中国有色金属学报 2003,(05),1267-1272 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.05.042
烧结工艺对NiFeX合金性能和组织的影响
中南大学粉末冶金国家重点实验室,中南大学粉末冶金国家重点实验室,中南大学粉末冶金国家重点实验室,中南大学粉末冶金国家重点实验室,中南大学粉末冶金国家重点实验室,中南大学冶金科学与工程学院 长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083 ,长沙410083
摘 要:
采用氢气 /氩气气氛烧结和氩气气氛保护热压 3种烧结工艺制备了 3种不同成分的Ni基合金。密度测试、金相、XDR以及SEM和EDX分析显示 :在氢气 /氩气气氛下烧结时 ,NiFeCuAlSn和NiFeCuAlZn样品出现体积膨胀、密度下降和孔隙率增加现象 ;通过气氛保护热压制备的样品致密度高且孔隙率低 ;Ni Fe样品形成Fe·Ni固溶体 ,而NiFeCuAlX(X =Zn/Sn)样品基体主要由细小的Ni3 Al和较粗大的Ni及Fe·Ni组成 ,其他元素均固溶于其中。
关键词:
中图分类号: TG132
作者简介:周 涛(1973),男,博士生,讲师.;
收稿日期:2002-11-11
基金:国家“8 63”计划项目 (2 0 0 1AA3 3 5 0 10 );
Effect of sintering on properties and microstructure of NiFeX system alloys
Abstract:
Ni-based alloys with three kinds of component were fabricated through sintering under hydrogen/argon atmosphere and hot pressing. Density testing, XRD, SEM, EDX and metallographic analyses show that the sintering under hydrogen/argon atmosphere, makes dimension swell, density decline and pore rate increase for NiFeCuAlSn and NiFeCuAlZn samples. Through hot pressing, sample density is high, pore rate is low and its property are good. FeNi matrix is made of Fe·Ni and α-Fe. NiFeCuAlX(X=Zn, Sn) matrix are make up of fine Ni3Al and coarse Ni, Fe·Ni, other elements are dissolved in them.
Keyword:
Ni-Fe-X alloy; hot pressing; sinter;
Received: 2002-11-11
现代电解铝工业采用消耗式炭素电极, 污染严重, 生产成本约占原铝成本的5%~20%
Ni基合金是常用的高温合金, 由于具备工作温度高、 组织稳定、 有害相少、 抗氧化、 抗热蚀能力强等特点
1实验
3种粉末成分如表1所示。
表1 Ni基合金设计成分
Table 1 Nominal compositions of Ni-basedalloys(mass fraction, %)
Fe | Cu | Al | Zn | Sn | Ni | |
NiFeCuAlZn |
11 | 10 | 6 | 3 | Bal | |
NiFeCuAlSn |
11 | 10 | 6 | 3 | Bal | |
FeNi |
65.6 | Bal |
所用粉末粒度均小于75 μm。 对混合粉末进行20~30 min球磨混料后, 于600 MPa压力下模压成形, 样品尺寸(直径×高)为17 mm×10 mm左右。 在1 000~1 100 ℃温度下, 采用氢气、 氩气气氛下烧结2 h和氩气保护下热压3种工艺制备待测样品。 对样品进行密度、 硬度、 金相、 X射线衍射、 扫描电镜及能谱分析。 烧结前对NiFeCuAlZn压坯样品取样进行DTA分析。
2结果与讨论
2.1差热分析和X射线衍射分析
