粉末冶金Fe-2Cu-0·8C合金零件尺寸变化的分析与控制.pdf

第 2 1 卷第 5 期 2 0 1 1年 1 0月 粉末冶 金工业 P0W DER M ET ALLURGY I NDUS TRY Vo 1 ． 2 1 No ． 5 0c t ． 2 01 1 粉末冶金 F e 一 2 C u 一 0 ． 8 C合 金零 件尺 寸变化 的分 析与控制 韩凤 麟 中国机协 粉末冶金分会 ， 北京1 0 0 8 2 5 摘 要 F e C u C合金 ， 特 别 是 F e 一 2 C u 一 0 ． 8 C合 金 ， 是粉 末 冶金 零 件 生产 中应 用 最广 的一 类 合 金 材 料 。这 种材料 的力 学性 能与 烧 结性优 异 ， 成 本 具 有 竞 争性 ， 但 是 ， 用 于生 产 尺 寸精 密与 形 状 复杂 的零件 时 ， 尺 寸 变化不 易控 制 。本 文 分析 了影 响这 种合 金材 料 尺 寸变化 的 因素 ， 特别 是 烧 结 时的尺 寸 变化 。介 绍 了一 些添加 铜 的 方式 对烧 结 Fe 一 2 Cu 一 0 ． 8 C合金 的尺 寸 变化 的影响 。 关键 词 粉 末 冶金 F e 一 2 Cu 一 0 ． 8 C钢 ； F C一 0 2 0 8 ； 尺 寸 变化 ； 铜 添加 方 法 中 图分类 号 T F 1 2 5 ． 1 文献 标 识码 A 文章 编号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 1 1 0 5 0 0 0 1 1 1 ANALYSI S AND CONTROL OF THE DI M ENSI oNA L CH ANGE oF PM Fe 一 2 CU 一 0． 8 C STEELS H AN Fe ng - l i n PM As s o c i a t i o n o f Mo c h i n e Ge r e n a l Pa n e r a l P a r t s I n d u s t r y S o c i e t y ， Be ij i n g 1 0 0 8 2 5 ， C h i n a Ab s t r a c t Fe Cu C， e s pe c i a l l y Fe 一 2 Cu 一 0 ．8 C or FC一 02 0 8 i S t he mos t c o m mo n a l l o y us e d i n PM pa r t s pr o due t i o n， Th i s a l l oy h a s ma ny a dv a nt a ge s i nc l ud i ng e x c e l l e n t me c ha ni c a l p r op e r t i e s ， s i nt e r b i l i t y， a nd c ompe t i t i ve c os t ．H o we v e r， a s e n d c o us t o m e r s c o nt i n ue t o r e q ui r e t i gh t e r d i me n s i o n a l c on t r ol of f i ni s he d p a r t s， t h i s a l l oy i s a t a d i s a dv a nt a ge du e t o i t s i n he r e n t d i m e n s i o na l Va r i a bi l i t y． Ch a ng i ng t he m e t ho d o f Cu a dd i t i on i n f l ue nc e s t he d i me ns i o na l s t a bi l i t y o f t h i s a l l o y． The r e f o r e， i t i s i n t r od uc e d s o me d i f f e r e nt Cu a d di t i o n me t h od s ． Ke y wo r d s PM Fe 一 2 Cu 一 0． 