添加微量纳米铜粉对铁基粉末烧结件组织性能的影响

论文摘要

粉末冶金材料和制品的烧结是当前新材料制备及加工的重要手段,是决定粉末冶金制品质量的关键技术环节之一。由于新材料制备及加工对烧结方法及工艺的要求日益严酷,相应的新技术也就不断出现。材料纳米技术在近十几年快速发展以来,纳米技术应用领域正在不断拓展和深化。基于纳米微粒子的小尺寸效应,和具有极高的表面活性和较低的熔点,将纳米材料引入粉末冶金技术中,已经成为一个重要的研究方向。本文正是基于上述考虑,重点研究了在铁基粉末中添加少量纳米铜粉体对其制品烧结和力学性能的影响,系统地研究了少量纳米铜粉体材料在铁基粉末冶金中的作用。首先对粒径为50nm的纳米铜粉体材料压坯,在烧结过程中纳米微粒子的热稳定性进行了试验研究,结果是尽管单个纳米微粒子具有较低起始熔点477℃～490℃,但在烧结过程中随温度的提高和保温时间的延长,并随纳米粒子的长大,其熔点也不断提高。此过程的持续动力是表面自由能的降低。试验表明在900℃～960℃之间纳米铜微粒几乎全部熔解,烧结为大块的粗晶体材料。该结果首次为在铁基粉末中加入少量纳米铜粉体实现低温烧结（900℃-960℃之间）提供了可靠的试验数据。在进一步试验研究中,将少量纳米铜粉体与铁基粉末共混,依赖纳米铜微粒子的表面活性,在烧结过程中铁颗粒边界上的纳米铜微粒子随温度的提高和保温时间的延长不断发生长大,其长大机制受控于熔解扩散机制。分布在铁基颗粒周围的纳米铜微粒子因长大形成润湿铁颗粒表面的“胞状”界面,有效地连接了铁基颗粒,加速了烧结过程中铁基颗粒之间的扩散传质过程。试验表明添加1.5wt%纳米铜粉体的铁基粉末压坯可在960℃、1h条件下实现渗碳烧结,这比传统粉末冶金工艺首先在1120℃～1180℃之间高温烧结,然后再进行渗碳处理,可以直接免去高温烧结,利用渗碳烧结一次性完成烧结和渗碳,节省了大量的能耗,意义重大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 粉末冶金
• 1.2.1 粉末冶金的概念及发展历史
• 1.2.2 国内外粉末冶金发展现状与应用前景
• 1.2.3 粉末冶金在汽车行业中的应用
• 1.2.4 粉末冶金工艺特点
• 1.3 粉末烧结的基本理论
• 1.3.1 烧结的基本理论
• 1.3.2 粉末烧结工艺
• 1.3.3 粉末烧结保护气体
• 1.4 纳米材料的定义和发展现状
• 1.4.1 纳米材料的定义和发展现状
• 1.4.2 纳米粉体的制备方法
• 1.4.3 纳米材料的应用
• 1.4.4 纳米粉体的团聚及解决方法
• 1.5 目前铁基粉末中添加其他合金元素的研究现状
• 1.6 粉末冶金材料渗碳工艺的研究现状
• 1.7 本文的选题意义及研究内容
• 第二章 研究方案与实验方法
• 2.1 实验的整体设计思想
• 2.1.1 粉末成分的设计
• 2.1.2 实验材料的制备
• 2.1.3 试件的烧结工艺
• 2.2 分析与测试方法
• 2.2.1 密度测试
• 2.2.2 显微组织测试
• 2.2.3 机械性能测试
• 2.3 渗碳烧结件渗碳层深度的测定
• 2.4 实验总体实施流程图
• 第三章 纳米铜在烧结过程中的热稳定性分析
• 3.1 引言
• 3.2 纳米铜的热稳定性分析
• 3.3 不同升温速率下纳米铜的热稳定性分析
• 3.4 不同温度下纳米铜的热稳定性
• 3.5 本章小结
• 第四章 纳米铜在铁基粉末冶金制品中的扩散行为与作用机理
• 4.1 引言
• 4.2 显微组织分析
• 4.2.1 实验样品拉伸断口SEM分析
• 4.2.2 不同加热温度纳米铜微粒在铁基颗粒界面上的扩散长大行为
• 4.2.3 添加纳米铜对烧结过程及扩散过程的影响
• 4.3 X射线分析
• 4.4 透射电镜分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 添加微量纳米铜对渗碳烧结行为分析
• 5.1 引言
• 5.2 纳米铜粉降低烧结温度与渗碳工艺的关系
• 5.3 纳米铜含量对渗碳层的影响
• 5.3.1 纳米铜含量对渗碳层的影响
• 5.3.2 烧结温度、保温时间与渗碳层厚度关系
• 5.3.3 渗碳烧结与烧结后渗碳对比
• 5.4 综合机械性能分析
• 5.5 合金元素对渗碳烧结组织与性能的影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录