微细Cr-Fe合金粉对粉末冶金钢组织与性能的影响.pdf

第 2 5卷 第 2期 2 0 1 5年 4月 粉 宋 ． 合金 工 业 P OW D ER M E1 lALLURGY I NDUS TRY Vo 1 ． 2 5， No ． 2，p 2 5 3 0 Ap r ． 20 1 5 DO I 1 0 ． 1 3 2 2 8 ． b o y u a n ． i s s n l 0 0 6 6 5 4 3 ． 2 0 1 4 0 0 7 8 微细 C r - F e 合金粉对粉末冶金钢组织与性能的影响 牟 楠 ，雷龙林 ，徐 然 ，唐 琳 ，罗丰华 1 ． 中南大学粉末冶金 国家 重点实验 室， 湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 ； 2 ． 宁波方太厨具有 限公司， 浙江 宁波 3 1 5 3 3 6 摘要 在F e ． 0 ． 5 Mo 预合金粉末中加入平均粒径为4 ． 6 5 g m的F e C r C 。 。 高碳C r - F e 合金粉末， 于 l 2 0 0℃， 采用烧结 硬化工艺制备F e ． C r - Mo 粉末冶金合金钢。结果表明 随着C r - F e 合金粉末量的增加， 合金烧结试样的硬度增加， 强 度增加， 合金的显微组织以贝氏体为主。当添加微细颗粒的C r - F e 合金粉末， 使C r 质量分数达到 1 ． 7 ％时， 合金烧结 试 样的综合 性能达 到最 优 ， 抗拉强度 为 1 2 1 0 MP a ， 硬度 为3 0 H R C， 显微组织主 要为细小 的下 贝氏体和 马 氏体 ， 此 时合金 中C r ／ C质量 比约为 1 ． 5 4 。 关键词 C r - F e 合金粉 ； 粉末冶金钢 ； 烧结硬化 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 6 ． 6 5 4 3 ． 2 0 1 5 0 2 0 0 2 5 ． 0 6 Ef f e c t o f t h e fine Cr - Fe a l l o y po wde r o n t he mi c r o s t r uc t ur e a nd pr o pe r t i e s o f po wde r me t a l l ur g y s t e e l s M OU Na n’ ，LEI Lo n g- l i n ，XU Ra n ，T ANG Li n 2 ，LUO Fe n g h ua 1 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y f o r 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 ；2 ． Ni n g b o F O T I L E Ki t c h e n Wa r e C o ． L t d ． ， Ni n g b o 3 1 5 3 3 6 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e F e Cr - M o P M s t e e l wa s o b t mn e d f r o 1 “n t h e mi x e d F e Cr 5 5 C6 0 0 h i g h c a r b o n f e r r o c h r o me p o wd e r s wi t h a me a n p a r t i c l e s i z e o f 4 ． 6 5 t x r n a n d the Fe - 0 ． 5 Mo wa t e r a t o mi z e d p r e - a l l o y e d p o wd e r s ． s i n t e r e d a t 1 2 0 0 C b y s i n t e r h a r d e n i n g p r o c e s s ． T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e h a r d n e s s a n d s t r e n g t h o f t h e s i n t e r e d a l l o y s i n c r e a s e a s t h e c o n t e n t o f Cr - F e a l l o y p o wd e r i n c r e a s i n g ． Th e mi c r o s t r u c t u r e o f t h e s i n t e r e d s p e c i me n s i s m a i n l y c o mp o s e d o f b a i n i t e ． W h e n a d d i n g u l t r a fin e Cr - F e a l l o y p o wd e r ， l e a d i n g t o t h e Cr ma s s c o n t e n t o f 1 ． 