粉末冶金材料中錳的應(yīng)用及前景：從燒結(jié)鋼到硬質(zhì)合金
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粉末冶金材料在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，在高密度、高精度復(fù)雜零件替代鍛鋼件的應(yīng)用中，粉末冶金技術(shù)也取得了快速的進步。以下是學(xué)研網(wǎng)編輯整理的粉末冶金材料論文范文，歡迎閱讀參考！
粉末冶金材料論文1
淺析錳在粉末冶金材料中的應(yīng)用
摘要：錳是重要的工業(yè)原料，在粉末冶金材料中有著廣泛的應(yīng)用。本文綜述了錳在燒結(jié)鋼、阻尼合金、鋁合金、鈦鋁合金、鎢基高比重合金、硬質(zhì)合金等材料中的應(yīng)用。可以預(yù)見錳在提高粉末冶金材料性能、開發(fā)新型粉末冶金材料等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：錳粉末冶金 應(yīng)用前景
引言：錳元素早在1774年就被發(fā)現(xiàn)，但直到1856年底吹酸轉(zhuǎn)爐發(fā)明、1864年平爐煉鋼工藝發(fā)明后，其在鋼鐵工業(yè)中的重要作用才被人們認識到。如今，錳作為一種有效而廉價的合金元素，已成為鋼鐵工業(yè)中不可缺少的原料。錳約90%消耗在鋼鐵工業(yè)中，僅次于鐵，其余10%則消耗在有色金屬冶金、化工、電子、電池、農(nóng)業(yè)等部門[4,5]。
錳及其化合物是生產(chǎn)粉末冶金材料的常用原料，早在1950年人們就認識到了錳在粉末冶金材料中的重要性，此后錳在粉末冶金工業(yè)中的應(yīng)用逐漸擴大，通過中間合金技術(shù)和預(yù)合金技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)出了一系列含錳的高強度燒結(jié)鋼。此外，在其他粉末冶金材料中作為主要組分或添加組分，也發(fā)揮著重要作用。本文就錳在粉末冶金材料中的應(yīng)用作一綜述。
錳在高強度燒結(jié)鋼中的作用
同時添加錳和硅作為合金元素的低合金燒結(jié)鋼表現(xiàn)出良好的強化效果和燒結(jié)尺寸穩(wěn)定性，且價格低廉，具有較強的競爭優(yōu)勢[7,8]。據(jù)相關(guān)報道，F(xiàn)e-3.2%Mn-1.4%Si-0.4%C合金在1250℃×60min燒結(jié)后的抗拉強度為800~。燒結(jié)鐵和燒結(jié)鋼主要用于制造機械零件，在選擇合金元素時，必須考慮其對尺寸穩(wěn)定性的影響。一般來說，添加硅會使生坯在燒結(jié)過程中收縮，而添加錳會使生坯膨脹。同時添加錳和硅可以更好地控制燒結(jié)體的外觀、形狀和尺寸[9]。 在測量的5種成分試樣的尺寸變化量ΔL/L0中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-2.0%Si-2.0%Mn和Fe-2.0%Si-4.0%Mn與純鐵基本相同，尺寸變化量為1.2%~1.4%；而Fe-4.0%Mn較高，約為1.7%；而Fe-2.0%Si較低，約為0.7%[10]。表1列出了幾種含鎳、鉬、銅、錳、硅的燒結(jié)鋼的力學(xué)性能�？梢钥闯�，同時添加錳、硅合金元素的燒結(jié)鋼具有非常高的性能。
