Ni、P元素对于铁基粉末冶金材料力学性能的影响.pdf

第 3 2卷第 4期 2 01 4年 8月 粉末 冶金 技术 Powde r M e t a l l ur g y Te c hno l o gy Vo 1 ．3 2．No ． 4 Au g ． 2 01 4 N i 、 P元素对于铁基粉末冶金材料力学性能的影响 尹利广 一 尹延 国 一 张 国涛 王 涛 解 挺 田 明 王 璇 吴晓波 合肥工业大学摩擦 学研 究所 ， 合肥 2 3 0 0 0 9 摘 要 采用 粉末冶金方法制备铁 基烧 结材料 ， 并测试材料 的硬 度和压溃强度 ， 考察 了 N i 、 P元 素对于铁基 粉末冶金材料密度和力学性能 的影 响。结果表 明 N i 不 仅可以提高铁基材料 中珠 光体 的含 量 ， 还 可以显著 提 高材料 的硬度 和压溃强度 ， 当 N i 含量 为 3 ％时效果最好 ； 添加微 量 P元素可以明显提高含 N i 铁基材料 的硬 度 和压溃强度 ， 但 当 P含量超过 0 ． 1 5 ％后 ， 对 材料 硬度 的提升作用减缓 ， 而材 料的压溃强度 则大幅下降。 关键词 粉末 冶金 ； 铁基烧结材料 ； 磷 ； 镍 ； 力学性能 The I nf l u e nc e o f Ni a nd P o n The M e c h a ni c a l Pr o p e r t i e s o f I r o n- ba s e d Po we r M e t a l l u r g y M a t e r i a l Yi n Li g ua ng，Yi n Yan guo，Zh ang Guo t a o，W a ng Ta o，Xi e Ti n g，Ti a n M i ng，W a ng xua n，W u x i ao bo I n s t i t u t e o f T r i b o l o g y ， H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，H e f e i 2 3 0 0 0 9 ， C h i n a 、 Ab s t r a c tTh e h a r d ne s s a nd t he c r us h i n g s t r e n g t h o f i r o n b a s e d P／M s i nt e r e d ma t e r i a l wi t h Ni a nd P we r e me a s u r e d， an d t h e i n flu e n c e o f Ni a nd P e l e me n t s o n de n s i t y a n d me c ha ni c a l p r o pe r t i e s o f t he P／M ma t e r i a l wa s i n v e s t i g a t e d． The r e s u l t s s ho w t ha t a d di n g Ni t O i r o n - ba s e d ma t e r i a l c a n i mp r o v e t h e c o n t e nt o f pe a r l i t e a n d i mpr o v e t h e me c h a ni c a l pr o p e r t i e s s i g n i f i c a n t l y，wh e n t h e c o n t e n t o f Ni i s 3 ％ ，t h e r e s u h i s t he be s t ． And a d di n g P t o t he i r o n b a s e d ma t e r i a l c o nt a i ne d Ni c a n i mp r o v e t h e h a r d ne s s a nd c rus hi ng s t r e n g t h r e ma r k a b l y ． Ho we v e r，wh e n t he c o nt e nt o f P i s o v e r 0．