材料与制程因素对烧结重合金机械性质影响之研究

1材料與製程因素對燒結重合金機械性質影響之研究王文峰南台科技大學機械工程系摘要本文之研究目的在於探討液相成份、成形壓力與燒結時間對鎢鎳鐵系重合金之密度、硬度、徑向、軸向與體積尺寸收縮率、抗拉強度和伸長率的影響。實驗結果顯示：1.W-Ni-Fe系重合金之機械性質優於W-Ni-Cu重合金，其最佳的液相成份為Ni:Fe=1:1。2.壓粉體密度與燒結密度隨成形壓力之增加而提高，但是，徑向、軸向與體積收縮率則隨成形壓力之增加而減少。3.液相含量增加時，W-Ni-Fe重合金之密度值與硬度降低，各項收縮率增大。抗拉強度於液相含量為8%時達到最大，伸長率則隨液相含量減少而顯著降低。4.重合金適當的燒結時間為30分鐘左右，燒結時間再增長無助於提升其機械性質。一、前言重合金係以粉末冶金技術製作而成，具有高密度(比重)的特性，強度和韌性頗為良好。工業上之應用為陀螺儀之轉子材料、加瑪射線的屏蔽板、高轉速機器如渦輪引擎之平衡件和攻擊裝甲車輛之穿甲彈頭。依成份可分成兩類：鎢鎳鐵系和鎢鎳銅系，係典型的液相燒結合金的一種。粉末壓胚體於燒結溫度下，藉著鎳、鐵粉末或者鎳、銅粉末熔化而形成之共晶液相，將鎢粉顆粒黏合在一起。其原理和超硬合金及混凝土近似，前者係藉燒結時形成的鈷基液相或鎳基液相，將碳化鎢或碳化鈦等硬粒子黏合在一起而形成各種超硬合金；後者則是藉砂和水泥漿把小石子黏合在一起而形成混凝土。過去，國外有關此種燒結合金所發表的論文為數不少。Edmonds曾探討液相燒結重合金內，固液相界面間產生的脆化現象及其成因(1)。Cimpoeru研究重合金在高應變率(strainrate)下之機械性質(2)，Lea等人探討重合金內固液相界面間，雜質元素偏析之現象及解決的方法(3)。German調查燒結氣體種類對重合金機械性質的影響(4)，Zukas研究W-Ni-Fe系重合金之燒結機構(5)。O,Donnell等人探討燒結時間之長短對於重合金機械性質的影響(6)，Yoon研究重合金於氫氣之中燒結後，所遭遇的氫脆化問題(7)。Churn探討重合金於破壞時，所產生的結構變化過程與現象(8)。Hong調查磷含量對重合金衝擊強度的影響(9)。本文之實驗工作從技術實務層面著手，探討成形壓力、燒結時間、液相含量等製程因素對燒結密度、硬度、尺寸收縮率和抗拉強度的影響。在相同的鎢粉固相含量下，液相合金成份對重合金機械性質的影響。在相同的液相成份下，液相2含量對成形密度、燒結密度、尺寸變化率、合金之硬度、抗拉強度與伸長率的影響。接著，調查在固定的鎢含量與液相成份下，燒結時間之長短對機械性質的影響。二、實驗方法1、實驗用材料A.鎢粉德國H.C.Starck公司所生產，平均粒度分別為2.0μm。其粒度分佈如表一所示：表一鎢粉之粒度分佈μm0.1-0.20.2-0.30.3-0.40.4-0.50.5-0.60.6-0.80.8-1.0%0002.52.555μm1-22-33-44-55-66-88-10%33241053.565B.銅粉以霧化法製成，粒度小於44μm，純度為99%以上。C.鐵粉為carbonyleiron粉，平均粒度為3.0μm。D.鎳粉為carbonylenickel粉，平均粒度為3.0μm。E.成形結合劑將適量的石蠟溶解於乙醚裡，做成之溶液與鎢鎳銅或鎢鎳鐵粉末攪拌均勻。靜置等待乙醚完全揮發，石蠟會在粉末顆粒表面形成被覆層，以作為加壓成形時之粉粒結合劑。2、實驗設備A.萬能試驗機最大出力為30噸，用於拉伸試件之加壓成形和燒結合金拉伸試件抗拉強度的測試。B.桌上型油壓成形機最大出力為10噸，用於圓形試件的加壓成形以量測試件於燒結前後的尺寸與體積變化率。C.低溫燒結爐最高使用溫度為1100oC，用於粉末成形試件的脫蠟與預燒結。D.高溫燒結爐最高使用溫度為1500oC，用於粉末成形試件的燒結。E.光學顯微鏡觀察燒結合金之金相組織與鎢固相顆粒之大小。F.