7 ％ ， F e Cr - M o P M s t e e l s h a v e o p t i ma l p r o p e r t i e s ，wi t h t e n s i l e s t r e n g t h o f 1 2 1 0 MP a a n d h a r d n e s s o f 3 0 HRC． Ma i n mi c r o s t r u c t u r e o f t h e a l l o y i s a mi x t u r e o f fi n e l o we r b a i n i t e a n d m a r t e n s i t e ， a n d ma s s r a t i o o f t h e a l l o y e l e me n t o f Cr ／ C i s a b o u t I ． 5 4 ． Ke y wo r d s f e r r o c h r o me a l l o y p o wd e r ； p o wd e r m e t a l l u r g y s t e e l ； s i n t e r h ard e n i n g 传统 的铁基材料一般通过添加Mo 、 Ni 、 C u 等合 金元素来提 高强度， 同时改善其烧结性能。然而随 着传统强化元素Mo 、 Ni 、 C u 等价格的上涨， 生产企业 尝试选用 C r 来替代上述传统 强化元素[ 1 - 2 1 。C r 元素 除了有很 好的淬硬性 、 低成本 以及在预合金化过程 中有 良好 的分散性外， 其 回收利用价值还高于含C u 合金p 。 目前， 含 c r 高性能粉末冶金合金钢 的研发 已成为现今粉末冶金铁基材料研 究的一种趋势 一。 中国F e 粉生产企业 尚未开发出专门用于烧结硬化工 艺 的钢粉牌号， 随着汽车工业的发展， 具有低成本、 高性能的含 c r 合金钢的开发与研究显得 日趋重要。 本文以F e 一 0 ． 5 Mo 水雾化预合金粉为基体， 在其 中添加微细F e C r C ㈣合金粉末来引入C r 元素， 参照 己开发 出的各种含 C r 铁基合金的化学成分， 设计一 种新型含 C r 合金钢 ， 采用烧结硬化的处理方式， 得 到高性能的含C r 铁基粉末冶金材料。 基金项 目 国家科 技支撑 计划项 目 2 0 0 9 B AE7 4 B0 2 作者简介 牟楠 1 9 9 2 ， 女， 硕士研究生， 主要从事含 c r 铁基材料的组织与性能的研究。 通讯作者 罗丰 华 1 9 6 9 ～ ， 男 ， 博士 ， 教授 ， 主要 从事粉 末冶金材料与科学相关的研究工作 。 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金工业 第 2 5 卷 1 实 验 采用预粘结 的方法在水雾化 F e 一 0 ． 5 Mo预合金 粉末 中加入平均粒径 为4 ． 6 5舯 ， 牌 号为 F e C r 5 C 铷 的 C r - F e 合金粉 末 国标 GB ／ T 5 6 3 3 ． 1 9 8 ， C r 质量分 数 5 4 ． 9 1 ％， C质量分数 6 ． 3 4 ％ ， 使 C r 添加质量分 数分别为 1 ． 0 ％、 1 ． 3 ％、 1 ． 5 ％、 1 ． 7 ％、 2 ． 0 ％， 并在混合粉 中加入0 ． 6 ％C、 1 ． 5 ％C u 0 ． 5 ％Wa x 石蜡 均为质量 分数 。混合粉在球磨机上混合 3 0 mi n 后， 压制成长 条 形试样 5 0 r n l T l 1 0 mm ， 压制压力为 6 0 0 MP a 。 根据现有的研究结果 】 ， 选择在 1 2 0 0℃的H 气氛 中进行常规烧结 6 0 mi n ， 再将试样推进水套 中进行 快速冷却， 并将经过烧结冷却后的试样于 1 8 0℃回 火 1 h 后空冷 。 采用 阿基米德排 水法测定试 样密度 ； 用 2 ． 0 ％ 质量分数 的硝酸和苦味酸 的酒精溶液 腐蚀试样 后 ， 在 6 5 3 2 1 型数码倒置金相显微镜上进行金相观 察， 并使用 F E I Qu a n t a 2 5 0 F E G场发射扫描 电子显 微镜对合金的金相显微组织进行进一步的分析； 在洛 氏硬度计上测定硬度； 在C MT 7 2 O 5 电子万能试验机 上进行拉伸实验 ， 加载速率为 0 ． 5 mm／ mi n ， 并通过 J S M． 6 3 6 0 L V型高低真空扫描 电镜对拉伸断 口进行 观察和分析。 2 分析 与讨论 2 ． 1 合金试样的化学成分和密度 由于添加了0 ． 6 ％ 质量分数 的石墨和F e C r 5 C 因此 C r - F e 合金粉末的C含量发生了变化 。选择名 义C r 质量分数为 1 ． 5 ％、 1 ． 