简介概要

自蔓延高温合成TiC复合添加剂增强铁基粉末冶金材料

来源期刊：中国有色金属学报2001年第3期

论文作者：邹正光傅正义袁润章

文章页码：408 - 411

关键词：自蔓延高温合成；粉末冶金；铁基材料；增强

Key words：self-propagation high-temperature synthesis; powder metallurgy; iron-based material, reinforcement

摘要：采用以自蔓延高温合成技术制备的TiC/Fe(Mo)复合粉末为添加剂增强铁基粉末冶金材料，探讨复合增强粉末中金属相的种类、含量对增强体结构及烧结复合材料性能的影响。结果表明，含Fe, Mo为10%～20%的TiC/Fe(Mo)复合粉末具有较好的增强效果；在复合粉末的自蔓延高温合成中，加入金属Mo，有利于TiC与金属相的润湿，从而提高增强效果。

Abstract: The SHS TiC/Fe(Mo) composite powder was used to reinforce the iron-based powder metallurgical materials. The effect of the kind and the amount of metals in reinforcing composite powder on powder microstructure and properties of sintered composite was studied. It is showed that TiC/Fe(Mo) powder with 10%～20% metal is good to reinforce iron-based powder metallurgical materials. In the SHS processing of composite powder, the addition of Mo is beneficial to wetting between TiC and metal, so to reinforcement.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.03.014

自蔓延高温合成TiC复合添加剂增强铁基粉末冶金材料

邹正光傅正义袁润章

桂林工学院材料工程系!桂林541004

武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室!武汉430070

摘要：

采用以自蔓延高温合成技术制备的TiC/Fe (Mo) 复合粉末为添加剂增强铁基粉末冶金材料 , 探讨复合增强粉末中金属相的种类、含量对增强体结构及烧结复合材料性能的影响。结果表明 , 含Fe, Mo为 10 %～ 2 0 %的TiC/Fe (Mo) 复合粉末具有较好的增强效果 ;在复合粉末的自蔓延高温合成中 , 加入金属Mo , 有利于TiC与金属相的润湿 , 从而提高增强效果

关键词：

自蔓延高温合成;粉末冶金;铁基材料;增强;

中图分类号： TF125

收稿日期：2000-06-09

基金：国家自然科学基金资助项目 ( 5 0 0 62 0 0 1);广西自然科学基金资助项目 (桂科自 0 0 0 70 2 1);

Iron-based powder metallurgical material reinforced by SHS TiC composite powders

Abstract：

The SHS TiC/Fe (Mo) composite powder was used to reinforce the iron based powder metallurgical materials. The effect of the kind and the amount of metals in reinforcing composite powder on powder microstructure and properties of sintered composite was studied. It is showed that TiC/Fe (Mo) powder with 10%～20% metal is good to reinforce iron based powder metallurgical materials. In the SHS processing of composite powder, the addition of Mo is beneficial to wetting between TiC and metal, so to reinforcement. [

Keyword：

self propagation high temperature synthesis; powder metallurgy; iron based material; reinforcement;

Received： 2000-06-09

烧结铁基材料以其成本低、产品少或免切削等特点而在现代工业上有着广泛的应用。然而, 由于烧结铁基材料产品强度较低而限制了其在一些对强度要求较高的场合的应用。因此, 如何改善其韧性、提高其强度是铁基粉末冶金技术中一个重要的研究课题。通常的方法两种: 一是在铁粉中加入一些合金元素, 如Cr, Mn, Mo等以合金强化铁基粉末冶金材料 ^[1] ; 另一种是在铁粉或合金粉中加入陶瓷颗粒增强相, 以进一步增强铁基材料 ^[2,3,4] 。目前, 第一种方法效果比较明显, 但还未能完全满足要求。后一种方法通常是在第一种方法的基础上进行的, 但目前效果不太理想。其主要原因是陶瓷相和金属相之间性质的差异, 导致陶瓷相的分散性以及混合粉末的成型性较差, 从而影响增强效果 ^[5] 。另外, 加入陶瓷相后, 对烧结温度要求较高, 一般要在较高的温度下进行烧结才能得到较好的效果 ^[6] , 这样难以在生产实践中推广应用。因此, 如何解决陶瓷相加入后的分散性与成型性以及烧结温度的问题, 并能较大地改善力学性能, 是有待于进一步研究的内容。

