资源描述：
金 全 全 全 舍 仝 ～ 试验研究 一 。 i 、 己， 、 ‘ 、 ／‘ 、 ／ ‘ ‘ S i n t e r - h a r d e ni n g o f P ／M St e e l sa Nume r i c a l Ap pr o a c h a nd Re l a t i o n s hi ps wi t h M i c r o s t r u c t u r a l a nd M e c h a n i c a l Pr o p e r t i e s Ba r b a r a Ri v o l t a P o l i t e c n i c o d i Mi l a n o ，De p a r t me n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，Vi a L a Ma s a ，3 4 2 0 1 5 6 Mi l a n o I t a l y Abs t r a c t S i n t e r h a r d e n i n g o f s t e e l s i s a f a s t g r o wi n g PM p r o c e s s i n whi c h t h e c o o l i ng r a t e a f t e r s i n t e r i n g i s f a s t e n o u g h t o p r o d u c e hi g h s t r e n g t h ma t e ria l s wi t h a n “ a s s i n t e r e d”ma rte n s i t i e mi c r o s t r u c t u r e ．T h e i n c r e a s i n g a p p l i c a t i o n o f s i n t e r h a r d e n i n g r e q u i r e s a b e t t e r k n o wl e d g e o f t he c o o l i n g r a t e t o b e r e a c h e d，t o g e t t h e n e c e s s a r y h a r d n e s s a n d s t r e n gth ．S i n c e t h e i n t e r n a l c o o l i n g r a t e o f p a rt s h a v i n g d i f f e r e n t g e o me t ry d e p e n d s o n t h e r ma l c o n d u c t i v i t y o f t h e c o n s t i t u t i n g ma t e ria l a n d o n t he s u r f a c e ／v o l u me r a t i o，a t wo wa y s s t u d y ha s b e e n c a r r i e d o u t ． I n t h e f i r s t p a r t ，t h e c o o l i n g s t a g e d u rin g s i n t e r h a r d e n i n g i n a n i n d u s t r i a l e q u i p me n t ha s b e e n s i mu l a t e d a n d t h e i s o t h e r ma l s u rfa c e s o f p r i s ms h a v e b e e n c a l c u l a t e d b y a n u me ric a l me t h o d． T wo d e n s i t y v a l u e s ha v e b e e n a s s u me d6． 8 a n d 7． 0 g ／ c m ．Th e a n a l y s i s h a s b e e n c a r r i e d o u t o n p r i s ms o f c o n s t a n t c r o s s s e c t i o n a n d v a r y i n g h e i g h t ． T h e p o s s i b l e ma s s r a n g e s f r o m a b o u t 2 0 0 g r a ms t o n e a r l y 2 k g． I n t h e s e c o n d p a rt，a n e x p e rime n t a l i n v e s t i g a t i o n h a s b e e n c a r r i e d o u t o n t h e s a me s i n t e r h a r d e n e d p ris ms ． T h e mi c r o s t r u c t u r a l p r o p e r t i e s ，t h e mi c r o h a r d n e s s ，ma c r o h a r d n e s s a n d me c h a n i c a l s t r e n gth h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d e x t e ns i v e l y a n d r e l a t e d t o t h e r e s u l t s o bt a i n e d b y t h e n u me ric a l a n a l y s i s ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t mi c r o s t r u c t u r e s ，de p e n d i ng o n i s o t h e r ma l s u r f a c e s p r e d i c t e d b y t h e n ume ric a l mo d e l ， a g r e e wi t h mi c r o h a r d n e s s a n d me c h a n i c a l p r o p e rti e s ． Mo r e o v e r，a ma x i mum we i g h t o f a bo u t 2 0 0 g r a ms h a s b e e n o bs e r v e d t o b e a p t t o a f ul l s i n t e r h a r de n i n g pr o c e s s a n d t h e s u r f a c e ／v o l u me r a t i o s