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第 1 8 卷第 6期 VO 1 ． 1 8 NO ． 6 粉末 冶金材料科 学与工程 M a t e r i a l s Sc i e nc e a nd Engi n e e r i ng o f Po wde r M e t a l l ur g y 2 0 1 3 年 1 2月 De c 2 O 1 3 微量 C u 3 P对 F e ． 2 N i ． 1 C u ． 0 ． 6 C粉末冶金材料组织 与力学性能的影响 滕浩，李志友，李佑福 ，周科朝 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 采用复压复烧工艺制备粉末冶金 F e ． 2 Ni ． 1 C u ． 0 ． 6 C合金，考 察 C u P添加 剂及 不同粒度 的铜 粉在 材料 制备 过程中的存在形式与演变过程，以及它们对合金显微组织与力学性能的影响。结果表明 F e 一 2 Ni 一 1 C u 一 0 ． 6 C合金经 复压复烧后密度为 7 ． 4 6 ～ 7 ． 5 2 g ／ c m 。与添加颗粒相对粗大的电解铜粉相比，添加超细铜粉可提高合金的一次压制 密度与铜元素在合金中的分布均匀性， 烧结体的强度相应提高。 8 0 0℃预烧时压坯中的 C u P与铜及其它合金元素 反应生成液相 ，合金元素 易扩 散进 入铁 基体 内形成固溶强化 ，导致预烧坯 的复压密度 随 C u P含量 的增加而下 降。 添加少量的 C u P可提高铁基烧结合金的抗弯强度，所制备 F e 一 2 Ni 一 1 C u 一 0 ． 6 C合金的抗弯强度最高为 1 2 6 2 MP a 。 而合金的冲击韧性随 C u 3 P含量增加而下 降，从不添加 C u 3 P时的 9 ． 5 J ／ c m 下 降至 C u 3 P的添加量为 1 ． 1 6 ％ 质 量分 数1 时的 3 ． 9 J ／ c m 。 关键词粉末冶金；铁基；C u P ；复压复烧 ；显微组织 中图分 类号 T F 1 2 4 文献标识码 A 文章编 号1 6 7 3 ． 0 2 2 4 2 0 1 3 6 8 0 1 0 6 Ef f e c t o f mi n o r Cu 3 P a d d i t i o n o n pr o pe r t i e s o f Fe - 2 Ni 一 1 Cu 一 0 ． 6 C mi c r o s t r u c t u r e a nd me c h a ni c a l p o wd e r me t a l l u r g y ma t e r i a l s T E NG Ha o ， L I Zh i y o u ， L I Yo u - f u ， ZHOU Ke c h a o S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f P o wd 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 A b s t r a c t P o wd e r me t a l l u r g i c a l F e - 2 Ni - 1 C u 一 0 ． 6 C a l l o y wa s p r e p a r e d b y d o u b l e p r e s s ／ d o u b l e s i n t e r D P ／ DS p r o c e s s i n g ． T h e e x i s t i n g f o r ms a n d e v o l u t i o n o f Cu 3 P a d d i t i v e a n d C u p o wd e r wi t h d i f f e r e n t s i z e s i n ma t e r i a l p r e p a r a t i o n ， a s we l l a s t h e i r e f f e c t s o n mi c r o s t r u c t ure a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e i r o n b a s e d a l l o y we r e i n v e s t i g a t e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t ， t h e d o u b l e p r e s s e d ／ d o u b l e s i n t e r e d F e 一 2 Ni 一 1 Cu 一 0 ． 6 C a l l o y s a r e 7 ． 4 6 ～ 7 ． 5 2 g ／ c m i n d e n s i t y ．Co mp a r e d wi t h s a mp l e s c o n t a i n r e l a t i v e l y c o a r s e e l e c t r o l y t i c c o p p e r p a rti c l e s ， s a mp l e s wi t h u l t r a fi n e c o p p e r p o wd e r g e t h i g h e r g r e e n d e n s i ty a n d u n i f o rm i t y o f c o p p e r d i s t r i b u t i o n i n t h e i r o n b a s e d ma t r i x ，a n d t h e s t r e n g t h o f t h e s i n t e r e d c o mp a c t i s i mp r o v e d a c c o r d i n g l y ．