作者：羅春峰、李溪濱、劉如鐵、熊擁軍、夏廣斌
摘要:采用微波燒結(jié)新技術(shù)研究了粉末冶金鐵基材料的燒結(jié)工藝與性能，并同常規(guī)真空燒結(jié)工藝進(jìn)行了比較。結(jié)果表明:徽波燒結(jié)粉末冶金鐵基材料在1280℃的燒結(jié)沮度下保沮10min時(shí)，可達(dá)到95.8%的相對(duì)密度；燒結(jié)溫度降低，燒結(jié)時(shí)間大幅度縮短，且微波燒結(jié)制品的孔隙明顯減小或消失，硬度、抗彎強(qiáng)度、擾拉強(qiáng)度均有較大幅度提高。
關(guān)健詞:微波燒結(jié);粉末冶金鐵基材料;性能
  微波燒結(jié)技術(shù)是利用微波的特殊波段與材料的基本細(xì)微結(jié)構(gòu)藕合而產(chǎn)生熱量，材料的介質(zhì)損耗使材料整體加熱至燒結(jié)溫度而實(shí)現(xiàn)致密化的方法。該技術(shù)具有與常規(guī)燒結(jié)方式截然不同的加熱行為和溫度梯度，避免了常規(guī)加熱中出現(xiàn)的因被加熱物體表面溫度高，燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力損耗大的缺點(diǎn)，提高了物體內(nèi)溫度分布的均勻性，縮短了加熱、保溫時(shí)間，最終使燒結(jié)坯具有細(xì)小均勻的晶粒組織，產(chǎn)品有更加優(yōu)異的物理、力學(xué)性能。同時(shí)，微波燒結(jié)技術(shù)還具有對(duì)物相的選擇性加熱、在臨界溫度以上加熱速度加快、微波加熱區(qū)域易于控制以及燒結(jié)溫度低、生產(chǎn)周期短、能源利用率高、安全無污染等優(yōu)點(diǎn)，已成為快速制備高質(zhì)量新材料和具有新性能的傳統(tǒng)材料的重要技術(shù)手段。
  通常，固態(tài)金屬會(huì)將大部分微波輻射反射掉，然而粉末狀態(tài)的金屬因?yàn)轭w粒粒度通常為微米級(jí)或納米級(jí)，其尺寸與微波對(duì)金屬的穿透深度相近，同時(shí)顆粒巨大的表面積以及顆粒與壓坯表面的大量缺陷，使得粉末材料表面活性高，促使微波能在壓坯內(nèi)發(fā)生多次散射，促進(jìn)能量吸收。因此可利用微波能實(shí)現(xiàn)金屬粉末制件的燒結(jié)，而且微波燒結(jié)制品比傳統(tǒng)制品具有
更高的力學(xué)性能，顯微組織的均勻性好，氣孔率很少。目前，微波燒結(jié)材料品種大都局限在AL2O3和ZrO2等陶瓷及復(fù)合陶瓷，且制備高密度鐵基粉末冶金材料往往采用真空燒結(jié)，尚未見微波燒結(jié)粉末冶金鐵基材料的公開報(bào)道。本文利用微波燒結(jié)這種新技術(shù)，比較真空燒結(jié)，探索性研究了微波燒結(jié)粉末冶金低碳合金鋼的工藝特點(diǎn)及性能。
1、實(shí)驗(yàn)過程
    實(shí)驗(yàn)采用電解鐵粉(粒度<74um) ,銅粉(<43um) ,鑰粉(<74um ) ,鉻鐵粉(<74um)和石墨粉末(<43um)為原料，其成分為，%:Fe 95.4，Cu 2，Mo 0.5，Cr 1.5, C 0.60。
  成形壓力600 MPa。壓坯先在氫氣還原爐中于760℃預(yù)燒60min，再分別在真空爐(真空度<10Pa)中于1300℃燒結(jié)60min，在氫氣氣氛下1280℃微波燒結(jié)(頻率為2450MHz)10min。
  對(duì)兩種燒結(jié)樣品采用德國Fl-M3光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相觀察，日本JSM-5600LV掃描電鏡進(jìn)行微區(qū)成分分析。
2、結(jié)果與分析
2.1 物理力學(xué)性能
  對(duì)微波燒結(jié)材料和真空燒結(jié)材料進(jìn)行性能測(cè)試，其結(jié)果見附表。從附表可以看出，微波燒結(jié)樣品的密度、硬度、抗拉強(qiáng)度、、抗彎強(qiáng)度均明顯高于真空燒結(jié)樣品。這是因?yàn)槲⒉Y(jié)溫度低、時(shí)間短，使晶粒來不及長大就已被燒結(jié)，同時(shí)由于微波的均勻加熱特性使晶粒更加均勻細(xì)小，致密化程度高，并生成細(xì)小馬氏體，
增強(qiáng)材料韌性，促使材料密度、硬度、抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均獲得較大提高。

