粉末冶金材料論文
粉末冶金材料在現代工業中的應用越來越廣，在取代鍛鋼件的高密度和高精度的複雜零件的應用中，隨著粉末冶金技術的不斷進步也取得了快速發展。下文是小編為大家整理的關於的範文，歡迎大家閱讀參考!
篇1
淺析錳在粉末冶金材料中的應用
摘要：錳是重要的工業原料，在粉末冶金材料中有廣泛應用。該文概述錳在燒結鋼、阻尼合金、鋁合金、鈦鋁合金、鎢基重合金、硬質合金等材料中的應用情況。可以預期，在提高粉末冶金材料效能與開發粉末冶金新材料的領域中，錳將具有廣闊的應用前景
關鍵詞 ：錳粉末冶金應用前景
引言： 元素錳早在1774年就被發現，但是，在鋼鐵工業中的重要作用直到1856年發明底吹酸性轉爐，以及1864年發明平爐鍊鋼法之後，才為人們所認識。現在，錳作為有效而廉價的合金化元素，已成為鋼鐵工業中不可缺少的重要原料。約90%錳消耗於鋼鐵工業，用量僅次於鐵，其餘10%消耗於有色金屬冶金、化工、電子、電池、農業等部門[4，5]。
錳及其化合物是生產粉末冶金材料的常用原料。於1950年便已經被人們認識到錳在粉末冶金材料中的重要性。此後，錳在粉末冶金工業中的應用逐漸擴大。通過開發母合金技術和預合金技術，開發了含錳系列的高強度燒結鋼。並且，在其它粉末冶金材料中作為主要組元或新增組元，發揮了重要作用。本文就錳在粉末冶金材料中的應用情況進行綜述。
一 錳在高強度燒結鋼中的作用
將錳和矽作為合金元素同時新增的低合金燒結鋼，表現出良好的強化效果和燒結尺寸穩定性，價格便宜，具有很強的競爭優勢[7，8]。據相關報道，1250℃保溫60 min燒結的Fe-3.2%Mn-1.4%Si-0.4% C合金，拉伸強度達800~1000 MPa。燒結鐵和燒結鋼主要用於製造機械零件，在選擇合金元素時，必須注意到其對尺寸穩定性的影響。在一般情況下，加入矽會引起壓坯在燒結時收縮，而加入錳則會引起壓坯膨脹。同時加入錳和矽，能夠較好控制燒結體的外觀形狀和尺寸[9]。在測定的5種成分試樣的尺寸變化ΔL/L0中，發現Fe-2.0%Si-2.0%Mn和Fe-2.0%Si-4.0%Mn基本與純鐵相同，尺寸變化為 1.2%~1.4%;而Fe-4.0%Mn較高，約為1.7%;Fe-2.0%Si較低，約為0.7%[10]。其中列舉了幾種含鎳、鉬、銅、錳、矽燒結鋼的力學效能，如表1。可以看出，同時新增錳和矽合金元素的燒結鋼具有很高的效能。
同時，燒結時錳昇華並形成蒸氣。圖1給出了Fe-45%Mn-20%Si合金在600~1200℃條件下的錳蒸氣壓。在新增的錳足夠多的情況下，錳蒸氣填充到壓坯空隙中有效防止其它元素髮生氧化[12，13]，並在鐵顆粒表面沉積，通過表面擴散、體積擴散等均勻滲入鐵顆粒，甚至顆粒中心，加快合金化速率[14]。在對Fe-2.0%Si-4.0%Mn試樣進行觀察，發現有瞬時液相形成。液相促使合金元素快速擴散，並可能克服母合金顆粒表面氧化物層的抑制作用，使合金元素達到高度均勻化[10]。
二 改善鐵基燒結材料的切削加工效能