Du e t o t h e l i q u i d p h a s e g e n e r a t e d f r o m Cu 3 P，c o p p e r a n d o t h e r a l l o y e l e me n t s a t t h e p r e s i n t e r i n g t e mp e r a t u r e o f 8 0 0 ℃，t h e a l l o y i n g e l e me n t s a r e a p t t o d i f f u s e i n t o t h e i r o n b a s e d ma t r i x t o for m a s o l i d s o l u t i o n s t r e n g t h e n i n g ， wh i c h l e a d s t o t h e d e c r e a s e o f d o u b l e p r e s s i n g d e n s i ty o f p r e s i n t e r i n g c o mp a c t wi t h i n c r e a s i n g C u 3 P c o n t e n t ． Th e b e n d i n g s t r e n g t h o f t h e i r o n b a s e d s i n t e r e d a l l o y i s i mp r o v e d b y a d d i n g mi n o r Cu 3 P wi t h t h e m a x i mu m b e n d i n g s t r e n g t h o f 1 2 6 2 M P a ． T h e i mp a c t t o u g h n e s s o f t h e a l l o y d e c r e a s e s f r o m 9 ． 5 J ／ c m t o 3 ． 9 J ／ c m wi t h i n c r e a s i n g Cu 3 P c o n t e n t f r o m 0 t o 1 ． 1 6 ％ ． Ke y wo r d s p o wd e r me t a l l u r g y ； i r o n b a s e d ； Cu 3 P； d o u b l e p r e s s ／ d o u b l e s i n t e r ； mi c r o s t r u c t u r e 粉末冶 金具有 节材、节能等技术优势 ，是典 型的 绿色制造技术 ，在机械 加工、航空航天 、汽车工业 以 及新能源开发等领域均得到广泛应用 卜 钔 。 其中， 铁基 粉末冶金是粉末冶金行业最重要 的组成部分 ，为汽车 制造 提供 了大量几何形状复杂、加工 困难或加工成本 高的部件，例如汽车的齿轮、大扭矩同步器齿毂和齿 基金项 目国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划1 资助课题 2 0 1 3 A A0 3 1 1 0 2 收稿 日期2 0 1 3 ． 0 1 ． 2 4 ；修订日期2 0 1 3 0 5 0 7 通讯作者滕浩，助理研究员，博士。电话 0 7 3 1 - 8 8 8 3 6 2 6 4 ；E - m a i l t e n g h a o C S H ． e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 0 2 粉末冶金材料科学与工程 套 、链 轮等l 3 ] 。同时，汽 车产业 的快速发展也对铁基 粉末冶金零部件 的密度 、强度、扭力及 耐磨性 能提 出 了更高的要求 。 目前铁基粉末冶金制品密度及性 能的 提 高主 要依靠粉末制备和压制工 艺的改进，包括 高压 缩性原料粉体、复压复烧、粉末锻造、温压、高速压 制、表 面致密化 ] 。 对 于粉末 冶金工艺而 言，烧结是影响材料 组织 与 性能的关键物 理冶金过程 。在铁基合金中通过添加细 颗粒元素粉末及提高其分布均匀性，可促进烧结体收 缩并提高材料 的力学性 能。例如添加微米级镍 粉有利 于镍元素在烧 结过程 中的扩散 ，且微观结构中富镍相 的分布更均匀，可提 高制 品的疲劳性能 ；通过添加纳 米级 F e ． C u复合粉可提高铁基材料 的烧结密度 力学 性能_ 1 ⋯ 。此外 ，磷化物 如 C u 3 P 、F e 3 P等 是一类典型 的烧结助剂 ，磷与铁 、镍 、铜等金属可形成低熔点共 晶_ 1 l J ，可 起到液 相烧 结 的作 用 。磷还 可以扩大 C c ． F e 相 区和缩小 v F e 相 区，在 同样 的烧结温 度下 c 【 ． F e中 铁原了的白扩散系数是 v F e中的 1 0 0倍左右，因此 0 c 相 的参与会显著加速烧结进 程。通 常在铁基合金 中添 加质量分数大于 4 ％的 C u 3 P ff P含量大于 0 ． 