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不同温度下微波烧结Fe-Cu-C的性能
作者:发布时间:2013-11-21 16:37:05点击率:2161

作者:彭元东,易健宏,郭颖利,罗述东,李丽娅
(中南大学粉末冶金国家重点实验室,湖南长沙,410083)
摘要:对微波烧结Fe-2Cu-0.6C粉末冶金材料进行探索性研究,研究不同烧结温度下微波烧结样品的性能和显微组织,并与相同温度下的常规烧结样品进行对比。研究结果表明:与常规烧结相比,微波烧结可得到较高的烧结密度以及较高的抗拉强度和伸长率,两者的洛氏硬度相当;微波烧结样品在1 150℃时性能最佳,密度为7.20g/cm3,抗拉强度为413.90 MPa,洛氏硬度为E1RB75;微波烧结样品具有良好的微观结构,即小的、近圆形且均匀分布的孔隙结构,从而也有利于获得细小的晶粒和较高的致密度;微波烧结与常规烧结相比,样品具有更多片状和粒状珠光体,能显著改善其性能。
关键词:微波烧结;Fe-Cu-C合金;力学性能;显微组织

 

  微波烧结是一种利用微波加热对材料进行烧结的方法,是近年来广泛开展的一种烧结新技术。与常规烧结相比,微波烧结具有烧结温度低、时间短、加热均匀等特点,可以有效抑制晶粒长大,细化合金的显微组织,有利于改善烧结体的性能。微波烧结技术被引入材料科学领域已有30多年,但其烧结的材料种类受到限制。20世纪90年代,该技术向基础研究、
实用化和工业化发展,并在陶瓷烧结方而得到广泛应用。90年代末期,Rov等成功地烧结出Fe、Cu、Ni、Co、Fe-Cu和Fe-Ni合金等金属粉末冶金材料。
  目前,微波技术已涉及硬质合金、磁性材料、316L不锈钢、CuTi一金刚石复合体以及Mg/Cu纳米复合体等材料的烧结。特别是金属及其合金的微波烧结与合成成为了研究热点。
  粉末冶金Fe-Cu-C材料用途广泛,是铁基粉末冶金结构零件的主要材质。用传统电阻加热方式烧结该合金工艺已相当成熟,人们对采用微波烧结工艺也进行了初步探索,但其综合性能不很理想。在此,木文作者以还原铁粉、电解铜粉和石墨为原料,研究不同微波烧结温度对Fe-Cu-C合金性能的影响规律,并对比微波烧结合金与常规电阻加热氢气烧结(以下简
称常规烧结)合金的力学性能和显微组织,以便为进一步提高Fe-Cu-C合金的微波烧结性能提供实验依据。

 

1实验
  实验以还原铁粉(粒度蕊147 gym)、电解铜粉(粒度蕊38hum)和石墨粉(粒度蕊43hum)按质量比97.4:2.0:0.6配料,以无水乙醇为混料介质,球料比为5:1,采用变频行星式球磨机混合,球磨转速为120r/min,混合Sh;混后粉末在电热恒温干燥箱中干燥。
  实验成形压力为600 MPa。烧结分为微波烧结和常规烧结2种方式,烧结温度分别为1100,1120,1150,1180,1200℃。微波烧结采用N2+H2气氛,保温10 min;常规烧结采用氢气气氛,保温60min。
  采用排水法测定试样密度。采用LJ3000A型机械式拉力试验机分析烧结坯的抗拉强度;采用HD工一1875型的布洛维硬度计测试样品硬度。在MeF3A光学显微镜上观察样品的孔隙分布、粒径以及组织形貌,孔隙度的测试为Leica Q520软件。

 

2 结果与分析
2.1微波烧结温度对密度的影响规律
  密度是影响粉末冶金材料性能的主要因素,是评价材料性能的主要指标。图1所示为2种烧结方式下试样温度与密度的关系。从图1可以看出,微波烧结试样的密度明显比常规烧结的高。微波烧结试样密度为7.05-7.20 g/cm3,随着烧结温度的提高,样品密度增大,在1150℃时达到最大值7.20 g/cm3。但温度继续增加时,密度反而有所降低。常规烧结密度在1100-1200℃时为6.867.00 g/cm3;在1180℃时密度达到最大,为7.00 g/cm3。


