鉬加入量對Fe-2Cu-0.8C系燒結(jié)合金組織和性能的影響

王天國，覃 群

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院， 十堰 442002)

?

鉬加入量對Fe-2Cu-0.8C系燒結(jié)合金組織和性能的影響

王天國，覃 群

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院， 十堰 442002)

摘要：采用粉末冶金方法制備了Fe-2Cu-xMo-0.8C(x為0.2～1.2，質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)合金，研究了鉬元素加入量對其顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：隨著鉬加入量的增多，合金的密度、抗拉強(qiáng)度和伸長率均先增大后減小，當(dāng)鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時達(dá)到最大，分別為6.9 g·cm-3，318 MPa和3.9%，此時合金具有良好的綜合性能；鉬可促進(jìn)合金燒結(jié)體的致密化，隨鉬加入量增多，燒結(jié)體的孔隙率減小。

關(guān)鍵詞：鐵基合金；粉末冶金；力學(xué)性能；鉬

0引言

粉末冶金鐵基合金是一種非常重要的材料，廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、電器等領(lǐng)域。粉末冶金方法制備的鐵銅碳系低合金鋼的力學(xué)性能優(yōu)異，可滿足工程結(jié)構(gòu)零件對硬度、強(qiáng)度和耐磨性的要求；同時其尺寸基本穩(wěn)定，有利于制造高精度結(jié)構(gòu)零件，因此，鐵銅碳系合金作為制造工程結(jié)構(gòu)零件的重要材料[1-3]，被廣泛用于制造汽車工業(yè)發(fā)動機(jī)、制動器、變速箱等的零件。

在粉末冶金制備過程中向鐵基合金中添加合金元素，通過改變鐵基合金的組織結(jié)構(gòu)，可提高其使用性能和工藝性能[4-5]。傳統(tǒng)合金元素如鉻、錳等的加入對改善和提高鐵銅碳系低合金鋼的力學(xué)性能有重要影響[6-8]。陳華等[9]研究發(fā)現(xiàn)在鐵銅碳系低合金鋼中添加少量鉻可獲得較高的燒結(jié)密度，顯微硬度隨鉻含量的增加而增大；林文松等[10]研究表明鎳對鐵基合金有強(qiáng)烈的活化燒結(jié)作用。鉬元素有良好的硬化作用，親氧性較低，而且鉬是強(qiáng)碳化物形成元素，在鐵銅碳系合金中加入鉬可與碳結(jié)合形成各種碳化物，少量的鉬就能有效提升材料性能[11]。陳薈竹等[12]研究表明添加少量的鉬可以同時提高Fe-0.5Mn-0.5C合金的燒結(jié)溫度、抗拉強(qiáng)度、硬度和伸長率。目前，有關(guān)鉬元素對粉末冶金鐵銅碳系合金影響的研究報道較少，因此，作者采用粉末冶金法制備了鐵銅碳系合金，研究了鉬加入量對其顯微組織和性能的影響，為鉬元素在鐵銅碳系合金中的研究和應(yīng)用提供參考和指導(dǎo)。

1試樣制備與試驗方法

1.1　試樣制備

試驗原料為還原鐵粉，粒徑小于100 μm，純度98.0%，蘇州市金穗粉末冶金有限公司產(chǎn)；電解銅粉，粒徑小于80 μm，純度99.5%，北京興榮源科技有限公司產(chǎn)；石墨粉，粒徑小于70 μm，純度99.0%，青島星運(yùn)石墨乳有限公司產(chǎn)；鉬粉，粒徑小于50 μm，純度99.9%，北京興榮源科技有限公司產(chǎn)。

原料按Fe-2Cu-xMo-0.8C(x為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)進(jìn)行配料，以無水乙醇為介質(zhì)，在QM-3SP2型行星式球磨機(jī)中球磨混合，高純氬氣保護(hù)，球磨罐和研磨球均為不銹鋼材料，球料質(zhì)量比為12∶1。球磨后粉體以聚丙烯酸塑料為粘結(jié)劑，利用YJN79-100型粉末制品液壓機(jī)在100 MPa下軸向壓制成尺寸為φ70 mm×10 mm的圓柱體，壓制后的坯體在WZDS-20型真空爐中1 100 ℃燒結(jié)，保溫2 h，隨爐冷卻。

1.2　試驗方法

按照GB/T 5163-2006，采用排水法測試合金的體積密度；按照ISO 2740-2009，將合金加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣(長55 mm，標(biāo)距15 mm)，在CMT5205 200KN型萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行室溫抗拉強(qiáng)度和伸長率的測試，拉伸試驗的應(yīng)變速率為10-4s-1；采用HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計測合金的表面硬度，載荷980 N，加載時間30 s，測3個點取平均值；在合金上截取金相試樣，經(jīng)400#至1500#多道金相砂紙機(jī)械拋光后，用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在MDJ200型光學(xué)顯微鏡上觀察其顯微組織。