1 5％ ，t h e e f f e c t o f P e l e me n t o n i mpr o vi n g t h e h a r dn e s s wi l l de c r e a s e，a n d t h e c r u s h i n g s t r e ng t h o f t he i r o n b a s e d ma t e r i a l wi l l d e c r e a s e s h a r p l y． Ke y wor d sP o we r Me t a l l u r g y；I r o n Ba s e d S i n t e r e d Ma t e r i a l ；Ph o s p h o ru s ；Ni c k e l ；Me c h a ni c a l Pr o p e rti e s 粉末冶 金技 术 具 有 可 加工 复 杂 形 状 、 可 实 现 近 净成形和批量生产 、 可实现多种类 型材料 的复合等 优 点 ， 广泛 应用 于 纺织 机 械 、 办公 机 械 、 电动 工 具 和 汽车 的生 产 中 ⋯ 。铁 基 粉 末 冶 金 材 料 ， 因其 强 度 、 硬度高 ， 耐高温、 耐磨性好 、 价格便宜等优点 ， 应用最 为广泛 。但是在一些性能要求较 高的场合 ， 单纯 的铁基粉末冶金材料无法满足使用要求 ， 常在铁基 体中添加一些合金元素来提高其性 能， 常用的合金 元素有 c u 、 N i 、 Mo等 。适量的 c u可以完全 固溶 于 F e基体 中， 起到固溶强化的作用 ， 显著提高材料 的硬度和强度 ； N i 的良好作用在于强化铁基粉末烧 结体的同时， 还具有提高铁基粉末烧结体塑形 的特 点 ， 对铁基粉末冶金材料 的强韧化十分有利 ； Mo可 以稳定 F e缩 小 F e相 区 ， 有 利 于 铁 的 扩 散 ， Mo 还 易 于和 c反 应 生成 碳化 物 ， 起 到 细化 珠 光体 组 织 并 增 加珠光 体 含量 的作 用 。 P在 铁 中常 被认 为是 有 害 元 素 ， 因 为它 在 铁 中 扩 散 速度较 慢 ， 易 于在 晶界处 产生 偏析 ， 会 导致 材料 变得硬脆。但是根据微合金化理论 的研究结果 ， 在 提高铁的屈服强度和抗拉强度方面 ， P对 F e的作用 比 C u对 F e的作用高 2 0倍 ， P可 以形成 F e - P固溶 体起到固溶强化的作用 ， 稳定 ． F e 促进铁原子的扩 国家 自然科学基金 资助项 目 5 0 9 7 5 0 7 2 {{ 尹利广 1 9 8 9一 男 ， 硕士 。E ma i l y i n m y b o x 1 6 3 ． C O B } 尹延 国 1 9 6 4一 男 ， 博士 ， 教授 ， 博士生导师 。E m a i l a b y i n s i n a ． e o m 收稿 日期 2 0 1 40 2 2 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷第 4期 尹利广等 N i 、 P 元 素对于铁基粉末冶金材料力学性 能的影响 2 5 5 散 ， 还可 以形 成共 晶液 相 ， 加 速 原 子 扩 散 、 促 进 烧 结 致 密化 ， 少量 的 P就会 对 铁 基 粉末 冶 金 材 料 的强 度 和硬 度 有 明显 的提升 。 本 文在研 究 含 N i 铁 基材 料性 能 的基础 上 ， 进 一 步添加微量的 P元素， 研究 了 N i 、 P两种合金元素同 时添加对于铁基粉末冶金材料力学性能的影响， 希 望通过 N i 和 P优化配 比达到进一步提高材料力学 性 能 的 目的。 1 试 验 1 ． 1材 料配 方设 计 铁 基粉 末 冶 金 材料 的配 方 如表 1所 示 ， 材 料 的 主要成分为 F e 、 c 、 c u ， 并 添加适量 的 N i 、 P合金 元 素。试验中 c含量为 0 ． 5 ％ ～ 0 ． 7 ％ ， 碳的主要作用 是调节材料中铁素体和珠光体 的相对含量 ， 对材料 的硬度和强度具有较大的影响。材料中 C u的含量 为 1 ． 5 ％ ～ 2 ． 5 ％ ， C u是 铁 基 粉 末 冶 金 材 料 中 常 用 的合金元素， c u在 ． F e中的溶解度为 8 ％左右， 常 温下在 a F e中的溶解度只有 2 ％左右 ， C u在烧结时 会产生液相 ， 促进烧结和合金元素扩散 ， 同时冷却后 残留在 O ／ - F e中的 C u还可以起 到固溶强化的作用 。 N i 以 F e - N i 预合金粉的形式加 入 ， P以磷铁粉 3 5 0 目 的形式 加入 ， 磷铁 粉 的 主要化 学成分 包括 P 一 2 0 ％ 质量分数 ， 下 同 、 F e - 7 5 ％ 、 其它 5 ％ Mn 、 C 、 T i 、 AI 。 表 1 铁基粉末 台金材料 的配 方 质量分数 Ta bl e 1 Co mp o s i t i o n o f t he i r o n b a s e d p o wd e r me t a l l u r g y ma t e r i a l ％ F e 余量 余量 余量 余量 余量 余量 余量 余量 余量 N i P 其余 0 0 ≤2 1 0 ≤2 2 O ≤2 3 O ≤2 4 0 ≤2 3 0． 