2.2顯微組織分析
  根據(jù)Fe-14Mo-4Cr-C相圖，可知常規(guī)真空燒結(jié)過程中，鉑鐵與鉻鐵在燒結(jié)過程中會(huì)形成液相，燒結(jié)在r+碳化物+L相區(qū)進(jìn)行。燒結(jié)溫度直接影響液相數(shù)量的多少，當(dāng)碳含量低時(shí)，液相的形成溫度升高，液相量相應(yīng)減少，因而不利致密化進(jìn)行，試驗(yàn)材料碳含量僅為0.6%,同時(shí)因?yàn)檎婵諢Y(jié)熱量是由外及內(nèi)輻射，在燒結(jié)過程中不斷有CO逸出。因此即使復(fù)燒溫度高達(dá)1300℃，仍分布較多孔隙，樣品微觀結(jié)構(gòu)如圖1a所示。而當(dāng)P/M零件處于微波場(chǎng)中，由于其顆粒巨大的表面積及其表面大量存在的孔隙、空位等缺陷，金屬粉末壓坯與塊狀金屬相
比具有更低的反射率，使得微波在壓坯內(nèi)發(fā)生多次散射，促進(jìn)能量的吸收。從而使壓坯能夠在較短時(shí)間內(nèi)均勻升高溫度，達(dá)到液相生成點(diǎn)，迅速實(shí)現(xiàn)致密燒結(jié)，并減少CO逸出，減少孔隙產(chǎn)生。圖1b顯示樣品基本致密，表面僅存微量孔隙。
  圖2a所示為常規(guī)真空燒結(jié)材料的金相顯微組織，由少量珠光體、大量鐵素體以及大小不一的各種孔洞組成。珠光體數(shù)量偏少，鐵素體的大量出現(xiàn)是因?yàn)檎婵諢Y(jié)會(huì)造成材質(zhì)脫碳。晶粒粗大是因?yàn)檎婵諢Y(jié)之后隨爐冷卻速度過慢，晶粒長大的結(jié)果。圖2b所示為微波燒結(jié)材料的金相顯徽組織，鐵素體與細(xì)小的珠光體、馬氏體交錯(cuò)分布。由于燒結(jié)過程在氫氣氣氛中進(jìn)行，有效減少樣品的脫碳，并且樣品在較短時(shí)間燒結(jié)后，徽波設(shè)備立即斷電，停止工作，促使樣品在燒結(jié)腔自然冷卻，其冷卻速度介于淬火冷卻與慢冷之間，因而造成樣品燒結(jié)硬化，出現(xiàn)大量細(xì)小的針狀馬氏體與珠光體，導(dǎo)致其組織的多樣性。

2.3斷口分析
  圖3a和b所示為真空燒結(jié)材料斷口的形貌，其斷口系條紋或疏松區(qū)域，斷口幾乎無韌窩，屬脆性穿晶斷裂，其準(zhǔn)解理面之間多為撕裂嶺，為萘狀斷口，這是一種粗晶斷裂。合金結(jié)構(gòu)鋼蔡狀斷口是在材料燒結(jié)之后緩冷時(shí)出現(xiàn)，這是因?yàn)檎婵諢Y(jié)之后隨爐冷卻，使得晶粒長大造成的。圖3c和d所示為微波燒結(jié)材料斷口的形貌。大部分?jǐn)嗫谌鐖D3c所示，齊平呈亮灰色，有強(qiáng)烈的金屬光澤和明顯的結(jié)晶顆粒，為結(jié)晶狀斷口，屬脆性斷裂，其解理面呈扇形，同時(shí)二次裂紋較多，說明斷裂沿幾個(gè)方向同時(shí)發(fā)生。部分?jǐn)嗫谌鐖D3d所示，為韌窩型的穿晶韌性斷裂。因此微波燒結(jié)樣品斷裂屬混合斷裂。
  晶粒越大或非馬氏體相變的產(chǎn)物越多，出現(xiàn)結(jié)晶狀斷口的幾率越大。因此提高碳含量減少鐵素體，改進(jìn)微波設(shè)備的冷卻條件，加快冷卻速度避免非馬氏體相變產(chǎn)物生成，或發(fā)揮微波較低燒結(jié)溫度和較短燒結(jié)時(shí)間的優(yōu)勢(shì)改進(jìn)燒結(jié)工藝，均能避免晶粒的長大。

3、結(jié)論
(1)微波燒結(jié)粉末冶金鐵基材料在降低溫度的同時(shí)可大幅度縮短燒結(jié)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。
(2)微波燒結(jié)低碳合金鋼，在1280℃保溫10min即可達(dá)到較高的相對(duì)密度，且制品具有良好的機(jī)械性能。
(3)同一批粉末冶金鐵基材料的對(duì)比試驗(yàn)表明，微波燒結(jié)制品的孔隙度明顯減小或消失，硬度、抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有較大幅度提高。