烧结温度及热处理对注射成形4605低合金钢组织与性能的影响

黄雨晴，何浩，娄嘉，李益民, ，彭元东，刘晨，秦健春

烧结温度及热处理对注射成形4605低合金钢组织与性能的影响

黄雨晴1，何浩2，娄嘉3，李益民1, 2，彭元东1，刘晨2，秦健春2

(1. 中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083；2. 广西科技大学 材料科学与工程研究中心，柳州 545006；3. 湘潭大学，材料科学与工程学院，湘潭 411105)

以4605母合金粉末为原料，采用注射成形工艺，在1 320~1 380 ℃烧结温度下制备4605低合金钢，并采用3种不同工艺进行热处理，研究烧结温度及热处理工艺对合金钢显微组织与硬度、抗拉强度等性能的影响。结果表明：4605低合金钢的烧结密度随烧结温度升高而增大；其显微组织由板条状马氏体和多边形铁素体组成；合金钢的硬度和抗拉强度均随烧结温度升高而升高，在1 380 ℃下烧结的低合金钢，致密度达96.38%，抗拉强度为613 MPa；塑性随烧结温度升高先上升后下降，在1 360 ℃烧结的合金钢伸长率最大，达13.5%。烧结温度为1 380 ℃的合金钢，经过800 ℃保温0.5 h，油冷，然后在200 ℃保温2 h的热处理后，得到马氏体组织，抗拉强度和硬度最高，分别为708 MPa和78.8 HRA；烧结温度为1 360 ℃的合金钢，在800 ℃保温1 h，油冷，然后在600 ℃保温2 h的热处理后，得到回火索氏体组织，伸长率最大，达到18.76%。

烧结温度；热处理；注射成形；低合金钢；显微组织；力学性能

4605钢是一种低合金钢(铁的质量分数一般在90%~98%)，包含Ni，Mo，C等合金元素，其元素组成列于表1。该材料具有高强度、高硬度、优异的热稳定性以及良好的耐腐蚀性能等。目前4605低合金钢多用于油压机上的传动件。注射成形制备低合金钢具有精度高、性能优良等优势[1]，但在实际生产过程中，烧结制品的碳含量波动较大，导致组织和性能不稳定，成为目前注射成形低合金钢所面临的主要难题。以往的研究表明，烧结温度对烧结钢的力学性能有重大影 响[2-4]。王天国等[5]研究发现：烧结温度由1 000 ℃升高到1 150 ℃，Fe-Cu-Mo-C烧结体的密度、硬度、抗拉强度和伸长率先增大后减小。孙芳芳等[6]的研究表明，粉末冶金低合金钢的密度和硬度随烧结温度升高而增大，组织更均匀。刘文胜等[7]研究了烧结温度对30Cr粉末冶金低合金钢组织与性能的影响，发现在1 100~1 200 ℃间，随烧结温度升高，M/A岛状组织逐渐增多并不断长大。另外，低合金钢由于合金元素少，组织变化剧烈，可出现铁素体、贝氏体、马氏体等多种组织，从而使性能不符合要求。通过热处理对烧结制品的组织进行调控，可提高材料的性能。目前有关烧结温度对注射成形4605低合金钢组织及力学性能影响的研究较少。为此，作者以4605低合金钢粉末为原料，采用注射成形的方法，在1 320~1 380 ℃烧结温度下制备4605低合金钢，并进一步对烧结制品进行热处理，研究烧结温度与热处理工艺对材料显微组织及力学性能的影响。

1 实验

1.1 4605低合金钢的制备

采用湖南恒基粉末科技有限责任公司提供的4605母合金粉末及CN铁粉(羰基铁粉)作为原料。表1所列为原料粉末的化学成分和4605低合金钢的名义成分，原料粉末的SEM形貌如图1所示。由图1可知4605母合金粉末及CN铁粉均为球形粉末，球形度高，流动性好，有利于获得尺寸稳定性好，性能优良的烧结样品。