本文作者采用以自蔓延高温合成 (SHS) 技术制备的TiC/Fe (Mo) 复合粉末为增强原料 ^[7,8,9,10] , 在现有铁基粉末冶金材料生产工艺条件下通过复合粉末的加入而增强铁基粉末冶金材料。由于自蔓延高温合成方法制备的TiC/Fe (Mo) 复合粉末是高温原位复合而成, Fe (Mo) 与TiC颗粒之间已形成牢固的结合, TiC已处于Fe (Mo) 包围之中, 无须在粉末冶金材料生产过程中来完成TiC与Fe的烧结、结合, 从而可望克服直接加入陶瓷相而带来的分散性、成型性及烧结性的困难, 提高其机械强度。

1 实验

实验用铁粉为<147 μm的武钢牌还原铁粉, 其化学成分及工艺特性见表1。所用SHS粉末成分和粒度见表2。在复合粉末的自蔓延高温合成过程中, 金属的种类和加入量不同, 将导致复合粉末的特征也存在一定的差异, 图1为部分SHS复合粉末的表观特征。

表1 还原铁粉的化学成分及工艺特征

Table 1 Composition of iron powder and its industrial properties

Composition (mass fraction) /%
Fe	C		Mn		P	Si	S
Bal.	0.12		0.29		0.04	0.07	0.016
Bulk density / (g·cm^-3)		Flowability / (s·g^-1)		Compressibility / (g·cm^-3)		Composition of particle
						>147 μm	<44 μm
2.56		0.648		6.56		Minor	26.2%

将还原铁粉、 SHS复合粉末及0.1% (质量分数, 下同) 的石墨、 0.6%粘结剂和0.2%的润滑剂一起混合均匀, SHS粉末的加入量以净TiC含量分别为0, 1%, 2%, 3%, 5%, 8%。经均匀混合后的粉料, 在650 MPa下压制成粉末冶金材料标准拉伸实验试件、标准冲击韧性试件及用作硬度、抗弯强度和耐磨损性能测试的试样。将试样置于石墨舟

图1 SHS复合粉末的表观特征

Fig.1 Morphological characteristics of SHS composite powders (a) —Sample J; (b) —Sample D

表2 SHS复合粉末的特征

Table 2 Characteristics of SHS TiC/ (Fe, Mo) powder

Sample	w (TiC) /%	w (Fe) /%	w (Mo) /%	w (Ni) /%	Particle size /μm
A	100	0	0	0	2~10
H	90	6	4	0	2~10
J	90	4	6	0	2~10
D	90	10	0	0	2~10
L	80	10	10	0	5~20
K	90	0	0	10	2~10

中, 用细刚玉粉均匀覆盖于其上, 在RJM-20-16-a型氢气钼丝炉中烧结。为了使实验条件与生产条件一致, 烧结温度为1 200 ℃ (铁基粉末冶金材料的一般烧结温度) , 烧结试样在920 ℃淬火及200 ℃回火。

采用排水法测量烧结铁基复合材料的体积密度, 然后计算其相对密度。磨损率的测量采用ZMT-1型摩擦磨损试样机和万分之一克精度的天平 (试样磨损面5 mm×7 mm, 正压力33.2 N, 速度4.3 m/s, 滑动磨程300 m, 磨损前磨合磨程10 m) ; 采用HD187.5型洛氏硬度计测量烧结复合材料淬火前的HRB和淬火后的HRC。将烧结材料机械加工成3 cm×4 cm×24 cm试样, 采用三点弯曲法在MTS-810型 (美国) 力学性能测试机上测量拉弯强度 (加载速度0.5 mm/min) 。拉伸实验在INSTROW-1.341型 (英国) 力学性能试验机上进行 (加载速度0.05 mm/min) 。

