顆粒配比對(duì)Fe-Cu-C燒結(jié)件組織和性能的影響

張曉宇,　杜丕國(guó)

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春　130012)

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顆粒配比對(duì)Fe-Cu-C燒結(jié)件組織和性能的影響

張曉宇,杜丕國(guó)*

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春130012)

摘要：利用氣霧化微米顆粒呈球形的特性，在霧化原料鐵粉中添加1%、2%、3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))1 000目氣霧化銅粉和2%、4%、6%、8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))800目霧化鐵粉，先后進(jìn)行混料、壓制和燒結(jié)制造工序。將燒結(jié)制得的試樣進(jìn)行密度、硬度、顯微組織測(cè)試分析。結(jié)果表明，添加3%微米銅粉的樣品孔隙率明顯減少，組織更加均勻，同時(shí)材料的硬度也得到了進(jìn)一步的提高；燒結(jié)后界面之間出現(xiàn)富銅相，有效地對(duì)基體粉末顆粒進(jìn)行了連接。

關(guān)鍵詞：粉末冶金； 微米銅粉； 顯微組織

0引言

汽車(chē)市場(chǎng)是粉末冶金零件最主要的應(yīng)用領(lǐng)域[1]。在汽車(chē)制造業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，必定會(huì)帶動(dòng)粉末冶金技術(shù)的發(fā)展。粉末冶金制品與其他成型制造工藝相比，具有能耗低、近凈成形、大批量制造零件公差較小等優(yōu)點(diǎn)，此外粉末冶金技術(shù)還是公認(rèn)的綠色技術(shù)[2]。但是該技術(shù)存在孔隙過(guò)多導(dǎo)致燒結(jié)基體密度不高的缺點(diǎn)[3]，對(duì)零件的性能和生產(chǎn)成本都有一定影響。用傳統(tǒng)壓制燒結(jié)的方式制備鐵基粉末冶金材料的工藝都已相當(dāng)成熟，但材料的致密化程度卻較低。粉末顆粒在進(jìn)行堆積時(shí)，顆粒與顆粒間必然會(huì)形成一定的孔隙，使其致密度不高，可以添加更小顆粒度的粉末來(lái)填充該孔隙，使其孔隙率降低，從而可以提高其密度。因此，探討鐵基粉末冶金制品添加不同粒度的粉末后對(duì)基體的物理力學(xué)性能以及組織和燒結(jié)工藝的影響具有現(xiàn)實(shí)意義，而有關(guān)這方面的報(bào)道較少。文中在200目霧化鐵粉基粉中添加適量1 000目氣霧化銅粉和800目霧化鐵粉，平板硫化機(jī)上壓制成型后1 150 ℃下在箱式爐中進(jìn)行燒結(jié)，研究不同的添加比例對(duì)樣品硬度、密度等性能的影響。

1實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)選擇70 μm左右的霧化鐵粉作為基粉，添加18 μm左右的霧化鐵粉和13 μm左右的氣霧化銅粉。

不同顆粒度的配比方案見(jiàn)表1。

表1　不同顆粒度的配比方案　　　wt%

由表1可見(jiàn)，碳粉的添加量為0.2%，在研缽中研磨30 min?；旆酆笤?0 t液壓式平板硫化機(jī)上采取單向壓制的方式進(jìn)行鋼模壓制成型。成型試樣的燒結(jié)在實(shí)驗(yàn)室箱式爐中進(jìn)行，用耐火土對(duì)試樣進(jìn)行覆蓋，650 ℃下保溫0.5 h，然后將溫度升到1 150 ℃下進(jìn)行燒結(jié)，保溫2 h，油淬。用Mettler-Toledo電子密度天平測(cè)其密度，布氏硬度儀測(cè)其硬度，金相試樣的腐蝕液選擇4%硝酸酒精，Zeiss金相顯微鏡下觀察其顯微組織形貌。

