復壓復燒對預合金鋼粉燒結材料性能的影響

高翔，袁勇，張德金，李威，藺瑞冬，崔建民，羅豐華,

(1. 中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，湖南 長沙，410083；2. 萊蕪鋼鐵集團粉末冶金有限公司，山東 萊蕪，271105)

近年來，粉末冶金零件的生產和應用得到了廣泛的關注，這與新的合金鋼粉末的開發是分不開的[1-2]。用霧化法生產的預合金粉末中的合金元素分布均勻，且用其生產的燒結材料具有均勻的顯微結構[3]，因此，預合金化粉末冶金低合金鋼粉得到了廣泛的應用。Ni，Mn，Cr和Mo等合金元素是常用的低合金鋼粉的預合金化元素，這些合金元素的加入可以增加鋼的力學性能和淬透性[4-6]。但大量合金元素的加入會降低鐵粉的壓縮性[7]，從而使燒結后的合金難以達到高密度水平，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性能。通常，粉末冶金鐵基零件的力學性能主要受密度、合金元素含量及組織特征等3個方面的影響，在其他條件不變的情況下，密度是一個關鍵因素。可以提高粉末冶金零件密度的方法有：復壓復燒、溫壓成形、粉末鍛造、高速壓制以及滲銅等[8-9]。復壓復燒即將鐵基粉末在400～500 MPa壓力下進行壓制，于780～850 ℃預燒，然后在600～900 MPa壓力下進行復壓，根據材料的成分及性能要求選擇在1 100～1 200 ℃燒結[10-12]。可以看出復壓復燒不需要增添新的設備，技術難度不大，工藝過程比較容易控制，且質量比較穩定，適合于大批量生產。這種方法的主要缺點是工序增加導致成本增加。但是，可以在預燒結后進行機械加工，略降低加工成本[13-15]。LAP100.29A2粉是萊蕪鋼鐵集團粉末冶金有限公司開發出來的含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，對合金鋼力學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增加其力學性能。為此，本文作者研究復壓復燒工藝和C含量對該粉末冶金制品組織和力學性能的影響。

1 試驗材料及方法

基礎粉末LAP100.29A2(簡稱為A2)預合金鋼粉的化學組成(質量分數)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元素時以石墨的形式加入的，其灰分和揮發分分別為 1.0%和 1.5%。將混合粉末在滾筒式混料機中混合6 h，再分別采用普通壓制-燒結法和復壓復燒法制備燒結合金。具體做法為：(1) 普通壓制-燒結法：將混合粉末在不同壓力下經模壓成形后，在鉬絲爐中氫氣氣氛下燒結：壓制壓力分別為 400，600和 800 MPa，燒結溫度為1 120 ℃，保溫30 min后推入水冷區冷卻25 min出爐。(2) 復壓復燒法：將混合粉末在400，600和800 MPa 3種壓力下壓制成形，在800 ℃氫氣氣氛下預燒30 min后推入水冷區冷卻20 min出爐，然后，將預燒坯分別在400，600和800 MPa 3種壓力下復壓，在1 120 ℃氫氣氣氛下燒結30 min后推入水冷區冷卻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，燒結時樣品埋在氧化鋁填料中并在其上覆蓋一層木炭，因此，燒結后樣品并沒有明顯的脫碳，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%。

采用排水法測量燒結坯的密度。在 CTM4000電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速率為 1 mm/min，拉伸試樣為經線切割加工出的非比例板狀試樣，試樣的平行長度部分(即橫截面)為3 mm×3 mm，用細墨線標記20 mm原始標距，頭部與平行長度部分以半徑20 mm的過渡弧連接。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 試驗結果及分析

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含量的合金粉末經普通壓制-燒結制備的樣品壓坯和燒結坯的密度與壓制壓力的關系。

從圖1可以看出：經過模壓成形后，所得壓坯的密度都較低，在6.45～6.85 g/cm3范圍內。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時的還要低。這是因為在基體粉末中添加適量的石墨可以起到潤滑作用，有利于減少壓制過程中壓力的損失，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，過多的石墨會使混合粉末理論密度降低，因而會降低壓坯的密度。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-燒結工藝制備樣品的密度與壓制壓力的關系Fig.1 Density versus compaction pressure for samples prepared by single press/single sinter processing (SP/SS)

經1 120 ℃燒結30 min后樣品的密度有所提升；隨著石墨添加量的增多，燒結坯的密度有降低的趨勢；隨著壓制壓力的提升，燒結坯的密度增加，但密度增加的量是有限的，而且過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性。因此，單純通過提高壓制壓力的方法來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含量的合金粉末經復壓復燒工藝制得的燒結坯的密度見表2。

