分享：添加铁元素对i粉末冶金合金组织和性能的影响
摘 要:以铜粉、铝粉、镍粉和铜包铁粉为原料,采用粉末冶金工艺制备含不同质量分数(0, 1.6%,3.2%,4.8%,6.4%)铁元素的Cu-10Al-4Ni合金,研究了铁含量对合金显微组织和性能的影 响。结果表明:未添加铁元素的合金组织由κⅢ 相、α相和 Al4Cu9 相组成;当添加质量分数1.6%的 铁元素后,合金中的κⅢ 相增多,Al4Cu9 相减少;当铁元素质量分数达到3.2%时,Al4Cu9 相进一步 减少,合金中析出κⅠ 相和κⅡ 相;随着铁含量继续增加,Al4Cu9 相消失,κⅠ相增多,而κⅢ相开始减少。 随着铁含量的增加,合金的烧结密度减小,硬度先降低后增加再降低,当铁质量分数达到3.2%时硬度 最大;合金的屈服强度随铁含量增加呈波动变化,当铁质量分数达到4.8%时屈服强度最大。
关键词:粉末冶金;Cu-Al-Ni合金;铜包铁;显微组织;屈服强度
中图分类号:TG146.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2023)08-0018-05
0 引 言
铝青铜具有优良的力学性能和耐腐蚀性能,常 用于生产专用阀门、齿轮、蜗轮、轴套及螺旋桨等部 件[1]。铝是铝青铜中重要的合金元素,质量分数一 般在7.4%~15.6%;较高含量的铝会使铝青铜中生 成 Al4Cu9 相,导致延展性和耐腐蚀性能降低[2-3]。
在铝青铜合金中加入镍元素可扩大α相区,生成 NiAl相,从而抑制合金的缓冷脆性[4]。在镍铝青铜 合金中添加铁元素可以进一步细化合金组织,同时 铁元素会与镍、铝结合形成富铁 κ相,有效阻碍 Al4Cu9 相的形成,从而进一步提升合金韧性[5];当 铁含量和镍含量大致相等时,κ相以细粒状析出,对 合金的强度和耐腐蚀性能有利[6]。
的强度和耐腐蚀性能有利[6]。 粉末冶金工艺具有节约资源、节省材料、可优化 产品性能等特点,能够直接生产形状复杂、高精度、 高性能的粉末冶金产品,具有较大的社会价值和经 济效益,故而在材料科学和工程领域方面备受重 视[7-8]。然而,采用粉末冶金工艺制备的 Cu-10Al4Ni镍铝青铜合金的强度相比于传统铸造合金降低 明显[9-10]。为此,作者考虑通过添加铁元素来提高 Cu-10Al-4Ni粉末冶金合金的强度。但是以铁粉形 式引入铁元素存在混料后铁粉分布不均匀和κⅠ 相 粗大问题,而采用铜包铁粉的形式添加铁元素,可以 在混料过程中抑制铁粉颗粒之间的相互粘连和团 聚,增加混合粉末的分散性,从而有效限制κⅠ 相长 大,并且铜包铁粉颗粒上的铜层可以增强铁粉与铜 基体的界面结合[11-12]。
因此,作者采用铜包铁粉的形式在 Cu-10Al4Ni合金中引入铁元素,通过粉末冶金工艺制备不 同铁含量的 Cu-10Al-4Ni合金,研究了铁含量对合 金显微组织和性能的影响,以期为 Cu-10Al-4Ni合 金的性能优化提供依据。
1 试样制备与试验方法
试验原料:电解铜粉,粒径小于35μm,纯度 99.90%;气 雾 化 铝 粉,粒 径 小 于 25 μm,纯 度 99.90%;羰基镍粉,粒径小于10μm,纯度99.90%; 铜包铁粉,铜质量分数20%,铁质量分数80%,粒径 小于74μm。按照化学成分(质量分数/%)为 Cu10Al-4Ni-xFe(x 分别取0,1.6,3.2,4.8,6.4)进行配 料,置于GMS型罐磨机中搅拌3h,再用BY40型压 片机压制成型,压力为570MPa,保压时间为3min, 生坯为圆柱形,尺寸为?20mm×10mm。将生坯 置于 ZT-25-20Y 型真空热压烧结炉中,以5 ℃· min-1的升温速率加热至950℃,保温60min烧结, 随炉冷却得到合金试样。
