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纳米铜粉对高速压制铁基粉末冶金零件性能的影响

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研究了用高速压制技术制备的纳米铜粉增强铁基合金制品的性能.在保持原料中铜粉总质量分数1.5%不变的情况下,将部分或全部微米级铜粉替换成纳米级铜粉,并通过高速压制技术制备了七种纳米铜粉质量分数分别为0、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%和1.50%的铁基合金制品试样,随后压坯于1150℃下烧结2h.研究发现铁基合金烧结制品的组织和性能得到改善,且尺寸精度得到有效控制.当纳米铜质量分数为0.75%时,烧结态合金的抗拉强度和硬度分别达到720.6MPa和94.7HRB.纳米铜质量分数为0.25%-1.5%时,所得试样的轴向和径向收缩率分别在0.4%-0.7%和-0.09%~-0.23%之间.
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D0L:10.13374.issn1001-053x.2013.10.015 第35卷第10期 北京科技大学学报 Vol.35 No.10 2013年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2013 纳米铜粉对高速压制铁基粉末冶金零件性能的影响 王文浩),尹海清1)凶,曲选辉1),Dil Faraz Khan,2) 1)北京科技大学材料科学与工程学院,北京1000832)本努科技大学物理系,本努28100,巴基斯坦 ☒通信作者,E-mail:hqyin@ustb.edu.cm 摘要研究了用高速压制技术制备的纳米铜粉增强铁基合金制品的性能.在保持原料中铜粉总质量分数1.5%不变 的情况下,将部分或全部微米级铜粉替换成纳米级铜粉,并通过高速压制技术制备了七种纳米铜粉质量分数分别为 0、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%和1.50%的铁基合金制品试样,随后压坯于1150℃下烧结2h.研究发现铁 基合金烧结制品的组织和性能得到改善,且尺寸精度得到有效控制.当纳米铜质量分数为0.75%时,烧结态合金的抗拉 强度和硬度分别达到720.6MPa和94.7HRB.纳米铜质量分数为0.25%~1.5%时,所得试样的轴向和径向收缩率分别 在0.4%0.7%和-0.09%-0.23%之间. 关键词粉末冶金:铁粉末:铜:纳米颗粒:压制:强化 分类号TF124:TF125 Effect of copper nanoparticles on strengthening of iron base P/M parts formed by high velocity compaction WANG Wen-hao),YIN Hai-ging),QU Xuan-hui),Dil Faraz Khan2) 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Department of Physics,University of Science and Technology Bannu,Bannu 28100,Pakistan Corresponding author,E-mail:hqyin@ustb.edu.cn ABSTRACT Cu nanopowders were used to improve the performance of iron based alloy products formed by high velocity compaction.Under the condition that Cu powders were remain unchanged as a constant of 1.5%,part or all of Cu micropowders were replaced by Cu nanopowders.Seven kinds of iron-based alloy product samples in which the mass fractions of Cu nanopowders were 0,0.25%,0.50%,0.75%,1.00%,1.25%and 1.50%respectively were prepared by high velocity compaction.The green compacts were sintered at 1150 C for 2 h subsequently.It is found that the microstructure and performance of the iron base P/M parts is improved and the dimensional accuracy is also effectively controlled with the addition of Cu nanopowders.The tensile strength and hardness of the sintered alloy which contains 0.75%of Cu nanopowders are 720.6 MPa and 94.7 HRB,respectively.The axial and radial shrinkages of the obtained samples are in the ranges of 0.4%to 0.7%and-0.09%to-0.23%respectively when the mass fraction of Cu nanopowders is from 0.25%to 1.50%. KEY WORDS powder metallurgy;iron powders;copper;nanoparticles;compaction;strengthening 生产高密度、高性能粉末冶金制品一直是粉末 高速压制技术(high velocity compaction,HVC) 治金领域的重点研究方向.随着粉末治金工业的不 是由瑞典H6 ganas公司于2001年在美国金属粉末 断发展,粉末冶金新技术新工艺的出现以及新材料 联合会上最先推出,它是在短时间内通过强烈的冲 应用的不断更新,采用先进成型技术结合新材料是 击波进行压制,使PM零件达到高致密化山.除 生产高性能粉末冶金零件的重要趋势. 了具有传统压制技术的特点外,高速压制技术还具 收稿日期:2012-09-17 基金项目:因家自然科学基金资助项目(51172018):因家重点基础研究发展计划资助项目(2006CB605207)

