（材料科學與工程專業(yè)論文）燒結鋼組織及耐磨性的研究.pdf

碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 摘要 馨 2 船君s 以f e c c u 合金為基粉 添加合金元素n i m o w 制備燒結鋼 并 對試樣進行了微觀組織和耐磨性分析 系統(tǒng)地研究了熱處理工藝及合金元 素鎳 鋁 鎢的復合添加對燒結鋼組織和耐磨性的影響 實驗結果表明 本文中幾種燒結鋼的磨損機制均是由磨粒磨損 粘著 磨損 和疲勞磨損共同作用的 且以磨粒磨損為主 在燒結態(tài)下 復合添 加合金元素鎳 鉬的燒結鋼的耐磨性能最好 這是因為生成了大量的硬質 相貝氏體 而淬火 低溫回火態(tài)下 則復合添加鋁 鎢的燒結鋼的耐磨性 能最好 這是因為熱處理態(tài)下添加鉬 鎢的燒結鋼的硬度最高 關鍵字 粉末冶金燒結鋼合金元素耐磨性 j 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 a b s t r a c t m i x i n ga l l o ye l e m e n t so f n i m o w i nf e c c ua l l o y t h es i n t e r e ds t e e l w a sp r e p a r e dt h em i c r o s t r u c t u r ea n dw e a rr e s i s t a n c e p r o p e r t i e s o ft h e s i n t e r e ds t e e lh a db e e ns t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fh e a t t r e a t e dt e c h n o l o g ya n d t h ea l l o ye l e m e n t so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dt h ew e a rr e s i s t a n c eh a db e e n s t u d i e da n d a n a l y z e d r e s u l t so ft h e e x p e r i m e n t s s h o w e dt h a tt h ew e a rm e c h a n i s m so ft h e s i n t e r e ds t e e li n c l u d e da b r a s i v ew e a r a d h e s i v ew e a ra n df a t i g u ew e a r a n di t w a st h ea b r a s i v ew e a rm o s ti m p o r t a n t i tw a st h es i n t e r e ds t e e lm i x e db y n i m ot h a tw a st h eb e s to nt h ew e a rr e s i s t a n c e b e c a u s eo ft h eg r e a tl o to f b a i n i t e t h es i n t e r e ds t e e lq u e n c h e da n dl o wt e m p e r a t u r et e m p e r e dm i x e db y m o wt h a tw a st h eb e s to nt h ew e a rr e s i s t a n c e b e c a u s eo ft h er i g i d i t yo ft h e s t e e lw a st h eh i g h e s t k e yw o r d sp o w d e rm e t a l l u r g y s i n t e r e ds t e e l a l l o ye l e m e n t w e a rr e s i s t a n c e 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 第一章前言 1 1 粉末冶金技術概述 粉末冶金是一門研究制造符種金屬粉末和以粉末為原料通過壓制成形 燒結和必要 的后續(xù)處理制取金屬材料和制品的科學技術 是提高金屬材料性能和發(fā)展新材料的有效 手段 對推動科學技術進步和國民經濟發(fā)展起著重要作用 粉末冶金是一門古老的冶金技術 我國早在春秋末期 也就是2 5 0 0 多年以前 就 已用塊煉鐵 即海綿鐵 鍛造法制造鐵器了 這項技術后來由于煉鐵技術的興起而從歷 史舞臺上消失 進入1 8 世紀后 為制取金屬鉑 粉末冶金重新煥發(fā)了青春 從而使粉 末冶金這門古老的冶金技術開始進入現(xiàn)代科學技術發(fā)展的行列 繼金屬鉑后 在1 9 世紀后期 至2 0 世紀初 用粉末冶金方法制取了具有劃時代意 義的金屬鎢 之后 又用粉末冶金方法制取了鋁 鈮 鉭等難熔金屬 從而為現(xiàn)代電子 與電光源工業(yè)的發(fā)展奠定了基礎 2 0 世紀初 繼難熔金屬之后 用粉末冶金技術陸續(xù)研制成功了硬質合金 多孔性 金屬含油軸承 鎢 銅與錚銅 鎳復合材料等 2 0 世紀4 0 年代 歐洲開始工業(yè)生產鐵粉 第二次世界大戰(zhàn)時 最引人注目的粉末冶金技術是鐵基制品的發(fā)展 二次世界大戰(zhàn)結束 后 鐵基粉末冶金零件生產引起了廣泛重視 現(xiàn)在 粉末冶金工業(yè)已形成獨立的工業(yè)體系 粉末冶金材料和制品已廣泛用于各工 