7 ％和 2 ． O ％的试样 ， 随机取 样进行化学成分分析 ， 主要测定 C r 含量和C含量的 变化 ， 并计算了实际的C r ／ C L L C r 、 C元素质量 比 ， 结果如表 1 所示。 可 以看出， 几个样 品均在一定程度上有 C元素 的损 失， 即在烧结过程 中发 生了脱碳 ， 从而使得 实 际C含量少于名义 c含量， 因此实验制备的F e C r - Mo 粉末冶金钢为亚共析低合金钢。 从表 1 可知 ， 合金试样最终的 C r 、 C含量均有所 减少 。这是 因为在烧结初始 ， 基体 中的C会和粉末 间隙中的0 反应， 产生 C O、 C O 等气体逸 出； 同时根 据热力学、 化学平衡等可算出在 1 2 0 0℃高温下 ， c r 元素 的氧化反应可正 向进行 ， 产生 C r O、 C r O 、 C r 2 0 等气体逸出， 从而使 C r 、 C元素的含量减少 。 表1 各烧结样品名义Cr 、 C含量和实测含量的比较 在 合金材 料 中， C r 和 C一般会 形成 M， C以及 M C M 为F e 、 Cr 等 类 型的碳化物p 】 ， 在一定的范 围 内， 随着 C r ／ C比的增 大 ， 合 金 中形成 的 M C或 者 M C ， 碳化物 的数量也会增多， 在碳化物周 围就会形 成贫 C区， 从而使得该区域形成的奥 氏体的含 C量 比较低， 淬火后会形成含 C量低的马氏体， 降低合金 的显微硬度 ； 但是 由于存在显微 硬度较高 的碳 化 物， 合金材料的硬度整体上会增加 。因此 ， 当C r ／ C 比在一定范围内时， 合金 的强度呈现先上升后下降 的变化趋势 ； 存在最佳 的C r ／ C比， 可使 合金 的性能 达到最佳 。本文尝试 从硬度和强度性 能方面探 寻该合金粉末的最佳 C r ／ C配比。 表 2 给 出了不 同名义 C r 含量下 以下简称 c r 含 量 合金试样的生坯密度和烧结密度值。 表2 不同Cr 含量对生坯密度和烧结密度的影响 从表 2 可看出， 试样 的生坯密度随 C r 含量 的增 加基本不变 ， 可见微细 C r - F e 合金粉末 的添加对于 混合粉末压制性的影响不大 ， 这是 由于添加的合金 粉末的粒径很 小， 可 以很好地分散于基体周 围； 同 时又存在 大量 的晶界 ， 这些高密 度 的晶界能够在 烧结状态下给合金元素和 C元素提供快速扩散通 道[ 9 ， 促进元素的扩散 ， 有利于烧结过程 的进行 。 图 1 为 C r 质量分数为 1 ． 7 ％和 2 ． O ％的合金试样 的孔 隙形貌照片。可 以看 出， 合金组织 中存在 的孔隙均 为小孔 隙； 且随着 c r 含量 的变化， 其孔隙形貌没有 发生很大的改变； 合金试样的粉末颗粒之 间形成 了 较好的联结， 颗粒之 间的孔隙近似球 形， 致密化程 度较好。 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 ‘ 3 0’ 粉末冶金工业 第 2 5 卷 纤 业 动 态 粉末冶金成为高氮钢制备中最有潜力的研究方向之一 高氮奥 氏体钢用廉价的氮代替贵金属镍来稳定钢中奥 氏体， 能够在不损害塑性和韧性的情况下 ， 显著 提高钢的强度 ， 因而在许多领域都获得了十分广阔的发展和应用前景 。高氮钢现有的制备方法主要是熔炼 法和粉末冶金法。由于高压冶炼高氮钢制备技术存在能耗高 、 设备复杂等不足 ， 而粉末冶金生产高氮钢 的 优势在于能够细化 晶粒， 可 以通过非平衡方法获得过饱和 的含氮 固溶体和细小沉淀相 ， 能较为容易地获得 更高的氮含量， 并可实现近终成形， 另外其工艺灵活、 资金投入低， 因此成为当前高氮钢制备中最有潜力的 研究方 向之一。我国潍坊学院采用机械合金化、 渗氮 以及粉末冶金压制一 烧结工艺制备 了 0 C r l 8 Mn 1 2 Mo 3 N 高氮奥 氏体钢 。结果表明， 用机械合金化和渗氮相结合工艺获得 的近球形高氮钢粉末 ， 具有 良好的压缩性 和成形性， 在 6 5 0 MP a 压制力下压坯的相对密度高达 7 6 ． 2 ％； 在 1 2 5 0℃烧结2 h 可完成粉末致密化过程 ， 获 得相对密度为 9 7 ． 2 ％， 氮含量高达 0 ． 8 O ％ 质量分数 的烧结体， 烧结体经 1 1 5 0℃1 ． 5 h固溶处理水淬冷 却后获得完全奥氏体组织， 且奥氏体晶粒细小， 其屈服强度和抗拉强度分别达到 5 9 8 MP a和 8 8 2 MP a ， 显著 优 于 传 统 粉 末 冶 金 高 氮 奥 氏体 钢 。信息摘自 中国粉末冶金商务网 网站 h t t p ／ ／ w w w ． p m b i z ． c o rn ． c n ／ n e w s ／ i n f o ． a s p i d l l 0 3 2 0l 5 3l 0 4 2 编 辑部 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m