第 35 卷 第 10 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 10 2013 年 10 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Oct. 2013 纳米铜粉对高速压制铁基粉末冶金零件性能的影响 王文浩1),尹海清1) ,曲选辉1),Dil Faraz Khan1,2) 1) 北京科技大学材料科学与工程学院,北京 100083 2) 本努科技大学物理系,本努 28100,巴基斯坦 通信作者,E-mail: hqyin@ustb.edu.cn 摘 要 研究了用高速压制技术制备的纳米铜粉增强铁基合金制品的性能. 在保持原料中铜粉总质量分数 1.5%不变 的情况下,将部分或全部微米级铜粉替换成纳米级铜粉,并通过高速压制技术制备了七种纳米铜粉质量分数分别为 0、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%和 1.50%的铁基合金制品试样,随后压坯于 1150 ℃下烧结 2 h. 研究发现铁 基合金烧结制品的组织和性能得到改善,且尺寸精度得到有效控制. 当纳米铜质量分数为 0.75%时,烧结态合金的抗拉 强度和硬度分别达到 720.6 MPa 和 94.7 HRB. 纳米铜质量分数为 0.25%∼1.5%时,所得试样的轴向和径向收缩率分别 在 0.4%∼0.7%和 −0.09%∼−0.23%之间. 关键词 粉末冶金;铁粉末;铜;纳米颗粒;压制;强化 分类号 TF124; TF125 Effect of copper nanoparticles on strengthening of iron base P/M parts formed by high velocity compaction WANG Wen-hao1), YIN Hai-qing1) , QU Xuan-hui1), Dil Faraz Khan1,2) 1) School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Department of Physics, University of Science and Technology Bannu, Bannu 28100, Pakistan Corresponding author, E-mail: hqyin@ustb.edu.cn ABSTRACT Cu nanopowders were used to improve the performance of iron based alloy products formed by high velocity compaction. Under the condition that Cu powders were remain unchanged as a constant of 1.5%, part or all of Cu micropowders were replaced by Cu nanopowders. Seven kinds of iron-based alloy product samples in which the mass fractions of Cu nanopowders were 0, 0.25%, 0.50%, 0.75%, 1.00%, 1.25% and 1.50% respectively were prepared by high velocity compaction. The green compacts were sintered at 1150 ℃ for 2 h subsequently. It is found that the microstructure and performance of the iron base P/M parts is improved and the dimensional accuracy is also effectively controlled with the addition of Cu nanopowders. The tensile strength and hardness of the sintered alloy which contains 0.75% of Cu nanopowders are 720.6 MPa and 94.7 HRB, respectively. The axial and radial shrinkages of the obtained samples are in the ranges of 0.4% to 0.7% and −0.09% to −0.23% respectively when the mass fraction of Cu nanopowders is from 0.25% to 1.50%. KEY WORDS powder metallurgy; iron powders; copper; nanoparticles; compaction; strengthening 生产高密度、高性能粉末冶金制品一直是粉末 冶金领域的重点研究方向. 随着粉末冶金工业的不 断发展,粉末冶金新技术新工艺的出现以及新材料 应用的不断更新,采用先进成型技术结合新材料是 生产高性能粉末冶金零件的重要趋势. 高速压制技术 (high velocity compaction,HVC) 是由瑞典 H¨ogan¨as 公司于 2001 年在美国金属粉末 联合会上最先推出,它是在短时间内通过强烈的冲 击波进行压制,使 P/M 零件达到高致密化 [1] . 除 了具有传统压制技术的特点外,高速压制技术还具 收稿日期:2012-09-17 基金项目:国家自然科学基金资助项目 (51172018);国家重点基础研究发展计划资助项目 (2006CB605207) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.015

