燒結溫度對Fe-2Ni合金材質轉軸的性能影響

周萌萌

合肥聯寶信息技術有限公司,安徽 合肥 230009

0 引言

筆記本電腦的行業趨勢逐漸趨向于設計輕薄、造型多變,與之配套的MIM轉軸產品趨向于復雜化、精密化和較高的力學性能,同時需要滿足功能上的多種傳動需求。轉軸作為筆記本電腦典型的活動部件,設計不僅要保證穩固可靠,還要有一定的靈活性,以方便用戶使用。金屬注射成形(metal injection molding,MIM)是一種融合注塑成形工藝學、粉末冶金工藝學、高分子化學和金屬材料學等多學科交叉的新型粉末冶金近凈成形技術[1],對于生產幾何形狀復雜、要求較高的精密產品具有很大優勢[2]。目前,該技術已廣泛應用于電子產品、鐘表制造、齒輪制造以及航空航天等多個領域,被贊譽為“21世紀最熱門的零部件成形技術”[1]。

筆記本電腦轉軸高性能和復雜性等特點,使其對原料粉末的性能要求也更高[3]。Fe-2Ni合金韌性和強度較優,成本低,在筆記本電腦制造行業中常用于制造轉軸,但常規的機加工工藝不易實現,故本研究采用MIM工藝制造筆記本電腦轉軸系列零件非常有意義。燒結是MIM中最重要的一步,合金粉末在這個過程中經歷粘結、擴散、融合和再結晶,使粉末由物理嚙合轉變為晶體融合。在制造業中,為了效益最大化,通常會通過研究燒結溫度來提高產品的機械性能。喬斌 等[4]分析燒結過程中的溫度和時間對燒結密度和力學性能的影響,得出最佳燒結溫度為1 225 ℃。李輝隆 等[5]研究了不同溫度下燒結后的產品性能,表明溫度和保溫時間對力學性能有顯著提升。以上研究均未深入闡述不同燒結溫度對Fe-2Ni材質轉軸制品的微觀組織及力學性能影響,限制了MIM工藝在轉軸上的應用。

綜上所述,本研究采用Fe-2Ni合金作為原料,研究了燒結溫度對Fe-2Ni合金微觀結構及力學性能的影響,為MIM工藝在筆記本電腦轉軸的產業化提供理論和技術支持[1]。

1 試驗方法

1.1 試驗原材料

試驗原料選取Fe-2Ni合金粉末,呈球形顆粒狀,填振實密度為4.30 g/cm3,合金粉末化學組成質量分數分別為2.03%Ni、97.15%Fe、0.32%C和0.5%其他元素。

MIM技術的黏結劑有水基體系、熱固性聚合物及熱塑性聚合物等[6]。在熱塑性聚合物中,聚甲醛(POM)擴散速率及脫除效率較高[7],且添加一定量的高密度聚乙烯(HDPE)后,可維持脫脂坯的形狀[8]。本研究采用組成質量分數分別為89%POM、6%HDPE和5%SA的黏結劑。

1.2 試驗方案

試驗以Fe-2Ni合金粉末為原料,粉末裝載量為60%,經注射溫度195 ℃、注射壓力50 MPa,以注射速度45 mm/s形成注射坯,經脫脂120 ℃,保溫300 min脫脂和燒結工藝形成Fe-2Ni合金試樣,其中燒結環境為Ar和N2,燒結溫度選擇參考Fe-Ni合金相圖的固相線的80%左右,分別為1 220、1 230、12 240和1 250 ℃,制得合金試樣,測試其力學性能并分析組織結構[1,9]。

1.3 Fe-2Ni合金測試與評價方法

排水法測量試樣的密度。試樣硬度選用200HVS-5型號維氏硬度計,測量5個點取平均值。材料的拉伸性能選用SANS CMT-5205型萬能材料試驗機,結果取5個試樣的平均值。伸長率是評價試樣韌性質量的重要參考,試樣拉伸前后的長度采用卡尺測量。 試樣打磨拋光后,選用4%的硝酸酒精腐蝕試樣,使用Zeiss Axio vert.A1金相顯微鏡觀察試樣的孔隙和顯微組織[1]。

