颗粒强化粉末冶金钢耐磨性能的影响因素.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 h nol o gy Vo 1 ． 29．NO ． 5 0c t ． 2 011 颗粒强化粉末冶金钢耐磨性能的影响因素 木 刘 芳 ～ 周科朝 一 李志友 中南大学粉末冶金国家重点实验室 ， 长沙 4 1 0 0 8 3 摘 要 为了获得耐磨性能 高的颗粒 强化粉末冶金钢 ， 研 究 了干摩 擦状态下 高钼合金钢 中耐磨性 能的影响 因素 。采用 x射线 、 光学显微 镜 、 扫描 电镜 、 能谱分析和摩擦磨损试验分析结果表 明 材料组织 中存在 M c和 M c两种类型碳化物 。干摩擦试验过程 中， 不 同的碳化 物表现 出了 明显 不 同的耐磨性 能 摩 擦时 间较短 时 ， M， c碳化物和 M c碳 化物都 能提高材料的耐磨性能 ； 随着摩擦时间的延长 ， M C碳化物仍有利 于提高材料的 耐磨性能 ， M， C碳化 物则 易于从基体 中脱落 ， 从而 在摩擦表 面 留下 许多 大孔隙 ， 降低材 料 的耐 磨性 能。为获 得耐磨性 能好 的高钼合金颗粒强化粉末冶金 钢 ， 应增加材料 中 M c碳化物含量 ， 降低 M。 c碳化物含量 。 关键 词 颗粒强化 ； 粉末冶金钢 ； 碳 化物 ； 摩擦 ； 耐磨性能 The i n f l ue n c e f a c t o r s i n we a r - r e s i s t i ng pr o p e r t y o f PM pa r t i c ul a t e r e i nf o r c e d s t e e l Li u Fa ng，Zho u Ke c ha o，Li Zhi y ou S t a t e K e y L a b o r a t o r y f o r P o w d e r Me t a l l u r g y ，C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3， C h i n a Ab s t r a c t Pa r t i c u l a t e r e i n f o r c e d s t e e l s wi t h h i g h we a r r e s i s t i n g p r o pe r t y we r e p r e p a r e d b y p o wd e r me t a l l u r g y pr o c e s s i n g t e c hn i q ue ． Th e i nflu e nc e f a c t o r s i n we a r - r e s i s t i n g p r o p e r t y o f t h e ma t e r i a l s un d e r d r y fri c t i o n c o n di t i o n we r e s t u di e d b y o pt i c a l mi c r o s c o py， s c a n ni n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y， e n e r g y d i s p e r s i v e s p e c t r o s c o p y a n d we a r t e s t ． Th e r e s ul t s s h o w t h a t ， M 2 C c a r b i d e s a n d M6 C c a r b i d e s e x i s t i n t h e ma t e r i a l s ． T h e s e t w o k i n d s o f c a r b i d e s p l a y d i ff e r e n t r o l e s i n t h e we a r r e s i s t i n g p r o p e r t y o f t h e ma t e r i a l s ．Afte r a s h o r t t i me dr y f r i c t i o n， M2 C c a r bi de s a nd M6 C c a r b i d e s b o t h i nc r e a s e t h e we a r r e s i s t i ng pr o p e r t y o f t h e ma t e r i a l s ． W i t h t h e we a r t e s t t i me p r o l o ng e d， M6 C c a r b i d e s a r e s t i l l u s e f u l t o t h e we a r r e s i s t i ng p r o p e r