8 C ； FC一 0 20 8； d i m e ns i on a l c ha ng e； Cu a d di t i on me t h od s 对 于扩 大粉 末 冶金 零 件 应 用 ， 烧 结 时尺 寸 的控 制是个 最 大 问题 。各 种 材 料 的分 析 表 明 ， 对 于最 终 烧 结件 尺 寸 的变化 ， 3 0 ～ 4 0 来源 于 原料 粉末 粉 末 批次 间的变化 ， 混 合 或 润 滑 剂 的 均 匀性 ， 1 5 ～ 2 5 来 源 于压制 成形 ， 4 0 ～5 0 发 生在 烧结 。 仔 细 分 析 时 ， 粉末 冶 金 零 件 生 产工 艺 的每 一 参 数 实际 上 都 影 响 其 最 终 尺 寸 。材 料 组 成 的影 响很 大。在烧结时， 一些铁基合金胀大 ， 而另外一些产生 收缩 。表 1列 出了一些 常 用粉 末冶 金 零件 材料 烧结 时相 对模 具尺 寸 产 生 的尺 寸 变 化 ， 这 些 材 料 的压 坯 密 度为 6 ． 8 g ／ c m。 。负 值 表示 收缩 ， 正 值 表 示胀 大 。 少数 合 金材 料产 生 收缩 ， 诸如 F e Ni 合金 ， 另 外 一些 合 金产 生 胀 大 ， 诸 如 F e C u合 金 。F e 一 2 C u 一 0 ． 8 ％ C合 金 在 1 1 2 0 ℃ 下 烧 结 3 0 rai n时 ， 其 一 项 独 特 特 性是 尺寸 变 化接 近 于 0 见 表 1 ， 这有 利 于减小 复杂 形状 零件 的变形 。因 此 ， 这 种 粉 末 冶 金材 料 在 粉 末 冶金零 件 生产 中得 到 了广 泛应 用 。 在生 产粉 末冶 金 F C- 0 2 0 8零 件 的过 程 中 ， 铜 粉 的粒度 对 数标 度 与保 温 时 间对 其 在烧 结过 程 中 的 胀 大有 明显 影 响 ， 见 图 1 。 当制 造 生 坯 的 条 件 相 同 时 ， 采 用较 粗 的铜 粉与 较长 的保 温 时间 ， 烧结 后零 件 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 1 5 作 者简介 韩凤麟 1 9 2 8 一 ， 男 汉 ， 河北新河县人 ， 教授 ， 中国机协粉末 冶金分会顾 问。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 粉末冶金 工业 第 2 1卷 的尺寸胀 大较 小 。 表 1 各 种 铁 基 合 金对 模 具 尺 寸产 生 的 尺 寸 变 化 ] 注 压坯密度 6 ． 8 g ／ c m。 和于 1 1 2 0 C下烧结 3 0 rai n 。 图 1 在烧 结 F e 一 2 ％O u 一 0 ． 8 0 ％c合金的过程中 铜粉粒度对尺寸变化的影响 1 ] 原料粉末一 水雾化铁粉 ； 以 l o o c／ mi n加热到 1 1 2 0 C， 保温 1 h或 2 h 。表明较粗的铜 粉颗粒 与较长 的保温时间 ， 胀大较小 由图 2可看出， 石墨的添加量与烧结气体气氛 对粉末冶金 F e 一 2 C u - C合金 的烧结胀大都有很大 影 响 。在石 墨添 加量最 高 时 ， 膨 胀最小 。另外 ， 对 于 大 多数材 料组 成 ， 在 由 5 0 N。 5 O H 组 成 的 气 体氛中烧结时， 胀大较小。 铁 粉 的杂 质 含 量 ， 例 如 硅 ， 对 于 F C 一 0 2 0 8合 金 的烧结 胀大 也有 一定 影 响 。图 3示 在 含 碳量 6 0 C 分 别 为 0 ． 6 、 0 ． 8 ％ 及 1 ． 0 下 ， F e 一 2 C u C合 金 的烧结胀大和铁粉 的含硅 量的关系。请注意 ， 硅之 所 以会 导致烧 结 时 尺寸 胀 大 ， 主要 是 由于其 阻止 碳 溶于铁 中。 值得 注 意 的 是 ， 铁 粉 颗 粒 类 型 对 Fe 一 2 Cu 一 0 ． 8 C合 金烧 结 时的尺 寸膨 胀 的影 响 ， 图 4示 4种 铁粉 的这 种性 状 。对 于 FC 一 0 2 0 8组 成 ， 两 种 铁 粉 产 生胀 大 ， 另 外两 种产 生 收缩 。较细 的粉末 产生 收缩 ， 特 别是 生坯 密度 较低 时 。使用 亚筛析 铁粉 可能会 得 到全密 度 。