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低铬粉末冶金烧结硬化钢的显微组织及力学性能杨洁，刘乐，黄晓琳赫格纳斯(中国)有限公司,上海201799通信作者,E-mail:摘要烧结硬化作为一种经济有效的高强度粉末冶金零件生产工艺，可以通过控制烧结后冷却速度影响显微组织（马氏体含量），从而改善材料的最终性能。本文介绍了一种新开发的低 Cr 预合金烧结硬化材料 AstaloyTMCrA，研究其在不同烧结温度和冷却速度下的力学性能和显微组织，并与常见的粉末冶金烧结硬化钢 DistaloyDH 进行对比。研究表明，在压制密度为7.0gcm3并添加同等含量碳的条件下，添加质量分数 2%Ni 的 AstaloyTMCrA 混粉淬透性更高，获得比其他两种材料更高的马氏体含量及表观硬度。AstaloyTMCrA 在1250 烧结、冷却速度为3s1时，硬度最高达到HRC38；在1250 烧结，冷却速度为1s1时，强度和韧性最佳。关键词粉末冶金；烧结硬化；微观组织；力学性能分类号TF121MicrostructureandmechanicalpropertiesofpowdermetallurgysinterhardeningsteelswithlowCrcontentYANG Jie,LIU Le,HUANG XiaolinHgansChinaCo.,Ltd.,Shanghai201799,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:ABSTRACTSinter hardening is an established cost-effective process to produce high strength powder metallurgy parts bycontrollingthecoolingspeedtoaffectthesinteredmicrostructure(martensitecontent)toimprovethefinalperformance.Anewlydevelopedpre-alloysinterhardeningsteelswithlowCrcontent(AstaloyTMCrA)wasintroducedinthispaper,themechanicalpropertiesandmicrostructureunderthedifferentsinteringtemperatureandcoolingratewereinvestigated,andthecommonpowdermetallurgysinterhardeningmaterial(DistaloyDH)wasreferencedforthecomparison.Intheresults,underthepressingdensityof7.0gcm3atthesamecarbonlevel,theAstaloyTMCrAaddedwith2%nickel(massfraction)hasthehighesthardenabilitywhichcanobtainthehighestmartensitecontentandthemacrohardnesscomparedtotheothermaterials.AstaloyTMCrAsinteredat1250andfollowedwiththecoolingrateof3s1canachievethehardnessofHRC38,whichcanobtaintheoptimumstrengthandtoughnessbysinteredatthesametemperatureandfollowedwiththelowercoolingrateof1s1.KEYWORDSpowdermetallurgy;sinterhardening;microstructure;mechanicalproperties收稿日期：20210911DOI：10.19591/11-1974/tf.2020060008；http:/第 41 卷第 4 期粉末冶金技术粉末冶金技术Vol.41,No.42023年8月PowderMetallurgyTechnologyAugust2023在粉末冶金工业中，烧结硬化作为一种经济有效的生产工艺被越来越多地用于高性能零件的制备。烧结硬化可以利用钼、铬、镍、铜等高淬透性元素与快冷结合来提高材料烧结后的力学性能15。对烧结硬化材料而言，合金元素的种类与含量、烧结温度、烧结时间以及烧结后的冷却速度都会影响材料的显微组织68，从而影响材料的最终性能。多年来，人们对含 Cr 粉末冶金材料进行了大量研究，结果表明 Cr 是一种经济有效且适用于烧结硬化的合金元素，价格低廉，供应稳定，对材料的淬透性提升非常有效。但在实际生产过程中，由于 Cr 的合金强化以及亲氧性，对零件的压制和烧结工艺提出更高要求915，因此近年来对低 Cr 材料的研究逐渐成为热点。赫格纳斯公司研究开发了一种低 Cr 预合金烧结硬化材料 AstaloyTMCrA，该粉末添加少量 Ni 粉或 Cu 粉，在保证混粉压制性能的同时，能获得较高的烧结硬化性能。