碳、铜、镍含量对铁基粉末冶金材料性能和尺寸变化的影响
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图 2 硬度与碳含量的关系
图 3 压溃强度与碳含量的关系
图 6 Fe25 %Cu2C 合金硬度 、压溃强度与 碳含量的关系
21112 对尺寸变化的影响 在铁基粉末冶金材料中 ,添加碳使它的尺寸倾
向于长大 ,见图 7 。
图 4 冲击韧性与碳含量的关系
图 5 抗拉强度 、伸长率与化合碳含量的关系[3 ]
C
O Fe
S
< 0115 < 0115 0101 < 01001
表 5 硬脂酸锌性能
灰分 ( ZnO) % ≤13161
游离酸/ % 融点/ ℃ 水分/ %
≤1
≥120 ≤1
粒度 < 01074mm ( - 200 目) / %
≥99
混料时以 5 kg 为一个混料批量 ,一次混料时间 为 60 min 。
< 0103 < 0129 < 0109 0113
< 0103 < 0126 < 0118 0118
S
01018
01012
01008
力学 性能
压缩性/ g·cm - 3 流动性/ s·(50 g) - 1 松装密度/ g·cm - 3
6187～6194 6190～7106 6191～6193 2214～2615 2417～27 25～26 219～2198 2192～3102 2190～2196
所需的镍为羰基镍粉 ,牌号为 F TN - 6 ,具体性 能见表 4 。
所使用的润滑剂为硬脂酸锌 ,文中未特别注明 时 ,硬脂酸锌的添加量为 018 % ,具体性能见表 5 。
表 4 羰基镍粉性能
物理性能
平均粒度/μm 松装密度/ g·cm - 3
315～710
1180～2150
杂质含量/ %
· 1 2 · 粉末冶金工业 第 15 卷
(如铜含量为 5 %) 时 ,随着碳含量的增加 ,材料的强 度迅速提高 ,当碳含量大于 019 %以后 ,提高的趋势 变缓 ;而相同的铜含量情况下 ,碳含量的变化对于硬 度的影响却不十分明显 ,见图 6 。对于铁镍合金 ,如 Fe2Ni ,Fe2Ni2Cu ,碳含量的影响类似于 Fe2C 合金的 情况 。如在混合粉中加入 1 %的石墨粉时 ,烧结合 金的抗拉强度可提高 2 倍左右 ,而伸长率降低 1/ 2 ～1/ 4 。[4 ]
从图 10 中还可以看出 ,添加 2 %的铜以后 ,材 料的压溃强度比不含铜的材料有了非常明显的提 高 ,但随着铜含量的进一步增加 ,材料压溃强度的增 加趋势比铜含量为 0～2 %时减小 。 21212 对尺寸变化的影响
第 3 期 缪 炯 :碳 、铜 、镍含量对铁基粉末冶金材料性能和尺寸变化的影响
·13 ·
大于 5 %。对于 Fe2018 %C22 %Cu 合金 ,添加镍粉 前后的性能对比见图 12 、图 13 和图 14 。
图 8 Fe2Cu 合金硬度和冲击韧性与铜含量的关系 图 9 Fe2Cu 合金中抗拉强度 、伸长率和铜含量的关系
图 12 Fe2018 %C22 %Cu2Ni 合金 镍含量对硬度的影响
在 Fe - Cu 合金中添加碳时 ,一般常选择铜含 量在 2 %左右 ,这时碳含量的变化规律类似于前面 的 Fe - C 合金 。但在试验中发现 ,在铜含量较高
图 7 Fe2C 合金碳含量对尺寸变化的影响
212 铜的影响 21211 对性能的影响
对于熔铸钢而言 ,铜被认为是一种有害元素 ,因 它会使钢脆化 ,但是 ,在铁基粉末冶金结构材料中 , 铜是一种广泛应用的有益的合金元素 。铜的加入显 著地增加了材料的强度 ,同时也会降低材料的冲击 韧性 ,见图 8 和图 9 。
2 结果与讨论
211 碳的影响 21111 对性能的影响
在普通碳钢中 ,化合碳含量与抗拉强度的关系 见图 1 。开始抗拉强度随化合碳含量的增加而迅速 增高 ,直到化合碳含量达到 110 %以后 ,抗拉强度随 化合碳含量的增高而缓慢增加到最大值 。
