感应烧结工艺对Fe基粉末冶金材料组织与性能的影响.pdf

第 2 9卷第 5期 2 0 1 1 年 1 O月 粉末 冶金技 术 Powde r M e t a l l ur g y Te c hno l og y Vo 1 ． 29，No ． 5 0c t ． 2 0l 1 感应烧结工艺对 F e 基粉末冶金材料 组织与性能的影响 李明威 颜银 标 一 程 敏 南京理工 大学材料科学 与工程学 院， 南京 2 1 0 0 9 4 摘 要 采用感应加热对不同密度和不同 c含量的压坯在不同温度下进行烧结 ， 通 过金 相观察和力 学性能 测试分析感应烧结 技术 对 F e 基粉末冶金材料组织和性能 的影响。研究结果表 明 感应加 热会使粉末 颗粒在 界面处产生较高 的温度 ， 促 进了 C向 F e中的溶解与扩散 ， 有利于 F e 、 c的化合 ； 当 C含量较 多时 ， 经感 应烧 结 后 的试样珠光体含量 明显多 于普通 电阻炉烧结 后的试样 ， 并且 随着 c含量 的增 加布 氏硬度增 加的速率会 显 著加快 。冲击 断口形貌分析结果表 明， 由于烧结 时间较 短 ， 感应烧 结试样 的晶粒尺寸 比普 通电阻炉烧结试 样 的晶粒小 。 一 关键 词 F e 基粉末冶金 ； 感应加热 ；孔隙 ； 组织 ； 性 能 Ef f e c t o f i nd uc t i o n s i nt e r i ng o n mi c r 0 s t r uc t u r e a nd p e r f o r ma n c e O f Fe b a s e d p o wd e r m e t a l l u r g y m a t e r i a l Li M i ng we i ，Ya n Yi nb i a o，Che ng M i n N a n j i n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y D e p a r t me n t o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 4， C h i n a Abs t r a c t I n t hi s di s s e r t a t i o n， s a mp l e s o f d i ffe r e n t c o mp o n e n t s a nd d e ns i t y we r e s i n t e r e d a t d i f f e r e nt s i nt e r i n g t e mp e r a t u r e b y i n d uc t i o n h e a t i n g ． Th e e f f e c t o f i n d u ct i o n he a t i n g o n t he mi e r o s t r ue t u r e a n d p e rfo r ma n c e o f t h e Fe b a s e d p o wd e r me t a l l ur g y ma t e r i a l s wa s a n a l y z e d b y me t a l l o g r a ph i c o bs e r v a t i o n a n d me a s u r e me nt o f me c h a n i c a l p r o p e rti e s ．The r e s u l t s s h o w t h a t t he i n du c t i o n he a t i ng r e s u l t s i n hi g h e r t e mp e r a t ur e s a t t h e i n t e rfa c e o f p o wd e r ，c a n p r o mo t e t h e di s s o l u t i o n o f c a r b o n i n t h e i r o n a n d i s c o n d u ci v e t o t h e c a r bo n c o mb i n a t i o n wi t h i r o n ． Whe n t he c a r bo n c on t e n t i s mo r e，pe a r l i t e c o n t e n t o f t h e s a mp l e s i nt e r e d by i nd u c t i o n h e a t i ng s i g ni f i c a n t l y mo r e t h a n t h e o r di n a r y s a mp l e s i n t e r e d b y r e s i s t a n c e f ur na c e，a n d wi t h t h e i nc r e a s e o f c a r b o n c o n t e nt ，t he i n c r e a s e o f h a r d n e s s s i g n i f i c a n t l y s pe e d u p．