e e ms t o be t h e c rit i c a l d riv i n g f a c t o r ． F i n a l l y，n ume ric a l a n a l y s i s a n d e x pe rime n t a l t e s t s s h o w t h a t p o r o s i t y i s a b l e t o i n f l u e n c e t h e c o o l i n g r a t e o f a P ／M p a rt S O t h a t t h e pr e s e n c e o f p o r o s i t y s h a l l b e c o n s i d e r e d wh e n d e fin i n g t h e h a r d e n a b i l i t y o f a P ／M s t e e 1 ． Ke y wor d sa l l o y s t e e l s； h a r d e n a b i l i t y；mi c r o s t r u e t u r a l r e l a t i o ns h i p s； mi c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o n；s i nt e r h a r d e n i n g； t h e rm a l h i s t o r y 粉末冶金钢的烧结硬化 数值求解法及其与微观组织和 力学性能的关系 摘要 钢的烧结硬化是一种快速发展的粉末冶金 工艺， 它能够通过足够快的烧 结后 冷却速率来产生具有 “ 烧结态” 马氏体组织的高强度材料。烧结硬化 日趋 广泛的应用需要 对达到必要 的硬度与强度所 需的冷却速率有更深入的 了解。由于不同几何尺寸零件 内部冷却速率与其组成物的热导率和表面 积／ 体积比有关， 故从两个方面进行 了研究。第一部分模拟 了在工业装置 中进行的烧结硬化的冷却 阶段 ， 通过数值方法计算了棱柱试样 的等温面。试样密度分别设为 6 ． 8 g ／ c m 和 7 ． 0 g ／ c m ， 试样 为不同高度的等截面棱柱体 ， 其质量从 2 0 0 g到近 2 0 0 0 g不等。第二部分对这些烧结硬化棱柱试 样进行试验研究， 结合数值分析结果， 对微观组织的性能、 显微硬度 、 宏观硬度和强度等进行 了深入 研究。结果表明， 显微组织依赖于由数值模型预测的等温面， 与显微硬度和力学性 能是相符合的。 此外发现 ， 能够完全烧结硬化的试样质量达到 了 2 0 0 g ， 而且看来表 面积／ 体积 比是 关键 因素。最 后 ， 数值分析和试验表明， 孔隙能影响粉末冶金零件的冷却速 率， 因而在定义粉末冶金钢的淬透性 收 稿 日期 2 0 0 9 0 3 2 3 作者简介 B a r b a r a R i v o h a ， 女 ， 意大利 米兰工学院机械 工程 系博士 。联 系电话 3 9 2 - 2 3 9 9 8 7 8 1 ， E- ma i l ．b．．．．．a．．．．．b．．．．．a．．．．r．．．a．．．．． ． ．．．．．r．．．i．．．v． ． ． ． ．o ． ．．h． ． ． ． ． ．a． ． ． ． ．． ． ． ． ． ．． ． ． ．p．．．．．o．．．．1．．．i．．．m．．．．．．．i．．． , ．．．it 6 热处理 w e b s i t e 巳 2 0 1 0年第 2 5卷第 2期 时应考虑孔隙因素。 关键词 合金钢 ； 淬透性 ； 微观组织关系； 微观组织演化； 烧结硬化 ； 温度随时间的变化 中图分类号 T F I 2 4 ． 5 ； T B l l 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 - 1 6 9 0 2 0 1 0 0 2 - 0 0 0 6 - 0 1 4 0 I NTRoDUCTI ON P o w d e r Me t a l l u r g y P ／ Mi s a p r o c e s s f o r ma n u 。 f a e t u r i ng me t a l pa r t s b y h e a t i n g c o mp a c t e d me t a l p o w。 d e r s t o t e m p e r a t u r e s j u s t b e l o w t h e i r m e l t i n g p o i n t s ． Al t h o u g h t h e p r o c e s s h a s e x i s t e d f o r mo r e t h a n 1 0 0 y e a r s， o v e r t h e pa s t q ua r t e r c e n t u r y i t h a s b e c o me wi d e l y r e c o g n i z e d a s a s u pe rio r wa y o f p r o d uc i n g h i g h- q u a l i t y p a rts for a v a r i e t y o f i mp o rta n t a p pl i c a t i o ns ． T h i s s u c c e s s i s d u e t o t h e a d v a n t a g e s t h e p r o c e s s o f - f e r s，s u c h a s t h e p r o d u c t i o n o n n e a r - n e t s h a p e c o mp o 。 n e flt s wi t h i n t r i c a t e f e a t u r e s ，c l o s e d i me n s i o n a l c o n t r o l a n d fin i s h e d wi t h o ut t h e ne e d o f ma c h i n i n g， t h e p r o d uc t i o n o f l a r g e s e rie s o f p i e c e s wi t h na r r o w t o l e r a n c e s a nd g o o d me c h a n i c a l p r o pe rti e s ． On t he o t he r ha nd， t h e p r e s e n c e o f r e s i d u a l p o r o s i t y mu s t b e a c c e p t e d i n t h e fin i s h e d p r o d u c t ． I n t h e a s - s i n t e r e d c o n d i t i o n，t h e mi c r o s t r u c t u r e o f mo s t h y po e u t e c t o i d f e r r o u s P ／M ma t e ria l s c o n s i s t s o f f e r r i t e a n d pe a r l i t e ．