作者：彭元東，易健宏，郭穎利，羅述東，李麗婭
(中南大學(xué)粉末冶金國家重點實驗室，湖南長沙，410083)
摘要：對微波燒結(jié)Fe-2Cu-0.6C粉末冶金材料進行探索性研究，研究不同燒結(jié)溫度下微波燒結(jié)樣品的性能和顯微組織，并與相同溫度下的常規(guī)燒結(jié)樣品進行對比。研究結(jié)果表明:與常規(guī)燒結(jié)相比，微波燒結(jié)可得到較高的燒結(jié)密度以及較高的抗拉強度和伸長率，兩者的洛氏硬度相當;微波燒結(jié)樣品在1 150℃時性能最佳，密度為7.20g/cm3，抗拉強度為413.90 MPa,洛氏硬度為E1RB75;微波燒結(jié)樣品具有良好的微觀結(jié)構(gòu)，即小的、近圓形且均勻分布的孔隙結(jié)構(gòu)，從而也有利于獲得細小的晶粒和較高的致密度;微波燒結(jié)與常規(guī)燒結(jié)相比，樣品具有更多片狀和粒狀珠光體，能顯著改善其性能。
關(guān)鍵詞：微波燒結(jié);Fe-Cu-C合金;力學(xué)性能;顯微組織

  微波燒結(jié)是一種利用微波加熱對材料進行燒結(jié)的方法，是近年來廣泛開展的一種燒結(jié)新技術(shù)。與常規(guī)燒結(jié)相比，微波燒結(jié)具有燒結(jié)溫度低、時間短、加熱均勻等特點，可以有效抑制晶粒長大，細化合金的顯微組織，有利于改善燒結(jié)體的性能。微波燒結(jié)技術(shù)被引入材料科學(xué)領(lǐng)域已有30多年，但其燒結(jié)的材料種類受到限制。20世紀90年代，該技術(shù)向基礎(chǔ)研究、
實用化和工業(yè)化發(fā)展，并在陶瓷燒結(jié)方而得到廣泛應(yīng)用。90年代末期，Rov等成功地燒結(jié)出Fe、Cu、Ni、Co、Fe-Cu和Fe-Ni合金等金屬粉末冶金材料。
  目前，微波技術(shù)已涉及硬質(zhì)合金、磁性材料、316L不銹鋼、CuTi一金剛石復(fù)合體以及Mg/Cu納米復(fù)合體等材料的燒結(jié)。特別是金屬及其合金的微波燒結(jié)與合成成為了研究熱點。
  粉末冶金Fe-Cu-C材料用途廣泛，是鐵基粉末冶金結(jié)構(gòu)零件的主要材質(zhì)。用傳統(tǒng)電阻加熱方式燒結(jié)該合金工藝已相當成熟，人們對采用微波燒結(jié)工藝也進行了初步探索，但其綜合性能不很理想。在此，木文作者以還原鐵粉、電解銅粉和石墨為原料，研究不同微波燒結(jié)溫度對Fe-Cu-C合金性能的影響規(guī)律，并對比微波燒結(jié)合金與常規(guī)電阻加熱氫氣燒結(jié)(以下簡
稱常規(guī)燒結(jié))合金的力學(xué)性能和顯微組織，以便為進一步提高Fe-Cu-C合金的微波燒結(jié)性能提供實驗依據(jù)。

1實驗
  實驗以還原鐵粉(粒度蕊147 gym)、電解銅粉(粒度蕊38hum)和石墨粉(粒度蕊43hum)按質(zhì)量比97.4:2.0:0.6配料，以無水乙醇為混料介質(zhì)，球料比為5:1，采用變頻行星式球磨機混合，球磨轉(zhuǎn)速為120r/min，混合Sh;混后粉末在電熱恒溫干燥箱中干燥。
  實驗成形壓力為600 MPa。燒結(jié)分為微波燒結(jié)和常規(guī)燒結(jié)2種方式，燒結(jié)溫度分別為1100，1120，1150，1180，1200℃。微波燒結(jié)采用N2+H2氣氛，保溫10 min;常規(guī)燒結(jié)采用氫氣氣氛，保溫60min。
  采用排水法測定試樣密度。采用LJ3000A型機械式拉力試驗機分析燒結(jié)坯的抗拉強度;采用HD工一1875型的布洛維硬度計測試樣品硬度。在MeF3A光學(xué)顯微鏡上觀察樣品的孔隙分布、粒徑以及組織形貌，孔隙度的測試為Leica Q520軟件。

