研究:烧结结构粉末冶金组分2500°

发布的Fran Hanejko.- 2021年6月25日

“常规”烧结是结构粉末冶金组分的同义。

今天的大多数粉末金属部件在氮气气氛中在2050°处烧结。这已经证明了遗留应用程序的令人满意,并且对于许多未来的应用程序将保持“足够好”。

随着运输的正在进行的“电气化”,许多工程师正在离开世界“足够好”。

它们的应用需要改进的性能,因此它们使跳转到高温烧结(2125-2300°F)。

然而,电机和运输的变化动态强迫进一步重新思考粉末金属和竞争部件的性能。具体而言,更新的零件需求较高的拉伸和疲劳强度。

另一个跳跃迫在眉睫吗?最近,我们帮助调查在接近2500°的温度下烧结的潜在好处。

该“超高温烧结”(UHTS)增强了当前高温烧结的许多优点。潜力存在 - 不仅在几年内,但今天- 进一步利用非传统合金,实现更大的机械性能。

您的设计可以实现一个优于任何当前铁基粉末金属材料的强度延展性组合。粉末冶金制造商现在有了工具,可以实现以前认为粉末冶金不可能实现的应用。

这是我们调查结果的简短版本(诚实!)。对于更深的潜水,进入独特的合金化添加,加工细节和所得到的机械性能提升UHT,请继续阅读。

粉末冶金组分烧结了什么温度?

首先,让我们定义我们认为的内容:

  • 烧结(好)
  • 高温烧结(更好)
  • 超高温烧结(最好)

烧结温度代表不仅仅是一个数字。这是部分性能和定制的机会窗口。

粉末冶金常规烧结(〜2050°)

紧凑的粉末金属部件的适当烧结包括:

  • 浸水剂
  • 氧化还原
  • 压制粒子之间的冶金键形成
  • 完整或部分合金化

超过80%的结构粉末金属根据估计,部件在2050°烧结。实际上,这些烧结条件已被证明足够的对于目前生产的各种粉末金属部件。

尽管这种普遍接受,存在局限性在此温度范围内烧结:

  • 预混合合金的不完全均匀化,如铜
  • 合金化元素如锰,铬,硅和钒可能在2050°处不得减少
  • 预混添加剂的有限可用性改善机械性能(镍,硅和钒)
  • 含有硅,铬和钒的预售粉末通常是棘手的压缩

高温烧结(2125-2300°)

烧结非不锈钢金属材料在较高的温度下显着提升性能:

  • 更高的密度
  • 更好的机械性能
  • 可以使用非传统PM合金元素
  • 减少高温烧结时间,部分抵消高温烧结成本的增加

最近的一项研究据报道,高温烧结改善:

  • 抗拉强度
  • 疲劳性能
  • 弹性模量

尽管高温烧结的许多好处,但这种技术的当前市场使用很低。那么,持有什么?

  • 假设缺乏尺寸精度
  • 设备资本成本
  • 与技术相关的成本(固定和维护)

超高温烧结(高达2500°)

最近,一个新的炉子设计设置烧结杆。

这种超高温烧结增强了高温烧结的许多优点,具有扩展的机械性能和合金化选项。在这些超高温下,存在使用更可压缩的预合金的潜力,但仍能在最终部分实现完全均匀化。结果?新密度水平是可能的

另外值得注意的是,UHTS的毛孔更大。这个看似很小的功能已经被证明是可以改进的:

  • 抗拉强度
  • 疲劳强度
  • 冲击力量

在其他地方,研究人员正在使用升上的真空炉来实现这些高烧结温度。然而,在真空炉中烧结是时间密集的,可以蒸发任何铬或锰添加,并导致它们沉淀在炉子的冷壁上。

为您提供更具体的图片,UHTS可以做些什么,这是一点实验优化材料和烧结条件。由此产生的对机械性能的影响应该让你兴奋:

实验:烧结结构粉末冶金组件2500°

(此数据属于地平线技术。不要为自己的目的重现欧洲杯手机投注法国葡头牙欧洲杯亚盘它。)

实验过程分两个阶段进行

  1. 合金优化和发展2500°烧结水平,以创造“生产水平”条件(而不是原型条件)
  2. 阶段1的细化,限制合金变体,即显示最佳机械性能的那些


第1阶段:合金优化

为了研究合金对粉末冶金钢性能的影响,我们研究了六种可能的预混料:

合金成分的评价

混合ID

基铁

%V.