2結(jié)果與分析

2.1顯微組織分析

添加不同配比1 000目霧化銅粉和800目鐵粉的試樣燒結(jié)件金相組織如圖1所示。

(a) 1%1 000目銅粉

(b) 2%1 000目銅粉

(c) 3%1 000目銅粉

(d) 3%1 000目銅粉+2%800目鐵粉

(e) 3%1 000目銅粉+4%800目鐵粉

(f) 3%1 000目銅粉+6%800目鐵粉

(g) 3%1 000目銅粉+8%800目鐵粉

從金相組織圖1(a)、(b)、(c)中可以看出，當(dāng)含碳量相同時(shí)，隨著1 000目銅粉的添加量由1%增加到3%，燒結(jié)試樣中的鐵顆粒被“焊合”的程度逐漸變大，大的、有尖角的、非均勻分布的孔隙也隨著銅含量的增加逐漸變小，當(dāng)添加量為3%時(shí)，試樣中的孔隙球化程度較好，而且分布較為均勻。由于在壓制過(guò)程中球狀的氣霧化銅粉的添加有效地填充了基粉之間因形狀不規(guī)則所形成的顆粒與顆粒之間的空隙，當(dāng)添加量小于3%時(shí)，填充量不足以將空隙進(jìn)行有效的填充，在燒結(jié)過(guò)程中形成的銅液相由于在量上的不足，也不能在毛細(xì)管力的作用下將空隙填滿，當(dāng)添加量達(dá)到3%時(shí)，一方面由于添加量達(dá)到了足以將空隙填充的程度，另一方面也是因?yàn)檩^小的球狀銅粉的加入，在壓制過(guò)程中減小了銅粉與銅粉以及銅粉與鐵基粉之間咬合所產(chǎn)生的阻力，銅粉能夠更好地流動(dòng)進(jìn)入到空隙以及顆粒與顆粒之間的接觸面中，在燒結(jié)過(guò)程中還未達(dá)到燒結(jié)設(shè)定溫度和銅的熔點(diǎn)時(shí)，微米銅就熔化成足量的液相，在孔隙之間流動(dòng)，將空隙填充，冷卻后將顆粒進(jìn)行很好的“焊合”。當(dāng)再添加800目的鐵粉時(shí)，由金相組織圖1(d)、(e)、(f)、(g)可以看出，銅粉添加量相同時(shí)，隨著鐵粉添加量的增大，孔隙變大且不規(guī)則，球化程度較低，顆粒與顆粒之間的燒結(jié)程度降低。由于微米鐵粉的加入，導(dǎo)致顆粒之間形成團(tuán)聚，降低了壓制性，不利于小顆粒在壓制過(guò)程中的流動(dòng)，不能夠?qū)障哆M(jìn)行有效的填充，燒結(jié)后顆粒與顆粒之間的結(jié)合性變差。

2.2密度分析

添加不同顆粒度配比的粉末對(duì)燒結(jié)件密度的影響如圖2所示。

圖2　不同顆粒度配比對(duì)密度的影響

圖2表明，當(dāng)不添加800目鐵粉時(shí)，燒結(jié)件的密度隨著1 000目銅粉的添加量而逐漸增大，當(dāng)添加量達(dá)到3%時(shí)，密度達(dá)到較大值；當(dāng)800目的鐵粉添加后，密度減小，然后隨著鐵粉添加量的增加而逐漸減小。傳統(tǒng)鐵基粉末冶金工藝中，粉末的致密化過(guò)程主要來(lái)源于兩個(gè)方面：一是潤(rùn)滑劑改善了顆粒在壓制力作用下的流動(dòng)性，使基體粉末在壓制力的條件下滑動(dòng)比較容易，從而可以進(jìn)行位置的調(diào)整；二是在一定的壓力下，鐵基粉末的尖角處會(huì)產(chǎn)生一定的高度應(yīng)力集中，產(chǎn)生塑性變形，在局部靠塑性變形來(lái)減少一部分孔隙[4]。但是生產(chǎn)實(shí)踐表明，上述兩種方法所得到的致密度的提高總是有限的。當(dāng)添加1 000目銅粉后，鐵基粉末在一定壓制力的作用下重排時(shí)，可以填充到粉末顆粒的間隙，另一方面在受擠壓重排時(shí)，原本分布在鐵顆粒與鐵顆粒界面上的銅粉被擠壓到界隅處和顆粒表面的不平處；粉末制品中的孔隙主要是來(lái)源于顆粒與顆粒之間的界隅處，這些界隅的尺寸大小不一，可以通過(guò)不同粒徑的粉末對(duì)孔隙進(jìn)行填充。當(dāng)1 000目銅粉的含量在1%～3%時(shí)，隨著含量的增加，界隅處的孔隙被更好地填充，從而使粉末制品的密度得到逐步提高；微米銅粉的熔點(diǎn)約為600～700 ℃，當(dāng)在1 150 ℃下燒結(jié)時(shí)，處于顆粒界隅處和顆粒接觸面不平處的銅粉便熔化成液相，由于液相具有良好的流動(dòng)性，能對(duì)孔隙進(jìn)行有效的填充，而且可以將相鄰鐵顆粒進(jìn)行有效的“焊合”，當(dāng)添加的Cu含量為3%時(shí)，密度達(dá)到7.2 g/cm3。