t y o f t h e ma t e r i a l s ． Ho we v e r ， M2 C c a r b i de s e a s y t o s e p a r a t e fro m t h e ma t r i x t h e n l e a v e s o me bi g po r e s i n t he we a r s ur f a c e a n d d e c r e a s e t h e we a r r e s i s t i n g pr o pe rty o f t h e ma t e r i a l s o bv i o us l y． I n o r de r t o i n c r e a s e t he we a r r e s i s t i ng p r o p e r t y o f t h e ma t e r i a l s ， t h e c o nt e n t o f M6 C c a r b i d e s s h o u l d b e i n c r e a s e d a n d t h e c o nt e n t o f M2 C c a r b i d e s s h o ul d b e de c r e a s e d ． Ke y wo r dspa r t i c u l a t e r e i n f o r c i n g；PM s t e e l s ；c a r bi de；we a r；we a r r e s i s t i n g pr o p e y 磨损是金属零件材料失效的三种主要原 因 磨 损 、 腐蚀和疲劳 之一 。根据不完全的统计 ， 能源的 1 ／ 3到 1 ／ 2消耗于摩擦与磨损 ； 对材料来说 ， 约 8 0 ％ 的零件失效是由磨损引起 的 I 3 。随着社会 的不断 发展 ， 在一些使用条件差 如使用温度高、 润滑性差 等 的 情 况 下 ， 对 材 料 的 耐 磨 性 能 要 求 越 来 越 高 。高钼合金颗粒强化粉末冶金钢 中， 含有 强 的碳化物合成元素 ， 因此在材料组织 中会存在大量 的碳化物。碳化物颗粒 的硬度远远高于基体 ， 这是 对提高材料耐磨性 非常有利 的因素。 。 一 ； 在摩擦过 程 中， 基 体 与碳 化物 是 相互 依存 、 相互 保 护 的关 系 。碳化物硬度 高， 承受 主要载荷 ， 避 免基体与 对偶件的直接接触； 基体则固定碳化物颗粒 ， 防止脱 落 ， 以免脱落的碳化物颗粒作为磨料参与摩擦 ， 加剧 国家高技术 发展计划资助项 目 2 0 0 8 A A 0 3 0 5 0 1 ； 国家 自然科学创新 团队资助项 目 5 0 7 2 1 0 0 3 } 刘芳 1 9 7 3一 ， 女 ， 助理研究员 ， 博士。E ma i l l i u f h n 2 0 0 2 1 6 3 ． C O B 通讯作 者 周科朝 1 9 6 2一 ， 男 ， 教授 ， 博 士生 导师。E ． ma i l z h o u k e c h a o m a i l ． C S U ． e d u ． c n 收稿 日期 2 0 1 1 0 61 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金技术 磨损 。因此 ， 碳 化物 的形貌 、 大小和分布对材料 的耐磨性能影响非常显著。 笔者制备的高钼合金颗粒强化粉末冶金钢 ， 主 要用于制备大功率发动机新型顶置凸轮轴结构 中与 凸轮直接 接触 的 问隙调整 片 。通过 研究材 料 中碳化 物类 型对 材料 耐磨 性 能 的影 响 ， 探 讨 进 一 步 提 高材 料耐 磨性 能 的方 法 。 l 试验材料与方法 高钼合金颗粒强化粉末冶金钢的成分配 比见 表 1 。其 中 F e粉采用水 雾化 粉， Mo以钼铁合金粉 的形式加入 。碳的添加选用鳞片状石墨。按表 1所 示成分配料后 ， 添加 0 ． 5 ％ 质量分数 硬脂酸锌作 为润滑剂 ， 进行滚动球磨混合 ， 混料时间 1 h 。压制 压力 6 0 0～ 7 0 0 MP a ； 1 2 7 0 C 真空烧结， _保温时问 2 h ； 1 I O 0 C高温退火 ， 退火 时间 6 h ； 热处理 淬火 温度 9 0 0 ℃ ， 保温时间 3 0 m i n ； 回火温度 2 8 0 ℃， 保温时间 6 0rai n 表 1 材料 的成分配 比 质 量分数 Ta b l e 1 Ch e mi c a l c o mp o s i t i o n o f t h e ma t e r i a l s ％ 在德 国生产 的 F 1 一 M3光学显微镜 上观察样 品 的金相显微组织。用美 国生产 的 S i r i o n 2 0 0场发射 扫描 电镜进行显微组织形貌观察和微区成分分析。 材料的耐磨性能用美 国 U M T一 3微摩擦磨损实 验机进 行。