用常规强度试样与粉末冶金零件测定的力学性能的比较.pdf

第 3 1 卷第 3期 2 0 1 3年 6月 粉 末冶金 技术 Powde r M e t a l l ur g y Te c hnol o gy Vo 1 ． 31．No ． 3 J u n ． 2 01 3 用常规强度试样与粉末冶金零件 测定 的力学性能的比较 Lo r e n z S． S i g l ，P a t r i c e De l a r b r e ，U l r i k e J e h r i n g 1 S i n t e r s t a h l G m b H 8 7 6 2 9 F t i s s e n ， G e r m a n y 2 T e c h n i c a l U n i v e r s i t y D r e s d e n 0 1 2 1 7 D r e s d e n ， G e r m a n y 摘要 由于零件 的强度难 以试验测定 ， 因此通常都不使 用这些数 据。这篇论文 介绍 了一种 可直接测定 零 件强 度的新方法 。这种方法 是采 用水 射 流切割 Wa t e r j e t C u t t i n g ， 从零 件上 切割小 型矩 形试 棒 尺 寸约 为 4 0 mm 5 ra m 5 m m ， 经磨加工制备成试棒 ， 用于测定力学性 能。这篇论文将 由高合 金化 F e M o 一 N i c u粉末 冶金 钢制造的 同步器齿毂作 为典 型零件 ， 用 由其 上切 割制成 的矩形 试棒测定 了抗拉强度 、 冲击 强度与三 点弯 曲的横向断裂强度 ， 并将 其和用常规拉伸试样 D I N E N I S O 2 7 4 0 测定 的强度与 冲击性能进行 了 比较 。由零 件试棒 和常规试样测定 的性能完 全一 致 ， 都在试验误 差范 围之 内。为证 明比较 的有效性 ， 还通 过全面 的化 学 与显 微组织鉴定 ， 对 两种试样的相似性进行 了核 实。采用 新方法评定了生产工艺变量对 同步器齿毂 的力学性 能的影 响。建立 了小拉伸试棒 的横 向断裂强度与抗拉强度之间 的相互关 系。 关键 词 力学性能 ； 硬度 ； 拉伸 性能 ； 横 向断裂强度 Co m p a r i s o n o f me c h a n i c a l pr o pe r t i e s o bt a i ne d f r o m c 0 nv e n t i 0 na l s t r e n g t h s pe c i m e n s a nd fro m a s - s i nt e r e d c o m p o n e nt s Lor e nz S． Si gi “ ，Pa t r i c e De l ar br e ”，Ul r i k e J e hr i n g ’ 1 S i n t e r s t a h l Gmb H 8 7 6 2 9 F O s s e n， Ge r ma n y 2 Te c h n i c a l Un i v e r s i t y Dr e s d e n 0 1 2 1 7 D r e s d e n ， Ge r ma n y Abs t r ac t Ex p e r i me n t a l a c c e s s t o t h e i n - s i t u s t r e n g t h p r o p e r t i e s o f c o mp o ne nt s i s di f f i c ul t ， wh i c h e x pl a i ns wh y s uc h d a t a a r e n o t g e ne r a l l y av a i l a b l e ．Th e p r e s e nt p a p e r i nt r o d uc e s a n e w me t h o d o l o g y whi c h p e r mi t s d i r e c t a c c e s s t o t h e s t r e n g t h p r o p e rti e s o f c o mp o n e n t s ． S u c h i n f o r ma t i o n i s r e t r i e v e d f r o m s ma l l r e c t a n g u l a r 4 0 mm x 5 ram 5 mm wh i c h a r e p r e p a r e d d i r e c t i y fr o m a c o m p o n e n t b y w a t e r j e t c u t t i n g a n d s u b s e q u e n t g ri n d i n g ． U s i n g a s y n c h r o n i z e r h u b a s a t y pi c a l P／M c o mpo n e n t ，t he t e n s i l e s t r e ng t h，t he i mp a c t r e s i s t a n ce a n d t h e t r a ns v e r s e r u p t u r e s t r e n g t h i n 3- p o i n t b e n d i n g w e r e e v a l u a t e d f r o m t h e s e b a r s f o r a h i g h a l l o y e d F e M o 一 N i C u P ／ M s t e e l ， a n d c o m p a r e d t o t h e s t r e n g t h a n d i mp a c t p r o p e r t i e s o f c o n v e n t i o n a l t e n s i l e s p e c i me n sD I N EN I S O 2 7 4 0 ．