粉末冶金Fe-2Cu-xC合金的性能研究*

2021-04-04 14:14:41潘超梅湯志豪何鵬江陳珊珊曾克里

材料研究與應用 2021年2期

潘超梅，湯志豪，2,何鵬江，羅浩，陳珊珊，曾克里

1.廣東省科學院材料與加工研究所，廣東廣州 510000；2.中南大學，材料科學與工程學院，湖南長沙 410000

Fe-Cu-C材料是粉末冶金結構件中使用量較大的一類材料[1-2]．銅的熔點為1083 ℃，在實際應用中其加入量一般為1%～3%，在燒結過程中先熔化成液體的銅對鐵基材料的燒結起到促進作用[3]．但在常規燒結條件下，銅并不能完全完成擴散，從而導致在鐵基材料表面和心部的銅含量不一致[4]．在鐵銅合金中添加石墨碳，可以改變熔體相的二面角，促進銅向鐵基材料中擴散，減小鐵粉顆粒表面與心部的銅含量差異[5]．銅和碳的添加會使壓坯燒結后的尺寸發生體積膨脹，當添加2%的銅時鐵基材料尺寸特別敏感[6]．在混粉工藝方面，也進行了大批量實驗驗證和研究，表明粉末原材料對合金后續壓制和燒結的性能影響很大．由于傳統的直接機械混合方法中存在成分不均勻的問題，預混合粉末法被開發出來替代傳統混合粉末法[7-9]．

以 Fe-2Cu-xC為研究對象，采用還原鐵粉、霧化鐵粉、電解銅粉和石墨作為原材料，用預混合法和直接機械混合法對粉末進行混合得到 Fe-2Cu-xC混合粉末，然后進行壓制和燒結．探索了混合工藝對混合粉末性能的影響，并研究了碳含量對燒結制品力學性能和顯微組織的影響，為提高生產中鐵基材料制品性能提供了實驗依據．

1 實驗部分

1.1 試驗原材料

根據公司實際生產需要，實驗原材料采用鞍鋼水霧化粉(200.30)、馬鋼還原鐵粉(100.255)、有研電解銅粉(75μm)、廣州市慶帆翔材料科技有限公司的石墨粉(MCG-1076Q)，新型潤滑劑采用自制潤滑劑．表1及表2分別為鐵粉和電解銅粉原材料粉末的化學成分，表3為原材料粉末的物理性能．

表1 鐵粉的化學成分析Table 1 Chemical composition of iron powder w/%

表2 電解銅粉的化學成分Table 2 Chemical composition of electrolytic copper powder w/%

表3 原材料粉末的物理性能Table 3 Physical properties of raw material powder

圖1為還原鐵粉、霧化鐵粉、電解銅粉和石墨粉的掃描電鏡(SEM) 照片．從圖1可以看出：還原鐵粉的顆粒較大，空隙也較多，外形呈現出不規則的形狀，也有片狀存在；霧化鐵粉的大小較為均勻，霧化鐵粉粒度較細且球形度比還原鐵粉的球形度高，細粉有團聚；銅粉為松枝狀，而石墨粉為鱗片狀且其中存在少量較細的顆粒．

圖1 不同倍率下原料粉末SEM圖(a)，(b)還原鐵粉；(c)，(d)霧化鐵粉；(e)，(f)電解銅粉；(g)，(h)石墨粉Fig.1 SEM image of raw material powder at different magnifications (a)，(b) reduced iron powder；(c)，(d) atomized iron powder；(e)，(f) electrolytic copper powder；(g)，(h) graphite powder

1.2 試驗方法

按照一定比例稱取還原鐵粉、霧化鐵粉及銅粉，將它們放入混粉機中混合30 min，再加入石墨和潤滑劑混合60 min，將混合粉烘干后過177 μm篩，即制得預混合鐵基粉末．同時，將還原鐵粉、霧化鐵粉、銅粉、石墨粉及潤滑劑按比例稱取，然后進行直接機械混合60 min得到混合粉末，直接機械混合粉作為實驗對照組．將預混合粉末和直接機械混合粉末在模壓機上壓制成型，壓制壓力為600 MPa，壓制成型后對制品進行性能檢測，然后在網帶燒結爐中在氨分解氣氛下進行燒結，燒結溫度1120 ℃，保溫1.5 h．

