論文翻譯 316L不銹鋼添加MoSi2強化燒結(jié)后的微觀組織和機械性能變化

1、<中南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文> <附錄 文獻翻譯>316L不銹鋼添加MoSi2強化燒結(jié)后的微觀組織和機械性能變化摘要：添加適當(dāng)?shù)臒Y(jié)元素將316L不銹鋼燒結(jié)至近全致密化可以保證材料獲得高機械性能以及抗腐蝕性。本文中我們介紹一種得到近全致密316L不銹鋼的燒結(jié)方法，該方法利用陶瓷高溫下在鋼中的分解去激活燒結(jié)致密化。MoSi2陶瓷粉作為燒結(jié)添加劑加入316L不銹鋼預(yù)混合粉。在不同的燒結(jié)溫度下，觀察添加了MoSi2的不銹鋼壓坯的燒結(jié)行為和微觀組織變化。結(jié)果表明，升高溫度和加入MoSi2組元都會提高燒結(jié)體致密度。用XMAPs表示MoSi2在燒結(jié)體中的分布情況，發(fā)現(xiàn)MoSi2在燒結(jié)過程

2、中發(fā)生分解，Mo和Si被分散在晶界處。多余的Mo和Si以游離相的形式分布于微觀組織中。向不銹鋼原料粉中加入5wt%的MoSi2，在1300下燒結(jié)60分鐘可使燒結(jié)體密度達到理論密度的98%以上，同時其機械性能也得到很大提升。關(guān)鍵詞：316L不銹鋼、燒結(jié)、MoSi2、微觀組織、XMAP、機械性能第一章 引言致密316L不銹鋼廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和建筑業(yè)。粉末冶金工藝作為一種近凈成形技術(shù)可以降低生產(chǎn)成本，因此在制造316L不銹鋼零件方面是非常有前景的1。為了能與致密316L不銹鋼零件相媲美，具備高機械性能和抗腐蝕性的高密度粉末冶金316L零件成為目前市場的需求。在不銹鋼粉末中加入燒結(jié)添加劑是

3、生產(chǎn)高密度粉末冶金不銹鋼零件的一種有效方法2。燒結(jié)添加劑可以通過降低燒結(jié)溫度并且活化致密化機制來減少燒結(jié)體中的氣孔。現(xiàn)經(jīng)報導(dǎo)的可強化不銹鋼燒結(jié)機制的燒結(jié)添加劑有FeB, NiB, FeMoB, Si 和Cu3P等2-8。這些燒結(jié)添加劑通過在燒結(jié)過程中形成液相來活化不銹鋼壓坯的燒結(jié)過程。液相在固體顆粒間形成了一個網(wǎng)架以保證傳統(tǒng)的液相燒結(jié)得以進行3,7。選擇合適的燒結(jié)添加劑十分復(fù)雜，因為這需要對組元間復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)有充分的了解，否則會使燒結(jié)體出現(xiàn)膨脹、多孔以及機械性能和腐蝕性能明顯下降等現(xiàn)象9。目前，有關(guān)制造不銹鋼時加入高體積分?jǐn)?shù)的陶瓷以增強高致密復(fù)合材料的耐磨性方面的成功研究報導(dǎo)得還很少10-12

4、。另一方面，低體積分?jǐn)?shù)的陶瓷已被用于提高燒結(jié)體致密度并制備粉末冶金不銹鋼顆粒復(fù)合材料13-16。通過對添加體積分?jǐn)?shù)為10% YAG的316L不銹鋼粉進行燒結(jié)，發(fā)現(xiàn)添加體積分?jǐn)?shù)為5% YAG的原料燒結(jié)后孔隙均勻性優(yōu)于在完全相同條件下燒結(jié)的純316L不銹鋼14。在不銹鋼中添加SiC和Si3N4可以提高燒結(jié)密度。在316L不銹鋼中添加SiC可以強化燒結(jié)是因為SiC和316L不銹鋼基體之間相互作用形成了一種新的低熔點相Fe-SiC15。在465不銹鋼中由于Si3N4以Si和N的形式分散于基體中，故使燒結(jié)體致密度和機械性能得到提高16。由于多種陶瓷材料都具有化學(xué)不穩(wěn)定性以及對鋼鐵材料的良好親和性，陶瓷材

