资源描述：
第 2 1 卷第 4期 2 0 1 1 年 8 月 粉 末冶 金工 业 PoW DER MET AL LURGY I NDUS TRY Vo l _ 2 1 No ． 4 Aug．2 011 粉末冶金 F e 一 2 Cu 一 0 ． 5 C材料 的显微 结构对疲劳性能的影响 韩 凤麟 中国机协粉末冶金分会 ， 北京 1 0 0 8 2 5 摘 要 鉴 于粉 末 冶金 零件 材料 向较 高密度 与 高使 用性 能发展 的趋 向 ， 弄 清楚合金 化 添加 剂与 生产工艺对粉末冶金材料力学性能与疲劳性能的影响就 日益重要 。本文介绍 了在粉末冶金零 件 生产 中用量最 广泛 的 F e - 2 C u - 0 ． 5 C， 即 MP I F标 准 3 5的 F C - 0 2 0 5材 料 的显微 结构 形 成和 其 对 疲 劳性 能的影 响 。 关键 词 粉末 冶金 ； F e 一 2 Cu 一 0 ． 5 C； F C 一 0 2 0 5 ； 显微 结构 ； 疲 劳性 能 中图分类 号 TF 1 2 文 献标 识码 A 文章 编号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 1 1 0 4 0 0 0 1 1 1 EFFECT OF M I EROSTRU CTURE ON FATI GU E PROPERTI ES OF F e 一 2 C u 一 0 ． 5 C F C 一 0 2 0 5 HAN Fe ng - l i n PM As s o c i a t i o n o f Ch i n a Mo c h i n e C o mp o n e n t s I n d u s t r y As s o c i a t i o n， B e i j i n g 1 0 0 8 2 5， Ch i n a Ab s t r a c t Du e t o t he h i ghe r d e ns i t y a nd a pp l i e d p e r f or ma nc e t r e n d o f PM ma t e r i a l s， u nd e r s t a n d i n g t h e e f f e c t s o f a l l o y i n g a g e n t s a n d p r o c e s s i n g t e c h n i q u e s o n me c h a n i c a l a n d f a t i g u e pr o p e r t i e s b e c o m e i n c r e a s i n gl y i m p or t a nt Fe 一 2 Cu 一 0 ． 5 C ma t e r i a l whi c h i s d e s c r i b e d a s FC一 0 2 0 5 i n M P I F s t a n d a r d i s t h e mo s t wi d e l y u s e d PM ma t e r i a l i n p a r t ma n u f a c t u r i n g ． Th e f o r ma t i on o f mi c r o s t r u c t u r e a nd e f f e c t o f mi c r o s t r u c t u r e o n f a t i gu e p r op e r t i e s a r e i nt r o du c e d i n t hi s pa pe r ． Ke y wo r d s PM ；Fe 一 2 Cu 一 0 ．5 C；FC一 0 20 5； m i c r os t r uc t u r e； f a t i g ue p r op e r t i e s 在粉末冶金零件生产 中， 决定零件材料性 能的 是密度、 化学组成及显微结构。对于生产的任一粉 末冶金零件 ， 都应尽量使这三个参数最佳化口 ] 。 粉末冶金零件是 由预混合粉为原料制造 的， 在 压制成形后 ， 烧结与后续热处理需要使之形成 的显 微结构能够满足使用性能要求 。 