Cr的添加方式与含量对粉末冶金烧结钢组织及力学性能的影响.pdf

第 2 0 卷第3期 V b 1 ． 2 0 NO ． 3 粉末冶金材料科学与工程 M a t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g o f P o wd e r M e t a l l ur g y 2 0 1 5 年 6 月 J un． 2 01 5 C r的添加方式与含量对粉末冶金烧结钢组织 及力学性能的影响 陈露 ， 肖志瑜 ，何杰，温 利平 华南理工大学 国家金属材料近净成形工程技术研究中心，广州 5 1 0 6 4 0 摘要在 F e 。 1 ．7 5 Ni ． 1 ． 5 C u 一 0 ． 5 Mo 一 0 ． 6 C粉末中，分别以添加 4 3 0 L不锈钢粉和 C r F e合金粉的方式加入 C r 元素， 采用高温烧结硬化工艺制备含铬烧结钢 F e ． 1 ． 7 5 Ni ． 1 ． 5 C u - x C r - 0 ． 5 Mo ． 0 ． 6 C O ． 5 ，1 ． 0 ，1 ． 5 ，研究铬的添加方式与 含量对烧结钢组织与力学性能的影响。结果表明，与添加 C r F e 合金粉的方式相比，采用添加 4 3 0 L不锈钢粉的方 式时 ，C r 的强化效 果更好 。采用该方式制备的含 C r 烧 结钢 ，随 C r 含量 增加 ，抗拉强度先上升后下降 ，伸长 率不 断下降，硬度不断提高，含铬量 1 ． 0 ％的材料具有 良好的综合性能，生坯密度和烧结密度分别为 7 ． 1 8 g ／ c m 和 7 ．2 0 g ／ c m ，抗拉强度、伸长率和硬度分别达到9 1 0 MP a 、2 ． 0 ％和 3 0 H R C；烧结钢组织主要以珠光体、贝氏体和 马氏体为主的混合组织；烧结钢的拉伸断裂以韧一 脆混合断裂为主。 关键词 含铬粉末冶 金烧 结钢 ；力学性 能；显微组织 中图分类号T F 1 2 5 文献标识码A 文章编号1 6 7 3 ． 0 2 2 4 2 0 1 5 3 ． 4 0 6 ． 0 8 Ef f e c t s o f t h e me t h o d o f c h r o mi u m a d d i t i o n a n d i t s c o n t e n t o n mi c r 0 s t r u c t u r e a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f po wd e r me t a l l u r g y s i n t e r i n g s t e e l CHE N Lu ， XI AO Z Hi y u ， HE J i e ， W E N Li p i n g Na t i o n a l E n g i n e e r i n g Re s e a r c h C e n t e r o f Ne a r n e t s h a p e F o r mi n g f o r Me t a l l i c Ma t e ri a l s ， S o u t h C h i n a Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Ad d i n g4 3 0 L s t a i n l e s s s t e e l p o wd e r a n dCr F e a l l o yp o wd e rt ot h e b a s e dp o wd e r F e 一 1 ． 7 5 Ni - 1 ． 5 Cu - 0 ． 5 Mo 一 0 ． 6 C． r e s p e c t i v e l y ．T h e n h i g h t e mp e r a t u r e s i n t e r e d h a r d e n i n g p r o c e s s we r e u s e d t o f a b ric a t e c h r o mi u m c o n t a i n i n g p o wd e r me t a l l u r g i c s t e e l F e - 1 ． 7 5 Ni - 1 ． 5 C u - x C r - 0 ． 5 Mo 一 0 ． 6 C 0 ． 5 ， 1 ． 0 ， 0 ． 5 ． T h e e ff e c t s o f C r c o n t e n t a n d a d d i t i o n me t h o d o n t h e mi c r o s t r u c t u r e a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e s i n t e r e d s t e e l we r e i n v e s t i g a t e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t ， c o mp a r e d wi t h a d d i n g C r - F e a l l o y p o wd e r , t h e s t r e n g t h e n i n g e ff e c t o f a l l o y t h r o u g h a d d i n g 4 3 0 L s t a i n l e s s s t e e l p o wd e r f o r a d d i n g Cr i s b e e r , a n d t h i s a d d i n g m e t h o d i s a d o p t e d t o f a b r i c a t e c h r o mi u m c o n t a i n i n g p o wd e r me t a l l u r g y s t e e 1 ．