由粉末冶金Fe（Cr,Mo）钢制备的同步器齿毂的力学性能.pdf

第 3 1 卷第 4期 2 0 1 3年 8月 粉末 冶金 技术 Po wde r M e t a l l ur g y Te c hno l o gy Ve 1 ．31．No ． 4 Au g ． 2 01 3 由粉末冶金 F e C r ， Me 钢制备的 同步器齿毂的力学性能 L o r e n z S S i g l ，P a t r i c e De l a r b r e S i n t e r s t a h l G m b H，F t i s s e n D 一 8 7 6 2 9 ，德国 摘要 试验测定零件本 身的强度性能是 困难 的， 因此通 常不采用此类 数据 。本文介 绍 了一种 用于直接 测 定零件 本身强 度性 能的方 法 ， 即用水 射流切 割零件 ， 随后 进行磨 加工 制备小 型矩形试 棒 约 4 0 m m 5 m m 5 mm 测定数据 。采用典型粉末 冶金 零件 粉末冶 金高合金 化 F e C r ， Me 钢 同步器齿 毂制备 的小 型试棒 测定抗拉强 度、 冲击强度及 3点 弯曲横向断裂强度 ， 并 和常规 拉伸试样 D I N E N I S O 2 7 4 0 的强度 与冲击性 能 进行 了对 比。结 果表明 ， 由同步器齿 毂与常规试样测定 的数 据都在试 验误差 范围之 内， 完全一致 。为 了证 实 对 比的有效性 ， 还用全面 的化学 与显微组 织分析证 明了 2种 试样 的相 似性。最后 ， 建立 了小 型拉伸试 棒的横 向断裂强度与抗拉强 度之间的相关性 。 关键词 力学性能 ； 硬 度 ； 拉伸性 能 ； 横 向断裂强度 M e c h a ni c a l p r o pe r t i e s o f c o mpo n e nt s ma d e f r o m F e Cr ， Me P ／ M s t e e l s Lor e nz S S i g l ，Pa t r i c e De l a r br e S i n t e r s t a h l G m b H， F t l s s e n D 一 8 7 6 2 9 ，G e r ma n y Abs t r a c tEx pe r i me n t a l a c c e s s t o t he i n s i t u s t r e ng t h p r o p e r t i e s o f c o mp o ne n t s i s d i ffic u l t ，whi c h e xp l a i n s wh y s uc h da t a a r e no t g e n e r a l l y a v a i l a b l e ．The pr e s e n t p a p e r r e p r o d uc e s a me t h o do l o g y whi c h was r e c e n t l y i nt r o d uc e d t o d i r e c t l y a c c e s s t h e s t r e n g t h p r o p e rti e s o f c o mp o n e n t s ．S u c h i n f o r ma t i o n i s r e t r i e v e d f r o m s ma l l r e c t a n g u l a r b a r s s i z e≈ 4 0 mm 5 mm 5 mm、 wh i c h a r e p r e p a r e d fro m a c o mp o n e n t b y wa t e r j e t c u t t i n g a n d s u b s e q u e n t g r i n d i n g ． Us i n g a s y n c h r o ni z e r hu b a s a t y p i c a l P／M c o mp o ne n t ，t he t e ns i l e s t r e n g t h，t h e i mpa c t r e s i s t a nc e a n d t he t r a ns v e r s e r up t ur e s t r e n g t h i n 3 - p o i n t b e n d i n g W e r e e v a l u a t e d fr o m t h e s e b a r s f o r a h i g h - a l l o y e d F e C r ， Mo P ／ M s t e e l ， a n d c o m p a r e d t o t h e s t r e n g t h a n d i mp a c t p r o p e rt i e s o f c o n v e n t i o n a l t e n s i l e s p e c i me n sD I N EN I S O 2 7 4 0．