燒結鋼中新增硫化錳***MnS***後能有效減小切削力，改善其切削加工效能[22~26]。在鐵基材料中，硫化錳是一種脆性的而又有潤滑作用的金屬夾雜物，其強度遠低於鐵基體。硫化錳在材料中的作用相當於孔隙，它破壞鐵基體的連續性，降低強度，從而使切削力減小。韓蘊秋等研究發現[27]，燒結鋼中含有錳、硫元素之後切削效能得到有效的提高，錳和硫含量分別為0.318%和0.21%的600MS牌號鐵粉，燒結制得樣品的平均切削力僅為295MPa，遠遠低於錳、硫含量較低的牌號SC-100.26的688 MPa。尹平玉等的實驗結果表明[28]，往Fe-2%Cu-0.5%Mo-0.6%C燒結體系中新增硫化錳粉末後，材料的切削效能大大改善。而且，新增劑對材料的燒結溫度、硬度以及尺寸精度均無明顯影響。
經過實驗表明，304L奧氏體不鏽鋼中新增硫化錳後鋼粉的成形性和燒結效能發生明顯變化。硫化錳粉的加入降低了壓坯密度，在硫化錳含量低於0.6%時，壓坯收縮比和燒結坯密度隨新增劑含量升高而降低;而高於0.6%之後卻上升。新增硫化錳粉之後，燒結鋼的耐腐蝕性變差，經10%濃度的FeCl3腐蝕液浸泡之後，樣品質量損失隨硫化錳新增量的增加而增加[29]。硫化錳對粉末冶金燒結鋼的疲勞斷裂有重要影響，裂紋萌生於樣品表面或表面下層的空洞，並以多種模式擴充套件，但是新增硫化錳並沒有改變燒結鋼的疲勞機理[30,31]。同時，還發現燒結鋼的抗撓強度、斷裂韌性等效能不僅受硫化錳新增量的影響，而且與新增劑顆粒大小也有明顯關係。硫化錳相主要分佈於基體顆粒之間或孔隙當中，而顆粒內部卻很少，因而硫化錳晶粒尺寸對上述效能具有直接的影響[32]。
三 燒結鋼表面滲錳
燒結鋼常需防磨損保護而進行熱處理，包括：表面淬火、碳氮共滲、軟氮化、滲硼等。採用這些方法可以獲得硬化表面，但或多或少使零件尺寸變大。不宜對硬化零件作精整處理，只能以磨加工進行尺寸修正。滲錳處理可用於製造燒結耐磨零件，並能夠保證零件的尺寸精度不變，避免上述缺點。使得錳的表面合金化可以在燒結過程中進行，從而免除附加的工序如滲碳、硬化和磨削。滲錳生成奧氏體錳鋼表面硬化層，其效能類似於高錳鋼。
表面經錳擴散處理的零件，其特性對在磨損和高溫工況應用具有特殊的價值。Pohl測定了表面滲錳試樣的硬度和強度***試樣經450℃回火1h***。據作者的結果，在450℃測試溫度下，表面滲錳零件的硬度高於碳氮共滲零件，兩者分別約為400HV0.05和350HV0.05;而且，相對於室溫下的硬度值，表面滲錳零件下降不多，仍有室溫的80%，但碳氮共滲零件僅有50%。表面滲錳零件疲勞強度高於碳氮共滲零件，且隨回火溫度上升而線性增加，於450℃的值比室溫時高8%。
四錳基阻尼材料