6 ％ 才 可 实现 0 【 单相 区烧结 ，这在高合金含量铁基粉末冶金材 料 尤其 是粉末 不锈 钢 与粉末 高速钢 中有较 多 的研究 [ 1 2 1 5 ] ，而在低合金含量铁基粉末冶金材料中运用较 少。 一 般认 为磷在致密钢铁材料中含量过 高会 引起钢 的冷脆 ，降低 塑性 ，属于有害元素 。而在低合金铁基 粉末 冶金材料 中，当密度相对较低 t0 ． 8 7 ％时 即 C u P中 P含 量≥1 0 ． 8 ％ ， 多余的C u 3 P会与基体铁以及可能未消耗 的液相进 一 步反应 生成铁磷化合物 l l ，属 于脆性 相， 从而导致复压过程中基体铁的变形更困难。样品中添 加超细铜粉无疑 比普通 电解铜粉 的活性更 高，有利于 反应 的进行及 自身 的扩散 ， 因而固溶 强化效果更 明显 ， 使预烧坯 的变形更难 。 从 图 1 还可 以看 出，经 1 1 2 0℃复烧后 的样 品密 度较复压坯下降了约 0 ． 0 5 g ／ c m ，这可能是复压坯中 变形储能释放 的结果 。此外 ，虽然相 同成分下添加超 细铜粉样 品的复压密度低于添加普通 电解铜粉的样 品，但经过复烧后 ，前者 的密度 已基本达到或超过 了 后者， 说明添加超细铜粉具有一定的烧结致密化效果。 2 ． 2 预烧坯 的显微组织 对 合金预烧坯进 行金相显微镜 观察， 如 图 2所示 ， 样品表面未腐蚀的 目的是为 了更好地观察孔隙的形态 及分布 。 图 2 f a 1 为全部添加 电解铜粉的合金预烧坯的未腐 蚀显微组织，可以看出，相对较粗大孔隙的尺寸约为 2 0 ～ 3 0 p m，如果铜粉 的粒径超过这个尺寸范 围，则在 压制过程中受周围铁粉的挤压而变形，例如图中的 A 区域。同时，一些粒度较小的铜颗粒则分布在铁颗粒 问的孔 隙之 内，如图 中的 B区域 。该组织的特 点是铜 在 空间上的分布 不均 匀，不 利于铜元 素的扩 散均 匀化 与烧结材料力学性能的提高。如果在铁基粉末中添加 超细铜粉，则铜颗粒基本能分布于铁基颗粒之间的孔 隙内 如图 2 b 所示 ，不会对铁颗粒的变形产生明显 的阻力，这是添加超细铜粉压坯的密度高于添加普通 电解铜粉压坯密度 的原 因之一 。图 2 c 为 图 2 b 所示 样 品的高倍 图像 ， 可 以看 出孔 隙仍 以不规 则形状居 多， 在粗大孔隙的周围以及基体内分布有细长的孔隙 如 图中箭头所 指 ，超细铜 颗粒 分布于少 量细长 孔隙 中 如图中的A区域 。 而在添加了 0 ． 5 8 ％超细 C u 3 P粉的 预烧坯 中 如 图 2 d 所示 ，很少 能观 察到粗大孔隙周 围的细长孔隙，这是由于超细铜与 C u P粉反应生成 的液相可 以在孔隙 内铺展 ，使细长孔隙逐渐 闭合 、粗 大孔隙趋于球化 。 2 - 3 复压坯 的显微组织 预烧 坯经过 8 0 0 MP a复压后 ，其 显微组织如 图 3 所示。 图 3 a 为添加 0 ． 5 ％超细铜粉和 0 ． 5 8 ％超细 C u 3 P 粉 的复压样 品腐蚀 后的金 相照片，与图 2 f b 所 示的样 品比较， 预烧坯经过复压后粗大孔隙的数量明显减少， 坯体 的致密度得 到提 高，铁基颗粒边 界清 晰。此外 ， 还能看到与基体腐蚀衬度不一致的地方，如图中的 A 和 B区域 ，经 能谱检测此 区域主要含镍元素 ，说 明为 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 8 0 6 粉末冶金材料科学与工程 性断裂相结合的复合型断裂特征，表明磷含量的增加 可使合金的脆性增大 ，这与合金的冲击韧性相对较低 对应 。 3 结论 1 采用复压复烧工艺制备的 F e 一 2 Ni ． 1 C u 一 0 ． 6 C合 金密度为 7 ． 4 6 ～ 7 ． 5 2 g ／ c m 。与添加颗粒相对粗大的 电 解铜粉相 比，在合金混 合料 中添加超细铜粉可提高一 次压制的密度与铜元素的分布均匀性，并在一定程度 上提高烧结体的强度 。 2 由丁在 8 0 0。 C 下预烧时 C u 3 P与铜及其它合金 元素反应生成液相，合金元素易扩散进入铁基体内形 成 固溶强化，导致预烧坯 的复压密度随 C u P 含量的 增加而下 降。添 加 定量 的 C u P 粉可提高 F e ． 2 N i 一 1 C u 一 0 ． 6 C烧 结合金 的抗弯强度， 在 C u P含量为 0 ． 8 7 ％ 时达到最火值，为 1 2 6 2 MP a 。而合金 的冲击韧性随 C u 3 P含量增加而下降，从不添加 C u 3 P时的 9 ． 5 J ／ c m F降至 C u P的添加量为 1 ． 1 6 ％时的 3 ．9 J ／ c m 。 [ 2 ] [ 3 】 [ 4 ] REFERENCES NARAS I M HAN K S ．S i n t e r i n g of p o wd e r mi x t u r e s a n d t h e g r o wt h o f f e r r o u s p o wd e r me t a l l u r g y[ J ] ． Ma t e r i a l s C h e mi s t r y a n d P h ys i c s ， 2 0 01 ， 6 7 5 6 6 5 ． 黄们云，易健 宏．现代粉 末冶金材料和技 术发展现状 一 ⋯ ． 上海金属， 2 0 0 7 ， 2 9 3 卜7 ． HUANG Bo y u n ． YI J i a n h o n g Cu r r e n t d e v e l o p me n t o f mo d e m p o wd e r me t a l l u r g y ma t e r i a l s a n d t e c h n o l o g i e s I [ J ] ． S h a n g h a i Me t a l s ， 2 0 0 7 ， 2 9 3 卜7 ． 