作者：彭元东，易健宏，郭颖利，罗述东，李丽娅
(中南大学粉末冶金国家重点实验室，湖南长沙，410083)
摘要：对微波烧结Fe-2Cu-0.6C粉末冶金材料进行探索性研究，研究不同烧结温度下微波烧结样品的性能和显微组织，并与相同温度下的常规烧结样品进行对比。研究结果表明:与常规烧结相比，微波烧结可得到较高的烧结密度以及较高的抗拉强度和伸长率，两者的洛氏硬度相当;微波烧结样品在1 150℃时性能最佳，密度为7.20g/cm3，抗拉强度为413.90 MPa,洛氏硬度为E1RB75;微波烧结样品具有良好的微观结构，即小的、近圆形且均匀分布的孔隙结构，从而也有利于获得细小的晶粒和较高的致密度;微波烧结与常规烧结相比，样品具有更多片状和粒状珠光体，能显著改善其性能。
关键词：微波烧结;Fe-Cu-C合金;力学性能;显微组织

 

  微波烧结是一种利用微波加热对材料进行烧结的方法，是近年来广泛开展的一种烧结新技术。与常规烧结相比，微波烧结具有烧结温度低、时间短、加热均匀等特点，可以有效抑制晶粒长大，细化合金的显微组织，有利于改善烧结体的性能。微波烧结技术被引入材料科学领域已有30多年，但其烧结的材料种类受到限制。20世纪90年代，该技术向基础研究、
实用化和工业化发展，并在陶瓷烧结方而得到广泛应用。90年代末期，Rov等成功地烧结出Fe、Cu、Ni、Co、Fe-Cu和Fe-Ni合金等金属粉末冶金材料。
  目前，微波技术已涉及硬质合金、磁性材料、316L不锈钢、CuTi一金刚石复合体以及Mg/Cu纳米复合体等材料的烧结。特别是金属及其合金的微波烧结与合成成为了研究热点。
  粉末冶金Fe-Cu-C材料用途广泛，是铁基粉末冶金结构零件的主要材质。用传统电阻加热方式烧结该合金工艺已相当成熟，人们对采用微波烧结工艺也进行了初步探索，但其综合性能不很理想。在此，木文作者以还原铁粉、电解铜粉和石墨为原料，研究不同微波烧结温度对Fe-Cu-C合金性能的影响规律，并对比微波烧结合金与常规电阻加热氢气烧结(以下简
称常规烧结)合金的力学性能和显微组织，以便为进一步提高Fe-Cu-C合金的微波烧结性能提供实验依据。

 

1实验
  实验以还原铁粉(粒度蕊147 gym)、电解铜粉(粒度蕊38hum)和石墨粉(粒度蕊43hum)按质量比97.4:2.0:0.6配料，以无水乙醇为混料介质，球料比为5:1，采用变频行星式球磨机混合，球磨转速为120r/min，混合Sh;混后粉末在电热恒温干燥箱中干燥。
  实验成形压力为600 MPa。烧结分为微波烧结和常规烧结2种方式，烧结温度分别为1100，1120，1150，1180，1200℃。微波烧结采用N2+H2气氛，保温10 min;常规烧结采用氢气气氛，保温60min。
  采用排水法测定试样密度。采用LJ3000A型机械式拉力试验机分析烧结坯的抗拉强度;采用HD工一1875型的布洛维硬度计测试样品硬度。在MeF3A光学显微镜上观察样品的孔隙分布、粒径以及组织形貌，孔隙度的测试为Leica Q520软件。

 

2 结果与分析
2.1微波烧结温度对密度的影响规律
  密度是影响粉末冶金材料性能的主要因素，是评价材料性能的主要指标。图1所示为2种烧结方式下试样温度与密度的关系。从图1可以看出，微波烧结试样的密度明显比常规烧结的高。微波烧结试样密度为7.05-7.20 g/cm3，随着烧结温度的提高，样品密度增大，在1150℃时达到最大值7.20 g/cm3。但温度继续增加时，密度反而有所降低。常规烧结密度在1100-1200℃时为6.867.00 g/cm3;在1180℃时密度达到最大，为7.00 g/cm3。

