分享：添加鐵元素對i粉末冶金合金組織和性能的影響
摘 要:以銅粉、鋁粉、鎳粉和銅包鐵粉為原料,采用粉末冶金工藝制備含不同質量分數(0, 1.6%,3.2%,4.8%,6.4%)鐵元素的Cu-10Al-4Ni合金,研究了鐵含量對合金顯微組織和性能的影 響。結果表明:未添加鐵元素的合金組織由κⅢ 相、α相和 Al4Cu9 相組成;當添加質量分數1.6%的 鐵元素后,合金中的κⅢ 相增多,Al4Cu9 相減少;當鐵元素質量分數達到3.2%時,Al4Cu9 相進一步 減少,合金中析出κⅠ 相和κⅡ 相;隨著鐵含量繼續增加,Al4Cu9 相消失,κⅠ相增多,而κⅢ相開始減少。 隨著鐵含量的增加,合金的燒結密度減小,硬度先降低后增加再降低,當鐵質量分數達到3.2%時硬度 最大;合金的屈服強度隨鐵含量增加呈波動變化,當鐵質量分數達到4.8%時屈服強度最大。
關鍵詞:粉末冶金;Cu-Al-Ni合金;銅包鐵;顯微組織;屈服強度
中圖分類號:TG146.1 文獻標志碼:A 文章編號:1000-3738(2023)08-0018-05
0 引 言
鋁青銅具有優良的力學性能和耐腐蝕性能,常 用于生產專用閥門、齒輪、蝸輪、軸套及螺旋槳等部 件[1]。鋁是鋁青銅中重要的合金元素,質量分數一 般在7.4%~15.6%;較高含量的鋁會使鋁青銅中生 成 Al4Cu9 相,導致延展性和耐腐蝕性能降低[2-3]。
在鋁青銅合金中加入鎳元素可擴大α相區,生成 NiAl相,從而抑制合金的緩冷脆性[4]。在鎳鋁青銅 合金中添加鐵元素可以進一步細化合金組織,同時 鐵元素會與鎳、鋁結合形成富鐵 κ相,有效阻礙 Al4Cu9 相的形成,從而進一步提升合金韌性[5];當 鐵含量和鎳含量大致相等時,κ相以細粒狀析出,對 合金的強度和耐腐蝕性能有利[6]。
的強度和耐腐蝕性能有利[6]。 粉末冶金工藝具有節約資源、節省材料、可優化 產品性能等特點,能夠直接生產形狀復雜、高精度、 高性能的粉末冶金產品,具有較大的社會價值和經 濟效益,故而在材料科學和工程領域方面備受重 視[7-8]。然而,采用粉末冶金工藝制備的 Cu-10Al4Ni鎳鋁青銅合金的強度相比于傳統鑄造合金降低 明顯[9-10]。為此,作者考慮通過添加鐵元素來提高 Cu-10Al-4Ni粉末冶金合金的強度。但是以鐵粉形 式引入鐵元素存在混料后鐵粉分布不均勻和κⅠ 相 粗大問題,而采用銅包鐵粉的形式添加鐵元素,可以 在混料過程中抑制鐵粉顆粒之間的相互粘連和團 聚,增加混合粉末的分散性,從而有效限制κⅠ 相長 大,并且銅包鐵粉顆粒上的銅層可以增強鐵粉與銅 基體的界面結合[11-12]。
因此,作者采用銅包鐵粉的形式在 Cu-10Al4Ni合金中引入鐵元素,通過粉末冶金工藝制備不 同鐵含量的 Cu-10Al-4Ni合金,研究了鐵含量對合 金顯微組織和性能的影響,以期為 Cu-10Al-4Ni合 金的性能優化提供依據。
1 試樣制備與試驗方法
試驗原料:電解銅粉,粒徑小于35μm,純度 99.90%;氣 霧 化 鋁 粉,粒 徑 小 于 25 μm,純 度 99.90%;羰基鎳粉,粒徑小于10μm,純度99.90%; 銅包鐵粉,銅質量分數20%,鐵質量分數80%,粒徑 小于74μm。按照化學成分(質量分數/%)為 Cu10Al-4Ni-xFe(x 分別取0,1.6,3.2,4.8,6.4)進行配 料,置于GMS型罐磨機中攪拌3h,再用BY40型壓 片機壓制成型,壓力為570MPa,保壓時間為3min, 生坯為圓柱形,尺寸為?20mm×10mm。將生坯 置于 ZT-25-20Y 型真空熱壓燒結爐中,以5 ℃· min-1的升溫速率加熱至950℃,保溫60min燒結, 隨爐冷卻得到合金試樣。