表1 原料粉末与4605低合金钢的化学成分

图1 原料粉末的SEM形貌

(a) 4605 master alloy powder; (b) CN iron powder

在4605母合金粉末中加入CN铁粉，4605母合金粉末与CN铁粉的质量比为2:3，获得C含量(质量分数)为0.6%的混合粉末。按照粉末装载量(体积分数)为58%，在原料粉末中加入蜡基粘结剂，混合均匀，然后造粒，采用日本日精电子公司产的PNX40-2A注射成形机制成生坯。采用催化脱脂+热脱脂两步脱脂法对生坯进行脱脂。催化脱脂使用硝酸作为催化剂，温度为110 ℃，脱脂时间为8 h。热脱脂温度为900 ℃，时间为1 h。

将脱脂坯在真空炉内进行烧结，烧结温度分别为1 320，1 340，1 360以及1 380 ℃，保温时间为2 h。实验设定温度与炉内实际温度之间相差2.5 ℃以内，烧结气氛为氩气气氛，压力为1.5 MPa，烧结完成后随炉冷却，得到4605低合金钢。

1.2 热处理

对4605低合金钢进行热处理，通过分析4605合金的CCT图[8]，确定3种热处理工艺，分别为： 1) 800 ℃保温0.5 h，油冷，然后200 ℃保温2 h。 2) 800 ℃保温0.5 h，油冷，然后400 ℃保温2 h。 3) 800 ℃保温1 h，油冷，然后600 ℃保温2 h。

1.3 性能检测

采用阿基米德排水法测定4605低合金钢的密度。用Instron3369力学试验机测定材料的抗拉强度，拉伸速度为2.0 mm/min；采用洛氏硬度计检测硬度，测试时的载荷为588.4 N。密度、硬度及拉伸实验结果均取3个试样的平均值。采用Leica金相显微镜观察腐蚀后低合金钢的显微组织，腐蚀液为硝酸酒精混合液，其中硝酸的体积分数为4%。

2 结果与讨论

2.1 显微组织

图2所示为4605低合金钢的烧结密度随烧结温度的变化，图3所示为烧结试样的孔隙分布。经分析，烧结样品的碳含量(质量分数)为0.59%，从图1看出，随烧结温度升高，4605低合金钢的烧结密度先增加然后趋于平稳。烧结温度由1 320 ℃升高到1 360 ℃时，密度增加较快，在1 360~1 380 ℃温度范围内，密度小幅增加。从图3看出，当烧结温度为1 320 ℃时，材料中孔隙的数量较多、尺寸较大；当烧结温度升高至1 360 ℃时，仅存在稀疏分布的小孔隙；当温度继续升高至1 380 ℃，孔隙变化不大。图4所示为不同温度烧结的4605低合金钢金相组织。由图可见，低合金钢主要成分为不规则多边形铁素体，铁素体基体中分布着板条状马氏体。随烧结温度升高，马氏体所占比例逐渐增大，尺寸减小，分布更均匀。

图2 烧结温度对4605低合金钢相对密度的影响

2.2 力学性能

图5所示为烧结温度对4605低合金钢性能的影响。由图可见，抗拉强度及硬度均随烧结温度升高而提高。一方面是由于随烧结温度升高，高强高硬的马氏体相增加，因此材料的强度与硬度提高[9]。另一方面，孔隙对于材料的强度具有很大影响[10]。材料的强度和孔隙率之间有如下关系[11]：

式中：0为致密材料的强度；为取决于材料和制造工艺的参数。由式(1)可知，孔隙率直接影响材料的强度。孔隙尖端形成微裂纹，而孔隙周围产生的应力集中使微裂纹加速扩展，因此，烧结温度越高，材料的孔隙度越低，其强度越高[6]。

从图5看出，随烧结温度升高，材料的伸长率先上升后下降。当烧结温度从1 320 ℃升高到1 360 ℃时，伸长率显著升高，而在烧结温升至1 380 ℃时，伸长率大幅下降。一般来说，材料的韧性与孔隙率遵循如下关系[12]：

式中：Z为相对韧性；c为经验常数；θ为孔隙率。由式(2)可知，随孔隙率降低，塑性增大。1 360 ℃烧结的4605低合金钢的孔隙率明显比1 320 ℃烧结的孔隙率低，因此韧性明显提高。而1 380 ℃烧结后孔隙率虽然更小，但马氏体组织明显增加，文献[13-14]报道，马氏体组织对韧性有着不利的影响，其所占比重越大，影响越显著。因此，1 380 ℃烧结的4605低合金钢，伸长率骤降。

