研究:烧结结构粉末冶金部件2500°．

“常规”烧结是粉末冶金结构件的同义词。

当今大多数粉末金属零件都是在氮气-氢气气氛中在2050°烧结的。对于遗留应用程序，这已经被证明是令人满意的，并且对于许多未来的应用程序来说仍然“足够好”。

随着交通运输的“电气化”，许多工程师正在离开“足够好”的世界。

它们的应用需要更好的性能，所以它们已经从传统烧结跳到高温烧结(2125-2300°F)。

然而，电机和运输的动态变化迫使人们进一步重新思考粉末金属和竞争部件的性能。具体来说，就是更新的零件需求更高的拉伸和疲劳强度。

下一次跳跃即将到来吗?最近，我们帮助研究了在接近2500°的温度下烧结的潜在好处。

这种“超高温烧结”(UHTS)增强了当前高温烧结的许多优点。这种潜力是存在的——不只是在几年内，而是今天——进一步利用非传统合金，获得更高的机械性能。

你的设计可以实现强度和延展性的组合，这优于任何现有的铁基粉末金属材料。粉末冶金制造商现在有了工具，可以承担以前认为PM不可能实现的应用。

这是我们调查结果的简短版本(老实说!)要深入了解独特的合金添加物、加工细节以及由此产生的机械性能提高UHTS的性能，请继续阅读。

粉末冶金部件在什么温度烧结?

首先，让我们定义一下我们认为是什么:

• 烧结(好)
• 高温烧结(较好)
• 超高温烧结(最佳)

烧结温度不仅仅代表一个数字。这是零件性能和定制的机会之窗。

粉末冶金常规烧结(~2050°)

适当的压实粉末金属零件烧结包括:

• Delubrication
• 氧化还原
• 在被压的颗粒之间形成冶金键
• 完全或部分合金化

占所有结构粉末金属的80%以上据估计，组件的烧结温度为2050°。的确，这些烧结条件已得到证实足够的适用于目前生产的各种粉末金属零件。

尽管被普遍接受，存在局限性在此温度范围内烧结:

• 预混合合金(如铜)的不完全均质
• 合金元素如锰、铬、硅和钒在2050°时可能不会还原
• 改善机械性能的预混料添加剂有限(镍、硅和钒)
• 含有硅、铬和钒的预合金粉末通常比较难压缩

高温烧结(2125-2300°)

高温烧结非不锈钢有色金属材料，性能显著提高:

• 更高的密度
• 更好的机械性能
• 可以使用非传统的PM合金元素吗
• 减少在温度下的时间，部分抵消了高温烧结成本的增加

最近的一项研究报告高温烧结改善:

• 抗拉强度
• 疲劳性能
• 弹性模量

尽管高温烧结有许多好处，但目前该技术的市场应用相当低。那么，是什么耽搁了呢?

• 假定的尺寸精度不足
• 设备资本成本
• 与技术相关的成本(固定成本和维护成本)

超高温烧结(高达2500°)

最近，一个新的炉设计设定烧结标准。

这种超高温烧结增强了高温烧结的许多优点，扩大了机械性能和合金选择。在这些超高温下，有可能使用更可压缩的预合金，但仍能在最终部分实现完全均质化。结果呢?新的密度水平是可能的．

同样值得注意的是，UHTS会使毛孔更圆。这个看起来很小的功能已经被证明可以改善:

• 抗拉强度
• 疲劳强度
• 冲击强度

在其他地方，研究人员正在使用一种增强的真空炉来实现这种高烧结温度。然而，在真空炉中烧结是耗时的，可能会蒸发任何铬或锰的添加物，并导致它们沉淀在炉的冷壁上。

为了让你更具体地了解超高温超导的功能，这里有一个小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会让你兴奋:

实验:在2500°下烧结粉末冶金结构件

(此数据属于地平线科技。法国葡头牙欧洲杯亚盘欧洲杯手机投注请勿出于个人目的复制。)