Th r o u g h t he a na l y s i s o f t h e i mp a c t f r a c t ur e s u rfa c e，i t i s s h o wn t ha t t h e g r a i n s i z e o f t he s a mp l e s i nt e r e d b y i nd u c t i o n i s s ma l l e r t ha n o r d i na r y s a mp l e s i n t e r e d b y r e s i s t a nc e f u r na c e d u e t o s h o rte r s i nt e r i ng t i me ． Ke y wor dsF e ba s e d po wd e r me t a l l ur g y；i n d u c t i o n s i nt e r i ng；po r o s i t y；s t r u c t u r e；p r o p e r t y 材料科学是现代科学与技术发展的基础学科之 一 ，而粉末冶金则是材料科学与工程领域的一个重 要的发展方向 I 2 。粉末冶金方法是 以金属粉末为 原料 ， 利用成形 一烧结工艺制造材料及制品； 与其它 成形制造工艺相比， 粉末冶金法无切削工艺 ， 可减少 零件加工量 ， 节约材料并提高劳动生产率 ； 最主要的 是 通过粉 末 冶金法 可 以生产 出其它 工艺 方法无 法制 造 ， 或者难以制造 的材料和零件 “ 。F e基粉末冶 金机械零件作为产量最大 、 应用领域最广 的一类粉 末冶金材料 ， 深入研究其制备工艺与性能之间的关 系具有 重要 意义 。 烧结是粉末冶金工艺最基本的工序， 对粉末冶 李明威 1 9 8 6一 ， 男 ， 硕士研究生 。E ma i l l mi n g w e i 1 9 8 6 1 2 6 ． c o rn 通讯作者 颜 银标 ， 男 ， 教授 。E - m a i l y y i n b i a o 1 6 3 ． C O B 收稿 日期 2 0 1 01 2 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 5期 李 明威等 感应烧结工艺对 F e 基 粉末 冶金材料组织与性能的影响 3 7 3 金零件最终的性能起着至关重要 的作用。烧结理论 研究的 目的是要揭示粉末烧结过程的物理本质 ， 可 以从两个层面上考虑 第一 ， 理论研究将揭示烧结过 程 中的普遍规律 ， 特别是被粉末颗粒及其堆积特性 所决定的物理过程 的普遍规律 ； 第二 ， 必须研究特殊 烧结过程 中的特殊规律 ， 理论研究 的结果必须能够 描述和预示具体烧结过程 的发生 和发展 。烧结 理论 的研究始于 2 0世纪 2 0年代 ， 主要进行 的是烧 结试验的研究 。1 9 4 5年 ， F r e n k e l 发表 了关于粘性流 动烧结理论论文 ， 导 出了烧结颈 长大速率 的动力学 方程 ； 1 9 4 8年 ， K u c z y n s k i 研 究 了烧 结 初 期 烧 结 颈 长大过程 中可能的微观物质迁移机制 ， 包括体积扩 散 、 表面扩散 、 晶界扩散 、 蒸发凝聚等， 推导出不同扩 散机制下颈部稳定生长的动力学方程， 奠定了烧结扩 散理论的基础 。在随后的几十年里 ， 不断有人研究 这一方面的问题 ， 丰富了对烧结本质的认识 。 感应 加 热是利 用感 应线 圈 中的交变 电磁 场在 工 件中产生涡流发热来达 到加热工件 的 目的 ， 具有快 速 、 清洁 、 节能、 易于实现 自动化 和生产效率高等特 点。由于感应加热是 内部热源 ， 属非接触加热方式 ， 能提供高的功率密度 ， 在加热表面及深度上有高度 灵活的选择性 ， 能够在各种载气 中工作 空气、 保护 气 、 真空 ， 损耗非常低 ， 不产生物理污染 ， 符合环保 和可持续发 展 的路线 ， 是绿 色环 保型 加热 工艺 之 一 “ 。正是 由于感应加热技术 的突出优点 ， 感应 加热在熔炼、 锻造、 热处理等方面的研究也越来越深 入 ” 。由于在粉末冶金烧结工艺 中的感 应加热 原理还并不清楚 ， 因此未得到广泛的应用 。 在粉末冶金工艺 中采用感应烧结 ， 是粉末冶金 方法发展的又～契机。笔者研究 了感应烧结对铁基 粉末冶金材料组织 与性能 的影响 ， 这将为粉末冶金 方法的进一步应用起到 良好的推动作用。 1试验用材料及方 法 1 ． 1试 验 用原 材料 本试 验 以雾 化 F e粉 和 石 墨 为 主 要 原 料 见 表 1 ， 以硬脂酸锌为润滑剂 。 表 1 试验用原料 Ta b l e 1 Ra w ma t e r i a l s us e d f o r t h e t e s t 碳 C 是钢铁 中常用 的合金化元素， 具有很好 的强化效果。在 F e 基粉末冶金材料中 C通常是以 石墨粉的形式混入 ， C原子无论在 一 F e中还是在 一 F e中均具有较 高的扩 散速率 ， 因此 ， 一般认为在烧 结过程 中F e C间容易达到平衡。