粉末冶金结构材料碳的添加量一般为 012 %～ 110 % ,当化合碳含量高于 1 %时 ,粉末冶金结构材 料的抗拉强度减低 ,且易于产生烧结变形与合金偏 析。当化合碳含量高于 018 %时 ,材料的切削性能与 整形性能都会明显恶化 ,在需要进行切削加工和整形 的场合 ,化合碳含量应低于 018 % ,最好低于 015 %[1] 。
第
15 卷 第 3 2005 年 6 月
期
POWD
粉末冶金工业
ER METALL URGY IND
USTRY
Vol. 15 No . J un. 2005
3
碳 、铜 、镍含量对铁基粉末冶金材料性能和 尺寸变化的影响
缪 炯
(上海汽车股份有限公司粉末冶金厂 ,上海 ,200072)
摘 要 : 本文研究了在铁基粉末冶金材料中 ,以雾化铁粉 ,主要是瑞典 H gan s 粉末公司的 AHC100129 铁粉 ,加拿大魁北克金属粉末公司 ( QMP) 的 A TOM ET1001 铁粉 ,和日本神户制 钢的 300 M 铁粉为原材料 ,讨论了碳 ,铜 ,镍的含量变化对铁基粉末冶金材料的性能和尺寸变 化的影响规律 。 关键词 :碳 、铜 、镍 ;铁基 ;粉末冶金材料 中图分类号 : TF12511 文献标识码 :A 文章编号 :1006 - 6543 (2005) 03 - 0010 - 05
图 13 Fe2018 %C22 %Cu2Ni 合金 镍含量对压溃强度的影响
图 10 Fe2018 %C2Cu 合金中压溃强度与 铜含量的关系
铜的添加会引起烧结结构零件尺寸的明显胀 大 ,而且随着铜含量添加量的增大而增大 ,见图 11 。 据文献[5 ]介绍 ,铜的添加量为 715 %时 ,尺寸胀大 将达到最大 ;同时铜的添加量多时 ,还会引起烧结变 形大 ,从而使零件的尺寸精度明显降低 。
≥9910 ≤1010 ≤015 6～7 ≤110
所需的铜为电解铜粉 ,牌号为 F TD3 ,具体性能 见表 3 ,其粒度小于 0107 mm 的占 95 %以上 ,松装 密度为 115～119 g/ cm3 。
表 3 电解铜粉化学成分 ( %)
杂质含量/ % ,不大于
Cu
Fe
Pb
As
Sb
O
S
图 1 普通碳钢的化合碳含量与抗拉强度的关系[2 ]
图 2 ,图 3 ,图 4 分别为以 300 M ,AHC100129 , A T1001 铁粉为基粉末冶金材料的硬度 、压溃强度 、 冲击韧性与碳含量的关系 。从图中可以看出 ,在碳 含量低于 018 %的情况下 ,粉末冶金材料的硬度和 压溃强度均随着碳含量的增加而逐步增加 ,而且虽 然原材料铁粉的来源不同其增加的速率是非常接近 的 ;同时 ,零件的冲击韧性随碳含量的增加迅速降 低 ,在碳含量为 015 %时 ,降低到纯铁的一半以下 。 根据文献介绍 ,抗拉强度和伸长率与化合碳含 量的关系如图 5 。 以上这些都充分说明 ,碳含量的增加 ,提高了纯 铁的强度和脆性 ,降低了它的韧性 。
在铁基粉末冶金材料中添加镍并且镍含量达到 2 %～3 %时 ,烧结时尺寸急剧收缩 ,但添加量更高 时 ,收缩趋缓 。[1 ]
1 试验条件和方法
文中以 AHC100129 铁粉 ,A TOM ET1001 铁粉 和 300 M 铁粉为主要研究对象 。它们的性能列于 表 1。
实验所需要的碳通过添加胶体石墨来实现 ,具 体性能见表 2 。
收稿日期 2 :2004 - 09 - 08 作者简介 :缪炯 (1973 - ) ,男 (汉) ,工程师 ,车间副主任 ,主要从事粉末冶金零件研制与生产工作 。
雾化铁粉在粉末冶金汽车结构零件中的消耗量 增大 ,本文的讨论以进口雾化铁粉的试验数据为主 。 目前国内比较常用的进口雾化铁粉有瑞典 H gan s 粉末公司的 AHC100129 铁粉 (目前在赫格纳斯 (中 国) 有限公司生产) ,有加拿大魁北克金属粉末公司 (QMP) 的 A TOM ET1001 铁粉 ,有日本神户制钢的 300 M 铁粉 ,为方便讨论 ,以下简称为 AHC100129 , A T1001 ,300 M 。