1.3 測試與表征

松裝密度及流動性的檢測使用霍爾流速計，松裝密度按GB/T1479-1984金屬粉末松裝密度的測定方法，流動性按GB/T1482-1984標準漏斗法(霍爾流速計)．壓縮性檢測使用YAW-300bⅡ型微機控制電液伺服壓力試驗機，按GB/T1481-1998金屬粉末(不包括硬質合金粉末)在單軸壓制中壓縮性的測定法．利用掃描電鏡(SEM)對原料粉末、預混合粉末和直接機械混合粉末進行形貌檢測，生坯密度和燒結密度采用阿基米德排水法測試．抗拉強度在萬能試驗機檢測，表觀硬度采用布氏硬度儀檢測．圖2為壓制樣品圖．

圖2 粉末壓制產品圖Fig.2 Powder pressing product diagram

2 結果與分析

2.1 預混合粉末原材料性能分析

表4為碳含量對 Fe-2Cu-xC預混合粉末性能的影響結果．由表4可知，碳含量對鐵基混合粉體的粒度、流動性及松裝密度影響很大，隨著碳含量的增加預混合粉末的粒度減小，由于所添加的石墨顆粒非常細小(平均顆粒尺寸8 μm左右)，因此整體的預混合粉末粒度減小．預混合后的碳主要填充在鐵粉顆粒的間隙中，但由于石墨粉為不規則形狀，在混合過程中阻礙霧化鐵粉的有序密排，降低了混合粉體的流動性，同時也降低了預混合粉末的松裝密度．

表4 對Fe-2Cu-xC預混合粉末性能的影響Table 4 Carbon content of Fe-2Cu-xC premixed powder performance impact

圖3為 Fe-2Cu-xC預混合粉末SEM圖，圖中疏松樹枝形狀的為電解銅粉，片狀為石墨粉，其余為鐵粉．從圖3可以看出，隨著碳含量增加片狀石墨粉占比隨之增加，且均勻分布于鐵粉顆粒間隙中．同時，隨著碳含量增加，預混合粉末的粒度整體在減小，此結果與表4的結果吻合．

圖3 不同倍率下Fe-2Cu-xC預混合粉末SEM圖(a)，(b) w(C)=0.5%；(c)，(d) w(C)=0.8%；(e)，(f) w(C)=1.0%Fig.3 SEM image of Fe-2Cu-xCpremixed powder at different magnifications

2.2 粉末混合工藝對壓制品穩定性的影響

為考察混合方式對壓制制品穩定性的影響，在批量生產的產品中隨機抽取100個壓制生坯進行稱重，圖4和圖5分別為預混合法和直接機械混合法混合的粉末壓制的大、小件產品質量．從圖4可見，在進行大件試樣生產試驗時，兩組混合粉末均表現出了較好的穩定性，直接機械混合粉末的質量波動性還是略大于預混合粉末，用直接機械混合粉末壓制的制品單重浮動偏差為0.75%，而小件的為0.24%．從圖5可以看出，預合金粉末壓制的制品生坯質量波動性明顯小于直接機械混合粉，預合金粉及直接機械混合粉的波動性分別為0.44%和0.88%．通過大小試樣生產實驗可以知道，預混合粉末的穩定性明顯優于直接機械混合粉末．

圖4 粉末混合工藝對大件壓制品質量的影響Fig.4 Influence of powder mixing process on weight of bulk pressed products

圖5 粉末混合工藝對小件壓制品重量的影響Fig.5 Influence of powder mixing process on the weight of small pressed products

