不同鉻含量鐵基粉末燒結(jié)鍛造鋼的顯微組織與性能

，，

(1.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，蕪湖 241000；2.集瑞聯(lián)合重工有限公司，蕪湖 241080；3.福建三峰集團(tuán)有限公司，福清 350301)

0 引 言

粉末冶金技術(shù)具有高效、精密、優(yōu)質(zhì)、低耗、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于大批量生產(chǎn)各種機(jī)械零部件;對(duì)于難于成形或無(wú)法成形的復(fù)雜形狀零件，該技術(shù)更顯示出其低成本的優(yōu)勢(shì)。所制備的粉末冶金材料在機(jī)械、電子、汽車、化工等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是，粉末冶金材料中不可避免存在孔隙等缺陷，從而制約了其性能的提高，并限制了其應(yīng)用范圍。為擴(kuò)大粉末冶金材料的應(yīng)用范圍，粉末冶金技術(shù)正朝著合金元素的多元化、燒結(jié)材料的致密化方向發(fā)展[1]。優(yōu)良的微觀結(jié)構(gòu)和較高的密度是粉末冶金材料具有優(yōu)異性能的重要保證。由于傳統(tǒng)鍛鋼中用來提高性能的合金元素鉻與氧的親和力強(qiáng)，燒結(jié)時(shí)很容易氧化[2]，因此目前，鐵基粉末冶金材料中的鉻通常以鉻鐵粉的形式加入，但有關(guān)鉻含量對(duì)鐵基粉末燒結(jié)鍛造鋼性能影響的報(bào)道較少。為了獲得密度高以及微觀結(jié)構(gòu)和綜合性能更加優(yōu)良的鐵基粉末冶金材料，作者通過添加鉻鐵合金粉的形式向Fe-Ni-Mo基水霧化合金鋼粉中引入不同含量鉻元素，經(jīng)冷壓燒結(jié)、熱鍛、淬火、回火等工序制備了鐵基粉末燒結(jié)鍛造鋼，研究了此鋼的顯微組織、密度、力學(xué)性能和耐磨性能，確定了鉻的最佳含量，以期為生產(chǎn)實(shí)踐提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)原料有Fe-2.0Ni-0.6Mo預(yù)合金粉(基體粉)、鉻鐵合金粉(鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)68%)、石墨，均為市售。按照鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，0.35%，0.55%，1.00%，1.50%，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%進(jìn)行配料。將稱取好的粉體在自制混料機(jī)中充分混合，混料時(shí)間為1 h，然后在壓力機(jī)上進(jìn)行冷壓成型，壓力為400 MPa，保壓時(shí)間為3 min；將冷壓成型坯體在氨分解保護(hù)氣氛燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1 100 ℃，保溫時(shí)間為1 h，燒結(jié)后爐冷至室溫。將冷壓燒結(jié)鋼重新加熱到930 ℃進(jìn)行模鍛，模鍛壓力為600 MPa，保壓時(shí)間為2 min，然后直接進(jìn)行淬火，淬火介質(zhì)為淬火油，之后在KSL-1200型箱式爐中進(jìn)行560 ℃×30 min的高溫回火熱處理，得到燒結(jié)鍛造鋼。

采用標(biāo)準(zhǔn)的流體靜力法測(cè)密度。按照GB/T 7964-1987，加工出如圖1所示的拉伸試樣，在CMT5205型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為0.5 mm·min-1。在JSM-5600LV型掃描電鏡(SEM)上觀察顯微組織和斷口形貌。在DHV-1000型顯微硬度計(jì)上測(cè)硬度，載荷為1.961 N，保載時(shí)間為1 min。在MG-2000型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行干摩擦磨損試驗(yàn)，摩擦形式為銷-盤式，銷形磨損試樣的尺寸為φ6 mm×12 mm，對(duì)磨盤的尺寸為φ70 mm×12 mm，對(duì)磨盤材料為GCr15鋼，硬度為62 HRC，試驗(yàn)載荷80 N，轉(zhuǎn)速200 r·min-1，摩擦?xí)r間5 min；用精度為0.1 mm的AR124CN型分析天平測(cè)試樣磨損前后的質(zhì)量差，得到磨損質(zhì)量損失，測(cè)3次取平均值，磨損率的計(jì)算公式為