密度與粒度比的關(guān)系曲線如圖3所示[5]。

圖3　相對(duì)密度與粒度比的關(guān)系

由圖3可知，密度隨著粒度比的減小而迅速下降，顆粒直徑相差越微小，堆積密度就越小。當(dāng)再加入800目的鐵粉時(shí)，較1 000目銅粉而言，粒度比下降較大，相對(duì)密度降低，800目鐵粉不能有效填充基粉顆粒的界隅，使致密度降低；同時(shí)，由于添加的小顆粒直徑的粉末迅速增多，單位體積的表面積加大，從而引起顆粒間摩擦力的增大，妨礙了粉末顆粒的堆積，細(xì)粉的添加量要控制在一定的合理范圍內(nèi)。

2.3硬度分析

不同顆粒度配比與硬度的關(guān)系如圖4所示。

硬度對(duì)孔隙的形狀并不敏感，硬度值的大小主要取決于粉末件制品中的孔隙度，而且隨著燒結(jié)密度的增大而增大[6]。宏觀硬度隨著孔隙度的增大而降低，其值在某種程度上反映了材料的致密度程度，因而表現(xiàn)出與密度相同的規(guī)律。

圖4　不同顆粒度配比對(duì)硬度的影響

硬度表現(xiàn)出圖4中的趨勢(shì)的原因：一方面，實(shí)驗(yàn)的熱處理方式采用油淬，油的冷卻速度大約是230 ℃/s，根據(jù)連續(xù)冷卻C-曲線可知，該冷速大于上臨界冷速，過(guò)冷奧氏體只發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體具有較高的硬度和強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)中添加的含碳量為0.2%，F(xiàn)e-Cu-C燒結(jié)件在油淬后，生成的是條狀馬氏體組織和殘余奧氏體，而且粉末中添加的是不同比例的Cu元素，屬于非碳化物形成元素，使C曲線右移，其Ms點(diǎn)下移，從而使殘余奧氏體增多，殘余奧氏體的存在對(duì)材料的機(jī)械性能產(chǎn)生有益的影響。條狀馬氏體的亞結(jié)構(gòu)為高密度位錯(cuò)，且形成后可以發(fā)生自回火現(xiàn)象，C以及Cu元素向位錯(cuò)和其他晶體缺陷處偏聚或者偏析，使位錯(cuò)難以運(yùn)動(dòng)，造成時(shí)效強(qiáng)化，提高了燒結(jié)件的強(qiáng)度和硬度；另一方面，當(dāng)只添加1 000目氣霧化銅粉時(shí)，隨著Cu粉含量(wt%：1%，2%，3%)的增加，可以有效地將鐵粉的顆粒間隙以及顆粒表面的不平處進(jìn)行填充，使得致密度增加，當(dāng)燒結(jié)后，顆粒與顆粒之間完成了有效的連接，孔隙度逐漸降低，粉末冶金制品中孔隙度對(duì)硬度的大小起到?jīng)Q定性作用。同時(shí)，由于密度是材料綜合性能的體現(xiàn), 粉末燒結(jié)樣品的硬度體現(xiàn)與密度相同的規(guī)律。當(dāng)在添加800目鐵粉時(shí)，由于粒徑比的下降以及細(xì)微粉末的增多，細(xì)微分的團(tuán)聚影響了鐵基粉的顆粒堆積，從而影響了堆積密度，使得孔隙度增加，導(dǎo)致硬度下降。