图1所示为NiFeCuAlZn差热分析对比图, 图中4个峰分别对应于Zn的融化吸热、 Al的融化吸热、 Ni3Al和Fe·Ni合金化合物的形成放热。
图2所示为热压样品的X射线衍射图。 由图2可知, NiFeCuAlZn和NiFeCuAlSn合金中主要由Ni3Al, Ni和Fe·Ni组成(其中Fe·Ni含量很少, 因为相对Ni而言Fe的量很低), 其他元素均固溶于其中, 同时未见FeAl化合物产生, 从热力学角度分析
图1 NiFeCuAlZn差热分析图
Fig.1 DTA curve of NiFeCuAlZn
2.2硬度与密度分析
表2、 表3所示分别为不同工艺制备样品的相对密度、 开孔孔隙率测试值和布氏硬度测试值(测试条件为钢球直径2.5 mm, 力312.5 N, 保压30 s)。 由表2和表3可知, 在氢气、 氩气下烧结NiFeCuAl(Zn/Sn)硬度和密度都有所下降, 孔隙率大幅上升。 说明烧结不致密, 由于瞬间液相Al的存在, 导致出现大量孔隙, 残留在孔隙中的气体阻碍了孔隙的收缩。 烧结样品不致密必然导致硬度下降。 氢气下烧结密度和硬度略高于氩气下烧结, 因为在还原气氛下, 粉末表面氧化物被还原而有助于烧结。 热压条件下的密度和硬度值最高, 这是由于在压力作用下, 孔隙得以弥合与消除。
图2 热压样品X射线衍射图
Fig.2 X-ray diffraction patterns of samples
(a)—NiFe; (b)—NiFeAlCuSu; (c)—NiFeAlCuZn
2.3显微组织分析
图3所示为氢气气氛下烧结和热压样品的未腐蚀金相图, 由图3可知: 在氢气气氛下烧结的样品存在大量的孔隙, 由于瞬间液相Al的出现, Al在Ni, Fe和Cu中的固溶度远大于它们在Al中的固溶度, 且液态的Al向Ni, Fe和Cu颗粒内快速扩散, 导致在原来Al所在位置出现孔隙, 而残留在孔隙中的气体阻碍了孔隙的收缩
图4所示为氢气气氛下烧结样品的腐蚀金相图。 由图4可知: 在氢气气氛下烧结的样品,NiFeCuAlSn显微组织主要由Ni3Al和Fe·Ni组成, FeNi样品主要为Fe·Ni组织及少量的α-Fe组成, 组织都较均匀, 说明液态Al, Sn或Zn的扩散较均匀, 由于液相扩散比固态扩散快的多, 所以形成较均匀的以Ni3Al金属间化合物为主的显微结构。
表2 不同工艺制备的样品硬度(HB)
Table 2 Hardness values of specimens madeby different technologies
Sample |
NiFeCuAlZn | NiFeCuAlSn | FeNi |
Green compact |
61.0 | 61.0 | 56.6 |
Hydrogen sintering |
54.2 | 53.0 | 127.7 |
Argon sintering |
53.1 | 52.2 | 114.3 |
Hot pressing under argon |
234 | 267 | 155 |
表3 不同工艺制备样品的相对密度 下载原图
Table 3 Relative density values of specimens made by different technologies
图3 氢气气氛下烧结和热压样品的未腐蚀金相图
Fig.3 Non-etched microstructure images of samples made by hot press and hydrogen sintering
(a)—NiFeCuAlSn, hydrogen sintering; (b)—NiFeCuAlZn, hydrogen sintering; (c)—FeNi, hydrogen sintering; (d)—NiFeCuAlSn, hot press; (e)—NiFeCuAlZn, hot press; (f)—FeNi, hot press
图4 氢气气氛下烧结样品的腐蚀金相图
Fig.4 Etched microstructures of samples made by hydrogen sintering
(a)—Ni-Fe-Cu-Al-Sn; (b)—Fe-Ni