提高粉末冶金烧结后的冷却速度可以增加奥氏体向马氏体转变，从而提高材料的硬度和强度。提高烧结温度可以促进烧结颈形成、孔隙圆化及合金扩散，有利于提高材料综合性能，但高温会使晶粒长大，不利于力学性能的进一步提高16。随着粉末冶金工艺的不断进步，高温烧结和快冷工艺的结合成为行业发展趋势，在此背景下，赫格纳斯公司设计了一种新的推杆/滚轴式高温烧结硬化炉，在常温和高温烧结后，对比了新开发的 AstaloyTMCrA材料以及市场上使用多年的烧结硬化材料 DistaloyDH 在不同冷却速度下的力学性能和显微组织。1实验材料及方法1.1实验材料以含 Cr 预合金粉末 AstaloyTMCrA 和扩散粘接预合金粉末 DistaloyDH 为基粉制备了三种混粉，分别添加不同质量分数的羰基镍粉和200 目电解铜粉以及相同含量的天然石墨（C-UF4）。混粉名称、化学成分及合金元素含量见表 1。1.2样品制备拉伸试样和冲击试样分别依据 ISO2740 和MPIF60 由 120t 的 OstwaldNC-CA120 液压机压制成形，考虑数据准确性，每组试样制备试棒各 7 根，试棒生坯密度为 7.0gcm3，测试拉伸性能和冲击功。压制后在推杆/滚筒式高温烧结硬化炉上进行烧结，烧结温度分别为 1120 和 1250，烧结时间 30min，烧结气氛为 N2:H2=90:10（体积比）。烧结炉在脱蜡段使用推杆系统，在烧结和冷却段使用滚筒系统。通过设置冷却风扇转速实现不同的冷却速率，最高名义冷却速度可达 8s1，风扇转动频率设置为 5Hz、15Hz，分别实现试棒以名义冷却速度 1s1、3s1冷却。风扇转动频率与试样名义冷却速度的关系如图 1 所示。所有烧结硬化后的试样在空气气氛中 200 回火 1h。012345678901020304050冷却速度/(s1)冷却风扇转动频率/Hz图1风扇转速与试样名义冷速关系曲线Fig.1Relationship of cooling fan rotation frequency andnominalcoolingrateforthefurnace1.3力学性能测试按照 ISO2738，采用排水法测试试棒烧结密度；按照 ISO6892-1，使用 ZwickZ100 拉伸试验机测试试棒烧结后的拉伸性能，结果去掉最高值和最低值，取其平均值；按照MPIF40，利用ZwickPKP450冲击试验机测试材料冲击功，结果去掉最高值和最低值，取其平均值；按照 ISO4498，通过 ZwickZHV8187.5 硬度仪测试材料宏观硬度，宏观硬度测试在试棒上压制面和下压制面上进行，每个表面测试五个点，取其平均值。1.4金相组织金相组织观察面为拉伸试棒横截面。使用砂轮切割得到拉伸试样横截面，磨抛后使用硝酸、苦味酸和无水乙醇混合溶液腐蚀。利用光学显微镜拍摄显微组织照片，并依据 ASTME562 测定显微组织中珠光体、马氏体和贝氏体含量。表1三种混粉的化学成分及粉末名称Table1Chemicalcompositionandnameofthethreemixturepowders混粉编号粉末名称成分（质量分数）/%FeCuMoNiCrC1DH余量2*1.5*0.62CrA2Ni余量21.8*0.63CrA1Cu余量11.8*0.6注：*预合金；*扩散粘结346粉末冶金技术粉末冶金技术2023年8月2结果和讨论2.1力学性能粉末冶金零件的力学性能取决于零件的烧结密度及显微组织，而显微组织受烧结后试样中碳含量影响。烧结温度对试样烧结密度及碳氧含量的影响见表 2。高温烧结下原子的扩散能力增强，烧结颈得到大幅改善，产生尺寸收缩，从而提高材料密度，从表 2 可以看出，1250 烧结试棒较 1120 烧结试棒密度增加了 0.060.08gcm3。CrA2Ni 混粉由于不含 Cu，烧结后尺寸收缩量大，在同一温度下烧结后密度最高；DH 含 Cu 量高，烧结后尺寸膨胀量大，密度最低。另外高温烧结下氧化物将更多地被碳还原，使得碳损增加，1250 烧结较1120 烧结的样品碳质量分数降低了 0.04%0.06%，在高温烧结时，三种材料碳损相差不大。Cr 的亲氧性比 Cu、Ni、Mo 高，因此在 1120 烧结后含Cr 材料的氧质量分数较DH 材料高，为0.04%，但在 1250 高温烧结后，含 Cr 材料的氧质量分数降低到 0.01%，与 DH 保持同等水平。表2不同烧结温度下样品烧结密度和碳氧含量Table2Sintereddensity,carboncontent,andoxygencontentofspecimenssinteredatdifferenttemperatures粉末名称烧结密度/(gcm3)烧结后碳质量分数/%烧结后氧质量分数/%112012501120125011201250DH6.936.990.570.520.010.01CrA2Ni7.047.120.540.500.040.01CrA1Cu6.977.040.570.510.040.01图 2 是经过不同烧结硬化工艺处理后试棒表面的宏观硬度。一般而言，冷却速度越高，形成的马氏体越多，零件的宏观硬度就越高。