1前言
用銅和銅合金熔滲鐵基合金,是制造高強(qiáng)度燒結(jié)結(jié)構(gòu)零件的一個(gè)有效方法。從五十年代以來,該工藝逐漸為人們所認(rèn)識(shí),應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。一般認(rèn)為,熔滲主要是液相銅填充燒結(jié)材料內(nèi)部孔隙的過程,它可以提高材料的密度,從而改善材料的力學(xué)性能。國內(nèi)外的研究也多集中在熔滲銅工藝對(duì)材料力學(xué)性能的影響上[1,2],對(duì)組織的影響很少報(bào)道。
在開發(fā)和研制粉末冶金排氣門座時(shí)發(fā)現(xiàn):在鐵基粉末冶金材料中熔滲銅可以促進(jìn)合金元素的擴(kuò)散,從而使材料的合金化程度得到改善。
本研究采用純金屬粉混制的高合金燒結(jié)鋼,考察熔滲銅對(duì)其組織的影響,以期對(duì)實(shí)際生產(chǎn)提供一些有益的指導(dǎo)。
2實(shí)驗(yàn)方法
以Fe-C-Cu為基粉(其中C和Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.2%和5%),分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鎳、鉬、鎢、鉻粉,用V型混料機(jī)混粉后壓制成Φ23×6的試樣,在推桿式燒結(jié)爐中燒結(jié)試樣,燒結(jié)溫度1120℃,保溫4h,熔滲溫度1120℃,保護(hù)氣氛為分解氨,在水套冷卻帶中冷卻。
用2%硝酸酒精侵蝕拋光試樣,在OLYPUS金相顯微鏡下觀察金相組織,用能譜儀對(duì)試樣進(jìn)行微區(qū)成分分析,用A-100型洛氏硬度計(jì)測(cè)量試樣表觀硬度,用HX-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)量顯微硬度。
3試驗(yàn)結(jié)果與分析
Fe-Cu-5X(Ni、Mo、Cr、W)-C合金燒結(jié)4h和熔滲銅后的金相組織a)示燒結(jié)態(tài)Fe-Cu-5Ni-C合金的組織組成物有:淺色孤立區(qū)(上有孔隙);粗細(xì)不均勻的片層狀珠光體和沿其邊緣分布的網(wǎng)狀鐵素體。由圖5可知,基體鎳的分布是不均勻的,出現(xiàn)富鎳區(qū)和貧鎳區(qū)。淺色孤立區(qū)鎳含量較高,分布不均勻,組織也較為復(fù)雜:邊緣為針狀組織,顯微硬度650450HV0.01,為馬氏體和貝氏體;中心鎳譜線出現(xiàn)峰值,該區(qū)域的硬度值很低(132HV0.01),為固溶于Fe中的富鎳奧氏體。
Fe-Cu-5Ni-C合金燒結(jié)態(tài)及熔滲銅后的金相組織(2%的硝酸酒精浸蝕)(a)燒結(jié)×200(b)熔滲銅×200
Fe-Cu-5Mo-C合金燒結(jié)態(tài)及熔滲銅后的金相組織(2%的硝酸酒精浸蝕)(a)燒結(jié)×300(b)熔滲銅×300
Fe-Cu-5Cr-C合金燒結(jié)態(tài)及熔滲銅后的金相組織(2%的硝酸酒精浸蝕)(a)燒結(jié)×200(b)熔滲銅×200
4Fe-Cu-5W-C合金燒結(jié)態(tài)及熔滲銅后的金相組織(2%的硝酸酒精浸蝕)(a)燒結(jié)×200 (b)熔滲銅×200
由于鎳在固相燒結(jié)時(shí)擴(kuò)散速度緩慢,在常規(guī)的燒結(jié)溫度和時(shí)間內(nèi)很難達(dá)到均勻,于是基體不同區(qū)域里鎳的濃度不同,試樣在燒結(jié)爐的水套冷卻帶冷卻時(shí),不同成分的區(qū)域?qū)床煌臋C(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變,所以出現(xiàn)了上述復(fù)雜組織。
