MnS添加方式对Fe-Cu-C-MnS烧结钢力学性能影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.05.006 第17卷第5期 北京科技大学学报 Vol.17 No.5 19950 Journal of University of Science and Technology Beijing 0t19% MnS添加方式对Fe-Cu-C-MnS烧结钢 力学性能影响 蔡勇)王晓明)赖和怡)刘秀珍2)韩凤麟) )北京科技大学材料系，北京1000832)北京粉末冶金公司 摘要比较了混合法及预合金法添加MnS的Fe-Cu一C-MnS烧结钢中MnS分布特点和钢的力 学性能的差异.结果发现：采用混合法添加MS时，存在于铁颗粒间的MS将影响铁颗粒间的 烧结，降低了铁颗粒间连接强度，降低了烧结钢的力学性能：而采用预合金法添加MS时，MnS 均匀分布于烧结体内部，对铁颗粒间烧结影响很小，故不影响Fe-Cu一C-MS烧结钢的力学 性能， 关键词粉末冶金，烧结钢，力学性能 中图分类号T下123.11 Influence of MnS Addictive Methods on Mechanical Properties of Fe-Cu-C-MnS Sintered Steels' Cai Yong1)Wang Xiaoming)Lai Heyi)Liu Xiuzhen 2)Han Fenglin 2) 1)Department of Material Science and Engineering.USTB.Beijing 100083,PRC 2)Beijing Powder Metallurgy Corporation ABSTRACT The difference between MnS distribution and mechanical properties of Fe-Cu-C-MnS sintered steels with admixed and pre-alloyed MnS is compared.It is found that when MnS is admixed,MnS particals between Fe powders affect the sintering of Fe powders,so the bounding strength of Fe powders and mechanical prop- erties of Fe-Cu-C-MnS sintered steel is lowered.While MnS is pre-alloyed,MnS is distributed inside Fe powder,it has no influence on sintering between Fe powders and mechanical properties of sintered steel. KEY WORDS powder metallurgy,sintered steel,mechanical property MnS是一种能改善各类烧结钢切削性能的添加剂，与其他添加剂（如S、Se、Te、Pb 等)相比具有较高的热稳定性（熔点1630℃），在烧结过程中不挥发、无毒，对烧结设备 及环境无污染.而且MnS对压坯、烧结制品的尺寸及烧结性能无明显的影响.MnS可以显 著地改善烧结钢的切削性能，如减小切削力、延长刀具寿命等~列 1994-12-01收稿 第一作者男30岁博士 ◆机械部“八五"攻关项目

