粉末冶金材料论文

粉末冶金材料论文

　　粉末冶金材料在现代工业中的应用越来越广，在取代锻钢件的高密度和高精度的复杂零件的应用中，随着粉末冶金技术的不断进步也取得了快速发展。下文是学习啦小编为大家整理的关于粉末冶金材料论文的范文，欢迎大家阅读参考!

　　粉末冶金材料论文篇1

　　浅析锰在粉末冶金材料中的应用

　　摘要：锰是重要的工业原料，在粉末冶金材料中有广泛应用。该文概述锰在烧结钢、阻尼合金、铝合金、钛铝合金、钨基重合金、硬质合金等材料中的应用情况。可以预期，在提高粉末冶金材料性能与开发粉末冶金新材料的领域中，锰将具有广阔的应用前景

　　关键词 ：锰粉末冶金应用前景

　　引言： 元素锰早在1774年就被发现，但是，在钢铁工业中的重要作用直到1856年发明底吹酸性转炉，以及1864年发明平炉炼钢法之后，才为人们所认识。现在，锰作为有效而廉价的合金化元素，已成为钢铁工业中不可缺少的重要原料。约90%锰消耗于钢铁工业，用量仅次于铁，其余10%消耗于有色金属冶金、化工、电子、电池、农业等部门[4，5]。

　　锰及其化合物是生产粉末冶金材料的常用原料。于1950年便已经被人们认识到锰在粉末冶金材料中的重要性。此后，锰在粉末冶金工业中的应用逐渐扩大。通过开发母合金技术和预合金技术，开发了含锰系列的高强度烧结钢。并且，在其它粉末冶金材料中作为主要组元或添加组元，发挥了重要作用。本文就锰在粉末冶金材料中的应用情况进行综述。

　　一 锰在高强度烧结钢中的作用

　　将锰和硅作为合金元素同时添加的低合金烧结钢，表现出良好的强化效果和烧结尺寸稳定性，价格便宜，具有很强的竞争优势[7，8]。据相关报道，1250℃保温60 min烧结的Fe-3.2%Mn-1.4%Si-0.4% C合金，拉伸强度达800~1000 MPa。烧结铁和烧结钢主要用于制造机械零件，在选择合金元素时，必须注意到其对尺寸稳定性的影响。在一般情况下，加入硅会引起压坯在烧结时收缩，而加入锰则会引起压坯膨胀。同时加入锰和硅，能够较好控制烧结体的外观形状和尺寸[9]。在测定的5种成分试样的尺寸变化ΔL/L0中，发现Fe-2.0%Si-2.0%Mn和Fe-2.0%Si-4.0%Mn基本与纯铁相同，尺寸变化为 1.2%~1.4%;而Fe-4.0%Mn较高，约为1.7%;Fe-2.0%Si较低，约为0.7%[10]。其中列举了几种含镍、钼、铜、锰、硅烧结钢的力学性能，如表1。可以看出，同时添加锰和硅合金元素的烧结钢具有很高的性能。

　　同时，烧结时锰升华并形成蒸气。图1给出了Fe-45%Mn-20%Si合金在600~1200℃条件下的锰蒸气压。在添加的锰足够多的情况下，锰蒸气填充到压坯空隙中有效防止其它元素发生氧化[12，13]，并在铁颗粒表面沉积，通过表面扩散、体积扩散等均匀渗入铁颗粒，甚至颗粒中心，加快合金化速率[14]。在对Fe-2.0%Si-4.0%Mn试样进行观察，发现有瞬时液相形成。液相促使合金元素快速扩散，并可能克服母合金颗粒表面氧化物层的抑制作用，使合金元素达到高度均匀化[10]。

　　二 改善铁基烧结材料的切削加工性能

　　烧结钢中添加硫化锰(MnS)后能有效减小切削力，改善其切削加工性能[22~26]。在铁基材料中，硫化锰是一种脆性的而又有润滑作用的金属夹杂物，其强度远低于铁基体。硫化锰在材料中的作用相当于孔隙，它破坏铁基体的连续性，降低强度，从而使切削力减小。韩蕴秋等研究发现[27]，烧结钢中含有锰、硫元素之后切削性能得到有效的提高，锰和硫含量分别为0.318%和0.21%的600MS牌号铁粉，烧结制得样品的平均切削力仅为295MPa，远远低于锰、硫含量较低的牌号SC-100.26的688 MPa。尹平玉等的实验结果表明[28]，往Fe-2%Cu-0.5%Mo-0.6%C烧结体系中添加硫化锰粉末后，材料的切削性能大大改善。而且，添加剂对材料的烧结温度、硬度以及尺寸精度均无明显影响。