在粉末 冶 金零件 生产 中 ， 凡是 需要 硬度 、 较高 强 度及 中等耐磨性 的零 件， 大多采用 F e C u C材料 ， 特别是 MP I F标准 3 5的 F C 一 0 2 0 5与 F C 一 0 2 0 8材料 。 这种材料之所以会得到大量应用 ， 是 因为铜熔化形 成的液相可强化铁基体的烧结 ， 另外 ， 在非最佳条件 下， 也可形成适 当的性能。延长烧结时间时 ， 可使显 微结构较均一 ， 从而使生产 的零件性 能更稳定与均 一 。另外 ， 从材 料性 能 的观点来 看 ， 碳扩 散与形 成 珠 光体和铜合金化会强化铁素体 。 在粉末冶金零件的烧结过程中， 从烧结温度 冷 却时 ， 最终形成的显微结构会 因烧结时间而异。主 要影响显微结构的是 ， 在烧结过程 中合金化添加剂 的分布 和随 着烧结 时 间增 长扩散 的增 强 。在许 多场 合 ， 会由于某些添加剂分布不均一， 导致局部淬透性 发生变化 ， 致使冷却时材料 中形成各种不 同的相变 产物。关 于含铜的材料 ， 在烧结时， 铜会熔化 ， 沿孔 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 隙与颗 粒界 扩 散 。烧 结 时 间短 时 ， 分 布 不 均 匀 。增 长 烧结 时 间时 ， 分 布 比较 均匀 。 1 F e 一 2 Cu 一 0 ． 5 C F C 一 0 2 0 5 的 显微 结构 ] 试验 用 的 材 料 是 由 F e 一 2 C u 一 0 ． 5 C 质 量 分 数 ， 下同 ， 另外添加有 0 ． 7 5 Ac r a w a x 蜡 质量分 数 ， 下 同 润滑剂 的预混合粉制成 的。铁粉 是 An c o r s t e e l 1 0 0 0 ， 铜 粉 为 AC u P o wd e r 8 0 8 1 ， 石 墨 为 As b u r y 3 2 0 3 H。将 预 混 合 粉 ， 在 三 种 压 制 压 力 4 1 5 、 5 5 0及 6 9 0 MP a 下 ， 分别压制成无 凹口夏 比冲 击试棒 。为了易于调节烧结时 间， 将试棒在推捍式 炉 中 ， 于设定 的温 度 1 1 2 0 ℃ 下 ， 在 9 O N 一 1 O H 体积分数 气氛 中进行了烧结 。在用光学显微镜检 验显微结构之前 ， 对每组试棒 ， 分别测定了冲击能与 表观硬度， 测定结果分别示于图 1与图 2 。 MP I F 标准粥 标准值 一 7 1 g ． c m 一 ▲ 含 含 一 6 7 g ． 一 ◆ ◆ ◆ ◆ ■ 烧结冲击 一 ◆ ▲ 试棒密度 ◆ g - c m’ 0 一 ● ▲ 70 - 6 8 一 ◆6 6 0 5 1 0 1 5 2 O 2 5 3 O 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 总烧结时间／ mi n 图 1 三种密度材料试棒 的表观 硬度 H R B 值与 烧结时间的关系 一 ▲ ▲ ▲ 簧 ▲_ 一 ▲_ 一 ▲_ 一 71 2 ． c m一 3 i ▲ 0 ◆ 一 0 ◆ ◆ ◆ l 厂 -M N e “u s 1 L ； _】 f。I’ LU ，又 、 g 。⋯ ， 一 ▲7 0 一 _6 8 。 ． ． ． ． ． ． ◆ 。6 ． 6 ， ． 1 I I I l l l ‘ 1 1 0 5 1 O 1 5 2 O 2 5 3 O 3 5 4 0 45 5 0 5 5 总烧结时间／ mi n 图 2 三种 密 度 材 料 试 棒 的 无 凹 口 夏比冲击试验结果 ] 从每一组烧结 的冲击试棒 中选择 了一个试棒 进行金相检验 。将试棒切断时 ， 要使横断面垂直压 制方 向。检 验用的镶样要 露 出切断 面。要用粒度 6 0 0 美 国标准 的 S i C砂纸研磨镶样 ， 之后 ， 用振动 抛 光机 与 粒 度 从 1 m 到 0 ． 0 5 I n的 细 Al 0 。抛 光 。然后 ， 将制备 的镶样进行真空脱气， 以除去夹带 的湿气 。