试 验 参 数 干 摩擦 ， 载 荷 4 N， 转速 为 1 O 0 0 r ／ m i n ； 摩擦试验时间 6 0 ra i n 、 1 2 0 mi n ； 对偶材料 4 2 C r Mo ， 硬 度 6 0 H R C 。 2试验 结果与分析 2 ． 1 材料干摩擦前的显微组织分析 图 l为材料摩擦试验前的 X R D图谱分析结果。 由图 1 可看出， 材料 中的碳化物主要是 M， C和 M C型碳化物。 图 2和表 2为材 料 摩擦 试 验 前 的 S E M 图和 能 谱分析结果。 由图 2可看出 ， 摩擦试验前材料 中碳化物形貌 主要有针状和块状碳化物。针状碳化物大部分分布 在晶界上 ， 块状的碳化物 由许 多细小粒状的碳化物 团聚 而成 。 2 0 ／ 。 图 1 摩擦试验前材料 的 X R D图谱 Fi g ．1 XRD pa t t e r n s o f t h e ma t e r i a l s b e f o r e we a r t e s t 图 2中 a和 b点处 为针状 碳化 物 ， c和 d点 处 为 细小粒状碳化物团聚而成的块状碳化物。表 2能谱 分析结果表明， 这两种碳化物中 Mo 含量都较高 ； 明 显 不 同的是针 状碳 化物 中 F e 含 量小 ， 这 是 因为 针状 碳化物在反应形成块状碳化物的过程中， F e元素参 与反应 ， 因此块状碳化物 中 F e含量较高 ， 这样可 以 将 M C碳 化物 和 M C碳化物 区别开来 。结合 X R D图谱 图 1 ， 可推断这种块状碳化物为 M C碳 化物 ， 针状碳化物为 M， c碳化物。 图 2 摩擦试验前材料的 S E M 图 Fi g ． 2 S EM i ma g e o f t h e ma t e r i a l s b e f o r e we a r t e s t 表 2 摩擦 试验 前材 料 图 2中 4点 的能谱分析 结果 Ta b l e 2 EDS a n a l y s i s o f t he ma t e r i a l s be f o r e we a r t e s t 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 刘芳等 颗粒 强化粉末冶金钢耐磨性能 的影响 因素 3 6 1 表 4 干摩擦 6 0 m i n后材料 图 4中 4点 的能谱分析 结果 Ta b l e 4 EDS a n a l y s i s o f t h e ma t e r i a l s a f t e r 60mi n d r y f r i c t i o n 表 5 干摩擦 1 2 0 mi n后材料 图 5中 4点 的能谱分析结果 Ta b l e 5 EDS a na l y s i s o f t h e ma t e r i a l s a fte r 1 2 0mi n d r y f r i c t i o n 由以上综合分析结果可 以看出， 在高钼合金颗 粒强化粉末冶金钢 中， 不 同的碳化物表现出了明显 不同的耐磨性能。摩擦时问较短 时， M， c碳 化物和 M c碳化物都能提 高材料 的耐磨性能 。随着摩擦 时间的延长， M C碳化物仍有利于提高材料 的耐磨 性能， M C碳化物则 易于从基体 中脱落 ， 从 而在摩 擦表 面留下许多大孔隙 ， 降低材料 的耐磨性能。为 获得耐磨性能好 的高钼合 金颗粒强化粉末冶金钢 ， 应增加材料中 M c碳化物含量 ， 降低 M， c碳化物含 量 3 结论 1 高钼合金颗粒强化粉末冶金钢中， 碳化物类 型对 材料 耐磨 性能 的影 响非 常显 著 。 2 短时 间干 摩擦情况 下 ， M C碳化 物和 M C 碳化物均有利于提高材料的耐磨性能。 3 长时间干摩擦情况下 ， M C碳化物提高材料 的耐磨性能， M C碳化物则降低材料的耐磨性能。 4 为获得耐磨性能好的高钼合金颗粒强化粉 末冶金钢， 应增 加 材料 中 M C碳 化物 含量 ， 降低 M， C碳 化物 含量 。 [ 2 ] 参考文献 E mi n E，Ku b i l a y A ，S t i l e y ma n T．Ef f e c t o f c r a c k p o s i t i o n o n s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r i n p a r ti c l e r e i n f o r c e d me t a l ma t rix c o mp o s i t e s ． Me c h a n i c s R e s e a r c h C o m mu n i c a t i o n s ， 2 0 0 8 ， 3 5 4 2 0 92 1 8 M i c h a l s k i J，M a r s z a l e k J ， Ku b i a k K． An e x p e r i me n t a l s t u d y o f d i e s e l e n g i n e c a m a n d f o l l o we r we a r w i t h p a r t i c u l a r r e f e r e n c e t o t h e p r o p e r t i e s o f t h e ma t e ria l s ． W e a r ，2 0 0 0， 2 4 0 1 6 81 7 9 [ 3 ]赖志伟 ，吴俊良 ， 文玉华 ，等 ．