第３２卷第４期 ２０１４年８月 粉末冶金技术 Ｐｏｗｄｅｒ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．３２．Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１４ Ｎｉ、Ｐ元素对于铁基粉末冶金材料力学性能的影响 尹利广一 尹延国一 张国涛 王 涛 解挺 田明 王璇 吴晓波 （合肥工业大学摩擦学研究所，合肥２３０００９） 摘 要： 采用粉末冶金方法制备铁基烧结材料，并测试材料的硬度和压溃强度，考察了Ｎｉ、Ｐ元素对于铁基 粉末冶金材料密度和力学性能的影响。结果表明：Ｎｉ不仅可以提高铁基材料中珠光体的含量，还可以显著提 高材料的硬度和压溃强度，当Ｎｉ含量为３％时效果最好；添加微量Ｐ元素可以明显提高含Ｎｉ铁基材料的硬度 和压溃强度，但当Ｐ含量超过０．１５％后，对材料硬度的提升作用减缓，而材料的压溃强度则大幅下降。 关键词：粉末冶金；铁基烧结材料；磷；镍；力学性能 Ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｎｉ ａｎｄ Ｐ ｏｎ Ｔｈｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｉｒｏｎ－ｂａｓｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｙｉｎ Ｌｉｇｕａｎｇ，Ｙｉｎ Ｙａｎｇｕｏ，Ｚｈａｎｇ Ｇｕｏｔａｏ，Ｗａｎｇ Ｔａｏ，Ｘｉｅ Ｔｉｎｇ，Ｔｉａｎ Ｍｉｎｇ，Ｗａｎｇ ｘｕａｎ，Ｗｕ ｘｉａｏｂｏ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ） 、 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｉｒｏｎ—ｂａｓｅｄ Ｐ／Ｍ ｓｉｎｔｅｒｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｉｔｈ Ｎｉ ａｎｄ Ｐ ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｎｉ ａｎｄ Ｐ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｐ／Ｍ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａｄｄｉｎｇ Ｎｉ ｔＯ ｉｒｏｎ－ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｐｅａｒｌｉｔｅ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ｎｉ ｉｓ ３％，ｔｈｅ ｒｅｓｕｈ ｉｓ ｔｈｅ ｂｅｓｔ．Ａｎｄ ａｄｄｉｎｇ Ｐ ｔｏ ｔｈｅ ｉｒｏｎ—ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｏｎｔａｉｎｅｄ Ｎｉ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｒｅｍａｒｋａｂｌｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ｐ ｉｓ ｏｖｅｒ ０．１ ５％，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｐ ｅｌｅｍｅｎｔ ｏｎ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｗｉｌｌ ｄｅｃｒｅａｓｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｉｒｏｎ—ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｉｌｌ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｓｈａｒｐｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｐｏｗｅｒ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ；Ｉｒｏｎ—Ｂａｓｅｄ Ｓｉｎｔｅｒｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ；Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ；Ｎｉｃｋｅｌ；Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ 粉末冶金技术具有可加工复杂形状、可实现近 结体的同时，还具有提高铁基粉末烧结体塑形的特 点，对铁基粉末冶金材料的强韧化十分有利；Ｍｏ可 以稳定 —Ｆｅ缩小 —Ｆｅ相区，有利于铁的扩散，Ｍｏ 还易于和ｃ反应生成碳化物，起到细化珠光体组织 并增加珠光体含量的作用 。 