  微波烧结时,其加热不同于常规加热,通过对流、传导、热辐射的加热模式。在微波烧结过程中,由于材料内部吸收微波,产生热量,因而,温度梯度比常规加热要小得多。同时,在微波场中,原子扩散速度加快,从而降低烧结温度和加速反应进行,致密化与合金化过程可以在很短的时间内即可完成。且短时间内晶粒不易长大,易得到均匀的细晶粒显微结构,有利于提高材料的性能。
  通过实验研究了不同温度下微波烧结保温10 min时的烧结密度。结果表明,与常规烧结60 min相比,保温时间显著减少。此外,微波烧结对应最佳致密化的温度要比常规烧结的低,这也表明微波烧结降低了烧结温度。
  在相同烧结温度下,微波烧结比常规烧结具有更致密的微观结构(如图2所示)。此外,金相观察结果表明,微波烧结有一个致密的核心,边缘多孔,这表明材料自身发热,热传递从内而外,材料内部温度比表而温度高。而常规烧结则是边缘较为致密而中心相对多孔的不均匀显微结构,这是因为材料加热由外而内,形成热梯度和热流方向,受热不均而形成的,这也是常规烧结粉末冶金零件的典型特征。

2.2微波烧结对洛氏硬度的影响规律
  各试样洛氏硬度的比较结果如图3所示。由于密度是材料综合性能的体现,微波烧结样品的硬度体现出与密度相同的规律,微波烧结样品在1150℃时HRB达到最大值75。但微波烧结样品的硬度不能仅仅用微波烧结高的密度来解释,还要考虑其显微组织。
  在1100-1200℃温度范围内,Fe-2Cu-0.6C材料没有相变,因此,其组成相相同,硬度只与晶粒粒径和分布有关,晶粒粒径越小,分布越均匀,则洛氏硬度越高。
  由图3可以看出,微波烧结的平均硬度低于常规烧结时的平均硬度,但相差不是很大。常规烧结在1180℃时洛氏硬度HRB达到最大值79,而微波烧结在1150℃时达到最大值75。

 

2.3微波烧结对拉伸性能的影响规律
  图4所示为微波烧结温度与抗拉强度和伸长率的关系。可以看出,随着烧结温度的提高,抗拉强度增加,在1150℃时达到最大值413.90 MPa;温度继续增加,抗拉强度降低,这与样品的密度和显微结构都有一定关系。而伸长率与烧结温度的关系与抗拉强度具有相似的规律,在1150℃时达到最大值6.0%。


  由图4可以看出,微波烧结与常规烧结相比,微波烧结样品的抗拉强度、伸长率都远比常规烧结样品的高。这与样品的致密度和显微结构有关(如图5所示):微波烧结样品组织是由大量铁素体及片状和粒状的珠光体组成,而常规烧结样品的组织中几乎全是铁素体,珠光体能提高材料的强度。与常规烧结相比,微波烧结样品的晶粒粒径更小,而且晶粒边界趋于规则化,晶间组织分布更均匀。这是由于微波电磁场与材料相互作用,与常规烧结相比,烧结温度更低,时间更短,晶粒来不及长大。从样品的断裂方式也可以看出:常规烧结样品是脆性穿晶断裂,而微波烧结样品除有脆性断裂之外,还有韧窝型的穿晶韧性断裂,这在一定程度上提高了试样的韧性,从而提高了材料的综合性能。


  由图6所示微波烧结样品的显微组织可以看出,珠光体大多是在晶界上形成的。由于烧结过程在氮气和氢气的混合气氛中进行,可有效减少样品的脱碳,并且样品在短时间烧结之后,马上关闭系统,停下工作,促使样品在炉腔内自然冷却,其冷速介于淬火冷却和慢冷却之间,几分钟之内即可由1000℃以上的高温冷却至室温,因而,使得样品烧结硬化,出现许多粒状的珠光体。在成分相同的条件下,粒状珠光体比片状珠光体的硬度稍低,但塑性好。而在硬度相同的条件下,粒状珠光体比片状珠光体具有更良好的拉伸性能。同时,粒状珠光体还具有较好的切削加工性能、冷成型性能及淬火工艺性能。

 

3结论
a.微波烧结样品在混合(N2 +H2)气氛中,保温10mm时,在1150℃得到最高的烧结密度,即7.20g/cm3,相对密度约为93%。其性能如下:洛氏硬度HRB为7,抗拉强度为413.90 MPa,伸长率为6%。洛氏硬度与常规烧结相比要低,但差别不是很大,其
拉伸性能明显比常规烧结样品的优。
b.微波烧结对材料力学性能的改善不仅仅取决于样品高的烧结密度,还在于其良好的微观结构:短时间烧结时,晶粒不易长大,易得到均匀的细晶粒显微结构,内部孔隙很少,孔隙形状也比传统烧结的圆。
c.常规烧结样品的组织主要是由大量铁素体、极少量珠光体以及大小不一的各种孔洞组成;而微波烧结样品的组织主要是由铁素体、片状和粒状珠光体以及极少量的孔隙组成。大量珠光体的存在能显著改善其力学性能。