據1976年的相關報道，通過粉末冶金方法已開發成功Mn-Cu阻尼合金。燒結在露點較低的氫氣中進行，最終燒結溫度取決於錳含量，含55%Mn的合金約900℃，含75%Mn的合金升高到1075℃。當錳粉粒度由-100目減小到-325目時，燒結密度和拉伸強度略有增加。60Mn-40Cu合金在真空中燒結，如果燒結溫度不低於氫中燒結，則錳將顯著揮發。壓坯在加熱過程中先有百分之幾的膨脹，當溫度接近最終燒結溫度時才發生收縮。表3列出了60%～75%Mn合金***含1%粘結劑***的拉伸強度和硬度資料。試樣在氫氣中加熱，於760℃保溫0.5h，860℃保溫1h，最終燒結溫度保溫1h，可獲得最大拉伸強度。孔隙和其他組織特性降低力學效能，但增加相對阻尼效能。材料燒結後便可獲得良好的阻尼效能，從簡化工藝和降低成本的角度出發，這一點是可取的。
以錳為基體的阻尼材料包括Mn-Cu、Mn-Fe及Mn-Ni合金等[33]。在Mn-Cu系的燒結過程中，表現為錳進入銅的單向擴散機制,生成單相固溶體[34]。Mn-Cu合金是良好的阻尼材料，在對Mn-Cu***70%Mn***合金回火過程中的衰減能力進行了研究[35]，發現：在回火過程中，經過預先淬火的燒結樣品內的γ固溶體具有與普通鑄造合金極為相似的衰減方式;但不同的是，即使回火溫度達到460℃，燒結合金的衰減強度也相對較低。
他們認為，造成這一現象的原因與合金優異的化學均勻性有關。增加合金中銅含量，密度、硬度、聲波傳播速率以及泊松比等均隨之提高，但楊氏模量與體彈性模量之比***E/K***卻減小。E/K在2.0~2.4範圍時，高錳含量對應的高E/K值的合金具有更優異的阻尼性質。燒結Mn-Cu合金含有α-Mn和γ-MnCu相，其阻尼常數在10-1量級，並且對溫度和頻率不敏感。當Mn-Cu合金1123K淬火後，僅由γ-MnCu單相構成。單相合金的對數衰減率與溫度關係曲線上存在兩個峰，分別位於223K和460K位置，該雙峰強度均高於鑄造生產的M2052合金。作者認為，位於223K的主峰是由微觀結構中的孿晶介面引起，而另一個峰則源於面心正交結構***fct***的γ-MnCu向面心立方結構***fcc***的轉變。此外，含銅、鎳組元的錳合金有很高的熱膨脹係數，在多種領域有應用前景，如用作熱響應控制器件中的雙金屬片。
五錳在鋁合金中的應用
錳元素添加於鋁合金中通常是經熔鍊-破碎後按照粉末冶金工藝完成。在熔鍊冷卻時，採用高的冷卻速率，以避免粗大的Al6Mn相的形成，為此，在嘗試了以MnAl薄餅或錳粉注射兩種方式新增到鋁合金基體中[38]。結果表明，前一方式依靠組元之間反應釋放的熱量，使錳的固溶過程不需要額外的裝置就可以維持，整個過程所需溫度較低;而且，材料效能對錳顆粒尺寸依賴程度小。而採用後一種方式時，由於通過高速氣流載入錳金屬粉末，需要補加裝置。此外，採用該方法工藝週期長，操作溫度也明顯高於第一種方式。同時，發現錳粉粒度不論在大於還是小於最佳尺寸時，均不利於材料效能。
Al-Mn合金是常見的鋁合金，它由α固溶體和Al6Mn金屬間化合物兩相組成[39]。金屬間化合物對合金的力學效能影響很大，隨化合物含量的增加，合金屈服應力和抗疲勞強度明顯上升，而延伸率卻降低***尤其在較低溫度的工作環境中***[40]。在Al-Mn合金中新增少量鉻之後合金效能改變明顯，在等研究了Al-***6~8***%Mn-***1~3***%Cr合金的力學效能與成分之間的關係後。
