燒結溫度對Fe-9Mn-4Al-0.4C低密度鋼組織結構和性能的影響

王發倉，馬嘯宇

（1.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇南京 210035；2.安徽工業大學冶金學院，安徽馬鞍山 243000）

0 引言

在Fe-Mn-C系合金材料中添加密度較小的Al和Si等元素，能夠獲得具有高強度、高韌性、耐腐蝕等一系列優點的低密度鋼，廣泛應用于鐵路、航海以及航空航天等領域，對汽車、船舶、飛機結構件的優化設計和輕量化發展產生了巨大影響。目前低密度鋼的性能提升是研究的重點，Kyung-Tae［1］以Fe-20Mn-11Al-1.8C低密度鋼為實驗材料，在1 100℃等溫15 min后水冷至室溫并冷軋，顯著提高了合金的硬度、拉伸性能。周占明等［2］對不同固溶溫度Fe-22.8Mn-8.48Al-0.86C低密度鋼的組織演變規律和力學性能進行了研究，發現在1 100℃固溶處理1 h后,實驗鋼強塑性最佳；劉少尊等［3］在1 000℃對Fe-27Mn-8Al-1.6C低密度鋼進行了固溶處理，得到了強塑積43.1 GPa的合金材料。

但是上述研究大多是通過傳統鑄造和熱處理的方式獲得機械性能優秀的低密度鋼，隨著溫度升高，材料的硬度和強度會逐漸退化，嚴重影響使用壽命［4］，同時實驗過程中無可避免地產生了大量氧化鐵皮，降低了成品率的同時提高了生產成本。因此，新生產工藝的引入迫在眉睫。一般來說，晶粒的細化可以顯著提高合金的硬度和強度等機械性能。機械合金化（MA）作為一種成熟的粉末生產技術，能夠制備得到有良好燒結活性的納米晶粉末材料。放電等離子燒結（SPS）可以通過脈沖電流實現快速升溫，在縮短燒結時間的同時抑制了晶粒長大，從而得到晶粒細小的致密塊體材料［5］。因此，本文利用機械合金化和放電等離子相結合的方法，分別在1 050℃，1 100℃，1 150℃制備了Fe-9Mn-4Al-0.4C塊體材料，并研究了燒結溫度對塊體合金組織結構和性能的影響。

1 實驗材料與方法

本實驗選用純度 99.9wt%的 Fe，Mn，Al（粒度≤45）粉末以及純度99.9 wt%的C粉（粒度≤20）作為實驗材料。首先將各成分粉末按照Fe-9Mn-4Al-0.4C（wt.%）的固定配比進行均勻混合，隨后將100 g的混合粉末與900 g的不銹鋼研磨球一同置入不銹鋼研磨罐，充入氬氣后密封。使用高能行星球磨機以300 rmp轉速對混合粉末進行機械合金化操作，總球磨時間10 h。將混合均勻的粉末裝入石墨模具，采用放電等離子燒結技術進行燒結，升溫速率設定為200℃/min，分別在1 050℃，1 100℃，1 150℃進行燒結并保溫10 min，燒結過程中持續施加50 MPa大小的軸向壓力，燒結結束后緩冷至室溫。

使用4%硝酸酒精腐蝕燒結試樣60 s，采用JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡（SEM）結合EDS能譜對材料的微觀組織進行表征；使用D8 ADVANCE型X射線衍射儀對試樣進行物相分析；使用THV-1MD顯微硬度計測量材料的維氏硬度；燒結樣密度使用阿基米德排水法進行測定。

2 結果與討論

2.1 燒結溫度對Fe-9Mn-4Al-0.4C合金顯微組織的影響

圖1 不同燒結溫度下合金的顯微組織

圖1 是不同燒結溫度下燒結試樣的顯微組織圖片?？梢园l現，當燒結溫度為1 050℃，1 100℃時，晶粒細小，平均晶粒尺寸在之間；當燒結溫度升高到1150℃時，晶粒尺寸增大。此外，當燒結溫度為1050℃時，組織中的晶界比較模糊，不易觀察，隨著燒結溫度進一步升高，晶界逐漸清晰。綜上所述，燒結溫度對晶界的形成和晶粒尺寸都存在較大影響，從動力學角度分析，燒結溫度越高，就能夠提供越多的能量促進晶粒形核并長大。

進一步觀察發現，不同溫度的燒結試樣顯微組織特征差別不大，由深灰色基體、淺灰色析出物與少量孔隙組成。其中，在深灰色基體部分均勻分布的奧氏體晶粒是主要的組成部分。同時奧氏體晶界呈白色，是碳元素飽和后從奧氏體中析出的二次滲碳體，沿晶界均勻分布，整體呈現白色網狀結構。這是由于燒結完成后采用了緩冷方式進行冷卻，隨著冷卻的繼續進行，奧氏體中溶解的碳達到飽和，逐漸析出。同時又因為晶界上的缺陷具有更多能量，利于原子擴散，對滲碳體核心形成提供了便利，最終滲碳體沿奧氏體晶界分布。值得一提的是，隨著滲碳體的形成與生長，其兩側的奧氏體會形成一定的貧碳區，為鐵素體形核創造一定條件。但本實驗顯微組織中并沒有觀察到鐵素體，在后續的XRD分析中也沒有發現α相的存在，說明燒結樣中的奧氏體組織穩定性較好。

對燒結樣的高倍二次衍射圖像進行觀察，發現除去深灰色基體、淺灰色析出物之外，在相鄰奧氏體晶界上能觀察到形狀不規則的亮白色顆粒，數量較多且分布不均勻。Wang等［6］早年在研究中發現，在Fe-Mn-Al-C合金中的碳含量小于1.3 wt.%的情況下，k型碳化物會沿奧氏體晶界不均勻析出，使奧氏體中C含量降低的同時阻止奧氏體進一步長大。因此初步推斷奧氏體晶界間亮白色顆粒為k型碳化物，同時發現當溫度升高到1 150℃時，視場內存在的亮白色顆粒明顯減少，這是由于高溫燒結過程中，部分碳化物溶解。