Wi t h i n t h e l i mi t s o f e x p e r i me n t a l e r r o r， t he da t a s e t s o bt a i n e d fro m c o mpo n e n t s a n d s p e c i me ns a r e f ul l y c o n s i s t e n t ．To c o n f i rm t h e v a l i di t y o f t he c omp a r i s o n， t h e s i mi l a r i t y o f b o t h s p e c i me n t yp e s i s v e r i f i e d b y a c o mp r e h e ns i v e c h e mi c a l a nd mi c r o s t ru c t u r a l c ha r a c t e riz a t i o n．Th e n e w me t ho d i s s u bs e q ue n t l y a p pl i e d t o a s s e s s t h e e f f e c t s o f p r o c e s s i n g v a r i a t i o ns o n t he me c h a n i c a l pr o p e rti e s o f s y nc h r o n i z e r hu b s．Fi na l l y， a c o r r e l a t i o n b e t we e n t h e t r a n s v e r s e rupt u r e s t r e ng t h a n d t he t e h ns i l e s t r e n g t h o f t he s ma l l t e n s i l e s p ec i me n s i s e s t a bl i s he d ． Ke y wor ds me c h a ni c a l pr o p e rti e s； h a r d ne s s； t e ns i l e pr o p e r t i es ； t r a n s v e r s e r up t a r e s t r e n g t h 经过全部生 产工 序制 造 的零件 的力 学 、 物理 及化学性 能 ， 对其 在实 际应用 中的使 用性 能是最 重要 的。但是 ， 能用零件 本身试 验测 定 的性 能有 限 ； 也就 是说 ， 只有少数 性 能能直接 用零件测 定 ， 重 要 的 例 子 是 化 学 组 成 及 在 一 定 程 度 上 的 硬度 。 像强度或冲击强度之类力学性能都难 以直接用 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 3 0 粉末冶金技术 2 0 1 3年 6月 零件 测定 ， 这说 明 了 为什 么 一 般不 利 用 零 件 本 身 的 强 度数 据 。在 某些 场 合 ， 一 直 在 用 和零 件 一 起 生产 加工的标准试验拉伸试样来测定强度性能 ， 尽管对 这些数据实际上是否反映 了零件的真实性能 ， 往往 存在争议。例如 ， 在生产过程中， 在规定的条件下发 生偏差 时 ， 一般用 试 验 试样 测 定 的强 度数 据就 不 适 用了。因此 ， 对于直接用零件本身测定其性能的方 法 ， 有相当多的需求。 尽管需要零件本身的力学性能 ， 但资料都极少 ， 特别 是对 于粉 末 冶 金材 料 而 言 。 因此 ， 这 篇 论 文试 图 1 弄 清 楚 采 用 由实 际 零 件 制 取 的试 棒 是 否 能 得到有效 的强度数据。这是通过将 由零件本身测定 的数据和由标准拉伸试样测定的强度数据进行对 比 来完成的。这篇论文论述 和研究 中用的基准材料 ， 是在相同条件下制造零件与标准拉伸试样用 的高合 金化粉 末 冶金钢 。 2 通过 进 行 生产 工 艺 变 量对 零 件 的 抗 拉 强 度 与冲击强度的影响 的评价 ， 将这个新方法用于实际 零件 。 1 试 验 1 ． 1零 件与 拉伸试 样 的制造 将大量生产的， 名义组成 质量分数 为 4 ． 0 ％ N i 、 2 ． 0 ％C u 、 1 ． 4 ％Mo的预合金化 与扩散合金化 的 F e M o - C u N i粉 D i s t a l o y H P， H t i g a n a s A B和 0 ． 6 ％石墨 、 0 ． 3 ％Mn S及 0 ． 8 ％蜡相混合。将这种 混合粉 ， 于 6 0 0 MP a下冷压成形为标准拉伸试样 按 照 D I N E N I S O 2 7 4 0 和 图 1 示 的大 量生 产 的同步器 齿 毂 ； 随后 ， 在带式 炉 中 ， 于 1 1 2 0 C下 ， 在 吸 热 性 煤 气 中进行 烧 结 。