同時，錳在燒結(jié)過程中升華形成蒸氣，圖1為Fe-45%Mn-20%Si合金在600~1200℃時的錳蒸氣壓。當加入足夠的錳時，錳蒸氣填充壓坯中的空隙，有效阻止其他元素的氧化[12,13]，并沉積在鐵顆粒表面，通過表面擴散和體積擴散，均勻地滲透到鐵顆粒內(nèi)部甚至顆粒中心，加速合金化速度[14]。觀察Fe-2.0%Si-4.0%Mn試樣時發(fā)現(xiàn)瞬間形成了液相，液相促進合金元素的快速擴散，可能克服母合金顆粒表面氧化層的抑制作用，使得合金元素高度均勻化[10]。
2、改善鐵基燒結(jié)材料的切削性能
在燒結(jié)鋼中添加硫化錳（MnS）能有效降低切削力，提高其切削性能[22-26]。在鐵基材料中，硫化錳是一種脆性但有潤滑作用的金屬夾雜物，其強度遠低于鐵基體，硫化錳在材料中的作用相當于孔隙，它破壞了鐵基體的連續(xù)性，降低強度，從而降低了切削力。韓云秋等研究發(fā)現(xiàn)[27]，燒結(jié)鋼中含有錳、硫元素后，切削性能得到有效改善，錳、硫含量分別為0.318%和0.21%的600MS鐵粉燒結(jié)試樣平均切削力僅為，遠低于錳、硫含量更低的SC-100.26的。尹平宇等的實驗結(jié)果也證明了這一點。 [28] 研究表明，在 Fe-2%Cu-0.5%Mo-0.6%C 燒結(jié)體系中添加硫化錳粉末后，材料的切削性能得到較大改善，且添加劑對材料的燒結(jié)溫度、硬度和尺寸精度無明顯影響。
試驗表明，添加硫化錳后304L奧氏體不銹鋼的成形性能和燒結(jié)性能發(fā)生明顯改變。硫化錳粉末的加入降低了壓制生片的致密度，當硫化錳含量低于0.6%時，壓制生片的收縮率和燒結(jié)生片的致密度隨添加劑含量的增加而減��；但高于0.6%時則增加。添加硫化錳粉末后，燒結(jié)鋼的耐腐蝕性能變差，在10%FeCl3腐蝕溶液中浸泡后，隨著硫化錳加入量的增加，試樣的質(zhì)量損失增大[29]。硫化錳對粉末冶金燒結(jié)鋼的疲勞斷裂有重要影響，裂紋從試樣表面或亞表面的孔洞中萌生，并以多種模式擴展。 但硫化錳的加入并沒有改變燒結(jié)鋼的疲勞機理[30,31]。同時研究還發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)鋼的抗彎強度、斷裂韌性等性能不僅受硫化錳加入量的影響，而且與添加劑的粒度也有明顯的關(guān)系。硫化錳相主要分布在基體顆粒之間或孔隙中，在顆粒內(nèi)部的含量很少。因此，硫化錳晶粒尺寸對上述性能有直接的影響[3??2]。
燒結(jié)鋼表面錳化
燒結(jié)鋼往往需要進行熱處理以達到耐磨的目的粉末冶金材料，包括：表面淬火、碳氮共滲、軟氮化、滲硼等。這些方法可以獲得硬化表面，但零件尺寸會在一定程度上較大，不宜對硬化零件進行精加工處理，只能通過磨削來校正尺寸。錳處理可用于制造燒結(jié)耐磨零件，并可保證零件尺寸精度不變，避免上述缺點。錳的表面合金化可以在燒結(jié)過程中進行，從而無需滲碳、淬火和磨削等附加工序。錳處理產(chǎn)生奧氏體錳鋼的表面硬化層，其性能與高錳鋼相似。
經(jīng)表面錳擴散處理的零件的性能對于在磨損和高溫條件下的應(yīng)用具有特殊的價值。Pohl測量了表面滲錳試樣（450℃回火1h）的硬度和強度。根據(jù)作者的研究結(jié)果，在450℃試驗溫度下，表面滲錳零件的硬度高于碳氮共滲零件，兩者分別約為0.05和0.05；并且，相對于室溫下的硬度值，表面滲錳零件下降的并不多，仍為室溫的80%，而碳氮共滲零件僅為50%。表面滲錳零件的疲勞強度高于碳氮共滲零件，且隨回火溫度的升高而線性增加，450℃時的值比室溫高8%。
四種錳基阻尼材料
