温压工艺及Ti、石墨含量对铁基粉末冶金材料的组织与性能影响

摘要

汽车工业是粉末冶金机械零件的第一大用户和市场。汽车工业用粉末冶金零件已占其总量的70％以上，其中主要用于发动机、变速箱和底盘等。汽车粉末冶金零件主要为铁基、铜基烧结结构件。但采用传统压制、烧结生产的粉末冶金制品，往往存在密度较低(相对密度90％以下)，硬度和耐磨性不足的现象。近年来汽车等工业的发展对铁基粉末冶金材料的性能提出更高的要求：一方面要求具有很高的强度和一定的韧性；另一方面要求较高的耐磨性和疲劳强度。
　　 本课题的主要研究内容：(1)研究了温压工艺对铁基粉末冶金材料的组织与性能影响。(2)研究不同Ti、石墨含量对Fe-Ni-Mo-Cu-Ti-C系粉末冶金材料烧结态组织与性能的影响。(3)研究热处理工艺参数对Fe-Ni-Mo-Cu-Ti-C系粉末冶金材料组织和性能影响，确定最佳热处理工艺。(4)采用Fe-Ni-Mo-Cu-Ti-C系粉末冶金材料，开发了高性能起动机用粉末冶金齿轮制备技术。
　　 结果表明，在550MPa压制力、90℃温度下Fe-1.8Ni-0.5Mo-1.2Cu-0.2C温压压坯的密度为7.35 g/cm3，相对密度为94.2％；烧结态试样的显微组织主要是珠光体、铁素体组成，硬度达到46～54HRA，密度为7.37g/cm3，相对密度为94.5％；试样尺寸有轻微收缩现象，但仍表现出良好的尺寸稳定性；热处理后的齿轮试样渗碳层的组织主要由回火马氏体和少量残余奥氏体组成。齿轮试样的断齿扳力为9.6kN，硬度提高至66～75HRA。
　　 Fe-Ni-Mo-Cu-Ti-C系粉末冶金烧结材料1130℃烧结60min的组织主要是珠光体、铁素体及贝氏体组织。随着Ti含量的增加，珠光体含量增多，且珠光体片间距更细小，而铁素体及贝氏体组织逐渐减少。原位合成TiC颗粒尺寸约在0.05～1μm，主要分布在珠光体晶粒边界处，TiC颗粒平均直径随Ti、C含量相应变大。随含Ti和石墨含量的增大，材料的表观硬度提高，而抗弯强度和密度下降。断口形貌中存在大量的韧窝，但由于孔隙的存在断口没有表现出明显的塑性变形，属于脆性断裂。
　　 Fe-Ni-Mo-Cu-Ti-C系粉末冶金材料经830℃渗碳保温2h后直接油淬，回火温度分别为150℃，200℃，250℃下均保温时间1h后，组织主要为回火马氏体、贝氏体和残余奥氏体。TiC颗粒形貌未发生明显变化，但数量和尺寸均增加。随着Ti含量的增加，孔隙率呈现先增加后降低，硬度表观硬度逐渐上升，而抗弯强度急剧降低。综合分析比较，当Ti含量为2％时，1130℃烧结60min，830℃渗碳保温2h后直接油淬和150℃回火60min，Fe-2Ni-0.5Mo-2Cu-2Ti-0.8C材料具有良好的综合力学性能。
　　 采用Fe-2Ni-0.5Mo-2Cu-2Ti-0.8C粉末冶金材料，开发了高性能起动机用粉末冶金齿轮的粉末冶金制备工艺，性能检测和装机试验结果表明达到了设计要求。