第10期 王文浩等:纳米铜粉对高速压制铁基粉末冶金零件性能的影响 .1341· 有压制效率高、低弹性后效、密度分布均匀、力学 XGP30行星式滚抛机上混炼一定时间,得到均匀的 性能优异等优点2-),最主要的是具有能连续多次 铁基混合粉.然后采用高速压制技术单次压制的方 压制的特点,对制品的性能有了更大的提高.高速 法制备铁基生坯零件.最后将制备的铁基生坯零件 压制技术突破了粉末冶金成形的局限性,是传统粉 在氢气保护气氛下于1150℃烧结1~2h,随炉冷 末压制成形技术一种极限式外延的结果[6-) 却,得到高性能的铁基零件 C纳米颗粒具有小尺寸效应,比表面积大阁.粒 实验基本工艺流程为:混料→高速压制一烧 径在4050nm的Cu纳米颗粒熔点只有490℃). 结→随炉冷却 通过用纳米级铜粉替换微米级铜粉的方法制备铁 本次实验按原料的不同共制备七组试样,每组 基粉末,在高速压制过程中,瞬间的能量传送 工艺制备三个试样,生坯和烧结密度以及力学性能 到粉末颗粒接触边界,使得颗粒边界温度急剧上 均取三试样测试数据的平均值以减小误差。 升0,此外由于Cu纳米颗粒的小尺寸效应和显 对于粉末冶金结构零件,抗拉强度和硬度是其 著的表面能,从而加剧压制过程粉末颗粒间的“冷 主要的力学性能指标,因此力学性能测试主要对 焊”现象,有利于随后烧结过程中烧结颈的形 烧结试样的抗拉强度和硬度作分析.实验采用微机 成,最终有助于烧结充分和提高烧结试样的力学性 控制电子万能试验机测试烧结试样的抗拉强度,测 能因此,本文采用高速压制技术成形含有纳米铜粉 试拉伸试样由压制圆柱试样切割成尺寸为3mm× 的铁基粉末零件,提高铁基粉末治金制品性能 4mm×25mm的“工”形件:硬度测试选择测量试 1 实验方法 样的HRB硬度。图1为“工”形件试样的示意图. 1.1实验材料 实验中使用的铁基合金粉末原料,由多种粉末 混合制备,其中羰基镍粉颗粒尺寸为38m,钼 铁粉中钼质量分数为60%.原料成分和含量以及试 样中微米级Cu和纳米级Cu含量如表1和表2所 示,其中包含七组含不同微米级Cu和纳米级Cu的 试样. 表1混合粉末成分(质量分数) Table 1 Composition of the mixed powder % 铁粉 石墨羰基钼铁粉微米级Cu纳米级Cu (-100目)(-400目)镍粉(-100目)(-400目)(50~80nm) 95.2 0.8 20.5 A B 注:A+B=1.5%。 图1拉伸试样示意图 表2不同试样中微米级Cu(A)和纳米级Cu(B)的质量 Fig.1 Schematic diagram of tensile test samples 分数 Table 2 Content proportion of micro size Cu(A)and nano- 结果与分析 Cu(B)in different samples % 2.1粉末形貌 试样123 4 5 67 对试样粉末进行了扫描电镜(SEM)及能谱 A 1.51.251.00.750.50.250 (EDS)分析,结果见图2和图3.从图2(a)中可 B 00.250.50.751.01.251.5 以清楚看出含纳米铜粉的混合粉表面形貌,白色的 1.2实验设备 纳米铜粉均匀散布在灰色的铁粉基体表面.图2(b) 实验压制所用设备为H6gans公司生产的 是图2(a)的局部放大图.结合图3的能谱显示可 HYP35-2型高速冲击成型压力机,使用直径为 知,C纳米颗粒均匀分布在铁基粉末颗粒的表面 25mm的圆柱模具.本次实验采用单次压制的方 (图中亮白色所示),且大部分呈“团聚”状态 法,最高压制能量为1590J. 22压制能量与生坯密度的关系 1.3实验工艺 不同试样在不同压制能量压制后生坯密度如 将所需的铁基粉末在充有高纯氩气的手套箱 图4(a)和(b)所示,图4(a)为各试样生坯密度与压 中配好,装入混料筒中并密封,混料筒中钢球的直 制能量关系的“横向”比较,图4(b)为各试样生坯 径为26mm,球料比为3:1,装填系数为50%.在 密度与压制能量关系的“纵向”比较.从图4(a)可以

第 10 期 王文浩等:纳米铜粉对高速压制铁基粉末冶金零件性能的影响 1341 ·· 有压制效率高、低弹性后效、密度分布均匀、力学 性能优异等优点 [2−5],最主要的是具有能连续多次 压制的特点,对制品的性能有了更大的提高. 高速 压制技术突破了粉末冶金成形的局限性,是传统粉 末压制成形技术一种极限式外延的结果 [6−7] . Cu纳米颗粒具有小尺寸效应,比表面积大 [8] . 粒 径在 40∼50 nm的Cu纳米颗粒熔点只有 490℃ [9] . 通过用纳米级铜粉替换微米级铜粉的方法制备铁 基粉末, 在高速压制过程中, 瞬间的能量传送 到粉末颗粒接触边界,使得颗粒边界温度急剧上 升 [10],此外由于 Cu 纳米颗粒的小尺寸效应和显 著的表面能,从而加剧压制过程粉末颗粒间的 “冷 焊” [11] 现象,有利于随后烧结过程中烧结颈的形 成,最终有助于烧结充分和提高烧结试样的力学性 能.因此,本文采用高速压制技术成形含有纳米铜粉 的铁基粉末零件,提高铁基粉末冶金制品性能. 1 实验方法 1.1 实验材料 实验中使用的铁基合金粉末原料,由多种粉末 混合制备,其中羰基镍粉颗粒尺寸为 3∼8 µm,钼 铁粉中钼质量分数为 60%. 原料成分和含量以及试 样中微米级 Cu 和纳米级 Cu 含量如表 1 和表 2 所 示,其中包含七组含不同微米级 Cu 和纳米级 Cu 的 试样. 表 1 混合粉末成分 (质量分数) Table 1 Composition of the mixed powder % 铁粉 石墨 羰基 钼铁粉 微米级 Cu 纳米级 Cu (–100 目) (–400 目) 镍粉 (–100 目) (–400 目) (50∼80 nm) 95.2 0.8 2 0.5 A B 注:A + B=1.5%。 表 2 不同试样中微米级 Cu (A) 和纳米级 Cu (B) 的质量 分数 Table 2 Content proportion of micro size Cu (A) and nano￾Cu (B) in different samples % 试样 1 2 3 4 5 6 7 A 1.5 1.25 1.0 0.75 0.5 0.25 0 B 0 0.25 0.5 0.75 1.0 1.25 1.5 1.2 实验设备 实验压制所用设备为 H¨ogan¨as 公司生产的 HYP35-2 型高速冲击成型压力机, 使用直径为 25 mm 的圆柱模具. 