業(yè)部門 粉末冶金工藝能夠生產許多用其它方法所不能生產的材料和制品 如許多難熔材 料 至今還只能用粉末冶金方法來生產 還有一些特殊性能的材料 如由互不溶解的金 屬或金屬與非金屬組成的假合金 銅一鎢 銀 鎢 銅 石墨 這種假合金具有高的導電 性能和高的抗電蝕穩(wěn)定性 是制造電器觸頭制品不可缺少的材料 再如 粉末冶金多孔 材料 能夠通過控制其孔隙度 i l 徑大小獲得優(yōu)良的使用特性等等 粉末冶金同其它的加工方法相比 它除了工藝簡單 在省力 節(jié)能方而比較有效之 外 生產率也很高 而且能降低成本 另外 粉末冶金獨特的性質是能達到輕量化 i 粉末7 f 金在高合金系統(tǒng)材料的制造方而j 下變得1 1 益重要 因為它使商合金材料在組 織 構與使用性能方面都有重夫的改進 從而大大改善了材料的可機加t 性和使川性 能 h 時 為控制質翳凝供 r 較好的超聲穿透性 這在制造宇航零件t 是一個很重要的 l 女l 素 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 粉末冶金在高科技領域占有重要地位 粉末冶金方法能制造具有特殊性能的結構材 料和功能材料 應用于高科技領域 同時 粉末冶金作為高科技之一的新材料技術 是 研制各種新材料的重要途徑 因而在閩外被稱為高級冶金 a d v a n c e dm e 叫l(wèi) u 嗡r 1 2 鐵基粉末冶金結構零件的發(fā)展 燒結鐵基粉末冶金結構零件是粉末冶金工業(yè)中產量最大 應用面最廣的一類產t 這類零件在二 次世界大戰(zhàn)時才嶄露頭角 在六十年代以后得到了飛速的發(fā)展 鐵基粉末冶金結構零件起源于含油軸承 并在汽車工業(yè)中得到了廣泛的應用 隨即 推廣到其它工業(yè)部門 碳是鐵基材料中使用最多的合金元素 燒結f e c 合金又稱為燒 結鋼 燒結鋼的性能是由其成分和組織所決定的 由于碳含量的變化 會使f e c 合金 呈現(xiàn)不同的組織狀況 因而使材料獲得不同的機械性能 鐵基粉末冶金材料的發(fā)展大致經過了四個階段 第二次世界大戰(zhàn)前 鐵基粉末冶金 材料的機械性能相當于普通鑄鐵 抗拉強度只有1 5 0 2 0 0 n i t l n l 2 而且零件形狀簡單i a 5 0 年代左右 銅 鎳等合金元素應用于粉末冶金材料 由于銅具有固溶強化和自潤滑 作用 可以提高材料的強度 硬度和耐磨性 鎳以羰基粉的形式加入到f e c 和f e c c u 系列當中 燒結鋼的機械性能達到了可鍛鑄鐵的水平 抗拉強度達到4 0 0n m m 2 6 0 年代中期 由于鐵粉質量顯著提高 n i c u m o 三元預擴散合金鐵粉出現(xiàn) 合金元素m o 既可進一步增高強度 又可以提高燒結合金的淬透性 使抗拉強度達到6 0 0n m m 2 熱 處理后可達1 0 0 0 11 0 0n a n m 2 7 0 年代末期 c r m n v 等合金元素在燒結鋼生產中 應用 經二次壓制二次燒結并熱處理后 抗拉強度達到1 4 0 0n m m 2 燒結并經鍛造熱 處理后 抗拉強度可達1 8 0 0 一1 9 0 0 n m m 2 相當于優(yōu)質合金鋼 隨著燒結結構零件制造技術的發(fā)展和密度的增高 為滿足各項性能的要求 逐步采 用了合金元素n i m o c r m n p s i 等 例如 氣門導管通常是用普通灰鑄鐵或含 硼或其它元素的特殊鑄鐵制造的 由于對性能好 價格低廉的氣門導管的需求在增長 為此發(fā)展了燒結氣門導管 其材料組成為f e 45 c u o 5 s n 0 2 5 p 2 0 燒結密度 65 晝 鋤3 硬度7 5 h r b 抗拉強度4 0 k 舯n 燒結氣門導管由于可進行固體潤滑和 含油潤滑 耐磨性顯著增高 產品質量非常穩(wěn)定 由于成品率提高 生產成本約降低2 5 近年來 人們對燒結鐵基結構零件的性能要求越來越高 例如 隨著高性能汽車發(fā) 動機的發(fā)展 對進 排氣門座 凸輪軸等重要零件的耐熱 耐麼等性能提 了更商的要 求p l 于足需要開發(fā)和研制高含金粉末冶金鋼 1 3 國內外對材料耐磨性研究簡史和現(xiàn)狀 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 摩擦和磨損是自然界中最普遍的現(xiàn)象 摩擦 磨損及潤滑技術是隨著人類禮會的發(fā) 展而發(fā)展的 磨損的應j h 和抗磨損措施的進步對生產力的發(fā)展起r 重要的作用 閃而又 推動了社會的進步 原始人把石頭磨銳作獵取動物的武器和勞動工具是磨損的早期應 j 1 金屬兵器的出現(xiàn)與生產技術的進步 各類t 具 刀具的發(fā)展 以及日剛品的生產 j 發(fā)展 都離不開磨損的應用和磨損技術水平的提高 隨著近代科學技術的飛速發(fā)展 特別是航空 宇航和國防工 i k 的發(fā)展 對各利 復雜 的電子設備 機械產品及典型的基礎零件 如滾動軸承等 的可靠性要求越來越高 而 磨損是影響機器使用可靠性的重要因素 磨損是普遍存在的現(xiàn)象 是造成材料與能源消耗的重要原因 磨損問題的重要性是 十分突出的 它在國民經濟發(fā)展中占有舉足輕重的地位 國內外技術人員十分重視磨損 基本理論研究 最終目的是防止和減少磨損 磨損是材料三種主要失效形式之 由于在生產生活中存在的廣泛性 給國民經濟 帶來的損失極其巨大 如美國1 9 8 1 年公布的數(shù)字 每年由于磨損而造成的損失高達1 0 0 0 億美元 其中材料消耗約為2 0 0 億美元 相當于材料年產量的7 前蘇聯(lián)由于磨損造 成的損失 每年約為1 2 0 1 4 0 億盧耐 前聯(lián)邦德國技術科學部估測 磨損造成的損失每 