铁基耐磨合金与45钢的组合烧结

一 Vo1．13 No．1 粉末冶金技术 Powder Metallurgy Technology 铁基耐磨合金与 45钢的组合烧结 里 查： 赖和怡 (北京科技大学，北京 100083) ， J|E屋罄． (北京市粉束冶金公司，北京 100050) TF ，I 5 摘要 研究7含铬耐磨铸铁的烧结台金与 45钢的组台烧结。试验发现，由／／ 于碳 、磷、硼的多元强化作用，在 Fe．5Cr．2Cu—iNi·1Mo台金粉末 中加入碳、 磷、硼等台金元素后，经压制及 11 2O℃真空烧结，可获得较高的密度和压溃 强度；该台金系与 45钢有很好的组台烧结性能，二者之间发 生界面迁移扩 散，产生冶叠结合}添加 3．5 石 墨、0．I 硼及 IO 铬 的烧结台金与 45钢 的粘结强度为 450MPa。 ． ‘ 主题词 真空烧结 粘结强度 烧结觖 台盎 I 前言 近年来，汽车工业的发展对汽车发动机 凸轮轴使用性能的要求 日益提高。近几年，北 京科技大学与山东莱阳粉束冶金厂联合研制 中空的组合式凸轮轴 ，即采用烧结铁基耐磨 合金做凸轮，轴部采用中空的钢管以减轻重 量，并通过组合烧结使二者联接在一起。这种 组合凸轮轴因重量轻、耐磨性好 ，凸轮位置可 以自由选择，生产灵活，适于快速更改设计等 特点，与传统的铸铁凸轮轴相 比，有很强的竞 争性。 本文采用铬系耐磨铸铁成分的合金体 系，利用铬系碳化物弥散分布在合金基体上 以满足耐磨性 的要求，同时利用这一合金系 在液相烧结时的高收缩率和扩散粘结 ，将烧 结合金与轴可靠地组合在一起。 2 实验方法 实验 采用 Fe一5Cr·2Cu—INi-IMo合金 系 中加入 o．S"AP，2．5～3．5 C、O～0．2"AB等 合金元索进行。混合料是由水雾化合金铁粉 · 周蕾，北京科技大学糟丰暗盒专业 1993年硕士毕业生 收稿日期i J994．9】7 (成分见表 1)、石墨粉及一200目的硼铁粉和 一 200目磷铁粉混制而成 。采用环状试样与 5钢轴芯组合，模拟凸轮和轴的结合状态。 样环的尺寸为 28．84ram， 14．03ram，高 lOmm。压制在 lOOt油压机上进行，压坯密度 5．5～5．8g／cm 。样环首先在 1000℃预烧 1h， 与 5钢轴芯组合装配后进行真空烧结。烧结 温度 1080～ 11 20~C，保温 时 间 lh，真空度 0．I3～0．OlPa，炉拎。样环的径向压溃强度按 ISO2739—1973进行，样环与轴芯的结 合强度的测定方法如图 1所示，计算为 — 青，运用扫描电镜对界面组织结构进行 观察 。 衰 l 水雾化台盎精的成分 wt Table l Colnp0蚰 蚰 of Iron alloy powder ④ 维普资讯 http://www.cqvip.com 铁基耐磨台金与 45钢的组合烧结 圉 1 粘结强度测试示意圈 1．垫块 2 45'膏I 3．烧结台叠 4．脱模套 F毡．I sch劬 _Ⅱc血 目舳 of binding 4 咖晤th detecm~ ~ullloll 3 结果与讨论 3．1 铁基烧结合金的性能 本文选用的合金系添加有石墨、磷、硼等 元素 在烧结过程中由于 Fe—p—C、Fe—P共晶 反应会产生大量共晶液相 ，促进烧结致密化 的进行 适量的硼不仅能降低液相形成的初 始温度，还将促进铬、钼等合金元素向液相快 速扩散，从而影响液相形成组织中弥散分布 的铬系碳化物的类型和数量，显著增加基体 的硬度和强度。 - 表 2为 在 合 金 中 分 别 添 加 2．5 和 3．5 石墨及不同含 量的硼，在 l120℃真空 烧结 lh后所得的有关性能。由表 2可以看 出，由于碳、磷、硼的多元强化烧结作用，烧结 合金的密度均大于 7．4og／cm ，硬度大 于 HRC54。对于添加 2．5 石墨的合金系，压溃 强度随硼含量的增加而提高。当硼含量增至 0．2 时，压溃强度下降。可见，在含 2．5 石 墨的合金系中添加 0．1 硼有 良好的强化作 用。在烧结过程中，硼主要富集在液相中。液 相冷却析出大量碳化物 ，最终形成二元或三 元含硼磷共晶。硼含量过高，将形成硬而脆的 含硼莱 氏体 ，使合金的脆性增加，降低材料的 综合性能 石墨添加量增至 3．5 的合金，加 入 0．1 硼就会使合金的压溃强度下降，在 这种合金中添加 0．04 硼可得到最高的压 溃强度。将合金系中的铬含量增至 l0 ，使 更多的碳、硼与铬形成复杂的铬系碳硼化物， 可减少碳、硼对合金脆性的影响，其压溃强度 可达 1960MPa。 