Wi t h i n t h e l i mi t s o f e x p e r i me n t a l e r r o r，t h e d a t a s e t s o b t a i ne d f r o m c o mpo ne n t s a n d s p e c i me ns a r e f ul l y c o n s i s t e n t ．To c o n fir m t h e v a l i di t y o f t he co mp a r i s o n，t he s i mi l a r i t y o f bo t h s p e c i me n t y p e s i s v e r i f i e d by a c o mp r e h e ns i v e c he mi c a l a n d mi c r o s t r uc t u r a l c ha r a c t e r i z a t i o n ． Fi na l l y，a c o r r e l a t i o n b e t we e n t h e t r a n s v e r s e r u pt u r e s t r e n g t h a n d t he t e n s i l e s t r e n g t h o f t he s ma l l t e ns i l e s p e c i me n s i s e s t a bl i s h e d． Ke y wo r dsme c ha ni c a l p r o p e rti e s；ha r dn e s s ；t e ns i l e p r o pe r t i e s；t r a ns v e r s e r up t ur e s t r e ng t h 粉末冶金铬合金化钢在制备高强度零件方面具 有 非 常大 的潜 力 。批 量 生产 的 F e ． C r ， M o 粉 末 的 显微组织均一 ， 由其 制备 的粉末冶金铬合金化钢淬 透性好 ， 强度与硬度较高 ， 并具有适当的韧性与延展 性 。鉴于铬合金化钢 的化学组成与显微组织均 一， 若能进一步控制氧含量 ， 则可用烧结硬化工艺制得 具有优异力学性能 的零件⋯ 。近年来 ， 关于粉末冶 金 F e 一 C r ， Mo 钢的力学性能已积累了大量数据， 参 见文献 [ 2 ] 。但是 ， 这些数据都是用标准强度 试样 诸如依据国际标准的拉伸试样 测定 的， 关于粉末 冶金 F e 一 C r ， Mo 钢零件本身 的力学性能只有 如表 面硬度之类的数据。类似的文献 已表明， 用直接 由零件制备的小型拉伸与冲击试棒可测定上述力学 性 能 。 本文 旨在 1 验证文献 中所述 的检验零件本 身强度 的方法 ； 2 将 最初用 扩散合 金化 c u - N i - Mo 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 l O 粉末冶金技术 2 0 1 3年 8月 钢 开发的检测零件本身强度 的方法 推广到预合 金化 F e 一 C r ， Mo 钢 ； 3 将用零件本身检测的强度数 据 和 由标准 拉伸 试样 测 定 的数据 进 行 对 比； 4 研 究 回火对预合金化 C r ， Mo 钢零件本身强度性能 的影 响 。 1 试 验 1 ． 1 同步器 齿 毂与拉 伸试 样 的制备 工艺 将 批 量 生 产 的 预 合 金 化 F e 一 C r ， Mo 粉 末 A s t a l o y C r M， 瑞典 H a g a n t s A B公司生产。名 义组 成为 3 ％ C r 、 0 ． 5 ％ Mo ， 质 量分 数 ， 下 同 和 0 ． 3 ％ Mn S 、 0 ． 8 ％蜡 分别 与 0 ． 4 5 ％、 0 ． 6 0 ％ 的石 墨混合 。 将 2种混 合粉于 6 0 0 MP a下 分别冷 压成形为符 合 D I N E N I S O 2 7 4 0的标 准 拉 伸试 样 和 图 1所 示 的批 量 生产 的 同步器齿 毂 。将标 准拉 伸试样 与 同步 器齿 毂 均 压 制 到 平 均 密 度 6 ． 9 5～6 ． 9 8 g ／ c m 。 随后 ， 在 滚底炉 中分别于 1 1 6 0 ℃、 1 2 0 0 C及 1 2 5 0 ％烧结 3 0 rai n 。为得到低氧含量的材料， 使用露点 3 0 ℃的 组成为 9 0 ％N 1 0 ％H 体积分数 的保 护气氛。 所 有试 样都 是从 温度 约为 9 5 0 ℃ ， 以约 2 K ／ s的冷 却 速率进行烧结硬化的。用标准的 L E C O分析仪测定 了烧 结态材 料 的氧含 量 与总碳 含量 。表 1汇 总 了在 各种烧结条件下生产 的试样 的化学组成 。