2試驗結(jié)果與討論

2.1　鉬加入量對顯微組織的影響

粉末經(jīng)壓制和燒結(jié)后，隨著粘結(jié)劑和潤滑劑的脫除在燒結(jié)體中殘留下孔隙，這些孔隙一旦形成連通孔或在晶界處形成和長大就會影響材料的力學(xué)性能。由圖1可以看出，隨著鉬加入量的增加，試樣的孔隙逐漸變小，當(dāng)鉬加入量增加到0.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時，燒結(jié)體具有最少的孔隙數(shù)量，繼續(xù)增加鉬加入量，孔隙數(shù)量隨之增多，而且分布不均；添加少量的鉬時，由于燒結(jié)過程中碳的損失，合金中的碳含量低于共析成分，先共析鐵素體雜亂分布于基體中，合金組織主要為鐵素體和珠光體;而隨著鉬加入量增多，合金組織逐漸細(xì)化。鉬是碳化物形成元素，能降低合金中奧氏體內(nèi)碳的擴(kuò)散速率，推遲珠光體轉(zhuǎn)變[12]，使珠光體的轉(zhuǎn)變溫度降低；轉(zhuǎn)變溫度的降低進(jìn)一步降低了珠光體轉(zhuǎn)變時碳的擴(kuò)散速率，細(xì)化了珠光體組織并增加了珠光體含量，該組織具有強(qiáng)度高、韌性好的特點[13]。2.2鉬加入量對密度的影響

圖1　不同鉬加入量試樣的顯微組織Fig.1　Microstructures of the specimen with different molybdenum additions

由圖2可以看出，試樣的密度隨著鉬加入量的增多先增大后減小，當(dāng)鉬加入量為0.8%時，密度達(dá)到最大，為6.9 g·cm-3。鉬在真空中很難形成氧化物雜質(zhì)且其粒徑大小接近于鐵原子，加入后使合金產(chǎn)生較大的燒結(jié)收縮，并能有效地抑制鐵銅碳合金孔隙的形成和長大，從而促進(jìn)燒結(jié)致密化。此外，鉬元素是α-Fe穩(wěn)定元素，其加入量增加使α-Fe相區(qū)變大而γ-Fe相區(qū)變小；且鉬元素在α-Fe中的擴(kuò)散速率比在γ-Fe中的快，在燒結(jié)過程中會偏聚在鐵粉顆粒的燒結(jié)頸處，對鐵基材料的燒結(jié)起活化作用。當(dāng)鉬加入量增加到1.0%時，由于鉬硬度高于鐵，導(dǎo)致合金粉末在相同壓制壓力下塑性變形的難度增加，坯體密度降低，導(dǎo)致燒結(jié)后的合金密度下降。

圖2　不同鉬加入量試樣的燒結(jié)密度Fig.2　Sintered densities of the specimen with differentmolybdenum additions

2.3　鉬加入量對力學(xué)性能的影響

由圖3可知，試樣的硬度隨著鉬加入量的增加而增大。硬度的大小主要取決于組成相的數(shù)量和硬度。雖然鉬在鐵中的固溶強(qiáng)化作用不大，但是鉬元素可以和碳元素形成MoxC起到提高硬度的作用。

圖3　不同鉬加入量試樣的硬度Fig.3　Hardness of the specimen with different molybdenum additions

由圖4知，隨著鉬加入量的增加，試樣的抗拉強(qiáng)度和伸長率均先增大后減小，在鉬加入量為0.8%時達(dá)到最大，分別為318 MPa和3.9%。結(jié)合圖1可知，隨著鉬加入量的增加，試樣的孔隙逐漸變小并且合金組織更加細(xì)小均勻，因此抗拉強(qiáng)度和伸長率增加；但當(dāng)鉬加入量增大到0.8%以上時，鉬在鐵中的溶解速率和擴(kuò)散速率有所減小，使某些在燒結(jié)過程中形成的鉬-鐵中間合金粗顆粒能完全溶解而成為雜質(zhì)殘留，導(dǎo)致了合金拉伸性能下降[14]。

圖4　不同鉬加入量試樣的抗拉強(qiáng)度和伸長率Fig.4　Tensile strength and elongation of the specimen withdifferent molybdenum additions