本次实验采用单次压制的方 法,最高压制能量为 1590 J. 1.3 实验工艺 将所需的铁基粉末在充有高纯氩气的手套箱 中配好,装入混料筒中并密封,混料筒中钢球的直 径为 2∼6 mm,球料比为 3︰1,装填系数为 50%. 在 XGP30 行星式滚抛机上混炼一定时间,得到均匀的 铁基混合粉. 然后采用高速压制技术单次压制的方 法制备铁基生坯零件. 最后将制备的铁基生坯零件 在氢气保护气氛下于 1150 ℃烧结 1∼2 h,随炉冷 却,得到高性能的铁基零件. 实验基本工艺流程为:混料 → 高速压制 → 烧 结 → 随炉冷却. 本次实验按原料的不同共制备七组试样,每组 工艺制备三个试样,生坯和烧结密度以及力学性能 均取三试样测试数据的平均值以减小误差。 对于粉末冶金结构零件,抗拉强度和硬度是其 主要的力学性能指标,因此力学性能测试主要对 烧结试样的抗拉强度和硬度作分析. 实验采用微机 控制电子万能试验机测试烧结试样的抗拉强度,测 试拉伸试样由压制圆柱试样切割成尺寸为 3 mm× 4 mm×25 mm 的 “工” 形件;硬度测试选择测量试 样的 HRB 硬度。图 1 为 “工” 形件试样的示意图. 图 1 拉伸试样示意图 Fig.1 Schematic diagram of tensile test samples 2 结果与分析 2.1 粉末形貌 对试样粉末进行了扫描电镜 (SEM) 及能谱 (EDS) 分析,结果见图 2 和图 3. 从图 2(a) 中可 以清楚看出含纳米铜粉的混合粉表面形貌,白色的 纳米铜粉均匀散布在灰色的铁粉基体表面. 图 2(b) 是图 2(a) 的局部放大图. 结合图 3 的能谱显示可 知,Cu 纳米颗粒均匀分布在铁基粉末颗粒的表面 (图中亮白色所示),且大部分呈 “团聚” 状态. 2.2 压制能量与生坯密度的关系 不同试样在不同压制能量压制后生坯密度如 图 4(a) 和 (b) 所示,图 4(a) 为各试样生坯密度与压 制能量关系的 “横向” 比较,图 4(b) 为各试样生坯 密度与压制能量关系的 “纵向” 比较.从图 4(a) 可以

·1342 北京科技大学学报 第35卷 900nm 图2含纳米Cu粉的铁基粉末的扫描电镜像(a)及其局部放大图(b) Fig.2 SEM image (a)and partial enlarged image(b)of the mixed iron powder containing Cu nanopowders Specrum 1 量为1590J时,不同试样的最高生坯密度和最低生 坯密度相差仅有0.69%.由此可知在可允许压制能 Fe ni 量范围内,压制能量越高,生坯密度越稳定.这是因 为当压制能量越高,克服颗粒与颗粒之间和颗粒与 Fe 模壁之间的摩擦所消耗的能量相对总的能量越小, Cu 更多的能量完全作用在使试样的致密上,因此生坯 0 345 6 7 8 9 密度相对稳定.从图4()可以看出,除了在最低压 能量/keV 制能量530J下压制之外,其他压制能量下压制时, 图3含纳米Cu的铁基粉末的能谱 试样1的生坯密度最高,即不含纳米Cu的生坯密 度最高.因为在粒度组成中,粗颗粒占比例大时粉 Fig.3 EDS spectrum of the mixed iron powder containing Cu 末流动性好,极细粉末占的比例愈大,流动性愈差 [2.当具有小尺寸效应的纳米Cu颗粒加入后,降 看出,生坯密度随着压制能量的增大而增大.在低 低了混合粉的流动性,从而影响了压制性能,导致 压制能量下,不同压制试样的生坯密度值差距较大, 含有纳米C的生坯密度相对较小.但是,在较低 即不同纳米C含量的试样的生坯密度值差距较大, 压制能量下的压制过程中,粉末颗粒之间的摩擦和 而在高压制能量下,不同压制试样的生坯密度值差 压缩率均较小,流行性差的C纳米颗粒对压制性 距较小.当压制能量为530J时,所有试样中的最高 能的影响不明显,因此在较低压制能量530J压制 生坯密度和最低生坯密度相差2.30%:而当压制能 时试样1的生坯密度并不是最高. 7.6 (a) (b) 压制能量 7.4 ☐530J 795J 1060 72 7.0 ■试样1 6.8 6.6 ◆ y 试样6 6.4 试样7 400 600 800 10001200 1400 1600 压制能量/幻 试样 图4压制能量对生坯密度的影响.()相同压制能量下不同纳米铜粉含量的生坯密度:(b)不同压制能量下的生坯密度对比 Fig.4 Effects of compaction energy on the green density of different compacts:(a)green densities of compacts with different Cu nanopowders at the same compaction energy;(b)comparison of green density at different compaction energies

· 1342 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 图 2 含纳米 Cu 粉的铁基粉末的扫描电镜像 (a) 及其局部放大图 (b) Fig.2 SEM image (a) and partial enlarged image (b) of the mixed iron powder containing Cu nanopowders 图 3 含纳米 Cu 的铁基粉末的能谱 Fig.3 EDS spectrum of the mixed iron powder containing Cu 看出,生坯密度随着压制能量的增大而增大. 在低 压制能量下,不同压制试样的生坯密度值差距较大, 即不同纳米 Cu 含量的试样的生坯密度值差距较大, 而在高压制能量下,不同压制试样的生坯密度值差 距较小. 当压制能量为 530 J 时,所有试样中的最高 生坯密度和最低生坯密度相差 2.30%;而当压制能 量为 1590 J 时,不同试样的最高生坯密度和最低生 坯密度相差仅有 0.69%. 由此可知在可允许压制能 量范围内,压制能量越高,生坯密度越稳定. 这是因 为当压制能量越高,克服颗粒与颗粒之间和颗粒与 模壁之间的摩擦所消耗的能量相对总的能量越小, 更多的能量完全作用在使试样的致密上,因此生坯 密度相对稳定. 