在合金烧结试样上取样,经磨抛后用由3g FeCl3+5mLHCl+100mL蒸馏水组成的溶液腐 蚀后,采用RX50M 型光学显微镜(OM)观察显微组 织。采 用 KYKY-EM3200E 型 扫 描 电 子 显 微 镜(SEM)观察微观形貌。采用 MiniFlex600型 X射 线衍射仪(XRD)测试物相组成。用SGX-FA120型 天平测量试样质量,计算相对密度。采用310HBS3000型数显布氏硬度计进行硬度检测,压头选用直 径2.5mm的硬质合金钢球,载荷为1837.5N,保载 时间为15s,测3点取平均值。根据 GB/T7314- 2017,使用 HY-0580型材料试验机进行压缩试验, 试样尺寸为3 mm×3 mm×5 mm,位移速度为 0.5mm·min-1。
2 试验结果与讨论
2.1 铁含量对物相组成与显微组织的影响
由图1和图3可见:未添加铁元素时,试验合金 由α-Cu、Al4Cu9 和κⅢ (NiAl)相组成;添加质量分数 1.6%铁元素后,在2θ为42.74°处的衍射峰强度明 显降低,说明 Al4Cu9 相减少;当铁质量分数大于 1.6%时合金由 α-Cu、κⅠ 、κⅡ 和 κⅢ 相组成,κⅠ 为 Fe3Al相,κⅡ 为 NiAl基体上的富铁相[6,13-14]。
由图2可以看出:未添加铁元素时,试验合金的 显微组织由浅黄色α基体相、棕色网状κⅢ 相和黑色 孔洞组成;添加质量分数1.6%铁元素时,棕色网状 κⅢ相团聚并增多,孔洞也增大;当铁质量分数达到 3.2%时,棕色网状κⅢ相消失,出现深灰色大颗粒状κⅠ 相,直径在20~50μm,同时出现了大量细小颗粒状 κⅡ相;随着铁含量的持续增加,大颗粒状深灰色κⅠ相 和孔洞数量增多,且κⅠ相尺寸增大。
结合图1、图2和图3分析可知:未添加铁元素 时,试验合金由白色条状和粒状κⅢ 相、浅灰色α基 体相、深灰色 Al4Cu9 相和孔洞组成。根据 Cu-AlNi三元相图[15]:在950 ℃烧结时,试验合金处于 α+β(Cu3Al)相区,随炉冷却时,当温度降到共析反 应 温度时,β相开始发生共析反应生成α和κⅢ 相;当温度继续降至560℃时,剩余的β相发生另一个 共析反应(β→α+ κⅢ +Al4Cu9),生成 Al4Cu9 相。 故未添加铁元素时试验合金由α相、κⅢ 相和 Al4Cu9 相组成。
当铁质量分数达到1.6%时,试验合金由κⅢ 相、 α基体相和 Al4Cu9 相组成,与未添加铁元素相比 κⅢ 相明显增多且发生细化。与 Cu-Al-Ni三元相图 相比,Cu-Al-Ni-Fe四元相图中的共析点(β→α+ κⅢ +Al4Cu9)右移[16],即添加铁元素后试验合金成 分远离 Al4Cu9 相区,故 Al4Cu9 相减少。在烧结冷 却的过程中,铁从基体相中析出,在晶界富集,从而 限制了晶粒的长大[17]。