P ／M c a r b o n s t e e l s ma y b e q u e n c h h a r d e ne d a n d t e mp e r e d．Thi s i n v o l v e s t h e h e a t i n g o f t h e c o mp o n e n t t o a t e mp e r a t u r e i n t h e a u s t e n i t i c r e g i o n o f t h e p h a s e di a g r a m a n d q u e nc h i n g i t i n a n a g i t a t e d o i l b a t h f o l l o we d b y a s t r e s s r e l i e v i n g o r t e mp e r i ng t r e a t me n t ．I n t h e h e a t t r e a t e d c o n d i t i o n t h e ma t e ria l s h a v e i n c r e a s e d s t r e n g t h a nd h a r d n e s s b u t po s s e s s l e s s d u c t i l i t y．Af t e r q u e nc h h a r d e n i n g a nd t e mpe rin g，t h e mi c r o s t r u c t u r e o f t h e ma t e r i a l n o l o n g e r c o n s i s t s o f f e r r i t e a nd p e a r l i t e． I t i s t r a n s f o r me d i n t o a s t r u c t u r e r e f e r r e d t o a s ma r t e n s i t e ． S i n t e r -ha r d e ni n g i s a f a s t - g r o wi n g PM p r o c e s s i n wh i c h t h e c o o l i n g r a t e a f t e r s i n t e r i n g i s f a s t e n o u g h t o p r o d u c e h i g h s t r e n g t h ma t e r i a l s wi t h a n “a s s i n t e r e d’ ’ ma r t e n s i t i c mi c r o s t r u c t u r e．Th e p a r t s a r e “q u e n c h e d’ ’ d i r e c t l y i n s i d e t h e s i n t e r i n g f u r n a c e，d u r i n g t he c o o l i n g s t a g e wh e r e t h e c o o l i n g r a t e i s h i g h e n o ug h t o p r e v e n t f e r r i t i e a n d p e a r l i t i c t r a ns f o r ma t i o n s． s o a l l o wi n g t h e t r a n s f o r ma t i o n f r o m a u s t e n i t e t o ma r t e n s i t e ． T h e p o w d e r s f o rm u l a t e d f o r s i n t e r h a r de n i n g mus t p o s s e s s b a r d e n a b i l i t y h i g h e n o u g h，t o p r e v e n t p e a r l i t i c t r a n s f o r ma t i o n s ，a n d b a i n i t i e a s we l l ，a t t h e c o o l i n g r a t e s us ua l l y a c h i e v e d i n s u i t a b l e s i n t e r i n g f u r n a c e s f e w C e l s i u s d e g r e e s p e r s e c o n d ， b e t w e e n 8 5 0 o C a n d 4 0 0 Th e a b i l i t y o f t h e s e ma t e ria l s t o for m ma rte n s i t e d u rin g t h e c o o l i n g s t a g e i s r e l a t e d t o t h e i r c h e mi c a l c o mp o s i t i o n a n d t o t he l o c a l c o o l i n g r a t e． I n f a c t ，t h e s p e c i fic p o wd e r g r a de s c o n t a i n h a r de n a bi l i t y 。 