年達1 0 0 億馬克 據(jù)估計 僅磨粒磨損每年就使工業(yè)國家損失國民生產總值的1 4 磨粒磨損在整個磨損中占5 0 那么粗略的估計 磨損給工業(yè)國帶來的損失可達國民 生產總值的2 8 在我國 磨損也造成巨大的損失 據(jù)1 9 8 1 年對五個工業(yè)部門的估算 磨損件造成 的鋼鐵消耗即達9 5 萬噸 其中冶金礦山4 5 萬噸 采煤1 3 萬噸 發(fā)電站1 3 萬噸 建材 丁 k 1 2 萬噸 農業(yè)機械1 2 萬噸 6 1 在設計和制造設備與機械零件時 能否將零件的表面硬度作為機械設備可靠性和機 械零件使用壽命的判據(jù)呢 4 0 年代 蘇聯(lián)m m xpy 1 1 1e b 用x 4 b 磨損試驗機對幾 十種材料的耐磨性進行了研究 他所提出的金屬材料原始硬度與耐磨性的關系 磨料硬 度和材料硬度比值與材料耐磨性的關系 證明了硬度高的材料其耐磨性能好 他的試驗 裝置 實驗技術和結果直到今天還是從事磨損研究人員的理論與實驗技術的基礎 5 0 年代美國的h s a v e y 6 0 年代英國的r c d r i c h a r d s o n 和美國的j l a s s e n b a r s s 也都進行了這方面的研究 而且注意到零件表面的磨后硬度對材料耐磨性的影響 美圍 e r a b i n o w i c z 提出了磨損的簡化模型和數(shù)學表達式 他們都認為材料的硬度或磨后硬度 足判斷材料耐磨性最重要的參數(shù) 材料硬 j f j 韌性差 存某種程度t 提高了零件耐縻r 上 似不能確保機械設備的安全運 行 7 0 年代 聯(lián)邦德1 1 日z u m g a h r 根抓斷裂力學模恥汁賃 丁臨界載荷與磨損表而硬度 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 磨粒尺寸 摩擦系數(shù) 材料斷裂韌性及有利于裂紋擴展的組織參數(shù) 平均自由程等參 數(shù)的關系 美國c l i m a x 鉬公司也進行了這方面的研究 他們測定t j l t 種鑄鐵材料的 k 值 發(fā)現(xiàn)鑄鐵這類脆性材料要根據(jù)零件服役和丁況條件來定 所以到目前為止還只 能定性的說 在保證零件玎i 斷裂的條件下 提高零件材料的硬度能在一定程度l 二提高 耐磨性州 西德大眾汽車公司s a n t a n a 汽車和日本日立粉末冶金 株 汽車閥座材料小 添加有c r m o c o n i v w 等合金元素 并在基體中彌散分布著金屬化合物作為 硬質相 經試驗發(fā)現(xiàn) 硬質點的含量越高 耐磨性越好 l 目前我國尚缺乏全面統(tǒng)計的數(shù)字 但各方而的報導表明 由于我國技術水平的限制 材料耐磨性較差 我國大景基礎零件的磨損壽命普遍大幅度低于國外先進產品的水i h 多數(shù)機械零件壽命 甚至許多整機壽命 比國外同類產品使用壽命低一倍 有的竟低十 倍 因磨損使精度下降 報廢的設備數(shù)量也很驚人 因此直接間接的經濟損失也是十分 驚人的 對于材料耐磨性 我國也進行了大量的研究 文獻 9 便研究了粉末冶金材料的耐磨 性能與材料的碳含量 密度 加添的合金元素 潤滑條件等因素的關系 文獻 1 0 1 通過 對摩擦磨損過程中馬氏體相變的研究得出了摩擦誘發(fā)馬氏體相變有利于提高材料的耐磨 性 文獻 11 對碳含量o 8 2 2 9 4 的f e 2 0 c r 合金進行了8 0 0 c 下的高溫磨損試驗 得 出結論 增加碳含量將有益于提高8 0 0 下材料的耐磨性 1 4 粉末冶金技術在耐磨材料上的應用 由于零件實際的服役條件 失效方式是比較復雜的 為了使材料的機械性能很好地 滿足零件的丁作要求 必須全力找出零件的主要失效抗力指標作為解決矛盾的主要依 據(jù) 根據(jù)上述情況 不可能配制出一種能在各種不同用途中都能使用的通用材料 因此 必須研制出供規(guī)定的具體工作條件下使用的各種不同的材料 以往廣泛采用的 用鑄造 方法制造的耐磨材料的工藝 在許多情況下 對于制造符合特殊工作條件要求的材料是 無能為力的 鑒于以上原因 迫切需要研制新材料 使之滿足需要 而粉末冶金是一種比較理想 的有著很大潛力的材料加工工藝 采用粉末冶金的方法 使問題得到根本的解決 如針織機平而凸輪每分鐘承受三萬多次沖擊和擦過負荷 原用c r l 2 m o v 高速釧 或軸承鋼制造 1 1 l 于形狀復雜 加工費用高 后米試用燒結鋼材料f e c u n i c 合金 密度為70 9 c m 3 熱處理后硬度為4 2 h r c 經過近4 年裝機對l l p e j ij 試驗 i 附魔性 能 j c r l 2 m o v 的豐1 司 也就是說川 f 通燒結鋼可以獲得 j 優(yōu)質模jl 鍆相i f r d 的使川性能 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 如果采用更好的燒結鋼材其使用性能將更為優(yōu)良 南京理 t 大學材料系研制了摩托車零什用g l 9 0 粉末冶金鋼 測定了其力學性能 顯微組織與密度 回火溫度的關系 結果表明 密度大于6 9 0g c m 3 的粉末冶金鋼在可 控氣氛下淬火 低溫回火后 組織為細板條馬氏體 具有最侍的綜合力學性能 其性能 與日本高強度熱處理粉末冶金鋼h 9 0 相仿 抗拉強度達8 9 0 m p a 耐磨性優(yōu)于4 5 已 成功地用g l 一9 0 粉末冶金鋼制成金城摩托車傳動軸內 外套異形齒輪 l 廣泛應用的內燃機凸輪軸 國外多采用冷激鑄鐵 凸輪的工作部位系白口鐵 近年 來 日本豐田汽車改用鋼管和粉末冶金凸輪片組合燒結而成 壓制前粉末的組成 為c r 2 5 75 c 27 m n 