当铁质量分数达到3.2%时,试验合金由κⅠ 相、 κⅡ 相、κⅢ 相、α相和 Al4Cu9 相组成,Al4Cu9 相很少; κⅠ 相为大颗粒状,直径在20~50μm,κⅡ 呈球状,直 径在2~5μm,与文献[14]相符。κⅠ 相是DO3 型的Fe3Al金属间化合物,含铁量相对较高,一般位于α 相的中间[14],是烧结冷却过程中在第一个共析温度 下由β相分解形成的;当温度继续下降时,剩余的β 相又会发生共析反应生成α+κⅡ +κⅢ 相[6,16]。κⅡ 相为 NiAl基体上的富铁相,形貌与κⅠ 相相似但体 积较小,略呈球状[13]。
当铁质量分数达到4.8%及以上时,试验合金 中的 Al4Cu9 相消失,κⅠ 相增多,而κⅢ 相减少。这 是因为铁含量的增加使得共析点 (β→α+κⅢ + Al4Cu9)进一步右移,合金成分位于α+κⅠ +κⅡ + κⅢ 相区,故 Al4Cu9 相消失,κⅢ 相减少。
2.2 铁含量对密度与力学性能的影响
由图4可知,随着铁含量的增加,试验合金生坯 的相对密度变化不大,烧结后的相对密度却逐渐减 小。这是因为铁以铜包铁粉的形式引入,在烧结时 包覆在铁粉外的铜向铁中发生固态扩散,在铜原来 位置留下孔隙[18];随着铜包铁添加量的增加,孔洞 数量增加,烧结后相对密度下降。
由图5(a)可知:随着铁含量增加,试验合金的 硬度呈先降后增再降的变化趋势。分析可知:当铁 质量分数达到1.6%时,试验合金中的孔洞数量相 比于未添加铁元素合金有所增多,因此硬度有所降 低;当铁质量分数达到3.2%时,试验合金孔洞数量 变化不大,对硬度影响较小,但由于试验合金中出现 了少量硬度远超基体[19]的κⅠ 和κⅡ 相,因此硬度提 高;继续增加铁含量时,虽然κⅠ 相进一步增多,但弥 散的κⅢ 相减少,孔洞数量明显增加,故合金硬度逐 渐降低。
由图5(b)可知:随着铁含量增加,试验合金的 屈服强度呈先增后略微下降再明显增大后下降的变 化趋势。当铁质量分数为1.6%时,试验合金中的 κⅢ 相明显增多且发生细化,因此屈服强度相比于未 添加铁时增大;当铁质量分数为3.2%时,试验合金中出现少量κⅠ 相和κⅡ 相,细小的κⅢ 相也减少,因 此合金屈服强度有所下降;当铁质量分数为4.8% 时,κⅠ 相和κⅡ 相增加,合金的屈服强度达到最大, 约为310MPa;当铁质量分数为6.4%时,κⅠ 相数量 增多且尺寸增大,同时孔洞数量增多,对合金性能产 生消极影响,屈服强度下降。
3 结 论
(1)未添加铁元素的Cu-10Al-4Ni粉末冶金合 金由κⅢ 相、α相和 Al4Cu9 相组成;当添加质量分数 1.6%的铁元素后,试验合金中的κⅢ 相明显增多且 发生细化,Al4Cu9 相减少;当铁质量分数达到3.2% 时,Al4Cu9 相进一步减少,合金中开始析出κⅠ 相和 κⅡ 相;随着铁含量的继续增加,Al4Cu9 相消失,κⅠ 相增多,而κⅢ 相开始减少。
(2)随着铁含量增加,试验合金的烧结密度降 低,硬度呈先降低后增加再降低的变化趋势,当铁质 量分数达到3.2%时硬度最大;试验合金的屈服强 度随铁含量增加呈先增后略微下降再明显增大后下 降的变化趋势,当铁质量分数达到4.8%时屈服强 度最大,约为310MPa。
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<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 机械工程材料 > 47卷 > 8期 (pp:18-22)>
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