纳米WC颗粒增强高铬铁基粉末冶金材料的制备.pdf

第 1 9卷第 4期 Vb 1 ． 1 9 NO ．4 粉末冶金材料科学与工程 M a t e r i a l s Sc i e n c e a nd En g i n e e r i n g o f Po wd e r M e t a l l u r g y 2 0 1 4年 8月 Au g ． 2 0 1 4 纳米 WC颗粒增强高铬铁基粉末冶金材料的制备 李小强，李子阳，敖敬培，郑东海，屈盛官 华南理工大学 国家金属材料近净成形工程技术研究中心，广州 5 1 0 6 4 1 摘要通过高能球磨结合热压烧结技术制备由纳米 WC 颗粒增强的高性能粉末冶金高铬铁基复合材料。采用 XR D、 DS C、 S E M等测试方法分析球磨粉末颗粒的成分及形貌，研究不同热压烧结温度对高铬铁基复合材料的密 度、显微组织和硬度的影响。结果表明经 4 0 h球磨后的粉末颗粒大小均匀且呈近等轴状，直径约为 5“ m；当 热压烧结温度高于 1 0 0 0℃时，可以原位合成得到M7 C 3 型碳化物；烧结样品的密度和硬度随烧结温度的升高呈 先增后减的变化趋势；球磨 4 0 h的粉末在 5 0 MP a的压力下、1 0 0 0℃烧结 3 0 mi n后，致密度达到 9 9 ． 6 ％，硬度 和抗弯强度则分别达 4 7 ． 7 HR C和 1 9 5 2 MP a 。 关键词 WC颗粒增强 ；高能球磨 ；热压烧 结；高铬铁基合金 中图分类号T F 1 2 5 ． 1 3 文献标识码A 文章编号1 6 7 3 ． 0 2 2 4 2 0 1 4 4 0 6 1 5 - 0 7 Pr e p a r a t i o n o f Na no W C pa r t i c l e s r e i n f o r c e d h i g h c h r o mi um i r o n ba s e d po wde r m e t a l l ur g y m a t e r i a l s L I Xi a o q i a n g , L I Z i y a n g ， AO J i n g - p e i ， Z HE NG Do n g - h a i ， QU S h e n g - g u a n N a t i o n a l E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r o f Ne a r - Ne t - S h a p e F o r mi n g f o r Me t a l l i c Ma t e ri a l s ， S o u t h C h i n a Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Na n o W C pa r t i c l e s r e i n f o r c e d h i g h - p e rfo r ma n c e p o wd e r m e t a l l u r gy h i g h c h r o m i u m i r o n - b a s e d c o mp o s i t e ma t e ri a l s we r e f a b ri c a t e d b y h i g h - e n e r gy b a l l mi l l ing HE B Ma n d h o t - p r e s s s i n t e r i n g H P S ． X r a y d i ff r a c t i o n XR D ， d i ff e r e n t i a l s c a n n i n g c a l o ri me t r y f Ds c a n d s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p e S E Mwe r e e mp l o y e d t o a n a l y s e t h e c o mp o s i t i o n a n d mo r p h o l o gy o f b a l l mi ll e d p o wd e r p a r t i c l e s ． T h e e ff e c t o f s i n t e r i n g t e mp e r a t u r e o n d e n s i t i e s ， mi c r o s t r u c t u r e s a n d h a r d n e s s o f h i g h c h r o mi u m i r o n - b a s e d c o mp o s i t e ma t e ria l s p r e p are d b y HPS wa s a l s o e x p l o r e d ． T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t a f t e r 4 0 h b a l l mi l l ing ， the p o wd e r p a r t i c l e s h a v e a u n i and n e arl y e q u i a x e d mo rph o l o gy , wi