據(jù)1976年有關(guān)報道，用粉末冶金法已成功開發(fā)Mn-Cu阻尼合金。燒結(jié)在低露點的氫氣中進行，最終燒結(jié)溫度取決于錳含量，含55%Mn的合金約為900℃，含75%Mn的合金提高到1075℃。當錳粉粒度由-100目減小到-325目時，燒結(jié)密度和抗拉強度略有提高。60Mn-40Cu合金在真空中燒結(jié)，若燒結(jié)溫度不低于氫氣中燒結(jié)，錳將大幅度揮發(fā)，壓制的生片在加熱過程中膨脹百分之幾，只有當溫度接近最終燒結(jié)溫度時才收縮。表3列出了60%～75%Mn合金(含1%粘結(jié)劑)的抗拉強度和硬度數(shù)據(jù)。 樣品在氫氣中加熱，760℃保溫0.5h，860℃保溫1h，在最終燒結(jié)溫度下保溫1h，可獲得最大拉伸強度。孔隙率等組織特征降低了力學(xué)性能，但提高了相對阻尼性能。材料燒結(jié)后可獲得良好的阻尼性能，從簡化工藝、降低成本的角度看是可取的。
以錳為基的阻尼材料有錳-銅、錳-鐵和錳-鎳合金[33]。錳-銅系在燒結(jié)過程中，錳以單向方式擴散到銅中，形成單相固溶體[34]。錳-銅合金是一種良好的阻尼材料。對錳-銅（70%錳）合金在回火過程中的衰減能力的研究[35]發(fā)現(xiàn)，在回火過程中，預(yù)淬燒結(jié)試樣中的γ固溶體具有與普通鑄造合金非常相似的衰減模式；但不同的是，即使回火溫度達到460 ℃，燒結(jié)合金的衰減強度也相對較低。
他們認為，造成這種現(xiàn)象的原因與合金優(yōu)良的化學(xué)均勻性有關(guān)，增加合金中的銅含量，密度、硬度、聲波傳播速度和泊松比均增加，但楊氏模量與體積彈性模量之比（E/K）卻下降。當E/K在2.0~2.4范圍內(nèi)時，高錳含量對應(yīng)的高E/K值合金具有較好的阻尼性能。燒結(jié)Mn-Cu合金中含有α-Mn和γ-MnCu相，其阻尼常數(shù)都在10-1數(shù)量級，且對溫度和頻率不敏感。Mn-Cu合金在1123K淬火時僅由γ-MnCu單一相組成。 該單相合金的對數(shù)衰減速率與溫度關(guān)系曲線上有兩個峰，分別位于223K和460K處，雙峰強度高于鑄造制備的M2052合金。作者認為，223K處的主要峰是由微觀結(jié)構(gòu)中的孿生界面引起的，而另一個峰則源于面心正交結(jié)構(gòu)（fct）的γ-MnCu向面心立方結(jié)構(gòu)（fcc）的轉(zhuǎn)變。此外，含有銅和鎳組分的錳合金具有較高的熱膨脹系數(shù)，在熱響應(yīng)控制裝置中的雙金屬片等許多領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。
錳在鋁合金中的應(yīng)用
錳通常采用粉末冶金法在鋁合金中熔煉、粉碎后加入，在熔煉和冷卻過程中采用較高的冷卻速度以避免形成粗大的Al6Mn相。為此，嘗試了兩種向鋁合金基體中添加錳的方法，即MnAl晶片或錳粉噴射[38]。結(jié)果表明，前一種方法依靠組分間反應(yīng)釋放的熱量，不需要額外的設(shè)備就能維持錳固溶過程，整個過程所需的溫度相對較低；而且材料性能對錳粒度的依賴性較小。采用后一種方法時，由于錳金屬粉末是通過高速氣流加載的，因此需要額外的設(shè)備。此外，該方法的工藝周期長，操作溫度明顯高于第一種方法。同時發(fā)現(xiàn)，錳粉粒度無論是大于還是小于最佳尺寸，都不利于材料性能。
Al-Mn合金是一種常見的鋁合金，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(xué)性能有很大影響，隨著化合物含量的增加，合金的屈服應(yīng)力和疲勞強度顯著提高，而伸長率則下降（特別是在低溫工作環(huán)境下）[40]。在Al-Mn合金中添加少量鉻后，合??金性能發(fā)生明顯變化。在研究了Al-（6~8）%Mn-（1~3）%Cr合金力學(xué)性能與成分的關(guān)系后，發(fā)現(xiàn)Cr-Mn合金的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。