W i th i n c r e a s i n g c h r o m i u m c o n t e n t ， t e n s i l e s t r e n g t h i n c r e a s e s fi r s t a n d t h e n d e c r e a s e s ， wh i l e e l o n g a t i o n d e c r e a s e s a n d h ard n e s s i n c r e a s e s s t e a d i l y ． T h e ma t e r i a l wi t h 1 ． O ％Cr h a s t h e b e s t p r o p e r t i e s ， a n d g r e e n d e n s i ty, s i n t e r e d d e n s i t y , t e n s i l e s t r e n g th， e l o n g a t i o n a n d Ro c k we l l h a r d n e s s a r e 7 ． 1 8 g ／ c m ，7 ． 2 0 g ／ c m ，9 1 0 M P a ， 2 ． 0 ％ a n d 3 0 HRC， r e s p e c t i v e l y ．M i c r o s t r u c t u r e o f t h e s i n t e r e d a l l o y s t e e l i s ma i n l y c o mp o s e d o f p e a r l i t e ，b a i n i t e a n d m a r t e n s i t e ．Th e f r a c t u r e o f the ma t e ri a l i s a mi x e d d u c t i l e ． b ri t t l e f r a c t u r e ． Ke y wo r d s c h r o mi u m c o n t a i n i n g P M s i n t e r i n g s t e e l s ； me c h an i c a l p r o p e r t y ； mi c r o s t r u c mr e 粉末冶金铁基合金是粉末冶金工业的主导产品， 广泛应用于汽车和机械零部件产业中。 c r 具有 良好的 基金项 目 收稿 日期 通讯作者 淬硬性，能够提升材料的强度且对粉末压缩性影响不 大。研究发现铬钢在烧结时，C r通过固相烧结达到 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 2 7 4 1 0 3 ；中央高校基本科研项目 2 0 1 4 Z P 0 0 1 1 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 4 ；修订 日期2 0 1 4 ． 0 8 0 8 肖志瑜 ，教授，博士。电话1 3 9 2 2 2 6 6 1 2 1 ；E - ma i l z h y x i a o s c u t ． e d u ．c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 0卷第 3期 陈露，等c r的添加方式与含量对粉末冶金烧结钢组织及力学性能的影响 41 l 。 富 ‘ 晶 g 凸 w C r ／ ％ 图 7 C r 含量对压坯密度与烧结密度的影响 F i g ． 7 Th e e ffe c t o f Cr c o me m o n g r e e n d e n s i t y a n d s i n t e r i n g d e n s i t y 性、塑性或硬度得到最好配合，有利于粉末压缩过程 中颗粒重排及塑性变形，所以生坯密度最高；当 c r 含 量为 1 ． 5 ％时，粉末硬 度提 高 ，导致压缩性能下 降， 因而生坯密度较低。 但 由于高温烧结时富 C r 区域可能 存在瞬时液相烧结[ 1 4 1 ，促进了烧结致密化，烧结密度 增大 。 图8所示为 c r 含量对烧结钢抗拉强度、 伸长率与 硬度的影响。由图 8可见，随 C r 含量增加，材料的抗 拉强度先上升后下降，伸长率则逐渐下降，硬度逐渐 升高，当 c r 含量为 1 ． 5 ％时材料硬度达到 3 2 H R C 。 合金元素对材料力学性能的影响取决于合金元素 的本质，即取决于它们与铁和碳的相互作用【 1 。铬是 铁素体的形成元素，也是中等碳化物的形成元素。当 C r 较 少时多数 C r 溶于渗碳体 中形成 合金渗碳体 ，起 固溶强化的作用 ；另一方面，铬也因降低相变温度， 使组织和碳化物细化，进一步提高材料的强度。