用 中等温度的环氧树脂进行真空含浸 ， 以 充填孑 L 隙的空 间和固定住疏松 的烧 结体颗粒 。然 后 ， 将含浸过的镶样再次进行研磨 ， 和再一次用振动 抛光 机 ， 用 不 同粒 度 的 Al 。 O。 抛 光 。将 试 样 在 未 浸 蚀 与浸蚀状 态 下进行 了检验 。 用未浸蚀试样进行一般显微结构检验与体视试 验， 而用浸蚀的镶样检验 由添加的合金化材料扩散 产生的合金化变化 。用光学显微镜检验法确认了二 种试 样 的状态 。 从预热到冷却 ， 整个烧结过程控制着显微结构 的构成 。依 据对 显微 结 构 形 成 的影 响 ， 可将 烧 结 过 程 主要 分为 三段 ①预热一烧除润滑剂 ； ② 于烧 结温 度 下 的 时 间一 碳 扩 散 ； 铜 熔 化 变 为 液态与扩散 ； 产生烧结 ； 添加 的其他合金化元素扩散 与 均匀 化 ； ③ 冷却 一形 成相 变产 物 。 从 图 3到 图 8示 ， 于 5 5 0 MP a下 压制 的试棒 在烧结炉加热 区停 留的时间增 长时显微结构 的变 化 。 图 3示烧 结 1 mi n的试 样 ， 颗 粒 间 边 界 明 显 ， 好像铜粉颗粒未熔 化。在铁颗粒 中可 以看到轻 微 的铁素体 晶粒 结构 ， 同时没有 发现石 墨扩散 形 成 珠光 体 。 图 3 在加热区停留 1 ra i n 的试棒的光学显微结构 未发生烧结 ， 所有颗粒边界清晰可见 图 4示 在加热 区停 留 5 mi n后 的显 微结构 。 碳开始扩散， 明显形成薄片状珠光体 ； 可是 ， 铜颗粒 仍然没有熔化 。碳的分布也明显不均一。 图 5示大的铜颗粒 已熔化， 但液态铜分布不均 匀 。金属液体流动到周 围基体材料边沿 ， 同时毛细 ∞ ∞ ∞ 如 ∞ 如 加 m 8 6 4 2 O 8 6 4 2 r ／ 镒 是 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 6 粉末 冶金工业 第 2 1卷 都超过 了这些值 。在烧结时间为 2 0 rai n与更长时， 7 ． 0 g ／ c m。试 样 都 超 过 了 MP I F标 准 3 5的 7 ． 1 g ／ c m。 的标准值 。当这种材料达 到烧结温度 时， 如 同在烧结时间为 1 0与 1 5 rai n时的冲击试验结果一 样 ， 好像力学性能有一个不协调区存在 。可是 ， 增长 烧结时间时 ， 冲击能量出现稳定 。 3 显微结构对 F e 一 2 Cu 一 0 ． 5 C 材料疲劳性能 的影 响 鉴于粉末冶金零件材料向较高密度与高使用性 能应用发展的趋 向增强， 弄清楚合金化添加剂与生 产工艺对粉末冶金材料的力学性能与疲劳性能的影 响就 日益重要。文献[ 3 ] 研究了显微结构对 F e - 2 C u 一 0 ． 5 9 ／ 6 C材料疲劳性能的影响 。 这项研究使用的预混合粉组成见表 1 。研究所用 不同粒度的铜粉， 是通过将 A C u Me t - 2 0 0目雾化铜粉筛 分为三种不同的粒度大小制成的。石墨使用的是 一 b u r y 3 2 0 3 S C R HS ， 铁粉使用 的是 A n c o r s t e e l 。1 0 0 0 。 另外 ， 在混合粉中还添加了 0 ． 7 5 oA Ac r a wa x 。 表 1 预混合粉组成 将表 1中所列 三种 预混合粉 A、 B及 C， 在室 温 ， 于不 同压力下 ， 压制成拉伸与疲 劳试样。在推捍 炉中， 于 7 5 H。 ／ 2 5 ％N 体 积分数 气氛 中， 在温 度 1 1 2 0 ℃与 1 2 6 0 ℃下 ， 分别烧结 3 0 rai n 。 拉伸试样使用 的是犬骨试样 ， 而疲劳试样是 由 名义尺寸为 1 1 ． 5 1 1 ． 5 9 0 mm 的压坯切削加工 与磨削到图 1 4示的尺寸后进行烧结的。 压制与烧结后 ， 按照 MP I F标准 4 2 ， 用代表性 试样测定了密度 ； 依据 MP I F标 准 1 O ， 用 2 7 ． 2 t的 Ti n i n s Ol s e n万能拉伸试验 机， 测定 了烧结试样 的 拉伸性能 。