衰 2 露加 2．5 、I 5 石墨殛不同■量烧结合盒的有关性能 Tlhk 2 Re[evlml 0州 I瞄 of摹|l-Iered alloy wiff~2．5 mnd 3 5 of gnq~hfle addison·nd d墒 啪 t b0rOn∞ nt蜘I怔 3．2 烧结合金与 5钢的结合强度 这种合金烧结时会产生大量液相，有较 高的烧结收缩率。在组合烧结时，试样会紧紧 箍住 45钢轴芯。同时外径会不断收缩，达到 该工艺条件下的致密化水平。 将过盈量定义为试样环单独烧结(不装 配在一起)时轴芯外径与试样环 内径的差值。 过盈率为过盈量与烧结前试样环内径的比 值 ，用它来表示二者结合的紧密程度 。圈 2为 添加 2．5 石墨及不同硼量的烧结合金的过 盈率、粘结强度随烧结温度的变化关系。可以 看出，过盈率及粘结强度随烧结温度的升高 维普资讯 http://www.cqvip.com 粉 末 冶 金 技 术 而增加。过盈率实质上反映了材料的烧结收 缩率 烧结温度升高 ，产生的液相数量增加， 内径收缩率增大，试样环与 45钢轴芯的结合 越紧密。与此同时 ，烧结合金的强度也由于烧 结密度的增加而提高 ，它与 45钢的粘结强度 也固之提高。实验中发现，试样环在脱除下来 的同时自身呈现放射状破碎，这说明试样环 与 45钢的粘结强度高于或相当于烧结合金 的剪切强度 在图 2中还标出了烧结合金的 粘结强度随硼添加量的变化。在 l120℃烧结 时，在含 2．5 石墨的合金中添加 0．1 硼获 得虽高的粘结强度，当添加硼量增至 0．2 时，粘结强度下降。 圉 2 蠡加 2．5％石墨及不 硼量饶结台盒的过 盈率及粘结强度与沮度的关系 F ． 2 Relltlon between the overage and binding strength，and the temperlLlure 0f sintered Ill0y with 2．E of ggaphite addition and dff[erent boron~olllents 添加硼量保持在 0．1 ，合金中石墨添加 量为 3．5 时，经 1120+C烧结，烧结合金与 5 钢的粘结强度仅为 185MPa，表现出脆性组织 对粘结强度的影响。将原来 5 的铬含量增加 到 10 ，粘结强度提高到 450MPa，这可能是 } 1 由于合金中形成复杂的碳硼化合物 ，产生了 弥散强化效果 ，同时减少了脆性 组织形成的 缘故。 英 国锰青铜金属粉末公司 G．Greetham 报 导 的类 似 合 金 与 45钢 的 粘 结 强 度 为 339MPa“ ，日本活塞环公司川村沼报导的类 似合金与铬铝钢的结合强度为 559MPa。 。 3．3 组合烧结结合界面的组织形貌 图 3(见下页)分别为添加 2．5 和 3．5 石墨及不同硼量的烧结 合金与 45钢组合烧 结界面的显微形貌(各图左侧为烧结合金，右 侧为 45钢)。由图 3可见，烧结合金一侧为典 型的液相烧结组织 ，由烧结温度下 的固相颗 粒和颗粒问共晶组织构成。 5钢一侧为粗大 的珠光体组织。可以发现，结合界面为不很光 滑的锯齿状 ，显然在结合界面上发生了相互 的物质迁移。从图 3a、d、f可以观察到跨越界 面的晶粒，并在 5钢一侧形成 了网状渗碳 体，这说明在烧结过程 中，烧结合金与 45钢 之间发生了有关元素的扩散及结合界面的迁 移，两者之间产生了冶金结合 ，从而具有较高 的界面结合强度 4 结论 (1)在 Fe一50"一2Cu一1Mo一1Ni合金系 中加 入 0．5 P、2．5～3．5 C、0～0．2 B等合金 元素后，由于碳、磷、硼的多元强化烧结作用， 在 ¨2O℃真空烧结 lh，可获得较高的烧结密 度(大于 7．4g／cm )及较高的压溃强度。 (2)该合金系与 45钢有 良好的组合烧结 性能。添加 3．5 石墨、0．1 硼、含铬 l0 的 烧结合金与 5钢的粘结强度可达 450MPa。 (3)烧结合金与 5钢烧结界面上发生元 素扩散及界面迁移，两者之间为抬金结合。 在本课题的研究过程中得到山东莱阳粉 来冶金厂尉少林 厂长及有关技术人员的支持 和帮助 ，特在此致谢。 维普资讯 http://www.cqvip.com No．1 铁基耐磨合金与 45钢的组合烧结 囝 3 不同石墨、霸蘑加■的烧结合盒与 d5钢组合烧结界面的组织形貌 漫蚀剂：5 硝酸酒精 Structural morphology 0l combined sinterlng interface betw~n Ihe sinteved alloy with different graphite and boron additions end 45 steel 口．