实验过程分为两个阶段

1. 合金优化和开发2500°烧结水平，以创造“生产水平”条件(而不是原型条件)
2. 第一阶段的细化，限制合金变体表现出最好的机械性能

第一阶段:合金优化

为了研究合金对粉末冶金钢性能的影响，我们研究了六种潜在的预混料:

合金成分评估

• 分别对0.30%钼和0.85%钼基铁材料进行了预合金。
• 添加铬和硅作为铁硅铬中间合金
• 添加的钒作为50%钒铁钒
• 镍的添加物以羰基镍的形式加入
• 标准的FLN2-4405材料也被评估为参考材料(表中的混合#7)。

从这些预混料中，我们在690 MPa (50 tsi)下压实样品。

在90%氮气和10%氢气气氛下，烧结温度为2300°;在50/50氮气和氢气气氛下，烧结温度为2500°。所有的烧结都是在加速冷却下进行的，以促进烧结硬化组织。

第二阶段:优化合金化的评估

利用第一阶段的初步结果，我们将合金列表浓缩为那些显示出最有希望的机械性能的合金。

在这一阶段，我们准备并评估了常规预混料和用于温模压实的预混料。压实后，在90%氮气和10%氢气气氛下2300°烧结，在50%氩气和50%氢气气氛下2500°烧结:

“最有前途的”合金评价

UHTS样品的烧结后处理包括在25%氮气/75%氢气的气氛中在约1635°的温度下热处理，油淬和在低于400°的温度下回火。其基本原理是评估100%回火马氏体微结构的力学性能。

结果:

第一阶段:合金优化

首先，我们通过用室温模具压实样品来确定各种预混料的压缩性。

各种预混料的压缩性数据

如你所见，预混料7(标准FLN2-4405)表现出最高的压缩性。与标准FLN2-4405相比，含有添加剂的预混料的压缩性降低了0.20 g/cm³。

另注:

• 降低FL-4400预混料中的钒含量可使压缩性略有改善(参见预混料3 vs.预混料4)。
• 正如预期的那样，增加石墨(预混料4 vs.预混料5)也降低了压缩性。
• 使用高压缩性纯铁与0.85%预合金钼钢相比，绿色密度略有改善。
• 预混料6是一种潜在的渗碳等级，与预混料5相比，其压缩性略有改善。
• 与0.85%钼基铁相比，使用0.30%钼预合金基铁可降低压缩性。

机械性能数据从最初的烧结试验如下。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

预混料的机械性能烧结在2500°F在50%氮/50%氢，加速冷却和回火在400°F

如你所见，在这两种环境下，生坯到烧结料的密度都没有显著变化。

同时，TRS值受到加速冷却的影响(烧结硬化)．典型的烧结硬化材料，回火提高了整体TRS。

另注:

• 在2500°烧结和回火时，TRS值确实有相当大的增加，特别是预混料4(钒含量降低)。
• 预混料5由添加0.85%石墨制备，最初用于烧结硬化材料。
• 相反，预混料6是用0.4%的石墨制备的，目的是作为渗碳等级。
• 预混料1(纯铁基)的总TRS最低。
• 预混料3(0.30%钼预合金基铁)的性能低于同等的FL-4400基材。
• 无论烧结条件如何，预混料4(含钒0.25%)的总TR强度最高。

记住，初始烧结发生在氮-氢气氛中。为了部分解释低于预期的密度和强度，我们对这些材料进行了残余氮分析。所有与钒的预混料烧结态氮含量显著增加。唯一的例外是预混料5(添加了0.85%的石墨)——氮的增加很小，从名义上的零增加到0.03%。

你可以推测，高碳导致了钒碳化物的形成，从而阻碍了钒氮化物的形成。

（预混料氮含量与钒含量)

这些材料的金相分析显示出一些有趣的趋势。2500°烧结时，孔隙圆弧明显增大减少孔隙度它勾勒出了先前的粒子边界。蚀刻分析表明，更大的马氏体转变是由于更大的合金扩散到铁。