t h a l l d i a me t e r o f a b o u t 5 m． M7 C3 c arb i d e i s o b t a i n e d wh e n the h o t s in t e r i n g t e mp e r a t u r e e x c e e d e d 1 0 0 0℃ ． T h e d e n s i t y a n d h ardn e s s o f s i n t e r e d s am p l e s i n c r e a s e fir s t l y an d t h e n d e c r e a s e wi th i n c r e a s i n g s i n t e r i n g t e mp e r a t u r e ． 4 0 h b a l l mi l l e d p o wd e r s we r e p r e s s e d u n d e r 5 0 MP a a n d the n s i n t e r e d a t l 0 0 0℃ for 3 0 min． the r e l a t i v e d e n s i ty o f s i n t e r e d s am p l e i s 9 9 ． 6 ％， t h e h ard n e s s an d b e n d ing s tre n g t h a r e 4 7 ． 7 HRC a n d l 9 5 2 MP a ， r e s p e c t i v e l y ． Ke y wo r d s WC p a r t i c l e r e i n f o r c e d ； h i gh e n e r g y b a l l mi l l i n g ； h o t - p r e s s s int e r i n g ； h i g h c h r o mi u m i r o n - b a s e d a l l o y 铁基粉末冶金材料是用量最大的一类粉末冶金材 料，主要应用于结构零件、轴承和磨擦材料等。铁基 粉末冶金材料具有成本低、 机加工性能好 、 可焊性好、 可热处理等一系列优点。近年来，高铬铁基粉末冶金 材料因具有优异的强韧性、硬度及耐磨性能，己成为 铁基粉末冶金材料研发的热点。而颗粒增强型铁基粉 基金项 目 收稿 日期 通讯作者 末冶金材料能够将增强体高硬度、高耐磨性能和基体 的高强度 、优异韧性结合起来，因而适合在服役条件 苛刻 如使用温度高、润滑性差等 的环境中使用，是 一 种较为理想、极具发展潜力的新材料 】 。但是，迄 今对颗粒增强型铁基粉末冶金材料的研究相对较少， 尤其在外加颗粒增强高铬铁基粉末冶金材料方面的研 国家 自然科学基金项 目 5 1 1 7 4 0 9 5 ；中央高校基本科研业务费专项 资金资助滚动项 目 2 0 1 2 Z G 0 0 0 6 ；新世纪优秀人才支持计划项 目 NC E T - 1 0 - 0 3 6 4 ；装备预研教育部支撑技术项目 6 2 5 0 1 0 3 6 0 1 1 2 0 1 3 - 0 9 0 7 ；修订 E t 期2 0 1 3 ． 1 2 1 1 李小强，教授，博士。电话0 2 0 - 8 7 1 1 0 0 9 9 ；E - m a i l L i x q s C U t ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 1 6 粉末冶金材料科学与工程 2 0 1 4年 8月 究几乎空 白。 高能球磨f h i g h e n e g y b a l l mi l l i n g ，H E B M 是一种 制备合金与复合材料通用的技术。它是通过磨球的撞 击 、碾 压等作用 ，使得球磨 中的混合粉末 反复 的发生 焊接、断裂、再焊接，从而引进缺陷 如堆垛层错和位 错 或者发生化学反应， 极大地改变原始粉末性能和结 构 ，最 终制 备出强制 固溶 体、超细 晶、非 晶材料 或合 成新的材料 。热压烧结 h o t - p r e s s s i n t e r i n g 。 HP S 是 一 种发展较成熟的技术，与传统的烧结方法相比，热 压烧结可以使金属粉末在更低的温度以及更短的周期 内实现高致密化 【 6 1 ，特别在制 备难成形和烧结粉末 冶 金材料方面具有独特的优势 。为此，本研究拟在 F e ． 1 0 C r - 1 C u ． 1 N i ． 1 Mo 一 2 c 质量分数， ％ 混合粉末中添 加纳米 WC颗粒 ，并采用高能球磨与热压烧结相结合 的方法制备高性能 WC颗粒增强高铬铁基 材料 ，重点 研究不同热压烧结温度对制备的含 WC 颗粒增强的 F e ． 1 O C r ． 1 C u ． 1 N i ． 1 Mo ． 2 C材料的密度、材料显微组织 与硬度的影响 。 1 实验 1 ． 1 实验 材料 实验用粉末为水雾化 F e 粉 、电解 C r 粉 、电解 C u 粉、电解 Ni 粉、电解 Mo粉、胶体石墨粉和 WC粉， 初始粉末 的特征如表 1 所列 。 表 1 初始粉末的特征 T a b l e 1 Ch a r a c t e r i s t i c s o f r a w p o wd e r s 1 ． 2 制备过程 1 ． 2 ． 