Abstract : Atomized iron powders such as AHC100129 of H gan s ; gan ä ; s Co1 , Lt d1Sweden ,A TOM ET1001 of Quebec Metal Powders Lt d1 (QM P) Canada ,and 300 M of Kobe Steel Lt d1J apan were st udied1 The effect of carbon ,copper , nickel content on properties and size changes of iron base PM materials is discussed. Key words :carbon ,copper ,nickel ;iron base ; Powder metallurgy material
粉末冶金材料的合金化可大大提高其强度与塑 性 。在铁基粉末冶金结构零件中应用最多的合金元 素是碳 (C) 、铜 (Cu) 、镍 (Ni) 等 。
影响粉末冶金结构零件性能的因素很多 ,有原
材料性能 、零件密度和烧结条件等 ,本文主要讨论元 素碳 (C) 、铜 (Cu) 、镍 (Ni) 等的含量对铁基粉末冶金 结构材料性能的影响 。
≥9917 0102 0105 01005 0101 0120 01004
杂质含量/ % ,不大于
氧化物 (Cl - ) 水分/ % 硝酸处理后灼烧残渣 杂质总和
-
0105
0105
013
Leabharlann Baidu
压制时压坯密度以中等密度 (614～618 g/ cm3 范围) 为主 。
烧结设备为网带式烧结电炉 ,烧结温度为 1 135 ℃,RBO 预热温度为 650 ℃;烧结气氛为 N2 - H2 气 氛 ,N2 流量为 40 m3/ h (标态) ,分解氨流量为 1～3 m3/ h (标态) ;高温烧结时间为 37 min 。
图 11 Fe2018 %C2Cu 合金中铜含量对尺寸变化的影响
213 镍的影响 21311 对性能的影响
烧结镍钢一般是指烧结 Fe2Ni2C2Cu 合金 。镍 稀缺 ,价格高 ,含镍量高时 ,烧结镍钢的生产成本增 高 ,因此一般用于制造烧结结构零件者 ,含镍量皆不
图 14 Fe2018 %C22 %Cu2Ni 合金 镍含量对冲击韧性的影响
颗粒 > 01175mm( + 80 目)
-
110
110
分布 < 01074mm( - 200 目) 5613
6417
6812
/ % < 01043mm( - 325 目) 2716
2819
2814
注 :表内数据为实测值 。
表 2 胶体石墨性能
碳含量/ % 颗粒度/μm 含水量/ %
pH值 灰分量/ %
EFFECT OF CARBON ,COPPER ,N IC KEL ON PROPER TIES AND SIZE CHAN GES OF IRON BASE P/ M MA TER IAL
MIAO Jiong (Shanghai Automotive Co1 ,Ltd1 Powder Metallurgy Works ,Shanghai ,200072)
第 3 期 缪 炯 :碳 、铜 、镍含量对铁基粉末冶金材料性能和尺寸变化的影响
·11 ·
表 1 实验用雾化铁粉性能
铁粉 种类
300 M AHC100129 A T1001
Fe
99150 9818～9913 99～99118
化学 成分 /%
C O 酸不溶 Mn
< 0103 < 0120 01034 0112
从图中可以看出 ,随着镍含量的增加 ,材料的压 溃强度均有明显提高 ;而冲击韧性略有下降 。但对 硬 度 的 影 响 , AHC100129 可 见 明 显 提 高 , 而 对 A T1001 及 300 M 的影响不大 。 21312 对尺寸的影响