当所 有 其他 条 件 相 同时 ， 只 将 两种 铁 粉 遴 图 2采用 三种烧 结气体气 氛时 ， 混合于 F e ． 2 ％O u合金 中的石墨数量对净烧结件尺寸变化的影响 生坯密度 6 ． 8 g ／ c m。 ； 以 l o 0C／ mi n加热到 1 1 2 0 0C， 保温 1 h 图 3 烧 结胀 大和铁 粉的硅含量与 F e ． 2 ％ c u合金含碳量的关 系[ ’ 压坯密度 6 ． 8 5 g ／ c m。 ； 于标准条件下烧结 1 0 0 ． 5 O 0 5 l O 丽 圄 1 3 0 ja m 8 8 g in 海绵 还原 水雾化粉水雾化粉 铁粉 铁粉 铁粉类型 图 4 铁粉类型对 于 1 1 2 0 ℃下烧结的 F e ． 2 ％C u ． 0 ． 8 ％ c合金净尺寸变化的影响 ’ 这可定制净尺寸变化为 0的混合铁粉 相掺 合 ， 就 可 能 形 成 烧 结 时尺 寸 变 化 为零 的 组 成 。 困难在 于每 一种 混合 粉都 必须 和 达到零 尺 寸变化 的 其 他工 艺 因素相 匹配 才行 。 5 O ＼ 婷 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 韩 风麟 粉末 冶金 F e 一 2 C u 一 0 ． 8 C合金零件尺寸变化的分析与控制 3 1 烧 结过程 对粉末冶金 F C 一 0 2 0 8零 件尺寸 的影响 在 讨论 粉末 冶 金 F e - C u C零 件 烧 结 时 ， 通 常认 为 ， 烧 结 时 的尺寸 变化 主要 决定 于烧 结 的温 度 、 时 间 及 气体 气 氛 ， 毫 无 疑 问 ， 这 些 条 件 都 是 十 分 重 要 的 ， 可是 ， 多年 来 的研 究 发 现 ， 他 们 对 常 用 的 ， 诸 如 F C 一 0 2 0 8与 F C 一 0 2 0 5材 料 ， 在烧 结 时 的尺 寸变 化 的影 响 一 般都 不 到 5 0 ， 往 往低 于 1 ／ 3 。 表 2汇总 了 F ． J ． S e me l [ 2 用 膨 胀 计 测 量法 对 烧 结 F C 一 0 2 0 8试样 尺 寸变 化 的系统 研 究 结果 。从表 2 中的数 据 可 看 出 ， 烧 结 F C 一 0 2 0 8试 样 时 ， 于 烧 结 温 度 1 1 2 0 ℃ 下 保 温 3 0 mi n时 的 尺 寸 变 化 为 一 2 2 ． 7 “ m 一 0 ． 0 4 2 ， 仅 为 烧 结 件 尺 寸 变 化 的 2 9 ． 8 。 其余 的 7 0 ％左 右 尺 寸 变 化 都 是 在 烧 结 过 程 中发 生 的 ， 其 中包 括润 滑剂 的性 状 ， 因 为其影 响烧 结初 期压 坯 的胀 大 ， 低 温下 的烧结 程度 ， 以及加 热 与冷却 时相 变 的性状 ， 也就 是象 征烧 结过 程特 性 的热 胀与 收缩 。 表 3示在 烧结 F C 一 0 2 0 8 试 样 的过程 中各种 因 素 对 尺寸 变化 的影 响 。 表 2 烧 结温 度与烧结过程对烧结 件尺寸变化的影响口 材料 材料组成 代号 质量分数 石墨溶解 石墨与铜的溶解 铜熔化 热作用 净相变膨胀 潜在过程作用 L m ‘ △ 。 △ L m ‘ △ 。 △ L m ‘ 。 △ L m ‘ △ 。 △ L m ‘ △ 。 △L m △ 。 A 纯铁粉 1 3 ． 8 0 ． 0 2 6 4 5 ． 0 0 ． 0 8 3 4 2 ． 5 0 ． 0 7 8 B 铁粉0 ． 7 5 A c r a wa x 一6 5 ． 6 0 ． 1 2 1 1 0 ． 0 0 ． 0 1 8 9 4 ． 3 0 ． 1 7 4 C 铁粉0 ． 8 5 石墨粉 1 3 5 ． 1 O ． 2 4 9 6 0 ． 2 0 ． 1 1 1 4 6 ． 6 0 ． 0 8 6 1 6 ． 7 0 ． 0 3 1 D 铁 粉 0 ‘8 ％ 石 墨 粉 1 5 0 ． 6 o ． 2 7 8 1 1 5 ． o o ． 2 1 2 1 ． 9 0 ． o o 4 8 ． 9 0 ． o 1 6 0 ．7 5 Ac r a wa x E 7 5 硼 Ac r a wa 1 9 7 ． 2 0 ． 