C r 含 薹 誊 秀 量增加能显著提高材料的淬透性并显著减慢贝氏体转 变， 于是随 C r 含量增加，组织中贝氏体含量减少，马 氏体含量增多， 所 以c r 含量从 O ． 5 ％增加到 1 ． 0 ％时强 度升高。然而 C r 极易被氧化，而且氧化后很难还原， 在 1 2 0 0℃下，当烧结气氛的露点高于- 2 0℃时，在 纯氢气气氛下也不能将 C r 2 0 3 还原。氧化物的存在严 重损害烧结合金的力学性能， 所以当C r 含量达到1 ． 5 ％ 时抗拉强度显著下降。因此，在铬的固溶强化和铬的 氧化双重作用下， 抗拉强度随 C r 含量增加而先增加后 下降。随 C r 含量增加， 组织中珠光体、贝氏体含量减 少，马氏体含量增多，使得材料的伸长率降低而硬度 升高 。 2 ． 3 拉伸 断口形貌 图 9所示为不同C r 含量的烧结钢拉伸断口形貌。 从图中可明显观察到典型的解理面、韧窝微坑和撕裂 棱的痕迹。合金断口形貌为河流花纹状解理形貌和韧 窝的混合断口，韧窝一般分布于原始颗粒结合的烧结 颈处，解理则发生于原始颗粒的内部，且解理裂纹起 源于内部的微孔隙。断面上有韧窝说明微区存在塑性 变形，但韧窝小且浅，说明塑性变形所吸收的能量有 限。铬含量为 0 ． 5 ％时，只能观察到较小的解理面，这 是由于合金的组织主要由韧性好的贝氏体和珠光体组 成；随 C r 含量增加，孔隙变化不大， 组织中贝氏体减 少和针状马氏体含量增加导致材料韧性降低，韧窝逐 渐减少而解理面逐渐增多。 材料的断裂过程包括裂纹的形成和扩展。烧结钢 的断裂行为与其致密度及显微组织有关。粉末冶金烧 结钢的孔隙很难完全消除，在外力作用下孔隙尖端产 生应力集 中而形 成微裂 纹 。不同的组织对裂纹形成和 扩展的抗力不同，如贝氏体组织比马氏体组织的韧性 好，且贝氏体组织中微裂纹少，所以其抵抗裂纹形成 摹 趸 重 3 4 32 30 28 器 2 6 2 4 22 图 8 C r 含量对烧结钢力学性能的影响 F i g ． 8 Th e e ff e c t o f Cr c o n t e n t O i l t h e me c h a n i c a l p rop e r t i e s o f s i n t e r e d s t e e l s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 0卷第 3期 陈露，等c r的添加方式与含量对粉末冶金烧结钢组织及力学性能的影响4 1 3 HU L e i XI AO ZHi Yu．Ef f e c t o f ma ng a n e s e c o n t e nt o n mi 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 Cu Mn C s i n t e r i n g a l l o y[ J 】 ． Ma t e ria l s Sc i e n c e a n d En g i n e e fin g o fP o wd e r Me ml l u r g 2 01 3 ， 1 8 6 8 2 卜8 2 6 ． [ 7 】wu M HWA NG K S ， HUANG H S ， e t a 1 ． I mp r o v e me n t s i n [ 1 2 ] mi c r o s t r u c t u r e h o mo g e n i z a t i o n a n d me c h a n i c a l pr o pe r t i e s o f d i f f u s i o n - a l l o y e d s t e e l c o mp a c t b y t h e a d di t i o n o f Cr - c o n t a i ning p o wd e r s[ J ] ． Me t a l l u r g i c a l a n d Ma t e ri a l s T r a n s a c t i o n s A， 2 0 0 6 ， 3 7 8 2 5 5 9 2 5 6 8 ． [ 8 ] NYB E R G I ， e t a 1 ． E ffe c t o f s i n t e ri n g t i me a n d c o o l i n g r a t e o n s i n t e r h a r d e n a b l e ma t e ria l s 【 c ] ／ ／Ro g e r L a wc o c k ， Ma r y a n n Wrig h t ． Ad v an c e s i n Po wd e r Me t a l l urg y and Pa r t i c u l a t e M a t e ria l s ． La s Ve ga s M PI F , 2 0 0 3 ． pa r t 5 1 0 1 ～1 1 0 ． 【 9 】 程 文孔 ，陈华，刘勇兵，等 ． 微 细铬铁粉对铁基烧 结材 料性 能的影 响[ J ] ．