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烧结工艺对低合金钢性能的影响
作者:发布时间:2014-02-25 17:20:25点击率:1921

作者:陈丽芳,易健宏,彭元东
摘要:采用微波烧结和常规烧结工艺分别制备粉末冶金低合金钢Fe-4Ni-2Cu-0.6Mo-0.6C,研究不同烧结工艺对该合金密度、抗拉强度和硬度的影响,并借助扫描电镜和光学显微镜观察合金试样的断裂类型及试样的显微组织。结果表明:该合金在微波烧结温度为1300℃时,抗拉强度可达到655MPa,硬度90HRB;和常规烧结工艺相比,微波烧结不仅使烧结时间大幅缩短,而且可提高低合金钢的抗拉强度和硬度。
关键词:微波烧结;粉末冶金;低合金钢;性能

 

  微波烧结技术具有加热速度快、烧结周期短以及高效节能等优点,近年来已成为一种新的、重要的粉末冶金制备技术。传统观点认为,金属反射微波而不能进行微波烧结,但在20世纪90年代末,由于ROY等采用微波烧结的方法成功地制备出Fe-Ni-C ,Fe-Cu-C等粉末冶金材料,而且所得材料的密度和力学性能均高于常规烧结,才为这一新技术敞开了一片广阔的发展、应用天地。
  微波烧结技术是利用微波的特殊波段与材料的基本细微结构藕合而产生热量,直接将电磁能转换为热能,使材料整体加热并在短时间内达到所期加热的效果。与常规烧结方式相比,该技术缩短了加热和保温时间,使产品具有更加优异的物理和力学性能,ANKLEKAR等利用微波烧结工艺制备的粉末冶金铜钢和镍钢的力学性能均比常规烧结方法所制备的同种材料高,这主要得益于微波烧结铜钢和镍钢的孔隙细小且分布均匀。
  目前,微波烧结技术主要用于陶瓷材料制备,采用微波烧结法制备低合金钢的公开报道尚不多见。为了扩大微波烧结技术的应用并为微波烧结机理的研究提供实验依据,本文作者采用微波烧结工艺制备粉末冶金低合金钢(Fe-4Ni-2Cu-0.6Mo-0.6C),系统研究微波烧结低合金钢的工艺特点及其对材料性能的影响。


1实验
  实验采用水雾化铁粉(< 147um)轻基镍粉(< 3.3um),铜粉(<74um),钥粉(<7um)和石墨粉末(< 25um)为原料。按照Fe-4Ni-2Cu-0.6Mo-0.6C低合金钢的成分配料,用变频行星式球磨机干混2h,转速为120r/min,然后在600 MPa的压力下压制成形。分别采用微波烧结和常规烧结2种工艺对压坯进行烧结。微波烧结炉的微波频率为2.45 GHz、功率为5.5 kW。根据前期实验结果,确定烧结温度为1300℃,烧结气氛为氮气和氢气的混合气体,采用红外测温仪(型号:Raytek MM2MH)测温。常规烧结采用高温钥丝炉Hz烧结,烧结温度为1300℃,随炉冷却。烧结工艺见图1所示。

  用LJ3000A型机械式拉力试验机测试烧结试样的抗拉强度;用HDI-1875型布洛维硬度计测试试样硬度;用JSM-6360LU型扫描电子显微镜观察试样的拉伸断口,用4%的硝酸酒精溶液腐蚀金相试样后,在MeF3A型光学显微镜下观察试样的组织。