5、料作為燒結(jié)添加劑可以增強不銹鋼材料的機械性能和腐蝕性。MoSi2是一種具有高熔點和優(yōu)良的高溫抗氧化性的陶瓷材料17,18。有人在理論上提出MoSi2和Fe在晶界處之間形成了牢固的Fe-Mo和Fe-Si鍵19。利用火花等離子技術(shù)可以成功制出MoSi2和316L的聯(lián)合體，在此過程中MoSi2發(fā)生了分解20。由于MoSi2和316L不銹鋼之間存在強烈的相互作用鍵，因此猜想MoSi2能夠作為燒結(jié)添加劑。將Mo加入奧氏體鋼中可以增強鋼抗表面點蝕和縫隙腐蝕的能力，對于含Cr的鋼種此種效果更加明顯21-24；另外Si作為燒結(jié)添加劑可以在燒結(jié)溫度下形成液相，從而促進致密化過程8,25。目前的研究工作著力于將M

6、oSi2加入到316L燒結(jié)不銹鋼中后，前者對后者燒結(jié)行為、微觀組織變化以及機械性能的影響。有關(guān)MoSi2的加入形式和燒結(jié)溫度對316L不銹鋼的燒結(jié)行為的影響已有一定的研究基礎(chǔ)。此次實驗利用金相技術(shù)對燒結(jié)體微觀組織變化進行分析，同時根據(jù)電子顯微鏡技術(shù)和元素分布圖譜分析其燒結(jié)機制。第二章 實驗將316L預(yù)合金粉末(37m)和MoSi2粉(2m)一起干磨6小時，其中添加的MoSi2分別為0 wt%,2 wt%,5 wt%和10wt%，使用聚酰胺微粉蠟作為內(nèi)潤滑劑。將混合粉注入直徑為10mm的圓柱模具和一個可壓制25mm標(biāo)準(zhǔn)長度拉伸試樣的模具，并在600MPa下進行單向壓制。為了避免Cr的蒸發(fā)，在具有

7、N2回填氣氛的高溫真空燒結(jié)爐中進行生坯的燒結(jié)。試樣的燒結(jié)程序如下：以10/min的速度將試樣升溫到1000后，在1000下保溫15min，然后以5/min的速度將試樣分別升溫到1250、1300、1350和1400，之后在N2回填的真空氣氛下保溫60min。對壓坯和燒結(jié)體利用阿基米德水浸法進行密度測量。為了對試樣進行金相檢測，對其在SiC砂紙上進行逐步顯微拋光，直至精確拋光到0.5m的精度。使用Kevex LEO-1450型號的掃描電鏡在15kV下對燒結(jié)體的微觀組織和元素分布進行觀察分析。在Instron力學(xué)試驗機上對試樣進行拉伸測試，加力頭速度為恒定的0.5 mm/min(標(biāo)距長度為25mm

8、)。在SiC砂紙上對拉伸試樣進行連續(xù)拋光，直到其表面光潔度達到1000目。試樣的硬度測量值在HRB范圍。為了保證實驗結(jié)果的可靠性，每項測試都在同等條件下至少進行三次。圖1 (a)分別在1250、1300和1350下燒結(jié)60min，MoSi2的添加量對燒結(jié)體相對密度的影響。(b)在010 wt.%的MoSi2含量下燒結(jié)60min，燒結(jié)溫度對燒結(jié)體相對密度的影響。第三章 結(jié)果與討論在有液相存在的情況下發(fā)生液相燒結(jié)，并且組元通過液相進行遷移使壓坯致密化。在燒結(jié)溫度升高的情況下，燒結(jié)體的相對密度隨著燒結(jié)時液相的體積分?jǐn)?shù)的增加及其粘度的降低而進一步升高26。MoSi2的含量和燒結(jié)溫度對316L不銹鋼燒結(jié)

9、致密化的影響如圖1所示。由圖可以看出，316L不銹鋼的相對密度隨著MoSi2含量的增加而升高。在未添加MoSi2時，316L不銹鋼在1250下燒結(jié)后達到了較高的相對密度94%，燒結(jié)溫度提高到1350后密度出現(xiàn)了少量的升高。在不同燒結(jié)溫度下MoSi2的添加對316L不銹鋼的影響(圖1)表明，在添加了1wt.%的MoSi2后燒結(jié)體相對密度升高到了95.6%。添加5wt.%的MoSi2并在1300下燒結(jié)，可以使試樣的相對密度達到最高值98.2%。之后繼續(xù)提高燒結(jié)溫度和MoSi2的加入量未能使密度進一步升高。試樣的相對密度之所以能從94%升高到98.2%是因為MoSi2的添加使燒結(jié)得到了強化。所以，添