1 粉末制备 将 表 1所列的初始 粉末按 9 5 ％ F e I O C t - 1 C u ． 1 Ni 一 1 Mo 2 C 5 ％WC 质 量分数1 进行配 比， 预混合 4 8 h 后 ， 采用 Q M． 2 S P 2 0 ． C L 型行星式球磨机在高纯氩气保护 下进行高能球磨，球磨罐材质为不锈钢，磨球材质为 碳化钨，球料质量比为8 1 。球磨机转速为 2 2 6 r ／ m i n ， 正反转交替时问分别为 1 2 mi n ， 加、 减速时间均为 1 0 S 。 1 ． 2 ． 2 烧 结成形 每次烧 结时，取 2 0 g粉末，装入 内径为 2 0 1T l l n 的石墨模具中，并采用 H P ． 1 2 1 2 1 2 美国 C e n t o r r V a c u u m I n d u s t r i e s 热压炉进行烧 结成形 。图 1 所示为 热压烧结 的工 艺示 意图 。抽真空至 大约 l - 3 1 0 - 2 P a 后，将含 WC颗粒增强高铬铁基粉末先以 5 ℃／ rai n的 速率从室温 加热至 4 0 0℃ ，再 以 2 O℃／ mi n的速率加 热至 8 0 0℃ 、保温 2 0 mi n ，然后 以 1 0C ／ m i n的速率 升温到不同的目标烧结温度、保温 3 0 mi n ，随后将样 品随炉冷却至 室温 。加热和 保温过程 中施加 5 0 MP a 轴 向压 力。 Ti me ／ mi n 图 1 热压烧结工艺示意图 F i g ． 1 S c h e ma t i c o f t h e h o t - p r e s s s i n t e r i n g p r o c e s s 1 ． 3 测试方法 采 用 D8 A d v a n c e型 X 射线衍 射仪及 NE T S C H S T A 4 4 9 C型差示扫描量热仪对球磨粉末的相组成及热 行为进行分析 。采用 N o v a N a n o S E M 4 3 0型扫描 电镜 观察经 4 ％ 体积分数 硝酸酒精溶液腐蚀后的烧结试样 的显微组织及试样弯 曲断 口形貌 。采用阿基 米德法测 量试样的密度， 每个试样测 3次取平均值。 采用 T H3 2 0 型全洛 氏硬度 计测试硬度 ，施加载荷为 1 5 0 k g f ，保压 时间为 2 0 S ，测试时在试样表面随机取 5 个点，最后 计算平均值。 在 C MT 4 1 0 2型 电子万 能试验机 上采 用三点弯 曲 法 测量试 样 的抗弯 强度 ，其 中抗 弯 强度试 样 尺寸 为 4 0 m m1 0 mmX2 ． 5 IT l n l ，跨度为 3 0 1T U T I 。采用式 1 计算抗弯强度 1 l l J 2 b h 式中t 7为抗弯强度 ， MP a ； F 为断裂载荷 ， N； 为 ∞ ∈ n s ∞ 2 p Q 暑 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 1 9 卷第 4期 李小强，等纳米 WC颗粒增强高铬铁基粉末冶金材料的制备 6 2 1 3 结论 1 9 5 ％ F e 一 1 0 C r 一 1 C u 一 1 Ni 一 1 Mo 一 2 C 5 ％纳米WC 经过 4 0 h球磨后 ，粉末平均粒径细化至约 5 g m， C u 、 Ni 、Mo和 c等合金元素均充分固溶于 F e中， 形成纳 米晶态 F e 基 固溶体 ，而 WC相未发生 明显分解 。 2 烧结温度由 9 0 0℃提高至 9 5 0℃， 烧结样孔隙 率急剧降低 ，密度 、硬度显著提高 ；继续升高烧 结温 度，试样的密度、硬度逐渐增加，但在 1 1 0 0℃烧结 时反而 出现下降现象 。 当烧 结温度在 1 0 0 0℃以上 时， 球磨粉末在热压烧结中可以原位合成 M， C 3 相。 3 当烧结温度 为 1 0 0 0℃时 ，可 以获得接近全致 密的烧结态试样 ，试样 的硬度 、抗弯 强度分 别达 4 7 ． 7HRC和 1 9 5 2MP a 。 【 2 】 [ 3 】 [ 4 】 【 5 】 [ 6 ] REFERENCES 章林，刘 芳，李志友，等．颗粒 增强型铁基粉末冶金材料 的研 究现状 [ J 】 ．粉末冶金工业， 2 0 0 5 ， l 5 1 3 3 - 3 8 ． ZHANG Li n ， LI U F a ng ， L I Zh i y o u ，e t a 1 ． Th e r e s e a r c h s t a ms o f p a r t i c u l a t e r e i n f o r c e d i r o n ma rx p o wd e r me t a l l u r g y[ J ] ． P o wd e r Me t a l l urg y I n d u s tr y , 2 0 0 5 ， 1 5 1 3 3 3 8 ． 李小强，陈火金，李子阳，等． wc增强 F e ． 2 C u ． 2 Ni 一1 Mo ． 1 C 粉末 冶 金 钢 的制 备 及其 耐 磨 性 能研 究 [ J 】 ．机械 工 程 学 报， 2 0 1 3 ， 4 9 1 8 5 8 6 2 ． L I Xi a o q i a n g ，C HE N Hu o - j i n ，L I Z i - y a n g ，e t a 1 ．