硬度試驗電子式之洛氏Rockwell硬度試驗機3、實驗過程秤量預定份量的鎳粉與鐵粉(或銅粉)置於研缽內研混均勻，然後加入等體積的鎢粉研混；接著將此W-Ni-Fe基粉倒入大量的鎢粉末內進行攪拌。如此，可使少量的鎳、鐵粉末(3-10%)均勻地分散於大量的鎢粉(90-97%)裡面。為使鎳、鐵粉末更均勻地分散於鎢粉之中，這些手工混合妥的W-Ni-Fe粉末倒入球磨壺內進行12小時的濕式球磨混合作業。球磨壺由之不銹鋼板焊成，直徑為100mm，長度為200mm。將適量的無水酒精加入混合粉末內，調合成黏稠狀漿液；然後倒入球磨壺內。接著添加直徑為6mm、重量為混合粉末三倍之小鋼珠。鎖上磨壺頂蓋，放置於球磨機上旋轉(60rpm)；藉磨壺內小鋼珠之轉動、撞擊作用，使鎳、3鐵粉末作更均勻的分散。球磨混合作業完成之後，將粉末漿液倒出陰乾，使無水酒精完全揮發。壓碎陰乾之粉體塊，再加入適量的石蠟石油醚溶液，石油醚揮發之後，石蠟被覆於粉體表面以做為成形結合劑。使用模具鋼製作成形模具，小圓試片之直徑為11.3mm，截面積為1cm2；有助於準確地控制施加的成形壓力。此試片用於量測燒結前後的密度、尺寸與體積變化率與硬度值，並作金相研磨與觀察。抗拉試片成形模具係根據美國粉末冶金協會(MPIF)所訂的M2規格製作而成，用以量測燒結合金的抗拉強度與伸長率。粉末壓胚體於燒結之前，先於低溫燒結爐中以400oC加熱，並通入氮氣將充作成形黏結劑的石蠟加熱、熔化並驅逐乾淨。脫蠟之後的壓粉體於爐內繼續升溫至900oC，通入氫氣作30分鐘之預燒結，使其具有適當的強度以承受接續的拿取、放入高溫燒結爐的作業；尤其是長條狀、細長而重的拉伸試片脫蠟後十分脆弱，。預燒結完成之試件放入高溫燒結爐的氧化鋁爐心管內，通以氫氣進行燒結。鎢鎳銅件之燒結溫度為1400oC，鎢鎳鐵件之燒結溫度則為1450oC；燒結時間一般為30分鐘，部份試件的燒結時間則長達60分、120分至300分鐘，以測試燒結時間之長短對合金機械性質的影響。根據美國粉末冶金協會M2規格所成形的平片式抗拉試件，於燒結後，尺寸與體積呈現大幅的縮小。使用萬能試驗機進行拉伸試驗，以計算燒結合金的抗拉強度與伸長率；每個成份的數據為五根試件於測試之後的平均值。量取小圓形試件於燒結前後的直徑與厚度，計算其徑向、軸向與體積收縮率及密度值；此外，亦進行硬度值之測試。每枚測試八點硬度，捨棄最大與最小數據，以其餘六點之平均值訂定硬度值。小圓形試件經過研磨、拋光與腐蝕之後，使用光學顯微鏡觀察燒結合金內部鎢固相粒子之分佈狀態與粒度變化的情形。三、實驗結果與討論1、液相成份對抗拉強度與伸長率的影響首先探討的是鎳、銅和鎳、鐵液相成份的變化對重合金抗拉強度與延展性的影響；因為，重合金除了需要良好的強度之外，尚需要適度的延性以便於接受切削加工；並避免於軍事用途的功能尚未發揮之前，產生脆裂的不良現象。研製重合金的鎢含量為90%，燒結時，熔化為液相以黏合鎢粉粒子的鎳銅比例為常用的6:4，鎳鐵比例則為7:3、6:4、5:5、4:6和3:7五種。表二之數據顯示這些比例值對重合金的密度、硬度、抗拉強度和伸長率的影響。由表二可看到鎳銅結合相由於熔點(燒結溫度)較低，故燒結合金的抗拉強度也較低；同時，其伸長率也偏低，延展性不佳。此外，鎳銅液相在燒結時，對鎢粉粒的潤濕性可能不太良好，液相燒結時特有的緻密化機制未能充分發揮作用；因而此系合金之密度值略遜於W-Ni-Fe系合金，至於硬度、抗拉強度和伸長率則遠低於後者。在W-Ni-Fe系燒結合金方面，各液相成份合金之密度和硬度值均無顯著的變化。抗拉強度值呈現無規則性之變化；但是，伸長率則隨鎳鐵相中鐵含量之增加而提高。鎳鐵量各佔一半(即Ni:Fe=5:5)時，伸長率達到最大值；至於鐵含量再增4多時，伸長率反而減小。表中的數據顯示在抗拉強度和伸長率兩項數值中，加以考慮和取捨，折衷而值得選用的液相成份比例應該是Ni:Fe=5:5。