高翔，袁勇，張德金，李威，藺瑞冬，崔建民，羅豐華,

(1. 中南大學(xué) 粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 萊蕪鋼鐵集團(tuán)粉末冶金有限公司，山東 萊蕪，271105)

近年來(lái)，粉末冶金零件的生產(chǎn)和應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注，這與新的合金鋼粉末的開(kāi)發(fā)是分不開(kāi)的[1-2]。用霧化法生產(chǎn)的預(yù)合金粉末中的合金元素分布均勻，且用其生產(chǎn)的燒結(jié)材料具有均勻的顯微結(jié)構(gòu)[3]，因此，預(yù)合金化粉末冶金低合金鋼粉得到了廣泛的應(yīng)用。Ni，Mn，Cr和Mo等合金元素是常用的低合金鋼粉的預(yù)合金化元素，這些合金元素的加入可以增加鋼的力學(xué)性能和淬透性[4-6]。但大量合金元素的加入會(huì)降低鐵粉的壓縮性[7]，從而使燒結(jié)后的合金難以達(dá)到高密度水平，因此，需要在盡可能少地加入合金化元素的前提下，使粉末冶金鋼具有較高的力學(xué)性能。通常，粉末冶金鐵基零件的力學(xué)性能主要受密度、合金元素含量及組織特征等3個(gè)方面的影響，在其他條件不變的情況下，密度是一個(gè)關(guān)鍵因素?？梢蕴岣叻勰┮苯鹆慵芏鹊姆椒ㄓ校簭?fù)壓復(fù)燒、溫壓成形、粉末鍛造、高速壓制以及滲銅等[8-9]。復(fù)壓復(fù)燒即將鐵基粉末在400～500 MPa壓力下進(jìn)行壓制，于780～850 ℃預(yù)燒，然后在600～900 MPa壓力下進(jìn)行復(fù)壓，根據(jù)材料的成分及性能要求選擇在1 100～1 200 ℃燒結(jié)[10-12]?？梢钥闯鰪?fù)壓復(fù)燒不需要增添新的設(shè)備，技術(shù)難度不大，工藝過(guò)程比較容易控制，且質(zhì)量比較穩(wěn)定，適合于大批量生產(chǎn)。這種方法的主要缺點(diǎn)是工序增加導(dǎo)致成本增加。但是，可以在預(yù)燒結(jié)后進(jìn)行機(jī)械加工，略降低加工成本[13-15]。LAP100.29A2粉是萊蕪鋼鐵集團(tuán)粉末冶金有限公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的含Ni，Mn，Cr和Mo等合金元素的低合金鋼粉。由于其加入的合金元素總量較少，對(duì)合金鋼力學(xué)性能的提高作用不大，并且壓縮性也不高，因此，有必要提高其密度來(lái)增加其力學(xué)性能。為此，本文作者研究復(fù)壓復(fù)燒工藝和C含量對(duì)該粉末冶金制品組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

基礎(chǔ)粉末LAP100.29A2(簡(jiǎn)稱(chēng)為A2)預(yù)合金鋼粉的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：C，≤0.01%；Si，≤0.05%；Mn，0.29%；P，≤0.02%；S，≤0.015%；Cr，0.18%；Ni，0.51%；Mo，0.51%；Co，0.31%；Cu，0.24%；其余為鐵。該粉末的物理性能見(jiàn)表1。

配制了3種不同C含量的鐵基合金粉末，即：A2+0.8%石蠟+0.6%硬脂酸鋅；A2+0.8%石蠟+0.6%硬脂酸鋅+0.4% C和A2+0.8%石蠟+0.6%硬脂酸鋅+0.8% C，其中C元素時(shí)以石墨的形式加入的，其灰分和揮發(fā)分分別為 1.0%和 1.5%。將混合粉末在滾筒式混料機(jī)中混合6 h，再分別采用普通壓制-燒結(jié)法和復(fù)壓復(fù)燒法制備燒結(jié)合金。具體做法為：(1) 普通壓制-燒結(jié)法：將混合粉末在不同壓力下經(jīng)模壓成形后，在鉬絲爐中氫氣氣氛下燒結(jié)：壓制壓力分別為 400，600和 800 MPa，燒結(jié)溫度為1 120 ℃，保溫30 min后推入水冷區(qū)冷卻25 min出爐。(2) 復(fù)壓復(fù)燒法：將混合粉末在400，600和800 MPa 3種壓力下壓制成形，在800 ℃氫氣氣氛下預(yù)燒30 min后推入水冷區(qū)冷卻20 min出爐，然后，將預(yù)燒坯分別在400，600和800 MPa 3種壓力下復(fù)壓，在1 120 ℃氫氣氣氛下燒結(jié)30 min后推入水冷區(qū)冷卻25 min出爐。在這2種工藝中，推舟速度都較慢，以使樣品中添加的石蠟和硬脂酸鋅等成形劑能緩慢脫除，燒結(jié)時(shí)樣品埋在氧化鋁填料中并在其上覆蓋一層木炭，因此，燒結(jié)后樣品并沒(méi)有明顯的脫碳，添加 0.4%和 0.8%石墨的樣品化合碳含量分別為0.37%和0.78%。