　　经过实验表明，304L奥氏体不锈钢中添加硫化锰后钢粉的成形性和烧结性能发生明显变化。硫化锰粉的加入降低了压坯密度，在硫化锰含量低于0.6%时，压坯收缩比和烧结坯密度随添加剂含量升高而降低;而高于0.6%之后却上升。添加硫化锰粉之后，烧结钢的耐腐蚀性变差，经10%浓度的FeCl3腐蚀液浸泡之后，样品质量损失随硫化锰添加量的增加而增加[29]。硫化锰对粉末冶金烧结钢的疲劳断裂有重要影响，裂纹萌生于样品表面或表面下层的空洞，并以多种模式扩展，但是添加硫化锰并没有改变烧结钢的疲劳机理[30,31]。同时，还发现烧结钢的抗挠强度、断裂韧性等性能不仅受硫化锰添加量的影响，而且与添加剂颗粒大小也有明显关系。硫化锰相主要分布于基体颗粒之间或孔隙当中，而颗粒内部却很少，因而硫化锰晶粒尺寸对上述性能具有直接的影响[32]。

　　三 烧结钢表面渗锰

　　烧结钢常需防磨损保护而进行热处理，包括：表面淬火、碳氮共渗、软氮化、渗硼等。采用这些方法可以获得硬化表面，但或多或少使零件尺寸变大。不宜对硬化零件作精整处理，只能以磨加工进行尺寸修正。渗锰处理可用于制造烧结耐磨零件，并能够保证零件的尺寸精度不变，避免上述缺点。使得锰的表面合金化可以在烧结过程中进行，从而免除附加的工序如渗碳、硬化和磨削。渗锰生成奥氏体锰钢表面硬化层，其性能类似于高锰钢。

　　表面经锰扩散处理的零件，其特性对在磨损和高温工况应用具有特殊的价值。Pohl测定了表面渗锰试样的硬度和强度(试样经450℃回火1h)。据作者的结果，在450℃测试温度下，表面渗锰零件的硬度高于碳氮共渗零件，两者分别约为400HV0.05和350HV0.05;而且，相对于室温下的硬度值，表面渗锰零件下降不多，仍有室温的80%，但碳氮共渗零件仅有50%。表面渗锰零件疲劳强度高于碳氮共渗零件，且随回火温度上升而线性增加，于450℃的值比室温时高8%。

　　四锰基阻尼材料

　　据1976年的相关报道，通过粉末冶金方法已开发成功Mn-Cu阻尼合金。烧结在露点较低的氢气中进行，最终烧结温度取决于锰含量，含55%Mn的合金约900℃，含75%Mn的合金升高到1075℃。当锰粉粒度由-100目减小到-325目时，烧结密度和拉伸强度略有增加。60Mn-40Cu合金在真空中烧结，如果烧结温度不低于氢中烧结，则锰将显著挥发。压坯在加热过程中先有百分之几的膨胀，当温度接近最终烧结温度时才发生收缩。表3列出了60%～75%Mn合金(含1%粘结剂)的拉伸强度和硬度数据。试样在氢气中加热，于760℃保温0.5h，860℃保温1h，最终烧结温度保温1h，可获得最大拉伸强度。孔隙和其他组织特性降低力学性能，但增加相对阻尼性能。材料烧结后便可获得良好的阻尼性能，从简化工艺和降低成本的角度出发，这一点是可取的。

　　以锰为基体的阻尼材料包括Mn-Cu、Mn-Fe及Mn-Ni合金等[33]。在Mn-Cu系的烧结过程中，表现为锰进入铜的单向扩散机制,生成单相固溶体[34]。Mn-Cu合金是良好的阻尼材料，在对Mn-Cu(70%Mn)合金回火过程中的衰减能力进行了研究[35]，发现：在回火过程中，经过预先淬火的烧结样品内的γ固溶体具有与普通铸造合金极为相似的衰减方式;但不同的是，即使回火温度达到460℃，烧结合金的衰减强度也相对较低。