結(jié)果表明，當Mn+Cr含量高于8.8%時，由于析出作用，合金強化程度明顯提高，Al-7Mn-3Cr合金強化效果最好，抗拉強度為1.5，伸長率為7%。鉻加入量較低時，合金中析出Al6Mn第二相；鉻加入量較高時，則形成Al7Cr相。熱擠壓合金試樣經(jīng)熱處理后，體系中生成G相，即(Mn,Cr)Al12相。第二相的生成對合金的組織和力學(xué)性能有明顯的影響。在Al-Mn合金中添加硅也取得了良好的效果，Hawk等采用快速凝固技術(shù)制備了Al-12.6Mn-4.8Si合金[42]，經(jīng)350℃×100h退火處理后，試樣組織十分穩(wěn)定，強度和伸長率均無下降。 在室溫至380℃范圍內(nèi),拉伸強度由下降至,伸長率由6%增大至12%;當溫度升至425℃時,伸長率增大至30%。
同時，合金的強度和塑性取決于應(yīng)變速率，在高應(yīng)變速率下強度和塑性均得到提高。蠕變試驗結(jié)果表明，在試驗溫度范圍內(nèi)，合金的蠕變激活能介于100~230 kJ/mol之間，應(yīng)力指數(shù)介于3~5之間。采用粉末冶金法制備的高強度合金比傳統(tǒng)合金具有更高的耐磨性[43]。該合金在753~793K、1.2GPa等靜壓后具有最佳的抗壓強度和硬度，分別達到和26HRC。強度的提高歸功于合金的細小晶粒和第二相強化[44]；研究發(fā)現(xiàn)該合金具有優(yōu)異的耐磨性，例如在773K時，該合金的耐磨性是普通A355鋁合金的3倍。 同時發(fā)現(xiàn)材料中的Al6Mn、Al4Ce、Al2O3等第二相硬質(zhì)顆粒有利于合金耐磨性的提高。
六，結(jié)論
錳作為粉末冶金材料的主要成分或添加劑，在改善材料性能、開發(fā)新材料等方面起著重要作用，而且錳資源豐富、價格低廉，研究開發(fā)錳的應(yīng)用無論在科學(xué)理論上還是在生產(chǎn)實踐中都具有十分重要的意義。隨著市場需求的擴大和材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，錳的應(yīng)用前景將更加廣闊。
但錳的擴大應(yīng)用也遇到了自身的?*�，乃N褪敲桃籽躉�，而衍O鎘幟巖曰乖�。栽栛末冶靳桗产过秤懶，锰惦y躉恢筆且桓齜淺＜值奈侍�。随着制穵J際鹺蛻戰(zhàn)峒際醯姆⒄�，窐饭锰衍O奈侍庥興航�，但并脫]諧溝捉餼�。灾@岢┐竺逃τ玫耐保燦憂空夥矯嫻難芯�，諛I(yè)膠俠淼拇朧?/p>
參考：
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粉末冶金材料論文2
粉末冶金材料熱處理工藝淺析
【摘要】粉末冶金材料在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，在高密度、高精度復(fù)雜零件替代鍛鋼件的應(yīng)用中，粉末冶金技術(shù)也取得了快速的發(fā)展，但由于后續(xù)加工工藝的差異，其物理力學(xué)性能還存在一定的缺陷。本文對粉末冶金材料的熱處理工藝進行簡要描述和分析，分析其影響因素，并提出改進工藝的策略。
【關(guān)鍵詞】粉末冶金材料 熱處理 密度 強度 淬硬性 碳氮共滲
一、引言