  微波烧结时，其加热不同于常规加热，通过对流、传导、热辐射的加热模式。在微波烧结过程中，由于材料内部吸收微波，产生热量，因而，温度梯度比常规加热要小得多。同时，在微波场中，原子扩散速度加快，从而降低烧结温度和加速反应进行，致密化与合金化过程可以在很短的时间内即可完成。且短时间内晶粒不易长大，易得到均匀的细晶粒显微结构，有利于提高材料的性能。
  通过实验研究了不同温度下微波烧结保温10 min时的烧结密度。结果表明，与常规烧结60 min相比，保温时间显著减少。此外，微波烧结对应最佳致密化的温度要比常规烧结的低，这也表明微波烧结降低了烧结温度。
  在相同烧结温度下，微波烧结比常规烧结具有更致密的微观结构(如图2所示)。此外，金相观察结果表明，微波烧结有一个致密的核心，边缘多孔，这表明材料自身发热，热传递从内而外，材料内部温度比表而温度高。而常规烧结则是边缘较为致密而中心相对多孔的不均匀显微结构，这是因为材料加热由外而内，形成热梯度和热流方向，受热不均而形成的，这也是常规烧结粉末冶金零件的典型特征。

2.2微波烧结对洛氏硬度的影响规律
  各试样洛氏硬度的比较结果如图3所示。由于密度是材料综合性能的体现，微波烧结样品的硬度体现出与密度相同的规律，微波烧结样品在1150℃时HRB达到最大值75。但微波烧结样品的硬度不能仅仅用微波烧结高的密度来解释，还要考虑其显微组织。
  在1100-1200℃温度范围内，Fe-2Cu-0.6C材料没有相变，因此，其组成相相同，硬度只与晶粒粒径和分布有关，晶粒粒径越小，分布越均匀，则洛氏硬度越高。
  由图3可以看出，微波烧结的平均硬度低于常规烧结时的平均硬度，但相差不是很大。常规烧结在1180℃时洛氏硬度HRB达到最大值79，而微波烧结在1150℃时达到最大值75。

 

2.3微波烧结对拉伸性能的影响规律
  图4所示为微波烧结温度与抗拉强度和伸长率的关系。可以看出，随着烧结温度的提高，抗拉强度增加，在1150℃时达到最大值413.90 MPa;温度继续增加，抗拉强度降低，这与样品的密度和显微结构都有一定关系。而伸长率与烧结温度的关系与抗拉强度具有相似的规律，在1150℃时达到最大值6.0%。

  由图4可以看出，微波烧结与常规烧结相比，微波烧结样品的抗拉强度、伸长率都远比常规烧结样品的高。这与样品的致密度和显微结构有关(如图5所示):微波烧结样品组织是由大量铁素体及片状和粒状的珠光体组成，而常规烧结样品的组织中几乎全是铁素体，珠光体能提高材料的强度。与常规烧结相比，微波烧结样品的晶粒粒径更小，而且晶粒边界趋于规则化，晶间组织分布更均匀。这是由于微波电磁场与材料相互作用，与常规烧结相比，烧结温度更低，时间更短，晶粒来不及长大。从样品的断裂方式也可以看出:常规烧结样品是脆性穿晶断裂，而微波烧结样品除有脆性断裂之外，还有韧窝型的穿晶韧性断裂，这在一定程度上提高了试样的韧性，从而提高了材料的综合性能。

  由图6所示微波烧结样品的显微组织可以看出，珠光体大多是在晶界上形成的。由于烧结过程在氮气和氢气的混合气氛中进行，可有效减少样品的脱碳，并且样品在短时间烧结之后，马上关闭系统，停下工作，促使样品在炉腔内自然冷却，其冷速介于淬火冷却和慢冷却之间，几分钟之内即可由1000℃以上的高温冷却至室温，因而，使得样品烧结硬化，出现许多粒状的珠光体。在成分相同的条件下，粒状珠光体比片状珠光体的硬度稍低，但塑性好。而在硬度相同的条件下，粒状珠光体比片状珠光体具有更良好的拉伸性能。同时，粒状珠光体还具有较好的切削加工性能、冷成型性能及淬火工艺性能。

 

3结论
a.微波烧结样品在混合(N2 +H2)气氛中，保温10mm时，在1150℃得到最高的烧结密度，即7.20g/cm3，相对密度约为93%。其性能如下:洛氏硬度HRB为7，抗拉强度为413.90 MPa，伸长率为6%。洛氏硬度与常规烧结相比要低，但差别不是很大，其
拉伸性能明显比常规烧结样品的优。
b.微波烧结对材料力学性能的改善不仅仅取决于样品高的烧结密度，还在于其良好的微观结构:短时间烧结时，晶粒不易长大，易得到均匀的细晶粒显微结构，内部孔隙很少，孔隙形状也比传统烧结的圆。
c.常规烧结样品的组织主要是由大量铁素体、极少量珠光体以及大小不一的各种孔洞组成;而微波烧结样品的组织主要是由铁素体、片状和粒状珠光体以及极少量的孔隙组成。大量珠光体的存在能显著改善其力学性能。