0 1 3 0 p 02 0 8 c u l 0 5 0 s i 05 2 0 m o o 30 f e 其余 壓 制后密度為6l c m 3 左右 燒結后為76 3g e m 3 由鋼管與粉末冶金i n l 輪組合燒結而成 的空心凸輪軸 不僅降低了重量 2 6 減少了昂貴的磨削加工 而且凸輪的耐磨性 能可提高7 倍 粉末冶金方法是把金屬和非金屬粉末混合物形式的原始材料 壓制成壓坯 在氣體 保護介質中 在低于主要組元熔化溫度的條件下進行燒結 這種方法可以通過成分和孔 隙度的變化來制造零件 填滿潤滑油的孔隙起了貯油器的作用 確保了自潤滑效果 對于在苛刻條件下 在高溫 高速 高壓條件下及腐蝕介質中 工作的軸承 越來 越多地采用基體合金化的方法 因為合金化可提高材料的高溫強度及熱穩(wěn)定性 可提高 材料的耐蝕性和承載能力m l 在添加合金元素 尋找新的合金體領域 元素方程矛 i 還是在添加非金屬元素方面 的進展 1 5 本課題研究的內容和目的 人們開展了大量工作 無論是在添加金屬 人們都開展了較深入的研究 取得了一定 因為鐵基材料原料不稀缺 并且依靠合金化和加入不同的添加劑可以廣泛地影響鐵 基材料的性能 因此鐵基材料是應用最普遍的燒結材料 關于合金元素對粉末冶金材料耐磨f 生的影響 一般認為與鑄鍛鋼中的作用一樣 正 因為如此 有關這方面的文獻報道很少 并且 有關對粉末冶金材料組織和性能的研究 國內都局限于低碳低合金鋼上 但燒結鐵基材料結構零件通常足以金屬粉末與非金屬粉末的混合物為原料 j n 壓制 成形和嘲4 1 1 燒結制成的 與致密鋼卡h 比 有以下兒個基本特點 1 材料小龠 仃孔隙 孔隙是粉末材料的嘲有特性 孔隙的大小 數(shù)鞋 分前i 顯著 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 地影響粉末冶金材料的機械 物理 化學性能 2 材料組織處于不平衡狀態(tài) 合金元素在燒結溫度下的擴散是固相擴散 擴散 系數(shù)小 很難均勻化 這是燒結材料與熔煉合金 勺一個本質的差別 巾于粉末冶金材料具有以上特點 在燒結過程中形成的組織與鑄態(tài)和鍛壓態(tài)合金的 組織有著明顯的差別 岡而對材料耐磨性有很大的影響 本課題即是在材料摩擦磨損原理及合金化的理論基礎之上 在f e c c u 基粉中以普 通混合技術方法復合添加 n i m o n i w m o w 等合金元素 以提高基體 的強度及耐磨性 通過壓制 燒結及淬火 低溫回火等工藝制造尺寸為7 m mx1 0 m m x 2 8 m m 的試樣 測定了它們的密度 硬度及耐磨性 討論耐磨性與硬度 合金元素 金 相組織 密度及熱處理工藝等之間的關系 本文對鐵基粉末冶金材料的耐磨機理進行研 究 為研制耐磨材料作了初步探索 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 2 1 合金化理論 第二章實驗原理及方法 對于提高燒結鐵基材料的力學性能 合金化是一條重要途徑 2 1 1 鐵基材料中添加合金元素的特性 在鐵基粉末冶金材料中添加合金元素 由于提高了基體的硬度及產生硬質相 故可 以提高材料的耐磨性能 發(fā)展鐵基粉末冶金的合金系統(tǒng)時 必須考慮到下列兩個因素 1 粉末或粉末壓坯的比表面積很大 它可能比同體積的致密材料大幾個數(shù)量級 因而使它們對燒結氣氛的影響十分敏 感 最普遍的是燒結時氧化 若添加的合金元素的金屬 金屬氧化物平衡常數(shù)低于燒 結氣氛的氧勢 則添加的合金元素將近全部被氧化 這通常對燒結材料的力學性能有重 大影響 正是這個因素限制了可用于燒結鐵基材料的合金元素的種類 若不掌握巧妙的 合金化技術 沒有合適的燒結設備和燒結方法 普通鋼中普遍使用的一些合金元素 例 如釩 鈦 硅等 是無法用于燒結鐵基材料的 2 燒結的尺寸變化 燒結純鐵粉或預合金粉壓坯時 燒結件的尺寸會發(fā)生變化 一般說來 燒結合金化 時 尺寸變化較大 對于不同的合金元素 引起的尺寸變化不同 在選擇燒結鐵基材料 的合金元素中 這雖不是一個決定性的因素 卻是一個極為重要的因素 2 1 2 合金元素的選擇 本實驗使用分解氨作為保護氣氛 那么就需要考慮哪些合金元素的氧化物可以被氫 氣還原或在爐子的高溫區(qū)和冷卻區(qū)不被進一步氧化 根據(jù)金屬活動順序表可知 常用化 學元素與氧的親和力以下列順序減弱 a l t i v s i m n c r h m o w f e n i c o c u m o w f e n i c o c u 等與氧的親和力較小 可以被氫氣還原 而a l v s i m n c r 等與氧的親和力火 在普通的燒結氣氛中很難被還原 小實驗采j 1 j 元素粉混合法制取燒結鋼 所以要求合金元素具有低的對氧的親和力和 較高的在鐵巾的擴敞能力 常j f 合金元素在鐵巾擴散能力列于表21 1 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 表2 1 1 合金元素在鐵中的擴散能力 合金元素 c uc on if ewm oc rm ns i 1 0 0 0 時在奧氏佛 一 擴散系數(shù)比 10 50 5l4 52 5l d d m 1 0 0 0 氧化物的 一1 5 52 7 22 5 l一3 5 6 2 7 2 3 1 45 4 45 8 6 6 7 8 標準自由能 k j 合金元素m o w 等添加到鐵基粉末冶金材料中 盡管沒有得到充分擴散 但其周 圍的組織卻有變化 添加c u 由于固溶強化效果使珠光體及鐵素體的硬度債較不添加的 高 添加的h v 2 3 7 3 5 1 和1 7 5 2 1 0 不添加的分別為h v l 2 0 1 9 6 和1 4 3 1 5 1 1 9 