最后 ， 在 经过上述的生产工序之后 ， 将 5 0 ％ 的拉伸试样与同 步器 齿毂 于 2 0 0 ℃ 回火 6 0 rai n 。 图 1 用水 喷射切 割并 制备原始强 度试 样的同步器齿毂 Fi g ．1 S y nc h r o n i z e r h ub f r o m whi c h r a w s t r en g t h s p e c i me n s w e r e p r e p a r e d b y wa t e r j e t c u t t i n g 表 1 不同烧结温度下的拉伸试样和同步器齿毂 的化学成分 Ta b l e 1 Ch e mi c a l c o mp o s i t i o n o f t e n s i l e s p e c i me ns a nd s y nc h r o n i z e r h ub s wi t h no mi na l 0 ． 45 wt ％a nd 0． 6 0 wt ％g r a p h i t e a s a f u n c t i o n o f s i nt e r i n g t e mp e r a t u r e 1 ． 2力学性 能 测定 在 I n s t r o n试验机上以 3 mm ／ mi n的加载速率依 照 D I N E N I S O 2 7 4 0进行 拉伸 试验 ， 测定 0 ． 2 ％屈 服 强度 、 抗拉 强度 及断裂 应 变 ； 采 用夏 比冲击试 验测定 试样 韧性 。所有 检验 结果 都是 3次 单独测 量 的平 均 值。图 2是用水射流从同步器齿毂上切割的尺寸为 4 1 IT l m 6 m m6 mm的原始试棒经磨加工制备的小 型拉伸试棒 ， 试棒在 同步器齿 毂 中的位置见 图 1 。 另外 ， 用磨加工制备 了尺寸为 4 0 mm5 mm5 m m 的小 型矩 形试棒 ， 以测定 冲击 能量 与横 向断 裂强度 。 在 和标准 拉 伸 试 样 同样 的试 验 条 件 下 ， 即 以 3 ra m ／ ra i n的加载速率对小型拉伸试样进行了检验。 由于小型试棒尺寸小 ， 不适用于标准拉伸试验 ， 特别是不能精确 确定 0 ． 2 ％屈服强度与断裂应变 ， 只能测定抗拉强度与冲击能量。本文中 ， 生产工艺 改变时 ， 用小型拉伸试样测定的强度 的补充数据 ， 都 是用 跨距 宽度 为 3 0 ra m 的 3点 弯 曲横 向断裂 强度 表 征的。用标 准 的 V i c k e r压头 ， 于 载荷 5 k g下 依 照 D I N I S O 4 4 9 8 p a r t 1 测定 了所有试样 的硬度 。抛 光并用 3 ％ 体积分数 的苦 味酸乙醇溶液腐蚀试 样 ， 观察材料的光学显微组织 。 2 拉伸试样与 同步器齿毂的性能 2 ． 1显微 组织 与组成 随着 烧结 温 度 增 高 ， C r 0 沉 淀 的 体 积 分 数 略 有减小 ， 这和表 1中证明的氧含量减小相符合 。由 于冷却速率高， 在高达 1 2 0 0 ℃的烧结温度下， 观察 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1 卷第 4期L o r e n z S S i g l 等 由粉末冶 金 F e C r ， Mo 钢制备的同步器齿毂的力学性能 3 1 1 图 2 标准 拉伸 试样和 由同步器齿毂 S H试样 制备 的试样比较 Fi g ． 2 Co mpa r i s o n o f s t a nd a r d t e ns i l e s pe c i me ns a nd s p ec i me ns p r e pa r e d f r o m s y nc h r o n i z e r hu b s S H s p e c i me n T h e s c a l e i s i n c m 到显微组织主要是含有少量下 贝氏体 的马 氏体 ， 这 与文献⋯ 的等温转变图 T T T图 相符合 ， 贝 氏体 的 含量 随 着含碳 量 的增 高而 减少 。当生产 工 艺条 件不 变 时 ， 标 准拉 伸试 样 与 同步器 齿毂 的显 微组 织相 同。 图 3是总碳含 量与烧结 温度 的关 系 衄线。在 1 2 0 0 o C的烧结温度下 ， 拉伸试样与同步器齿毂二者 的所 有 试 样 的 总 碳 含 量 ， 从 初 始 的 0 ． 4 5 ％ 与 0 ． 6 0 ％， 都约减小了 0 ． 0 5 ％。这和最近 的研究相符 合 ， 表 明 C r O 实际上是 被预混合的碳而不是被烧 结气 氛 中 的氢 所 还原 。 图 3的数 据 表 明 ， 在 1 2 5 0 C 下 ， 碳 产 生 大 量 损 耗 ， 约 为 0 ． 1 0 ％ ～0 ． 1 5 ％ 。在 本 研究中 ， 碳并没有被烧结气氛平衡掉 ， 脱碳伴随着显 微组织中的贝氏体含量增加 ， 同时马氏体 减少 。