在合金燒結試樣上取樣,經磨拋后用由3g FeCl3+5mLHCl+100mL蒸餾水組成的溶液腐 蝕后,采用RX50M 型光學顯微鏡(OM)觀察顯微組 織。采 用 KYKY-EM3200E 型 掃 描 電 子 顯 微 鏡(SEM)觀察微觀形貌。采用 MiniFlex600型 X射 線衍射儀(XRD)測試物相組成。用SGX-FA120型 天平測量試樣質量,計算相對密度。采用310HBS3000型數顯布氏硬度計進行硬度檢測,壓頭選用直 徑2.5mm的硬質合金鋼球,載荷為1837.5N,保載 時間為15s,測3點取平均值。根據 GB/T7314- 2017,使用 HY-0580型材料試驗機進行壓縮試驗, 試樣尺寸為3 mm×3 mm×5 mm,位移速度為 0.5mm·min-1。
2 試驗結果與討論
2.1 鐵含量對物相組成與顯微組織的影響
由圖1和圖3可見:未添加鐵元素時,試驗合金 由α-Cu、Al4Cu9 和κⅢ (NiAl)相組成;添加質量分數 1.6%鐵元素后,在2θ為42.74°處的衍射峰強度明 顯降低,說明 Al4Cu9 相減少;當鐵質量分數大于 1.6%時合金由 α-Cu、κⅠ 、κⅡ 和 κⅢ 相組成,κⅠ 為 Fe3Al相,κⅡ 為 NiAl基體上的富鐵相[6,13-14]。
由圖2可以看出:未添加鐵元素時,試驗合金的 顯微組織由淺黃色α基體相、棕色網狀κⅢ 相和黑色 孔洞組成;添加質量分數1.6%鐵元素時,棕色網狀 κⅢ相團聚并增多,孔洞也增大;當鐵質量分數達到 3.2%時,棕色網狀κⅢ相消失,出現深灰色大顆粒狀κⅠ 相,直徑在20~50μm,同時出現了大量細小顆粒狀 κⅡ相;隨著鐵含量的持續增加,大顆粒狀深灰色κⅠ相 和孔洞數量增多,且κⅠ相尺寸增大。
結合圖1、圖2和圖3分析可知:未添加鐵元素 時,試驗合金由白色條狀和粒狀κⅢ 相、淺灰色α基 體相、深灰色 Al4Cu9 相和孔洞組成。根據 Cu-AlNi三元相圖[15]:在950 ℃燒結時,試驗合金處于 α+β(Cu3Al)相區,隨爐冷卻時,當溫度降到共析反 應 溫度時,β相開始發生共析反應生成α和κⅢ 相;當溫度繼續降至560℃時,剩余的β相發生另一個 共析反應(β→α+ κⅢ +Al4Cu9),生成 Al4Cu9 相。 故未添加鐵元素時試驗合金由α相、κⅢ 相和 Al4Cu9 相組成。
當鐵質量分數達到1.6%時,試驗合金由κⅢ 相、 α基體相和 Al4Cu9 相組成,與未添加鐵元素相比 κⅢ 相明顯增多且發生細化。與 Cu-Al-Ni三元相圖 相比,Cu-Al-Ni-Fe四元相圖中的共析點(β→α+ κⅢ +Al4Cu9)右移[16],即添加鐵元素后試驗合金成 分遠離 Al4Cu9 相區,故 Al4Cu9 相減少。在燒結冷 卻的過程中,鐵從基體相中析出,在晶界富集,從而 限制了晶粒的長大[17]。