添加 2．5 c b 添加 2 5 c，0 0‘ B(白线为 Mo元素线分布曲线) c 瀑加 2．5 C，O．1 B d 掭加 3 5 C，O O‘ B e．添加 3 5 C，O．1 B f．添加 S．5 c r0·l B，古 10 Cr 维普资讯 http://www.cqvip.com 粉 末 冶 金 技 术 、 ．13 5 参考文献 1 Greetham G，Clmttcrly T．Powder Metallurgy，1991，34(2) 2 营沼彻哉等． 少技术，1983，33(2)；l5l～159． COM BINED SINTERING BETW EEN IRoN BASED W EAR— RESISTANT ALLOY AND 45 STEEL Zhou ．La!Heyl (Belling University of Science and Technology，BeIjil1g 100083) Han FengUn ． (Belling Powder Metallurgy Company，1 00050) Abstract Com bined sint~ring between sintered alloy with the composition of chromium wear—resistant casting iron and 45 stee1．has been studed． It has bee found that relatively high density and crushing strength can be obtainde by adding alloying elements of carbon，phosphor，boron，etc．into Fe 5Cr 2Cu一1Ni一1Me alloy powder followed by compacting and vacuum sintering at 1120℃ as a result of the strenthening effects of carbon，phOSphor and boron multiple elements．The alloying system exhibits SU- perior property of combined sintering with 45 stee1．B~~CaUSe of diffusion displacement interface of bo th hasmetaHurgical hinding ．Th e binding streng th between sintered alloy and 45steel by adding 3．5 graphite，0．1 bo ron and 1 0 chromium is 450MPa． Key words vacutun sintering binding streng th sintered iron based ahoy · 简讯 · 第八届全国难熔金属学术交流会召开 1994年 l1月3～6日，三年一次的第八届全国难熔金属学术交流会在上海召开。会议共收到征文 90余 篇，经编辑加工后，选人论文集 86篇，并在会议前出版发行 这些论文与粉末冶金技术有关的为6O篇，约占总 数的三分之二强，包括综述 5篇，钨和钨合盒 28篇，钼和钼合金 20篇，睨钽粉末冶垒2篇，其它 5篇。这些文章 基本汇集和反映了自1991年以来我国难熔金属材料研究和生产的新进展。会议和论文集反映了这次会议的三 个特点 ① 有较多国内外难熔盘属材料(包括单个金属或合金系列>发展的综合性评述性文章}@ 难熔金属材 料新产品和新应用受到注意 ，有关的论文较多；@ 年轻人撰写的论文和参加会议的 比倒提高。这些情况说明， 一 方面这一领域的科技人员既着眼于国内外发展的大局和前景，又着眼于我国目前市场的需要和应用推广工 作，井取得较显著的成效。另一方面也说明虽然难熔金属材料的发展近年来受到一些方面的制约，存在一定的 困难，但仍在不断地继续发展，科技人员后继有人，新人辈出。因此，通过这次会议，大大鼓舞了与会人员继续 推进我国难熔金属材料发展的决心与信心。决定在 1997年继续召开九届全国难熔金属学术交流会。 大名供稿) 维普资讯 http://www.cqvip.com