3 6 4 3 0 ． 0 0 ． 0 5 5 1 2 3 ． 5-- 0 ． 2 2 8--4 2 ． 6--0 ． 0 7 9 s 0 ． 0 1 4 F ． J ． S e me l 试 验使 用 的 原 料 粉 末 ， 铁 粉 为 An c o r s t e e l I O 0 0 B， 润 滑 剂 为 L o n z a Ac r a wa x ， 石 墨 为 As b u r y 3 0 3 1牌 号 ， 铜 粉 为 Ac u Po wd e r 8 0 8 1 。 采用混合粉组成递增的方式 ， 试验研究 了下列 5种混 合粉 组 成 质 量 分 数 A．纯 铁 粉 ； B ．铁 粉 0 ． 7 5 Ac r a wa x ； C ．铁 粉 4 - 0 ． 8 5 石 墨粉 ； D ．铁 粉 4 - 0 ． 8 5 石 墨粉 4 - 0 ． 7 5 Ac r a wa x ； E ． F e 一 2 ％C u粉 4 - 0 ． 8 5 石 墨粉 4 - 0 ． 7 5 Ac r a wa x。 试样 使用 的是 冲 击 试 样 ， 压 制 到 标 准 高 度 1 ． 1 c m 与密 度 7 ． 0 g ／ e m 。 烧 结试 验采 用 的是 Ha r r o p I n d u s t r i e s ， I n c 设计 与 制造 的 卧式膨 胀计 测量 仪 。烧结 温 度 1 1 2 O ℃ ， 于 烧结 温度 下 保温 3 0 mi n ， 烧 结 气体 气 氛 体 积 分 数 He 4 - 6 H。 ， 名 义 露 点 一 2 O ℃ 或 更 低 ， 流 率 0 ． 0 8 5 IT I 。 ／ h。 A与 C混合粉 由于不含润滑剂 ， 是用模壁润滑 法压 制成 形 的 。 在粉 末 冶 金 零 件 生产 中 ， 为 了减 小 粉末 混 合 料 在成 形过 程 中对 阴模 内壁 的摩 擦 和混合 粉 内部 颗粒 间 的相互 摩擦 ， 都 添加 有 质 量分 数 为 0 ． 7 5 ％ 的润 滑 剂 ， 诸 如 Ac r a wa x 。这 些 润 滑 剂 在烧 结 初 期 虽 会 使 压坯 尺寸 胀 大 ， 但 其 后 为 伴 随 着 挥 发 分 解产 生 的 收 缩所抵 消 。但 是 ， 从表 2中 A 与 B和 C与 D 的烧结 件 的尺寸 变化 对 比中 可 明显 看 出 ， 添 加 有 润滑 剂 者 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 粉末冶金工业 第 2 1卷 的尺 寸 收缩大 。这表 明 润滑剂 在烧 结过程 初期 有活 化烧 结 的作 用 ， 但 机 理还 不 清 楚 。鉴 于 润 滑 剂 的化 学成分中含有碳氢化合物， 显然不是在烧结初期 的 氧化 物还 原所致 。 吕 呵 蝴 餐 渣 图 5烧 结 F e 一 0 8 5 ％石 墨压 坯 时膨 胀 计 测 量 值 与 温 度 的 关 系 表 4烧结 F e 一 0 8 5 ％石墨压坯时膨胀 计 测量 的数 据 ] 1 ． 1 烧 结 F e - 0 ． 8 5 ％石 墨压 坯 时膨 胀 计 测 量 的结 果 图 5与表 4示 烧 结 F e 0 ． 8 5 ％石 墨 压 坯 时膨 胀计 测量 的结果 。从 图 5可看 出 ， 在烧结 过程 中 ， 冷 却 曲线与 加热 曲线 在 较 高温 度 下 发 生交 叉 ， 随后 前 者在 远高 于后 者 下下 行 。因此 ， 整 个 冷 却 过 程都 是 胀大 。这 种胀大 ， 若 非全 部 ， 也 可能 大部 分是 混入 的 石 墨对 a 一 7转 变时 和随后 在 7相 范 围内 ， 对试 样性 状 的影 响所致 。 相 变 的影 响特 别 复 杂 。含 有 石 墨 的试 样 ， 其 相 变起始 温度 一般 较 低 ， 根 据 F e C相 图 ， 起 始 温 度最 低可 能 到 7 3 5 ℃ 。可 是 ， 用 膨胀 计 测 量 法 一 直 到 稍 高温 度都 没有 探索 到产 生相 变 的跻象 。