2.3 碳含量對Fe-Cu-C燒結件顯微組織的影響

圖6為不同碳含量粉末的燒結體的顯微組織，圖中深黑色區域為孔隙，白色區域為鐵素體，網絡狀組織為滲碳體，條紋狀組織為珠光體．從圖6可見：隨著碳含量的增加，珠光體逐漸增加，鐵素體相對減少；碳含量為0.5%時，燒結試樣的組織由鐵素體和珠光體組成；碳含量為0.8%時，出現了游離的滲碳體和片層狀珠光體；當碳含量達到1.0%時，大量的網狀滲碳體出現，鐵素體減少．同時，隨著碳含量增加，燒結件的晶粒間孔隙度增大，降低了燒結件的致密度．

圖6 燒結后鐵基制品的金相圖 (a)，(b) w(C)= 0.5%；(c)，(d) w(C)=0.8%；(e)，(f) w(C)=1.0%Fig.6 Metallographic diagram of iron based products sintered

2.4 碳含量對Fe-Cu-C燒結硬度及強度的影響

圖7為不同碳含量粉末燒結試樣的硬度．從圖7可以看出，燒結制品的硬度隨著碳含量的增加而增大，在碳含量到達1.0%時硬度(HRB)達到74.0．當碳含量為0.5%時燒結試樣的組織主要由鐵素體和珠光體組成，而鐵素體是軟質相，此時燒結件的硬度為48 HRB．當碳含量為0.8%時試樣中出現了網狀滲碳體，滲碳體是硬質相，燒結件的硬度提高到61 HRB．碳含量達到1.0%時出現大量網狀滲碳體，試樣的硬度進一步提高，此時燒結件的硬度為74 HRB．

圖7 碳含量對鐵基燒結制品硬度的影響Fig.7 Influence of carbon content on hardness of iron-based sintered products

表5為碳含量對 Fe-2Cu-xC材料抗拉強度的影響．由表5可知，隨著碳含量的增加，抗拉強度呈現先增加后減小的趨勢，當碳含量為0.8%時抗拉強度達到最大值496.34 MPa．

表5 碳含量對抗拉強度的影響Table 5 Influence of carbon content on tensile strength

從相組成來看，在室溫下鐵碳合金主要由軟韌的鐵素體和脆性的滲碳體所組成．當不含碳時合金全部由鐵素體所組成，隨著含碳量的增加鐵素體減少滲碳體增加，當碳含量達到6.69%時全部為滲碳體．在碳含量為0～0.77%范圍內時為亞共析鋼，隨著碳含量的增加滲碳體增加，使得強度升高塑性下降．碳含量大于0.77%時為過共析鋼，碳含量在0.8%時其強度達到最高值，此時繼續添加碳，會出現大量的脆性二次滲碳體，由于二次滲碳體在晶界處形成連續的網狀，從而使得組織又硬又脆．因此，當碳含量超過0.8%時繼續添加碳，抗拉強度會下降．

2.5 碳含量對Fe-Cu-C燒結致密度和尺寸的影響

圖8為碳含量對粉末冶金試樣生坯密度和燒結密度的影響曲線．圖8可看出，隨著碳含量增加，試樣的生坯密度及燒結密度都呈下降趨勢，并且生坯密度均高于燒結密度，而生坯密度和燒結密度的差值隨碳含量增加而減小．這是因為在燒結過程中碳阻礙了金屬原子間的擴散，減緩燒結頸形成，從而增大了材料的孔隙度，使燒結件體積發生膨脹，導致致密度降低．

圖8 碳含量對鐵基粉末冶金密度的影響Fig.8 Influence of carbon content on the density of ferrous powder metallurgy

圖9為碳含量對鐵基燒結件徑向尺寸膨脹率的影響．從圖9可見，Fe-Cu-C燒結坯的徑向燒結尺寸膨脹率隨碳含量增加而降低，說明添加碳可減少鐵基材料的體積膨脹．這主要是因為隨著碳含量增加，Cu固溶于Fe晶格點陣的量減少，從而減少了晶格畸變，使膨脹率減小．另一方面，雖然碳溶入奧氏體中也會引起晶格常數增大，但由于奧氏體中含碳量增加會提高鐵的自擴散系數，在燒結過程鐵原子之間擴散加快，形成重排并致密化，體積膨脹減小．