S t u d y o n m a n u f a c t u rin g a n d we a r r e s i s t a nc e o f W C r e i n f o r c e d Fe -2 Cu-- 2 Ni - 1 Mo 一 1 C p o wd e r me t a l l u r g y s t e e l [ J 】 ． J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e rin g ， 2 0 1 3 ， 4 9 1 8 5 8 6 2 ． P AGOUNI S E，LI NDROOS V K．P r o c e s s i n g an d p r o p e r t i e s o f p a r t i c u l a t e r e i n f o r c e d s t e e l ma rx c o mp o s i t e s [ J 】 ．Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g A， 1 9 9 8 ， 2 4 6 1 ／ 2 2 2 1 2 3 4 ． NEAMTU B V，I S NARD O， CHI CI NAS I ，e t a 1 ．S t r u c tur a l and m a g n e t i c p r o p e r t i e s o f n a no c r y s t a l l i n e Ni F e Cu M o p o wd e r s p r o d u c e d b y we t me c h ani c a l a l l o y i n g[ J ] ． J o u r n a l o f Al l o y s a n d Co mp o u n d s ， 2 0 l 1 ， 5 0 9 8 3 6 3 2 3 6 3 7 ． GARAY J E．Cu r r e n t a c t iva t e d ，pr e s s u r e a s s i s t e d d e ns i fic a t i o n o f ma t e ri a l s[ J 】 ． A n n u a l R e v i e w o f Ma t e ri a l s Re s e a r c h ， 2 0 1 0 ， 4 O 1 4 4 5 4 6 8 AN K． Pr e s s u r e a s s i s t e d ma s t e r s i n t e r i n g s ur c e o f Co ，Cu a n d F e p o wd e r mi x t u r e[ J ] ． P o wd e r Te c h n o l o g y ， 2 0 1 3 ，2 3 4 1 1 7 1 2 2 ． YUAN Z， J I N Z，KANG R， e t a 1 ． Tr i b o c h e mi c a l p o l i s hi n g CVD d i a mo nd fil m wi t h Fe Ni Cr a l l o y po l i s h i ng pl a t e p r e pare d b y MA - HP S t e c hni q u e[ J 】 ． Di a mo n d and R e l a t e d Ma t e ri a l s ， 2 0 1 2 ， 21 5 0 5 7 ． [ 8 】 陈 健， 李小强， 赖燕根． 机械合金化与放电等离子烧结制 备WC颗粒增 强 F e基合金 的组织 与力学性 能[ J ] ．粉末冶金材 料科 学与工程， 2 0 1 2 ， 1 7 5 5 9 9 - 6 0 3 ． CHEN J i an ，LI Xi a o q i an g ，LAI Yan g e n．M i c r o s t r u c t u r e an d m e c h an i c a l p r o p e r t i e s o f W C r e i n f o r c e d i r o n b a s e d a l l o y b y me c h ani c a l a l l o y i n g and s p ark p l a s ma s i n t e r i n g[ J 1 ． Ma t e ri a l s S c i e n c e and E n g i n e e ri n g o f P o wd e r Me t a l l urg y ， 2 0 1 2 ，1 7 5 5 9 9- 6 0 3 ． 【 9 ] MO VAHE DI B ，E NA YAT I M H，WO NG C C．S tud y o n n an o c r y s t a l l i z a t i o n an d a mo r p h i z a t i o n i n F e -Cr - M o B- -P Si -C s y s t e m d u r i n g me c h a n i c a l a l l o y i n g [ J ] ．Ma t e ri a l s S c i e n c e＆ E n g i n e e ri n g B ， 2 0 1 0 ， 1 7 2 1 5 0 5 4 ． 