2 結(jié)果與分析
2.1微波燒結(jié)溫度對密度的影響規(guī)律
  密度是影響粉末冶金材料性能的主要因素，是評價材料性能的主要指標。圖1所示為2種燒結(jié)方式下試樣溫度與密度的關(guān)系。從圖1可以看出，微波燒結(jié)試樣的密度明顯比常規(guī)燒結(jié)的高。微波燒結(jié)試樣密度為7.05-7.20 g/cm3，隨著燒結(jié)溫度的提高，樣品密度增大，在1150℃時達到最大值7.20 g/cm3。但溫度繼續(xù)增加時，密度反而有所降低。常規(guī)燒結(jié)密度在1100-1200℃時為6.867.00 g/cm3;在1180℃時密度達到最大，為7.00 g/cm3。

  微波燒結(jié)時，其加熱不同于常規(guī)加熱，通過對流、傳導(dǎo)、熱輻射的加熱模式。在微波燒結(jié)過程中，由于材料內(nèi)部吸收微波，產(chǎn)生熱量，因而，溫度梯度比常規(guī)加熱要小得多。同時，在微波場中，原子擴散速度加快，從而降低燒結(jié)溫度和加速反應(yīng)進行，致密化與合金化過程可以在很短的時間內(nèi)即可完成。且短時間內(nèi)晶粒不易長大，易得到均勻的細晶粒顯微結(jié)構(gòu)，有利于提高材料的性能。
  通過實驗研究了不同溫度下微波燒結(jié)保溫10 min時的燒結(jié)密度。結(jié)果表明，與常規(guī)燒結(jié)60 min相比，保溫時間顯著減少。此外，微波燒結(jié)對應(yīng)最佳致密化的溫度要比常規(guī)燒結(jié)的低，這也表明微波燒結(jié)降低了燒結(jié)溫度。
  在相同燒結(jié)溫度下，微波燒結(jié)比常規(guī)燒結(jié)具有更致密的微觀結(jié)構(gòu)(如圖2所示)。此外，金相觀察結(jié)果表明，微波燒結(jié)有一個致密的核心，邊緣多孔，這表明材料自身發(fā)熱，熱傳遞從內(nèi)而外，材料內(nèi)部溫度比表而溫度高。而常規(guī)燒結(jié)則是邊緣較為致密而中心相對多孔的不均勻顯微結(jié)構(gòu)，這是因為材料加熱由外而內(nèi)，形成熱梯度和熱流方向，受熱不均而形成的，這也是常規(guī)燒結(jié)粉末冶金零件的典型特征。

2.2微波燒結(jié)對洛氏硬度的影響規(guī)律
  各試樣洛氏硬度的比較結(jié)果如圖3所示。由于密度是材料綜合性能的體現(xiàn)，微波燒結(jié)樣品的硬度體現(xiàn)出與密度相同的規(guī)律，微波燒結(jié)樣品在1150℃時HRB達到最大值75。但微波燒結(jié)樣品的硬度不能僅僅用微波燒結(jié)高的密度來解釋，還要考慮其顯微組織。
  在1100-1200℃溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)e-2Cu-0.6C材料沒有相變，因此，其組成相相同，硬度只與晶粒粒徑和分布有關(guān)，晶粒粒徑越小，分布越均勻，則洛氏硬度越高。
  由圖3可以看出，微波燒結(jié)的平均硬度低于常規(guī)燒結(jié)時的平均硬度，但相差不是很大。常規(guī)燒結(jié)在1180℃時洛氏硬度HRB達到最大值79，而微波燒結(jié)在1150℃時達到最大值75。