郑朝旭 ，林炎成 ，黄 立仁 ．渗铜处理对烧结硬化合金钢 齿轮 特性的影响[ J ] l粉末冶金材料科 学与工程， 2 0 0 8 ， 1 3 1 5 0 5 7 Z HENG Ch a o x u ，LI N Ya n c h e n g ，HUANG Li r e n ．Ef f e c t o f c o p p e r i n fil t r a t i o n o n p r o pe r t i e s o f s i n t e r i n g h a r de n e d a l l o y s t e e l g e ars [ J ] ．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 ri n g o f P o wd e r Me t a l l u r g y ， 2 0 0 8 ， 1 3 1 5 0 5 7 ． 王玮哗， Na r a s i m h a n K S ，余卫 民．北美地 区粉末冶金发展报 告[ J ] ．现代零部件， 2 0 1 】 8 3 0 - 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8 7 ． CHENG J i g u i ，Xi a Y o ng h o n g ，W a n g Hua - l i n ．P r e p a r a t i o n o f Fe Cu n a n o po wd e r s a n d t h e i r e ffe c t o n s i n t e r i n g b e h a v i o r o f f e r r o u s ma t e r i a l s[ J ] ． Ma t e r i a l s S c i e n c e T e c h n o l o g 2 0 0 1 ， 9 f 1 1 8 5 8 7 ． MUC HNI K S V P h o s p h o rus c o n t a i n i n g s i n t e r e d a l l o y s r R e v i e w ． I n s t i t u t e o f M a t e r i a l s S c i e nc e ， Ac a d e my o f S c i e nc e s o f Uk r a i ni a n S SR． T r a n s l a t e d f r o m P o r o s h ko v a y a M e t a l l u r gi y a ， 1 9 8 4 ， 1 2 2 6 4 2 0 - 2 7 ． J AM ES B A． Li q u i d ph a s e s i n t e r i n g i n f e rro u s p o wd e r me t a l l urg y[ J 1 _ P o wd e r Me t a l l u r g y , 1 9 8 5 ， 2 8 3 1 2 卜 1 3 0 ． MOL 1 NAR I A， S t r a f f e l i n i G ， P i e c z o n k a L e t a 1 ． P e r s i s t e n t l i q u i d p h a s e s i n t e r i n g o f 3 1 6 L s t a i n l e s s s t e e l【 J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u r n a l o f P o wd e r Me t a l l u r g y , 1 9 9 8 ， 3 4 2 2 1 2 8 ． PREUS S E H，BOL TON J D． Us e of p h o s p h i d e p h a s e a d d i t i o n s t o p r o mo t e l i q u i d p h a s e s in t e r i n g i n 3 1 6 L s t a i n l e s s s t e e l s f J 】 ． P o w d e r Me t a l l u r g y , 1 9 9 9 ， 4 2 1 1 5 l 一 6 2 ． AKH T A R E G UO S J ， S HA H K A． E f f e c t o f C u 3 P a d d i t i o n o n s i n t e r i n g b e h a v i o u r of e l e me n t a l p o wd e r s i n t h e c o mp o s it i o n o f 4 6 5 s t a i n l e s s s t e e l [ J ] l P o w d e r Me t a l l u r g y ， 2 0 0 6 ， 4 9 1 2 8 3 3 ． 编辑 高海燕 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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