(a) 1 320 ℃; (b) 1 340 ℃; (c) 1 360 ℃; (d) 1 380 ℃

图4 不同温度下烧结的4605低合金钢金相显微组织

(a) 1 320 ℃; (b) 1 340 ℃; (c) 1 360 ℃; (d) 1 380 ℃

图5 烧结温度对4605低合金钢性能的影响

图6所示为不同温度烧结的4605低合金钢拉伸断口SEM形貌。由图可见，随烧结温度升高，韧窝的数量减少，深度变浅。1 320 ℃烧结的样品，断口处可见明显的大开口孔隙及大量的小尺寸孔隙，断裂方式以韧性断裂为主。而1 380 ℃烧结的样品，孔隙减少，韧窝数量也明显减少，韧窝深度变浅，其断裂方式依旧为韧性断裂，但韧性较1 320 ℃烧结的样品有所 下降。

图6 不同温度下烧结的4605低合金钢拉伸断口SEM形貌

(a) 1 320 ℃; (b) 1 340 ℃; (c) 1 360 ℃; (d) 1 380 ℃

综上所述，在1 320~1 380 ℃烧结温度下，4605低合金钢的烧结密度、硬度和抗拉强度均随烧结温度升高而升高，在1 380 ℃烧结温度时其致密度为96.38%，抗拉强度达到613 MPa。塑性随温度升高先上升后下降，在1 360 ℃烧结的低合金钢的伸长率最高，为13.50%。

2.3 热处理的影响

图7所示为烧结温度为1 360 ℃的4605低合金钢经过不同热处理后的金相组织。由图可见，采用第1种工艺(800 ℃保温0.5 h油冷后200 ℃下保温2 h)进行热处理后，材料的组织为马氏体；采用第2种工艺(800 ℃保温0.5 h，油冷后400 ℃保温2 h)热处理后，材料组织为回火屈氏体；采用第3种工艺(800 ℃保温1 h油冷后600 ℃下保温2 h)处理后，材料组织为回火索氏体。

图8所示为热处理工艺对注射成形4605低合金钢抗拉强度、硬度及伸长率的影响。从图看出，采用第1种工艺进行热处理后，低合金钢抗拉强度及硬度均最高，但伸长率最低。这是因为材料组织以马氏体为主，马氏体具有高强度及高硬度，所以材料的抗拉强度与硬度均有提升。刘文胜等[7]的研究表明，30Cr粉末冶金低合金钢内的高硬马氏体增加时，材料的强度及硬度增加，但塑性下降。相对于第1种热处理工艺，在采用第2种工艺进行热处理后，4605低合金钢的抗拉强度及硬度下降而伸长率提升，这是由于随回火温度升高，碳原子的扩散能力增强，过饱和α固溶体很快转变为铁素体，同时亚稳态的ε碳化物也逐渐转变为稳定的Fe3C，并由最初的薄片状变成细粒状，且与母相失去共格联系，形成的由尚未再结晶的铁素体与细颗粒状的Fe3C组成的混合物为回火屈氏体，并且在此阶段的淬火过程中晶格畸变所产生的内应力大部分消除，从而使材料的强度及硬度下降，而韧性提升[15]。与第2种工艺相比，采用第3种工艺进行热处理后，材料的抗拉强度及硬度进一步下降而伸长率更高，这主要是由于高温回火(600 ℃)后得到回火索氏体，为多边形铁素体和粒状Fe3C组成的混合物，当回火温度达到400 ℃以上时，Fe3C逐渐聚集长大，形成较大的粒状Fe3C，在600 ℃以上时，Fe3C迅速粗化。同时，在450 ℃以上时铁素体开始再结晶，失去马氏体原有形态而成为多边形铁素体，因此回火索氏体的性能介于铁素体和渗碳体之间[15]。综上所述，随回火温度升高，注射成形4605低合金钢的强度、硬度下降，而韧性 提高。

图7 1 360 ℃烧结的4605钢及其经过不同热处理后的金相组织

(a) Sintered state; (b) 800 ℃/0.5 h+200 ℃/2 h; (c) 800 ℃/0.5 h+400 ℃/2 h; (d) 800 ℃/1 h+600 ℃/2 h