　　他们认为，造成这一现象的原因与合金优异的化学均匀性有关。增加合金中铜含量，密度、硬度、声波传播速率以及泊松比等均随之提高，但杨氏模量与体弹性模量之比(E/K)却减小。E/K在2.0~2.4范围时，高锰含量对应的高E/K值的合金具有更优异的阻尼性质。烧结Mn-Cu合金含有α-Mn和γ-MnCu相，其阻尼常数在10-1量级，并且对温度和频率不敏感。当Mn-Cu合金1123K淬火后，仅由γ-MnCu单相构成。单相合金的对数衰减率与温度关系曲线上存在两个峰，分别位于223K和460K位置，该双峰强度均高于铸造生产的M2052合金。作者认为，位于223K的主峰是由微观结构中的孪晶界面引起，而另一个峰则源于面心正交结构(fct)的γ-MnCu向面心立方结构(fcc)的转变。此外，含铜、镍组元的锰合金有很高的热膨胀系数，在多种领域有应用前景，如用作热响应控制器件中的双金属片。

　　五锰在铝合金中的应用

　　锰元素添加于铝合金中通常是经熔炼-破碎后按照粉末冶金工艺完成。在熔炼冷却时，采用高的冷却速率，以避免粗大的Al6Mn相的形成，为此，在尝试了以MnAl薄饼或锰粉注射两种方式添加到铝合金基体中[38]。结果表明，前一方式依靠组元之间反应释放的热量，使锰的固溶过程不需要额外的设备就可以维持，整个过程所需温度较低;而且，材料性能对锰颗粒尺寸依赖程度小。而采用后一种方式时，由于通过高速气流载入锰金属粉末，需要补加设备。此外，采用该方法工艺周期长，操作温度也明显高于第一种方式。同时，发现锰粉粒度不论在大于还是小于最佳尺寸时，均不利于材料性能。

　　Al-Mn合金是常见的铝合金，它由α固溶体和Al6Mn金属间化合物两相组成[39]。金属间化合物对合金的力学性能影响很大，随化合物含量的增加，合金屈服应力和抗疲劳强度明显上升，而延伸率却降低(尤其在较低温度的工作环境中)[40]。在Al-Mn合金中添加少量铬之后合金性能改变明显，在等研究了Al-(6~8)%Mn-(1~3)%Cr合金的力学性能与成分之间的关系后。

　　结果表明在Mn+Cr含量高于8.8%之后，合金强化程度因沉淀而明显上升。Al-7Mn-3Cr合金具有最佳的强化效果，拉伸强度达到480MPa，同时延伸率为7%。在铬添加量较低时，合金中沉淀出Al6Mn第二相;当铬添加量较高时，形成Al7Cr相，对热挤压的合金样品进行热处理后，体系中生成G相，即(Mn,Cr)Al12相。第二相的形成对影响合金微观组织和力学性能均表现出显著影响。在Al-Mn合金中加入硅元素也取得了较好的效果，Hawk等采用快速凝固技术制备了Al-12.6Mn-4.8Si合金[42]。经350℃退火处理100h后样品的微观组织非常稳定，强度和延伸率没有下降现象，在室温至380℃区间，拉伸强度从465MPa降到115MPa，延伸率从 6%上升至12%;当温度上升至425℃后，延伸率进而增加到30%。

　　同时，合金的强度、塑性取决于应变速率，高的应变速率下强度和塑性均有所提高。蠕变测试结果表明，在测试温度范围内，合金的蠕变激活能在100～230 kJ/mol之间，应力指数介于3～5间。粉末冶金工艺制备的高强度AlMnCe合金比传统合金具有更高的耐磨损性能[43]。Al90Mn8Ce2合金在753～793K、1.2GPa条件下等静压制成形后，具有最佳的压缩强度和硬度，分别达到900MPa和26HRC，强度的提高归因于合金细小的晶粒和第二相强化[44];研究发现Al90Mn8Ce2合金具有优异的耐磨损性能，如在773K条件下，该合金的耐磨损能力是普通A355铝合金的3倍。还发现材料中的Al6Mn、Al4Ce以及Al2O3等第二相硬质颗粒，对合金耐磨损性能提高有利。

　　六 结束语

　　锰作为粉末冶金材料的主要成分或添加剂，对改善材料性能和开发新材料起到重要的作用;而且，锰的资源丰富，价格低廉。研究和开发锰的应用，无论在科学理论上还是在生产实践上，均具有重要的意义。随着市场需求的扩大和材料科学技术的发展，锰的应用前景必将更加广阔。

　　但是，锰的扩大应用遇到了来自自身的障碍，那就是锰容易氧化，而氧化物又难于还原。在粉末冶金生产过程中，锰的氧化一直是十分棘手的问题。随着制粉技术和烧结技术的发展，防止锰氧化的问题有所缓解，但仍未彻底解决。在提倡扩大应用锰的同时，还应加强这方面的研究，寻找合理的措施。

　　参考文献:

　　[1]杨志忠. 中国锰系铁合金的现状与发展趋势[J]. 中国锰业，2005,23(4):1-6.

