相图分析在研发粉末冶金材料中的重要作用

  高等教育出版社2008年出版的《相图理论及其应用》一书，是以作者王崇琳先生在中国科学院金属研究所讲授相图学的教材为基础，加工编撰而成的。笔者细读了有关章节，首先感到的是，本书特点鲜明。*，本书并不只是将素材拼凑起来的汇总，作者没有照搬别人成果的习惯，他不拾人牙慧，而是在占有大量素材的基础上，经过本人的消化、加工、再创造而织造出全书的构架和内容。从相图应用者的角度看，本书第二个特点是，“相图应用”占全书很大篇幅，近l／3。这么重的份额当然会受到材料研发者和生产者的欢迎。其实，本书这一特点正是作者本人工作风格的反映：他既热衷于钻研理论，又极为重视应用实践；他的本职工作是从事材料和制品研发，但他同时还参与和深人生产活动，协助企业解决生产中的技术问题。

本书第8．3节“相图在粉末冶金中的应用”，以相图为依据，详细分析了烧结过程机理，从而凸显出相图对研发粉末冶金材料和指导生产的重要性。笔者重点研读了这一节，获取了不少知识，明确了一些重要的概念。现将读书心得整理出来，与大家共享。这篇读书心得的主要内容是指笔者从本书直接得到的知识，还包括受到的启发，应用本书提出的概念和方法，联系生产科研实践和科技文献有关资料的体会。此外，还收入了本书作者应用相图解决生产问题的两个实例。

 

在粉末冶金生产和科研实践中，已有多种烧结方式得到应用。German R M^[1]用相图解释了不同的烧结方式，举出了许多实例。王崇琳先生熟知相图，在粉末冶金方面拥有丰富的工作经历。在此基础上并参考German R M的论著，他深入钻研了不同烧结方式间的内在联系及其与相图之间的关系，找出了溶解度这个共性特点；并以此为切入点，即根据基体组元与添加组元之间相互溶解度的差异，将固相烧结和液相烧结各自归纳为四种方法或方式(第326、337页)。为简明起见，笔者改为表格表示(见表1)。笔者认为，肿胀是烧结过程中出现的一种现象，因而未将其归入烧结方法(方式)之中。

 

    表1  烧结方法(方式)按基体组元与添加组元之间相互溶解度差异分类

Table l Sintering processes classified by mutual solubility difference between the matrix components and additive components

 

    本书第8.3节“相图在粉末冶金中的应用”应用相图对各种烧结方式进行分析，理出了明晰的图线，廓清了思路，从而为研发和生产粉末冶金材料制订技术方案提供依据。笔者依据本章节的内容将相图理论对于粉末冶金材料研发的重要性，归纳出三个方面：

    (1)相图是设计材料成分的依据；

    (2)相图是制订烧结工艺方案的依据之一；

    (3)相图是控制产品组织结构的依据之一。

    以上三个方面是相互关联的。相应于不同的材料组成，有不同的烧结方式与之合理匹配；另一方面，可以根据材料在烧结过程中的行为或烧结产物的组织，来设计材料的成分或对材料成分作出调整。

我国的材料研究工作者以成分、组织结构、制备、性质和使用性能五个要素构成六面体，将理论、材料设计与工艺设计置于六面体中心，制约位于顶角的五个要素^[2]。借鉴此模型，可说明相图理论对于粉末冶金材料研发的重要性。显然，相图理论应位于六面体中心。

 

    根据烧结过程中组元本身的相变、组元之间形成新相和组元相互溶解度的差异，可以选择不同的烧结方案，以获得所设计的组织结构和性能。对此，书中列举了一些示例。

    难熔金属烧结温度高，设法降低其烧结温度以减少能耗和降低生产成本，是生产者特别关注的问题。固态活化烧结是制备难熔金属及其合金经常采用的方案。本书用一小节讨论了活化烧结，指出难熔金属钨与不同金属组成的烧结系在1 400℃烧结，由于钨在添加组元中溶解度的差异而有不同的致密化效果(图8.3.25)。钨在钯和镍中溶解度较高，故W-Pd系(图8.3.27，21.5％(原子数分数，以下同))和W-Ni系(图8.3.26，17.5％)致密化效果优于钨在添加组元中溶解度较低的W-Co系(图8.3.29，16％左右)和W-Fe系(图8.3.28，8％左右)；W-Cu系烧结虽然是在液相存在条件下进行，但由于钨在铜中溶解度极低(图8.3.6)，故其致密化效果不及以上各系。

