作者：羅春峰、李溪濱、劉如鐵、熊擁軍、夏廣斌
摘要:采用微波燒結新技術研究了粉末冶金鐵基材料的燒結工藝與性能，并同常規真空燒結工藝進行了比較。結果表明:徽波燒結粉末冶金鐵基材料在1280℃的燒結沮度下保沮10min時，可達到95.8%的相對密度；燒結溫度降低，燒結時間大幅度縮短，且微波燒結制品的孔隙明顯減小或消失，硬度、抗彎強度、擾拉強度均有較大幅度提高。
關健詞:微波燒結;粉末冶金鐵基材料;性能
  微波燒結技術是利用微波的特殊波段與材料的基本細微結構藕合而產生熱量，材料的介質損耗使材料整體加熱至燒結溫度而實現致密化的方法。該技術具有與常規燒結方式截然不同的加熱行為和溫度梯度，避免了常規加熱中出現的因被加熱物體表面溫度高，燒結驅動力損耗大的缺點，提高了物體內溫度分布的均勻性，縮短了加熱、保溫時間，最終使燒結坯具有細小均勻的晶粒組織，產品有更加優異的物理、力學性能。同時，微波燒結技術還具有對物相的選擇性加熱、在臨界溫度以上加熱速度加快、微波加熱區域易于控制以及燒結溫度低、生產周期短、能源利用率高、安全無污染等優點，已成為快速制備高質量新材料和具有新性能的傳統材料的重要技術手段。
  通常，固態金屬會將大部分微波輻射反射掉，然而粉末狀態的金屬因為顆粒粒度通常為微米級或納米級，其尺寸與微波對金屬的穿透深度相近，同時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發生多次散射，促進能量吸收。因此可利用微波能實現金屬粉末制件的燒結，而且微波燒結制品比傳統制品具有
更高的力學性能，顯微組織的均勻性好，氣孔率很少。目前，微波燒結材料品種大都局限在AL2O3和ZrO2等陶瓷及復合陶瓷，且制備高密度鐵基粉末冶金材料往往采用真空燒結，尚未見微波燒結粉末冶金鐵基材料的公開報道。本文利用微波燒結這種新技術，比較真空燒結，探索性研究了微波燒結粉末冶金低碳合金鋼的工藝特點及性能。
1、實驗過程
    實驗采用電解鐵粉(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℃預燒60min，再分別在真空爐(真空度<10Pa)中于1300℃燒結60min，在氫氣氣氛下1280℃微波燒結(頻率為2450MHz)10min。
  對兩種燒結樣品采用德國Fl-M3光學顯微鏡進行金相觀察，日本JSM-5600LV掃描電鏡進行微區成分分析。
2、結果與分析
2.1 物理力學性能
  對微波燒結材料和真空燒結材料進行性能測試，其結果見附表。從附表可以看出，微波燒結樣品的密度、硬度、抗拉強度、、抗彎強度均明顯高于真空燒結樣品。這是因為微波燒結溫度低、時間短，使晶粒來不及長大就已被燒結，同時由于微波的均勻加熱特性使晶粒更加均勻細小，致密化程度高，并生成細小馬氏體，
增強材料韌性，促使材料密度、硬度、抗拉強度和抗彎強度均獲得較大提高。

2.2顯微組織分析
  根據Fe-14Mo-4Cr-C相圖，可知常規真空燒結過程中，鉑鐵與鉻鐵在燒結過程中會形成液相，燒結在r+碳化物+L相區進行。燒結溫度直接影響液相數量的多少，當碳含量低時，液相的形成溫度升高，液相量相應減少，因而不利致密化進行，試驗材料碳含量僅為0.6%,同時因為真空燒結熱量是由外及內輻射，在燒結過程中不斷有CO逸出。因此即使復燒溫度高達1300℃，仍分布較多孔隙，樣品微觀結構如圖1a所示。而當P/M零件處于微波場中，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，使得微波在壓坯內發生多次散射，促進能量的吸收。從而使壓坯能夠在較短時間內均勻升高溫度，達到液相生成點，迅速實現致密燒結，并減少CO逸出，減少孔隙產生。圖1b顯示樣品基本致密，表面僅存微量孔隙。
  圖2a所示為常規真空燒結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。珠光體數量偏少，鐵素體的大量出現是因為真空燒結會造成材質脫碳。晶粒粗大是因為真空燒結之后隨爐冷卻速度過慢，晶粒長大的結果。圖2b所示為微波燒結材料的金相顯徽組織，鐵素體與細小的珠光體、馬氏體交錯分布。由于燒結過程在氫氣氣氛中進行，有效減少樣品的脫碳，并且樣品在較短時間燒結后，徽波設備立即斷電，停止工作，促使樣品在燒結腔自然冷卻，其冷卻速度介于淬火冷卻與慢冷之間，因而造成樣品燒結硬化，出現大量細小的針狀馬氏體與珠光體，導致其組織的多樣性。

2.3斷口分析
  圖3a和b所示為真空燒結材料斷口的形貌，其斷口系條紋或疏松區域，斷口幾乎無韌窩，屬脆性穿晶斷裂，其準解理面之間多為撕裂嶺，為萘狀斷口，這是一種粗晶斷裂。合金結構鋼蔡狀斷口是在材料燒結之后緩冷時出現，這是因為真空燒結之后隨爐冷卻，使得晶粒長大造成的。圖3c和d所示為微波燒結材料斷口的形貌。大部分斷口如圖3c所示，齊平呈亮灰色，有強烈的金屬光澤和明顯的結晶顆粒，為結晶狀斷口，屬脆性斷裂，其解理面呈扇形，同時二次裂紋較多，說明斷裂沿幾個方向同時發生。部分斷口如圖3d所示，為韌窩型的穿晶韌性斷裂。因此微波燒結樣品斷裂屬混合斷裂。
  晶粒越大或非馬氏體相變的產物越多，出現結晶狀斷口的幾率越大。因此提高碳含量減少鐵素體，改進微波設備的冷卻條件，加快冷卻速度避免非馬氏體相變產物生成，或發揮微波較低燒結溫度和較短燒結時間的優勢改進燒結工藝，均能避免晶粒的長大。

3、結論
(1)微波燒結粉末冶金鐵基材料在降低溫度的同時可大幅度縮短燒結時間，從而實現高效節能。
(2)微波燒結低碳合金鋼，在1280℃保溫10min即可達到較高的相對密度，且制品具有良好的機械性能。
(3)同一批粉末冶金鐵基材料的對比試驗表明，微波燒結制品的孔隙度明顯減小或消失，硬度、抗彎強度和抗拉強度均有較大幅度提高。