从图 4(b) 可以看出,除了在最低压 制能量 530 J 下压制之外,其他压制能量下压制时, 试样 1 的生坯密度最高,即不含纳米 Cu 的生坯密 度最高. 因为在粒度组成中,粗颗粒占比例大时粉 末流动性好,极细粉末占的比例愈大,流动性愈差 [12] . 当具有小尺寸效应的纳米 Cu 颗粒加入后,降 低了混合粉的流动性,从而影响了压制性能,导致 含有纳米 Cu 的生坯密度相对较小. 但是,在较低 压制能量下的压制过程中,粉末颗粒之间的摩擦和 压缩率均较小,流行性差的 Cu 纳米颗粒对压制性 能的影响不明显,因此在较低压制能量 530 J 压制 时试样 1 的生坯密度并不是最高. 图 4 压制能量对生坯密度的影响. (a) 相同压制能量下不同纳米铜粉含量的生坯密度; (b) 不同压制能量下的生坯密度对比 Fig.4 Effects of compaction energy on the green density of different compacts: (a) green densities of compacts with different Cu nanopowders at the same compaction energy; (b) comparison of green density at different compaction energies

第10期 王文浩等:纳米铜粉对高速压制铁基粉末冶金零件性能的影响 ·1343· 2.3试样烧结密度和尺寸变化 和压制不完全致密留下的孔隙.其中试样1致密性 本实验烧结试样均为在1590J的压制能量下压 最好,几乎看不到孔隙,而其他试样有明显的孔隙 制的试样,烧结温度为1150℃,保温2h,随炉冷却, 这是因为Cu纳米粉体的加入使得粉末压制性能下 不同试样的烧结密度和烧结收缩率分别如表3和图 降,从而降低了烧结致密性.从试样2至试样7可以 5所示.从表3可以看出,试样1的密度略高于其 看出,烧结试样4中(纳米Cu的质量分数为0.75%) 余烧结试样,即含纳米C试样烧结密度较之不含 几乎看不到大的孔隙,这是由于当添加了适当质量 纳米C如试样的烧结密度有所降低,这主要是因为 的纳米Cu后,纳米Cu会在烧结过程早期形成液 含纳米C的生坯密度较低,从而导致烧结后密度 相4,并带动周围颗粒重排,促进原子扩散而填补 相对较低.从图5可以看到,不含纳米铜的试样的 了部分孔隙,弥补了压制过程中因压制性下降产生 轴向和径向收缩率分别在1.26%和-0.12%左右,而 孔隙的不足.试样4的富N区组织较其他试样相 含纳米C的试样轴向和径向收缩率较稳定,分别 对较少,珠光体分布的较均匀.因Ni有阻碍珠光体 在0.4%~0.7%和-0.09%-0.23%之间.此外,高速 转变的作用司,因此在富Ni区周围会有C的聚 压制试样的烧结尺寸变化不仅与铁基合金材料性质 集,当Ni扩散的充分时,C的聚集将会减少,有利 有关,并且与高速压制本身的压制特点也有关,这 于C的扩散,因此使得珠光体组织更均匀.由此可 方面有待研究者做进一步研究 知,适当的纳米Cu促进了合金元素的扩散,有利 于金相组织的均匀分布 表3各烧结试样的烧结密度 2.5烧结试样力学性能 Table 3 Sintered density of different compacts 图7和图8为不同试样的抗拉强度和硬度.从 试样 123 45 6 7 密度/(gcm-3)7.5237.4297.4337.4627.4497.4497.438 图7和图8不难看出,试样的抗拉强度和硬度随 着试样中纳米C含量的增加先增加后减小,试样 1.4 4(纳米C1的质量分数为0.75%)的抗拉强度和硬 1.2 ·轴向 ·径向 度均最大,分别为720.6MPa和94.7HRB.研究发 1.0 现0对于铁基粉末冶金零件,抗拉强度和硬度不 0.8 仅与材料本身性质有关,还与零件的烧结密度有关, 6 复04 抗拉强度和硬度随着烧结密度的提高而增大.由前 ■ 面分析数据可知,相同压制能量下,含纳米C试 0.2 样烧结密度低于不含纳米铜试样烧结密度,这说明 0.0 -0.2 加入适当纳米Cu可使其力学性能增加.这是因为 1 2 3 4 5 C纳米颗粒能通过混料均匀地分布于铁基粉末颗 6 试样 粒的表面,因此能更均匀地分布于生坯中粉末颗粒 的界面,Cu纳米颗粒的均匀分布有利于其在烧结 图5烧结试样轴向和径向收缩率 过程中更加均匀地扩散,并且在烧结过程中,因纳 Fig.5 Axial and radial shrinkages of different sintered sam- ples 米粉体具有低熔点性,铁基零件颗粒界面的熔点大 幅下降,降低了烧结温度[1.因此相邻铁基粉末颗 2.4烧结试样组织形貌 粒之间融合得更好,从而提高了铁基粉末颗粒之间 对于粉末冶金零件,材料基体的孔隙和显微组 的结合强度.另外,在烧结过程中,由于低熔点作 织共同决定了铁基烧结材料的最终力学性能:而 用,纳米C会较早地形成液相,在铁基颗粒之间 合金元素是否均匀分布和充分扩散对材料基体的孔 形成一层液相界面,为铁基粉末原子的扩散提供了 隙和显微组织形貌有着一定的影响,进而影响了铁 较早的扩散通道,延长了液相烧结时间,使得界面 基零件的力学性能.图6所示为不同试样烧结后 原子扩散更充分,从而进一步提高了铁基零件的强 的显微组织,图中P”代表珠光体,“V”代表孔度.总之,加入适量的纳米C有利于烧结,促进组 隙,“N”代表富Ni区。由图6可以看出所有试样 织均匀,提高零件性能:而过量的纳米C会降低 的组织主要都是由灰色和浅黑色的珠光体以及白色 混合粉的压制性能,导致零件密度降低,从而降低 的富Ni区构成,其中深黑色的部分为石墨扩散后 了零件的性能

