分脆弱，。预烧结完成之试件放入高温烧结炉的氧化铝炉心管内，通以氢气进行烧结。钨镍铜件之烧结温度为1400oC，钨镍铁件之烧结温度则为1450oC；烧结时间一般为30分钟，部份试件的烧结时间则长达60分、120分至300分钟，以测试烧结时间之长短对合金机械性质的影响。根据美国粉末冶金协会M2规格所成形的平片式抗拉试件，于烧结后，尺寸与体积呈现大幅的缩小。使用万能试验机进行拉伸试验，以计算烧结合金的抗拉强度与伸长率；每个成份的数据为五根试件于测试之后的平均值。量取小圆形试件于烧结前后的直径与厚度，计算其径向、轴向与体积收缩率及密度值；此外，亦进行硬度值之测试。每枚测试八点硬度，舍弃最大与最小数据，以其余六点之平均值订定硬度值。小圆形试件经过研磨、抛光与腐蚀之后，使用光学显微镜观察烧结合金内部钨固相粒子之分布状态与粒度变化的情形。三、实验结果与讨论1、液相成份对抗拉强度与伸长率的影响首先探讨的是镍、铜和镍、铁液相成份的变化对重合金抗拉强度与延展性的影响；因为，重合金除了需要良好的强度之外，尚需要适度的延性以便于接受切削加工；并避免于军事用途的功能尚未发挥之前，产生脆裂的不良现象。研制重合金的钨含量为90%，烧结时，熔化为液相以黏合钨粉粒子的镍铜比例为常用的6:4，镍铁比例则为7:3、6:4、5:5、4:6和3:7五种。表二之数据显示这些比例值对重合金的密度、硬度、抗拉强度和伸长率的影响。由表二可看到镍铜结合相由于熔点(烧结温度)较低，故烧结合金的抗拉强度也较低；同时，其伸长率也偏低，延展性不佳。此外，镍铜液相在烧结时，对钨粉粒的润湿性可能不太良好，液相烧结时特有的致密化机制未能充分发挥作用；因而此系合金之密度值略逊于W-Ni-Fe系合金，至于硬度、抗拉强度和伸长率则远低于后者。在W-Ni-Fe系烧结合金方面，各液相成份合金之密度和硬度值均无显著的变化。抗拉强度值呈现无规则性之变化；但是，伸长率则随镍铁相中铁含量之增加而提高。镍铁量各占一半(即Ni:Fe=5:5)时，伸长率达到最大值；至于铁含量再增多时，伸长率反而减小。表中的数据显示在抗拉强度和伸长率两项数值中，加以考虑和取舍，折衷而值得选用的液相成份比例应该是Ni:Fe=5:5。表二液相成份对烧结重合金物理与机械性质的影响液相成份%密度硬度抗拉强度伸长率NiFeCug/cm3HRCkg/mm2%6416.32568.89.673172680.613.1641726.582.213.255172681.815.5461726.580.813.437172681.612.72、成形压力对压胚密度、烧结密度、径向、轴向与体积收缩率的影响为提高烧结重合金的密度值，本节实验采取之钨含量为97%，镍铁含量各为1.5%。97%之钨含量为重合金的最大容许值；因为，镍铁液相的含量若是低于体积百分比的5%，在烧结时，液相物质将难以均匀且完全地分布于钨粉颗粒之间以形成液相薄层。烧结体内的孔洞将无法借助于液相物质而排除至体外，不充足的液相量亦不易发挥固相粉粒重新排列和溶解与析出等致密化机制，烧结重合金很难获得高密度值。图1为成形压力对钨镍铁压粉体之压胚密度与烧结密度(1450oC,30min.)的影响。压胚密度随成形压力之提高而显著地增加；但是，烧结密度受成形压力之影响并不显著。成形压力由0.8t/cm2增加为1.6t/cm2时，烧结密度仅小幅地增大。当成形压力达到3.2t/cm2以上时，密度增加量即颇为微小而达稳定状态。一般固相烧结材料的烧结密度与强度系随成形密度(压力)之增加而提高，因为成形压力愈大，粉粒体之塑性变形量与因之而形成的接触面积也愈大。烧结时，依原子扩散作用而在接触区域所形成的颈部面积也愈迅速增大；烧结件的密度与机械性质因而得以大幅地增进。