这 或许 是 由 于 当试样 的烧 结 温度 高于 石 墨 的最低 溶 解 温 度 时 ， 产生 了影 响试 样 尺寸 变 化 的 5种 相 互 矛 盾 的作 用 ， 按照 对试 样尺 寸 变化 的影 响 由小 到 大 的顺 序 ， 依 次 为烧 结一 热膨 胀一 石墨 溶解一 相 变一试 样 对 因热梯 度导 致 的应力 状态 的反 应 。这些 作用 中前 两个 一般 是清楚的。现在对其余的三个作用分别略作说明。 石墨溶于铁中时， 就将其体积移置到了铁中， 从 而产生胀大作用。同时 ， 其还使铁从 ft ． 相转变成 了 较致 密 的 相 ， 反 而产 生大 得多 的 收缩作 用 。最后 ， 由于 石墨 溶解 涉及 的 4种 作 用 都 和 温度 相 关 ， 这 自 然会 使试样 中产生 的热 梯 度 形 成 复 杂 的应 力 状 态 。 总地 来说 ， 这可 能 产生 明显 的反作 用 。特 别是 ， 实际 上产 生 的应力 可 能会 大到 足 以破 坏 已形成 的烧 结结 合 ， 即使 不是 全部 ， 也 会 在 很 大 程 度 上 ， 破 坏 先前 的 致密化 ， 甚至可能包括在压制阶段形成的某些结合 。 应力 状态 对 压坯 尺寸变 化 的影 响程 度虽 无法量 化 ， 但一般与其表观起始 温度相关 和净膨胀较长 。 依 照表 4的数 据 ， F e 一 0 ． 8 5 石 墨 的相变 起 始 温度 为 7 7 1 ℃ ， 和伴 随 一 7相 变 的膨 胀 绝 对 值 为 一 1 8 m 或 一0 ． 0 3 3 ， 这个 值 相 当小 。因此 ， 其 蕴涵 是 ， 这种 试样先前存在的烧结结合 不够牢 固， 难 以承受相变 时 产生 的应力 ， 结 果在 相 变过程 中试 样 的密 度减低 。 这 种烧结 结合 不 牢 固 ， 容 易断开 ， 实际上 是所 含石 墨 对 相 烧结 产生 的一 种有 害作 用 。 一 般 而言 ， 在 F e - 0 ． 8 5 石 墨 的烧 结 过 程 中， 在 a 一 7相 变 之后 ， 残 留下来 的石 墨 ， 都 会溶 于溶 体 中 。 随着继 续加 热 ， 石墨继 续 溶解 时 ， 上述 的胀 大作用 就 会 影 响加热 曲线 的形 状 。用 膨 胀计 测 量 记 录 的 F e 一 0 ． 8 5 石墨烧结时相变后的加热 曲线就是这种作用 的典 型 曲线 。在表 4的数 据 中 ， 在 尺 寸 变 化 分析 项 下， 这个膨胀值包括在石墨溶解中。注意 ， 这个膨胀 值 是 列 出的膨 胀值 中最 大 的 。 石墨还有另外一种作用 ， 其来源于已知的冷却 时石 墨 与铁形 成 的碳 化 物 F e 。 C的 反应 。鉴 于碳 化 物 F e 。 C 中碳 的摩 尔 体 积 比碳 在 石 墨 中小 ， 因 此 ， 7 一 相变 时 ， F e 。 C的形 成 与 密 度增 高相 关 。这种 作 用是 在用 膨胀 计测 量 低 碳 钢 的记 录 上 ， 在 相 变 的典 型正 膨胀 之后 ， 作 为负膨 胀偶 然 出现 的 。通 常 ， 其显 示不 出来 ， 对试 样 最 终 尺寸 的影 响是 包 括 在 伴 随相 变发 生 的膨胀 中 的 。 表 4中 的数 据 表 明 ， 在 F e 一 0 ． 8 5 石 墨 压 坯 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 韩凤麟 粉末冶金 F e 一 2 Cu 一 0 ． 8 C合 金零件尺 寸变化 的分析与控制 5 烧结 过程 中 ， 石 墨是 影 响试样 性状 的 主要 因素 ， 共发 生 了两 次 胀 大 和 三 次 收 缩 ， 其 中 一 次 是 发 生 在 于 1 1 2 0 ℃下烧 结 时 。关 于 石 墨 和两 次 胀 大 与 在 烧 结 温度下 的 收缩 的关 系 已予 以说 明 。还剩 下热 作用 与 潜在过程的作用 。这两种作用合计约 占总收缩量的 2 ／ 3 。由表 4知 ， 在这 种 情 况 下 ， 试 样 的 7相 的起 始 温度 为 8 0 3 ℃ 到 进 入 y相 区 的 9 0 0 ℃ ， 温 度 相 差 9 7 C， 这 个加 热过 程产 生 的作用 就是 所谓 的热 作用 。 实际上 ， 这 与含有 的石 墨溶 解相 关 。 关 于潜 在过 程 的作 用 ， 在任 何 情 况 下 ， 都 表 明 ， 比较合 适 的 a相 烧 结 的作 用 只有 一1 3 m 或 一 0 ． 