Ｐ在铁中常被认为是有害元素，因为它在铁中 扩散速度较慢，易于在晶界处产生偏析，会导致材料 净成形和批量生产、可实现多种类型材料的复合等 优点，广泛应用于纺织机械、办公机械、电动工具和 汽车的生产中…。铁基粉末冶金材料，因其强度、 硬度高，耐高温、耐磨性好、价格便宜等优点，应用最 为广泛 。但是在一些性能要求较高的场合，单纯 的铁基粉末冶金材料无法满足使用要求，常在铁基 体中添加一些合金元素来提高其性能，常用的合金 元素有ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ等 。适量的ｃｕ可以完全固溶 于Ｆｅ基体中，起到固溶强化的作用，显著提高材料 的硬度和强度；Ｎｉ的良好作用在于强化铁基粉末烧 国家自然科学基金资助项目（５０９７５０７２） ｛｛尹利广（１９８９一）男，硕士。Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｉｎｍｙｂｏｘ＠１６３．ＣＯＢ 变得硬脆。但是根据微合金化理论的研究结果，在 提高铁的屈服强度和抗拉强度方面，Ｐ对Ｆｅ的作用 比Ｃｕ对Ｆｅ的作用高２０倍，Ｐ可以形成Ｆｅ－Ｐ固溶 体起到固溶强化的作用，稳定 ．Ｆｅ促进铁原子的扩 ￥￥｝尹延国（１９６４一）男，博士，教授，博士生导师。Ｅ—ｍａｉｌ：ａｂｙｉｎ＠ｓｉｎａ．ｅｏｍ 收稿日期：２０１４—０２—２４ 第３２卷第４期 尹利广等：Ｎｉ、Ｐ元素对于铁基粉末冶金材料力学性能的影响 ２５５ 散，还可以形成共晶液相，加速原子扩散、促进烧结 致密化，少量的Ｐ就会对铁基粉末冶金材料的强度 和硬度有明显的提升 。 本文在研究含Ｎｉ铁基材料性能的基础上，进一 匀、不会出现偏析。在混料的过程中加入一定量的 硬脂酸锌和锭子油，作为润滑剂和粘接剂。将混合 均匀的粉末倒入成型模具中，在５０ Ｔ自动液压机上 ０ ０ ０ Ｏ Ｏ Ｏ 压制成圆环试样，压强为６００～７００ ＭＰａ，压制密度 为６．９ ｇ．ｃｍ 左右；后将压制好的生坯放在网带式 烧结炉中烧结，烧结的同时通入氨分解气氛保护，烧 ～ ～ ～ ～ ～ ～ ０ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ 步添加微量的Ｐ元素，研究了Ｎｉ、Ｐ两种合金元素同 时添加对于铁基粉末冶金材料力学性能的影响，希 望通过Ｎｉ和Ｐ优化配比达到进一步提高材料力学 ７ ７ ７ ７ ７ ７ 结时的温度设定为１ １００～１ １５０￣Ｃ，烧结时间为３ ｈ。 ～ ～ ～ ～ ～ ２ ～ ２ ２ ２ ２ ２ 性能的目的。 １ 试验 １．１材料配方设计 铁基粉末冶金材料的配方如表１所示，材料的 主要成分为Ｆｅ、ｃ、ｃｕ，并添加适量的Ｎｉ、Ｐ合金元 素。试验中ｃ含量为０．５％～０．７％，碳的主要作用 是调节材料中铁素体和珠光体的相对含量，对材料 的硬度和强度具有较大的影响。材料中Ｃｕ的含量 为１．５％～２．５％，Ｃｕ是铁基粉末冶金材料中常用 的合金元素，ｃｕ在 ．Ｆｅ中的溶解度为８％左右，常 温下在ａ—Ｆｅ中的溶解度只有２％左右，Ｃｕ在烧结时 会产生液相，促进烧结和合金元素扩散，同时冷却后 残留在Ｏ／－Ｆｅ中的Ｃｕ还可以起到固溶强化的作用。 Ｎｉ以Ｆｅ－Ｎｉ预合金粉的形式加入，Ｐ以磷铁粉（３５０ 目）的形式加入，磷铁粉的主要化学成分包括Ｐ一 ２０％（质量分数，下同）、Ｆｅ－７５％、其它５％（Ｍｎ、Ｃ、 Ｔｉ、ＡＩ）。 表１ 铁基粉末）台金材料的配方（质量分数） Ｔａｂｌｅ １ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｒｏｎ—ｂａｓｅｄ ｐｏｗｄｅｒ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ｍａｔｅｒｉａｌ ％ Ｆｅ Ｎｉ Ｐ 其余 余量 ０ ０ ≤２ 余量 １ ０ ≤２ 余量 ２ Ｏ ≤２ 余量 ３ Ｏ ≤２ 余量 ４ ０ ≤２ 余量 ３ ０．０７ ≤２ 余量 ３ ０．１５ ≤２ 余量 ３ ０．２２ ≤２ 余量 ３ ０．３０ ≤２ １．２样品制备 采用粉末冶金方法，通过混料、压制、烧结等步 骤制备圆环形（外径２５ ｍｍ、内径１５ ｍｍ、高１５ ｍｌＴ１） 试样。按表１的配方将各种原料粉末精确称量，在 锥型混料器中充分混合０．５ ｈ，保证各成分混合均 １．３试验方法 采用排水法测量试样烧结前后的密度；利用 ＨＢＲＶＵ－１８７．５光学布洛维硬度计测量试样的硬度， 分别在试样上下两表面各取三个点，并取其平均值 作为最终的硬度值；在ＷＥ一６００万能试验机上测得 圆环试样压溃时所需的压力，利用烧结金属衬套径 向压溃强度计算公式Ｋ＝ 掣Ｌｅ ，计算圆环试样 的压溃强度；利用金相显微镜观察材料的组织结构。 ２试验结果与分析 ２．１ Ｎｉ含量对于铁基烧结材料硬度和压溃强度的 影响 图１为不同Ｎｉ含量的铁基粉末冶金材料在烧 结前后的密度变化曲线，当材料中不含Ｎｉ或Ｎｉ含 量较低时，材料烧结后的密度低于生坯密度，这主要 是由于铁基材料中含有１．