因此，在生产烧结机械零件的粉末成形过程中，于压机出力与模具磨损之容许范围内，可以尽量提高成形压力；俾以提高烧结密度，获得较佳的机械性质与尺寸精度。高密度压粉件于烧结时的尺寸变化量较小。液相烧结材料的状况则颇为不同；在液相含量充足的情况下，烧结初期的致密化机构为固相粉粒重新排列。成形密度较低的压粉件，其固相粉粒的堆置较为松散。烧结时所形成的液相物质能够轻易地挪动这些固相粉粒，使其重新排列以作更为紧密的堆置以降低整个系统的自由能。系统的初期密度较容易因此项机制的产生作用而提高；然而，成形密度若是太低、压粉体内部的孔洞太多或者过大，则将不利于被液相传送和排除至体外。图1粉末压胚体之成形密度与烧结密度随成形压力变化的图形图2烧结合金之径向、轴向与体积收缩率随成形压力变化的图形图2为钨镍铁压粉体于1450oC烧结30分钟后之径向、轴向与体积收缩率随成形压力变化的情形。图中可看到直径方向的收缩率大于轴向值，呈现不等向的收缩状况。此种状况之产生可能跟试片短圆柱形内部的密度分布均匀度有关；因为试片的厚度仅有6mm，所以轴向(加压方向)的密度较高和较均匀，因而收缩量较小。横向(直径方向)方面可能在成形时受到粉末移动、而与模具内模面产生之摩檫作用的影响，引生由中心至边缘的密度梯度，因而于烧结后产生较大的收缩量。体积收缩率随成形压力的增加而大幅度地减小，其跟烧结密度间并无明显的关系存在；但与成形密度则有对应关系。数值达到35%～50%之体积收缩率为液相烧结系统的特点之一，也是烧结件获得近于理论密度值必然产生的现象。如此高的体积收缩率将使得烧结成品不易于维持其形状与尺寸精度于预定的公差范围内，只能依靠后切削加工修正之。图1与图2显示成形密度愈高，烧结后之体积收缩率愈小。后者随成形压力的增加而减少的数值远大于前者。以0.8t/cm2之压力成形的试件，其成形密度仅达理论密度值的50%以下，烧结之后却能产生50%以上的体积收缩率。由此可看到液相物在烧结初期所产生的致密化机制～固相粉粒重新排列发挥很大的作用和效果，并未因试件内部具有过多的孔洞数量而受到影响和减损。在液相物含量不多的系统，如本节实验中试件里面的镍、铁液相含量仅有3wt.%，烧结中期所产生的致密化机制～小固相粉粒溶解并沉析于大粉粒表面对于密度值的提高则扮演着重要的角色。在烧结的中后期，小尺寸的钨粉颗粒具有较高的表面能，因而易于溶解进入液相里面。当镍铁液相中的钨原子浓度太高而呈现过饱和状态时，钨原子即会析出并沉置于大钨粉颗粒的表面，使之产生粉粒长大的现象。同时间，固相钨粉粒也会产生圆顺化现象(smoothening)，因为大固相钨粉粒的角落区域具有较高的自由能，此表面的原子较易于移动进入液相、再沉析于颗粒其他能量较低的表面上。此外，在固相钨粉粒的接触区域里具有较高毛细压力，因而溶解度提高；此区域的原子会溶解进入液相、传送、再沉析于颗粒其他能量较低的表面上，产生平直化现象(flattening)。前述的种种机制会使得钨粉颗粒作更紧密的排列与配置，降低整个系统的自由能，进一步提高烧结体的密度。3、液相含量改变对烧结体的密度、硬度、强度与尺寸收缩率的影响本节实验之目的在于探讨液相含量之改变对烧结体的密度、硬度、强度与尺寸收缩率会产生如何的影响。液相的成份仍然为Ni:Fe=1:1，其重量百分比的变化依序为3%、4%、6%、8%、10%和12%，成形压力为6.4t/cm2，以1450oC的温度于氢气内烧结30分钟。表三之数据显示试件之成形密度随钨粉含量的增加而小幅地提高。理论上言之，压粉体的密度值应该随钨粉含量的增加而大幅地提高；但是，钨粉的硬度很高，镍、铁粉末则较软、压缩成形性较佳。因此，镍、铁粉末含量较多的试件具有较好的可压缩成形性。此种优势克服镍、铁粉末比重较低的事实，使得其压粉体的密度值接近于高钨含量试件。