0 2 4 ， 其 余 的 不 明 作 用 为 一 2 ． 8 m 或 一 0 ． 0 0 5 ％ 。在这 种场 合 ， 由于添加 有 石 墨 ， d 一 相 变 开始 的 温度减 低 到 了 7 7 1 ～ 8 0 3 ℃ ， 缩 短 了 a相烧 结 过程 ， 从 而影 响在相 变 中形成 的烧 结结 合 的强度 。 1 ． 2烧 结 F e - 0 ． 8 5 石 墨一 0 ． 7 5 ％ A c r a w a x压 坯 时 膨胀 计测 量 的结果 图 6与表 5示铁 粉 0 ． 8 5 石 墨一 0 ． 7 5 Ac r a - w a x压 坯在 烧结 过程 中膨 胀计 测 量 的 结果 。将 图 6 与 图 5 进 行 比较 可 看 出 ， 有 三 个 可 归 因于 石 墨 的明 显差异 。其 中最主要的是冷却曲线与加热曲线的两 次相交 ， 随后 尺 寸 变 化减 小 到 接 近 零 值 。其 他 两个 不 同处 是初 期 的胀大 和后 来 加热 曲线 在 4 0 0 ℃ 以上 胀 大 的趋势减 弱 。这两 种作 用都 是 添加 的的润 滑剂 所致。但是 ， 关于低温下胀大的原 因尚不清楚 。 g 皿 硼 趋 温厦 ／ ℃ 图 6烧 结 F e 一 0 ． 8 5 ％石 墨 十0 ． 7 5 ％A c r s wa x压坯 时 膨胀 计测量值与温度的关系[ 2 ] 有 趣 的是 ， 将 表 5与表 4进 行 详 细 比较 时 可 发 现 ， 有 两个重 要 差异 和一 个 较 小 的 不 同 。前 者发 生 在 a 一 7相 变与 潜在 过 程 的 作 用 。在 这 种 情况 下 ， a 相 变 的起 始 温 度 为 7 4 5 ℃ ， 伴 随 其 产 生 的膨 胀 的绝 对值 为 一5 9 ． 4 p t m 或 一0 ． 1 l 0 ， 而 相变 的终 止 温度 为 8 2 5 ℃ ， 与 其 相 应 的 平 衡 碳 含 量 C 约 为 0 ． 2 2 。这表 明 未 溶 解 的 石 墨 含 量 6 0 C 仍 有 约 0 ． 5 8 ％ 。因此 ， 在 a相 变后 ， 由于 石墨 继续 溶解 产生 的胀 大 比表 4中的相应 值增 大 了 1 l ％。这表 明 a 一 7相 变的较 高 终 止 温 度 ， 一 般 会 导 致 较 大 的 石 墨溶 解 作 用 。 表 5烧 结 F e 一 0 ． 8 5％石 墨 0 ． 7 5 ％ A c r a wa x 压 坯 时膨 胀计 测 量 的数 据 从 表 5的 尺 寸 变 化 分 析 的数 据 可 看 出， 烧 结 F e 一 0 ． 8 5 石 墨一 0 ． 7 5 Ac r fl wa x试 样 的 最终 胀 大 值 中主要 为 石 墨 溶 解 作 用 的为 1 5 0 ． 6 m， 而 于 1 1 2 0 ℃ 下 的烧 结作 用值 为 一4 3 ． 1／ z m 和热 作用 值 为 一 1 1 5 ． 0 m， 这三 者之 和为 7 ． 5 m。从 表 4知净 相变 的作 用值 为 4 6 ． 6 m， 而在 这 种情 况 下 ， 净相 变的作用值 为 一1 ． 9 m， 显 然是 收缩起 到 了反作 用 。这可 能和 a 一 7相 变过 程 中烧 结程 度增 高相关 。 关 于额外胀 大作用的另外一种可能性 ， 是和润 滑 剂存 在相 关 的初期 迅 速胀 大 。图 5的曲线表 明 了 a相烧 结 的胀 大作 用被 润滑 剂 在高 温 下分 解 产 生 的 收缩抵 消 后 遗 留下 来 的 润 滑 剂 早 期 迅 速 胀 大 。 因 此 ， 从图中实际上好像不能说明观察到 的潜在作用 值 。在 这种情 况 下 ， 主 要 是 由于低 估 了石 墨溶 解 作 用 或过 高估计 了热作用 产 生 的试 验误 差 。 在任 何 情 况 下 ， 在含 有 润 滑剂 的 F e C u C材 料 的烧 结 过程 中 ， 润滑 剂对 在 C t 相 稳 定 区 的 烧结 程 度 都会 产 生深刻 影 响 。 1 ． 3 烧 结 F e - 0 ． 8 5 ％ 石 墨一 2 ％ C u - 0 ． 7 5 ％ A c r a w a x 压坯 时膨 胀计 测 量的 结果 图 7与 表 6示 烧 结 F e 一 0 ． 