粉末冶金Fe-2Cu-xC合金的性能研究*

2021-04-04潘超梅汤志豪何鹏江陈珊珊曾克里

材料研究与应用 2021年2期

潘超梅，汤志豪，2,何鹏江，罗浩，陈珊珊，曾克里

1.广东省科学院材料与加工研究所，广东广州 510000；2.中南大学，材料科学与工程学院，湖南长沙 410000

Fe-Cu-C材料是粉末冶金结构件中使用量较大的一类材料[1-2]．铜的熔点为1083 ℃，在实际应用中其加入量一般为1%～3%，在烧结过程中先熔化成液体的铜对铁基材料的烧结起到促进作用[3]．但在常规烧结条件下，铜并不能完全完成扩散，从而导致在铁基材料表面和心部的铜含量不一致[4]．在铁铜合金中添加石墨碳，可以改变熔体相的二面角，促进铜向铁基材料中扩散，减小铁粉颗粒表面与心部的铜含量差异[5]．铜和碳的添加会使压坯烧结后的尺寸发生体积膨胀，当添加2%的铜时铁基材料尺寸特别敏感[6]．在混粉工艺方面，也进行了大批量实验验证和研究，表明粉末原材料对合金后续压制和烧结的性能影响很大．由于传统的直接机械混合方法中存在成分不均匀的问题，预混合粉末法被开发出来替代传统混合粉末法[7-9]．

以 Fe-2Cu-xC为研究对象，采用还原铁粉、雾化铁粉、电解铜粉和石墨作为原材料，用预混合法和直接机械混合法对粉末进行混合得到 Fe-2Cu-xC混合粉末，然后进行压制和烧结．探索了混合工艺对混合粉末性能的影响，并研究了碳含量对烧结制品力学性能和显微组织的影响，为提高生产中铁基材料制品性能提供了实验依据．

1 实验部分

1.1 试验原材料

根据公司实际生产需要，实验原材料采用鞍钢水雾化粉(200.30)、马钢还原铁粉(100.255)、有研电解铜粉(75μm)、广州市庆帆翔材料科技有限公司的石墨粉(MCG-1076Q)，新型润滑剂采用自制润滑剂．表1及表2分别为铁粉和电解铜粉原材料粉末的化学成分，表3为原材料粉末的物理性能．

表1 铁粉的化学成分析Table 1 Chemical composition of iron powder w/%

表2 电解铜粉的化学成分Table 2 Chemical composition of electrolytic copper powder w/%

表3 原材料粉末的物理性能Table 3 Physical properties of raw material powder

图1为还原铁粉、雾化铁粉、电解铜粉和石墨粉的扫描电镜(SEM) 照片．从图1可以看出：还原铁粉的颗粒较大，空隙也较多，外形呈现出不规则的形状，也有片状存在；雾化铁粉的大小较为均匀，雾化铁粉粒度较细且球形度比还原铁粉的球形度高，细粉有团聚；铜粉为松枝状，而石墨粉为鳞片状且其中存在少量较细的颗粒．

图1 不同倍率下原料粉末SEM图(a)，(b)还原铁粉；(c)，(d)雾化铁粉；(e)，(f)电解铜粉；(g)，(h)石墨粉Fig.1 SEM image of raw material powder at different magnifications (a)，(b) reduced iron powder；(c)，(d) atomized iron powder；(e)，(f) electrolytic copper powder；(g)，(h) graphite powder

1.2 试验方法

按照一定比例称取还原铁粉、雾化铁粉及铜粉，将它们放入混粉机中混合30 min，再加入石墨和润滑剂混合60 min，将混合粉烘干后过177 μm筛，即制得预混合铁基粉末．同时，将还原铁粉、雾化铁粉、铜粉、石墨粉及润滑剂按比例称取，然后进行直接机械混合60 min得到混合粉末，直接机械混合粉作为实验对照组．将预混合粉末和直接机械混合粉末在模压机上压制成型，压制压力为600 MPa，压制成型后对制品进行性能检测，然后在网带烧结炉中在氨分解气氛下进行烧结，烧结温度1120 ℃，保温1.5 h．

1.3 测试与表征

松装密度及流动性的检测使用霍尔流速计，松装密度按GB/T1479-1984金属粉末松装密度的测定方法，流动性按GB/T1482-1984标准漏斗法(霍尔流速计)．压缩性检测使用YAW-300bⅡ型微机控制电液伺服压力试验机，按GB/T1481-1998金属粉末(不包括硬质合金粉末)在单轴压制中压缩性的测定法．利用扫描电镜(SEM)对原料粉末、预混合粉末和直接机械混合粉末进行形貌检测，生坯密度和烧结密度采用阿基米德排水法测试．抗拉强度在万能试验机检测，表观硬度采用布氏硬度仪检测．图2为压制样品图．

图2 粉末压制产品图Fig.2 Powder pressing product diagram

2 结果与分析

2.1 预混合粉末原材料性能分析

表4为碳含量对 Fe-2Cu-xC预混合粉末性能的影响结果．由表4可知，碳含量对铁基混合粉体的粒度、流动性及松装密度影响很大，随着碳含量的增加预混合粉末的粒度减小，由于所添加的石墨颗粒非常细小(平均颗粒尺寸8 μm左右)，因此整体的预混合粉末粒度减小．预混合后的碳主要填充在铁粉颗粒的间隙中，但由于石墨粉为不规则形状，在混合过程中阻碍雾化铁粉的有序密排，降低了混合粉体的流动性，同时也降低了预混合粉末的松装密度．

表4 对Fe-2Cu-xC预混合粉末性能的影响Table 4 Carbon content of Fe-2Cu-xC premixed powder performance impact