第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 姚 年 月 如 《〕沈 望巧 添加方式对 一 一 一 烧结钢 力学性 能影 响 ’ 蔡 勇 ’ 王 晓 明 ’ 赖 和 怡 ’ 刘 秀珍 ’ 韩凤麟 北 京科技大学材料系 ， 北 京 《 犯 北 京粉末冶金公 司 摘要 比较 了混合法 及 预合金法 添加 心 的 一 一 一 烧结钢 中 分布特点和钢的力 学性 能的差 异 结果发现 采用 混合法 添加 时 存 在于 铁颗粒 间的 将影 响铁颗粒 间 的 烧结 ， 降低 了铁颗粒 间连接强 度 ， 降低 了烧结 钢的力学性能 而 采用预合金法添加 沼 时 ， 均 匀分布于 烧结体 内部 ， 对铁颗粒 间烧 结 影 响 很 小 ， 故 不 影 响 一 一 一 烧结钢 的力学 性 能 关健词 粉末冶金 ， 烧结钢 ， 力学性 能 中图分类号 二 一 一 一 ’ 肠叩 不口俐 ’ 切 万即 ’ 乙 胡 ’ 月 ” 月叨娜认 ， ， ， 一 一 一 而 一 ， ， · 一 一 一 一 ， ， ， ， 是一 种能 改 善各类 烧 结 钢 切 削性 能 的 添 加 剂 ， 与其 他 添 加 剂 如 、 、 、 等 相 比具有较高 的热稳定 性 熔 点 ℃ ， 在烧结 过 程 中不 挥 发 、 无 毒 ， 对烧 结 设 备 及 环境 无 污染 而且 对压坯 、 烧结 制 品 的尺寸 及烧结性 能无 明显 的影 响 可 以 显 著地 改 善烧结钢 的切 削性 能 ， 如减小切 削力 、 延 长刀 具 寿命等 〔 ’ 一 ’ 一 一 收 稿 第 一 作 者 男 岁 博 士 机 械部 “ 八五 ’ 攻 关 项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1995．05．006

·430 北京科技大学学报 1995年No.5 在工程实践中发现，MnS在Fe-Cu-C-MnS烧结钢中的分布及其对力学性能的影响 取决于MnS的添加方式，本文拟就此进行研究， 1 实验过程 采用普通水雾化铁粉配以2.0%Cu、0.8%C和一定含量的MnS进行混合制成Fe-Cu- C-MnS混合粉，并与采用预合金法添加MnS的日本水雾化粉6OOMS进行对比实验.2种 铁粉的成分示于表1. 表12种水雾化铁的主要化学成分/% 铁粉 0 C Mn P Si Fe 普通水雾化Fe粉 0390 0.011 0.012 0.130 0.016 余量 日本600MS粉 0.120 0.001 0.318 0.210 0.0150.010 余量 按照JB2865-89和JB2866-86所规定的尺寸压制成拉伸试样和夏氏冲击试样，保证试 样压制密度均处于规定范围，烧结在工业炉中进行，烧结温度为1080℃，烧结时间1， 分解氨气氛保护，按照GB7964-87和GB9096-88分别在MTS-810材料试验机和JB-5型 夏氏冲击试验机上进行抗拉强度和冲击韧性值测定，并测量样品的洛氏硬度(RB),样品 的组织和断口均用S-25OMK3扫描电子显微镜(SEM)）和附设能谱仪(EPMA)进行形貌 及化学成分分析， 2结果分析 2.1烧结密度和力学性能与MnS含置的关系 样品烧结密度和力学性能与MnS含量的关系表示在表2中.由表2可知，在MnS含量 为0~1.5%范围时，烧结密度无明显变化；采用混合法加入MnS的Fe-Cu-C-MnS烧结 钢的抗拉强度、冲击韧性均低于预合金法加人MnS的Fe-Cu-C-MnS烧结钢的相应性 能，而且随MS含量的增加，其抗拉强度、冲击韧性和洛氏硬度(HRB)均减小. 表22种烧结钢密度和力学性能与MS含量的关系 钢种 烧结密度/g·cm3抗拉强度/MPa冲击韧性，×I心小·m2硬度(HRB) Fe-Cu-C-0 MnS 6.6 350 5.2 55 Fe-Cu-C-0.3 MnS 6.5 350 52 52 Fe-Cu-C-0.5%MnS 6.5 380 5.2 50 Fe-Cu-C-0.8 MnS 6.5 300 4.8 48 Fe-Cu-C-1.0%MnS 6.5 260 4.4 46 Fe-Cu-C-1.5%MnS 6.5 230 4.4 44 600MS-Cu-C 6.7 415 10 郊 22烧结钢的显微组织 2种烧结钢的显微组织如图1所示，由图可见，这两种烧结钢的显微组织都是粗大的片