1 也使 材料的硬度得到提高 因而提高了耐磨性能 銅在鐵基材料中除有很好的固溶強化的作用外 還能引起活化燒結 因此有利于提 高材料的密度和強度 并能改善材料的抗腐蝕性 抗氧化性能 另外 加入低含量的銅 還能減少制品燒結時收縮變形 有利于提高制品的幾何精度 銅的熔點低 在普通的燒 結溫度下可以產生液相燒結 改善合金元素的擴散性 所以粉末鋼中也選擇銅作為常用 的合金元素 基于以上考慮 在普通的氨分解氣氛中燒結粉末鋼時 本實驗選擇了c u n i w m o 以提高鐵基粉末合金鋼的使用性能 2 2 試樣制各 2 2 1 原料 金屬粉末是粉末冶金的原料 其性能與制造過程和粉末冶金制品的性能密切相關 因此 嚴格控制金屬粉末的性能是十分重要的 本試驗所采用的原料見表2 2 1 表2 2 1 原料粉末的純度和粒度 粉末純度 粒度 日 霧化鐵粉 9 9 6 1 0 0 鉬粉 9 9 8 2 0 0 鎳粉 9 98 3 0 0 鎢粉 9 98 2 0 0 i 乜解銅粉9 9 6 2 0 0 一 粉 9 96 2 0 0 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 2 2 2 試樣制備 本試驗以f e c c u 為基粉 然后混合添加合金元素n i w m o 粉 制備成分為f e 一 14 c 一5 c u 一25 n i 一2 5 m o f e 一14 c 5 c u 一25 n i 一25 w f e 14 c 5 c u 2 5 m o 一25 w 的試樣 2 2 2 1 原料的混制 根據(jù)試樣的含碳量的要求 在混料時按下式配碳i g g 總 o f d k c f e 式中g 一添加石墨量 g 總一制品要求的總碳量 o f r 鐵粉的含氧量 k 一氧碳比 即鐵粉中所含的氧在燒結時消耗的碳量 在1 0 0 0 c 的燒結溫度下約為l5 4 c 一鐵粉的含碳量 對于粉末的壓制成形和脫模都需要有效的潤滑系統(tǒng) 通常是將潤滑劑混合于金屬粉 末當中 本實驗采用硬質酸鋅作為潤滑劑 因為潤滑劑的存在會影響粉末的流動性和松 裝密度 添加量對它們的影響見表2 2 2 1 從表中可以看出 粉末的松裝密度隨著潤滑 劑的加入量增多起初是增大 當潤滑劑加入量達到某一臨界值后再增加時 松裝密度減 小 顯然 加入適量的潤滑劑有助于粉末的填充 另外 過多的加入潤滑劑將減少粉末 顆粒之間金屬與金屬的接觸 降低生坯強度 所以通過實驗決定在粉末中加入0 8 的 硬質酸鋅 表2 2 2 1潤滑莉酬彩r 流動性和松裝密度的影響 粉末潤滑劑加入量 松裝密度 g e m 3 流動性 s 5 0 9 還原鐵粉 2 3 62 6 052 5 73 0 l02 5 73 4 152 5 14 8 霧化鐵粉 2 4 02 8 0 52 7 53 3 1 02 7 33 6 152 6 35 2 碩士論文燒結鋼組織及耐壁 性的研究 2 2 2 2 混合 混合的目的是使性能不同的組元形成均勻的混合物 以利壓制和燒結時狀態(tài)均勻一 致 混合一般是在密閉容器中進行 混合時間根據(jù)不同粉料和設備 有的1 0 分鐘左右 就夠了 有的幾十個小時還不均勻 一般來說 混合時間長并不好 因為它將使粉末產 牛加t 硬化 或改變了粒度分布及顆粒形狀 不利于壓制性 對于鐵 銅之類的軟金屬粉末 因其容易加工硬化 故不宜采用強烈的混合 常采 用的混料機有雙錐型 y 型或v 型 本試驗采用合金粉和鐵粉直接混合的方式 在小型v 形混料器中進行混粉 混料 器轉速2 5 3 0 轉 分 混合時間為1 小時 2 2 2 3 壓制 壓制是按一定的單位壓力 將裝在型腔中的粉料 集聚成達到一定密度 形狀和尺 寸要求的壓坯的工步 壓制成型時采取定量容量法 將混合料裝入已設計好的鋼模內 在1 0 0 噸壓機上將 混合料壓制成密度為6 5 9 c m 3 6 9 9 c r n 3 及7 1 7 3 9 c m 3 的金相試樣 由于試樣形狀簡單 厚度小 所以采用單向壓制方式 金相試樣尺寸為7 m m l o m m 2 8 m m 2 2 3 燒結 燒結即金屬粉末的壓坯 在低于基體金屬熔點下進行加熱 粉末顆粒之間產生原子 擴散 固溶 化合和熔接 致使壓坯固結 金屬化的過程 燒結與混粉 成型一樣重要 是粉末冶金最基本的三道工序 缺一不成其為粉末冶 金 在推桿式燒結爐中燒結 預燒結溫度8 0 0 c 保護氣氛為分解氨 燒結溫度為1 0 8 0 保溫2 小時 試樣在燒結爐中的冷卻在預冷帶和水套冷卻帶二部分來完成 本試驗 預冷帶溫度在1 1 0 0 由o o 時間為o5 小時 進入水套冷卻帶時 以2 1 5 j 時的速度 連續(xù)冷卻 2 2 4 熔滲 j t 2 0 0 目的電解銅粉作為熔滲劑 加o8 的硬質酸鋅 均勻混合 放往與骨架棚 i 司的壓模內臟制成形 對于每一種零什 根抓所需要的最終密度來確定熔滲荊的巫壁 熔滲劑的重攝由下式確定i 1 碩士論文燒結鋼組織及耐鹿 性的研究 q v 1 一p l p2 p3 s 式中q 熔滲劑重量 克 v 一骨架體積f 厘米 p 一骨架的實際密度 克 厘米3 1 p 骨架的理論密度 克 厘米3 pr 1 4 右滲劑的理論密度 克 厘米3 s 一修正值f 一般取0 9 1 0 熔滲銅溫度l1 2 0 在推桿式燒結爐中進行 2 2 5 熱處理 熱處理是提高鐵基制品 特別是鐵基燒結零件機械性能的有效方法之一 但由于粉末冶金制品與鋼鐵零件的最重要的區(qū)別是 存在大量的孔隙 以及合金元 素的擴散不均勻性對鋼的加熱奧氏體化溫度都有影響 所以在選擇熱處理方式時 必須 考慮到粉末冶金制品的這些特點 本實驗奧氏體化溫度選擇為9 0 0 c 保溫時間o 5 小時 于可控氣氛熱處理爐內淬 火 淬火介質為1 0 機油 回火溫度2 0 0 c 2 3 顯微分析 