在烧结密度方面，合金之密度值则是随钨粉之增加而显著地提高；钨含量对烧结重合金密度值的影响充分地显露出来。烧结合金的硬度值也随钨粉含量的增加而提高；但是，钨含量达到94%以上时，硬度增加量即显得相当微小而趋于稳定。径向和轴向线性的尺寸收缩率均随钨粉含量的减少和液相含量的增加而提高。烧结重合金的抗拉强度随钨粉含量的增加而提高，在钨含量为92%时达到最大值；钨含量再增多时，强度反而逐渐降低。至于伸长率(延展性)则是随钨粉含量的增加而显著地减小。钨粉是一个较硬的相，其含量适当地增加有助于提高合金整体的强度。但是，若是钨粉含量太多，则钨粉颗粒互相接触而连结在一起的机会大为增加；此种现象会导致合金受力而破坏时，破裂机制的改变。按液相烧结重合金于受拉伸负荷而产生破坏的主要模式有四种：(1)裂纹穿过液相(2)固、液相界面裂开(3)固相钨粉颗粒互相接触面间的沿晶裂开(4)固相钨粉颗粒之穿晶劈开。液相及固、液相界面的强度较高、靭性较佳，其裂开属于延性破坏。钨粉粒接触面间的沿晶裂开及钨粉颗粒之穿晶劈开属于脆性破坏；因此，烧结合金的伸长率(延展性)随液相含量的减少而显著地降减。表三钨含量对烧结合金诸项性质的影响钨含量88%90%92%94%96%97%成形密度g/cm310.0810.2410.3610.6510.7810.89烧结密度g/cm316.5116.9617.417.7218.1218.31硬度HRC24-2525-2626-2728-2929-3029-30抗拉强度kg/mm280.281.883.782.880.679.2伸长率%18.315.512.18.65.43.9径向收缩率%20.1418.4417.7817.2116.8616.56轴向收缩率%19.1217.5516.6215.915.2314.77表四所示之数据为钨含量97%，镍铁比例为1:1，烧结温度为1450oC，烧结时间对重合金机械性质的影响。烧结时间分别为30分、60分、120分和300分钟。表中数据显示抗拉强度随烧结时间的增长而逐步减小，至于伸长率亦具有类似的变化趋势。试验结果显示烧结时间为30分钟时，可获得良好的强度与伸长率组合。烧结时间的再增长则无助于合金强度的提升。在液相烧结系统里面，若是液相物对固相粉粒的润湿性良好、且固相粉粒在液相物中具有相当的溶解度，则在相当的烧结时间内，烧结件即可获得近于理论值的高密度。若是烧结时间持续增长，由于溶解与沉析的致密化机制持续进行；固相粉粒也会呈现持续长大的现象。如此则会增加固相粉粒接触而烧结黏合在一起的机会，使得易于呈现脆性破裂的固相粉粒接触界面随之增多。此现象导致烧结重合金于使用时机械性质的劣化。本节实验结果跟O,Donnell的实验结论有所不同，彼等之结果认为烧结重合金的机械性质不会因烧结时间的长短而产生变化。(6)表四烧结时间对重合金之抗拉强度与伸长率的影响机械性质烧结时间分抗拉强度kg/mm2伸长率%3079.23.96076.64.112074.33.430071.23.1四、结论1、就同量的钨含量而言，钨镍铜重合金的机械性质略逊于钨镍铁系重合金。2、就同量的钨含量和钨镍铁系重合金而言，其所含液相成份之镍：铁比例为1:1时，可使合金具有较佳的机械性质。3、钨镍铜重合金的烧结温度为1400oC，钨镍铁系重合金的烧结温度为1450oC；烧结时间为30分钟即已足够；烧结时间若更增长并无助于其机械性质的进一步提升。4、钨镍铜或钨镍铁系混合粉末在成形压力达到3.2t/cm2时，其烧结密度趋近于饱和值；更高的成形压力并无助于进一步提升烧结密度值。但是，较高的成形压力却可显著地降低合金于烧结时所产生的体积收缩量，有助于改善成品于烧结之后的尺寸准确度。参考文献1.D.C