图8 4605低合金钢经过不同热处理后的抗拉强度、伸长率及硬度

图9所示为不同热处理后的4605低合金钢的拉伸断口SEM形貌。由图看出，采用第1种工艺进行热处理后的4605低合金钢，断口处有韧窝分布，同时还出现了河流花样的解理面，为典型的脆性断裂特征[16]，说明材料的断裂方式为混合断裂，所以其韧性最差；第2种热处理工艺的样品，只出现小部分解离面，其断裂方式仍以韧性断裂为主，其韧性比第1种热处理工艺的样品好，但比第3种热处理的样品差；第3种热处理工艺的样品未出现解理面，韧窝分布较均匀，断裂方式为韧性断裂，材料的韧性最好。

图9 不同热处理工艺下的4065低合金钢拉伸断口SEM形貌

(a) 800 ℃/0.5 h+200 ℃/2 h; (b) 800 ℃/0.5 h+400 ℃/2 h; (c) 800 ℃/1 h+600 ℃/2 h

综上所述，采用800 ℃保温0.5 h油冷+200 ℃下保温2 h的热处理工艺对注射成形4605低合金钢进行热处理，可获得最高的硬度及抗拉强度，抗拉强度为 708 MPa，比烧结态提高1 00 MPa；硬度(HRA)为78.8，比烧结态提高23.6，伸长率为5.62%。采用800 ℃保温1 h油冷+600 ℃保温2 h热处理工艺，材料的伸长率最高，达到18.76%。

3 结论

1) 采用注射成形工艺，在1 320~1 380 ℃烧结温度下制备4605低合金钢，烧结组织由板条状马氏体及多边形铁素体组成。随烧结温度升高，马氏体组织增加，并不断细化。

2) 随烧结温度升高，4605低合金钢的密度和硬度及抗拉强度均上升，而伸长率先上升后下降，在烧结温度为1 360 ℃时达到最大值。

3) 注射成形4605低合金钢经过800 ℃保温0.5 h油冷+200 ℃保温2 h热处理后，硬度及抗拉强度最高；在800 ℃保温1 h油冷+600 ℃下保温2 h热处理后，伸长率最优，为18.76%。

[1] AZEVEDO J M C, SERRENHO A C, ALLWOOD J M. Energy and material efficiency of steel powder metallurgy[J]. Powder Technology, 2018, 328(1): 329-336

[2] ANATOLII L, BARBARA R, OLEKSANDR T, et al. Influence of the impact sintering temperature on the structure and properties of samples from the different iron powders[J]. Advanced Powder Technology, 2017, 28(2): 363-374.

[3] YE Yongquan, LI Xiaoqiang, CHENG Zhun, et al. The influence of sintering temperature and pressure on microstructure and mechanical properties of carbonyl iron powder materials fabricated by electric current activated sintering[J]. Vacuum, 2017, 137(3): 137-147.

[4] CRISTOFOLINI I, PILLA M, RAO A, et al. Dimensional and geometrical precision of powder metallurgy parts sintered and sinterhardened at high temperature[J]. International Journal of Precision Engineering & Manufacturing, 2013, 14(10): 1735- 1742.

[5] 王天国, 梁启超, 覃群. 烧结温度对Fe-Cu-Mo-C合金组织和性能的影响[J]. 粉末冶金工业, 2016, 26(2): 27-30. WANG Tianguo, LIANG Qichao, QIN Qun. Influence of sintering temperature on microstructure and properties of Fe-Cu-Mo-C alloys[J]. Powder Metallurgy Industry, 2016, 26(2): 27-30.

[6] 孙芳芳, 马少波, 毕岗, 等. 烧结温度对粉末冶金低合金钢显微组织和力学性能的影响[J]. 机械工程材料, 2017, 41(10): 48-51. SUN Fangfang, MA Shaobo, BI Gang, et al. Influence of Sintering temperature on microstructure and mechanical properties of powder metallurgy low-alloy steel[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2017, 41(10): 48-51.

[7] 刘文胜, 张壹金, 马运柱,等.烧结温度对30Cr粉末冶金低合金钢组织与性能的影响[J]. 粉末冶金技术, 2018, 36(5): 342- 347. LIU Wensheng, ZHANG Yijin, MA Yunzhu, et al. Effect of sintering temperature on the microstructures and properties of 30Cr powder metallurgy low alloy steel[J]. Powder Metallurgy Technology, 2018, 36(5): 342-347.