采用排水法測(cè)量燒結(jié)坯的密度。在 CTM4000電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為 1 mm/min，拉伸試樣為經(jīng)線(xiàn)切割加工出的非比例板狀試樣，試樣的平行長(zhǎng)度部分(即橫截面)為3 mm×3 mm，用細(xì)墨線(xiàn)標(biāo)記20 mm原始標(biāo)距，頭部與平行長(zhǎng)度部分以半徑20 mm的過(guò)渡弧連接。用MeF3A金相顯微鏡觀察顯微組織，金相樣品浸蝕液為3%硝酸-酒精溶液。用JSM-6360LV掃描電子顯微鏡觀察拉伸樣品的斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 合金的密度

圖1所示為以A2為基體粉末，添加3種不同C含量的合金粉末經(jīng)普通壓制-燒結(jié)制備的樣品壓坯和燒結(jié)坯的密度與壓制壓力的關(guān)系。

從圖1可以看出：經(jīng)過(guò)模壓成形后，所得壓坯的密度都較低，在6.45～6.85 g/cm3范圍內(nèi)。3種壓制壓力下，含0.4% C的壓坯密度最高，而含0.8% C的壓坯密度比不添加C時(shí)的還要低。這是因?yàn)樵诨w粉末中添加適量的石墨可以起到潤(rùn)滑作用，有利于減少壓制過(guò)程中壓力的損失，從而可以提高壓坯密度；但由于石墨的密度比鐵的密度低得多，過(guò)多的石墨會(huì)使混合粉末理論密度降低，因而會(huì)降低壓坯的密度。故隨著石墨添加量的增多，合金粉末的壓坯密度先增加后降低。

表1 LAP100.29A2預(yù)合金鋼粉的物理性能Table 1 Physical properties of LAP100.29A2 pre-alloyed steel powder

圖1 普通壓制-燒結(jié)工藝制備樣品的密度與壓制壓力的關(guān)系Fig.1 Density versus compaction pressure for samples prepared by single press/single sinter processing (SP/SS)

經(jīng)1 120 ℃燒結(jié)30 min后樣品的密度有所提升；隨著石墨添加量的增多，燒結(jié)坯的密度有降低的趨勢(shì)；隨著壓制壓力的提升，燒結(jié)坯的密度增加，但密度增加的量是有限的，而且過(guò)大的壓制壓力容易引起模具的急劇損壞和增加操作的危險(xiǎn)性。因此，單純通過(guò)提高壓制壓力的方法來(lái)增加合金的致密度是不可取的。

以A2為基體粉末，添加3種不同C含量的合金粉末經(jīng)復(fù)壓復(fù)燒工藝制得的燒結(jié)坯的密度見(jiàn)表2。

從表 2可知：相比于普通壓制-燒結(jié)法制備的樣品，復(fù)壓復(fù)燒制得的樣品密度都有了較大的提高，例如：添加0.4%C的合金粉末經(jīng)普通壓制-燒結(jié)法制備的燒結(jié)坯樣品密度最大為 7.16 g/cm3，而經(jīng)復(fù)壓復(fù)燒制備的燒結(jié)坯樣品的密度最小值就可達(dá)到7.23 g/cm3，最大為 7.57 g/cm3。且在同一復(fù)壓壓力下，初始?jí)褐茐毫Φ奶嵘兄谧罱K燒結(jié)坯密度的提升。但也有例外，例如添加0.4% C的合金的密度在初始?jí)褐茐毫?00 MPa；當(dāng)復(fù)壓壓力為800 MPa時(shí)，出現(xiàn)最大值。如圖2所示。