%Cr.

%si.

% 你

%石墨

1

纯铁

0.45

1.10

0.70

1.00

0.60

2

FL-3900.

0.45

1.10

0.70

1.00

0.60

3.

FL-4400.

0.45

1.10

0.70

1.00

0.60

4.

FL-4400.

0.25

1.10

0.70

1.00

0.60

5.

FL-4400.

0.45

1.10

0.70

1.00

0.85

6.

FL-4400.

0.45

1.10

0.70

1.00

0.40

7.

FL-4400.

0.

0.

0.

2.00

0.60

  • 预先置于0.30%钼和0.85%钼基铁材料。
  • 加入铬和硅加入作为铁 - 硅 - 铬母合金
  • 加入钒加入作为50%钒铁钒
  • 作为羰基镍加入镍添加
  • 标准的FLN2-4405材料也被评估为参考材料(表中混合#7)。

从这些预混料中,我们在690 MPa (50 tsi)下压实样品。

烧结在90%氮气和10%的氢气氛中,在50/50氮气气氛中在2500°处进行烧结。所有烧结都是通过加速冷却完成的,以促进烧结硬化的微观结构。

第2阶段:优化合金化评估

利用第1阶段的初步结果,我们将合金列表压缩到那些表现出最有希望力学性能的合金。

在这个阶段,我们准备并评估了用于热芯压实的常规预混物和预混物。压实后,烧结在90%氮气和10%氢气氛中发生在2300°处,在50%氩气中和50%氢气中的2500°处:

“最有前途”合金评估

混合ID

基铁

%V.

%Cr.

%si.

% 你

%石墨

预混料的类型

8.

FL-4400.

0.25

1.10

0.30

1.00

0.40

温暖的死

9.

FL-4400.

0.25

1.10

0.30

1.00

0.65

UHTS样品的后烧结处理包括在25%氮/ 75%的氢气氛,油淬火和低于400°的温度下在约1635°处的热处理。基本原理是评价100%回火马氏体微观结构的机械性能。

结果:

第1阶段:合金优化

首先,我们通过将样品进行室温模具来确定各种预混物的可压缩性。

各种预混料的压缩性数据

压力压力,MPa(TSI)


预混料1


预混料2


预混料3


预混料4


预混料5


预混料6


预混料7

410(30)

6.72

6.67

6.67

6.68

6.66

6.68

6.78

550 (40)

6.94

6.90

6.90

6.94

6.89

6.93

7.04

690(50)

7.06

7.04

7.04

7.07

7.01

7.08

7.17

830(60)

7.16

7.12

7.12

7.15

7.09

7.17

7.26

如上所述,预混物7(标准FLN2-4405)表现出最高的压缩性。与标准FLN2-4405相比,含有添加剂的预混物显示出可压缩性降低至0.20g /cm³。

另注:

  • 降低FL-4400预混料中的钒含量,可略微改善其可压缩性(见预混3 vs.预混4)。
  • 正如预期的那样,增加石墨(预混料4对预码5)也降低了可压缩性。
  • 使用高压缩性纯铁与预先放置的0.85%钼钢导致绿色密度轻微改善。
  • 预先作为潜在的渗碳级的预混物6显示了压缩性与预混料5的微小改善。
  • 与0.85%钼基铁相比,使用0.30%钼基预合金基铁可压缩性降低。

机械性能数据下面是最初的烧结试验结果。数据表示在室温模具和690 MPa (50 tsi)压力下的压实:

在90%氮气和10%氢气中烧结2300°F烧结

预混料

ID

绿色的

密度,

G / cm°

因为烧结硬化了

在400°F中回火

烧结密度,G /cm³

TRS,MPA,
(ksi)

硬度,HRA(HRC)

钢化密度,g /cm³

TRS,MPA,
(ksi)

硬度,HRA(HRC)

混合1

7.08

7.05

1393(202)

60(20)

7.05

1475 (214)

61(21)

混合2.

7.04

7.01

1627(236)

67(33)

7.01

1813(263)

67(33)

混合3.

7.07

7.01

1758(255)

69(37)

7.02

1889(274)

68(35)

混合4.