　　[2]江权. 锰的存在及应用[J]. 中国锰业，2001，19(3):36-38.

　　[3]陈刚，陈鼎. 锰在有色金属中的应用[J]. 中国锰业，2003,21(1):34-37.

　　[4]谭柱中，梅光贵，李维健，曾克新，梁汝腾，曾湘波. 锰冶金学[M]. 长沙：中南大学出版社，2004.

　　粉末冶金材料论文篇2

　　浅析粉末冶金材料的热处理工艺

　　【摘 要】粉末冶金材料在现代工业中的应用越来越广，在取代锻钢件的高密度和高精度的复杂零件的应用中，随着粉末冶金技术的不断进步也取得了快速发展。但是由于后续处理工艺的差异，其物理性能和力学性能还存在着一些缺陷，本文就针对粉末冶金材料的热处理工艺进行简要阐述分析，并分析其影响因素，提出改善工艺的策略。

　　【关键词】粉末冶金材料 热处理 密度 强度 淬透性 碳氮共渗

　　一. 前言

　　粉末冶金材料在现代工业中的应用越来越广泛，特别是汽车工业、生活用品、机械设备等的应用中，粉末冶金材料已经占有很大的比重。它们在取代低密度、低硬度和强度的铸铁材料方面已经具有明显优势，在高硬度、高精度和强度的精密复杂零件的应用中也在逐渐推广，这要归功于粉末冶金技术的快速发展。全致密钢的热处理工艺已经取得了成功，但是粉末冶金材料的热处理，由于粉末冶金材料的物理性能差异和热处理工艺的差异，还存在着一些缺陷。各铸造冶炼企业在粉末冶金材料的技术研究中，热锻、粉末注射成型、热等静压、液相烧结、组合烧结等热处理和后续处理工艺，在粉末冶金材料的物理性能与力学性能缺陷的改善中，取得了一定效果，提高了粉末冶金材料的强度和耐磨性，将大大扩展粉末冶金的应用范围。

　　二. 粉末冶金材料的热处理工艺

　　粉末冶金材料的热处理要根据其化学成分和晶粒度确定，其中的孔隙存在是一个重要因素，粉末冶金材料在压制和烧结过程中，形成的孔隙贯穿整个零件中，孔隙的存在影响热处理的方式和效果。粉末冶金材料的热处理有淬火、化学热处理、蒸汽处理和特殊热处理几种形式：

　　1.淬火热处理工艺

　　粉末冶金材料由于孔隙的存在，在传热速度方面要低于致密材料，因此在淬火时，淬透性相对较差。另外淬火时，粉末材料的烧结密度和材料的导热性是成正比关系的;粉末冶金材料因为烧结工艺与致密材料的差异，内部组织均匀性要优于致密材料，但存在较小的微观区域的不均匀性，所以，完全奥氏体化时间比相应锻件长50%，在添加合金元素时，完全奥氏体化温度会更高、时间会更长。比如，以不同化合碳含量的烧结碳钢为例，淬火温度如表1所示，

　　在粉末冶金材料的热处理中，为了提高淬透性，通常加入一些合金元素如：镍、钼、锰、铬、钒等，它们的作用跟在致密材料中的作用机理相同，可明显细化晶粒，当其溶于奥氏体后会增加过冷奥氏体的稳定性，保证淬火时的奥氏体转变，使淬火后材料的表面硬度增加，淬硬深度也增加。另外，粉末冶金材料淬火后都要进行回火处理，回火处理的温度控制对粉末冶金材料的的性能影响较大，因此要根据不同材料的特性确定回火温度，降低回火脆性的影响，一般的材料可在175-250℃下空气或油中回火0.5-1.0h。

　　2.化学热处理工艺

　　化学热处理一般都包括分解、吸收、扩散三个基本过程，比如，渗碳热处理的反应如下：

　　2CO≒[C]+CO2 (放热反应)

　　CH4≒[C]+2H2 (吸热反应)

　　碳分解出后被金属表面吸收并逐渐向内部扩散，在材料的表面获得足够的碳浓度后再进行淬火和回火处理，会提高粉末冶金材料的表面硬度和淬硬深度。由于粉末冶金材料的孔隙存在，使得活性炭原子从表面渗入内部，完成化学热处理的过程。但是，材料密度越高，孔隙效应就越弱，化学热处理的效果就越不明显，因此，要采用碳势较高的还原性气氛保护。根据粉末冶金材料的孔隙特点，其加热和冷却速度要低于致密材料，所以加热时要延长保温时间，提高加热温度。