10、加了5wt.%的MoSi2后，在1300下燒結(jié)才得以使316L不銹鋼的相對密度達到98%以上。表1總結(jié)了MoSi2的含量對316L不銹鋼壓坯密度、理論密度以及燒結(jié)密度的影響。表1 MoSi2的含量對316L不銹鋼壓坯密度、理論密度和燒結(jié)密度的影響(1300)No.316L steel (wt.%)MoSi2 (wt.%)壓坯密度 (g/cm3)理論密度 (g/cm3)燒結(jié)密度 (g/cm3)相對密度(%)1100.00.06.41±0.037.987.52±0.0294.3299.01.06.42±0.037.977.62±0.0395.6395.05.

11、06.32±0.027.897.75±0.0298.2490.010.06.27±0.047.817.64±0.0598.0316L不銹鋼未加入MoSi2燒結(jié)后的微觀組織如圖2(a)所示，顯示出燒結(jié)顆粒和氣孔共存，相關(guān)文獻也報道了同樣的結(jié)果8,25。圖2(b)所示的添加了1wt.%MoSi2的316L不銹鋼燒結(jié)后孔隙度相對(a)有所下降，而且其下降相當(dāng)明顯。繼續(xù)升高MoSi2的含量使其達到5wt.%，進一步明顯地降低了孔隙度并促進了晶粒長大(圖2(c)。孔隙度的明顯降低和晶粒的長大證明了燒結(jié)周期中由于液相的存在加速了組元的擴散，從而使孔隙減少、晶粒長大2

12、,8,25,26。將MoSi2加入316L不銹鋼后，通過形成液相活化了燒結(jié)過程。由于液相在不銹鋼基體中的溶解度很小，所以燒結(jié)過程為傳統(tǒng)的液相燒結(jié)。圖2 316燒結(jié)不銹鋼的微觀組織(a)未添加MoSi2在1300 C 燒結(jié)60 min；(b)添加1wt.%MoSi2 在1300 C 燒結(jié) 60 min；(c)添加5wt.% MoSi2在1300 C 燒結(jié) 60 min；(d)添加10wt.% MoSi2 在1300 C燒結(jié)60 min。圖2(d)中顯示的添加10wt.%MoSi2并在1300下燒結(jié)后的微觀組織表明燒結(jié)致密組織中出現(xiàn)了顆粒的球化(圖2(d)。在MoSi2分解為自身的組元Mo和Si后

13、，微觀組織開始逐步形成。未溶解的Mo和Si以單獨相的形式從基體中沉淀析出(圖2(d)。為了進一步理解燒結(jié)機制及其變化過程，對含有5wt.%和10wt.% MoSi2的試樣中的Mo元素和Si元素進行XMAPs分析。圖3(a)-(c)為含5wt.% MoSi2的316L燒結(jié)試樣的Mo和Si XMAPs圖譜，顯示MoSi2在燒結(jié)溫度為1300時已經(jīng)發(fā)生了分解。Mo游離于晶界處，而Si存在于晶界和基體相中。已有文獻報道在奧氏體不銹鋼中添加Si可以強化燒結(jié)過程中的致密化8,25。另一方面，Mo的存在降低了C在鋼中的溶解度，形成了碳化物相并影響試樣的高溫抗蝕性27。在本實驗中，由于所用的316L不銹鋼基體

14、含碳量非常低(<0.03%)，所以我們可以假設(shè)Mo在微觀組織中以單質(zhì)Mo的相存在。游離Mo的存在對燒結(jié)不銹鋼的機械性能(表2)和腐蝕性能都是有利的23,24,28。圖3 316L不銹鋼在1300燒結(jié)60min后的微觀組織以及相應(yīng)的Mo和Si的XMAPs圖像(a)添加5wt.%的MoSi2; (b) Mo的XMAP圖; (c) Si的XMAP圖;(d)添加10wt.%的MoSi2; (e) Mo的XMAP圖; (f) Si的XMAP圖.MoSi2在316不銹鋼中分解為Mo和Si，其中Mo以獨立相的形式存在于試樣中，這說明Mo在316L不銹鋼中溶解度很低，而Si溶解于316L基體中并形成液相