結果表明在Mn+Cr含量高於8.8%之後，合金強化程度因沉澱而明顯上升。Al-7Mn-3Cr合金具有最佳的強化效果，拉伸強度達到480MPa，同時延伸率為7%。在鉻新增量較低時，合金中沉澱出Al6Mn第二相;當鉻新增量較高時，形成Al7Cr相，對熱擠壓的合金樣品進行熱處理後，體系中生成G相，即***Mn,Cr***Al12相。第二相的形成對影響合金微觀組織和力學效能均表現出顯著影響。在Al-Mn合金中加入矽元素也取得了較好的效果，Hawk等採用快速凝固技術製備了Al-12.6Mn-4.8Si合金[42]。經350℃退火處理100h後樣品的微觀組織非常穩定，強度和延伸率沒有下降現象，在室溫至380℃區間，拉伸強度從465MPa降到115MPa，延伸率從 6%上升至12%;當溫度上升至425℃後，延伸率進而增加到30%。
同時，合金的強度、塑性取決於應變速率，高的應變速率下強度和塑性均有所提高。蠕變測試結果表明，在測試溫度範圍內，合金的蠕變啟用能在100～230 kJ/mol之間，應力指數介於3～5間。粉末冶金工藝製備的高強度AlMnCe合金比傳統合金具有更高的耐磨損效能[43]。Al90Mn8Ce2合金在753～793K、1.2GPa條件下等靜壓制成形後，具有最佳的壓縮強度和硬度，分別達到900MPa和26HRC，強度的提高歸因於合金細小的晶粒和第二相強化[44];研究發現Al90Mn8Ce2合金具有優異的耐磨損效能，如在773K條件下，該合金的耐磨損能力是普通A355鋁合金的3倍。還發現材料中的Al6Mn、Al4Ce以及Al2O3等第二相硬質顆粒，對合金耐磨損效能提高有利。
六 結束語
錳作為粉末冶金材料的主要成分或新增劑，對改善材料效能和開發新材料起到重要的作用;而且，錳的資源豐富，價格低廉。研究和開發錳的應用，無論在科學理論上還是在生產實踐上，均具有重要的意義。隨著市場需求的擴大和材料科學技術的發展，錳的應用前景必將更加廣闊。
但是，錳的擴大應用遇到了來自自身的障礙，那就是錳容易氧化，而氧化物又難於還原。在粉末冶金生產過程中，錳的氧化一直是十分棘手的問題。隨著制粉技術和燒結技術的發展，防止錳氧化的問題有所緩解，但仍未徹底解決。在提倡擴大應用錳的同時，還應加強這方面的研究，尋找合理的措施。
參考文獻:
[1]楊志忠. 中國錳系鐵合金的現狀與發展趨勢[J]. 中國錳業，2005,23***4***:1-6.
[2]江權. 錳的存在及應用[J]. 中國錳業，2001，19***3***:36-38.
[3]陳剛，陳鼎. 錳在有色金屬中的應用[J]. 中國錳業，2003,21***1***:34-37.
[4]譚柱中，梅光貴，李維健，曾克新，樑汝騰，曾湘波. 錳冶金學[M]. 長沙：中南大學出版社，2004.