　　粉末冶金材料的化学热处理包括渗碳、渗氮、渗硫和多元共渗等几种形式，在化学热处理中，淬硬深度主要与材料的密度有关。因此，可以在热处理工艺上采取相应措施，比如：渗碳时，在材料密度大于7g/cm3时适当延长时间。通过化学热处理可提高材料的耐磨性，粉末冶金材料的不均匀奥氏体渗碳工艺，使处理后的材料渗层表面的含碳量可达2%以上，碳化物均匀分布于渗层表面，能够很好地提高硬度和耐磨性能。

　　3.蒸汽处理

　　蒸汽处理是把材料通过加热蒸汽使其表面氧化，在材料表层形成氧化膜，从而改善粉末冶金材料的性能。特别是对于粉末冶金材料的表面的防腐，其有效期比发蓝处理效果明显，处理后的材料硬度和耐磨性明显增加。

　　4.特殊热处理工艺

　　特殊热处理工艺是近些年来科技发展的产物，包括感应加热淬火、激光表面硬化等。感应加热淬火是在高频电磁感应涡流的影响下，加热温度提升快，对于表面硬度的增加有显著效果，但是容易出现软点，一般可以采取间断加热法延长奥氏体化时间;激光表面硬化工艺是以激光为热源使金属表面快速升温和冷却，使奥氏体晶粒内部的亚结构来不及回复再结晶而获得超细结构。

　　三. 粉末冶金材料热处理的影响因素分析

　　粉末冶金材料在烧结过程中生成的孔隙是其固有特点，也给热处理带来了很大影响，特别是孔隙率的变化与热处理的关系，为了改善致密性和晶粒度，加入的合金元素也对热处理有一定影响：

　　1.孔隙对热处理过程的影响

　　粉末冶金材料在热处理时，通过快速冷却抑制奥氏体扩散转变成其他组织，从而获得马氏体，而孔隙的存在对材料的散热性影响较大。通过导热率公式：

　　导热率=金属理论导热率×(1-2×孔隙率)/100

　　可以看出，淬透性随着孔隙率的增加而下降。另一方面，孔隙还影响材料的密度，对材料热处理后表面硬度和淬硬深度的效果又因密度影响而有关联，降低了材料表面硬度。而且，因为孔隙的存在，淬火时不能用盐水作为介质，以免因盐分残留造成腐蚀，所以，一般热处理是在真空或气体介质中进行的。

　　2.孔隙率对热处理时表面淬硬深度的影响

　　粉末冶金材料的热处理效果与材料的密度、渗(淬)透性、导热性和电阻性有关，孔隙率是造成这些因素的最大原因，孔隙率超过8%时，气体就会通过空隙迅速渗透，在进行渗碳硬化时，增加渗碳深度，表面硬化的效果就会降低。而且，如果渗碳气体渗入速度过快，在淬火中会产生软点，降低表面硬度，使材料脆变和变形。

　　3.合金含量和类型对粉末冶金热处理的影响

　　合金元素中常见的是铜和镍，它们的含量与类型都会对热处理效果产生影响。热处理硬化深度随铜含量、碳含量的增加而逐渐增高达到一定含量时又逐渐降低;镍合金的刚度要大于铜合金，但是镍含量的不均匀性会导致奥氏体组织不均匀;

　　4.高温烧结的影响

　　高温烧结虽然可以获得最佳的合金化效果和促进致密化，但是，烧结温度的不同，特别是温度较低时，会导致热处理的敏感性下降(固溶体中的合金减少)和机械性能下降。因此，采用高温烧结，辅助以充分的还原气氛，可以获得较好的热处理效果。

　　四、结语

　　粉末冶金材料的热处理工艺是一个复杂的过程，它与孔隙率、合金类型、合金元素含量、烧结温度有关系，同致密材料相比，内部的均匀性较差，要想获得较高的淬透性，要提高完全奥氏体化温度并延长时间，不均匀奥氏体渗碳可得到不受奥氏体饱和碳浓度限制的高碳浓度。另外，加入合金元素也可提高淬透性。蒸汽处理可显著提高其防腐性能和表面硬度。

　　参考文献：

　　[1]曹放，粉末冶金材料的热处理工艺试验，粉末冶金技术，1993，11

　　[2]刘传习，周作平，解子章等，粉末冶金工艺学，科学普及出版社，1987，27

　　[3]董盼，合金化对粉末冶金铁基合金的组织结构与性能的影响，合肥工业大学材料学院2001届硕士论文