５％～２．５％的ｃｕ，在高温 烧结时，Ｃｕ固溶于铁基体中，在其原来的位置上留 下孔隙，造成试样的体积膨胀，烧结密度降低 。 随着Ｎｉ含量的升高，烧结密度逐渐提高，当Ｎｉ含量 超过２％后，烧结密度大于生坯密度，这是由于在铁 宕 稍 含Ｎｉ铁基材料序号 图１含Ｎｉ铁基材料烧结前后的密度 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｇｒｅｅｎ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｓｉｎｔｅｒｅｄ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｉｒｏｎ—ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｉｔｈ Ｎｉ 第３２卷第４期 尹利广等：Ｎｉ、Ｐ元素对于铁基粉末冶金材料力学性能的影响 ２５７ 种不易与碳发生反应生成碳化物的合金元素，在高 温烧结时，可以完全固溶于奥氏体，起到固溶强化的 作用，另外Ｎｉ能增加珠光体的相对含量，珠光体的 强度较高、硬度适中、塑性和韧性较好，由于这两方 面的原因，在一定范围内，Ｎｉ含量的提高，材料的硬 度和压溃强度也在不断增强 ’ 。如图３所示：１＃ 试样不含Ｎｉ，其硬度仅为５０ ＨＲＢ，随着Ｎｉ含量的增 加，材料的硬度随之快速增加，当Ｎｉ含量为３％时 硬度达到最大为７６ ＨＲＢ左右；材料压溃强度随Ｎｉ 含量的变化规律和硬度的变化规律基本相同，随着 Ｎｉ含量的增加压溃强度也逐渐增大，Ｎｉ含量为３％ 时达到最大。 当Ｎｉ含量为４％时，晶粒变得粗大，还出现了 强度较低的奥氏体组织和硬脆的马氏体组织，导致 材料力学性能变差，如图３所示，５＃试样相对于４＃ 试样在硬度和压溃强度方面均出现了一定程度的下 室 暖然 降。 警 图３ 含Ｎｉ铁基材料的硬度和压溃强度 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｉｒｏｎ—ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｉｔｈ Ｎｉ ２．２ Ｐ对含Ｎｉ铁基材料硬度和压溃强度的影响 从图４可以看出，Ｐ含量对含Ｎｉ铁基材料硬度 和压溃强度有明显的影响，在含３％Ｎｉ的４＃试样中 添加０．０７％Ｐ后的６＃试样，硬度由原来的７６ ＨＲＢ 左右快速上升到９２ ＨＲＢ左右，上升幅度为２１％，压 溃强度也由原来的８９６ ＭＰａ左右上升到１ ０２０ ＭＰａ， 增加了１２４ ＭＰａ，微量Ｐ元素的添加对含Ｎｉ铁基材 料起到了较好的增强作用。Ｐ含量增加至０．１５％ 时，材料的硬度和压溃强度都缓慢上升；当Ｐ含量 继续增加时，材料的硬度增加已不明显，而强度则出 现了明显的下降趋势，如当Ｐ含量为０．２２％时，压 图４ Ｐ对含Ｎｉ铁基材料硬度和压溃强度的影响 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ Ｐ ｏｎ ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｃｒｕｓｈｉｎｇ 萎窿 ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｉｒｏｎ—ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｉｔｈ Ｎｉ 溃强度已低于无Ｐ的４＃试样，Ｐ含量为０．３０％的９＃ 试样压溃强度仅为８００ ＭＰａ左右，即含Ｎｉ铁基材料 Ｐ元素的最佳添加量在０．１５％左右。 在铁基粉末冶金材料中添加Ｐ可以显著提高 材料的力学性能，对此已有多人进行过研究¨ “ ： 在烧结时，Ｐ可以扩散到铁基体中形成Ｆｅ—Ｐ固溶 体，起到固溶强化的作用；Ｐ还可以稳定 ．Ｆｅ缩小 Ｆｅ相区，使材料在ｄ—Ｆｅ相区或ｄ—Ｆｅ＋７一Ｆｅ相区 烧结，加速Ｆｅ的扩散速度，促进孔隙的球化和材料 的致密化，从而提高材料的力学性能；Ｐ和ＦｅＰ在烧 结时还会发生共晶反应，产生共晶液相，起到促进合 金元素扩散和加速烧结的作用。但当Ｐ含量过高 时，会在晶界上析出Ｆｅ Ｐ，导致材料脆性增加、压溃 强度降低。 在铁基材料中混合添加Ｎｉ、Ｐ合金元素产生的 效果，并不是Ｎｉ和Ｐ单独添加时产生效果的简单叠 加。在含Ｎｉ ３％的铁基材料中添加少量的Ｐ，材料 的硬度和压溃强度显著增强，Ｎｉ、Ｐ之间起到了协同 促进的作用；但当Ｐ含量超过０．１５％后，Ｐ对含Ｎｉ 铁基材料不但没有增强作用，反而使材料的强度明显 下降，即Ｐ对含Ｎｉ铁基材料已产生了不利的影响。 图５为含Ｎｉ、Ｐ合金元素的铁基材料金相照片， 可以看出，在含Ｎｉ铁基材料中添加Ｐ后，试样组织 比较均匀，Ｐ的添加量比较低时，材料中晶粒大小 和未添加Ｐ时基本一致，但Ｐ含量过高时，会出现 如图５（Ｃ）所示的晶粒变大现象。通过观察放大倍 数较高的金相组织结构照片发现：图５（ｂ）中绝大 部分都是珠光体，珠光体的强度较好、硬度适中，可