通 过 设 定 网带 速 度 分 别 为 8 0 、 1 3 0 及 1 8 0 m m ／ m i n ， 系统地 改 变烧 结 时 间 。这 种 系 统 改 变的相应结果是 ， 名义烧结时间 可称为在 1 1 0 0 2 以上的保温时间 分别为 1 8 、 2 5及 4 0 m i n 。最后， 从 烧结温度 ， 以冷却速率约为 1 ． 5 K s 淬火 ， 将试样 进行烧结硬化。图 2示温度曲线的详细情况 。制造 的试验试样与齿毂的 平均 密度实际上基本相同 ， 分别 为 7 ． 0 4 5与 7 ． 0 6 0 g ／ c m 。 下一步 ， 为了评价对零件本身力学性能的影响 ， 改变了对同步器齿毂 的生产条件 。特别是 ， 对于齿 毂 图 1 用水喷射 切割与磨 加工从 同步 器齿毂 上制取 的 强度试样 箭头指 的是试验试样所在 的部位 Fi g． 1 S y nc h r o h u b f r o m wh i c h s t r e n g t h s pe c i me n s we r e p r e p a r e d b y wa t e r j e t c u t t i n g a n d g r i n d i n g T h e l o c a t i o n o f t h e t e s t s p e c i me n i s i n d i c a t e d 图 2 作 为 网带 速 度 函数 的烧 结 的 时 间 一温 度 曲线 F i g ． 2 Ti me t e mp e r a t ur e p r o f i l e f o r s i nt e r i ng a s a f u nc t i o n o f b e l t s pe e d 1 在上 述 的生产 工 序之 后 ， 分别 于 1 4 0 ℃ 与 1 2 0 ℃下进 行 了 6 0 mi n回火 。 2 于 8 0 0 c I 下 ， 预 烧结 4 5 mi n ； 二 次 压 制 到 密度 为 7 ． 1 5 g ／ c m ； 并于上述三种不 同的网带速度下进 行二次烧结。制备了一组二次压制／ Z． 次烧结的同 步 器齿毂 。 用标准的 L E C O分析仪 ， 测定 了所有烧结态材 料 的碳 与氧 的含量 。表 1中汇总 了对 不 同 的烧 结 周 期制备材料测定的化学组成。 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 3 1 卷第 3期L o r e n z S ． S i g l 等 用 常规 强度试样 与粉末冶金零件测定的力学性能的 比较 2 3 3 拉伸试样 与同步器齿毂 的所 有试样 的总碳含 量 ， 从开始的名义含量 0 ． 6 ％到经过所有生产工序， 实际上 没 有发 生变 化 表 1 。图 6示 试 样 实 际含 碳 量与烧结时间的关系。含氧量仍然很低 ， 实际上没 有 变 化 ， 即 0 ． 0 3 ％ 。原 来 预计 ， 随着 烧 结 时 间延 长 ， 含 氧量 会有 少量 减小 。 因此 ， 从 组 成 与显微 组织 的方 面 看来 ， 拉伸 试样 与齿毂本身之间没有显著差异。 ＼ 一 瓤 廊l 嵝 一 血 扪 烧结时间／ m i n 图 6 拉伸试样与齿毂试样 的含碳量和烧结时 间的关 系 Fi g． 6 Ca r bo n c o nt e n t o f t e n s i l e a n d h u b s p e c i me n s a s f u nc t i o n o f s i nt e r i ng t i me 2 ． 2 力学 性能 像诸 加组 成 、 比压 力 、 烧 结 条 件 时 间 、 温 度 及 气氛 及 冷却 速率 都 是 决定 铁 基 粉 末 冶金 零 件 的孑 L 隙与 显微 组织 及最 终性 能 的生产 工 艺参 数 。假定 这 些工艺参数不变 ， 实际上强度、 韧性及延展性应该和 几何形状无关。测定了标准拉伸试样和 由同步器毂 切割的矩形试棒 的表面硬度 、 抗拉强度及冲击强度 。 图 7示 对实 际数 据 的对 比 。尽管试 样 的大 小不 同及 表面的制备方法稍微有些 不同 烧结态 的拉伸试样 与水喷射切割与磨加工的试棒 ， 但是 ， 标准拉伸试 样 和 由齿毂 上切 割 的试棒 的力学 性 能并没 有 明显差 异 。 由此 可得 出结 论 ， 用 从 零 件 上 切 割 的 小 型矩 形 试棒 如 图 1所示 测定 的强度数据是 有效 的。还 应 注意 到 ， 图 7示 的 力 学 性 能 和 文 献 [ 1 ] 中报 道 的 D i s t a l o y H P材料 的数 据相 当一致 。 尽管几何形状不同的试样之间偏差小 ， 但是 ， 观 察 到力 学性 能 因烧结 时 间不 同而有 一 些变化 。 已预 料到 ， 拉伸试样与齿毂 的芯部硬度都会 随着 时间延 长而增高 图 7 a ； 这种现象某种程 度上可能是 由于烧结 时 间延 长 时 ， 孔 隙 略微 减 小 所 致 参 见 图 烧结时间／ rai n a 芯郡 硬度 ； b 抗拉强度 ； c 冲击强度 图 7 拉伸试样与齿毂试棒的 力学性能与 烧 结 时 间 的 关 系 Fi g ． 