7.09

7.05

1944年(282)

69(37)

7.05

2027(294)

70(39)

混合5.

7.02

6.92

1000(145)

75(49)

6.94

1606(233)

72(43)

混合6.

7.09

7.08

1606(233)

62(23)

7.06

1648(239)

62(23)

混合7.

7.13

7.25

1655(240)

61(21)

7.26

1634 (237)

60(20)

在50%氮/ 50%氢气中在2500°F下烧结的预混物的机械性能,加速冷却并在400°F处回火

预混id.

烧结密度,G /cm³

TRS,MPA,
(ksi)

HRA(HRC)

1

7.05

1523(221)

62(23)

2

7.06

1909年(277)

64(27)

3.

7.05

2055(298)

68(35)

4.

7.08

2206(320)

69(37)

5.

7.00

1675(243)

74(47)

6.

7.10

1640 (238)

61(21)

7.

7.27

1958年(284)

65(29)

如您所见,绿色烧结密度对于任何一个环境都没有巨大地改变。

同时,TRS值受加速冷却的影响(烧结硬化)。典型的烧结材料,回火改善整体TRS。

另注:

  • 在2500°的烧结和回火确实显示了一些相当显著的TRS值的增加,特别是预混4(还原钒含量)。
  • 预混料5是由添加0.85%石墨制备的,最初是作为烧结硬化材料。
  • 相反,预混物6用0.4%石墨制备,旨在作为渗碳级。
  • 预混料1(纯铁基地)的整体TRS最低。
  • 预混物3(0.30%钼普利合作基铁)低于等效的FL-4400基材。
  • 不管烧结条件如何,预混料4(含0.25%钒)的整体TR强度最高。

请记住,初始烧结发生在氮气气氛中。为了部分解释较低的密度和优点,我们对这些材料进行了残留的氮气分析。所有与钒的预混物表现出烧结氮含量的显着增加。唯一的例外是预混物5(添加的石墨0.85%) - 这表明氮气的最小增加,从名义为零至0.03%。

你可以推测,高碳导致了碳化钒的形成,从而阻止了氮化钒的形成。

粉末冶金部件。钒图表

预混料中氮含量与钒含量的关系)

这些材料的金相分析显示了一些有趣的趋势。2500°烧结显示出明显更大的孔圆形连接减少孔隙度概述了先前的粒子边界。蚀刻分析显示出更大的马氏体转化,其具有更大的合金化扩散到铁中。

粉末冶金组分 - 预混料2

粉末冶金部件-预混料2在2500

预混物2在2300°F时烧结

预混物2烧结在2500°F

粉末冶金组件 - 预混料4 2300

粉末冶金组件预混4在2500°

预混物4在2300°F烧结

预混物4烧结在2500°F


补充所上面的金相分析,我们在阶段1中对所选样品进行SEM EDX分析(扫描电子显微镜和能量分散X射线)。我们强调了合金地图以确定添加剂的分散 - 特别是钒的相对关系,铬和氮含量。

结果如下:

烧结粉末冶金组分eDAX与氮气映射

预混料1的合金元素EDX映射,在2300°F下烧结,90%的氮/ 10%的氢)

通常,合金分散体在样品中似乎是均匀的,并且钒,铬和氮之间似乎存在良好的相关性。这种金相结果与早期钒线图中的氮分析相结合,表明一些钒和铬与存在的氮气结合。在EDX地图中,看起来在烧结升温阶段时出现氮。

结论?钒和铬没有完全促进强度合金。

高氮拾取和不激励的力学性能促使烧结气氛的变化,2500°的实验。为了防止钒和铬的氮化,我们将气氛改为50%的氢气和50%的氩气。

那么,演出在哪里进行呢?

第2阶段结果:优化合金与加工

在该阶段,我们将测试受试者在10%氢和90%氮气下烧结在2300°F和90%氢气中,在50%氢和50%氩气中。铬和硅的来源被修饰为高碳铁铬和75%硅铁硅。合金的横向破裂强度如下:

“最有前途”合金的TRS结果

预混id.

绿色密度,g /cm³

烧结在2300°F

烧结2500°F

钢化密度,g /cm³

回火TRS, MPa (ksi)

明显的硬度,黑暗

钢化密度,g /cm³

回火TRS, MPa (ksi

明显的硬度,黑暗

8.