疲 劳试 验是在 6台任选 的疲劳动力 学 R B F 一 2 0 0试验机上 ， 于旋转速度 8 0 0 0 r ／ rai n下进行 的。试验于 1 0 个循环“ 终止” 。规定采用阶梯试验 法。因此， 存在二个在最小应力水平下的失效与“ 终 止” 。计算了每一应力水平下的失效百分率 ， 并画出 了对数一 正态曲线。由这些曲线 ， 用直线外推法确定 图 1 4 旋转弯 曲疲劳试样的尺寸／ ram[ 3 注 所有直径的同心度位于 0 ． 0 2 5 IT l m 以内， 表面粗糙度 8 R MA 美 国标准 了于 5 O ％ 与 9 9 ． 9 下 的 F E L 疲 劳 耐 久 极 限 。 5 0 F E L表示在该应力水平下 ， 5 O 9 ／ 6 试样将断裂和 5 0 试样将“ 终止” 。9 9 ． 9 F E L表示 ， 于该应力水 平下 ， 9 9 ． 9 试样将终止和 0 ． 1 ％试样将断裂 。 表 2中汇总了于烧结温度 1 1 2 0 ℃与 1 2 6 0 ℃ 下烧结 的， 由混合粉 A、 B及 C压制 的试样 的拉伸 与疲劳性能 ， 以及 作为 UTS 极 限抗拉 强度 的百 分率 的 5 O F E L。在该注意 ， 因试样类 型不同 ， 拉 伸试样与疲劳试样 的密度并不完全相 同。为 了使 数据相互联 系 ， 拉伸性 能是根 据有效 数据 用外 推 得 出 的 。 对 A、 B及 C三种材料的试样进行了金相分析。 光学显微镜检验是在对制备 的试样 ， 于未浸蚀 与浸 蚀状态下进行的。用 L e i t z TAS 自动 图象分析装 置 ， 依据 De l l o f f 与 Ai g e l t i n g e r [ 4 ] 制定 的方法， 分析 了未浸蚀试样显微结构 中的孔隙结构 。用体视分析 确定的平均孔隙间距 、 单位面积的孔隙数 、 孑 L 隙的大 小与形状皆汇总在表 3中。孔隙形状是用形状系数 确定 的 形状系数一4 A／ p 。 式 中 A 一 孔 隙面 积 ； P 一分析平面中孔隙的周长 。 形状系数 1 表示分析平面 中的孔 隙为 园形 ， 而 当数值小于 1时 ， 表示孔隙的不规则程度增大。形 状系数可确定不规则程度 ， 但不能确定对称性。图 1 5示一些典型形状的形状系数 。 用浸蚀 的试样 ， 测定 了试样显微结构 的组分 。 用 目测点计数 每个试样 2 O个视场 测定 了试样 中 珠光体与铁素体 的数量 。对于这些分析， 将孔隙认 为是显微结构的一部分。必须将和零件密度相称的 孔隙度量除掉 ， 将报告 的数量 转换成存在的金属相 的百分数 。结果汇总于表 4中。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 韩风麟 粉末冶金 F e - 2 C u 一 0 ． 5 C材料的显微结构对疲劳性 能的影 响 7 ●■ ▲ 图 1 5 一些典型形状的形状 系数 表 2于温度 1 1 2 0 ℃／ 1 2 6 0 ℃下烧结的 三种预混合粉 试样的疲劳与拉伸性 能I- 。 ] 表 3 于 1 1 2 0 ℃／ 1 2 6 0 ℃下烧结 的三种预 混合粉 试样的体视数据 。 ] 表 4 于 1 1 2 0 ℃／ 1 2 6 0 ℃下烧结的三种预混合粉 试样 的显微 结构分析 。 图 1 6示三种混合粉 A、 B及 C的 UTS与 F E L 的关系。由图中可看出 ， 尽管三种混合粉 的组成相 同。但添加 的铜粉粒度减小时 ， 5 0 F E L并不是始 终是 UTS的一个不变 的百分数。表 2中的数据表 明 ， 在 压 制 压 力 4 1 5 MP a和 烧 结 温 度 1 1 2 0 ℃ 与 1 2 6 0 ℃下 ， 随着铜粉粒度减小 ， 混合粉 A、 B及 C的 UT S 、 5 0 9 ／ 5 F E L及作为 UTS百分数 的 5 0 9 ／ 6 F E L都 呈现增高的趋势 。这表 明， 在较低密度下 ， 混合粉 中 铜粉粒度减小时 ， 对 5 O F E L有较大影响。 晶 △ 0 山 _工 0 图 1 6 三种 混合 粉 A、 B及 C 的 U T S与 5 0 ％F E L的关 系 3 ] 注 1 0 。 