0 7 ≤2 3 0 ． 1 5 ≤2 3 0 ． 2 2 ≤ 2 3 0 ． 3 0 ≤ 2 1 ． 2样 品制备 采用粉末冶金 方法 ， 通过混料 、 压制 、 烧 结等步 骤制备圆环形 外径 2 5 mm、 内径 1 5 mm、 高 1 5 m lT 1 试样 。按 表 1的配方 将 各种 原料 粉末 精 确称 量 ，在 锥型混料器中充分混合 0 ． 5 h ， 保证 各成分 混合均 匀 、 不会 出现偏 析 。在 混 料 的过 程 中加 入 一 定 量 的 硬脂酸锌和锭子油 ， 作为润滑剂 和粘接剂。将混合 均 匀 的粉末倒 入 成 型模具 中 ， 在 5 0 T 自动 液 压机 上 压制成圆环试样 ， 压 强为 6 0 0～7 0 0 M P a ， 压制密度 为 6 ． 9 g ． c m 左右 ； 后将压制好 的生坯放在 网带式 烧结炉中烧结 ， 烧结 的同时通入氨分解气氛保护， 烧 结时的温度设定为 1 1 0 0～1 1 5 0 C， 烧结时间为 3 h 。 1 ． 3试 验方 法 采 用排 水 法 测 量 试 样 烧 结 前 后 的 密 度 ； 利 用 HB R V U- 1 8 7 ． 5光学 布洛 维硬 度计 测 量试 样 的硬 度 ， 分别在试样上下两表面各取 三个点 ， 并取其平均值 作为最终的硬度值 ； 在 WE 一 6 0 0万能试验 机上测得 圆环试 样压 溃 时所 需 的 压力 ， 利 用 烧结 金 属 衬 套 径 向 压 溃强 度计算公式K 掣， 计算圆环试样 Le 的压溃 强度 ； 利用 金 相显微 镜 观察 材料 的组 织结 构 。 2 试 验结果与分析 2 ． 1 N i 含 量对 于铁 基 烧结 材 料硬 度 和 压 溃 强度 的 影响 图 1 为 不 同 N i 含量 的铁 基 粉 末 冶 金 材 料 在 烧 结 前后 的 密度变 化 曲线 ， 当材 料 中不 含 N i 或 N i 含 量 较低 时 ， 材料烧 结 后 的密度 低 于生坯 密度 ， 这 主要 是 由于铁基材料 中含有 1 ． 5 ％ ～ 2 ． 5 ％的 c u ， 在高温 烧结时， C u固溶于铁基体 中， 在其原来 的位置上 留 下孔 隙， 造 成试 样 的体积膨 胀 ， 烧结密 度 降低 。 随着 N i 含量的升高 ， 烧结密度逐渐提高， 当 N i 含量 超过 2 ％ 后 ， 烧结 密度 大 于生坯 密度 ， 这是 由于在铁 宕 U ● 稍 含 N i 铁基材料序号 图 1 含 N i 铁基材 料烧结前后的密度 Fi g ．1 Th e g r e e n d e n s i t y a n d s i nt e r e d d e n s i t y o f i r o n b a s e d ma t e r i a l wi t h Ni 5 5 5 5 5 5 5 5 5 ■ ● ● ● ● ● ● ● ● 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 5 5 5 5 5 5 5 5 5 ■ ● ● ● ● ● ● ● ● ；}__- 7 7 7 7 7 7 7 7 7 ● ● ● ● ■ ● ● ● ● 0 O O O O O O O O ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 5 5 5 5 5 5 5 5 5 ■ ● ● ■ ● ● ● ● ● 0 0 0 O O O 0 0 0 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 3 2卷第 4期 尹利广等 N i 、 P元素对于铁基粉末冶金材料力学性能 的影 响 2 5 7 种不易与碳发生反应生成碳化物的合金 元素， 在高 温烧结时， 可以完全固溶于奥氏体 ， 起到固溶强化的 作用 ， 另外 N i 能增加珠光体的相对含量， 珠光体的 强度较高、 硬度适 中、 塑性和韧性较好 ， 由于这两方 面 的原 因 ， 在 一定 范 围 内 ， N i 含 量 的提 高 ， 材 料 的 硬 度 和压 溃强度 也 在不 断 增 强 ’ 。如 图 3所 示 1 试样 不 含 N i ， 其 硬度 仅 为 5 0 HR B， 随着 N i 含 量 的增 加 ， 材料 的硬 度 随 之快 速 增 加 ， 当 N i 含 量 为 3 ％ 时 硬度达到最大为 7 6 H R B左右 ； 材料 压溃强度随 N i 含量 的变化规 律 和 硬度 的变 化 规 律 基 本 相 同 ， 随 着 N i 含量 的增加 压 溃 强度 也 逐渐 增 大 ， N i 含量 为 3 ％ 时 达到 最大 。 