15、促進了壓坯的致密化。Mo加入奧氏體不銹鋼中后可以增強其機械性能和腐蝕性能23,24。Si不銹鋼中作為燒結(jié)添加劑使燒結(jié)體致密化從而保證其機械和腐蝕性能8,25。在燒結(jié)溫度達到1200以上時，Si形成了液相從而促進316L不銹鋼的致密化。在1300的燒結(jié)溫度下，含5wt.% MoSi2的316L粉冶樣品達到了較高的相對密度值98.2%。圖3(d)-(f)中的XMAPs圖表明，MoSi2含量升高到10wt.%后，微觀組織中的Mo相的含量明顯升高，同時Si也以球化顆粒的形式出現(xiàn)。由于Si在奧氏體相中的溶解度很低29,30，所以它沉淀析出并以單獨的相存在(圖3(d)-(f)。過多的Si會提高材料脆性，所

16、以對機械性能是不利的29。在本實驗中，過多的硅沉淀析出為單質(zhì)硅。另一方面，燒結(jié)是在壓強為1×10-2Pa的高真空爐中進行的，幾乎不會形成SiO2。所以，燒結(jié)試樣具有高的拉伸強度和延展性(表2)。表2 MoSi2的加入量對1300燒結(jié)后的316L不銹鋼機械性能的影響試樣抗拉強度(MPa)延伸率(%)硬度(HRB)316L335±1514±266±2316L+1wt.%382±1514±269±2316L+5wt.%486±1522±279±2316L+10wt.%471±1516

17、7;293±2表2總結(jié)了添加MoSi2的316L燒結(jié)不銹鋼的機械性能。在未添加MoSi2時，1300燒結(jié)后的鋼最大硬度為66HRB。隨著MoSi2含量的升高，試樣的硬度也升高。硬度的升高是由于試樣密度增大以及鋼中出現(xiàn)了Mo相。添加了10wt.%的MoSi2后，鋼的硬度值達到了93HRB。表2表明了316L不銹鋼的強度隨MoSi2含量不同的變化。添加5wt.% 的MoSi2后試樣的極限抗拉強度和延伸率都達到了最高值，分別為486MPa和高于20%。這樣的高強度和良好的延展性是在相對密度為98.2%的條件下得到的。添加MoSi2、均勻的微觀組織以及殘余孔隙的減少都有利于材料獲得高強度和良

18、好的延展性。而在MoSi2含量增加到10.wt%時，試樣的最終拉伸強度和延伸率發(fā)生下降。這是應(yīng)為合金中出現(xiàn)了單質(zhì)硅的相8,29。加入MoSi2后試樣的機械性能出現(xiàn)了明顯的增強。得到最佳機械性能組合和最高致密度的工藝條件是添加5wt.%的MoSi2和在1300下進行燒結(jié)。本實驗研究了添加MoSi2對316L不銹鋼燒結(jié)行為、微觀組織變化以及機械性能的影響。加入到316L不銹鋼粉末中后，MoSi2在燒結(jié)溫度下分解為Mo和Si。隨著MoSi2添加量的增多，316L不銹鋼燒結(jié)體的密度也升高，并在MoSi2的添加量為5wt.%時相對密度達到最高為98.2%。 MoSi2添加量達到10wt.%后，316L不

19、銹鋼的微觀組織中可以觀察到未溶解的Mo相和Si相存在。在316L不銹鋼中添加MoSi2提高了燒結(jié)體的密度，也使燒結(jié)合金的硬度和極限拉伸強度得到提高。316L不銹鋼的極限拉伸強度和硬度都達到了較高的值，分別為486MPa和93HRB。向不銹鋼中添加5wt.%的MoSi2并在1300下燒結(jié)60min，可以使試樣的機械性能達到最佳組合值。致謝作者感謝巴基斯坦高等教育委員會下屬的F.E. Cui提供掃描電子顯微鏡以及研究資金的支持。參考文獻1 N. Kurgan, R. Varol. Powder Technol, 210 (2010):242-247.2 F. Akhtar, S. J. Guo,

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