实际上 ， 要使 c在 F e中有效地充分扩散， 实现合金成分均匀化 ， 烧结 温度一般需要在 1 0 5 0 ℃以上 。 1 ． 2 感 应烧 结样 品 制备 按表 2配比在混料机 中进行混料 ， 将混合均匀 的粉末放到模具 中 模具先用硬脂酸锌酒精溶液进 行处理 ， 用 Y A 3 2 - 6 3型液压机进行压制 ， 得到密度 分别为 6 ． 2 g ／ c m 、 6 ． 5 g ／ c m 及 6 ． 8 g ／ c m 的压坯各 1 0个 ， 压坯尺寸为长 5 51 m m、 宽 1 00 ． 2 m m、 高 1 0 0 ． 2 m m。将压制后的压坯在 G P 一 3 0 C型全 固态感应 加热设 备 中进行烧 结 ， 烧结 温度分 别为 1 1 6 0 。 【 、1 2 0 0 ℃和 1 2 4 0 C， 烧结时间为 5 m i n ； 烧结 完成后将试样放在石墨粉中进行冷却， 避免在空气 中暴露 时 间过长 被氧 化 。 为 了用 于对 比 ， 选 用 相 同原 料 和工 艺 压 制后 的 压坯在普通 电阻炉中进行烧结 ， 烧结过程与工业生 产过程 中的相同， 烧结温度为 1 1 0 0 C， 从进炉至冷 却到室温约需要 4 h 。 表 2 混料配 比 Ta b l e 2 Ma t e r i a l f o r mu l a t i o n 1 ． 3 感 应烧 结样 品分析 通过光学显 微镜观 察材料 的显微 组织 ， H B R V U 一 1 8 7 ． 5型布 洛维光 学 硬度计 测定 硬度 。 2试验 结果与讨 论 2 ． 1 感 应烧 结温 度对 F e 基 粉末 冶金 材料 孔隙 度的 影 响 图 1为密度为 6 ． 2 g ／ c m 的纯 F e 压坯在不 同温 度下感应烧结后的显微组织。 由图 1可以看 出 未烧结的材料孔隙往往是沿 颗粒边界呈不规则 的多角形或梅花形分布， 压坯 中 的颗粒结合并不致密， 基体没有联接成一体； 烧结后 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷第 5期 李明威等 感应烧 结工 艺对 F e 基粉末冶金材料组织 与性 能的影 响 3 7 9 向压力的降低 比压坯 中心大得多 ， 因此压坯 中心的 密度要 比边缘密度高 ； 而磁场 的分布是磁导率越大 的地方磁力线越多 ， 磁场强度也越强 ， 这就使得感应 加热时磁力线会 向中心集 中， 这正好与集肤效应相 反 ， 可 以对整个试样的磁场分 布起到一定的制衡作 用 ， 使压坯能够较均匀地被加热 。 3 结 论 1 压坯在经过 5 mi n的感应烧结后 ， 孔 隙数量 减少 、 并且趋 于圆形 ， 而且颗粒界 面也转变 为晶界 面 ， 发 生 再 结 晶 ， 说 明感 应 加 热 5 m i n基 本 可 以完 成 烧结 。 2 由于感应 烧结 时问较 短 ， 在较 低烧 结温 度 下 ， 粉末还没有完全软化 ， 试样的硬度值并不是随着 温度的升高呈线性变化 ， 而是先降低后升高 ； 当温度 较高时 ， 烧结完成 ， 试样硬度不再下降 ， 并且随着珠 光体 的增 多 而升 高 。 3 感应烧结过程 中， 在电场作用下试样孑 L 隙 中 的气泡容易被击穿电离 ， 产生大量的热 ， 使孔隙附近 的局部区域产生较高 的温度 ， 可 以促进 C向 F e中 的溶解与扩散， 有利于铁碳 的化合。在含 C量较低 时 ， 因为感应烧结 时问较短 ， C来不及扩散 ， 试样 中 珠光体的含量低于普通 电阻炉烧结试样 中珠光体含 量 ； 但是随着含 C量 的增 高， 试样 中的珠光 体含量 会明显增多 ， 硬度值 显著增加 ； 当含 C量达 到一定 量时， 感应烧结试样 的硬度会 明显高 于普通 电阻炉 烧结后的试样 。 4 感应加热以材料 自身为热源 ， 利用压坯密度 分布 的不均匀性和感应加热的集肤效应使压坯能够 较均匀地被加热 。通过金相观察可 以表明 ， 短时间 的感应加热已经可以使试样升到较高的温度 ，从而 完成烧结 ， 是一种节能高效的烧结方式 。 参考 文献 [ 1 ]张华诚 ．粉末冶金实用工艺学．北京 冶金工业 出版社 ， 2 0 0 4 1 [ 2 ]J o h n s o n P K ．P ／ M i n d u s t r y t r e n d s n e w t e c h n o l o g i e s p r o p e l P ／ M g r o w t h ． T h e I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Po wd e r Me ta l l u r g y，1 9 9 6，3 2 2 1 4 51 5 2 [ 3]Hu n t M． P r e s s i n g a h e a d w i t h p o w d e r me t a l l u r g y ． Ma t e ri a l E n g i n e e ri n g ，1 9 8 9 ，1 0 6 8 2 5 2 8 [ 4 ]丁厚福 ， 李吉 泉， 郑治祥 ， 等 ．铁基 粉末 冶金材料的热处理 ．