表二液相成份對燒結重合金物理與機械性質的影響液相成份%密度硬度抗拉強度伸長率NiFeCug/cm3HRCkg/mm2%6416.32568.89.673172680.613.1641726.582.213.255172681.815.5461726.580.813.437172681.612.72、成形壓力對壓胚密度、燒結密度、徑向、軸向與體積收縮率的影響為提高燒結重合金的密度值，本節實驗採取之鎢含量為97%，鎳鐵含量各為1.5%。97%之鎢含量為重合金的最大容許值；因為，鎳鐵液相的含量若是低於體積百分比的5%，在燒結時，液相物質將難以均勻且完全地分佈於鎢粉顆粒之間以形成液相薄層。燒結體內的孔洞將無法借助於液相物質而排除至體外，不充足的液相量亦不易發揮固相粉粒重新排列和溶解與析出等緻密化機制，燒結重合金很難獲得高密度值。圖1為成形壓力對鎢鎳鐵壓粉體之壓胚密度與燒結密度(1450oC,30min.)的影響。壓胚密度隨成形壓力之提高而顯著地增加；但是，燒結密度受成形壓力之影響並不顯著。成形壓力由0.8t/cm2增加為1.6t/cm2時，燒結密度僅小幅地增大。當成形壓力達到3.2t/cm2以上時，密度增加量即頗為微小而達穩定狀態。一般固相燒結材料的燒結密度與強度係隨成形密度(壓力)之增加而提高，因為成形壓力愈大，粉粒體之塑性變形量與因之而形成的接觸面積也愈大。燒結時，依原子擴散作用而在接觸區域所形成的頸部面積也愈迅速增大；燒結件的密度與機械性質因而得以大幅地增進。因此，在生產燒結機械零件的粉末成形過程中，於壓機出力與模具磨損之容許範圍內，可以儘量提高成形壓力；俾以提高燒結密度，獲得較佳的機械性質與尺寸精度。高密度壓粉件於燒結時的尺寸變化量較小。液相燒結材料的狀況則頗為不同；在液相含量充足的情況下，燒結初期的緻密化機構為固相粉粒重新排列。成形密度較低的壓粉件，其固相粉粒的堆置較為鬆散。燒結時所形成的液相物質能夠輕易地挪動這些固相粉粒，使其重新排列以作更為緊密的堆置以降低整個系統的自由能。系統的初期密度較容易因此項機制的產生作用而提高；然而，成形密度若是太低、壓粉體內部的孔洞太多或者過大，則將不利於被液相傳送和排除至體外。50123456781012141618densityg/cm3compactingpressureton/cm2compactedsintered圖1粉末壓胚體之成形密度與燒結密度隨成形壓力變化的圖形0.00.81.62.43.24.04.85.66.48101214161820compactingpressureton/cm2linearshrinkage%volumeaxialradial30405060volumeshrinkage%圖2燒結合金之徑向、軸向與體積收縮率隨成形壓力變化的圖形圖2為鎢鎳鐵壓粉體於1450oC燒結30分鐘後之徑向、軸向與體積收縮率隨成形壓力變化的情形。圖中可看到直徑方向的收縮率大於軸向值，呈現不等向的收縮狀況。此種狀況之產生可能跟試片短圓柱形內部的密度分佈均勻度有關；因為試片的厚度僅有6mm，所以軸向(加壓方向)的密度較高和較均勻，因而收縮量較小。橫向(直徑方向)方面可能在成形時受到粉末移動、而與模具內模面產生之摩檫作用的影響，引生由中心至邊緣的密度梯度，因而於燒結後產生較大的收縮量。體積收縮率隨成形壓力的增加而大幅度地減小，其跟燒結密度間並無明顯的關係存在；但與成形密度則有對應關係。數值達到35%～50%之體積收縮率為液6相燒結系統的特點之一，也是燒結件獲得近於理論密度值必然產生的現象。如此高的體積收縮率將使得燒結成品不易於維持其形狀與尺寸精度於預定的公差範圍內，只能依靠後切削加工修正之。圖1與圖2顯示成形密度愈高，燒結後之體積收縮率愈小。後者隨成形壓力的增加而減少的數值遠大於前者。以0.8t/cm2之壓力成形的試件，其成形密度僅達理論密度值的50%以下，燒結之後卻能產生50%以上的體積收縮率。由此可看到液相物在燒結初期所產生的緻密化機制～固相粉粒重新排列發揮很大的作用和效果，並未因試件內部具有過多的孔洞數量而受到影響和減損。在液相物含量不多的系統，如本節實驗中試件裡面