第 10 期 王文浩等:纳米铜粉对高速压制铁基粉末冶金零件性能的影响 1343 ·· 2.3 试样烧结密度和尺寸变化 本实验烧结试样均为在 1590 J 的压制能量下压 制的试样,烧结温度为 1150 ℃,保温 2 h,随炉冷却, 不同试样的烧结密度和烧结收缩率分别如表 3 和图 5 所示. 从表 3 可以看出,试样 1 的密度略高于其 余烧结试样,即含纳米 Cu 试样烧结密度较之不含 纳米 Cu 试样的烧结密度有所降低,这主要是因为 含纳米 Cu 的生坯密度较低,从而导致烧结后密度 相对较低. 从图 5 可以看到,不含纳米铜的试样的 轴向和径向收缩率分别在 1.26%和 −0.12%左右,而 含纳米 Cu 的试样轴向和径向收缩率较稳定,分别 在 0.4%∼0.7%和 −0.09%∼−0.23%之间. 此外,高速 压制试样的烧结尺寸变化不仅与铁基合金材料性质 有关,并且与高速压制本身的压制特点也有关,这 方面有待研究者做进一步研究. 表 3 各烧结试样的烧结密度 Table 3 Sintered density of different compacts 试样 1 2 3 4 5 6 7 密度/(g·cm−3 ) 7.523 7.429 7.433 7.462 7.449 7.449 7.438 图 5 烧结试样轴向和径向收缩率 Fig.5 Axial and radial shrinkages of different sintered sam￾ples 2.4 烧结试样组织形貌 对于粉末冶金零件,材料基体的孔隙和显微组 织共同决定了铁基烧结材料的最终力学性能 [13];而 合金元素是否均匀分布和充分扩散对材料基体的孔 隙和显微组织形貌有着一定的影响,进而影响了铁 基零件的力学性能. 图 6 所示为不同试样烧结后 的显微组织,图中 “P” 代表珠光体,“V” 代表孔 隙,“N” 代表富 Ni 区。由图 6 可以看出所有试样 的组织主要都是由灰色和浅黑色的珠光体以及白色 的富 Ni 区构成,其中深黑色的部分为石墨扩散后 和压制不完全致密留下的孔隙. 其中试样 1 致密性 最好,几乎看不到孔隙,而其他试样有明显的孔隙. 这是因为 Cu 纳米粉体的加入使得粉末压制性能下 降,从而降低了烧结致密性. 从试样 2 至试样 7 可以 看出,烧结试样 4 中 (纳米 Cu 的质量分数为 0.75%) 几乎看不到大的孔隙,这是由于当添加了适当质量 的纳米 Cu 后,纳米 Cu 会在烧结过程早期形成液 相 [14],并带动周围颗粒重排,促进原子扩散而填补 了部分孔隙,弥补了压制过程中因压制性下降产生 孔隙的不足. 试样 4 的富 Ni 区组织较其他试样相 对较少,珠光体分布的较均匀. 因 Ni 有阻碍珠光体 转变的作用 [15],因此在富 Ni 区周围会有 C 的聚 集,当 Ni 扩散的充分时,C 的聚集将会减少,有利 于 C 的扩散,因此使得珠光体组织更均匀. 由此可 知,适当的纳米 Cu 促进了合金元素的扩散,有利 于金相组织的均匀分布. 2.5 烧结试样力学性能 图 7 和图 8 为不同试样的抗拉强度和硬度. 从 图 7 和图 8 不难看出,试样的抗拉强度和硬度随 着试样中纳米 Cu 含量的增加先增加后减小,试样 4(纳米 Cu 的质量分数为 0.75%) 的抗拉强度和硬 度均最大,分别为 720.6 MPa 和 94.7 HRB. 研究发 现 [10] 对于铁基粉末冶金零件,抗拉强度和硬度不 仅与材料本身性质有关,还与零件的烧结密度有关, 抗拉强度和硬度随着烧结密度的提高而增大. 由前 面分析数据可知,相同压制能量下,含纳米 Cu 试 样烧结密度低于不含纳米铜试样烧结密度,这说明 加入适当纳米 Cu 可使其力学性能增加. 这是因为 Cu 纳米颗粒能通过混料均匀地分布于铁基粉末颗 粒的表面,因此能更均匀地分布于生坯中粉末颗粒 的界面,Cu 纳米颗粒的均匀分布有利于其在烧结 过程中更加均匀地扩散,并且在烧结过程中,因纳 米粉体具有低熔点性,铁基零件颗粒界面的熔点大 幅下降,降低了烧结温度 [16] . 因此相邻铁基粉末颗 粒之间融合得更好,从而提高了铁基粉末颗粒之间 的结合强度. 另外,在烧结过程中,由于低熔点作 用,纳米 Cu 会较早地形成液相,在铁基颗粒之间 形成一层液相界面,为铁基粉末原子的扩散提供了 较早的扩散通道,延长了液相烧结时间,使得界面 原子扩散更充分,从而进一步提高了铁基零件的强 度. 总之,加入适量的纳米 Cu 有利于烧结,促进组 织均匀,提高零件性能;而过量的纳米 Cu 会降低 混合粉的压制性能,导致零件密度降低,从而降低 了零件的性能

.1344 北京科技大学学报 第35卷 试样1 试样2 试样3 100μm 1004m 1004m 试样4 试样5 试样6 试样7 100μm 100μm 100um 100um 图6不同试样在1150°烧结后的组织形貌 Fig.6 Microstructures of different samples sintered at 1150C 720 坯密度下降,压制能量较低时较为明显,压制能量 升高时不同试样密度差值逐渐降低. 710 (2)含纳米C的烧结试样的轴向尺寸比未 700 含纳米C的烧结试样更稳定,不含纳米铜的试 690 样的轴向和径向收缩率分别在1.26%和-0.12%左 右,而含纳米铜试样的轴向和径向收缩率分别在 680 0.4%0.7%和-0.09%w0.23%之间 670 (3)纳米C的加入有利于烧结过程中合金 7 元素的扩散和组织均匀.当纳米C质量分数 试样 为0.75%时,烧结态试样抗拉强度和硬度分别达到 图7 不同烧结试样的抗拉强度 720.6MPa和94.7HRB,较不含纳米Cu试样的抗 Fig.7 Tensile strength of different sintered samples 拉强度及硬度有明显的提高. 95.0 致谢 94.5 94.0 研究工作曾得到美国肯纳金属有限公司的资 93.5 助,在此表示感谢 93.0 鼍 92.5 92.0 参考文献 91.5 91.0 [1]Skoglund P.Kejzelman M,Hauer I.High density PM com- 90.5 ponents by high velocity compaction//Advances in Pow- 4 试样 der Metallurgy Particulate Materials-2002:Part 4.Or- 1ando,2002:85 图8 不同烧结试样的硬度 [2]Chi Y,Guo S J,Meng F,et al.High velocity compaction Fig.8 Hardness of different sintered samples in powder metallurgy.Powder Metall Ind,2005,15(6):41 (迟悦,果世驹,孟飞,等.粉末治金高速压制成形技术.粉 3结论 末治金工业,2005,15(6):41) [3]Shen Y X,Xiao Z Y,Wen L P,et al.Principle,charac- (1)高速压制过程中,铁基合金生坯密度随着 teristics and status of high velocity compaction in powder 压制能量的升高而增加,相同压制能量下不同试样 metallurgy.Powder Metall Ind,2006,16(3):19 之间密度存在差值,含纳米Cu的铁基粉末会使生 (沈元勋,肖志瑜,温利平,等。粉未治金高速压制技术的原