粉末冶金材料在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛，特別是在汽車工業(yè)、日用品、機械設(shè)備等行業(yè)，粉末冶金材料已占有相當大的比重。粉末冶金材料在替代低密度、低硬度、低強度的鑄鐵材料方面具有明顯的優(yōu)勢，在高硬度、高精度、高強度的精密復(fù)雜零件應(yīng)用中也逐漸得到推廣，這得益于粉末冶金技術(shù)的快速發(fā)展。全致密鋼的熱處理工藝已經(jīng)取得成功，但由于粉末冶金材料物理性能的差異以及熱處理工藝的差異，粉末冶金材料的熱處理仍然存在一些缺陷。在粉末冶金材料的技術(shù)研究中，各鑄造、冶煉企業(yè)在改善粉末冶金材料的物理機械性能方面取得了一定的成果，提高了粉末冶金材料的強度和耐磨性，將大大拓展粉末冶金的應(yīng)用范圍。
2、粉末冶金材料的熱處理工藝
粉末冶金材料的熱處理是根據(jù)其化學(xué)成分和晶粒大小來決定的�？紫兜拇嬖谑且粋�重要因素。粉末冶金材料在壓制和燒結(jié)過程中，整個零件中都會形成孔隙�？紫兜拇嬖谟绊憻崽幚淼姆椒ê托Ч�。粉末冶金材料的熱處理有淬火、化學(xué)熱處理、蒸汽處理和特殊熱處理等：
1.淬火熱處理工藝
粉末冶金材料由于存在孔隙，傳熱速度比致密材料低，因此淬火時淬透性相對較差。另外，淬火時粉末材料的燒結(jié)密度與材料的熱導(dǎo)率成正比，由于燒結(jié)工藝與致密材料不同，粉末冶金材料內(nèi)部組織均勻性優(yōu)于致密材料，但微觀區(qū)域不均勻性較小，因此完全奧氏體化時間比相應(yīng)鍛件長50%。當加入合金元素時，完全奧氏體化溫度會更高，時間會更長。以不同組合碳含量的燒結(jié)碳鋼為例，淬火溫度如表1所示。
在粉末冶金材料熱處理中，為了提高淬硬性，通常加入一些合金元素，如鎳、鉬、錳、鉻、釩等。它們的作用與在致密材料中的作用相同，能顯著細化晶粒，當它們?nèi)芙庥趭W氏體中時，會增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，保證淬火時奧氏體轉(zhuǎn)變，增加材料淬火后的表面硬度和淬硬深度。另外，粉末冶金材料淬火后必須進行回火處理，回火處理的溫度控制對粉末冶金材料的性能有很大的影響，因此應(yīng)根據(jù)不同材料的特點確定回火溫度，以減少回火脆性的影響。一般材料可在175-250℃的空氣或油中回火0.5-1.0h。
2.化學(xué)熱處理工藝
化學(xué)熱處理一般包括分解、吸收、擴散三個基本過程。例如滲碳熱處理的反應(yīng)如下：
2CO≒[C]+CO2（放熱反應(yīng)）
CH4≒[C]+2H2（吸熱反應(yīng)）
碳分解后被金屬表面吸收，并逐漸向內(nèi)擴散，在材料表面獲得足夠的碳濃度后進行淬火、回火處理，將提高粉末冶金材料的表面硬度和淬硬深度。由于粉末冶金材料存在孔隙，活性碳原子由表面向內(nèi)部滲透，完成化學(xué)熱處理過程。但材料的致密性越高，孔隙效應(yīng)越弱，化學(xué)熱處理的效果也越不明顯，因此應(yīng)采用碳勢較高的還原性氣氛進行保護。根據(jù)粉末冶金材料孔隙率的特點，它們的加熱和冷卻速度都比致密材料要低，因此加熱時應(yīng)延長保溫時間，提高加熱溫度。
粉末冶金材料的化學(xué)熱處理有滲碳、滲氮、滲硫及多元共滲等。在化學(xué)熱處理中，淬硬深度主要與材料的致密度有關(guān)，因此在熱處理過程中可采取相應(yīng)措施，如：滲碳時，當材料密度大于7g/cm3時，應(yīng)適當延長時間。采用化學(xué)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，可使處理后的材料表面含碳量達到2%以上，碳化物均勻分布在滲碳層表面，可大大提高硬度和耐磨性。
3.蒸汽處理