篇2
淺析粉末冶金材料的熱處理工藝
【摘 要】粉末冶金材料在現代工業中的應用越來越廣，在取代鍛鋼件的高密度和高精度的複雜零件的應用中，隨著粉末冶金技術的不斷進步也取得了快速發展。但是由於後續處理工藝的差異，其物理效能和力學效能還存在著一些缺陷，本文就針對粉末冶金材料的熱處理工藝進行簡要闡述分析，並分析其影響因素，提出改善工藝的策略。
【關鍵詞】粉末冶金材料 熱處理 密度 強度 淬透性 碳氮共滲
一. 前言
粉末冶金材料在現代工業中的應用越來越廣泛，特別是汽車工業、生活用品、機械裝置等的應用中，粉末冶金材料已經佔有很大的比重。它們在取代低密度、低硬度和強度的鑄鐵材料方面已經具有明顯優勢，在高硬度、高精度和強度的精密複雜零件的應用中也在逐漸推廣，這要歸功於粉末冶金技術的快速發展。全緻密鋼的熱處理工藝已經取得了成功，但是粉末冶金材料的熱處理，由於粉末冶金材料的物理效能差異和熱處理工藝的差異，還存在著一些缺陷。各鑄造冶煉企業在粉末冶金材料的技術研究中，熱鍛、粉末注射成型、熱等靜壓、液相燒結、組合燒結等熱處理和後續處理工藝，在粉末冶金材料的物理效能與力學效能缺陷的改善中，取得了一定效果，提高了粉末冶金材料的強度和耐磨性，將大大擴充套件粉末冶金的應用範圍。
二. 粉末冶金材料的熱處理工藝
粉末冶金材料的熱處理要根據其化學成分和晶粒度確定，其中的孔隙存在是一個重要因素，粉末冶金材料在壓制和燒結過程中，形成的孔隙貫穿整個零件中，孔隙的存在影響熱處理的方式和效果。粉末冶金材料的熱處理有淬火、化學熱處理、蒸汽處理和特殊熱處理幾種形式：
1.淬火熱處理工藝
粉末冶金材料由於孔隙的存在，在傳熱速度方面要低於緻密材料，因此在淬火時，淬透性相對較差。另外淬火時，粉末材料的燒結密度和材料的導熱性是成正比關係的;粉末冶金材料因為燒結工藝與緻密材料的差異，內部組織均勻性要優於緻密材料，但存在較小的微觀區域的不均勻性，所以，完全奧氏體化時間比相應鍛件長50%，在新增合金元素時，完全奧氏體化溫度會更高、時間會更長。比如，以不同化合碳含量的燒結碳鋼為例，淬火溫度如表1所示，
在粉末冶金材料的熱處理中，為了提高淬透性，通常加入一些合金元素如：鎳、鉬、錳、鉻、釩等，它們的作用跟在緻密材料中的作用機理相同，可明顯細化晶粒，當其溶於奧氏體後會增加過冷奧氏體的穩定性，保證淬火時的奧氏體轉變，使淬火後材料的表面硬度增加，淬硬深度也增加。另外，粉末冶金材料淬火後都要進行回火處理，回火處理的溫度控制對粉末冶金材料的的效能影響較大，因此要根據不同材料的特性確定回火溫度，降低迴火脆性的影響，一般的材料可在175-250℃下空氣或油中回火0.5-1.0h。
2.化學熱處理工藝
化學熱處理一般都包括分解、吸收、擴散三個基本過程，比如，滲碳熱處理的反應如下：
2CO≒[C]+CO2 ***放熱反應***
CH4≒[C]+2H2 ***吸熱反應***
碳分解出後被金屬表面吸收並逐漸向內部擴散，在材料的表面獲得足夠的碳濃度後再進行淬火和回火處理，會提高粉末冶金材料的表面硬度和淬硬深度。由於粉末冶金材料的孔隙存在，使得活性炭原子從表面滲入內部，完成化學熱處理的過程。但是，材料密度越高，孔隙效應就越弱，化學熱處理的效果就越不明顯，因此，要採用碳勢較高的還原性氣氛保護。根據粉末冶金材料的孔隙特點，其加熱和冷卻速度要低於緻密材料，所以加熱時要延長保溫時間，提高加熱溫度。