表2 復(fù)壓復(fù)燒法制得樣品的密度及拉伸性能Table 2 Density and tensile properties of samples prepared by double press/ double sinter processing (DP/DS)

圖2 復(fù)壓復(fù)燒法制得樣品的密度與壓制壓力的關(guān)系(添加0.4% C)Fig.2 Density versus compaction pressure for samples with 0.4% graphite added prepared by DP/DS

由圖2可見(jiàn)：LAP100.29A2預(yù)合金鋼粉的壓縮性不佳，在添加了石蠟、硬脂酸鋅及石墨后合金的壓坯密度不高，在6.45～6.85 g/cm3范圍內(nèi)。燒結(jié)坯密度在7.05～7.22 g/cm3之間；經(jīng)復(fù)壓復(fù)燒制備的燒結(jié)態(tài)樣品的密度在7.2～7.6 g/cm3之間，達(dá)到了高密度鐵基粉末冶金制品(＞7.5 g/cm3)的要求[16]。因此，可以通過(guò)復(fù)壓復(fù)燒工藝來(lái)制備高密度粉末冶金鐵基合金。

2.2 合金的拉伸力學(xué)性能

采用普通壓制-燒結(jié)法制備的以 A2為基體粉末的3種鐵基燒結(jié)合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及伸長(zhǎng)率，如表3所示。

由表 3可知：由普通壓制-燒結(jié)法制得的樣品強(qiáng)度都比較低，添加C元素的合金伸長(zhǎng)率都很低，即使在不添加C的情況下，伸長(zhǎng)率最高也只有2.29%，若以5%作為塑-脆斷裂的標(biāo)準(zhǔn)，則樣品都為脆性斷裂；隨著C含量的增多，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有所提升，而伸長(zhǎng)率下降，這也反映了C元素增加使低合金鋼強(qiáng)度上升而塑性下降的規(guī)律。

由復(fù)壓復(fù)燒工藝制備的3種合金的拉伸力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可以看出：

(1) 經(jīng)復(fù)壓復(fù)燒后，材料的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率大幅度提高，特別是伸長(zhǎng)率，不加 C時(shí)伸長(zhǎng)率最高可達(dá)16.98%，為延性斷裂；即使是添加0.8% C，合金的伸長(zhǎng)率也比普通壓制-燒結(jié)合金的高。

(2) 隨著C含量的增加，復(fù)壓復(fù)燒制得樣品的強(qiáng)度增加，而伸長(zhǎng)率下降。

(3) 初壓壓力相同時(shí)，合金的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都隨著復(fù)壓壓力的增加而增加。

以添加0.8% C的合金為例，壓制壓力為400 MPa時(shí)，相比于普通壓制-燒結(jié)制備的樣品，復(fù)壓復(fù)燒制得的樣品的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及伸長(zhǎng)率分別增加了37.7%，35.2%和84.4%，如圖3所示。

2.3 合金的組織和斷口形貌

從試驗(yàn)結(jié)果可知：添加C元素的合金雖然燒結(jié)后密度有所下降，但其抗拉強(qiáng)度明顯高于不添加C元素的合金。這可以通過(guò)合金顯微組織中珠光體量的變化來(lái)解釋?zhuān)脧?fù)壓復(fù)燒法(即試樣經(jīng)600 MPa初壓，800 MPa復(fù)壓)制得樣品的顯微組織如圖4所示。

由圖4可以看到合金中組織隨C添加量的變化。當(dāng)合金中添加的C含量由0變化到0.4%再到0.8%時(shí)，合金的顯微組織也由鐵素體變化到鐵素體+珠光體再到基本完全為珠光體。組織中珠光體的量越多，合金的抗拉強(qiáng)度也越高，相應(yīng)的塑性會(huì)降低。因此，隨著C添加量的增加，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提升，而伸長(zhǎng)率下降?？梢钥闯觯涸诤辖痫@微組織中還有一些未溶解的石墨，這說(shuō)明在1 120 ℃燒結(jié)30 min并不能使C完全擴(kuò)散到Fe晶格的間隙中與之形成間隙固溶體。

表3 普通壓制-燒結(jié)法制得樣品的拉伸性能Table 3 Tensile properties of samples prepared by SP/SS

圖3 普通壓制-燒結(jié)和復(fù)壓復(fù)燒法(初始?jí)褐茐毫?00 MPa)制備的添加0.8%C的樣品的拉伸性能Fig.3 Tensile properties of samples with 0.8% graphite addition prepared by SP/SS and DP/DS

