钼加入量对Fe-2Cu-0.8C系烧结合金组织和性能的影响

王天国，覃 群

(湖北汽车工业学院材料科学与工程学院， 十堰 442002)



钼加入量对Fe-2Cu-0.8C系烧结合金组织和性能的影响

王天国，覃 群

(湖北汽车工业学院材料科学与工程学院， 十堰 442002)

摘要：采用粉末冶金方法制备了Fe-2Cu-xMo-0.8C(x为0.2～1.2，质量分数/%)合金，研究了钼元素加入量对其显微组织和力学性能的影响。结果表明：随着钼加入量的增多，合金的密度、抗拉强度和伸长率均先增大后减小，当钼质量分数为0.8%时达到最大，分别为6.9 g·cm-3，318 MPa和3.9%，此时合金具有良好的综合性能；钼可促进合金烧结体的致密化，随钼加入量增多，烧结体的孔隙率减小。

关键词：铁基合金；粉末冶金；力学性能；钼

0引言

粉末冶金铁基合金是一种非常重要的材料，广泛应用于汽车、机械、电器等领域。粉末冶金方法制备的铁铜碳系低合金钢的力学性能优异，可满足工程结构零件对硬度、强度和耐磨性的要求；同时其尺寸基本稳定，有利于制造高精度结构零件，因此，铁铜碳系合金作为制造工程结构零件的重要材料[1-3]，被广泛用于制造汽车工业发动机、制动器、变速箱等的零件。

在粉末冶金制备过程中向铁基合金中添加合金元素，通过改变铁基合金的组织结构，可提高其使用性能和工艺性能[4-5]。传统合金元素如铬、锰等的加入对改善和提高铁铜碳系低合金钢的力学性能有重要影响[6-8]。陈华等[9]研究发现在铁铜碳系低合金钢中添加少量铬可获得较高的烧结密度，显微硬度随铬含量的增加而增大；林文松等[10]研究表明镍对铁基合金有强烈的活化烧结作用。钼元素有良好的硬化作用，亲氧性较低，而且钼是强碳化物形成元素，在铁铜碳系合金中加入钼可与碳结合形成各种碳化物，少量的钼就能有效提升材料性能[11]。陈荟竹等[12]研究表明添加少量的钼可以同时提高Fe-0.5Mn-0.5C合金的烧结温度、抗拉强度、硬度和伸长率。目前，有关钼元素对粉末冶金铁铜碳系合金影响的研究报道较少，因此，作者采用粉末冶金法制备了铁铜碳系合金，研究了钼加入量对其显微组织和性能的影响，为钼元素在铁铜碳系合金中的研究和应用提供参考和指导。

1试样制备与试验方法

1.1　试样制备

试验原料为还原铁粉，粒径小于100 μm，纯度98.0%，苏州市金穗粉末冶金有限公司产；电解铜粉，粒径小于80 μm，纯度99.5%，北京兴荣源科技有限公司产；石墨粉，粒径小于70 μm，纯度99.0%，青岛星运石墨乳有限公司产；钼粉，粒径小于50 μm，纯度99.9%，北京兴荣源科技有限公司产。

原料按Fe-2Cu-xMo-0.8C(x为0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，质量分数/%)进行配料，以无水乙醇为介质，在QM-3SP2型行星式球磨机中球磨混合，高纯氩气保护，球磨罐和研磨球均为不锈钢材料，球料质量比为12∶1。球磨后粉体以聚丙烯酸塑料为粘结剂，利用YJN79-100型粉末制品液压机在100 MPa下轴向压制成尺寸为φ70 mm×10 mm的圆柱体，压制后的坯体在WZDS-20型真空炉中1 100 ℃烧结，保温2 h，随炉冷却。

1.2　试验方法

按照GB/T 5163-2006，采用排水法测试合金的体积密度；按照ISO 2740-2009，将合金加工成标准拉伸试样(长55 mm，标距15 mm)，在CMT5205 200KN型万能材料试验机上进行室温抗拉强度和伸长率的测试，拉伸试验的应变速率为10-4s-1；采用HRS-150型数显洛氏硬度计测合金的表面硬度，载荷980 N，加载时间30 s，测3个点取平均值；在合金上截取金相试样，经400#至1500#多道金相砂纸机械抛光后，用体积分数4%的硝酸酒精溶液腐蚀，在MDJ200型光学显微镜上观察其显微组织。