2 3 1 金相組織觀察 粉末冶金材料性能的好壞 除了與化學成份有關外 還與燒結材料的組織密切相關 因此 檢驗其組織結構是非常必要的 通過金相檢驗 可以測定燒結金屬材料的晶粒大小 組織特征 孔隙狀況 各種非 金屬夾雜物的數(shù)量 形態(tài)和分布 以及燒結缺陷 此外 對于熱處理的燒結結構材料 還可以觀測其組織結構 2 3 1 1 金相試樣制備 選取垂直于壓制方向的零件剖面作為金相磨面 首先 經砂輪將被測部位粗磨成平 面后用金相砂紙磨制 拋光 由于粉末冶金制品存在較多的孔隙 拋光后的試樣須用清 水沖洗 滴上酒精 用冷風吹干 采用2 3 的硝酸酒精或o5 的硝酸酒精 5 的苦 昧酸灑精溶液浸蝕 浸蝕后 浸蝕液必須j 玎清水沖凈 避免浸蝕液進入孔隙污染基體 影響顯微組織觀察 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 2 j 1 2 金相組織觀察 金相組織觀察使用o l y p u s 金相顯微鏡 2 3 2 磨痕形貌s e m 顯微分析 將磨損后的試樣存 i s m 一6 3 0 0 掃描電鏡下觀察磨痕形貌 2 4 物理 力學性能測試 2 4 1 密度測量 因為試樣規(guī)則 可用精度為萬分之一克的分析天平測出重量 并用千分尺測出它們 的長 寬 高的尺寸 計算出密度 2 4 2 表觀硬度和顯微硬度 1 表觀硬度 多孔性材料硬度的偏差范圍較大 這種影響是由于壓頭壓入孔隙或孔隙群造成的 當壓頭作用于材料的金屬基體 實體 與孔隙的復合體上 測得的硬度值一般低于同樣 成分的鑄鍛材料 但這并不意味著其使用性能低于相應的鑄鍛材料 燒結材料的這種 硬度稱為表觀硬度 表觀硬度并不是材料基體的硬度 測定硬度時 取五個硬度一致的讀數(shù) 廢棄任何偏高或偏低的數(shù)值 2 1 顯微硬度 燒結材料基體的硬度是粉末冶金材料的真實硬度 它是用顯微硬度計測定的 通常鋼材淬火后 硬度多用h r c 表示 對于一般燒結金屬材料來說 淬火后硬度 達不到5 5 6 5 配 這也是由于材料中含有孔隙的緣故 這時用維氏硬度計測定材料基 體的硬度比較合適 用h x 1 0 0 0 型顯微硬度計測量顯微硬度 加載1 0 1 0 0 9 保持1 0 秒 對每種試樣 的不同組織分別測五個硬度值 取平均 2 5 耐磨性能測試 用大越式磨損試驗法測定試樣的比磨損量w s 其原理如圖2 1 所示 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 d 圖2l 大越式磨損實驗原理圖 比磨損量公式 w s b b 3 8 r p l 式中 一試樣寬度 r a m 蝴痕寬度 r a m 卜 圓環(huán)半徑 n u n 嘲荷 k g l 一磨損距離 h u n 試驗所用設備為m m 2 0 0 型磨損試驗機 試驗條件為 對偶標準圓環(huán)材料為c r l 2 直徑為4 0 r a m 6 0 6 4 h r c 載荷肛5 k g 轉速v 2 0 0 轉 分 千磨 磨損時間為6 0 分鐘 尊 一 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 第三章燒結鋼組織研究 只川一組成分不能滿足對材料性能日益增長的要求 研究表明 在鎳鋼中復合加 入合金元素后性能較單一加入合金元素的性能好 如 c 1 4 c 一5 c u 一2 n 卜0 5 m o 粉末鋼 合金含量只有f e 一1 4 c 一5 c u 一5 n i 的 半 但滲銅后試樣硬度達4 8 2 8 1 r c 如圖3 1 所 示 這表明兩種合金元素復合加入時的強化作用不是累加的 較單一元素的作 3 要 大 所以 本章利用復合合金化技術 研究復合添加 n i n i w 和 m o w 對 f e c c u 合金的物理和機械性能的影響 圖3 1 鎳 鉬 鎳鉬p i 鋼的性能比較 3 1 實驗結果 3 1 1 顯微組織觀察 以f e 1 4 c 5 c u 為基粉 然后分別復合添加合金元素 n i m o n i w m o w 各配料組分含量如表3 1 1 所示 將三種配料一次壓制燒結成密度為6 5 9 c m 3 及復 壓復燒成密度為7 卜7 3 9 c m 3 的試樣 在推桿式燒結爐中 于1 0 8 0 c 燒結 復壓復燒預 燒結溫度8 0 0 c 保護氣氛為分解氨 保溫2 小時 將部分燒結試樣進行熔滲銅處理 熔滲溫度為11 2 0 最后將燒結試樣進行9 0 0 淬火 2 0 0 低溫回火處理 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 表3 1 1 各試樣的組分含量 f ecc un im o w f e c c u ni m o 余量1 4 52 5 2 j f j e c c u ni w 余量 1 4 r 02 52 5 j o c c u m o w 余量 1 452 52 5 表3 1 2 為f e c c u n i m o 合金鋼顯微組織及組織的顯微硬度 表3 1 2f e o 曲l n i m o 顯微組織的相對量及其顯微硬度 顯微硬度 l 材料熱處理工藝區(qū)域 h v 片狀組織 3 1 3 針狀組織6 9 8 富鎳 鉬的白色區(qū)域 1 6 3 壓制 燒結 p 邊緣的網(wǎng)狀物及心 部的條狀物 9 4 6 孔隙 0 針狀的回火馬氏體 7 1 l 壓制 燒 白色的殘余奧氏體 2 2 4 f e c c u n i 結 淬火 顆粒界和孔隙處的不 1 0 1 0 m o 低溫回火 規(guī)則的白色塊狀物 孔隙 o 片狀組織2 9 7 針狀組織6 0 9 p 邊緣的網(wǎng)狀物9 5 3 滲銅7 顆粒界和孔隙處的不 規(guī)則的白色塊狀物 1 0 1 