图3为 Fe-2Cu-xC预混合粉末SEM图，图中疏松树枝形状的为电解铜粉，片状为石墨粉，其余为铁粉．从图3可以看出，随着碳含量增加片状石墨粉占比随之增加，且均匀分布于铁粉颗粒间隙中．同时，随着碳含量增加，预混合粉末的粒度整体在减小，此结果与表4的结果吻合．

图3 不同倍率下Fe-2Cu-xC预混合粉末SEM图(a)，(b) w(C)=0.5%；(c)，(d) w(C)=0.8%；(e)，(f) w(C)=1.0%Fig.3 SEM image of Fe-2Cu-xCpremixed powder at different magnifications

2.2 粉末混合工艺对压制品稳定性的影响

为考察混合方式对压制制品稳定性的影响，在批量生产的产品中随机抽取100个压制生坯进行称重，图4和图5分别为预混合法和直接机械混合法混合的粉末压制的大、小件产品质量．从图4可见，在进行大件试样生产试验时，两组混合粉末均表现出了较好的稳定性，直接机械混合粉末的质量波动性还是略大于预混合粉末，用直接机械混合粉末压制的制品单重浮动偏差为0.75%，而小件的为0.24%．从图5可以看出，预合金粉末压制的制品生坯质量波动性明显小于直接机械混合粉，预合金粉及直接机械混合粉的波动性分别为0.44%和0.88%．通过大小试样生产实验可以知道，预混合粉末的稳定性明显优于直接机械混合粉末．

图4 粉末混合工艺对大件压制品质量的影响Fig.4 Influence of powder mixing process on weight of bulk pressed products

图5 粉末混合工艺对小件压制品重量的影响Fig.5 Influence of powder mixing process on the weight of small pressed products

2.3 碳含量对Fe-Cu-C烧结件显微组织的影响

图6为不同碳含量粉末的烧结体的显微组织，图中深黑色区域为孔隙，白色区域为铁素体，网络状组织为渗碳体，条纹状组织为珠光体．从图6可见：随着碳含量的增加，珠光体逐渐增加，铁素体相对减少；碳含量为0.5%时，烧结试样的组织由铁素体和珠光体组成；碳含量为0.8%时，出现了游离的渗碳体和片层状珠光体；当碳含量达到1.0%时，大量的网状渗碳体出现，铁素体减少．同时，随着碳含量增加，烧结件的晶粒间孔隙度增大，降低了烧结件的致密度．

图6 烧结后铁基制品的金相图 (a)，(b) w(C)= 0.5%；(c)，(d) w(C)=0.8%；(e)，(f) w(C)=1.0%Fig.6 Metallographic diagram of iron based products sintered

2.4 碳含量对Fe-Cu-C烧结硬度及强度的影响

图7为不同碳含量粉末烧结试样的硬度．从图7可以看出，烧结制品的硬度随着碳含量的增加而增大，在碳含量到达1.0%时硬度(HRB)达到74.0．当碳含量为0.5%时烧结试样的组织主要由铁素体和珠光体组成，而铁素体是软质相，此时烧结件的硬度为48 HRB．当碳含量为0.8%时试样中出现了网状渗碳体，渗碳体是硬质相，烧结件的硬度提高到61 HRB．碳含量达到1.0%时出现大量网状渗碳体，试样的硬度进一步提高，此时烧结件的硬度为74 HRB．

图7 碳含量对铁基烧结制品硬度的影响Fig.7 Influence of carbon content on hardness of iron-based sintered products

表5为碳含量对 Fe-2Cu-xC材料抗拉强度的影响．由表5可知，随着碳含量的增加，抗拉强度呈现先增加后减小的趋势，当碳含量为0.8%时抗拉强度达到最大值496.34 MPa．

表5 碳含量对抗拉强度的影响Table 5 Influence of carbon content on tensile strength

从相组成来看，在室温下铁碳合金主要由软韧的铁素体和脆性的渗碳体所组成．当不含碳时合金全部由铁素体所组成，随着含碳量的增加铁素体减少渗碳体增加，当碳含量达到6.69%时全部为渗碳体．在碳含量为0～0.77%范围内时为亚共析钢，随着碳含量的增加渗碳体增加，使得强度升高塑性下降．碳含量大于0.77%时为过共析钢，碳含量在0.8%时其强度达到最高值，此时继续添加碳，会出现大量的脆性二次渗碳体，由于二次渗碳体在晶界处形成连续的网状，从而使得组织又硬又脆．因此，当碳含量超过0.8%时继续添加碳，抗拉强度会下降．

2.5 碳含量对Fe-Cu-C烧结致密度和尺寸的影响

图8为碳含量对粉末冶金试样生坯密度和烧结密度的影响曲线．图8可看出，随着碳含量增加，试样的生坯密度及烧结密度都呈下降趋势，并且生坯密度均高于烧结密度，而生坯密度和烧结密度的差值随碳含量增加而减小．这是因为在烧结过程中碳阻碍了金属原子间的扩散，减缓烧结颈形成，从而增大了材料的孔隙度，使烧结件体积发生膨胀，导致致密度降低．

图8 碳含量对铁基粉末冶金密度的影响Fig.8 Influence of carbon content on the density of ferrous powder metallurgy

图9为碳含量对铁基烧结件径向尺寸膨胀率的影响．从图9可见，Fe-Cu-C烧结坯的径向烧结尺寸膨胀率随碳含量增加而降低，说明添加碳可减少铁基材料的体积膨胀．这主要是因为随着碳含量增加，Cu固溶于Fe晶格点阵的量减少，从而减少了晶格畸变，使膨胀率减小．另一方面，虽然碳溶入奥氏体中也会引起晶格常数增大，但由于奥氏体中含碳量增加会提高铁的自扩散系数，在烧结过程铁原子之间扩散加快，形成重排并致密化，体积膨胀减小．