(1)

式中：A為磨損率；m1為磨損前試樣的質(zhì)量;m2為磨損后試樣的質(zhì)量;ρ為試樣的密度;P為試驗(yàn)載荷;L為摩擦距離。

圖1 拉伸試樣的尺寸Fig.1 Dimension of tensile specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可知：冷壓燒結(jié)后不同鉻含量試驗(yàn)鋼的顯微組織均為鐵素體和珠光體，經(jīng)熱鍛+淬火后均為馬氏體，再經(jīng)560 ℃回火后均為回火索氏體；當(dāng)鉻含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為0.55%時(shí)，熱鍛+淬火后馬氏體組織最細(xì)小、均勻；熱鍛淬火后不含鉻(0)試驗(yàn)鋼的馬氏體組織較粗大，含0.55%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)鉻的試驗(yàn)鋼的馬氏體組織較細(xì)小、均勻；經(jīng)熱鍛+淬火+回火后，含0.55%鉻試驗(yàn)鋼的回火索氏體仍保持淬火后原板條馬氏體的形態(tài)。經(jīng)熱鍛+淬火后，試驗(yàn)鋼中大量的合金元素固溶在馬氏體組織中，呈過飽和狀態(tài)；在回火過程中隨溫度的升高，合金元素的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，過飽和合金元素從馬氏體中析出。由于鉻與碳有較強(qiáng)的親和力，可阻礙碳的析出，使得更多的碳留在馬氏體中，因此組織的回火穩(wěn)定性得到提高[3]。

2.2 密度和力學(xué)性能

由圖3可知：經(jīng)熱鍛+淬火+回火后，冷壓燒結(jié)試驗(yàn)鋼的硬度、密度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均得到大幅提高；經(jīng)冷壓燒結(jié)或冷壓燒結(jié)+熱鍛+淬火+回火后，添加鉻的試驗(yàn)鋼的密度均比未加鉻的略有下降或基本相當(dāng)，這主要是由于硬度較高和形狀不規(guī)則鉻鐵粉的加入會(huì)降低粉末的流動(dòng)性而使壓制性能變差導(dǎo)致的，含0.55%鉻試驗(yàn)鋼的密度與未加鉻的基本相當(dāng)；隨著鉻含量的增加，經(jīng)冷壓燒結(jié)或冷壓燒結(jié)+熱鍛+淬火+回火后，試驗(yàn)鋼的硬度均略有增加，但相差不大；試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨鉻含量的波動(dòng)較大，含0.55%鉻試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均最高，綜合力學(xué)性能最佳，這與其組織均勻性有關(guān)；經(jīng)冷壓燒結(jié)+熱鍛+淬火+回火后，試驗(yàn)鋼的最高抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 310 MPa，最大伸長(zhǎng)率達(dá)5.98%。熱鍛后冷壓燒結(jié)試驗(yàn)鋼的密度和顆粒間的連接強(qiáng)度均得到提高，組織更為細(xì)小、均勻；經(jīng)淬火+高溫回火后，合金元素發(fā)生明顯擴(kuò)散，并在α-Fe和滲碳體之間進(jìn)行重新分配，碳化物形成元素向滲碳體中富集，置換鐵原子形成合金滲碳體[4]；同時(shí)熱鍛過程中形成的大量位錯(cuò)使合金元素的擴(kuò)散阻力增大，因此冷壓燒結(jié)+熱鍛+淬火+回火后試驗(yàn)鋼的硬度和強(qiáng)度比冷壓燒結(jié)后的得到大幅提高[5]。

圖2 不同處理工藝后不同鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of tested steels with different mass fractions of Cr after treated with different processes:(a) 0， after cold pressing sintering, hot-forging and quenching； (b) 0.55%， after cold pressing sintering, hot-forging and quenching; (c) 0.55%， after cold pressing sintering, hot-forging, quenching and tempering and (d) 0.55%, after cold pressing sintering