2试验结果与讨论

2.1　钼加入量对显微组织的影响

粉末经压制和烧结后，随着粘结剂和润滑剂的脱除在烧结体中残留下孔隙，这些孔隙一旦形成连通孔或在晶界处形成和长大就会影响材料的力学性能。由图1可以看出，随着钼加入量的增加，试样的孔隙逐渐变小，当钼加入量增加到0.8%(质量分数，下同)时，烧结体具有最少的孔隙数量，继续增加钼加入量，孔隙数量随之增多，而且分布不均；添加少量的钼时，由于烧结过程中碳的损失，合金中的碳含量低于共析成分，先共析铁素体杂乱分布于基体中，合金组织主要为铁素体和珠光体;而随着钼加入量增多，合金组织逐渐细化。钼是碳化物形成元素，能降低合金中奥氏体内碳的扩散速率，推迟珠光体转变[12]，使珠光体的转变温度降低；转变温度的降低进一步降低了珠光体转变时碳的扩散速率，细化了珠光体组织并增加了珠光体含量，该组织具有强度高、韧性好的特点[13]。2.2钼加入量对密度的影响

图1　不同钼加入量试样的显微组织Fig.1　Microstructures of the specimen with different molybdenum additions

由图2可以看出，试样的密度随着钼加入量的增多先增大后减小，当钼加入量为0.8%时，密度达到最大，为6.9 g·cm-3。钼在真空中很难形成氧化物杂质且其粒径大小接近于铁原子，加入后使合金产生较大的烧结收缩，并能有效地抑制铁铜碳合金孔隙的形成和长大，从而促进烧结致密化。此外，钼元素是α-Fe稳定元素，其加入量增加使α-Fe相区变大而γ-Fe相区变小；且钼元素在α-Fe中的扩散速率比在γ-Fe中的快，在烧结过程中会偏聚在铁粉颗粒的烧结颈处，对铁基材料的烧结起活化作用。当钼加入量增加到1.0%时，由于钼硬度高于铁，导致合金粉末在相同压制压力下塑性变形的难度增加，坯体密度降低，导致烧结后的合金密度下降。

图2　不同钼加入量试样的烧结密度Fig.2　Sintered densities of the specimen with differentmolybdenum additions

2.3　钼加入量对力学性能的影响

由图3可知，试样的硬度随着钼加入量的增加而增大。硬度的大小主要取决于组成相的数量和硬度。虽然钼在铁中的固溶强化作用不大，但是钼元素可以和碳元素形成MoxC起到提高硬度的作用。

图3　不同钼加入量试样的硬度Fig.3　Hardness of the specimen with different molybdenum additions

由图4知，随着钼加入量的增加，试样的抗拉强度和伸长率均先增大后减小，在钼加入量为0.8%时达到最大，分别为318 MPa和3.9%。结合图1可知，随着钼加入量的增加，试样的孔隙逐渐变小并且合金组织更加细小均匀，因此抗拉强度和伸长率增加；但当钼加入量增大到0.8%以上时，钼在铁中的溶解速率和扩散速率有所减小，使某些在烧结过程中形成的钼-铁中间合金粗颗粒能完全溶解而成为杂质残留，导致了合金拉伸性能下降[14]。

图4　不同钼加入量试样的抗拉强度和伸长率Fig.4　Tensile strength and elongation of the specimen withdifferent molybdenum additions

3结论

(1) Fe-2Cu-xMo-0.8C合金的密度、抗拉强度和伸长率随着钼加入量的增加均先增大后减小，钼加入量为0.8%时，其密度、抗拉强度和伸长率达到最大，分别为6.9 g·cm-3，318 MPa和3.9%；合金的硬度随着钼加入量的增加而提高。

(2) 钼加入量的增加使Fe-2Cu-xMo-0.8C合金烧结体的孔隙减小，当钼加入量为0.8%，烧结体具有最少的孔隙和较细的组织。

参考文献：

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导师：陈建钧副教授

Effect of Molybdenum Content on Microstructure and Properties

of Fe-Cu-Mo-C Sintering Alloy

WANG Tian-guo, QIN Qun

(School of Materials Science and Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Shiyan 442002, China)

Abstract:The Fe-2Cu-xMo-0.8C (x changes between 0.2wt%-1.2wt%) alloys were prepared by powder metallurgy and the effect of molybdenum addition on the microstructure and mechanical properties of the alloy was investigated. The results show that with the increase of molybdenum addition, the sintered density, tensile strength and elongation of the alloy firstly increased then decreased, and reached the maximum value of 6.9 g·cm-3, 318 MPa, 3.9% respectively with molybdenum addition of 0.8wt%, and then obtained excellent comprehensive performance. Molybdenum can promote the densification of Fe-0.5Mn-0.5C compacts. The porosity of the sintered body decreased with the increase of molybdenum addition.

Key words:iron-based alloy; powder metallurgy; mechanical property; molybdenum

作者简介：王少鹏(1977-)，男，陕西西安人，高级工程师，硕士。 高超(1991-)，男，山东临沂人，硕士研究生。

基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(2012CB625100) 中央高校基本科研业务资助项目(1114036)；上海高校青年教师培养资助计划(YG0142129)

收稿日期:2015-02-10； 2014-07-08；

修订日期:2015-11-12 2015-07-22

DOI:10.11973/jxgccl201512005 10.11973/jxgccl201512004

中图分类号：TF125.13

文献标志码：A

文章编号：1000-3738(2015)12-0009-03