· 1344 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 图 6 不同试样在 1150◦ 烧结后的组织形貌 Fig.6 Microstructures of different samples sintered at 1150◦C 图 7 不同烧结试样的抗拉强度 Fig.7 Tensile strength of different sintered samples 图 8 不同烧结试样的硬度 Fig.8 Hardness of different sintered samples 3 结论 (1) 高速压制过程中,铁基合金生坯密度随着 压制能量的升高而增加,相同压制能量下不同试样 之间密度存在差值,含纳米 Cu 的铁基粉末会使生 坯密度下降,压制能量较低时较为明显,压制能量 升高时不同试样密度差值逐渐降低. (2) 含纳米 Cu 的烧结试样的轴向尺寸比未 含纳米 Cu 的烧结试样更稳定,不含纳米铜的试 样的轴向和径向收缩率分别在 1.26%和 −0.12%左 右,而含纳米铜试样的轴向和径向收缩率分别在 0.4%∼0.7%和 –0.09%∼–0.23%之间. (3) 纳米 Cu 的加入有利于烧结过程中合金 元素的扩散和组织均匀. 当纳米 Cu 质量分数 为 0.75%时,烧结态试样抗拉强度和硬度分别达到 720.6 MPa 和 94.7 HRB,较不含纳米 Cu 试样的抗 拉强度及硬度有明显的提高. 致谢 研究工作曾得到美国肯纳金属有限公司的资 助,在此表示感谢. 参 考 文 献 [1] Skoglund P, Kejzelman M, Hauer I. High density PM com￾ponents by high velocity compaction // Advances in Pow￾der Metallurgy & Particulate Materials-2002: Part 4. Or￾lando, 2002: 85 [2] Chi Y, Guo S J, Meng F, et al. High velocity compaction in powder metallurgy. Powder Metall Ind, 2005, 15(6): 41 (迟悦, 果世驹, 孟飞, 等. 粉末冶金高速压制成形技术. 粉 末冶金工业, 2005, 15(6): 41) [3] Shen Y X, Xiao Z Y, Wen L P, et al. Principle, charac￾teristics and status of high velocity compaction in powder metallurgy. Powder Metall Ind, 2006, 16(3): 19 (沈元勋, 肖志瑜, 温利平, 等. 粉末冶金高速压制技术的原

第10期 王文浩等:纳米铜粉对高速压制铁基粉末冶金零件性能的影响 ·1345· 理、特点及其研究进展.粉末治金工业,2006,16(3):19) (王建忠.铁粉和铜粉高速压制成形及致密化规律研究[学 [4]Zhou S Y,Yin H Q,Qu X H.Research status of high veloc- 位论文1.北京:北京科技大学,2009:62) ity compaction technology in powder metallurgy.Mater [11 Zhang J F,Zhou Z F.Frictional Wear and Anti-Wear Reu,2007,21(7):79 Technology.Tianjin:Tianjin Science and Technology (周晟宇,尹海清,曲选辉.粉末冶金高速压制技术的研究 Translation Publishing Company,1993:103 进展.材料导报,2007,21(7):79) (张剑锋,周志芳.摩擦磨损与抗磨损技术.天津:天津科技 [5]Wang J Z,Qu X H,Yin H Q,et al.High velocity com- 翻译出版公司,1993:103) paction of ferrous powder.Chin J Mater Res,2008,22(6): [12]Huang P Y.Theory of Power Metallurgy.2nd Ed.Bei- 589 jing:Metallurgical Industry Press,2008:133 (王建忠,曲选辉,尹海清,等。铁粉的高速压制成形.材料 (黄培云.粉末冶金原理.2版.北京:冶金工业出版社, 研究学报.2008,22(6):589) 2008:133) [6]Richard F.HVC punches PM to new mass production [13]Khaleghi M,Haynes R.Sintering and heat treatment of limits.Met Powder Rep,2002,57(9):26 steels made from a partially prealloyed iron powder.Pow- [7]Orban R L.New research directions in powder metallurgy. der Metallurgy,1985,28(4):217 Rom Rep Phys,.2004,56(3):505 [14]Liu W,Deng X Y,Zhang Z K.Research of thermal stabil- 8]James B.Recent developments in ferrous powder metal- ity of nano-copper particles.Phys Test Chem Anal Part lurgy alloys.Int J Powder Metall,1994,3(2):157 A Phys Test,2004,40(2):64 [9]Lin J X.Preparation and phase transformation of Al-Fe- (刘伟,邓小燕,张志焜.纳米铜粒子的热稳定性研究.