材料热处理学报， 2 0 0 7 ， 2 8 4 2 2 2 5 ． CHENG W e n Ko n g ， CHE N Hu a ， LI U Yo n g Bi n g， e t a 1 ． I n fl ue n c e o f fi ne Fe r r o c h r o me p o wd e r o n t h e p r o pe i e s o f i r o n b a s e d s i n t e r e d ma t e ri a l[ J 】 ． Ma t e ri a l s and He a t T r e a t me n t ， 2 0 0 7 ， 2 8 4 2 2 2 5 ． [ 1 O 】 张林祥，罗丰华． 预扩散处理C r - F e 粉对铁基合金组织与性能 的影响[ J ] ． 粉末冶金技术， 2 0 1 3 ， 3 1 2 1 0 1 ～ 1 0 7 ． ZHANG Li n Xi a ng ． LUO F e n g - Hu a ．I nfl u e n c e o f p m d i f f u s i o n t r e a t me n t Cr - Fe p o wd e r o n mi c r os t r uc t u r e a n d me c h a n i c a l p r o p e rt i e s o f i r o n b a s e d a l l o y [ J ] ． P o wd e r Me t a l l urg y T e c h n o l o gy, 2 0 1 3 ， 3 l 2 1 0 1 1 0 7 ． 【 1 1 】 杨宗坡，宫声凯．MCM 母合金对 铁基材料 性能的影响[ J ] ． 粉 [ 1 3 ] 【 1 4 1 [ 1 5 】 [ 1 6 ] 末冶金技术， 1 9 8 3 ， l 4 卜5 ． YANG Zo ng Po ， GONG S He n g Ka i ．I n flu e n c e o f MCM ma s t e r a l l o y o n t h e p r o p e r t i e s o f i r o n - b a s e d ma t e ri a l s[ J 】 P o wd e r Me t a l l u r gy T e c h n o l o g y , 1 9 8 3 ， 1 4 1 ～ 5 ． 羊 求 民．水 雾 化 铁粉 工 艺 性 能研 究 [ D】 ．长沙 中南 大 学， 2 O1 2 l 1 1 3 ． Y A NG Qi u - Mi n ．S t u d y o n p r o c e s s i n g p r o p e rti e s o f wa t e r a t o mi z e d i r o n p o wd e r [ D] ． C h a n g s h a C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y , 2 O1 2 1 1 1 3 ． 黄培云． 粉末冶金原理[ M ] 北京冶金工业出版社，1 9 9 7 l 3 2 -1 3 3 ． HU ANG P e i Y u n ． P o wd e r Me t a l l u r g y P r i n c i r Il e s【 M】 ． B i n g j i n g Me t a l lu r g i c a l I n d u s t r y P r e s s ， 1 9 9 7 1 3 2 1 3 3 ． 李吉泉， 丁厚福．低铬铁基烧 结材 料的研 究[ J ] ．粉末冶金 工业， 2 0 0 2 ， 1 2 4 1 6 2 0 ． LI J i q u a n ． DI NG Ho u f u． Re s e a r c h o n l o w c h r o m i u m c o n t a i n i n g i r o n b a s e d s i n t e r e d ma t e ria l s[ J ] ． P o wd e r Me t a l lu r g y I n d u s t r y , 2 0 0 2 ， 1 2 4 1 6 2 0 ． 崔忠祈 ，覃耀春 ．金属学与热 处理[ M】 ．北京机 械工业 出版 社． 2 0 0 7 3 l 8 3 l 9 ． C UI Z Ho n g q i ， QI N Y a o c h u n ． Me t a l l u r g y a n d He a t T r e a t me n t [ M】 ． B e ij i n g Ma c h i n e ryI n d u s t r yP r e s s ， 2 0 0 7 3 l 8 _ 3 1 9 ． C AN DE L A N，VE L AS CO E T OR RA L B A J M ．F r a c t u r e me c h ani s ms i n s i n t e r e d s t e e l s wi t h 3 ． 5 ％ wt ． Mo[ J ] ． Ma t e ri a l S c i e n c e E n g i n e e ri n g A， 1 9 9 9 ， 2 5 9 1 9 8 1 0 4 ． 编辑汤金芝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m