作为上述金相分析的补充，我们对阶段1中选定的样品进行了SEM EDX分析(扫描电子显微镜和能量色散x射线)。我们强调了合金图来确定添加剂的分散——特别是钒、铬和氮含量的相对关系。

结果如下:

（预混料1合金元素的EDX映射，烧结温度为2300°F, 90%氮/ 10%氢)

总的来说，合金在整个样品中分散均匀，钒、铬和氮之间似乎有良好的相关性。这一金相结果，再加上早期钒线形图中的氮分析，表明一些钒和铬与氮结合存在。在EDX图中，氮化发生在烧结升温阶段。

结论?钒和铬并没有完全提高强度合金的。

在2500°实验中，高氮吸附率和单调的力学性能导致烧结气氛发生变化。我们将气氛改为50%氢气和50%氩气，以防止钒和铬的氮化。

那么，它的表演到哪里去了?

第二阶段结果:优化的合金和工艺

在这个阶段，我们在2300°F的10%氢气和90%氮气中烧结测试对象，在2500°F的50%氢气和50%氩气中烧结测试对象。铬和硅的来源被改性为高碳铬铁和75%硅的硅铁。合金的横向断裂强度为:。

“最有前途”合金的TRS结果

相同预混料在400°F回火后的拉伸试验结果

调质对2500°F烧结材料的影响

2500°F(50%氢气，50%氩气)下的碳，氧和氮分析

在2300°时，钒、铬倾向于与氮结合形成氮化物。正如预期的那样，50/50氢氩烧结的氮气含量没有出现氮回收。(见上表)

在2500℃时，预混料8和4的拉伸性能优异在烧结硬化条件下。然而，当这些材料在25%氮/75%氢的气氛中接受二次淬火回火处理时，力学性能有所提高。这种二次热处理使温模压实的0.25%钒材料的抗拉强度达到1469 MPa (213,00 psi)以及1.7%的拉伸伸长率。

这种屈服强度、抗拉强度和伸长率的组合不存在于MPIF标准35．

(预混料4合金元素的SEM EDX映射，在2500°F的50%氩气/50%氢气中烧结)

上图显示合金添加物均匀地分散在整个显微组织中。然而，炉中缺少氮阻止了钒和氮化铬的形成，就像我们之前看到的那样。

这些元素现在可以提高淬透性和强度在烧结硬化和调质条件下。

超高温烧结对结构构件的影响

在2500°F烧结提供了独特的合金选择，承诺特殊的机械性能:

• 强度
• 耐磨性
• 韧性

添加独特合金作为元素添加的能力最大限度地减少了新粉末金属材料开发中典型的生产障碍。在本研究中，我们开发了一种使用FL-4400基体的最佳合金，预混用于:

• 0.25%的钒
• 0.6%的硅
• 1%铬
• 1%的镍

该合金在适当烧结时，抗拉强度超过1450 MPa (210,000 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结合将为目前粉末冶金所没有的新应用提供机会。

这种新合金的压缩性比参考FLN2-4405材料低约0.10 g/cm³。额外的元素合金化引发了这种下降。虽然我们预测UHTS会促进烧结矿致密化;但这并没有发生。(我们仍在调查为什么没有收缩。)

尽管有这个明显的缺点，但在烧结条件下，UHTS合金保持接近模具尺寸，最大限度地减少了烧结的一个潜在限制——保持能力严格的尺寸控制。

烧结气氛对合金的力学性能有重要影响。虽然从强度角度来看，氮化钒(在富氮气氛中获得)的存在是可取的，但大颗粒的存在是可取的不最佳强度或延展性。

在无氮气氛中，钒铁可以完全扩散到基体铁中，并有助于增强强度和淬透性。然而，这使得色散强化不可用。

我们如何解决这个两难境地?单独的淬火回火处理。通过将UHTS温度与25%氮/75%氢奥氏体化步骤相结合，您的零件在保持显著伸长的同时获得更多强度。

除了使用钒，少量添加硅、铬和镍将使机械性能进一步提高!

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