如 下 一 节所 述 ， 这对 1 2 5 0 C时试样 的力学 性能 有重 大 影 响 。 粉末 的初 始氧 含量 为 0 ． 2 2 ％ ， 随着 烧 结 温 度 升 高 ， 氧 含 量 均 略 有 减 少 ， 在 烧 结 温 度 1 1 6 0 ℃ 、 1 2 0 0 ℃ 及 1 2 5 0 ℃ 下 的 含 氧 量 分 别 为 0 ． 1 0 ％ 、 0 ． 0 6 ％及 士 ＼ 瞎 烧结温度／ ℃ 图 5 拉伸试样 与同步 器齿毂 的表观硬度 和烧结 温度 的关 系 Fi g ． 5 Vi c ke r s a p pa r e nt ha r dn e s s HV5 o f t e ns i l e s pe c i me n s a n d s y n c h r o ni z e r h u bs a s f un c t i o n o f s i nt e r i ng t e mpe r a t u r e 本 文 没有 说 明烧结 时 间对抗 拉 强 度 的影 响 ， 不 能排除生产工艺参数产生的偏差将其他效应叠加在 了碳含量与抗拉强度之间的关系之上 。虽然这个结 论并不完全令人满意 ， 但应注意本文 旨在检测由零 件直接取样测定力学性能的有效性。 图 7是 试样 的冲击强度随烧结温度 的变化关 系。可以看到 ， 在较高温度下烧结样 品的冲击强度 窆 、 簸 烧结温度 ， ℃ 图 6 拉伸试样与同步器齿毂的抗拉强度 和烧结温度的关系 F i g ． 6 Te ns i l e s t r e n g t h o f t e ns i l e s p e c i me ns a nd s yn c h r o n i z e r h ub s a s f u n c t i o n o f s i n t e r i n g t e mp e r a t ur e 较高。这是由于试样 中的氧含量 降低 ， 即 C r O ， 沉 淀的体积分数减小所致， C r O 。 沉淀会导致粉末冶金 铬合金化钢的韧性降低口 。初始碳含量为 0 ． 6 0 ％的 试样的冲击强度比初始碳含量为 0 ． 4 5 ％的样品高。 烧结温度 ／ ℃ 图 7 拉伸试样与 同步器齿毂 的 中 击强度 和 烧结 温度的关系 Fi g ． 7 I m p a c t r e s i s t a n c e o f t e n s i l e s pe c i me ns a n d s y n c hr o ni z e r h u bs a s f un c t i o n o f s i nt e r i ng t e mpe r a t u r e 2 ． 3横 向断裂 强度 如前所述 ， 小型拉伸试棒的强度检验 比较繁琐 ， 而用 3点弯 曲法检测强度要容易得多。为了确定横 向断 裂强度 T R S 和抗 拉 强度 的关 系 ， 对 在各 种生 产工艺条件下制备的齿毂试棒测定横 向断裂强度。 一 u． r ／ 骥 曼 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1 卷第 4期L o r e n z S S i g l 等 由粉末冶金 F e C r ， Mo 钢制备 的同步器齿毂 的力 学性 能 3 1 3 图 8是不同条件下制备 的试样的横向断裂强度和抗 拉强度间的关系曲线 ， 其中还 给出了文献 中的粉 末冶金 c u N i ． Mo 合金化钢的数据 。显然 ， 在横 向断 裂强度与抗拉强度之间存在适当关系 ， 可认为 T R S ／ 抗拉强度 之 比约为 1 ． 6 。根据这个 对 比关系， 可 将弯曲试验看作是直接检验零件抗拉强度的一种快 速 、 简易 的方 法 。 图 8 F i g ． 8 r up t ur e 抗拉强度 ／ MP a 齿 毂试 样的横向断裂强度与 抗拉强度的关系 Co r r e l a t i o n b e t we e n t r a ns v e Y e s t r e ng t h a n d t e n s i l e s t r e ng t h f o r h ub s p e c i me ns 3 结论 本文 旨在证实在同样条件下生产的拉伸试样和 零 件 的力学 性 能 之 间存 在 着 相 关性 。结 果表 明 ， 尽 管试样 的大小与表面状态不同 ， 但粉末冶金 F e C r ， Mo 预合金化钢的拉伸试样和零件的力学性能之间 存在关联。另外 ， 本文还证明了用从零件切割的试 棒 测定 的性 能 能反 映生 产 工 艺条 件 的变 动 。 因此 ， 用小型矩形试棒检验零件可给出零件的力学性能的 真实情况。无论何时需要这类数据 ， 例如生产工 艺 条件改变或为了弄清品质 问题时 ， 该方法都大大扩 大了检验零件强度性能的可能性 。 