當鐵質量分數達到3.2%時,試驗合金由κⅠ 相、 κⅡ 相、κⅢ 相、α相和 Al4Cu9 相組成,Al4Cu9 相很少; κⅠ 相為大顆粒狀,直徑在20~50μm,κⅡ 呈球狀,直 徑在2~5μm,與文獻[14]相符。κⅠ 相是DO3 型的Fe3Al金屬間化合物,含鐵量相對較高,一般位于α 相的中間[14],是燒結冷卻過程中在第一個共析溫度 下由β相分解形成的;當溫度繼續下降時,剩余的β 相又會發生共析反應生成α+κⅡ +κⅢ 相[6,16]。κⅡ 相為 NiAl基體上的富鐵相,形貌與κⅠ 相相似但體 積較小,略呈球狀[13]。
當鐵質量分數達到4.8%及以上時,試驗合金 中的 Al4Cu9 相消失,κⅠ 相增多,而κⅢ 相減少。這 是因為鐵含量的增加使得共析點 (β→α+κⅢ + Al4Cu9)進一步右移,合金成分位于α+κⅠ +κⅡ + κⅢ 相區,故 Al4Cu9 相消失,κⅢ 相減少。
2.2 鐵含量對密度與力學性能的影響
由圖4可知,隨著鐵含量的增加,試驗合金生坯 的相對密度變化不大,燒結后的相對密度卻逐漸減 小。這是因為鐵以銅包鐵粉的形式引入,在燒結時 包覆在鐵粉外的銅向鐵中發生固態擴散,在銅原來 位置留下孔隙[18];隨著銅包鐵添加量的增加,孔洞 數量增加,燒結后相對密度下降。
由圖5(a)可知:隨著鐵含量增加,試驗合金的 硬度呈先降后增再降的變化趨勢。分析可知:當鐵 質量分數達到1.6%時,試驗合金中的孔洞數量相 比于未添加鐵元素合金有所增多,因此硬度有所降 低;當鐵質量分數達到3.2%時,試驗合金孔洞數量 變化不大,對硬度影響較小,但由于試驗合金中出現 了少量硬度遠超基體[19]的κⅠ 和κⅡ 相,因此硬度提 高;繼續增加鐵含量時,雖然κⅠ 相進一步增多,但彌 散的κⅢ 相減少,孔洞數量明顯增加,故合金硬度逐 漸降低。
由圖5(b)可知:隨著鐵含量增加,試驗合金的 屈服強度呈先增后略微下降再明顯增大后下降的變 化趨勢。當鐵質量分數為1.6%時,試驗合金中的 κⅢ 相明顯增多且發生細化,因此屈服強度相比于未 添加鐵時增大;當鐵質量分數為3.2%時,試驗合金中出現少量κⅠ 相和κⅡ 相,細小的κⅢ 相也減少,因 此合金屈服強度有所下降;當鐵質量分數為4.8% 時,κⅠ 相和κⅡ 相增加,合金的屈服強度達到最大, 約為310MPa;當鐵質量分數為6.4%時,κⅠ 相數量 增多且尺寸增大,同時孔洞數量增多,對合金性能產 生消極影響,屈服強度下降。
3 結 論
(1)未添加鐵元素的Cu-10Al-4Ni粉末冶金合 金由κⅢ 相、α相和 Al4Cu9 相組成;當添加質量分數 1.6%的鐵元素后,試驗合金中的κⅢ 相明顯增多且 發生細化,Al4Cu9 相減少;當鐵質量分數達到3.2% 時,Al4Cu9 相進一步減少,合金中開始析出κⅠ 相和 κⅡ 相;隨著鐵含量的繼續增加,Al4Cu9 相消失,κⅠ 相增多,而κⅢ 相開始減少。
(2)隨著鐵含量增加,試驗合金的燒結密度降 低,硬度呈先降低后增加再降低的變化趨勢,當鐵質 量分數達到3.2%時硬度最大;試驗合金的屈服強 度隨鐵含量增加呈先增后略微下降再明顯增大后下 降的變化趨勢,當鐵質量分數達到4.8%時屈服強 度最大,約為310MPa。
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<文章來源> 材料與測試網 > 期刊論文 > 機械工程材料 > 47卷 > 8期 (pp:18-22)>
浙公網安備 33042402000106號