2.3微波燒結(jié)對拉伸性能的影響規(guī)律
  圖4所示為微波燒結(jié)溫度與抗拉強度和伸長率的關(guān)系。可以看出，隨著燒結(jié)溫度的提高，抗拉強度增加，在1150℃時達到最大值413.90 MPa;溫度繼續(xù)增加，抗拉強度降低，這與樣品的密度和顯微結(jié)構(gòu)都有一定關(guān)系。而伸長率與燒結(jié)溫度的關(guān)系與抗拉強度具有相似的規(guī)律，在1150℃時達到最大值6.0%。

  由圖4可以看出，微波燒結(jié)與常規(guī)燒結(jié)相比，微波燒結(jié)樣品的抗拉強度、伸長率都遠比常規(guī)燒結(jié)樣品的高。這與樣品的致密度和顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)(如圖5所示):微波燒結(jié)樣品組織是由大量鐵素體及片狀和粒狀的珠光體組成，而常規(guī)燒結(jié)樣品的組織中幾乎全是鐵素體，珠光體能提高材料的強度。與常規(guī)燒結(jié)相比，微波燒結(jié)樣品的晶粒粒徑更小，而且晶粒邊界趨于規(guī)則化，晶間組織分布更均勻。這是由于微波電磁場與材料相互作用，與常規(guī)燒結(jié)相比，燒結(jié)溫度更低，時間更短，晶粒來不及長大。從樣品的斷裂方式也可以看出:常規(guī)燒結(jié)樣品是脆性穿晶斷裂，而微波燒結(jié)樣品除有脆性斷裂之外，還有韌窩型的穿晶韌性斷裂，這在一定程度上提高了試樣的韌性，從而提高了材料的綜合性能。

  由圖6所示微波燒結(jié)樣品的顯微組織可以看出，珠光體大多是在晶界上形成的。由于燒結(jié)過程在氮氣和氫氣的混合氣氛中進行，可有效減少樣品的脫碳，并且樣品在短時間燒結(jié)之后，馬上關(guān)閉系統(tǒng)，停下工作，促使樣品在爐腔內(nèi)自然冷卻，其冷速介于淬火冷卻和慢冷卻之間，幾分鐘之內(nèi)即可由1000℃以上的高溫冷卻至室溫，因而，使得樣品燒結(jié)硬化，出現(xiàn)許多粒狀的珠光體。在成分相同的條件下，粒狀珠光體比片狀珠光體的硬度稍低，但塑性好。而在硬度相同的條件下，粒狀珠光體比片狀珠光體具有更良好的拉伸性能。同時，粒狀珠光體還具有較好的切削加工性能、冷成型性能及淬火工藝性能。

3結(jié)論
a.微波燒結(jié)樣品在混合(N2 +H2)氣氛中，保溫10mm時，在1150℃得到最高的燒結(jié)密度，即7.20g/cm3，相對密度約為93%。其性能如下:洛氏硬度HRB為7，抗拉強度為413.90 MPa，伸長率為6%。洛氏硬度與常規(guī)燒結(jié)相比要低，但差別不是很大，其
拉伸性能明顯比常規(guī)燒結(jié)樣品的優(yōu)。
b.微波燒結(jié)對材料力學(xué)性能的改善不僅僅取決于樣品高的燒結(jié)密度，還在于其良好的微觀結(jié)構(gòu):短時間燒結(jié)時，晶粒不易長大，易得到均勻的細晶粒顯微結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔隙很少，孔隙形狀也比傳統(tǒng)燒結(jié)的圓。
c.常規(guī)燒結(jié)樣品的組織主要是由大量鐵素體、極少量珠光體以及大小不一的各種孔洞組成;而微波燒結(jié)樣品的組織主要是由鐵素體、片狀和粒狀珠光體以及極少量的孔隙組成。大量珠光體的存在能顯著改善其力學(xué)性能。