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 年 在 工 程 实践 中发 现 ， 在 一 一 一 烧结钢 中的分 布 及 其 对力 学 性 能 的 影 响 取决于 的添加方 式 ， 本文拟就 此进行研究 实验过程 采 用普通 水雾 化铁粉 配 以 、 和 一定含 量 的 进行混合制 成 一 一 一 混合 粉 ， 并 与采 用预合金 法添加 的 日本水雾 化 粉 进 行 对 比 实 验 种 铁粉 的成分示 于 表 表 种水雾化铁的主要化学成分 铁粉 普通水雾化 粉 如 一 余量 日本 以刃 粉 的 余量 按 照 一 和 一 所规定 的尺寸压制成拉伸试样 和 夏 氏 冲击 试 样 ， 保 证 试 样 压 制 密 度 均 处于 规定 范 围 烧 结 在 工 业炉 中进行 ， 烧结温度 为 ℃ ， 烧 结 时 间 ， 分解 氨气 氛保 护 按 照 一 和 一 分别 在 飞 一 材料 试验机和 一 型 夏 氏冲击试验机上 进行抗 拉强度 和冲击韧性 值测定 ， 并测量样 品的 洛 氏硬 度 样 品 的组织 和 断 口 均 用 一 扫描 电子显微镜 和 附设 能谱仪 进行形貌 及化学成分分析 结果分析 烧结密度 和 力学性能与 含最 的关 系 样 品烧结 密度 和 力 学性 能 与 含量 的 关 系表示 在 表 中 由表 可 知 ， 在 含 量 为 一 范 围 时 ， 烧结 密度 无 明显 变化 采 用混合法加人 的 一 一 一 烧结 钢 的抗 拉 强 度 、 冲 击 韧 性 均 低 于 预 合 金 法 加 人 的 一 一 一 烧 结 钢 的相 应 性 能 ， 而 且 随 含量 的增 加 ， 其抗 拉强度 、 冲击韧性 和 洛 氏硬 度 均减小 表 种烧结钢密度和 力学性能与 峪 含 的关系 钢种 烧结密 度 · 一 ， 抗拉强度 冲击韧性 ， · 一 ， 硬度 一 一 一 刃 凡 一 一 一 一 一 一 一 一 一 住 的 一 一 一 印 一 一 一 科 仗日 一 一 烧结钢 的显微组 织 种烧结钢 的显微组织 如 图 所 示 由图可 见 ， 这 两 种 烧 结 钢 的显 微 组织 都是粗大 的片

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· · 北 京 科 技 大 学 学 报 年 在 工 程 实践 中发 现 ， 在 一 一 一 烧结钢 中的分 布 及 其 对力 学 性 能 的 影 响 取决于 的添加方 式 ， 本文拟就 此进行研究 实验过程 采 用普通 水雾 化铁粉 配 以 、 和 一定含 量 的 进行混合制 成 一 一 一 混合 粉 ， 并 与采 用预合金 法添加 的 日本水雾 化 粉 进 行 对 比 实 验 种 铁粉 的成分示 于 表 表 种水雾化铁的主要化学成分 铁粉 普通水雾化 粉 如 一 余量 日本 以刃 粉 的 余量 按 照 一 和 一 所规定 的尺寸压制成拉伸试样 和 夏 氏 冲击 试 样 ， 保 证 试 样 压 制 密 度 均 处于 规定 范 围 烧 结 在 工 业炉 中进行 ， 烧结温度 为 ℃ ， 烧 结 时 间 ， 分解 氨气 氛保 护 按 照 一 和 一 分别 在 飞 一 材料 试验机和 一 型 夏 氏冲击试验机上 进行抗 拉强度 和冲击韧性 值测定 ， 并测量样 品的 洛 氏硬 度 样 品 的组织 和 断 口 均 用 一 扫描 电子显微镜 和 附设 能谱仪 进行形貌 及化学成分分析 结果分析 烧结密度 和 