(b)為Fe-Cu-5Ni-C合金熔滲銅后的顯微組織。從組織組成物的形貌和分布及相應(yīng)的顯微硬度值可以判斷出這些組織為:黑色團(tuán)狀的珠光體及白色條塊狀滲碳體;針狀的貝氏體組織;沿其顆粒邊緣呈網(wǎng)狀分布的白色游離銅以及孔隙。圖6為Fe-Cu-5Ni-C試樣滲銅后顯微組織及相應(yīng)區(qū)域的鎳元素的面分布圖,可以看到鎳在整個(gè)基體上分布較均勻,富鎳區(qū)和貧鎳區(qū)的含量差別不大。用相同方法分析其它合金的組織,結(jié)果見表1。(表1中同時(shí)列出相同成分合金鑄鍛態(tài)的組織。)
表1Fe-Cu-5X(Mo、Cr、W)-C合金的組織
4討論
比較Fe-Cu-5X(Ni、Mo、W、Cr)-C試樣滲銅前后的組織形貌,可以看出滲銅工藝對(duì)粉末鋼的組織轉(zhuǎn)變影響較大:
(1)孔隙數(shù)量減少,孔隙變得圓滑;
(2)組織較為均勻,顆粒變得較規(guī)則,且大小比較均勻;
(3)組織形貌接近相同成分的致密鋼。
顯然,這些變化均是合金元素得到進(jìn)一步擴(kuò)散的結(jié)果。從滲銅的機(jī)理來解釋:當(dāng)燒結(jié)溫度超過銅的熔點(diǎn)1083℃時(shí),銅變?yōu)橐后w,由于銅對(duì)鐵有良好的浸潤性,在毛細(xì)管力的作用下,迅速沿鐵粉顆粒表面浸透,包裹在鐵粉顆粒表面并向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散溶解,形成含8%銅的γ固溶體,而多余的銅則填充孔隙。所以滲銅后的組織變化首先是孔隙度減少了。
另外,銅熔滲鐵基合金時(shí),雖然銅在γ-Fe中的溶解度很小,但液相的銅會(huì)在鐵及其它合金顆粒表面上形成所謂的“載體相”,該相成為物質(zhì)遷移的載體,并通過溶解—析出機(jī)制,使合金元素均勻分布于基體上。
5應(yīng)用
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用的排氣門座是配氣機(jī)構(gòu)的一個(gè)相當(dāng)重要的零件,它與氣門共同完成對(duì)氣缸的密封作用。由于服役條件惡劣,其性能要求很高:即要耐磨、耐氧化和耐腐蝕,又要保持高溫硬度和強(qiáng)度。自用燒結(jié)材料替代傳統(tǒng)鑄鍛合金以來,燒結(jié)排氣門座的工藝和材料日趨成熟。國外一般采用真空爐、高溫液相燒結(jié)[5]。而國內(nèi)許多中、小型廠家通常達(dá)不到這種生產(chǎn)條件,那么如何利用現(xiàn)有的設(shè)備生產(chǎn)出高性能的排氣門座?本研究證明:在常規(guī)的燒結(jié)溫度(1150℃以下),通過熔滲銅處理即可實(shí)現(xiàn)。
本研究生產(chǎn)的粉末冶金排氣門座以純金屬粉混制,燒結(jié)溫度1120℃,熔滲溫度1120℃。其組織如圖7、圖8所示。圖7為FM-03排氣門座的燒結(jié)組織,從圖中可以看出,盡管經(jīng)過1120℃、保溫2h的燒結(jié),由于合金含量高,合金元素?cái)U(kuò)散很不充分,燒結(jié)組織也相當(dāng)不均勻,而且粉末顆粒也清晰可見。制品硬度93HRB。
為FM-03燒結(jié)排氣門座熔滲銅后的顯微組織,從整體來看組織較均勻,基體除了少量的珠光體以外,全部為針狀組織(600～700HV0.01),另外還有白色塊狀的未溶碳化物(1095HV0.01)以及彌散的硬質(zhì)顆粒(1320HV0.01)。這顯然是由于銅促進(jìn)合金元素?cái)U(kuò)散的結(jié)果。銅以游離的形式填充孔隙,還可以提高排氣門座在高溫工作時(shí)的導(dǎo)熱性和改善耐腐蝕性。熔滲銅后制品硬度達(dá)43HRC。
6結(jié)論
1)熔滲銅燒結(jié)是液相燒結(jié)的特殊情況,銅作為“載體相”使合金元素的擴(kuò)散速度較固相擴(kuò)散快。
2)高合金燒結(jié)鋼在固相燒結(jié)溫度下,經(jīng)熔滲銅處理,可以改善合金元素的擴(kuò)散條件,提高合金元素的利用率,其組織接近鍛鋼。 |
