不同鉻含量鐵基粉末燒結鍛造鋼的顯微組織與性能

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(1.安徽工程大學機械與汽車工程學院，蕪湖 241000；2.集瑞聯合重工有限公司，蕪湖 241080；3.福建三峰集團有限公司，福清 350301)

0 引 言

粉末冶金技術具有高效、精密、優質、低耗、節能等優點，非常適用于大批量生產各種機械零部件;對于難于成形或無法成形的復雜形狀零件，該技術更顯示出其低成本的優勢。所制備的粉末冶金材料在機械、電子、汽車、化工等領域得到廣泛的應用。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，并限制了其應用范圍。為擴大粉末冶金材料的應用范圍，粉末冶金技術正朝著合金元素的多元化、燒結材料的致密化方向發展[1]。優良的微觀結構和較高的密度是粉末冶金材料具有優異性能的重要保證。由于傳統鍛鋼中用來提高性能的合金元素鉻與氧的親和力強，燒結時很容易氧化[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，但有關鉻含量對鐵基粉末燒結鍛造鋼性能影響的報道較少。為了獲得密度高以及微觀結構和綜合性能更加優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，經冷壓燒結、熱鍛、淬火、回火等工序制備了鐵基粉末燒結鍛造鋼，研究了此鋼的顯微組織、密度、力學性能和耐磨性能，確定了鉻的最佳含量，以期為生產實踐提供試驗依據。

1 試樣制備與試驗方法

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

采用標準的流體靜力法測密度。按照GB/T 7964-1987，加工出如圖1所示的拉伸試樣，在CMT5205型拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗，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型顯微硬度計上測硬度，載荷為1.961 N，保載時間為1 min。在MG-2000型磨損試驗機上進行干摩擦磨損試驗，摩擦形式為銷-盤式，銷形磨損試樣的尺寸為φ6 mm×12 mm，對磨盤的尺寸為φ70 mm×12 mm，對磨盤材料為GCr15鋼，硬度為62 HRC，試驗載荷80 N，轉速200 r·min-1，摩擦時間5 min；用精度為0.1 mm的AR124CN型分析天平測試樣磨損前后的質量差，得到磨損質量損失，測3次取平均值，磨損率的計算公式為

(1)

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

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

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

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

2.2 密度和力學性能

由圖3可知：經熱鍛+淬火+回火后，冷壓燒結試驗鋼的硬度、密度、抗拉強度和伸長率均得到大幅提高；經冷壓燒結或冷壓燒結+熱鍛+淬火+回火后，添加鉻的試驗鋼的密度均比未加鉻的略有下降或基本相當，這主要是由于硬度較高和形狀不規則鉻鐵粉的加入會降低粉末的流動性而使壓制性能變差導致的，含0.55%鉻試驗鋼的密度與未加鉻的基本相當；隨著鉻含量的增加，經冷壓燒結或冷壓燒結+熱鍛+淬火+回火后，試驗鋼的硬度均略有增加，但相差不大；試驗鋼的抗拉強度和伸長率隨鉻含量的波動較大，含0.55%鉻試驗鋼的抗拉強度和伸長率均最高，綜合力學性能最佳，這與其組織均勻性有關；經冷壓燒結+熱鍛+淬火+回火后，試驗鋼的最高抗拉強度可達1 310 MPa，最大伸長率達5.98%。熱鍛后冷壓燒結試驗鋼的密度和顆粒間的連接強度均得到提高，組織更為細小、均勻；經淬火+高溫回火后，合金元素發生明顯擴散，并在α-Fe和滲碳體之間進行重新分配，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]；同時熱鍛過程中形成的大量位錯使合金元素的擴散阻力增大，因此冷壓燒結+熱鍛+淬火+回火后試驗鋼的硬度和強度比冷壓燒結后的得到大幅提高[5]。

圖2 不同處理工藝后不同鉻質量分數試驗鋼的顯微組織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鋼的密度、硬度、抗拉強度和伸長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，原始顆粒之間的連接作用較弱，在拉伸過程中易發生解理和分離，斷裂多發生在原始顆粒間孔隙的連接處[6]，因此試驗鋼的宏觀斷裂形式為脆性斷裂；未添加鉻試驗鋼斷口上的孔隙較多，韌窩尺寸較大；含0.55%鉻試驗鋼斷口上的韌窩小而深，且分布均勻，含1.00%鉻試驗鋼斷口上除了存在韌窩外，局部區域還存在小的河流狀解理臺階或撕裂棱，說明該區域發生了脆性斷裂，且裂紋源位于內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 不同鉻質量分數燒結鍛造鋼的斷口形貌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：與冷壓燒結試驗鋼相比，經冷壓燒結+熱鍛+淬火+回火后試驗鋼的耐磨性能得到明顯提高，含0.55%鉻試驗鋼的磨損率最低，為7.01×10-13m3·N-1·m-1；隨著鉻含量的增加，試驗鋼的磨損率均呈先降后升再降的趨勢，并在鉻質量分數為0.55%時達到最低。由圖6可知：不同鉻含量試驗鋼的磨損機制均為剝層磨損和磨粒磨損；不含鉻和含1.00%鉻的試驗鋼磨損表面的犁溝均較深且寬，塑性變形較嚴重，剝層深且面積大，磨損程度較嚴重；含0.55%鉻的試驗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 不同鉻質量分數燒結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 論

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

(2) 冷壓燒結鋼的組織為鐵素體+珠光體，經熱鍛、淬火后的組織為馬氏體，再經高溫回火后的組織為回火索氏體；當鉻質量分數0.55%時，燒結鍛造鋼組織的均勻性最好。

(3) 燒結鍛造鋼的硬度、密度、抗拉強度和伸長率比冷壓燒結鋼均得到大幅提高，磨損率降低；當鉻質量分數為0.55%時，燒結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，抗拉強度為1 310 MPa，伸長率為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，磨損機制主要為剝層磨損和磨粒磨損。