蒸汽處理是通過加熱蒸汽使材料表面發(fā)生氧化，在材料表面形成一層氧化膜，從而改善粉末冶金材料的性能。特別是對于粉末冶金材料表面的防腐，其有效期比發(fā)藍處理更為明顯，處理后材料的硬度和耐磨性也明顯增加。
4.特殊的熱處理工藝
特種熱處理工藝是近年來科技發(fā)展的產(chǎn)物，包括感應(yīng)加熱淬火、激光表面硬化等。感應(yīng)加熱淬火是在高頻電磁感應(yīng)渦流的影響下，加熱溫度上升很快，對提高表面硬度有顯著的效果，但容易出現(xiàn)軟點。一般可采用間歇加熱，延長奧氏體化時間；激光表面硬化工藝是利用激光作為熱源，使金屬表面快速升溫和冷卻，使奧氏體晶粒內(nèi)部的亞組織來不及回復(fù)和再結(jié)晶，獲得超細組織。
3、影響粉末冶金材料熱處理的因素分析
粉末冶金材料燒結(jié)過程中產(chǎn)生的氣孔是其固有特性，對熱處理也有很大的影響，特別是氣孔率的變化與熱處理的關(guān)系。為提高致密度、晶粒細小，添加的合金元素對熱處理也有一定的影響：
1、氣孔對熱處理工藝的影響
粉末冶金材料熱處理時，采用快速冷卻，抑制奧氏體的擴散，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌M織，從而得到馬氏體。氣孔的存在對材料的散熱影響很大。根據(jù)熱導(dǎo)率公式：
熱導(dǎo)率=金屬理論熱導(dǎo)率×（1-2×孔隙率）/100
可以看出，隨著孔隙率的增加，淬硬性下降。另一方面，孔隙還影響材料的致密度。對材料熱處理后表面硬度和淬硬深度的影響與致密度的影響有關(guān)，致密度降低了材料的表面硬度。而且由于孔隙的存在，淬火時不能用鹽水作為介質(zhì)，避免殘留鹽分引起腐蝕。因此，熱處理一般在真空或氣體介質(zhì)中進行。
2、熱處理時孔隙率對表面硬化深度的影響
粉末冶金材料的熱處理效果與材料的致密度、透氣性（淬硬性）、熱導(dǎo)率、電阻率等有關(guān)�？紫堵适窃斐蛇@些因素的最大原因，當孔隙率超過8%時，氣體會很快從縫隙中滲透進來，在進行滲碳淬火時，滲碳深度增加，表面淬火效果降低。而且，如果滲碳氣體滲透得太快，淬火時會產(chǎn)生軟點，降低表面硬度，使材料變脆變形。
3、合金含量及種類對粉末冶金熱處理的影響
常見的合金元素有銅和鎳，它們的含量和類型都會影響熱處理效果。熱處理硬化深度隨銅含量和碳含量的增加而逐漸增加，達到一定含量后又逐漸減�。绘嚭辖鸬膭傂源笥阢~合金，但鎳含量的不均勻會導(dǎo)致奧氏體組織不均勻；
4.高溫?zé)Y(jié)的影響
雖然高溫?zé)Y(jié)能達到最佳合金化效果，促進致密化，但不同的燒結(jié)溫度，特別是在較低溫度下，會導(dǎo)致熱處理敏感性的降低（固溶體中合金的減少）和力學(xué)性能的下降。因此，高溫?zé)Y(jié)，輔以充足的還原氣氛，可以達到更好的熱處理效果。
四、結(jié)論
粉末冶金材料的熱處理工藝是一個復(fù)雜的過程，與孔隙率、合金種類、合金元素含量、燒結(jié)溫度等有關(guān)。與致密材料相比，其內(nèi)部均勻性較差，要獲得較高的淬硬性，必須提高完全奧氏體化溫度，延長時間。不均勻奧氏體滲碳可獲得較高的碳濃度，不受奧氏體飽和碳濃度的限制。另外，加入合金元素也能提高淬硬性。蒸汽處理可明顯提高其耐蝕性和表面硬度。
參考：
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[2]劉傳熙、周作平、謝子章等，《粉末冶金技術(shù)》，科學(xué)普及出版社，1987，27
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