【 1 0 】 L I U Do n g h u a ， L I U Y o n g ， Z HAO Da - p e n g ， e t a 1 ． E f f e c t o f b a l l mi l l ing t i me o n mi c r o s t r uc t u r e s an d me c han i c a l p r o p e r t i e s o f me c h a n i c a l l y a l l o y e d ir o n b a s e d ma t e ri a l s[ J ] _ T r ans a c t i o n s o f No n f e r r o u s Me t a l s S o c i e t y o f C h i n a ， 2 0 1 0 ， 2 O 5 8 3 卜8 3 8 ． [ 1 1 】 瞿金蓉，胡明安，陈敬 中，等． 纳米 粒子的熔点与粒径 的关系 [ J 】 ．中国地质大 学学报， 2 0 0 5 ， 3 0 2 1 9 5 - 1 9 8 ． QU J i n r o n g ， HU Mi n g - an， CH E N J i n g - z h o n g ， e t a 1 ． Nan o pa r t i c l e s i z e and me l t i ng po i n t r e l a t i o ns h i p ． J o ur n a l o f Ch i n a Un i v e r s i ty o f Ge o s c i e n c e s ， 2 0 0 5 ， 3 O 2 1 9 5 1 9 8 ． 【 1 2 】 朱远 志，尹志 民，曾渝，等．重 型发动机气门座圈工艺、材 料研 究进展 【 J 】 材料导报， 2 0 0 4 ， 1 8 5 4 5 - 4 8 ． ZHU Yu a n - z h i ， Y／ N Zh i - mi n， ZEN Yu ，e t a 1 ．An o v e r v i e w o f ma t e ri a l and p r o c e s s r e s e arc h o f h e a v y d u ty e n g i n e[ J ] ． Ma t e ri a l s Re v i e w， 2 0 0 4 ， 1 8 5 4 5 4 8 ． [ 1 3 】 L I Y u a n - y u an， XI A O Z h i y u ， L E O Ng a i T u n g wa i e t a 1 ．Wa r m c o mp a c t e d N b C p a t i c u l a t e r e inf o r c e d i r o n - b a s e c o m p o s i t e I D Mi c r o s t r u c t u r e and p r o p e rt i e s[ J ] ． T r ans a c t i o n s o f No n f e r r o u s Me t a l s S o c i e ty o f C h i n a ， 2 0 0 2 ， 1 2 4 6 6 4 6 6 8 [ 1 4 】 姚萍屏，张忠义，汪琳，等．烧 结温度 对铁基粉末冶金航空 刹车 材料 组织 的影 响[ J 】 ．粉 末冶 金材 料科 学与 工程 ，2 0 0 7 ， l 2 3 1 6 0 1 6 6 ． YAO Pi n g pi n g ， ZHANG Zh o n g y i ，W ANG Li n ， e t a 1 ． Effe c t o f s i n t e r i ng t e mp e r a t u r e o n c o n t e x tur e an d p e r f o r manc e o f ir o n b a s e d P ／ M a i r c r a f t b r a k e ma t e ri a l s[ J ] ． Ma t e ri a l s S c i e n c e and E n g i n e e ri n g o f P o wd e r Me t a l l urg y ， 2 0 0 7 ， l 2 3 1 6 0 1 6 6 ． [ 1 5 】 钟群鹏，赵子华，张 峥．断 口学 的发展及微观 断裂机 理研 究[ J ] ．机械强度， 2 0 0 5 ， 2 7 3 3 5 8 - 3 7 0 ． Z HO NG Q u a p e n g ， Z H AO Z i h u a ， Z H ANG Z h e n g ． De ve l o p m e n t o f ‘ F r a c t o g r a p h y” an d Re s e arc h of Fr a c t u r e Mi c r o me c h ani s m [ J 】 ．J o u r n a l o f Me c h ani c a l S t r e n g t h ，2 0 0 5 ， 2 7 3 3 5 8 3 7 0 ． 编辑高海燕 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m