圖3 不同處理工序后試驗(yàn)鋼的密度、硬度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨鉻含量的變化曲線Fig.3 Density (a), hardness (b), tensile strength (c) and elongation (d) of tested steels vs Cr content curves after treated by different processes

2.3 拉伸斷口形貌

由圖4可知：不同鉻含量試驗(yàn)鋼斷口中均存在明顯的孔隙和韌窩，孔隙分布不均勻。由不均勻分布的孔隙可推測(cè)，原始顆粒之間的連接作用較弱，在拉伸過程中易發(fā)生解理和分離，斷裂多發(fā)生在原始顆粒間孔隙的連接處[6]，因此試驗(yàn)鋼的宏觀斷裂形式為脆性斷裂；未添加鉻試驗(yàn)鋼斷口上的孔隙較多，韌窩尺寸較大；含0.55%鉻試驗(yàn)鋼斷口上的韌窩小而深，且分布均勻，含1.00%鉻試驗(yàn)鋼斷口上除了存在韌窩外，局部區(qū)域還存在小的河流狀解理臺(tái)階或撕裂棱，說明該區(qū)域發(fā)生了脆性斷裂，且裂紋源位于內(nèi)部孔隙和鉻的碳化物處。雖然斷口大部分呈韌窩特征，但孔隙的存在使斷口并未表現(xiàn)出明顯的塑性變形特征，因此斷口的宏觀斷裂形式為脆性斷裂。

圖4 不同鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)燒結(jié)鍛造鋼的斷口形貌Fig.4 Fracture morphology of sintering forging steels with different mass fractions of Cr

2.4 耐磨性能

由圖5可以看出：與冷壓燒結(jié)試驗(yàn)鋼相比，經(jīng)冷壓燒結(jié)+熱鍛+淬火+回火后試驗(yàn)鋼的耐磨性能得到明顯提高，含0.55%鉻試驗(yàn)鋼的磨損率最低，為7.01×10-13m3·N-1·m-1；隨著鉻含量的增加，試驗(yàn)鋼的磨損率均呈先降后升再降的趨勢(shì)，并在鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.55%時(shí)達(dá)到最低。由圖6可知：不同鉻含量試驗(yàn)鋼的磨損機(jī)制均為剝層磨損和磨粒磨損；不含鉻和含1.00%鉻的試驗(yàn)鋼磨損表面的犁溝均較深且寬，塑性變形較嚴(yán)重，剝層深且面積大，磨損程度較嚴(yán)重；含0.55%鉻的試驗(yàn)鋼磨損表面的犁溝較淺，剝層淺且面積較小，磨損程度較輕。

圖5 不同處理工序后試驗(yàn)鋼的磨損率隨鉻含量的變化曲線Fig.5 Wear rate of tested steels with different Cr content after treated with different processes

圖6 不同鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)燒結(jié)鍛造鋼的磨損表面形貌Fig.6 Wear surface morphology of sintening forging steels with different mass fractions of Cr

3 結(jié) 論

(1) 通過鉻鐵合金粉的形式將鉻元素引入到Fe-Ni-Mo預(yù)合金粉中，經(jīng)冷壓燒結(jié)、熱鍛、淬火和高溫回火處理后，獲得具有均勻、致密燒結(jié)組織的燒結(jié)鍛造鋼。

(2) 冷壓燒結(jié)鋼的組織為鐵素體+珠光體，經(jīng)熱鍛、淬火后的組織為馬氏體，再經(jīng)高溫回火后的組織為回火索氏體；當(dāng)鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.55%時(shí)，燒結(jié)鍛造鋼組織的均勻性最好。

(3) 燒結(jié)鍛造鋼的硬度、密度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率比冷壓燒結(jié)鋼均得到大幅提高，磨損率降低；當(dāng)鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.55%時(shí)，燒結(jié)鍛造鋼具有最佳的綜合性能，密度為7.74 g·cm-3，硬度為712 HV，抗拉強(qiáng)度為1 310 MPa，伸長(zhǎng)率為5.98%，磨損率為7.01×10-13m3·N-1·m-1；拉伸斷口具有韌窩特征，但宏觀斷裂形式為脆性斷裂，磨損機(jī)制主要為剝層磨損和磨粒磨損。