熔渗铜对高合金烧结钢组织的影响

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　　1前言

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　　用铜和铜合金熔渗铁基合金,是制造高强度烧结结构零件的一个有效方法。从五十年代以来,该工艺逐渐为人们所认识,应用范围日益扩大。一般认为,熔渗主要是液相铜填充烧结材料内部孔隙的过程,它可以提高材料的密度,从而改善材料的力学性能。国内外的研究也多集中在熔渗铜工艺对材料力学性能的影响上[1,2],对组织的影响很少报道。

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　　作者在开发和研制粉末冶金排气门座时发现:在铁基粉末冶金材料中熔渗铜可以促进合金元素的扩散,从而使材料的合金化程度得到改善。

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　　本研究采用纯金属粉混制的高合金烧结钢,考察熔渗铜对其组织的影响,以期对实际生产提供一些有益的指导。

　　2实验方法

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　　以Fe-C-Cu为基粉(其中C和Cu的质量分数分别为1.2%和5%),分别加入质量分数为5%的镍、钼、钨、铬粉,用V型混料机混粉后压制成Φ23×6的试样,在推杆式烧结炉中烧结试样,烧结温度1120℃,保温4h,熔渗温度1120℃,保护气氛为分解氨,在水套冷却带中冷却。

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　　用2%硝酸酒精侵蚀抛光试样,在OLYPUS金相显微镜下观察金相组织,用能谱仪对试样进行微区成分分析,用A-100型洛氏硬度计测量试样表观硬度,用HX-1000型显微硬度计测量显微硬度。

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　　3试验结果与分析

Fe-Cu-5X(Ni、Mo、Cr、W)-C合金烧结4h和熔渗铜后的金相组织a)示烧结态Fe-Cu-5Ni-C合金的组织组成物有:浅色孤立区(上有孔隙);粗细不均匀的片层状珠光体和沿其边缘分布的网状铁素体。由图5可知,基体镍的分布是不均匀的,出现富镍区和贫镍区。浅色孤立区镍含量较高,分布不均匀,组织也较为复杂:边缘为针状组织,显微硬度650450HV0.01,为马氏体和贝氏体;中心镍谱线出现峰值,该区域的硬度值很低(132HV0.01),为固溶于Fe中的富镍奥氏体。

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Fe-Cu-5Ni-C合金烧结态及熔渗铜后的金相组织(2%的硝酸酒精浸蚀)(a)烧结×200(b)熔渗铜×200

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Fe-Cu-5Mo-C合金烧结态及熔渗铜后的金相组织(2%的硝酸酒精浸蚀)(a)烧结×300(b)熔渗铜×300

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Fe-Cu-5Cr-C合金烧结态及熔渗铜后的金相组织(2%的硝酸酒精浸蚀)(a)烧结×200(b)熔渗铜×200

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　　4Fe-Cu-5W-C合金烧结态及熔渗铜后的金相组织(2%的硝酸酒精浸蚀)(a)烧结×200 (b)熔渗铜×200

　　由于镍在固相烧结时扩散速度缓慢,在常规的烧结温度和时间内很难达到均匀,于是基体不同区域里镍的浓度不同,试样在烧结炉的水套冷却带冷却时,不同成分的区域将按不同的机制发生转变,所以出现了上述复杂组织。

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(b)为Fe-Cu-5Ni-C合金熔渗铜后的显微组织。从组织组成物的形貌和分布及相应的显微硬度值可以判断出这些组织为:黑色团状的珠光体及白色条块状渗碳体;针状的贝氏体组织;沿其颗粒边缘呈网状分布的白色游离铜以及孔隙。图6为Fe-Cu-5Ni-C试样渗铜后显微组织及相应区域的镍元素的面分布图,可以看到镍在整个基体上分布较均匀,富镍区和贫镍区的含量差别不大。用相同方法分析其它合金的组织,结果见表1。(表1中同时列出相同成分合金铸锻态的组织。)

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　　表1Fe-Cu-5X(Mo、Cr、W)-C合金的组织

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　　4讨论

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　　比较Fe-Cu-5X(Ni、Mo、W、Cr)-C试样渗铜前后的组织形貌,可以看出渗铜工艺对粉末钢的组织转变影响较大:

　　(1)孔隙数量减少,孔隙变得圆滑;

　　(2)组织较为均匀,颗粒变得较规则,且大小比较均匀;

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　　(3)组织形貌接近相同成分的致密钢。

　　显然,这些变化均是合金元素得到进一步扩散的结果。从渗铜的机理来解释:当烧结温度超过铜的熔点1083℃时,铜变为液体,由于铜对铁有良好的浸润性,在毛细管力的作用下,迅速沿铁粉颗粒表面浸透,包裹在铁粉颗粒表面并向颗粒内部扩散溶解,形成含8%铜的γ固溶体,而多余的铜则填充孔隙。所以渗铜后的组织变化首先是孔隙度减少了。

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　　另外,铜熔渗铁基合金时,虽然铜在γ-Fe中的溶解度很小,但液相的铜会在铁及其它合金颗粒表面上形成所谓的“载体相”,该相成为物质迁移的载体,并通过溶解—析出机制,使合金元素均匀分布于基体上。

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　　5应用

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　　汽车发动机用的排气门座是配气机构的一个相当重要的零件,它与气门共同完成对气缸的密封作用。由于服役条件恶劣,其性能要求很高:即要耐磨、耐氧化和耐腐蚀,又要保持高温硬度和强度。自用烧结材料替代传统铸锻合金以来,烧结排气门座的工艺和材料日趋成熟。国外一般采用真空炉、高温液相烧结[5]。而国内许多中、小型厂家通常达不到这种生产条件,那么如何利用现有的设备生产出高性能的排气门座?本研究证明:在常规的烧结温度(1150℃以下),通过熔渗铜处理即可实现。

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　　本研究生产的粉末冶金排气门座以纯金属粉混制,烧结温度1120℃,熔渗温度1120℃。其组织如图7、图8所示。图7为FM-03排气门座的烧结组织,从图中可以看出,尽管经过1120℃、保温2h的烧结,由于合金含量高,合金元素扩散很不充分,烧结组织也相当不均匀,而且粉末颗粒也清晰可见。制品硬度93HRB。

为FM-03烧结排气门座熔渗铜后的显微组织,从整体来看组织较均匀,基体除了少量的珠光体以外,全部为针状组织(600～700HV0.01),另外还有白色块状的未溶碳化物(1095HV0.01)以及弥散的硬质颗粒(1320HV0.01)。这显然是由于铜促进合金元素扩散的结果。铜以游离的形式填充孔隙,还可以提高排气门座在高温工作时的导热性和改善耐腐蚀性。熔渗铜后制品硬度达43HRC。

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　　6结论

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　　1)熔渗铜烧结是液相烧结的特殊情况,铜作为“载体相”使合金元素的扩散速度较固相扩散快。

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　　2)高合金烧结钢在固相烧结温度下,经熔渗铜处理,可以改善合金元素的扩散条件,提高合金元素的利用率,其组织接近锻钢。【MechNet】

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