粉末冶金材料的化學熱處理包括滲碳、滲氮、滲硫和多元共滲等幾種形式，在化學熱處理中，淬硬深度主要與材料的密度有關。因此，可以在熱處理工藝上採取相應措施，比如：滲碳時，在材料密度大於7g/cm3時適當延長時間。通過化學熱處理可提高材料的耐磨性，粉末冶金材料的不均勻奧氏體滲碳工藝，使處理後的材料滲層表面的含碳量可達2%以上，碳化物均勻分佈於滲層表面，能夠很好地提高硬度和耐磨效能。
3.蒸汽處理
蒸汽處理是把材料通過加熱蒸汽使其表面氧化，在材料表層形成氧化膜，從而改善粉末冶金材料的效能。特別是對於粉末冶金材料的表面的防腐，其有效期比發藍處理效果明顯，處理後的材料硬度和耐磨性明顯增加。
4.特殊熱處理工藝
特殊熱處理工藝是近些年來科技發展的產物，包括感應加熱淬火、激光表面硬化等。感應加熱淬火是在高頻電磁感應渦流的影響下，加熱溫度提升快，對於表面硬度的增加有顯著效果，但是容易出現軟點，一般可以採取間斷加熱法延長奧氏體化時間;激光表面硬化工藝是以鐳射為熱源使金屬表面快速升溫和冷卻，使奧氏體晶粒內部的亞結構來不及回覆再結晶而獲得超細結構。
三. 粉末冶金材料熱處理的影響因素分析
粉末冶金材料在燒結過程中生成的孔隙是其固有特點，也給熱處理帶來了很大影響，特別是孔隙率的變化與熱處理的關係，為了改善緻密性和晶粒度，加入的合金元素也對熱處理有一定影響：
1.孔隙對熱處理過程的影響
粉末冶金材料在熱處理時，通過快速冷卻抑制奧氏體擴散轉變成其他組織，從而獲得馬氏體，而孔隙的存在對材料的散熱性影響較大。通過導熱率公式：
導熱率=金屬理論導熱率×***1-2×孔隙率***/100
可以看出，淬透性隨著孔隙率的增加而下降。另一方面，孔隙還影響材料的密度，對材料熱處理後表面硬度和淬硬深度的效果又因密度影響而有關聯，降低了材料表面硬度。而且，因為孔隙的存在，淬火時不能用鹽水作為介質，以免因鹽分殘留造成腐蝕，所以，一般熱處理是在真空或氣體介質中進行的。
2.孔隙率對熱處理時表面淬硬深度的影響
粉末冶金材料的熱處理效果與材料的密度、滲***淬***透性、導熱性和電阻性有關，孔隙率是造成這些因素的最大原因，孔隙率超過8%時，氣體就會通過空隙迅速滲透，在進行滲碳硬化時，增加滲碳深度，表面硬化的效果就會降低。而且，如果滲碳氣體滲入速度過快，在淬火中會產生軟點，降低表面硬度，使材料脆變和變形。
3.合金含量和型別對粉末冶金熱處理的影響
合金元素中常見的是銅和鎳，它們的含量與型別都會對熱處理效果產生影響。熱處理硬化深度隨銅含量、碳含量的增加而逐漸增高達到一定含量時又逐漸降低;鎳合金的剛度要大於銅合金，但是鎳含量的不均勻性會導致奧氏體組織不均勻;
4.高溫燒結的影響
高溫燒結雖然可以獲得最佳的合金化效果和促進緻密化，但是，燒結溫度的不同，特別是溫度較低時，會導致熱處理的敏感性下降***固溶體中的合金減少***和機械效能下降。因此，採用高溫燒結，輔助以充分的還原氣氛，可以獲得較好的熱處理效果。
四、結語
粉末冶金材料的熱處理工藝是一個複雜的過程，它與孔隙率、合金型別、合金元素含量、燒結溫度有關係，同致密材料相比，內部的均勻性較差，要想獲得較高的淬透性，要提高完全奧氏體化溫度並延長時間，不均勻奧氏體滲碳可得到不受奧氏體飽和碳濃度限制的高碳濃度。另外，加入合金元素也可提高淬透性。蒸汽處理可顯著提高其防腐效能和表面硬度。
參考文獻：
[1]曹放，粉末冶金材料的熱處理工藝試驗，粉末冶金技術，1993，11
[2]劉傳習，周作平，解子章等，粉末冶金工藝學，科學普及出版社，1987，27
[3]董盼，合金化對粉末冶金鐵基合金的組織結構與效能的影響，合肥工業大學材料學院2001屆碩士論文