对于 Fe2018 %C22 %Cu 合金 ,添加镍粉对尺寸 变化的影响见图 15 。
图 3 压溃强度与碳含量的关系
图 6 Fe25 %Cu2C 合金硬度 、压溃强度与 碳含量的关系
21112 对尺寸变化的影响 在铁基粉末冶金材料中 ,添加碳使它的尺寸倾
向于长大 ,见图 7 。
图 4 冲击韧性与碳含量的关系
图 5 抗拉强度 、伸长率与化合碳含量的关系[3 ]
C
O Fe
S
< 0115 < 0115 0101 < 01001
表 5 硬脂酸锌性能
灰分 ( ZnO) % ≤13161
游离酸/ % 融点/ ℃ 水分/ %
≤1
≥120 ≤1
粒度 < 01074mm ( - 200 目) / %
≥99
混料时以 5 kg 为一个混料批量 ,一次混料时间 为 60 min 。
< 0103 < 0129 < 0109 0113
< 0103 < 0126 < 0118 0118
S
01018
01012
01008
力学 性能
压缩性/ g·cm - 3 流动性/ s·(50 g) - 1 松装密度/ g·cm - 3
6187～6194 6190～7106 6191～6193 2214～2615 2417～27 25～26 219～2198 2192～3102 2190～2196
所需的镍为羰基镍粉 ,牌号为 F TN - 6 ,具体性 能见表 4 。
所使用的润滑剂为硬脂酸锌 ,文中未特别注明 时 ,硬脂酸锌的添加量为 018 % ,具体性能见表 5 。
表 4 羰基镍粉性能
物理性能
平均粒度/μm 松装密度/ g·cm - 3
315～710
1180～2150
杂质含量/ %
· 1 2 · 粉末冶金工业 第 15 卷
(如铜含量为 5 %) 时 ,随着碳含量的增加 ,材料的强 度迅速提高 ,当碳含量大于 019 %以后 ,提高的趋势 变缓 ;而相同的铜含量情况下 ,碳含量的变化对于硬 度的影响却不十分明显 ,见图 6 。对于铁镍合金 ,如 Fe2Ni ,Fe2Ni2Cu ,碳含量的影响类似于 Fe2C 合金的 情况 。如在混合粉中加入 1 %的石墨粉时 ,烧结合 金的抗拉强度可提高 2 倍左右 ,而伸长率降低 1/ 2 ～1/ 4 。[4 ]
从图 10 中还可以看出 ,添加 2 %的铜以后 ,材 料的压溃强度比不含铜的材料有了非常明显的提 高 ,但随着铜含量的进一步增加 ,材料压溃强度的增 加趋势比铜含量为 0～2 %时减小 。 21212 对尺寸变化的影响
第 3 期 缪 炯 :碳 、铜 、镍含量对铁基粉末冶金材料性能和尺寸变化的影响
·13 ·
大于 5 %。对于 Fe2018 %C22 %Cu 合金 ,添加镍粉 前后的性能对比见图 12 、图 13 和图 14 。
图 8 Fe2Cu 合金硬度和冲击韧性与铜含量的关系 图 9 Fe2Cu 合金中抗拉强度 、伸长率和铜含量的关系
图 12 Fe2018 %C22 %Cu2Ni 合金 镍含量对硬度的影响
在 Fe - Cu 合金中添加碳时 ,一般常选择铜含 量在 2 %左右 ,这时碳含量的变化规律类似于前面 的 Fe - C 合金 。但在试验中发现 ,在铜含量较高
图 7 Fe2C 合金碳含量对尺寸变化的影响
212 铜的影响 21211 对性能的影响
对于熔铸钢而言 ,铜被认为是一种有害元素 ,因 它会使钢脆化 ,但是 ,在铁基粉末冶金结构材料中 , 铜是一种广泛应用的有益的合金元素 。铜的加入显 著地增加了材料的强度 ,同时也会降低材料的冲击 韧性 ,见图 8 和图 9 。
2 结果与讨论
211 碳的影响 21111 对性能的影响
在普通碳钢中 ,化合碳含量与抗拉强度的关系 见图 1 。开始抗拉强度随化合碳含量的增加而迅速 增高 ,直到化合碳含量达到 110 %以后 ,抗拉强度随 化合碳含量的增高而缓慢增加到最大值 。