图5所示为热压样品腐蚀的金相图。 由图5可知, NiFeCuAlSn/Zn样品显微组织主要由粗大颗粒Ni和Fe·Ni和细小黑色相组成。 这种组织均匀度较差是由于在热压环境下, Al与Ni反应生成Ni3Al后, Al扩散慢或停止, 形成了以Ni3Al为主的细小组织和以Fe·Ni和纯Ni为主的大颗粒, 这已由微区能谱所证实。 NiFe样品由于不存在液相扩散, 主要以Ni和Fe的固态扩散为主, 显微组织较均匀, 以Fe·Ni和α-Fe为主, 呈现为条形与方形和沟槽类的形貌。
图5 热压样品腐蚀金相图
Fig.5 Etched microstructures of samples made by hot press
(a)—NiFeCuAlSn sample; (b)—NiFeCuAlZn sample; (c)—FeNi sample
图6 热压样品SEM图像
Fig.6 SEM images of specimens made by hot press
(a)—NiFeCuAlZn; (b)—NiFeCuAlSn; (c)—Magnification of granule in Fig.6(b); (d)—NiFe; (e)—Square and strip microstructure in FeNi; (f)—Channel microstructure in FeNi
图6(a)所示为热压样品NiFeCuAlZn SEM组织图: 对A点的能谱显示大颗粒中Al的含量很低(见表4), 从比例上看, 组织以Fe·Ni和Ni为主, 可能有少量的Ni3Al, Cu和Zn固溶于其中; 对小颗粒的能谱显示(见表4)Ni和Al的量比基本为3∶1, 组织为Ni3Al。 图6(b)和(c)所示为NiFeCuAlSn的微观组织, 可见: 大颗粒与细小组织的能谱显示组织与图6(a) NiFeCuAlZn组织相类似, 各元素含量也基本一致(见图6(b))的A点, 图6(c)的B, C, D点与表4), 而对小颗粒间E点的能谱分析显示(图6(c), 表4), Al的含量非常低, 这个区域的Al基本上都参与了液相反应: 3Ni+Al→Ni3Al, 而形成Ni3Al, 造成此区域贫Al。 图6(d)所示为FeNi合金的微观组织, 主要由条形、 方形和沟槽形的组织组成, 图6(e)所示为条形、 方形组织的放大像, 能谱显示其以Fe·Ni组织为主。 图6(f)所示为沟槽形的放大像, 能谱显示其Fe的含量为Ni含量的3~4倍。 可见, 组织中除少量的Fe·Ni外, 大部分为α-Fe。
表4 图6中各组织对应EDX成分(mole fraction, %)
Table 4 EDX composition correspondingto microstructures in Fig.6
Sample |
Position | Ni | Fe | Cu | Al | Zn | Sn |
NiFeCuAlZn |
Fig.6(a) (A) |
55.09 | 28.45 | 10.18 | 2.99 | 1.04 | - |
Fig.6(a)(B) |
61.66 | 9.42 | 8.21 | 19.34 | 1.38 | - | |
NiFeCuAlSn |
Fig.6(b)(A) |
50.00 | 42.64 | 3.83 | 2.93 | - | 0.60 |
Fig.6(c)(B) |
64.76 | 4.39 | 6.81 | 22.61 | - | 1.42 | |
Fig.6(c)(C) |
69.60 | 4.04 | 6.20 | 18.01 | - | 2.14 | |
Fig.6(c)(D) |
67.10 | 4.66 | 5.90 | 20.65 | - | 1.69 | |
Fig.6(c)(E) |
74.72 | 14.58 | 9.48 | 0.24 | - | 0.98 | |
FeNi |
Fig.6(g) | 22.93 | 77.07 | - | - | - | - |
3结论
1) 氢气、 氩气气氛烧结中, 由于液相Al的存在, 烧结中出现反应烧结现象, Al的快速扩散致使出现孔隙, 导致样品烧结密度下降。
2) 热压能有效地减少和减小孔洞, 尽管热压会导致组织不均匀, 但通过它能大幅度提高样品烧结密度和改善样品性能。
3) Ni-Fe-Cu-Al-Sn/Zn合金热压样品主要由细小的Ni3Al组织、 少量Fe·Ni和反应不完全的Ni大颗粒组成。
参考文献
[7] SekharJA ,LiuJ ,DengH ,etal.Gradednon consum ableanodematerials[J].LightMetals,1998:597603.