2.2 燒結溫度對Fe-9Mn-4Al-0.4C合金物相組成的影響

圖2為不同燒結溫度各試樣的X射線衍射圖譜。當燒結溫度不同時，試樣的相組成成分并沒有明顯的區別，都包含γ相、（Fe，Mn）3C滲碳體和k型碳化物這3種組成相。當燒結區溫度為1 100℃時，γ相在圖譜中的衍射峰相對強度大于1 050℃時的衍射峰強度，這說明升溫過程中碳化物的析出在持續進行，相轉變仍在發生。當燒結溫度提高到1 150℃后，γ相和碳化物對應的衍射峰強度同時下降，說明在1 100～1 150℃之間，碳化物開始溶解。隨著碳化物溶解的進行，越來越多的碳原子轉移到奧氏體晶格的間隙位置，導致奧氏體晶格參數降低，在X射線衍射圖譜上表現為衍射峰相對強度的減小。

圖2 不同燒結溫度下合金的XRD衍射

可以明確的是，在燒結過程完成了γ→γ0（貧碳奧氏體）+k的轉變，直接導致了k型碳化物在晶界的不均勻析出，相同的現象也存在于Y.Kim等［7］的研究中。這是在驅動力足夠的前提下，Al元素及C元素在奧氏體中充分擴散，促進了γ相的分解，從而生成了K型碳化物。但是在圖2中并沒有觀察到典型的γ+k雙相結構，這是由于Fe-9Mn-4Al-0.4C合金中奧氏體形成元素Mn含量不高，要想觀察到穩定的γ+k雙相結構，合金中Mn的質量分數至少需要達到13 wt.%［8］。

2.3 燒結溫度對Fe-9Mn-4Al-0.4C合金致密性的影響

不同燒結溫度下各試樣的表面形貌如圖3所示，并沒有發現明顯的孔隙存在，這是由于燒結進行到后期在接近燒結體表面形成了無孔的致密層，只有通過腐蝕的手段才能對內部孔隙結構進行觀察分析。觀察不同燒結溫度下各試樣的顯微特征如圖2所示，當燒結溫度為1 050℃時，觀察到有大量的孔隙存在，這些孔隙首尾相接形成了密集的孔隙網絡，在幾何外形上是高度連通的。燒結溫度提高到1 100℃后，連通的孔隙網絡被相互隔離的閉孔所取代，孔隙形狀變得愈發不規則同時尺寸明顯減小。提高燒結溫度，不規則閉孔進一步收縮，最終形成了小尺寸的球形孔隙。

連通孔隙的不斷消失與隔離閉孔的收縮是貫穿整個燒結過程中的組織變化特征，燒結溫度越高，該變化過程進行得就越快，孔隙的收縮球化也就越徹底。燒結過程中如果孔隙與晶界分離，會導致燒結的最終密度下降，理想情況下致密化后的孔隙位于晶界的邊界位置［9］。燒結試樣的BSE圖像如圖4（a）所示，觀察后發現，1 100℃燒結溫度下，燒結試樣中的球形孔隙占據了晶粒邊界，形成了標準的孔隙-晶粒邊界結構。在孔隙對晶界產生釘扎作用的同時，能夠阻止晶粒的進一步長大。

2.4 燒結溫度對Fe-9Mn-4Al-0.4C合金物理性能的影響

圖5為燒結溫度對Fe-9Mn-4Al-0.4C合金密度和硬度的影響。在1 050℃，1 100℃和1 150℃的燒結溫度下，Fe-9Mn-4Al-0.4C合金試樣的密度分別為7.287，7.322，7.334，由于輕質元素Al含量不高，與傳統鋼相比密度值下降了6%左右，足以應對輕量化需求。合金在燒結溫度1 050℃時密度最小，此時試樣的硬度最低；隨著燒結溫度升高，合金致密度也呈現增大趨勢，硬度也隨之增大。當燒結溫度升高到一定程度后，致密度增大趨勢變緩，硬度值增量也隨之減小。說明燒結體硬度屬于對孔隙形狀不敏感的性能，主要取決于材料的致密程度。溫度升高促進了轉變，也導致了一部分碳化物的溶解，但燒結樣的主要組成相依舊是處于固溶狀態［10］的相，因此對硬度變化影響不大。但由于固溶強化的存在，燒結得到的Fe-9Mn-4Al-0.4C合金比相應鍛造材料的硬度高，表現出更為優異力學性能。

3 結論

（1）放電等離子燒結得到的Fe-9Mn-4Al-0.4C合金主要由γ相、Mn溶于Fe3C形成的合金滲碳體和k型碳化物組成；隨著燒結溫度的持續升高，碳化物首先沿境界析出，最后緩慢溶解。

圖3 不同燒結溫度下合金的SEM形貌

圖5 燒結溫度對合金密度、硬度的影響

（2）放電等離子燒結得到的Fe-9Mn-4Al-0.4C合金致密性較好，隨著燒結溫度的升高，連通孔隙逐漸閉合收縮，最終成為尺寸細小的球形閉孔?？紫墩紦Я＿吔纾纬煽紫?晶粒邊界結構阻止晶粒長大。

（3）放電等離子燒結得到的Fe-9Mn-4Al-0.4C合金具有較高的致密度和顯微硬度，隨著燒結溫度的升高，合金致密度和硬度呈增大趨勢；硬度對孔隙形狀不敏感，與合金致密度密切相關。