8 5 石 墨一 2 Cu 一 0 ． 7 5 Ac r a wa x 即 FC 一 0 2 0 8 压 坯 时 膨 胀计 测 量 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 粉 末 冶金 工业 第 2 1卷 结果。将图 7 与图 6的膨胀计测量记录进行 比较可 看 出 ， 由于添 加 铜产 生 了两 个 明显 差异 。一 为 冷 却 曲线 与 加 热 曲 线 发 生 了 5次 交 叉 ； 另 一 个 是 ， 在 1 1 2 0 C下 ， 恰恰 在 其 最 大 值 之 前 ， 加 热 曲线 发 生 了 迅速胀 大 。这显然 是 因铜 熔化 ， 出现 液相所 致 。 图 7 烧 结 F e ． 2％C u 一 0 ． 8 5 ％石 墨 ． 0 7 5％Ac r a wa x 压坯 时膨 胀 计 测 量 的 值 与 温 度 的 关 系 ] 表 6 烧 结 F e 一 2％C u 一 0 8 5 ％石 墨 一 0 7 5 ％ A o r a wa x压坯 时膨 胀 计 测 量 的数 据 将 图 6与图 7和表 5与表 6中的数 据进 行对 比 时 ， 可 明显看 出 ， 除了热 系数外 ， 列 出的其他 性能 ， 差 不多每 一项都 有 明显差异 。 在 这种情 况下 ， 鉴于 有液相存 在 ， 依 据 冶金结 合 与孔 隙圆化 皆有 利 于 烧结 作 用 ， 通 常往 往 不 是 导致 收缩 ， 确 切地说 ， 实 际上是 产生胀 大 。至于 液相起什 么作用 ， 这应该 主要 决定 于其润湿 性能 ， 其相 与基粉 的关 系及 液相 的体积 分数 。 在 F C 0 2 0 8含铜 量 叫 Cu 为 2 ％ 的情 况 下 ， 这 些因素 都不 利 于 收缩 ， 例 如， 在 含碳 量 ∞ C 为 0 ． 8 下 ， 依 据 文献 两 面角 大 于 3 5 。 。因 此 ， 在 三相 交叉 点 ， 铜 只能 渗入 晶界 ， 同时与其 在铁 中的溶 解少 相结 合 ， 一 般 ， 即使是 通 过 晶界迁 移会 产 生 收缩 ， 其 量也微 不足 道 。另一 方 面 ， 同一 润 湿性 能 本 质 上会 使液 体蔓延 到最 小孔 隙 中 ， 使 液 相 与铁 接 触 的 表面 面积 迅速增 大 。于是 ， 由于液 相溶 于铁 中 ， 使铜 较快 地扩 散到铁 中 ， 铜 快 速溶于溶 体 中时 ， 和石 墨的作用 一 样 ， 就会 将铜 的体 积 若 非全 部 也 是 大部 分 移 置 到 了铁 中 ， 从 而产 生胀 大作用 。当然 ， 铜 也会使 固态 产 生胀 大 ， 但 是 ， 显 然 ， 由于液体 的润湿作 用 ， 预计 铜一 旦熔 化 ， 将 会非 常迅 速地溶 于溶 体 中。 如 同表 6中的 数 据 所 表 明 的 ， 在 烧 结 F C 一 0 2 0 8 的过程 中 ， a 一 相 变 的起 始 与终 止 温 度 都 较 高 ， 因 此 ， 伴随其 产生 的膨 胀量 明显增 大 ， 为 一7 8 1T I 。相 反地， 了 一a相变的起始与终止温度都较低 ， 于是 ， 伴 随 其产生 的 膨 胀量 明显 减 小 ， 为 3 5 1T I 。在 前 一 种情况下 ， 相变温度较高 ， 借助于碳在铁中的热力学 活 性增 高的作 用 ， 铜 有 阻 止石 墨 溶 解 的趋 势 。另 一 方面 ， 冷却时 ， 一a相变的温度较低 ， 差不多可以肯 定 ， 这 时的膨 胀量减 小 是 由于铜 阻 止 u相 成 核 的作 用 所 致 。 2 铜合金添加方法对 F C 一 0 2 0 8烧结 时尺寸变化 的影响 为了提 高粉 末冶 金 F C 一 0 2 0 8零 件 的尺 寸精 度 ， 减小其 在烧 结时 的 尺寸 变 化 ， 研 究 了 铜合 金 添 加方 法 对其 烧结 时尺寸 变化 的影 响l_ 3 ] 。 表 7中列 出了研究 试验所 用 的材料 。所 有材料 都符 合 F C 一 0 2 0 8 。使 用 的基 体 钢 粉 是 An c o r s t e e l 1 0 0 0 B 。制备的所有预混合粉都添加有 0 ． 8 0 天然 片状 石墨 。