從表 2可知：相比于普通壓制-燒結法制備的樣品，復壓復燒制得的樣品密度都有了較大的提高，例如：添加0.4%C的合金粉末經普通壓制-燒結法制備的燒結坯樣品密度最大為 7.16 g/cm3，而經復壓復燒制備的燒結坯樣品的密度最小值就可達到7.23 g/cm3，最大為 7.57 g/cm3。且在同一復壓壓力下，初始壓制壓力的提升有助于最終燒結坯密度的提升。但也有例外，例如添加0.4% C的合金的密度在初始壓制壓力為600 MPa；當復壓壓力為800 MPa時，出現最大值。如圖2所示。

表2 復壓復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 復壓復燒法制得樣品的密度與壓制壓力的關系(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：LAP100.29A2預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。燒結坯密度在7.05～7.22 g/cm3之間；經復壓復燒制備的燒結態樣品的密度在7.2～7.6 g/cm3之間，達到了高密度鐵基粉末冶金制品(＞7.5 g/cm3)的要求[16]。因此，可以通過復壓復燒工藝來制備高密度粉末冶金鐵基合金。

2.2 合金的拉伸力學性能

采用普通壓制-燒結法制備的以 A2為基體粉末的3種鐵基燒結合金的屈服強度、抗拉強度以及伸長率，如表3所示。

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

由復壓復燒工藝制備的3種合金的拉伸力學性能數據如表2所示。由表2可以看出：

(1) 經復壓復燒后，材料的強度和伸長率大幅度提高，特別是伸長率，不加 C時伸長率最高可達16.98%，為延性斷裂；即使是添加0.8% C，合金的伸長率也比普通壓制-燒結合金的高。

(2) 隨著C含量的增加，復壓復燒制得樣品的強度增加，而伸長率下降。

(3) 初壓壓力相同時，合金的強度和伸長率都隨著復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，相比于普通壓制-燒結制備的樣品，復壓復燒制得的樣品的屈服強度、抗拉強度以及伸長率分別增加了37.7%，35.2%和84.4%，如圖3所示。

2.3 合金的組織和斷口形貌

從試驗結果可知：添加C元素的合金雖然燒結后密度有所下降，但其抗拉強度明顯高于不添加C元素的合金。這可以通過合金顯微組織中珠光體量的變化來解釋，用復壓復燒法(即試樣經600 MPa初壓，800 MPa復壓)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。當合金中添加的C含量由0變化到0.4%再到0.8%時，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，合金的抗拉強度也越高，相應的塑性會降低。因此，隨著C添加量的增加，合金的屈服強度和抗拉強度提升，而伸長率下降。可以看出：在合金顯微組織中還有一些未溶解的石墨，這說明在1 120 ℃燒結30 min并不能使C完全擴散到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-燒結和復壓復燒法(初始壓制壓力為400 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-燒結方法制備的樣品，用復壓復燒法制備的樣品在具有較高強度的同時還具有優良的塑性。這可以通過合金中的孔隙對粉末冶金材料性能的影響來解釋。圖 5所示為普通壓制-燒結和復壓復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-燒結法制備的樣品，其光學顯微組織中還有較多的孔隙，孔隙大多為不規則的形狀且傾向于聚集在一起而形成孔隙群；而用復壓復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度和塑性會隨著孔隙度的增加而降低，這是因為在由鐵等塑性金屬制取的粉末冶金材料中，孔隙的存在不會引起大的應力集中，但會削弱試樣承載的有效斷面，導致應力沿燒結材料的顯微體積分布不均勻。而粉末冶金材料的伸長率不僅受孔隙度的強烈影響，還對孔隙的形狀很敏感。復壓復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度和伸長率，而且可以改變孔隙的形狀。在復壓過程中，試樣中的孔隙會變小且形狀也會發生變化，在復燒過程中會導致孔壁的圓滑平直化和球化，這使得材料在拉伸過程中的變形更加均勻且可減少應力集中，從而使對孔隙結構敏感的伸長率得到提高[17]。因此，用普通壓制-燒結法制備樣品的強度和塑性都較低，對應于斷口形貌中韌窩的尺寸都比較小且較淺；而用復壓復燒法制備樣品的強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 復壓復燒制備的不同成分合金的光學顯微組織(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 結論

(1) LAP100.29A2預合金鋼粉在普通壓制-燒結工藝中可以通過提高壓制壓力來提升密度，但制備的燒結坯密度最高只有 7.22 g/cm3；通過復壓復燒工藝制備的燒結坯密度最高為7.57 g/cm3。

(2) 初始壓制壓力和復壓壓力的提升都有助于提高復壓復燒工藝制品的密度，從而改善其力學性能。但并不是初壓壓力和復壓壓力越高越好。當初壓壓力為600 MPa，復壓壓力為800 MPa時，添加0.4% C合金的密度達到最大，為7.57 g/cm3。

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

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