相比于普通壓制-燒結(jié)方法制備的樣品，用復(fù)壓復(fù)燒法制備的樣品在具有較高強(qiáng)度的同時(shí)還具有優(yōu)良的塑性。這可以通過(guò)合金中的孔隙對(duì)粉末冶金材料性能的影響來(lái)解釋。圖 5所示為普通壓制-燒結(jié)和復(fù)壓復(fù)燒法制備樣品的孔隙形貌及拉伸斷口形貌。

從圖5(a)和圖5(b)可以看出：用普通壓制-燒結(jié)法制備的樣品，其光學(xué)顯微組織中還有較多的孔隙，孔隙大多為不規(guī)則的形狀且傾向于聚集在一起而形成孔隙群；而用復(fù)壓復(fù)燒法制備的樣品中雖然也有孔隙，但孔隙較少且比較圓滑并彌散分布在基體中。鐵基粉末冶金材料的強(qiáng)度和塑性會(huì)隨著孔隙度的增加而降低，這是因?yàn)樵谟设F等塑性金屬制取的粉末冶金材料中，孔隙的存在不會(huì)引起大的應(yīng)力集中，但會(huì)削弱試樣承載的有效斷面，導(dǎo)致應(yīng)力沿?zé)Y(jié)材料的顯微體積分布不均勻。而粉末冶金材料的伸長(zhǎng)率不僅受孔隙度的強(qiáng)烈影響，還對(duì)孔隙的形狀很敏感。復(fù)壓復(fù)燒工藝不僅可以降低試樣的孔隙度，從而提升合金的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，而且可以改變孔隙的形狀。在復(fù)壓過(guò)程中，試樣中的孔隙會(huì)變小且形狀也會(huì)發(fā)生變化，在復(fù)燒過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致孔壁的圓滑平直化和球化，這使得材料在拉伸過(guò)程中的變形更加均勻且可減少應(yīng)力集中，從而使對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)敏感的伸長(zhǎng)率得到提高[17]。因此，用普通壓制-燒結(jié)法制備樣品的強(qiáng)度和塑性都較低，對(duì)應(yīng)于斷口形貌中韌窩的尺寸都比較小且較淺；而用復(fù)壓復(fù)燒法制備樣品的強(qiáng)度和塑性有了大幅提升，斷口表面分布有大量韌窩，韌窩的尺寸較大而且比較深。

圖4 復(fù)壓復(fù)燒制備的不同成分合金的光學(xué)顯微組織(浸蝕)Fig.4 Microstructural phases in sintered alloys with different amounts of graphite added prepared by DP/DS

圖5 由不同工藝制備的添加0.8% C的合金的孔隙金相(未浸蝕)及拉伸斷口形貌Fig.5 Pore morphology and tensile fracture of sintered alloys with 0.8% graphite added prepared by different processings

3 結(jié)論

(1) LAP100.29A2預(yù)合金鋼粉在普通壓制-燒結(jié)工藝中可以通過(guò)提高壓制壓力來(lái)提升密度，但制備的燒結(jié)坯密度最高只有 7.22 g/cm3；通過(guò)復(fù)壓復(fù)燒工藝制備的燒結(jié)坯密度最高為7.57 g/cm3。

(2) 初始?jí)褐茐毫蛷?fù)壓壓力的提升都有助于提高復(fù)壓復(fù)燒工藝制品的密度，從而改善其力學(xué)性能。但并不是初壓壓力和復(fù)壓壓力越高越好。當(dāng)初壓壓力為600 MPa，復(fù)壓壓力為800 MPa時(shí)，添加0.4% C合金的密度達(dá)到最大，為7.57 g/cm3。

(3) 復(fù)壓復(fù)燒工藝可以減少燒結(jié)坯中的孔隙，并使孔隙圓滑平直化和球化，從而改善合金的力學(xué)性能。用復(fù)壓復(fù)燒法制備的添加0.4% C合金的抗拉強(qiáng)度最高可達(dá) 496 MPa，相應(yīng)的伸長(zhǎng)率為 4.98%；而添加0.8% C合金的抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)611 MPa，相應(yīng)的伸長(zhǎng)率為2.51%。

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