3結(jié)論

(1) Fe-2Cu-xMo-0.8C合金的密度、抗拉強(qiáng)度和伸長率隨著鉬加入量的增加均先增大后減小，鉬加入量為0.8%時，其密度、抗拉強(qiáng)度和伸長率達(dá)到最大，分別為6.9 g·cm-3，318 MPa和3.9%；合金的硬度隨著鉬加入量的增加而提高。

(2) 鉬加入量的增加使Fe-2Cu-xMo-0.8C合金燒結(jié)體的孔隙減小，當(dāng)鉬加入量為0.8%，燒結(jié)體具有最少的孔隙和較細(xì)的組織。

參考文獻(xiàn)：

[1]SALAK A, SELECKA M. Effect of manganese content and manganese carrier on properties of sintered and sinter hardened hybrid Fe-3Cr-0.5Mo-xMn-0.24C steel[J]. Powder Metallurgy, 2008,51(4):327-339.

[2]黃加伍，彭虎.粉末冶金Fe-Cu-C合金的微波燒結(jié)研究[J].礦冶工程, 2005,25(5):77-79.

[3]陸宇衡,肖志瑜,陳露,等.Fe-Cu-Mn-C合金的性能與燒結(jié)行為[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2014,19(5):707-714.

[4]孫全社.釩微合金化鋼的強(qiáng)韌性研究[J].機(jī)械工程材料, 2006,30(8):19-21.

[5]張躍,黃運(yùn)華,翟浩,等.微合金化非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)韌化機(jī)理研究[J].機(jī)械工程材料, 2005,29(9):8-11.

[6]陳華,郭美娜,曹曉杰,等.鉻對鐵基預(yù)合金粉末燒結(jié)組織和性能的影響[J].熱加工工藝, 2006,35(18):4-6.

[7]王雨萍,賈成廠,曲選輝,等.碳的形態(tài)對燒結(jié)Fe-Cu-C系材料性能的影響[J].粉末冶金技術(shù), 2011,29(6):425-430.

[8]胡磊,肖志瑜,付文超,等.Mn含量對Fe-Cu-Mn-C系燒結(jié)合金組織和性能的影響[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2013,18(6):821-826.

[9]陳華,李月英,劉勇兵,等.鉻對FeNiMoCu系預(yù)合金粉末燒結(jié)性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報, 2006,27(3):86-90.

[10]林文松,李元元,陳維平.鎳元素對鐵基合金燒結(jié)收縮的影響[J].機(jī)械工程材料, 2003,27(10):11-14.

[11]陸宇衡.高性能鐵基粉末冶金燒結(jié)材料制備、性能及超聲疲勞行為研究[D].廣州：華南理工大學(xué), 2014:9-14.

[12]陳薈竹,李松林,王行,等.少量Mo添加對Fe-0.5Mn-0.5C燒結(jié)鋼組織和力學(xué)性能的影響[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2014,19(5):784-789.

[13]崔忠祈,覃耀春.金屬學(xué)與熱處理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2007:318-319.

[14]邱光漢,曾舟山,李益民,等.MIM Fe基的合金化強(qiáng)化[J].中國有色金屬學(xué)報, 1997,7(4):119-123.

導(dǎo)師：陳建鈞副教授

Effect of Molybdenum Content on Microstructure and Properties

of Fe-Cu-Mo-C Sintering Alloy

WANG Tian-guo, QIN Qun

(School of Materials Science and Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Shiyan 442002, China)

Abstract:The Fe-2Cu-xMo-0.8C (x changes between 0.2wt%-1.2wt%) alloys were prepared by powder metallurgy and the effect of molybdenum addition on the microstructure and mechanical properties of the alloy was investigated. The results show that with the increase of molybdenum addition, the sintered density, tensile strength and elongation of the alloy firstly increased then decreased, and reached the maximum value of 6.9 g·cm-3, 318 MPa, 3.9% respectively with molybdenum addition of 0.8wt%, and then obtained excellent comprehensive performance. Molybdenum can promote the densification of Fe-0.5Mn-0.5C compacts. The porosity of the sintered body decreased with the increase of molybdenum addition.

Key words:iron-based alloy; powder metallurgy; mechanical property; molybdenum

作者簡介：王少鵬(1977-)，男，陜西西安人，高級工程師，碩士。 高超(1991-)，男，山東臨沂人，碩士研究生。

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2012CB625100) 中央高校基本科研業(yè)務(wù)資助項目(1114036)；上海高校青年教師培養(yǎng)資助計劃(YG0142129)

收稿日期:2015-02-10； 2014-07-08；

修訂日期:2015-11-12 2015-07-22

DOI:10.11973/jxgccl201512005 10.11973/jxgccl201512004

中圖分類號：TF125.13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-3738(2015)12-0009-03