p s i 6 ． 8 9 MP a 图 1 7 示于压制压力 4 1 5 MP a与 6 9 0 MP a下压 制三种混合粉试样 ， 于 1 1 2 0 ℃下烧结后 ， 未浸蚀 时 的孔 隙结构 。光 学显 微结构 照 片表 明 ， 在 1 1 2 0 ℃下 烧结后 ， 孔隙结构和铜粉粒度直接相关 。随着铜粉 粒度减小 ， 大孑 L 隙的数量减少。为将孔隙结构 的差 异量化 ， 进行 了体视分析。 3 ． 1 体 视参 数 为了确定孔隙结构对疲劳性能的影响， 用体视 检验 ， 对孔隙形状 、 孔隙间距、 单位面积的孔隙数量 及孔隙大小等参数进行了分析 。 随着烧结温度升高 ， 孔 隙形状趋 向球形 。当烧 结温度升高到 1 2 6 0 C时， 三种混合粉的孔隙形状 比 较均一 。总地说来 ， 铜粉粒度大小好像对试样 中孔 隙 的形 状没 有影 响 。 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 4期 韩风麟 粉末冶金 F e - 2 C u 一 0 ． 5 C材料的显微结构对疲 劳性能的影响 1 1 劈裂 的数量将增加 。 2 粉末冶金材料和一般钢材不同， 其 F E L 疲 劳耐 久极 限 不 是 极 限抗 拉 强 度 UT S 的 一个 固定 百分数 。 3 粉末冶金材料 中的孔隙大小与平均孔 隙间 距都是影响 F C 一 0 2 0 5材料的 F E L的重要体视参数。 4 粉末冶金材料 的密度较高时， 好像显微结构 对 F E L的影 响较大 。 参 考文 献 E ] - I N a r a s i mh a n K S ，S e me l F J ．S i n t e r i n g o f P o w d e r Pr e mi x e s A b r i e f o v e r v i e w， 2 0 0 7 P o wd e r M e t a l l u r g y W o r l d Co n g r e s s 8 L Ex h i b i t i o n， De n v e r ， Co l o r a d o ． [ 2 ] Th o ma s F ． Mu r p h y ， Ge o r g e B ． F i l l a r i ， Ge r a r d J ， Go l i n ， A M e t a l l o g r a p h i c I n v e s t i g a t i o n I n t o t h e E f f e c t o f S i n t e r i n g o n a n FC - 0 2 0 5 P r e mi x ．2 0 0 4 P o wd e r M e t a l l u r g y Co n g r e s s 1 4 0 E x b i b i t i o n， Ch i c a g o， I l l i n i s ． r 3 ] Ti n a M．Ci mi n o， Ho wa r d G．Ru t z ， Ami e H．Gr a h a m， Th oms F．M ur phy，Th e Ef f e c t of M i c r os t r uc t u r e o n Fa t i g n e P r o p e r t i e s o f F e r r o u s P ／ M Ma t e r i a l s ． P r e s e n t e e 1 a t PM TEC’9 7 I nt e r na t i on a 1 Co nf e r e nc e o n Pow d e r Me t a l l u r g y ＆ Pa r t i c u l a t e Ma t e r i a l s ， J u n e 2 9 一 J u l y 2。 19 9 7 Ch i c a go。 