参考文献 [ 1 ]H g a n a s A B ． I r o n a n d s t e e l p o w d e r s f o r s i n t e r e d c o mp o n e n t s ． S we d e nTe c h n i e a l Bo o k l e t ，2 0 0 2 [ 2 ]S i g l L S ，D e l a r b r e P ．I m p a c t o f o x y g e n O il t h e m i c r o s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s o f F e C r ， Mo 一 P ／ M s t e e l s ／ ／L a w c o c k R，Wri g h t M ． Ad v a n c e s i n P o w d e r Me t a l l u r g y a n d P a rti c u l a t e Ma t e ria l s 2 0 0 3 ． 2 0 0 3 P／ M - Te c h W o d d Co n g r e s s ，Pri n c e t o n NJ ， 20 0 3， 75 4 6 7 [ 3]S i g l L S ，D e l a r b r e P，J e h r l n g U ．A c o m p a r i s o n o f m e c h a n i c a l p r o p e rti e s o b t a i n e d f r o m c o n v e n t i o n a l s t r e n g t h s p e c i me n s a n d f r o m a s s i n t e r e d c o mp o n e n t s ／ ／2 0 0 4 PM T e c h Wo r l d Co n g r e s s， Pri n c e t o n NJ ，i n p r e s s 上 接第 3 0 8页 Mo S i O2 f u nc t i o n a l l y g r a d e d ma t e ri a l s ． Me t a l l u r g i c a l a n d Ma t e ria l s Tr a n s a c t i o n s A Ph y s i c a l Me t a l l u r g y a n d Ma t e ria l s S c i e n c e ，2 0 0 0， 3 1 1 2 9 9 3 0 8 [ 2 9 ]C o l i n C，D u r a n t L，F a v r o t N，e t a 1 ． P r o c e s s i n g o f f u n c t i o n a l g r a d i e n t W C- Co c e r me t s b y p o wd e r me t a l l u r g y ．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f R e f r a c t o r y Me t a l s a n d H a r d Ma t e ri a l s ，1 9 9 4，1 2 6 1 4 51 5 2 [ 3 0 ]孙涛 ，汤慧萍 ， 汪强兵 ，等 ．关于不同粒度粉末层间烧结收缩 不 同步问题 的探讨 ．功能材料 ， 2 0 0 9， 4 0 1 0 1 5 9 11 5 9 4 [ 3 1 ]迟 煜崾，汤慧萍 ， 汪强兵 ，等 ．增塑挤压法制备 不锈钢多 L 过 滤管 ．粉末冶金技术 ， 2 0 1 1 ， 2 9 1 3 43 7 [ 3 2 ]J u n g Ye o n G i l ， Ha C h a n g G i ，S h i n J o n g - H o ， e t a 1 ．F a b ri c a t i o n o f f u nc t i o n a l l y g r a d e d Z r O2 ／Ni Cr AI Y c o mp o s it e s b y p l a s ma a c t i v a t e d s i n t e r i n g u s i n g t a p e c a s t i n g a n d i t s t h e r ma l b a r r i e r p r o p e r t y ． Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e ri n g A，2 0 0 2，3 2 3U 0 1 1 8 [ 3 3 ]孙涛 ， 奚正平 ，汤慧萍 ， 等 ．过滤用粉末烧结 梯度多孔材料 ． 稀有金属材料与工 程， 2 0 0 8 ，3 7 增 刊 4 5 0 95 l 3 骥 蔷唇颦 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m