2 结果与讨论

烧结铁基复合材料的密度及耐磨性见表3, 表

表3 烧结铁基复合材料的密度和耐磨性

Table 3 Density and wearing rate of sintered iron-based composites

Sample	TiC content /%	Relative density /%	Wearing rate / (10^-5 g·m^-1·N^-1)
A₅	5		0.105
D₅	5	88.8	0.12
H₅	5	91.9	0.09
J₁	1	89.8	0.11
J₃	3	89.9	0.10
J₅	5	91.7	0.065
K₅	5	89.8	0.16
X	0	88.5	2.87

中A₅中的A表示加入SHS粉的类型, 其下标5表示加入TiC的含量, 其它类同; X表示未加SHS复合粉末的样品, 下同。由表3可知, 烧结复合材料的相对密度较不加SHS复合粉末的铁基材料没有差别, 说明SHS复合粉末的加入解决了陶瓷相加入时的烧结困难。从表3还可以看出, SHS粉末中含有一定量的Mo对复合材料的烧结有良好的促进作用。复合材料的耐磨性较未加SHS复合粉末的烧结铁基材料有很大的提高, 特别是加入SHS粉末J之后, 其效果更加显著。表4列出了烧结复合材料的硬度。由表4可知, SHS粉末增强相的加入, 对提高烧结材料的硬度有较大的作用, 特别是复合粉末J和H的加入, 对硬度的提高效果更好, HRC提高可达10以上。这样可以大大地拓宽烧结铁基粉末冶金材料的应用范围。

图2和图3分别表示烧结复合材料的抗弯强度、抗拉强度与TiC加入量的关系。加入SHS复合粉末后, 烧结材料的抗拉强度和抗弯强度均有所提高, 且加入不同的SHS粉末, 抗拉强度提高的幅度

表4 烧结材料的硬度

Table 4 Hardness of sintered materials

Sample	TiC content/%	HRB	HRC
H₁	1	88.0	52.0
H₃	3	86.3	52.0
H₅	5	93.0	54.0
J₁	1	95.0	53.0
J₃	3	94.0	54.0
J₅	5	95.0	55.0
K₁	1	82.0	46.5
K₃	3	73.0	48.0
K₅	5	87.0	47.5
X	0	81.0	43.0

图2 抗弯强度与TiC含量的关系

Fig.2 Relationship of bending strength and TiC content (with J powder)

图3 抗拉强度与TiC含量的关系

Fig.3 Relationship of tensile strength and TiC content (with J, L powder)

及与TiC含量的关系有一定的差异。加入SHS粉末J时抗弯强度在TiC含量为3%时最大, 抗拉强度在TiC含量为2%时最大; 而加入SHS粉末L时, 抗拉强度提高幅度更大, 并在TiC含量为5%时, 出现最大值。

在增强相的自蔓延高温合成过程中, Mo的加入改善了TiC与金属相之间的润湿性, 从而使金属与TiC之间形成良好的界面结合, 即Fe和Mo能均匀地包覆于TiC颗粒上, 形成一层包覆层, 从复合粉末的显微观察可以清楚地看到这一点 (图1 (a) ) ; 而没有加Mo的SHS粉末, 由于润湿性较差, 使得TiC与Fe之间的结合相对差一些 (图1 (b) ) 。因此, 当SHS复合粉末加入到铁基材料后, 加入Mo者分散均匀 (图4 (a) ) , 能起到良好的增强作用, 而未加入Mo者出现局部分散不均匀 (图4 (b) ) , 不利于烧结和增强。

图4 烧结铁基复合材料的显微组织

Fig.4 Microstructures of sintered iron-based composites with different SHS powders (a) —Sample J₅; (b) —Sample D₅