7 Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t e n s i l e a n d h u b s p e c i me ns a s f u nc t i o n o f s i n t e r i n g t i me 5 。但 是 ， 图 7 b 所示 的试 样抗 拉强 度呈相 反 的趋 势 ； 这种作用不是很 明显 ， 但 预计 的趋 向和硬度 相 似。图 7 c 示测定的冲击强度与烧结时间的关系； 就烧结时问而言， 再一次观察到没有明显趋向， 但发 现拉伸 试样 与齿 毂之 间 的相应关 系 良好 。根 据现有 数据 ， 没有找到关于烧结时间对力学性能影响的清 楚 的物理 方面 的说 明 ； 除 了改 变 网带速度 之外 ， 不 能 排除无意发生的生产工艺参数 的变化， 影响干扰 了 烧 结 时间与 力学 性 能 之 间 的 基本 相 互 关 系 。尽 管 ， 一 u． 一 、 酿 是 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 3 4 粉末 冶金 技术 2 0 1 3年 6月 从微 观力 学 的观点 来 看 ， 这样 说 明不 一 定会 令 人 完 全满意 ， 但重要 的是 ， 要注意这篇 文章论 述 的精神 是 直接从 零件 取样 进行测 试 ， 可清楚 地检 测这 种影 响 。 2 ． 3生产 工 艺变量 对 力学性 能的影 响 比较详 细地研 究 了 2个 变量 回火 与二次 压制 。 图 8 a 示 回火对 一 次 与二 次 压制 的齿 毂 的抗 拉 强 度 的影响。很明显， 试样的抗拉强度随着 回火温度 升高 ， 明显增高 ； 同时， 抗拉强度也随着二次压制密 度增高而增高。试样 冲击强度 的变化趋势 与其相 似。这些数据和 已发表的 D i s t a l o y H P的数 据 也 很相 似 。 1 00 0 8 6 f x】 矮 霎4 o o 2 O0 0 1 3 l 1 寇 9 骥 ．}} 暑 是 烧结态 1 4 0 ℃ 回火条件 a 抗 拉 强 度 ； b 冲击 强 度 图 8 齿毂 的力学性能与 回火 的关系 F i g ． 8 Me c ha n i c a l p r o p e r t i e s o f hu b s p e c i me n s a s f u n c t i o n o f a n n e a l i ng 如同在第 1章节中所讲的， 小试棒 的拉伸试验 冗长乏味 ； 这种试棒的强度 ， 用三点弯曲强度检测要 容易得多。因此， 对用各种不同的生产工艺制造的 齿毂的试棒进行 了横向断裂强度 T R S 检测 ， 其 目 的是核对是否和抗拉强度存在相关性。图 9示在各 种不 同的生产工艺条件 下制备 的试样T R S 与抗拉 强 度 ， 显然 ， 这 些性 能之 间存在 相 当好 的相 关性 。一 旦精心建立了这种相关性 ， 就可以用弯 曲试验快速 容 易地 直接 测定零 件 的力学性 能 。 噬 痞 -匡 妪 抗拉强／ MP a 图 9 齿毂试棒 的横 向断裂强度与抗拉强度间 的相关性 Fi g ． 9 Co r r e l a t i o n be t we e n t r a n s v e r s e r up t u r e s t r e ng t h a nd t e ns i l e s t r e ng t h f o r h ub s p e c i me ns 3 结 论 这项研究是想弄清楚， 在同样 的生产条件下制 作 的零件 和标 准试 验试样 的力 学性 能之 间是否 有共 同性 。尽 管试 验试 样 的大 小 与表 面状 况 不 同 ， 但 表 明这种相关性是实际存在 的。而且 ， 已证 明由零件 制备的试棒得到的零件 自身的性能反映了生产工艺 条件的变化。 从这些研究结果可得 出结论 用小型矩形试棒 检 测零 件 ， 能给 出零件 的实 际力 学性能 的真 实情 况 。 因此 ， 这种 技术 大大 扩 大 了检 验 零 件 的 强度 性 能 的 可能 性 。例 如 ， 在改 变 生 产 工艺 的条 件 下 或为 了弄 清楚 品质 问题 的 场合 ， 随 时都 需 要 这些 数 据 。尽 管 如此 ， 笔者 认 为 ， 要 进 一 步证 实 这 种 方 法 ， 还需 要 有 充 分 的根 据 ； 因此 ， 计 划将 这种 方法用 于各 种铁 基粉 末冶金材料， 其 中一些成果将在文献 [ 2 ] 中报告 。 参 考 文 献 [ 1 ]I r o n a n d s t e e l p o w d e r s f o r s i n t e r e d c o mp o n e n t s ． T e c h n i c a l B o o k l e t ， H g a n a s AB， 2 0 0 2 [ 2 ]S i g l L S ， D e l a r b r e P ． Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o mp o n e n t s m a d e f r o m F e Mo C r P ／ M s t e e l s ． P M2 一 T e c h C o n f e r e n c e 2 0 0 4， V i e n n a 韩凤 麟 译 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m