7.27

7.17

2102(305)

66.

7.14

2412 (350)

67.

9.

7.24

7.10

1558(226)

72.

7.03

1054(153)

73.

相同预混料的拉伸试验结果,在400°F回火



预混id.

烧结在2300°F

烧结2500°F

屈服强度,MPa,(PSI)

拉伸强度,MPa,(PSI)

伸长

屈服强度,MPa,(PSI)

拉伸强度,MPa,(PSI)

伸长

8.

862(125,000)

1117(162,000)

1.5

917 (133000)

1289(187,000)

1.7

9.

875 (127000)

917 (133000)

<1.0

503 (73000)

752(109,000)

<1.0

淬火回火对2500°F烧结材料的影响

预混id.

绿色密度,g /cm³

烧结密度,G /cm³

屈服强度,MPa,(PSI)

拉伸强度,MPa,(PSI)

延伸率,%

8.

7.27

7.13

1262(183,000)

1469(213,000)

1.7

9.

7.24

7.05

1117(162,000)

1151(167,000)

<1.0

2500°F(50%氢,50%氩气)的碳,氧气和氮气分析

预混id.

碳, %

氧气,%

氮, %

8.

0.50

0.12

0.006

9.

0.75

0.16

0.002

再次,在2300°,钒和铬倾向于与氮结合形成氮化物。如预期,50/50氢氩烧结的氮气含量没有出现氮素拾取。(见上表)

在2500°,预混物8和4的拉伸性质是特殊的在烧结硬化条件下。然而,当这些材料在25%氮/ 75%的氢气氛中接受二次淬火和回火处理时,机械性能增加。该二次热处理使暖模具压实的0.25%钒材料具有1469MPa(213,00psi)的拉伸强度,以及1.7%的拉伸伸长率。

这种屈服强度,拉伸强度和伸长率的组合无处可行MPIF标准35

烧结粉末冶金组件edax地图半硝基

(预混物4的合金元素的SEM EDX映射,在50%氩/ 50%氢气中在2500°F处烧结)

上述图像表明,合金添加物均匀地分散在整个组织中。然而,在炉中缺乏氮阻止了钒和铬氮化物的形成,就像我们前面看到的。

这些元素现在可以有助于淬透性和强度在烧结硬化和淬火和回火条件下的材料。

超高温烧结对结构件的影响

在2500°F烧结提供了独特的合金选择,承诺优异的机械性能:

  • 力量
  • 耐磨性
  • 韧性

添加独特合金作为元素添加的能力最小化了新粉末金属材料的开发中典型的生产障碍。在这项研究中,我们开发了一种利用FL-4400基础的最佳合金,预混:

  • 0.25%钒
  • 0.6%硅
  • 1%铬
  • 1%的镍

该合金经适当烧结后,拉伸强度超过1450 MPa(21万psi),拉伸伸长率约为1.7%烧结密度约为7.15 g/cm³。这种强度和延展性的组合将开放当前未被粉末冶金服务的新应用的机会。

该新合金的可压缩性约为0.10g /cm³,低于参考FLN2-4405材料。额外的元素合金化触发这一减少。虽然我们预测的UHTS会提示烧结致密化;这并没有发生。(我们还在调查为什么没有收缩。)

尽管存在这种明显的缺点,但在烧结状态下保持接近模尺寸的UHTS合金可最大限度地减少烧结的一个潜在限制 - 维护能力尺寸控制。

烧结气氛对合金达到的机械性能极为重要。尽管从强度的角度来看,所需的氮化钒(在富含氮气氛中获得的含氮气氛)的存在,但是大颗粒的存在是不是优化强度或延展性。

在无氮气氛中,铁钒可以完全扩散到基铁中并有助于强度和淬透性。然而,这使得分散强化不可用。

我们如何解决这个Catch-22?单独的淬火和脾气处理。通过将UHTS温度与25%氮/ 75%氢奥氏体化步骤组合,您的部件在保持显着伸长的同时接收更多的强度。

除了使用钒,少量添加的硅、铬和镍将进一步提高机械性能!

要了解有关PM或您自己的应用程序的可能性,请单击以下几点:

烧结工程师指南下载

话题:粉末冶金烧结电气化加工


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