当 N i 含量为 4 ％ 时， 晶粒变得粗大 ， 还 出现 了 强度较低的奥氏体组织和硬脆 的马 氏体组织 ， 导致 材 料力 学 性 能 变 差 ， 如 图 3所 示 ， 5 试 样 相 对 于 4 试 样在 硬度 和压 溃强 度方 面均 出现 了一 定程 度 的下 降 。 警 图 3 含 N i 铁基材 料的硬 度和压溃强度 F i g ． 3 T h e h a r d n e s s a n d c r u s h i n g s t r e n g t h o f t h e i r o n ba s e d ma t e r i a l wi t h Ni 2 ． 2 P对 含 N i 铁 基材 料硬 度和 压 溃强度 的 影响 从 图 4可 以看 出 ， P含 量 对含 N i 铁基 材 料 硬 度 和 压溃 强度 有 明显 的影 响 ， 在 含 3 ％ N i 的 4 试样 中 添 加 0 ． 0 7 ％ P后 的 6 试 样 ， 硬 度 由原 来 的 7 6 H R B 左 右快 速 上升 到 9 2 H R B左右 ， 上 升 幅度为 2 1 ％ ， 压 溃 强 度也 由原来 的 8 9 6 MP a 左 右上 升 到 1 0 2 0 MP a ， 增加了 1 2 4 MP a ， 微量 P元素的添加对含 N i 铁基材 料起到了较好 的增 强作 用。P含量增加 至 0 ． 1 5 ％ 时 ， 材 料 的硬 度 和 压 溃 强 度 都 缓 慢 上 升 ； 当 P含 量 继续 增加 时 ， 材 料 的硬度 增 加 已不 明显 ， 而强度 则 出 现 了明显 的下 降趋 势 ， 如 当 P含 量 为 0 ． 2 2 ％ 时 ， 压 图 4 P对含 N i 铁基材料硬度和压溃强度 的影响 Fi g ． 4 The i mp a c t o f P o n t h e ha r dn e s s a n d c r u s hi ng s t r e ng t h o f i r o n b a s e d ma t e r i a l wi t h Ni 溃强度已低于无 P的 4 试样 ， P含量为 0 ． 3 0 ％的9 试 样压 溃强 度仅 为 8 0 0 MP a 左右 ， 即含 N i 铁 基材 料 P元 素 的最 佳 添加量 在 0 ． 1 5 ％左 右 。 在 铁基 粉 末 冶 金 材 料 中 添 加 P可 以 显 著 提 高 材料的力学性能 ， 对此 已有多人进行过研究 “ 在烧结时， P可 以扩散 到铁基 体 中形 成 F e P固溶 体 ， 起到固溶强化的作用 ； P还可以稳定 ． F e缩小 一 F e相区， 使材料在 d F e相 区或 d F e7 一 F e相 区 烧结 ， 加 速 F e的扩 散 速 度 ， 促 进 孔 隙 的球 化 和材 料 的致密化 ， 从而提高材料的力学性能 ； P和 F e P在烧 结 时还会 发生 共 晶反应 ， 产 生共 晶液 相 ， 起 到促 进合 金元素扩散 和加 速烧结 的作用。但 当 P含量过高 时 ， 会 在 晶界 上析 出 F e P， 导 致 材料 脆 性 增 加 、 压 溃 强度 降低 。 在铁基材料中混合添加 N i 、 P合金元素产生的 效 果 ， 并 不是 N i 和 P单独 添加 时产 生效 果 的简单 叠 加 。在 含 N i 3 ％ 的铁 基材 料 中添 加 少量 的 P， 材 料 的硬度 和压 溃强 度显 著增 强 ， N i 、 P之 间起 到 了协 同 促 进 的作 用 ； 但 当 P含 量 超 过 0 ． 1 5 ％ 后 ， P对 含 N i 铁基 材料不但 没有增强作 用 ， 反而使 材料 的强度 明显 下 降 ， 即 P对含 N i 铁基 材料 已产生 了不利 的影 响 。 图 5为含 N i 、 P合金 元 素 的铁 基材 料金 相 照片 ， 可以看 出， 在含 N i 铁基材料中添加 P后 ， 试样组织 比较均匀 ， P的添加量 比较低时 ， 材料 中晶粒大小 和未添加 P时基 本一致 ， 但 P含量过 高时， 会 出现 如 图 5 C 所 示 的晶 粒 变 大现 象 。通过 观 察 放 大 倍 数较 高 的金 相 组织 结 构 照片 发 现 图 5 b 中绝 大 部分都是珠光体 ， 珠光体的强度较好 、 硬度适 中， 可 室 暖然 萎窿 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