力学性能与 含最 的关 系 样 品烧结 密度 和 力 学性 能 与 含量 的 关 系表示 在 表 中 由表 可 知 ， 在 含 量 为 一 范 围 时 ， 烧结 密度 无 明显 变化 采 用混合法加人 的 一 一 一 烧结 钢 的抗 拉 强 度 、 冲 击 韧 性 均 低 于 预 合 金 法 加 人 的 一 一 一 烧 结 钢 的相 应 性 能 ， 而 且 随 含量 的增 加 ， 其抗 拉强度 、 冲击韧性 和 洛 氏硬 度 均减小 表 种烧结钢密度和 力学性能与 峪 含 的关系 钢种 烧结密 度 · 一 ， 抗拉强度 冲击韧性 ， · 一 ， 硬度 一 一 一 刃 凡 一 一 一 一 一 一 一 一 一 住 的 一 一 一 印 一 一 一 科 仗日 一 一 烧结钢 的显微组 织 种烧结钢 的显微组织 如 图 所 示 由图可 见 ， 这 两 种 烧 结 钢 的显 微 组织 都是粗大 的片

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· · 北 京 科 技 大 学 学 报 年 在 工 程 实践 中发 现 ， 在 一 一 一 烧结钢 中的分 布 及 其 对力 学 性 能 的 影 响 取决于 的添加方 式 ， 本文拟就 此进行研究 实验过程 采 用普通 水雾 化铁粉 配 以 、 和 一定含 量 的 进行混合制 成 一 一 一 混合 粉 ， 并 与采 用预合金 法添加 的 日本水雾 化 粉 进 行 对 比 实 验 种 铁粉 的成分示 于 表 表 种水雾化铁的主要化学成分 铁粉 普通水雾化 粉 如 一 余量 日本 以刃 粉 的 余量 按 照 一 和 一 所规定 的尺寸压制成拉伸试样 和 夏 氏 冲击 试 样 ， 保 证 试 样 压 制 密 度 均 处于 规定 范 围 烧 结 在 工 业炉 中进行 ， 烧结温度 为 ℃ ， 烧 结 时 间 ， 分解 氨气 氛保 护 按 照 一 和 一 分别 在 飞 一 材料 试验机和 一 型 夏 氏冲击试验机上 进行抗 拉强度 和冲击韧性 值测定 ， 并测量样 品的 洛 氏硬 度 样 品 的组织 和 断 口 均 用 一 扫描 电子显微镜 和 附设 能谱仪 进行形貌 及化学成分分析 结果分析 烧结密度 和 力学性能与 含最 的关 系 样 品烧结 密度 和 力 学性 能 与 含量 的 关 系表示 在 表 中 由表 可 知 ， 在 含 量 为 一 范 围 时 ， 烧结 密度 无 明显 变化 采 用混合法加人 的 一 一 一 烧结 钢 的抗 拉 强 度 、 冲 击 韧 性 均 低 于 预 合 金 法 加 人 的 一 一 一 烧 结 钢 的相 应 性 能 ， 而 且 随 含量 的增 加 ， 其抗 拉强度 、 冲击韧性 和 洛 氏硬 度 均减小 表 种烧结钢密度和 力学性能与 峪 含 的关系 钢种 烧结密 度 · 一 ， 抗拉强度 冲击韧性 ， · 一 ， 硬度 一 一 一 刃 凡 一 一 一 一 一 一 一 一 一 住 的 一 一 一 印 一 一 一 科 仗日 一 一 烧结钢 的显微组 织 种烧结钢 的显微组织 如 图 所 示 由图可 见 ， 这 两 种 烧 结 钢 的显 微 组织 都是粗大 的片

Vol.17 No.5 蔡勇等：MnS添加方式对Fe一Cu一C-MnS烧结钢力学性能影响 433 2种烧结钢中，微裂纹在孔隙尖角及MnS与铁界面处萌生，但由于MnS添加方式的不 同，裂纹扩展过程有所不同.对于混合法添加MS方式而言，由图5可知，微裂纹将优 先沿孔隙尖角和铁颗粒间方向扩展(P-B方向)，MS的存在减小了铁颗粒间连结的有效 面积，降低了连接强度.