0 游離銅1 5 l 孔隙 o 圖3 1 1 圖3 1 8 是不同密度 不同成分合金試樣經燒結 熔滲銅 淬火 低溫 回火后的金相組織 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 圖3 1 1 密度為6 5 9 c m 3 的f e c c u n i m o 合金 的顯微組織 2 的硝酸酒精侵蝕 碩士論文燒結塑璺堡壘壁 蘭竺竺墨 一 一 圖3 1 2 密度為6 5 9 c m 的f e c c u n i 胃合金 的顯微組織 2 的硝酸酒精侵蝕 7 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 圖3 1 3 密度為6 5 9 c 帕3 的f e e 屯l m o w 合金 的顯微組織 2 的硝酸酒精侵蝕 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 圖3 1 5 密度為6 9 9 c m 3 的f e 吒 c u m o 一耳合金 的顯微組織 2 的硝酸酒精侵蝕 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 圖3 i 6 密度為7 2 9 c m 3 的f e c q l n i 一 合金 的顯微組織 2 的硝酸酒精侵蝕 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 l l l i i 圖3 1 7 密度為7 2 9 c m 3 的f e u n i 呷合金 的顯微組織 2 的硝酸酒精侵蝕 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 圖3 1 8 密度為7 2 9 c m 的f e c c u m o w 合金 的顯微組織 2 的硝酸酒精侵蝕 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 3 1 2 物理 力學性能 表 1 3 為粉末合金鋼燒結 熔滲锏及熱處坪態(tài)卜的性能 表3 1 3粉末合金鋼的性能 密度 g c m 3 硬度 淬火 低 熔滲銅 利判 燒結熔滲燒結態(tài) 熔滲錒溫叫火 淬火 低 人 锏 1 i r 溫叫火7 臥 t r c 1 i k c i e c c u 一 i m o6 4 87 1 28 9 4 j 2 m2 9 83 8 6 l o c c u 一 i w6 4 97 1 37 6 98 4 5 t t r b2 9 7 j 8 1 i o c c u m ow6 4 97 2 j7 7 38 8 3 l l k b3 2 14 0 5 l o c c 1 3 一 i w6 8 88 5 2 1 9 0 f e c c u i o w6 9 38 5 54 2 f e c c u n f m o7 i i7 3 41 0 2 63 8 5 1 t r c4 4 74 6 2 1 2 0c c u 一 i w7 1 87 4 29 0 82 3 2 h r c4 3 04 7 6 f e c c u m o w7 2 47 5 09 0 81 9 1 t r c4 7 84 9 6 從表313 可以看出 1 在燒結態(tài)下 復合加入n i m o 的粉末合金鋼的硬度最高 這是因為組織中出現(xiàn)了大量的硬質相貝氏體 而淬火 低溫回火態(tài)下加入m o w 的粉 末合金鋼的硬度最高 這是因為f e c c u m o w 合金鋼中的回火馬氏體量最多 且馬 氏體針比較細小 2 加入m o w 的粉末合金鋼密度最大 是因為鎢的比重大的緣故 3 熔滲銅后的粉末合金鋼的硬度都有所提高 尤其是f e c c u n i m o 燒結熔滲銅態(tài) 的硬度 與熱處理態(tài)的硬度相當 滲銅熱處理態(tài)的硬度比熱處理態(tài)的硬度也有大幅度的 提高 3 2 粉末合金鋼的顯微組織分析 燒結鋼金稈1 可以看成是雙斗1 j 組織 即由承受載荷的 母材 卡訂和不能承受載荷的 氣 稈f 兩卡h 所組成 對于f j 材捌 1 合金元素分前j 均勻時 其盒十 組織 j 斂搿鋼材完全一樣 而當介 金冗素5 4 t i 4 均勻州 可以 現(xiàn)復雜的金十l l f f l b i q 符組織細成物形貌年 金1 1 i f r t f f v j 絲微硬 延水確j 邑斥榭料的組織細成物 3 2 1f e c c u n i m o 合金的顯微組織 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 3 2 1 1f e c c l l n i 合金燒結態(tài)的顯微組織 圖3 1 i a 為i e c 弋u n i m o 合金燒結態(tài)的顯微組織 由以下兒部分組成 白色 基體 卜有孔隙 細片狀組織和沿其邊緣分布的白色網(wǎng)狀物及晶粒內的塊狀物 大而積 的針狀組織 從組織組成物形貌和分布及熱處理工藝可以初步認為 1 片層狀組織為珠光體 2 大面積的針狀組織 粗細不均勻 由形貌和顯微硬度可以判斷為貝氏體 3 門 色基體為難以腐蝕的軟質組織 為富鎳 鉬的奧氏體 4 珠光體邊緣分布的網(wǎng)狀物及 晶粒內及空隙邊緣處的白色塊狀物 因為硬度值很高 判斷為合金滲碳體 這是因為鐵 粉顆粒和鉬粉顆粒與石墨接觸處可以直接進行合金與碳的相互作用 結果形成游離的合 金滲碳體 5 孔隙和石墨 所以 r e c c u n i 一 1 0 合金燒結態(tài)的顯微組織為 珠光體 貝氏體 奧氏體 合金滲 碳體 孔隙 3 2 1 2f e c c 刪i 1 0 合金熱處理態(tài)的顯微組織 燒結鋼經淬火 回火后金相組織與冶煉鋼有相似之處 