e n h a nc i n g e l e me n t s ，s uc h a s Ni c he l ，Mo l y b d e n u m ，Co p p e r a n d， i n ma n y c a s e s，Ma n g a n e s e a n d Chr o mi u m． I t i s we l l k n o wn t h a t for i n c r e a s i n g ha r d e n a b i l i t y，t h e s e a l l o y i n g e l e me n t s mu s t b e i n s o l i d s o l u t i o n， s o r e d u c i n g t h e c o mp r e s s i b i l i t y，be c a u s e o f t h e i n e v i t a b l e o u t c o me o f s o l i d s o l u t i o n h a r d e n i n g ． T h a t ’ s wh y f o r o p t i mi z i n g ma n u f a c t urin g c o s t s a n d p e r f o rm a n c e o f s i n t e r h a r de n e d p a r t s ，t h e c o mb i n e d e f f e c t s o f a l l o y i n g e l e me n t s，t h e i r c o n t e n t a n d t h e b a s e p o wd e r o n c o mp r e s s i b i l i t y a n d h a r d e n a b i l i t y mu s t b e p r o p e r l y a n a l y z e d a n d b a l a n c e d． T he ma i n b e ne fit s o f s i n t e r -- h a r d e n i ng c a n b e s u m- - ma r i z e d a s f o l l o ws e l i mi n a t i o n o f t h e s e c o nd a ry h e a t t r e a t me n t s，wi t h c o n s i d e r a b l e c o s t a d v a n t a g e s； r e d u c e d d i s t o rti o n o f t he p a rts，b e c a u s e o f s l o we r c o o l i n g r a t e s，c o mp a r e d wi t h o i l q ue n c h i n g； o i l f r e e p a r t s ， s i n c e c o o l i n g i s c a r r i e d o u t i n t h e s a me g a s e o u s a t mo s p h e r e us e d for s i n t e r i n g ． T h e i nc r e a s i n g a p p l i c a t i o n o f s i n t e r - h a r d e n i n g i n t he i n d u s t r i a l pr o c e s s e s n e c e s s a ril y r e q u i r e s be t t e r k n o wl e dg e o f t h e c o o l i ng r a t e t o be r e a c h e d， o n t h e p a r t s u r f a c e a n d for a g i v e n d e pt h，t o g e t t h e n e c e s s a r y h a r d n e s s a n d s t r e n g t h a n d p r e c i s e i n f o rm a t i o n o n t h e ma x i mu m p a r t we i g h t t h a t i s s u i t a b l e t o s i n t e r h a r d e n i ng ． He n c e，f r o m a n i n du s t ria l p o i n t o f v i e w， t h e k n o wl e dg e o f t he c o o l i n g t r a n s i e n t o f PM pa r t s i s b e c o mi n g mo r e a nd mo r e i mp o rta n t for o p t i mi s i n g t h e mi c r o s t r u c t u r a l a n d me c ha n i c a l c h a r a c t e ris t i c s ． T h e c o o l i n g r a t e o f a P M p a rt d u r i n g a n y h e a t t r e a t me n t d e p e n d s o n t h e f o l l o w i n g f a c t o r s c h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f t h e s t e e l a v e r a g e a n d ／ o r l o c a l ， i f u n e v e n r e l a t i v e a mo u n t o f c o o l i n g flu i d； t e mp e r a t ur e o f t h e c o o l i n g flu i d； 热处理 2 0 1 0年第 2 5卷第 2期 ‘ 7。 h e a t c a p a c i t y o f t he c o o l i n g flu i d； t u r b u l e n c e o f t h e c o o l i n g fl u i d ； p a r t g e o me t r y； p o r o s i t y f r a c t i o n o f t h e ma t e ria l ； p o r o s i t y p a t t e r n o f t h e ma t e ria l ； t h e r ma l p r o p e rti e s o f t h e po r o u s ma t e ria 1 ． I n t hi s p a pe r a t wo wa y s s t u d y i s p r e s e n t e dt h e f 0 r me r D a r t c o n s i s t s o f a nu me ric a l s i mu l a t i o n o f t h e h e a t i n g s t a g e o f d e fi ne d p a r t s i n a n i nd u s t ria l s i n t e r 。 