国 外金属热处理 ， 2 0 0 2 ， 2 3 3 3 94 1 [ 5 ]果世驹 ．粉末烧结理论 ．北京 冶金工业 出版社 ，1 9 9 8 3 [ 6]F r e n k e l J ．V i s c o u s fl o w o f c r y s t a l l i n e b o d i e s u n d e r t h e a c t i o n o f s u rfa c e t e n s i o n ．J P h y s US S R ，1 9 4 5，93 8 5 [ 7 ] K u c z y n s k i G C ．S e l f d i f f u s i o n i n s i n t e r i n g o f me t a l l i c p a r t i c l e s ． T r a n s AI ME，1 9 49，1 8 51 6 9 [ 8 ]J o h n s o n D L ．N e w m e t h o d o f o b t a i n i n g v o l u m e ， g r a i n b o u n d a ry a n d s u rfa c e d i ff u s i o n c o e f f i c i e n t f r o m s i n t e r i n g d a t a ． J A P p l P h y s ， 1 9 6 9．4 01 9 2 [ 9]E a d i e R L，C h e n X ．L a t t i c e d i ff u s i o n fr o m t h e g r a i n b o u n d a ry i n s i n t e r i n g o f me t a l p o w d e r s ．I n t e r J P o w d e r Me t a l l ，1 9 9 6 ，3 2 3 2 6 5～2 7 0 [ 1 O]张培寅 ．电热设 备 ．北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 6 2 1 7 [ 1 1 ]孙 宁，施建华 ．感应加热工艺 与设备 的发展状况及趋 势 ．金 属加工 热加工， 2 0 0 9 1 2 6～ 2 7 [ 1 2]魏军 ，高文章 ．锻造生产 中的感应加热 ．金 属加工 热加工 ， 2 0 0 9 52 4～2 5 [ 1 3]王广成 ．感应 加 热在 锻造 生产 中 的应用 ．金 属加 工 热加 工 ， 2 0 0 9 3 2 4 2 6 [ 1 4]翟瑞锋 ，宋建东 ， 王栓珠 ， 等 ．感应加 热技术节 能降耗实例 ． 金属加工 ， 2 0 0 9 5 3 8 [ 1 5]张居勤 ， 严雪荣 ．感应加热技术在钢管热处 理工艺 中的应用 ． 钢管 ， 2 0 1 0 ，3 9 2 5 2 5 6 [ 1 6]曲选辉 ．铁基粉末 冶金结构材料 的强化合金化 技术 及其基本 原理 ．粉末 冶金工业 ，1 9 9 3 1 4 [ 1 7]王盘鑫 ．粉末冶金 学 ．北 京冶 金工业 出版社 ，1 9 9 7 1 8 1 1 9 4 上 接 第 3 7 1页 [ 4 ]张兆生 ， 卢 振亚 ，陈志武．电子封装用 陶瓷基 片材料 的研究进 展．材料 导报， 2 0 0 8， 2 2 1 6 2 0 [ 5 ]亓曾笃．人 造金 刚石散 热材料．超硬 材料工 程，2 0 0 6 ，1 8 2 4 2 4 3 [ 6 ]C h u K，L i u z F ，J i a C C ，e t a 1 ．T h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f S P S c o n s o l i d a t e d Cu ／d i a mo n d c o mp o s i t e s wi t h Cr ． c o a t e d d i a mo n d p a r t i c l e s ．J o u r n a l o f Al l o y s a n d C o mp o u n d s ，2 0 0 9，4 9 04 5 3 4 5 8 【 7 ]孔见，盐浴法金刚石表面镀铬研究 ，常州工 学院学报 ， 2 0 0 3， 1 6 4 1 21 4 [ 8 ]R u c h P W， B e l f o r t O， K l e i n e r S ， e t a 1 ．S e l e c t i v e i n t e rf a c i a l b o n d i n g i n A 1 S i 一 d i a m o n d c o m p o s it e s a n d i t s e f f e c t o n t h e r ma l e o n d u c ti v i - t y ． C o mp o s i t e s S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，2 0 0 6，6 62 6 7 72 6 8 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m