2结果与讨论
2.1 烧结工艺对密度的影响
  表1为低合金钢Fe-4Ni-2Cu-0.6Mo-0.6C的性能。图2所示为烧结试样孔隙的SEM照片。微波烧结低合金钢试样的密度为7.21g/cm3,而常规烧结试样密度为7.12g/cm3。微波烧结和常规烧结的最大区别是升温速率不同。当温度超过700℃后,微波烧结的升温速率可以达到65℃/min,而常规烧结的升温速率仅有5℃/min,一般情况下,采用较慢的升温速率有利于材料体系中的元素扩散,通过慢速升温以及长时间的保温可使材料充分合金化,达到提高材料各种性能目的;而微波烧结虽然升温速率快,但它是一种活化烧结,即使采用快速升温也能够使材料充分合金。低合金钢中的元素Ni和Cu可形成无限固溶体,当采用微波烧结快速升温时,元素来不及充分扩散,温度就达到了Cu的熔点(1 083℃),此时就保留充分的液相,液相铜在毛细管力的作用下沿着颗粒表面铺展、填充孔洞,有利于低合金钢的致密化;微波烧结的快速升温还可以抑制晶粒长大,同时微波烧结是整体加热,有利于烧结后孔隙的均匀化。从图2可看出微波烧结下的孔隙比常规烧结的更小,而常规烧结随着烧结的进行,晶粒开始长大。当铜开始溶解时,部分孔隙开始连通形成大孔隙,即使通过长时间的保温也难以使孔隙消除,导致烧结样品密度较低。

2.2烧结工艺对硬度的影响
  对于铁基材料而言,合金的成分决定组织,而组织又决定合金的性能。组织中各相的相对含量、分布及形态都会影响材料的性能。图3所示为常规烧结和微波烧结试样的显微组织。从图中可观察到常规烧结试样的组织由铁素体、珠光体、少量马氏体和孔隙组成,而微波烧结的组织为大量的马氏体和珠光体。造成这2种烧结方式下存在组织差异的原因,主要是由于微波烧结是材料直接吸收微波转化成热能从而达到烧结的目的,当关闭微波源后,微波烧结低合金钢的冷却速度很快,最高达45℃/min,接近于淬火速度,所以从图3(b)中可看出显微组织中有大量的马氏体;而常规的氢气炉是通过热传导加热,当关掉电源后,炉腔中存在大量余热,样品随炉一同冷却,冷却速度很慢,所以室温显微组织主要为铁素体。2种不同烧结方式下,影响低合金钢硬度的主要因素是马氏体的含量,在微波烧结后的快速冷却条件下,组织中有大量马氏体,因而具有较高的硬度。

2.3烧结工艺对抗拉强度的影响
  由表1可见微波烧结低合金钢的力学性能高于常规烧结,这是由于微波烧结低合金钢的密度较高。对于铁基材料而言,密度对其力学性能有较大的影响,当密度达到7.2g/cm3后,其抗拉强度、硬度和疲劳强度都会随密度的增加而呈几何级数增大。并且,材料的力学性能和孔隙度有如下关系:
σ=Kσof(θ)             (1)
式中σ为烧结材料的静态强度,σo为致密材料的强度,K取决于材料和制造工艺,θ为孔隙度。即使粉末冶金材料的孔隙度或密度相同,抗拉强度还与孔隙的形状、大小和分布有关,孔隙的球化和平滑化都可以减少应力集中,从而提高材料的抗拉强度。从图2可以看出微波烧结的孔隙比常规烧结更圆且分布更均匀,因此微波烧结低合金钢具有较高的抗拉强度。
  图4所示为常规烧结和微波烧结拉伸样的断口形貌。从图4(a)中可以看出常规烧结样品的晶粒较粗大,这是由于常规烧结的冷却速度慢导致晶粒长大,同时断口有大量的孔隙,且几乎没有韧窝,属于沿晶断裂。而图4(b)所示微波烧结样品断口有光滑平整的小平面,为结晶状断口形貌,属于解理断裂,在断口处还有大量的韧窝存在,且韧窝较深,因此微波烧结拉伸断口主要由韧窝和解理断面组成,属于一种混合型断裂方式。


3结论
1)粉末冶金低合金钢((Fe-4Ni-2Cu-0.6Mo-0.6C)的微波烧结和常规烧结相比有较大的优势,即微波烧结能明显提高低合金钢的密度和力学性能,同时可大幅缩短烧结周期。
2)采用微波烧结时,在1300℃烧结15min,样品具有较好的综合性能,密度可达7.21g/cm3,抗拉强度为655MPa,抗拉强度比常规烧结提高近35%。
3)微波烧结低合金钢的显微组织是马氏体和珠光体,拉伸试样的断裂方式是韧窝和解理断裂的混合断裂方式。