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冲击烧结温度对不同铁粉样品结构和性能的影响
Anatolii Laptiev1,Barbara Romelczyk2,Oleksandr Tolochyn1,Tomasz Brynk2,Zbigniew Pakiela2
(1.Frantsevich Institute for Problems of Materials Science of NASU, 3 Krzhizhanovskoho St., 03680 Kyiv, Ukraine
2.Warsaw University of Technology, Faculty of Materials Science and Engineering, Woloska 141, 02-507 Warsaw, Poland)
摘要：对粗糙的、不太纯的PZH3M2和精细的、较纯的DIAFE5000两种铁粉样品的烧结、结构和力学性能的研究。直径25-27mm，高度9-10mm的样品在500-1100℃温度下冲击烧结，冲击能量为1200J/cm3，初始变形速度为-6.5m/s。将圆盘切成条状物进行不同的机械测试，进行缺口试样的拉伸，压缩，三点弯曲试验，并且在对棒进行相应处理之后测量布氏硬度。确定了取决于冲击烧结温度的样品的强度和塑性的特性。研究了不同样品的抛光表面和断裂表面。研究表明，细铁粉和粗铁粉分别于600℃、700℃达到高密度状态。在此冲击烧结温度下获得的样品具有相当低的电阻率，高强度，高硬度，但塑性有所降低。即，在700℃温度下烧结PZH3M2和DIAFE5000粉末的样品分别具有：极限拉伸强度-406MPa和336MPa，屈服应力-353MPa和190MPa，收缩率-26％和78％，极限应力（在断裂）-501MPa和933MPa，最大裂纹尖端应力-738MPa和876MPa，缺口样品的弯曲处的断裂能 - 4.8 J/cm3和51.2J/cm3以及布氏硬度-1467MPa和847MPa。样品的增加会影响烧结温度，导致晶粒长大，强度降低塑性提高。来自DIAFE5000粉末的样品结构比来自PZH3M2粉末的样品细粒度更高。
关键词：铁粉；冲击烧结；密度；抗拉强度；塑性；断裂面
- 引言
铁是制造不同材料的主要元素之一，铁也是最强的基础材料[1]。同时，通过将超细硬质颗粒引入到铁基材料中并获得复合材料[2-4]，可以达到材料中高强度和高硬度的组合。材料的高强度、高硬度特征是可以在保持超细晶或者纳米晶结构下实现的[5-7]。这种复合材料可以通过粉末冶金方法和冲击烧结方法获得，特别是基于粉末在特定温度下真空冲击固化的过程[8-11]。高水平的压力和一定程度的剪切变形可以在较低温度下获得高密度和高强度样品。粉末固结温度的降低可以保持更细的结构，并在使用细粉时获得更高的样品强度。
研究在相当低的温度下从不同粒度和纯度的铁粉获得定性样品的可能性进行研究是非常有意义的，因此，本研究的目的是研究在广泛的温度范围内通过冲击烧结法获得的粗粉和细粉铁的样品的结构和性能，并且确定提供强样品的固结温度的最小值。
- 实验
选取不同生产商的两种铁粉进行研究：第一种是粒径为50-150 um的粗粉（PZH3M2，乌克兰），第二种是3-10 um的细粉（DIAFE5000，德国）。粉末的化学组成和粒度分布示于表1中，所选粉末的照片示于图1中。
表1铁粉PZH3M2和DIAFE5000的化学成分和粒度分布
|
粉末 |
O |
C |
P |
S |
Si |
Mn |
Ca |
Ni |
Cr |
V |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
化学成分，质量％ |
||||||||||
|
PZh3M2 |
0.32 |
0.07 |
0.117 |
0.011 |
0.24 |
0.16 |
0.132 |
0.066 |
0.064 |
0.017 |
|
DIAFe5000 |
0.31 |
0.02 |
0.112 |
- |
- |
- |
0.102 |
- |
- |
- |
|
粒度分布 |
||||||||||
|
粉末 |
-0.045 mm |
0.045-0.056 |
0.056-0.071 |
0.071-0.100 |
0.100-0.160 |
0.160-0.250 |
||||
|
PZh3M2 |
25％ |
11.1％ |
8.1％ |
34.9％ |
19.7％ |
1.2％ |
||||
|
DIAFe5000 |
d（10）-4.2um |
d（50）-8.5um |
d（90）-27um |
|||||||
图1 PZH3M2（a）和DIAFE5000（b）在不同放大倍数下的初始铁粉
在进行冲击烧结过程之前，对预先压制的团块的体积收缩进行了研究。在300 MPa,500 MPa和 700MPa 压力条件下获得团块。团块的常规烧结温度为900℃
和1100℃，烧结时间为20min。表2列出了煤球体积收缩的结果。从表2中可以看出，团块的烧结导致在相当高的温度下粗粉和细粉的致密化程度不同。在1100℃的温度下，由于最大体积收缩率为0.82％，所以粗粉末几乎不致密化。细粉的密度取决于煤球致密化压力的相当大的体积，在低压（ 300MPa）下收缩率最大，等于27％，在高压（700MPa）下收缩率最低为15％ 。上述数据使我们能够在随后的冲击烧结之前估算型煤（绿色样品）的状况（尺寸和相对密度）。但对所选择的铁样品进行传统烧结的没有更详细的研究。
表2根据冷压压力和常规烧结温度改变压块大小
|
样本号和粉末类型 |
冷压力（MPa） |
初始尺寸（mm） |
烧结温度，°C（等温20min） |
最终尺寸（毫米） |
体积收缩率（％） |
|||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
直径 |
高度 |
直径 |
高度 |
|||||
|
4068 |
PZH3M2 |
300 |
25.05 |
7 |
900 |
25.05 |
7 |
0 |
|
4074 |
300 |
25.1 |
7 |
1100 |
25.05 |
6.95 |
0.82 |
|
|
4069 |
500 |
25.05 |
6.4 |
900 |
25.05 |
6.35 |
0.78 |
|
|
4075 |
500 |
25.15 |
6.2 |
1100 |
25.05 |
6.2 |
0.8 |
|
|
4070 |
700 |
25.05 |
6.1 |
900 |
25.05 |
6.05 |
0.81 |
|
|
4076 |
700 |
25.15 |
5.8 |
1100 |
25.05 |
5.8 |
0.8 |
|
|
4071 |
DIAFE 5000 |
300 |
25.05 |
7.15 |
900 |
22.4 |
6.5 |
27.31 |
|
4077 |
300 |
25.2 |
7.5 |
1100 |
22.6 |
6.9 |
26.01 |
|
|
4072 |
500 |
25.05 |
5.7 |
900 |
23.1 |
5.5 |
17.94 |
|
|
4078 |
500 |
25.2 |
6.9 |
1100 |
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