粉末冶金结构材料碳的添加量一般为 012 %～ 110 % ,当化合碳含量高于 1 %时 ,粉末冶金结构材 料的抗拉强度减低 ,且易于产生烧结变形与合金偏 析。当化合碳含量高于 018 %时 ,材料的切削性能与 整形性能都会明显恶化 ,在需要进行切削加工和整形 的场合 ,化合碳含量应低于 018 % ,最好低于 015 %[1] 。
第
15 卷 第 3 2005 年 6 月
期
POWD
粉末冶金工业
ER METALL URGY IND
USTRY
Vol. 15 No . J un. 2005
3
碳 、铜 、镍含量对铁基粉末冶金材料性能和 尺寸变化的影响
缪 炯
(上海汽车股份有限公司粉末冶金厂 ,上海 ,200072)
摘 要 : 本文研究了在铁基粉末冶金材料中 ,以雾化铁粉 ,主要是瑞典 H gan s 粉末公司的 AHC100129 铁粉 ,加拿大魁北克金属粉末公司 ( QMP) 的 A TOM ET1001 铁粉 ,和日本神户制 钢的 300 M 铁粉为原材料 ,讨论了碳 ,铜 ,镍的含量变化对铁基粉末冶金材料的性能和尺寸变 化的影响规律 。 关键词 :碳 、铜 、镍 ;铁基 ;粉末冶金材料 中图分类号 : TF12511 文献标识码 :A 文章编号 :1006 - 6543 (2005) 03 - 0010 - 05
图 13 Fe2018 %C22 %Cu2Ni 合金 镍含量对压溃强度的影响
图 10 Fe2018 %C2Cu 合金中压溃强度与 铜含量的关系
铜的添加会引起烧结结构零件尺寸的明显胀 大 ,而且随着铜含量添加量的增大而增大 ,见图 11 。 据文献[5 ]介绍 ,铜的添加量为 715 %时 ,尺寸胀大 将达到最大 ;同时铜的添加量多时 ,还会引起烧结变 形大 ,从而使零件的尺寸精度明显降低 。
≥9910 ≤1010 ≤015 6～7 ≤110
所需的铜为电解铜粉 ,牌号为 F TD3 ,具体性能 见表 3 ,其粒度小于 0107 mm 的占 95 %以上 ,松装 密度为 115～119 g/ cm3 。
表 3 电解铜粉化学成分 ( %)
杂质含量/ % ,不大于
Cu
Fe
Pb
As
Sb
O
S
图 1 普通碳钢的化合碳含量与抗拉强度的关系[2 ]
图 2 ,图 3 ,图 4 分别为以 300 M ,AHC100129 , A T1001 铁粉为基粉末冶金材料的硬度 、压溃强度 、 冲击韧性与碳含量的关系 。从图中可以看出 ,在碳 含量低于 018 %的情况下 ,粉末冶金材料的硬度和 压溃强度均随着碳含量的增加而逐步增加 ,而且虽 然原材料铁粉的来源不同其增加的速率是非常接近 的 ;同时 ,零件的冲击韧性随碳含量的增加迅速降 低 ,在碳含量为 015 %时 ,降低到纯铁的一半以下 。 根据文献介绍 ,抗拉强度和伸长率与化合碳含 量的关系如图 5 。 以上这些都充分说明 ,碳含量的增加 ,提高了纯 铁的强度和脆性 ,降低了它的韧性 。
在铁基粉末冶金材料中添加镍并且镍含量达到 2 %～3 %时 ,烧结时尺寸急剧收缩 ,但添加量更高 时 ,收缩趋缓 。[1 ]
1 试验条件和方法
文中以 AHC100129 铁粉 ,A TOM ET1001 铁粉 和 300 M 铁粉为主要研究对象 。它们的性能列于 表 1。
实验所需要的碳通过添加胶体石墨来实现 ,具 体性能见表 2 。
收稿日期 2 :2004 - 09 - 08 作者简介 :缪炯 (1973 - ) ,男 (汉) ,工程师 ,车间副主任 ,主要从事粉末冶金零件研制与生产工作 。
雾化铁粉在粉末冶金汽车结构零件中的消耗量 增大 ,本文的讨论以进口雾化铁粉的试验数据为主 。 目前国内比较常用的进口雾化铁粉有瑞典 H gan s 粉末公司的 AHC100129 铁粉 (目前在赫格纳斯 (中 国) 有限公司生产) ,有加拿大魁北克金属粉末公司 (QMP) 的 A TOM ET1001 铁粉 ,有日本神户制钢的 300 M 铁粉 ,为方便讨论 ,以下简称为 AHC100129 , A T1001 ,300 M 。