2.4XRD分析

進(jìn)一步對(duì)添加3%,1 000目銅粉的試樣做XRD分析,結(jié)果如圖5所示。

(a) 燒結(jié)前

(b) 燒結(jié)后

從圖5(a)可以看出，F(xiàn)e、Cu的衍射峰明顯，但是XRD檢測(cè)中質(zhì)量百分?jǐn)?shù)小于2%就很難分辨出來(lái)，所以未檢測(cè)到有明顯的碳的衍射峰。該衍射圖中未表現(xiàn)出其他物質(zhì)的衍射峰，說(shuō)明在研磨混分的過(guò)程中未發(fā)生機(jī)械合金化的過(guò)程。從圖5(b)中可以看出，有明顯的富銅相衍射峰存在。在燒結(jié)過(guò)程中有部分銅固溶到鐵的晶格中，形成固溶體，界面上發(fā)生了擴(kuò)散傳質(zhì)以及再結(jié)晶過(guò)程，通過(guò)界面反應(yīng)形成了富銅相；而且圖中未發(fā)現(xiàn)有氧化物質(zhì)的存在，表明經(jīng)耐火土覆蓋后，試樣未被氧化，對(duì)于試樣的保護(hù)程度較好。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1)在鐵基粉末中添加一定量的1 000目銅粉，提高了試樣的致密度，當(dāng)添加量為3%時(shí)，密度達(dá)到7.2 g/cm3；當(dāng)添加800目鐵粉后，隨著添加量的增多，密度降低。

2)1 000目銅粉的添加不但促進(jìn)了鐵基粉末制品的致密度，而且提高了燒結(jié)后的硬度。適當(dāng)?shù)? 000目銅粉添加使得鐵粉顆粒之間產(chǎn)生了有效的連接，產(chǎn)生了富銅相。當(dāng)再添加800目鐵粉后，由于細(xì)微粉末的加入量過(guò)多，造成孔隙增加，導(dǎo)致硬度下降。硬度表現(xiàn)出了與密度相同的規(guī)律。

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Effects of micronized powder ratio on the microstructure and performance of Fe-Cu-C sintered parts

ZHANG Xiaoyu,DU Piguo*

(School of Materials Science & Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Abstract：By using the sphere shape of Micron-sized copper powder prepared with atomization, the 1000 mesh gas atomized Cu powder(1%,2%,3%) and the 800 mesh atomized Fe powder(2%,4%,6%,8%) are added to the raw Fe powder respectively. The working process is blending, pressing and sintering to obtain the sintered parts. The density, hardness, microstructure and XRD of the sintered parts are tested, and the results show that the pore ratio decreases significantly and the microstructure becomes more uniformed with 3% mesh Cu powder. The hardness is increased, and there is a rich copper phase at the rear interface of Fe-based particles to connect the matrix powder particles.

Key words：powder metallurgy; micron-sized copper powder; microstructure.

中圖分類號(hào)：TF 124

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1374(2016)01-0010-05

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.1.03

作者簡(jiǎn)介：張曉宇(1968-)，女，漢族，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)副教授，主要從事金屬材料強(qiáng)韌化及粉末冶金方向研究,E-mail:zhangxiaoyu@ccut.edu.cn. *通訊作者：杜丕國(guó)(1990-)，男，漢族，山東淄博人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事金屬材料強(qiáng)韌化及粉末冶金方向研究,E-mail:peiguodu@126.com.

基金項(xiàng)目：一汽集團(tuán)制造有限公司資助項(xiàng)目(121456)

收稿日期：2015-12-10