一、前言

    本研究采用純金屬粉混制的高合金燒結鋼,考察熔滲銅對其組織的影響,以期對實際生產提供一些有益的指導.

　　作者在開發和研制粉末冶金排氣門座時發現:在鐵基粉末冶金材料中熔滲銅可以促進合金元素的擴散,從而使材料的合金化程度得到改善.

　　用銅和銅合金熔滲鐵基合金,是制造高強度燒結結構零件的一個有效方法.從五十年代以來,該工藝逐漸為人們所認識,應用范圍日益擴大.一般認為,熔滲主要是液相銅填充燒結材料內部孔隙的過程,它可以提高材料的密度,從而改善材料的力學性能.國內外的研究也多集中在熔滲銅工藝對材料力學性能的影響上[1,2],對組織的影響很少報道.

　　二、實驗方法

　　用2%硝酸酒精侵蝕拋光試樣,在OLYPUS金相顯微鏡下觀察金相組織,用能譜儀對試樣進行微區成分分析,用A-100型洛氏硬度計測量試樣表觀硬度,用HX-1000型顯微硬度計測量顯微硬度.

　　以Fe-C-Cu為基粉(其中C和Cu的質量分數分別為1.2%和5%),分別加入質量分數為5%的鎳、鉬、鎢、鉻粉,用V型混料機混粉后壓制成Φ23×6的試樣,在推桿式燒結爐中燒結試樣,燒結溫度1120℃,保溫4h,熔滲溫度1120℃,保護氣氛為分解氨,在水套冷卻帶中冷卻.

　　三、試驗結果與分析

Fe-Cu-5X(Ni、Mo、Cr、W)-C合金燒結4h和熔滲銅后的金相組織a)示燒結態Fe-Cu-5Ni-C合金的組織組成物有:淺色孤立區(上有孔隙);粗細不均勻的片層狀珠光體和沿其邊緣分布的網狀鐵素體.由圖5可知,基體鎳的分布是不均勻的,出現富鎳區和貧鎳區.淺色孤立區鎳含量較高,分布不均勻,組織也較為復雜:邊緣為針狀組織,顯微硬度650450HV0.01,為馬氏體和貝氏體;中心鎳譜線出現峰值,該區域的硬度值很低(132HV0.01),為固溶于Fe中的富鎳奧氏體.

　　4Fe-Cu-5W-C合金燒結態及熔滲銅后的金相組織(2%的硝酸酒精浸蝕)(a)燒結×200 (b)熔滲銅×200

　　Fe-Cu-5Ni-C合金燒結態及熔滲銅后的金相組織(2%的硝酸酒精浸蝕)(a)燒結×200(b)熔滲銅×200

　　Fe-Cu-5Cr-C合金燒結態及熔滲銅后的金相組織(2%的硝酸酒精浸蝕)(a)燒結×200(b)熔滲銅×200

　　Fe-Cu-5Mo-C合金燒結態及熔滲銅后的金相組織(2%的硝酸酒精浸蝕)(a)燒結×300(b)熔滲銅×300

　　由于鎳在固相燒結時擴散速度緩慢,在常規的燒結溫度和時間內很難達到均勻,于是基體不同區域里鎳的濃度不同,試樣在燒結爐的水套冷卻帶冷卻時,不同成分的區域將按不同的機制發生轉變,所以出現了上述復雜組織.

(b)為Fe-Cu-5Ni-C合金熔滲銅后的顯微組織.從組織組成物的形貌和分布及相應的顯微硬度值可以判斷出這些組織為:黑色團狀的珠光體及白色條塊狀滲碳體;針狀的貝氏體組織;沿其顆粒邊緣呈網狀分布的白色游離銅以及孔隙.圖6為Fe-Cu-5Ni-C試樣滲銅后顯微組織及相應區域的鎳元素的面分布圖,可以看到鎳在整個基體上分布較均勻,富鎳區和貧鎳區的含量差別不大.用相同方法分析其它合金的組織,結果見表1.(表1中同時列出相同成分合金鑄鍛態的組織.)

　　表1Fe-Cu-5X(Mo、Cr、W)-C合金的組織

　　四、討論

　　比較Fe-Cu-5X(Ni、Mo、W、Cr)-C試樣滲銅前后的組織形貌,可以看出滲銅工藝對粉末鋼的組織轉變影響較大:

　　(1)組織較為均勻,顆粒變得較規則,且大小比較均勻;

　　(2)孔隙數量減少,孔隙變得圓滑;

　　(3)組織形貌接近相同成分的致密鋼.

　　顯然,這些變化均是合金元素得到進一步擴散的結果.從滲銅的機理來解釋:當燒結溫度超過銅的熔點1083℃時,銅變為液體,由于銅對鐵有良好的浸潤性,在毛細管力的作用下,迅速沿鐵粉顆粒表面浸透,包裹在鐵粉顆粒表面并向顆粒內部擴散溶解,形成含8%銅的γ固溶體,而多余的銅則填充孔隙.所以滲銅后的組織變化首先是孔隙度減少了.

　　另外,銅熔滲鐵基合金時,雖然銅在γ-Fe中的溶解度很小,但液相的銅會在鐵及其它合金顆粒表面上形成所謂的“載體相”,該相成為物質遷移的載體,并通過溶解—析出機制,使合金元素均勻分布于基體上.

　　五、應用

　　本研究生產的粉末冶金排氣門座以純金屬粉混制,燒結溫度1120℃,熔滲溫度1120℃.其組織如圖7、圖8所示.圖7為FM-03排氣門座的燒結組織,從圖中可以看出,盡管經過1120℃、保溫2h的燒結,由于合金含量高,合金元素擴散很不充分,燒結組織也相當不均勻,而且粉末顆粒也清晰可見.制品硬度93HRB.

　　汽車發動機用的排氣門座是配氣機構的一個相當重要的零件,它與氣門共同完成對氣缸的密封作用.由于服役條件惡劣,其性能要求很高:即要耐磨、耐氧化和耐腐蝕,又要保持高溫硬度和強度.自用燒結材料替代傳統鑄鍛合金以來,燒結排氣門座的工藝和材料日趨成熟.國外一般采用真空爐、高溫液相燒結[5].而國內許多中、小型廠家通常達不到這種生產條件,那么如何利用現有的設備生產出高性能的排氣門座?本研究證明:在常規的燒結溫度(1150℃以下),通過熔滲銅處理即可實現.

    為FM-03燒結排氣門座熔滲銅后的顯微組織,從整體來看組織較均勻,基體除了少量的珠光體以外,全部為針狀組織(600～700HV0.01),另外還有白色塊狀的未溶碳化物(1095HV0.01)以及彌散的硬質顆粒(1320HV0.01).這顯然是由于銅促進合金元素擴散的結果.銅以游離的形式填充孔隙,還可以提高排氣門座在高溫工作時的導熱性和改善耐腐蝕性.熔滲銅后制品硬度達43HRC.

　　6結論

　　1)高合金燒結鋼在固相燒結溫度下,經熔滲銅處理,可以改善合金元素的擴散條件,提高合金元素的利用率,其組織接近鍛鋼.

　　2)熔滲銅燒結是液相燒結的特殊情況,銅作為“載體相”使合金元素的擴散速度較固相擴散快.

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本文關鍵詞： 銅,金相顯微鏡,顯微硬度計

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