Abstract : Atomized iron powders such as AHC100129 of H gan s ; gan ä ; s Co1 , Lt d1Sweden ,A TOM ET1001 of Quebec Metal Powders Lt d1 (QM P) Canada ,and 300 M of Kobe Steel Lt d1J apan were st udied1 The effect of carbon ,copper , nickel content on properties and size changes of iron base PM materials is discussed. Key words :carbon ,copper ,nickel ;iron base ; Powder metallurgy material
粉末冶金材料的合金化可大大提高其强度与塑 性 。在铁基粉末冶金结构零件中应用最多的合金元 素是碳 (C) 、铜 (Cu) 、镍 (Ni) 等 。
影响粉末冶金结构零件性能的因素很多 ,有原
材料性能 、零件密度和烧结条件等 ,本文主要讨论元 素碳 (C) 、铜 (Cu) 、镍 (Ni) 等的含量对铁基粉末冶金 结构材料性能的影响 。
≥9917 0102 0105 01005 0101 0120 01004
杂质含量/ % ,不大于
氧化物 (Cl - ) 水分/ % 硝酸处理后灼烧残渣 杂质总和
-
0105
0105
013
Leabharlann Baidu
压制时压坯密度以中等密度 (614～618 g/ cm3 范围) 为主 。
烧结设备为网带式烧结电炉 ,烧结温度为 1 135 ℃,RBO 预热温度为 650 ℃;烧结气氛为 N2 - H2 气 氛 ,N2 流量为 40 m3/ h (标态) ,分解氨流量为 1～3 m3/ h (标态) ;高温烧结时间为 37 min 。
图 11 Fe2018 %C2Cu 合金中铜含量对尺寸变化的影响
213 镍的影响 21311 对性能的影响
烧结镍钢一般是指烧结 Fe2Ni2C2Cu 合金 。镍 稀缺 ,价格高 ,含镍量高时 ,烧结镍钢的生产成本增 高 ,因此一般用于制造烧结结构零件者 ,含镍量皆不
图 14 Fe2018 %C22 %Cu2Ni 合金 镍含量对冲击韧性的影响
颗粒 > 01175mm( + 80 目)
-
110
110
分布 < 01074mm( - 200 目) 5613
6417
6812
/ % < 01043mm( - 325 目) 2716
2819
2814
注 :表内数据为实测值 。
表 2 胶体石墨性能
碳含量/ % 颗粒度/μm 含水量/ %
pH值 灰分量/ %
EFFECT OF CARBON ,COPPER ,N IC KEL ON PROPER TIES AND SIZE CHAN GES OF IRON BASE P/ M MA TER IAL
MIAO Jiong (Shanghai Automotive Co1 ,Ltd1 Powder Metallurgy Works ,Shanghai ,200072)
第 3 期 缪 炯 :碳 、铜 、镍含量对铁基粉末冶金材料性能和尺寸变化的影响
·11 ·
表 1 实验用雾化铁粉性能
铁粉 种类
300 M AHC100129 A T1001
Fe
99150 9818～9913 99～99118
化学 成分 /%
C O 酸不溶 Mn
< 0103 < 0120 01034 0112
从图中可以看出 ,随着镍含量的增加 ,材料的压 溃强度均有明显提高 ;而冲击韧性略有下降 。但对 硬 度 的 影 响 , AHC100129 可 见 明 显 提 高 , 而 对 A T1001 及 300 M 的影响不大 。 21312 对尺寸的影响
对于 Fe2018 %C22 %Cu 合金 ,添加镍粉对尺寸 变化的影响见图 15 。