而在600MS烧结钢中，MS主要分布于铁颗粒内，铁颗粒烧结颈 MnS MnS B Fe(F) B B -Cu- Fe(P) Fe(P) -Cu MnS 一Fe(F) 图52种烧结钢显微组织 上很少有MnS夹杂，裂纹若仍沿P-B方向扩展时，由于无MnS夹杂减小Fe颗粒间连接 面积，裂纹扩展所需能量就高，铁颗粒间的连接强度就大一些；若裂纹扩展方向沿孔隙尖角 与铁颗粒内夹杂方向(P一B'或P-B”方向)，裂纹扩展路径就明显增长，所需能量更高， 4结论 (1)混合法添加MS时，绝大部分MnS分布于铁颗粒烧结颈部，而采用预合金法添加 MnS时，绝大部分MnS分布于铁颗粒内部.烧结体断裂时，裂纹扩展的路径不同，所需 能量不同· (2)MnS分布状态不同，造成了2种烧结钢中Fe颗粒间连接强度不同，从而使两者力 学性能不同.预合金法添加MnS优于混合物. 致谢在力学性能实验过程中曾得到北京航空材料研究所习年生、贺书奎工程师的热情帮助，在此表示诚 挚的感谢. 参考文献 1 Capus J M.Machinability Studies with Sintered Ferrous Alloys.Metal Powder Report,1982, 37(5):247~262 2 James P J.The Machinability of Sintered Steel.PMI,1990,22(6):19~23 3 Mashi S J,Smith D W.Properties of Powder Forged Steels Containing Admixed MnS.The Int J Powder Met,1992,28(3):279~288 4 Taubenblat P W.Forging of P/M Alloys with Improved Machinability.The Int J Powder Met &Powder Tech,1979,15(2):121 130 5 Chopra K S.Improvement of Machinability in P/M Parts Using MnS.Progress in Powder Met, 1987.43:501~510

蔡勇等 添 加方式 对 一 一 一 烧结钢 力学性 能影 响 · · 种烧结钢 中 ， 微裂 纹在孔 隙尖 角及 与铁界 面处萌 生 ， 但 由于 添 加 方 式 的不 同 ， 裂 纹 扩展过程有所 不 同 对于 混 合 法 添 加 方 式 而 言 ， 由 图 可 知 ， 微 裂 纹 将 优 先 沿孔 隙尖 角和铁颗粒 间方 向扩展 一 方 向 ， 的存 在 减 小 了铁颗 粒 间连 结 的有 效 面积 ， 降低 了连接 强 度 而 在 烧 结 钢 中 ， 主要 分 布于 铁 颗粒 内 ， 铁 颗 粒 烧 结 颈 少 口 岭少 一 一 一 口 正 图 种 烧结钢显微组 织 上 很 少有 夹杂 ， 裂 纹若仍沿 一 方 向扩 展 时 ， 由于 无 夹 杂 减 小 颗 粒 间连 接 面 积 ， 裂纹扩展所需 能量 就 高 ， 铁颗粒 间的连 接 强度 就大 一些 若裂 纹 扩展方 向沿孔 隙尖角 与铁颗粒 内夹杂方 向 一 ‘ 或 一 ’ ‘ 方 向 ， 裂 纹 扩展路 径就 明显 增 长 ， 所需 能量更高 结论 混合法 添加 时 ， 绝大部分 分布 于 铁 颗粒 烧结颈部 ， 而 采用预合金法 添 加 时 ， 绝大部分 分布于 铁颗粒 内部 烧 结 体 断裂 时 ， 裂 纹 扩 展 的 路 径 不 同 ， 所 需 能量 不 同 分布 状态 不 同 ， 造成 了 种 烧 结 钢 中 颗粒 间连接 强 度 不 同 ， 从 而 使 两 者 力 学性 能 不 同 预合金 法 添加 优于 混合 物 致谢 在 力学性 能实验 过程 中 曾得到北 京航空 材料研究所 习 年生 、 贺书奎 工 程 师 的 热情 帮助 ， 在 此 表 示 诚 挚 的感谢 参 考 文 献 月 ， ， 一 ， ， 一 ， 而 而 ， ， 一 ， ， 一 ， 一