    钨基重合金烧结是充分致密化液相烧结的典型例子之一。书中指出，W-Fe-Ni系重合金一般于1 400～1 450℃氢气氛中烧结。由W-Fe-Ni系相图1 465℃等温截面(图8.3.40)可见，钨在Fe-Ni基液相中溶解度高达15.0％左右，十分有利于液相烧结。可借助相图优化合金成分使合金得到*佳组织，W-Fe-Ni系合金中Ni：Fe比例常取7：3，由相图(图8.3.41和图8. 3.42)可知，此成分使W-Fe-Ni合金组织处于不含脆性相μ(Fe₇W₆)的相区。

    瞬时液相烧结可以有效促进合金元素扩散和均匀化，在生产中采用较多，是值得推荐的烧结方案。本书指明了实现这种烧结方案的条件，列举了能实现瞬时液相烧结的合金系。烧结钢生产中采用瞬时液相烧结的例子很多，如Fe-Cu-C、Fe-Mn-C、Fe-Si-C、Fe-P-C、Fe-Mn-Si-C系等。Klein A N等人^[3]采用母合金配制Fe-3.2Mn-1.4Si-0.4C合金，以l 080℃/60min烧结后，抗拉强度极限为920MPa；他指出适当提高烧结温度可进一步发挥瞬时液相烧结的有利作用，1 250℃/60min烧结后，其抗拉强度极限提高至1 000MPa。

    Fe-cu系1 096℃以上存在固液两相区，靠Fe轴一侧为γ-Fe固相区（图8.3.3)，适宜进行瞬时液相烧结。本书作者指出，Fe-Cu系进行瞬时液相烧结时会发生肿胀，影响制品尺寸精度。对此，可以利用Fe-C系烧结时发生收缩的现象，在Fe-Cu系中加入适量石墨粉来控制烧结尺寸变化(第327页)。

    往复运动机构中，在杆件外圆装配有对其起限定和导向作用的管状零件。这类零件大都采用高碳含量的Fe-Cu-C系烧结材料制造，要求在珠光体基体中分布有碳化物Fe₃C和石墨。生产中发现，若在1 120℃附近烧结，因接近共晶线，往往在组织中出现网状渗碳体而使产品变脆。本书作者曾应用瞬时液相烧结法，协助某企业解决此问题。其措施是加入Cu-P-Sn铜基合金粉末，例如Cu-5.9 P-4.1 Sn三元合金粉。差热分析测定该合金固相线温度为681～710℃，液相线温度为951～975℃。在高于添加剂液相线的温度如1 050℃烧结可实现瞬时液相烧结，促使碳和合金元索在铁基体中扩散均匀，得到无网状渗碳体的显微组织。

    铁原子在α-Fe(体心立方晶格)中的自扩散系数比在γ-Fe(面心立方晶格)中高100倍左右，因而α-Fe相区烧结或α-Fe+γ-Fe两相区烧结是铁基材料常选用的烧结方案。对这种方案，可以选择加入扩大α-Fe相区的元素钼、硅和磷。磷具有扩大α-Fe相区和封闭γ-Fe相区的作用；在烧结温度可形成液相共晶，加速烧结过程；使α-Fe固溶强化；以及促进材料基体中孔隙球化。在1050℃时，磷在α-Fe中的*高溶解度为2.5％(质量分数，以下同)，在室温下大于l.0％。Fe-P二元合金系中，磷加入量为0.3％～0.6％，烧结温度下处于两相区；超过0.6％时γ-Fe相区封闭。但是，本书未举出α-Fe相区烧结和α-Fe+γ-Fe两相区烧结方式，其原因可能是作者按溶解度将烧结方式分类，而这种方式主要依据是自扩散活性的差异，两者有别。

    粉末高速钢应采用超同相线烧结。通