理化 V-Si(Nd)nanocrystal powder.Phys Test Chem Anal Part 检验:物理分册,2004,40(2):64) A Phys Test,.2001,37(3):97 [15]Leander F,Rease I.Mechanical properties and microstruc- (林锦新.A-Fe-V-Si(Nd)合金纳米品粉末的制备及相转 ture of gas quenched PM alloys.Int J Powder Metall, 变的研究.理化检验:物理分册,2001,37(3):97) 1986,22(2):97 [10]Wang J Z.Study on Densifying Law and High Velocity [16 Zhang L D,Mou J M.Nano-Materials and Nano- Compaction of Iron and Copper Powders [Dissertation]. Structure.Beijing:Science Press,2001:60 Beijing:University of Science and Technology Beijing, (张立德,牟季美。纳米材料和纳米结构。北京:科学出版 2009:62 社,2001:60)

第 10 期 王文浩等:纳米铜粉对高速压制铁基粉末冶金零件性能的影响 1345 ·· 理、特点及其研究进展. 粉末冶金工业, 2006, 16(3): 19) [4] Zhou S Y, Yin H Q, Qu X H. Research status of high veloc￾ity compaction technology in powder metallurgy. Mater Rev, 2007, 21(7): 79 (周晟宇, 尹海清, 曲选辉. 粉末冶金高速压制技术的研究 进展. 材料导报, 2007, 21(7): 79) [5] Wang J Z, Qu X H, Yin H Q, et al. High velocity com￾paction of ferrous powder. Chin J Mater Res, 2008, 22(6): 589 (王建忠, 曲选辉, 尹海清, 等. 铁粉的高速压制成形. 材料 研究学报, 2008, 22(6): 589) [6] Richard F. HVC punches PM to new mass production limits. Met Powder Rep, 2002, 57(9): 26 [7] Orban R L. New research directions in powder metallurgy. Rom Rep Phys, 2004, 56(3): 505 [8] James B. Recent developments in ferrous powder metal￾lurgy alloys. Int J Powder Metall, 1994, 3(2): 157 [9] Lin J X. Preparation and phase transformation of Al-Fe￾V-Si(Nd) nanocrystal powder. Phys Test Chem Anal Part A Phys Test, 2001, 37(3): 97 (林锦新. Al-Fe-V-Si(Nd) 合金纳米晶粉末的制备及相转 变的研究. 理化检验: 物理分册, 2001, 37(3): 97) [10] Wang J Z. Study on Densifying Law and High Velocity Compaction of Iron and Copper Powders [Dissertation]. Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2009: 62 (王建忠. 铁粉和铜粉高速压制成形及致密化规律研究 [学 位论文]. 北京: 北京科技大学, 2009: 62) [11] Zhang J F, Zhou Z F. Frictional Wear and Anti-Wear Technology. Tianjin: Tianjin Science and Technology Translation Publishing Company, 1993: 103 (张剑锋, 周志芳. 摩擦磨损与抗磨损技术. 天津: 天津科技 翻译出版公司, 1993: 103) [12] Huang P Y. Theory of Power Metallurgy. 2nd Ed. Bei￾jing: Metallurgical Industry Press, 2008: 133 (黄培云. 粉末冶金原理. 2 版. 北京: 冶金工业出版社, 2008: 133) [13] Khaleghi M, Haynes R. Sintering and heat treatment of steels made from a partially prealloyed iron powder. Pow￾der Metallurgy, 1985, 28(4): 217 [14] Liu W, Deng X Y, Zhang Z K. Research of thermal stabil￾ity of nano-copper particles. Phys Test Chem Anal Part A Phys Test, 2004, 40(2): 64 (刘伟, 邓小燕, 张志焜. 纳米铜粒子的热稳定性研究. 理化 检验: 物理分册, 2004, 40(2): 64) [15] Leander F, Rease I. Mechanical properties and microstruc￾ture of gas quenched PM alloys. Int J Powder Metall, 1986, 22(2): 97 [16] Zhang L D, Mou J M. Nano-Materials and Nano￾Structure. Beijing: Science Press, 2001: 60 (张立德, 牟季美. 纳米材料和纳米结构. 北京: 科学出版 社, 2001: 60)

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