由图可知，三种材料在 1120 温度下烧结，当冷速从 1s1提升至 3s1后，宏观硬度提高了 HRC712。当烧结温度升高至 1250 时，DH 和 CrA1Cu 混粉高温烧结样的宏观硬度增加不明显，反而有所下降；而 CrA2Ni 混粉在高温烧结时宏观硬度增加，特别在高冷速下提升更显著。由图可知，在同等烧结冷却条件下，CrA2Ni 相比其他两种材料能获得更高的表观硬度，尤其在 1250 烧结和 3s1快冷工艺下宏观硬度为三种材料中最高，达到HRC38，说明添加 Ni 的 AstaloyTMCrA 混粉淬硬性最高。图 3图 5 为三种材料在不同烧结温度和冷速下的拉伸试验结果。随着冷速增加，马氏体含量增加，使材料屈服强度和极限拉伸强度升高，但材料的韧性下降从而导致延伸率下降。与文献 17 数据相比，AstaloyTMCrA 材料在添加合金含量较低时（质量分数 1%的 Cu 和质量分数 0.6%的 C），得到的强度更高。温度升高使得材料的强度和延伸率增加，常温烧结时，CrA1Cu 的强度与文献 16 中添加质量分数1.5%Cu 及质量分数0.65%C 的AstaloyTMCrA 材料相当；高温烧结后，其极限抗拉强度升高约120MPa。两种烧结温度下，CrA2Ni 在低冷速2432173326332738203216260510152025303540451 s13 s11 s13 s11120 1250 宏观硬度,HRCDHCrA2NiCrA1Cu图2不同烧结温度和冷速下样品宏观硬度Fig.2Macro hardness of the specimens at the differentsinteringtemperaturesandcoolingrates65786660292866483875290158771758085001002003004005006007008009001000屈服强度/MPaDHCrA2NiCrA1Cu1 s13 s11 s13 s11120 1250 图3不同烧结温度和冷速下样品的屈服强度Fig.3YieldStrengthofthespecimensatthedifferentsinteringtemperaturesandcoolingrates第 41 卷第 4 期杨洁等:低铬粉末冶金烧结硬化钢的显微组织及力学性能3471s1时就能达到较高的强度，且在高温下更显著，极限抗拉强度能达到 1030MPa，比其他两种材料高 30%左右。DH 和 CrA1Cu 需要提高冷却速度来达到与 CrA2Ni 相当的强度。CrA2Ni 在 1250烧结和 1s1冷却时拉伸强度和延伸率最佳。图 6 为三种材料经不同工艺处理后的冲击功结果。结果表明，冲击功随着烧结温度和冷却速度的增加而升高。CrA2Ni 的冲击功高于其他两种材料烧结硬化工艺下的值，并且在 1250 烧结、1s1冷却时达到最大值，为 27J。DH 在 1250 烧结、3s1冷却时冲击功最高，为 21J，CrA1Cu 在1250 烧结、1s1冷却时冲击功最高，为 24J。2.2显微组织对于烧结硬化材料，理想的显微组织为表面马氏体含量（体积分数）高于 90%，芯部马氏体含量高于 70%，这样的显微组织不仅具有高的表面硬度，还有一定韧性，并且不会因为快冷而形成过高的内应力。粉末冶金零件快冷的显微组织受合金元素质量和密度的影响，为了很好的控制材料的显微组织，对于一定体积和密度的零件，了解冷速和合金含量对其淬透性的影响很重要8,18。三种材料在不同冷速下的马氏体含量（体积分数）如表 3 所示。一般而言，冷速越高马氏体含量越高。在相同的冷速下，CrA2Ni 能得到比其他两种材料更高含量的马氏体，其淬透性更高，而 CrA1Cu 的马氏体含量最低，淬透性最低，在实际使用中可以根据零件性能需要增加铜含量以提高材料的力学性能。在两种烧结温度条件下，CrA2Ni 试样在 1s1低冷速下形成马氏体含量高于 DH 试样和 CrA1Cu 试样，因此其硬度和强度也高于 DH 试样和 CrA1Cu 试样。在 1250烧结温度、3s1冷速烧结硬化后，CrA2Ni 试样得到的马氏体含量最高，相应地，宏观硬度也是本实验条件下所得最高值。表3不同烧结温度和冷速下拉伸试棒的马氏体含量Table3Martensitecontentofthetensilestrengthspecimensatthedifferentsinteringtemperaturesandcoolingrates粉末名称马氏体体积分数/%112012501s13s11s13s1DH20.080.012.575.0CrA2Ni41.577.532.087.0CrA1Cu22.564.027.562.5图 7图 9 为不同材料在不同条件下的显微组织。由图可知，所有材料的主要组织均为马氏体和贝氏体，CrA1Cu 在低冷速下会有少量珠光体生成。随着冷速增加，珠光体/贝氏体含量减少而马氏体含量增加。