新型 奥氏体不锈钢 的耐磨性研 究 ．摩擦学学报 ， 2 0 0 9 ， 2 9 2 1 2 81 3 3 [ 4 ]韩凤麟 ．世 界粉末冶金 零件工业 动态 ．粉末冶金 技术 ， 2 0 0 1 ， 1 9 4 2 2 52 3 2 [ 5 ]R a y mo n d R， S t e p h a n e L， Ma r i e F r a n c o i s e R， e t a 1 ．M a n a g e me n t o f p r o s t h e t i c h e a r t v a l v e o b s t r u c t i o nF i b r i n o l y s i s v e r s u s s u r g e r y ．Ea r l y r e s u l t s a n d l o n g t e r m f o l l o w- u p i n a s i n g l e c e n t r e s t u d y o f 2 6 3 c a s e s ． A r c h i v e s o f C a r d i o v a s c u l a r ， 2 0 0 9， 1 0 2 4 2 6 9 2 7 7 [ 6 ]曹阳 ， 李 国俊 ，陈复民 ．金属基 复合材料 的摩擦学研究 进展 ． 机械工程材料 ， 1 9 9 2，1 6 4 13 [ 7 ]C l a u d i n C，R e c h J ．D e v e l o p me n t o f a n e w r a p i d c h a r a c t e r i z a t i o n me t h o d o f h o b’ S we a r r e s i s t a n c e i n g e a r ma n u f a c t u r i n g - a p p l i c a t io n t o t h e e v a l u a t i o n o f v a r i o u s c u t t i n g e d g e p r e p a r a t i o n s i n hi g h s pe e d d r y g e a r h o b b i n g ． J o u r n a l o f Ma t e r i a l s P r o c e s s i n g Te c h n o l o g y，2 0 0 9， 2 0 9 5 1 5 251 6 0 [ 8]A u d e H a u e r t ，A n d r e a s R o s s o l l ，A n d r e a s Mo r t e n s e n ．D u c t i l e t o b r i t t l e tr a ns i t i o n i n t e n s i l e f a i l u r e o f p a r t i c l e ． r e i n f o r c e d me t a l s ． J o u r n a l o f t h e Me c h a n i c s a n d P h y s i c s o f S o l i d s ， 2 0 0 9 ， 5 7 3 4 7 3 4 9 9 [ 9]尤 显卿 ，任吴 ．颗粒增强钢基复合材料摩擦学研究进展 ．兵 器 材料科学与工程 ， 2 0 0 3 ， 2 6 5 5 76 1 [ 1 O]U r r u t i b e a s k o a I ，P a l ma R，Ma r t i n e z V，e t a 1 ． Me t a l l u r g i c a l c h a n g e s d u ri n g s i n t e r i n g o f g r a d e P ／ M h i g h s p e e d s t e e l s i n i n d u s t r i a l a t mo s p he r e a n d v a c u u m． Po wd e r Me t a l l u r g y ， 1 9 9 0 ， 3 3．3 0 53 1 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m