h a r d e n i n g f u rn a c e t o p l o t t h e t e mp e r a t u r e e v o l u t i o n d u ri n g c o o l i n g s o l u t i o n o f a h e a t t r a n s f e r p r o h - l e m ，w h i l e t h e l a t t e r i s a n e x p e ri me n t a l i n v e s t i g a - t i o n o f t h e mi c r o s t r u c t u r e a n d me c ha n i c a l p r o p e rti e s o f t he s a me d e fin e d s i n t e r e d p a rts [ ． 1 M a t e r i a l s a n d M e t h o ds F r o m a h y b rid t r a d i t i o n a l d i f f u s i o n-- b o n d e d p o w- d e r ．wh o s e c h e mi c a l c o mpo s i t i o n i s r e po se d i n Ta b l e 1，s p e c i me n s h a v e b e e n p r e s s e d a t t wo d i f f e r e n t d e n s i t i e s6 ． 8 a nd 7． 0 c m ．0． 6 ％g r a p hi t e a n d 0． 7 5 ％ l u b r i c a n t h a v e b e e n a d d e d i n t h e mi x ． T h e s a mp l e s h a v e b e e n s i n t e r e d a t 1 1 2 0 ℃u n d e r e n d o g a s a t mo s D h e r e wi t h c a r b o n p o t e n t i a l 0．6％～ 0．7％ ，25 mi n u t e s s 0 a k i n g t i me ， i n i n d u s t ri a l s i n t e r h a r d e n i n g e q u i p me n t ． Du rin g s i n t e r i n g a n d f a s t c o o l i n g p e r i o d s， t h e t e mp e r a t u r e a t t h e c o r e o f a 2 5 mm he i g h t p a r all e l e p i p e d ha s b e e n r e c o r d e d b y a t h e rm o c o u pl e a n d s t o r e d i n a d e s k c o mp u t e r ． Ta b le 1 No mi n a l c h e mic a l c o mp o s i t i o n o f t h e b a s e p o w d e r { wt ％ 表 1 基体 粉末的标称化学成分 质量分数 ， ％ a d d e d b y d i f f u s i o n b o n d i n g T h e s a m p l e s h a d c o n s t a n t c r o s s s e c t i o n s 6 56 5 I n l n 、a n d d i ff e r e n t h e i g h t s 2 ． 5 n l i n，4 ． 0 mlT l ， 6． 3 ml n， 1 0． 0 1T I IT I ．1 6． 0 I n lT l ，2 5． 0 mi l l ，4 0 ． 0 n q l n a n d 6 3 ． 0 mm． 1 ． 1 He a t t r a n s f e r mo d e l ， I 1h e a i m 0 f t h i s p a r t c o n s i s t s o f t h e c a l c u l a t i o n o f t h e c o o l i n g t r a n s i e n t o f t h e s p e c i me n by v a r y i n g t h e h e i g h t d u r i n g t h e c o o l i n g s t a g e i n t he f urna c e ． As a fir s t s t e p．a n i n v e r s e h e a t p r o b l e m h a s b e e n f 0 n n u l a t e d a i n o r d e r t o c alc u l a t e t h e h e a t t r a n s f e r c 0 e f f i c i e n t d u ri n g t h e c o o l i n g s t a g e i n t h e f u rna c e， s t a r t _ i ng f r o m t h e e x p e rime n t a l d a t a ．Th e n a d i r e c t p r o b l e m 8 b h a s b e e n s o l v e d t o c a l c u l a t e t h e t e m p e r a t u r e p r o fi l e s i n t h e s p e c i me n b y v a r y i n g h e i g h t s a n d d e n s i t y ． a I n v e r s e p r o b l e m T h e m o d e l h a s b e e n e x t e n s i v e l y p r e s e n t e d i n[ 6 ] whe r e t h e t e mp e r a t u r e d i s t rib u t i o n i n a p a r a l l e l e p i p e d wa s a s s u me d t o b e c a l c u l a t e d a s t h e p r o d u c t o f t h r e e o n e d i me n s i o na l s o l u t i o ns f o r t h e p l a ne wall s ，a s r e p o r - t e d i n[ 2 ] ． T h e f o l l o wi n g h y p o t h e s e s h a v e b e e n i n t r o d u c e d i n t h e f o rm u l a t i o n o
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