2 試驗結果與分析

2.1 不同燒結溫度下Fe-2Ni合金的致密化

合金密度和硬度如圖1所示,當溫度為1 220 ℃時,密度和硬度較低,這是因為溫度過低導致原子擴散能量弱,燒結過程中沒有出現液相,材料之間未形成聯結統一的整體,孔隙較多。當溫度逐漸升高,原子擴散能力增強,燒結出現液相,材料之間融合更加充分,收縮率和密度隨之增大。當溫度達到1 240 ℃時,燒結最充分,孔隙數量最少,且分布均勻,此時密度達7.63 g/cm3,硬度最高達196.52 HV。當溫度達到1 250 ℃時,燒結溫度過高導致晶體異常變大,使晶體之間間隙增多,同時石墨等雜質也會受熱反應揮發,使得孔隙增多[10],密度和硬度反而下降。由此可知,本研究試樣的最佳燒結溫度為1 240 ℃。

圖1 Fe-2Ni合金的密度和硬度圖

2.2 不同燒結溫度下Fe-2Ni合金的微觀組織

參考Fe-Ni合金相圖[11]可以得到如下發現。

當燒結溫度為1 220 ℃時,能量不足以使所有的鐵素體全能轉化成奧氏體,導致這些鐵素體晶體逐漸長大形成較大晶體保留到室溫,而奧氏體組織在降溫到室溫后轉變為珠光體,故得到了大量白色鐵素體和片層相間的珠光體,導致該溫度下Fe-2Ni合金的力學性能較差。

當燒結溫度升高,即能量提升,鐵素體轉變形成的奧氏體數量增多,則初始鐵素體數量相對減少,同步冷卻后的組織中鐵素體含量相對減少,轉化形成的奧氏體保留到室溫形成的珠光體則相對增多。珠光體比鐵素體的力學性能更為優異[12-13]。繼續升高溫度,初始的鐵素體在能量飽和的條件下,最大程度的轉化為奧氏體組織,最終得到微觀組織主要為少量鐵素體和片層間隙均勻相間的珠光體。

當燒結溫度達1 250 ℃時,與1 240 ℃時相比合金的組織基本相同,但可觀察到異常長大的晶粒和增多的孔隙。這是由于燒結溫度過高導致奧氏體晶體產生異常長大,保留到室溫后形成較大的珠光體,同時也會導致石墨等雜質受熱反應揮發生成大量孔隙[14]。故由此可得,隨著燒結溫度的升高,鐵素體能最大程度轉化為性能更優異的奧氏體,降溫后奧氏體基本形成了珠光體,鐵素體比例則相對降低。

2.3 不同燒結溫度下Fe-2Ni合金的力學性能

圖2為試樣在不同燒結溫度下的應力-應變曲線。

圖2 1 220～1 250 ℃溫度下Fe-2Ni合金的拉伸應力-應變曲線

從圖中可分析得出,試樣表現為韌性斷裂,且伸長率與溫度成正比,這說明溫度的升高能增強合金的韌性。但未完全燒結會殘留一些孔隙,孔隙的存在成為應力集中、裂紋形成的誘因,不利于合金強度和韌性的提高[1,15]。隨著溫度升高試樣逐步充分燒結形成液相,填滿了內在的孔隙,提高了材料的致密化,合金的各項性能有了顯著提高[16]。當溫度升高至1 240 ℃時,孔隙數量減少和形狀變化使合金具有較高的強度與韌性[1]。當燒結溫度達1 250 ℃時,過高溫度導致石墨等雜質受熱反應揮發生成大量孔隙[14],降低了試樣的強度和韌性。因此,最佳的燒結溫度為1 240 ℃。

3 結論

1)隨著燒結溫度的升高,原子擴散能力增強,試樣的密度和硬度也隨之不斷增大,在溫度1 240 ℃下到達峰值,分別為7.63 g/cm3和196.52 HV。當溫度達到1 250 ℃時,過高的燒結溫度導致晶體異常變大,同時石墨等雜質受熱反應揮發,使得孔隙增多,故收縮率和密度卻反而下降。由此可知,本研究試樣的最佳燒結溫度為1 240 ℃。

2)當溫度由1 220 ℃升高至1 240 ℃時,合金中鐵素體轉化成珠光體的含量增多,合金的抗拉強度不斷增大,當溫度至1 240 ℃時,抗拉強度達到峰值為732.46 MPa。繼續升高溫度,奧氏體晶體會產生異常長大,保留到室溫后形成較大的珠光體,力學性能降低。

3)根據試樣的應力-應變曲線可得出不同燒結溫度下試樣均為韌性斷裂。