研究 了三种 不 同类 型 的铜添 加剂 。一种 是粒 度为 8 4 m 的 Dg 0与 3 9 m 的 D 5 0的“ 标准雾 化” 水 雾化 铜 粉 ； 一 种 是粒 度 为 1 7 m 的 D9 0与 1 0 p t m 的 DS 0的还 原 的“ 细 铜 ” 粉 ； 第 三种 是 用 2 O 9 ／ 5 铜 粉扩 散合 金 化 的钢 粉 “ F D - 2 0 C u ” 。图 8 1 0示 评 价 的每 一种铜 添加 剂 的 S E M 光 学 显微 照 片 。这 些 照 片清 楚地表 明 了粒度 与形态 的差 异 。 还评估 了不 同 的润滑剂 系统 。使 用 的标 准预混 合 粉混 入 的 润 滑 剂 为 E B S 。为 了控 制 粘 结 的混 合 粉 组 分 对 尺 寸 稳 定 性 的 影 响 ，Ho e g a n a e s 的 ANCORBOND 也 添加有 EBS。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 韩凤麟 粉末 冶金 F e 2 C u 一 0 ． 8 C合金零件尺寸变化的分析与控制 7 图 8 水 雾 化 的“ 标 准 C u ” 粉 的 SE M 光 学 显 微 照 片 ， 1 O 0 0 x原 图 放 大 图 9 还 原 的“ 细 Cu ” 粉 的 SE M 光 学 显微 照 片 ， 1 O O O x原 图放 大 表 7中的所有 预混 合粉 都是 于室 温下进 行 压制 的 。用生 坯强 度试 样 MP I F标 准 1 5 测定 了生坯 密 度与生坯强度 。在压制压力范围内， 由每一种混合 粉压 制 了 横 向 断 裂 MP I F 标 准 4 1 、 犬 骨 拉 伸 MP I F标准 0 9 及 无 凹 口夏 比冲击 MP I F标 准 4 0 试样 。 在连续 网带 烧结 炉 中 ， 于 1 1 2 0 ℃ 下 ， 在 9 0 ％N。 1 0 H 体 积 分 数 气 氛 中进 行 了烧 结 。试 样 在 烧结温 度 下 保 温 约 1 5 mi n 。采 用 常 规 冷 却 。将 选 择 的试样 于热 处理状 态下 进行 了试 验 。热处 理是 在 8 7 1 ℃下 ， 2 5 N。 7 5 H 体 积 分 数 气 氛 中奥 氏 体化 和加 热到 6 6 C的搅拌 的油 中淬 火 ， 淬 火 的试 样 图 1 0 水 雾 化 的 “ F D - 2 0 Cu ” 粉 的 S E M 光 学 照 片 。 8 0 0 x原 图放 大 随后在 1 0 0 N 体 积 分 数 中， 于 2 0 4 ℃ 下 回火 1 h。 图 1 1 示 试验 合金 的压 缩性 。这个 图表 明 ， 不 同 的添加铜 的方 式对 压缩 性影 响不 大 。在整个 试验 范 围内 ， 得 到 的密 度差 异都 在 0 ． 0 4 g ／ c m。以 内。添加 细铜 粉者 ， 生坯 密度 稍 高 ， 这很 可能 是 由于细 小铜粉 颗粒 的充 填性 较好 所致 。 E 懈 J土制 压力／ MP a 圈 1 1 试 验 合 金 的 压 缩 陛 表 8与 表 9中汇 总 了试 验合 金 的烧结 态与 热处 理 状态 的力 学性 能 。当 比较不 同的 添加铜 的方 法与 不 同 的混合 工艺 时 ， 在 给定 的烧结 件 密度下 ， 力 学性 能 基本 上都 位于 试验误 差 之 内。所有 性能都 符合 或 超 过 了 MP I F标 准 3 5中的 F C 一 0 2 0 8 。 图 1 2示 粘结 的试 验 混合 粉 的烧结 态 与 热处 理 态 的极 限抗 拉强 度 。铜 的添加方 式对 极 限抗拉 强度 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 粉末冶金工、 I 第 2 1卷 2 ． 0 标准 C u混合 注 试样成分质量分数 表 9 于 1 1 2 0 O一 9 0 ％N 1 0 ％H 体 积分 数 烧结的 。 于 8 7 1 ℃ 奥氏体化和于 2 0 4 0回火的热处理件的力学性 能 注 试 样 成 分质 量 分 数 图 1 3表 明 了各种 不 同铜 添加 方 式 的烧 结 件 的 轴 向疲 劳性状 。所 有 的铜 添加方 式