[8] 王腾. 基于热力学设计的粉末冶金4605合金的热处理工艺研究[D]. 湘潭: 湘潭大学, 2019. WANG Teng. Study on heat treatment process of powder metallurgy 4605 alloy based on thermodynamic design[D]. Xiangtan: Xiangtan University, 2019.

[9] SEOK G L, SEOK S S, BOHEE K, et al. Effects of martensite-austenite constituent on crack initiation and propagation in inter-critical heat-affected zone of high-strength low-alloy (HSLA) steel[J]. Materials Science and Engineering A , 2018, 715(3): 332-339.

[10] 王乐, 易健宏, 戴煜, 等. 压制压力对粉末冶金烧结硬化钢性能的影响[J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2008, 13(2): 97-101. WANG Le, YI Jianhong, DAI Yu, et al. Influence of compacting pressure on properties of sinter-hardening P/M steels[J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2008, 13(2): 97-101.

[11] GERMAN R M, XU X, LIU Y. Reconciliation of sintering theory and practice[J]. Metal Powder Report, 2001, 56(9): 37- 38.

[12] 阮建明, 黄培云. 粉末冶金原理[M]. 北京: 机械工业出版社, 2012. RUAN Jianming, HUANG Peiyun. Theory of Power Metallurgy[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2012.

[13] QIAO Zhixia, LIU Yongchang, YU Liming, et al. Formation mechanism of granular bainite in a 30CrNi3MoV steel[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2009, 475(1): 560-564.

[14] ZHOU Yanlei, TAO Jia, ZHANG Xiangjun, et al. Investigation on tempering of granular bainite in an offshore platform steel[J]. Materials Science and Engineering A, 2015, 626(4): 352-361.

[15] 高为国, 钟利萍, 夏卿坤, 等. 机械工程材料[M]. 长沙: 中南大学出版社, 2012. GAO Weiguo, ZHONG Liping, XIA Qinkun, et al. Materials for Mechanical Engineering[M]. Changsha: Central South University Press, 2012.

[16] 常翔鸣. 热处理工艺对低合金耐磨钢组织和性能的影响[D]. 包头: 内蒙古科技大学, 2013. CHANG Xiangming. Effects of heat treatment process on microstructures and properties of low alloy wear resistant steel[D]. Baotou:Inner Mongolia University of Science & Technology, 2013.

Effects of sintering temperature and heat treatment on microstructure and properties of 4605 low alloy steel prepared by powder injection molding

HUANG Yuqing1, HE Hao2, LOU Jia3, LI Yimin1, 2, PENG Yuandong1, LIU Chen2, QIN Jianchun2

(1. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Research Center of Materials Science and Engineering,Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China;3. School of Materials Science and Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

4605 low alloy steel was prepared from 4605 master alloy powder by injection molding and sintering at 1 320-1 380 ℃. The effects of sintering temperature and heat treatment process on the microstructure, hardness and tensile strength of alloy steel were studied by three different processes of heat treatment. The results show that，the sintering density of 4605 low alloy steel increases with the increase of sintering temperature, the microstructure is composed of lath martensite and polygonal ferrite, the hardness and tensile strength of alloy steel increase with the increase of sintering temperature. The optimum properties of low alloy steel are obtained after sintered at 1 380 ℃, with its density up to 96.38% and the tensile strength is 613 MPa. The plasticity increases first and then decreases with the increase of temperature. At 1 360 ℃, the elongation of the sintered sample is optimal, reaching 13.50%. The martensite structure can be obtained through heat preservation at 800 ℃ for 0.5 h, and then at 200 ℃ for 2 h after oil quenching. The tensile strength and hardness of the sample attain to optimum, that is 708 MPa and 78.8 HRA respectively. The tempered sorbite can be obtained by heat preservation at 800 ℃ for 1 h followed by heat preservation at 600 ℃ for 2 h after oil quenching. The elongation of the sample is optimal, reaching 18.76%.

sintering temperature; heat treatment; injection molding; low alloy steel; microstructure; mechanical properties

TF124

A

1673-0224(2019)06-549-08

湖南省科技计划资助项目(2017GK2264)；广西自然科学基金资助项目(2017GXNSFBA198187)；柳州市科技计划资助项目(2018DH10505)

2019-07-22；

2019-10-12

彭元东，副教授，博士。电话：13017310920；E-mail: pengyuandong@csu.edu.cn

(编辑 汤金芝)