高温烧结促进合金元素的扩散，从图中看出，1120 烧结时显微组织分布不均匀，DH和 CrA1Cu 颗粒边界深色区域为 Cu 扩散区，形成85910388031132887957103010457689028101042020040060080010001200极限抗拉强度/MPaDHCrA2NiCrA1Cu1 s13 s11 s13 s11120 1250 图4不同烧结温度和冷速下试样的极限抗拉强度Fig.4Ultra tensile strength of the specimens at the differentsinteringtemperaturesandcoolingrates0.870.671.380.881.150.451.460.471.210.591.940.970.00.51.01.52.0延伸率/%DHCrA2NiCrA1Cu1 s13 s11 s13 s11120 1250 图5不同烧结温度和冷速下试样的延伸率Fig.5Elongation of the specimens at the different sinteringtemperaturesandcoolingrates161818212021272417162420051015202530冲击功/JDHCrA2NiCrA1Cu1 s13 s11 s13 s11120 1250 图6不同烧结温度和冷速下试样的冲击功Fig.6Impactenergyofthespecimensatthedifferentsinteringtemperaturesandcoolingrates348粉末冶金技术粉末冶金技术2023年8月马氏体，颗粒内部基本无 Cu 扩散，主要为贝氏体。CrA2Ni 的显微组织为贝氏体和马氏体，Ni 基本无扩散，富 Ni 奥氏体成白色岛状零星分布。材料在1250 高温烧结时，Ni、Cu 的扩散更充分使得显微组织分布更均匀，基本无明显富 Ni 奥氏体和Cu 扩散区域。3结论（1）添加质量分数 2%Ni 的 AstaloyTMCrA 材料淬透性最高，在同等烧结硬化条件下，该材料相比其他两种材料能获得更高的宏观硬度，并且在低冷速下（1s1），该材料便已达到较高的强度，高温下更显著，极限抗拉强度能达到 1030MPa，比其他两种材料高 30%左右。1250 烧结，1s1冷却时，该材料的拉伸强度和延伸率最佳。（2）添加质量分数 1%Cu 的 AstaloyTMCrA 材料在高冷速下（3s1）能达到与 DistaloyDH 材料相当的性能，在实际使用中，需要提高 Cu 含量或者提高冷却速度来提高材料的硬度和强度。参考文献AkpanE,LEsperanceG,RoyL.Casehistorieswithsinterhardeninglowalloysteelpowder/Advances in Powder 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卷第 4 期杨洁等:低铬粉末冶金烧结硬化钢的显微组织及力学性能349magnesia.Ceram Int,1975,1(2):81Chhor K,Bocquet J F,Pommier C.Syntheses of submicronmagnesiumoxidepowders.Mater Chem Phys,1995,40(1):6313LiuZ.Preparationofnano-MgOfrommagnesitebysol-gelmethod.Appl Chem,2012,41(5):837(刘振.溶胶-凝胶法由菱镁矿制备纳米氧化镁.应用化工,2012,41(5):837)14LuoZX,ChenHK,KangF,etal.Preparationofnano-MgObyionicliquid-assistedhydrothermalmethod.Chem Eng,2016,30(12):1(罗竹溪,陈虎魁,康芳,等.离子液体辅助水热法制备纳米氧化镁.化学工程师,2016,30(12):1)15Qu Y,Liang S Y,Yu J,et al.Synthesis of MgO nanosheets forcatalyzing synthesis chalcone.J Nat Sci Heilongjiang Univ,2019,36(2):196(曲阳,梁松岩,余俊,等.合成氧化镁纳米片及其催化合成查尔酮性能.黑龙江大学自然科学学报,2019,36(2):196)16SunTH,HaoSJ,JiangWF,etal.Preparationandmorphologyanalysis of nano-sized iron oxide.Powder Metall Technol,2021,39(1):76(孙天昊,郝素菊,蒋武锋,等.纳米氧化铁的制备及形貌分析.粉末冶金技术,2021,39(1):76)17（上接第 349 页）EngstrmU.Costeffectivematerialforsinterhardeningapplications/World Powder Metallurgy Meeting.Washington,20084Gnen M,Bakkalolu A.Influence of sinter-hardening 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