I L USA． [ 4 ] D e l l o f f R T， A i g e l t i n g e r E H． “ E x p e r i me n t a l Qu a n t i t a t i v e M i c r o s c o p y wi t h S p e c i a l Ap p l i c a t i o n t O s i n t e r i n g ”， P e r s p e c t i v e s i n P o wd e r - M e t a l l u r g y Vo 1 ． 5 - Ao l v a n c e d Ex pe r i me n t a l Te c hn i q ue s i n Powde r M e t a l l ur gy， pp 81 1 3 7 ， P l e n u m P r e s s ， Ne w Yo r k L o n d o n， 1 9 7 0 ． E s ] T i n a M． C i mi n o ， A mi e H． G r a h a m， Th o ma s F ． Mu r p h y a n d Al a n L a wl e y， Th e Ef f e c t o f M i c r o s t r u c t u r e a n d p o r e M o r p h o l o g y o n M e c h a n i c a 1 a n d Dy n a mi c p r o p e r t i e s o f Fe r r ou s P／ M M a t r i a l s。 Pr e s e nt e d a t PM TEC’ 9 9 I n t e r ma t i o n a l Co n f e r e n c e o n P o wd e r Me t a l l u r g y Pa r t i c u l a t e Ma t e r t a l s J u n e 2 0 - J u l y 2 4 ，1 9 9 9 Va n c o u ve r 。 Ca na d a ． 行 业 动 态 2 0 1 1上海 国际粉末冶金新技术 高峰论坛在上海举行 中图分类 号 T F 1 2 文 献标 识码 D 在春暖花开、 春意盎然的季节 ， 由上海市新材料协会粉末冶金行业分会、 上海市机械工程学会粉末冶金 专业委员会 、 上海市金属学会粉末冶金专业委员会 、 上海市有色金属学会粉末冶金专业委员会、 同济大学材 料科学与工程学院、 上海交通大学材料科学与工程学院、 上海市金属功能材料开发重点实验室、 上海市粉末 冶金汽车材料工程技术中心共同主办 ， 上海伊丽斯会展服务公司承办的 2 0 1 1上海国际粉末冶金新材料、 新 技术、 新装备高峰论坛于 4月 2 2 、 2 3日在上海田林宾馆隆重举行。 本次高峰论坛的主题为 粉末冶金行业的新材料 、 新技术 、 新工艺， 副标题为 注射成形技术在汽车等制 造领域的应用。本次高峰论坛的宗 旨是为提升我国粉末冶金行业材料 、 技术、 装备的整体水准， 突破传统的 制造工艺， 使产品向高端领域进发 ， 通过国际水准的学术演讲 ， 为与会人员 的技术创新带来新 的灵感 、 为各 自 企业 的高速发 展 带来新 的源动力 。 出席本次论坛 的代表有来 自全国各地 的与国外 的同行 、 专家共计 1 1 5位 。共有 l 1位国际著名公司和 3 位国内著名大学及公司的学者和专家， 在本次论坛上发表演讲。 在本次论坛举办的同期 ， 从 4月 2 2日至 2 4日由上述 主办和承办 单位 ， 在 上海光大会展 中心举办 了 “ 2 0 1 1 上海国际粉末冶金与精细陶瓷工业展览会” 。会议举行了隆重而热烈的开幕仪式 ， 由同济大学材料学 院的王德平副院长代表同济大学材料学院致开幕词 ， 中国机协粉末冶金分会 、 中国钢协粉末冶金分会 、 上海 新材料协会 、 上海机械工程学会、 上海金属学会 、 上海有色金属协会学会等领导也应邀参加 了开幕式 ， 共同为 展会的开幕剪彩。本次展览会 的参展商有 1 6 3家 ， 包括 3 8家外商 ， 三 日来 的参观展览会的人数 约 7 1 6 O人 次 。 严 彪 、 宗华辉 、 陶永 棋 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
展开阅读全文