但同時也存在著粉末冶金工 藝所特有的金相組織形態(tài) 燒結鋼淬火組織中可以獲得不同的馬氏體形態(tài) 隨著鋼中含碳量的降低 馬氏體 可以是針狀 針狀 板條狀 板條狀 而針狀馬氏體的粗細則與淬火溫度有關 一般說 來 高溫淬火得到的馬氏體粗大 低溫淬火所得的馬氏體細小 燒結鋼的回火組織與冶煉鋼也是相似的 為均勻分布的針狀回火馬氏體 殘余奧 氏體和孔隙 圖3 1 1 b 為f e c c u n i m o 燒結試樣9 0 0 c 淬火 2 0 0 回火的顯微組織 其顯 微組織中有四種組織組成物 1 t 狀組織 2 白色的孤立分布的組織 3 顆粒邊 界和孔隙處的不規(guī)則的白色塊狀物 4 孔隙和石墨 從形貌和熱處理工藝及顯微硬度可以判斷 針狀的組織為回火馬氏體 白色的孤 立組織為殘余奧氏體 顆粒和7 l 隙處的不規(guī)則的白色塊狀物為合金滲碳體 剩余的為孔 隙和石墨 所以 i o c c u n 1 m o 合金熱處理態(tài)的組織為 回火馬氏體 奧氏體 合金滲碳體 孔隙 石墨 i l l 于粉末鋼 1 i 存托大量的孔隙 抱f 1 常規(guī)的燒結溫度和保湍時問小足于使合金元 素充分擴散 以至于影響了鋼的淬透性和淬硬性 所以f 七一cc u n i f 0 試樣柏 奧氏 木化 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 溫度下鎳擴散很不充分 富鎳區(qū)奧氏體的穩(wěn)定性很強 淬火時未發(fā)生轉變保持到室溫 使得材料的表觀硬度下降 3 2 1 3f e 伽u n i m o 合金熔滲銅態(tài)的顯微組織 圖3 1 1 c 是f e c c u ni m o 合金燒結熔滲銅的顯微組織 其組織與燒結態(tài)的 組織相比 組織較為均勻 孔隙數(shù)量減少且孔隙變得圓滑 f e c c u n i m o 合金熔滲銅態(tài)的顯微組織有 1 黑色團狀物 2 針狀組織 3 白色塊狀組織 4 沿針狀組織顆粒及黑色團狀物邊緣呈網(wǎng)狀分布的白色組織 在顯微 鏡下觀察呈黃色 5 孔隙和石墨 結合顯微硬度值來判斷f e c c un im o 合金熔滲銅后的顯微組織 可以得出結論 黑色團狀物為片層狀的珠光體組織 針狀的組織為貝氏體 白色條塊狀物為富合金的滲 碳體 顯微鏡下觀察呈黃色的為游離銅 圖3 1 1 d 是f e c c u n i m o 合金滲銅熱處理的顯微組織 1 淬火前為貝氏 體的組織 淬火后為粗大的針狀馬氏體 2 還有大量的殘余奧氏體 3 淬火前為珠 光體的區(qū)域 經淬火 回火后轉變?yōu)榧氠槧畹幕鼗瘃R氏體 4 而該區(qū)域條塊狀的滲碳 體 在奧氏體化溫度下也未全部溶解 保持到室溫 5 游離銅填充于連通孔隙中 以 斷續(xù)網(wǎng)狀的形式存在 6 封閉的孔隙及石墨 3 2 2f e 弋 c u n i w 合金的顯微組織 3 2 2 1f e 川u n i w 合金燒結態(tài)的顯微組織 圖3 1 2 a 為f e c u n i w 合金燒結態(tài)的顯微組織 從中可以看出f e c c u n i w 合金燒結態(tài)的組織較不均勻 金相中既有細小的珠光體 也有粗大的珠光體 白色基體 為富合金的奧氏體 深度腐蝕可見奧氏體區(qū)域的邊沿有針狀的組織 由形貌和顯微硬度 可以判斷為貝氏體 白色塊狀物 從分布及硬度值上判斷為富合金的滲碳體 孔隙 f e 吒 c u n 卜 合金中的富合金滲碳體的數(shù)量較多 這是因為混粉時鎢粉的結聚成 塊 以及燒結時擴散不均勻造成的 與其它試樣相比 相同溫度下 w 在y f e 中的擴 散系數(shù)較小 i f 3 9 1 0 1 2 在y f e 中的擴散速度慢 溶解度也小 另外w 是強碳 化物形成元索 當以碳化物的形式存在時 固定了一部分w 和碳 相對地降低了奧氏體 中碳和鎢的真正有效含量 3 2 2 2f e c c u n i w 合金熱處理態(tài)的顯微組織 圖 2 b 為f e 弋 c u n i w 合金鋼熱處理態(tài)的顯微組織 針狀的 叫火馬氏體 r i 色塊狀的合金滲碳體 少量的殘余奧氏體及孔隙組成 碩士論文燒結鋼組織及耐磨性的研究 f e c c u n i w 合金熱處理后馬氏體針較粗大 3 2 2 3f e 弋弋u n i w 合金熔滲銅態(tài)的顯微組織 圖3 1 2 c 為f e c c u n i w 熔滲銅態(tài)的顯微組織 f e 七一c u n i w 熔滲銅組織組成 物與i e c 弋un 卜m o 合金熔滲銅后的組織相似 黑色團狀物為片狀的珠光體組織 白色 條塊為富合金的滲碳體 針狀的組織為貝氏體 顯微鏡下觀察呈黃色的為游離銅 f e c c u n i w 熔滲銅組織中珠光體含量較多 而硬質相貝氏體的含量較少 f e 卜c u n i w 滲銅熱處理后的回火馬氏體針較細小 因為淬火前的組織中珠光體 含量較多 因而淬火后轉變?yōu)榧氠槧畹幕鼗瘃R氏體 3 2 3f e c c u m o 謂合金的顯微組織 3 2 3 1f e c c l m 0 w 合金燒結態(tài)的顯微組織 圖3 1 3 a 為f e c 屯u m o w 合金燒結態(tài)的顯微組織 由以下幾部分組成 1 片 狀組織 由形貌和顯微硬度可以判斷為珠光體 2 針狀組織 由形貌和顯微硬度可以 判斷為貝氏體 3 珠光體晶粒內及孔隙邊緣處的白色塊狀物 從分布及硬度值上判斷 為合金滲碳體 4 孔隙 因為f e c c u m o w 合金燒結態(tài)時珠光體含量較多 而硬質相貝氏體含量較少 燒 結硬度為7 7 3 h r b 較f e 噸 c l 卜 劃i 一 燒結態(tài) 8 9 4 h r b 的硬度