作者：陳麗芳，易健宏，彭元東
摘要：采用微波燒結和常規燒結工藝分別制備粉末冶金低合金鋼Fe-4Ni-2Cu-0.6Mo-0.6C，研究不同燒結工藝對該合金密度、抗拉強度和硬度的影響，并借助掃描電鏡和光學顯微鏡觀察合金試樣的斷裂類型及試樣的顯微組織。結果表明:該合金在微波燒結溫度為1300℃時，抗拉強度可達到655MPa，硬度90HRB；和常規燒結工藝相比，微波燒結不僅使燒結時間大幅縮短，而且可提高低合金鋼的抗拉強度和硬度。
關鍵詞：微波燒結；粉末冶金；低合金鋼；性能

  微波燒結技術具有加熱速度快、燒結周期短以及高效節能等優點，近年來已成為一種新的、重要的粉末冶金制備技術。傳統觀點認為，金屬反射微波而不能進行微波燒結，但在20世紀90年代末，由于ROY等采用微波燒結的方法成功地制備出Fe-Ni-C ,Fe-Cu-C等粉末冶金材料，而且所得材料的密度和力學性能均高于常規燒結，才為這一新技術敞開了一片廣闊的發展、應用天地。
  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，直接將電磁能轉換為熱能，使材料整體加熱并在短時間內達到所期加熱的效果。與常規燒結方式相比，該技術縮短了加熱和保溫時間，使產品具有更加優異的物理和力學性能,ANKLEKAR等利用微波燒結工藝制備的粉末冶金銅鋼和鎳鋼的力學性能均比常規燒結方法所制備的同種材料高，這主要得益于微波燒結銅鋼和鎳鋼的孔隙細小且分布均勻。
  目前，微波燒結技術主要用于陶瓷材料制備，采用微波燒結法制備低合金鋼的公開報道尚不多見。為了擴大微波燒結技術的應用并為微波燒結機理的研究提供實驗依據，本文作者采用微波燒結工藝制備粉末冶金低合金鋼(Fe-4Ni-2Cu-0.6Mo-0.6C)，系統研究微波燒結低合金鋼的工藝特點及其對材料性能的影響。

1實驗
  實驗采用水霧化鐵粉(< 147um)輕基鎳粉(< 3.3um),銅粉(<74um),鑰粉(<7um)和石墨粉末(< 25um)為原料。按照Fe-4Ni-2Cu-0.6Mo-0.6C低合金鋼的成分配料，用變頻行星式球磨機干混2h，轉速為120r/min，然后在600 MPa的壓力下壓制成形。分別采用微波燒結和常規燒結2種工藝對壓坯進行燒結。微波燒結爐的微波頻率為2.45 GHz、功率為5.5 kW。根據前期實驗結果，確定燒結溫度為1300℃，燒結氣氛為氮氣和氫氣的混合氣體，采用紅外測溫儀(型號:Raytek MM2MH)測溫。常規燒結采用高溫鑰絲爐Hz燒結，燒結溫度為1300℃，隨爐冷卻。燒結工藝見圖1所示。

  用LJ3000A型機械式拉力試驗機測試燒結試樣的抗拉強度；用HDI-1875型布洛維硬度計測試試樣硬度；用JSM-6360LU型掃描電子顯微鏡觀察試樣的拉伸斷口，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕金相試樣后，在MeF3A型光學顯微鏡下觀察試樣的組織。

2結果與討論
2.1 燒結工藝對密度的影響
  表1為低合金鋼Fe-4Ni-2Cu-0.6Mo-0.6C的性能。圖2所示為燒結試樣孔隙的SEM照片。微波燒結低合金鋼試樣的密度為7.21g/cm3，而常規燒結試樣密度為7.12g/cm3。微波燒結和常規燒結的最大區別是升溫速率不同。當溫度超過700℃后，微波燒結的升溫速率可以達到65℃/min，而常規燒結的升溫速率僅有5℃/min，一般情況下，采用較慢的升溫速率有利于材料體系中的元素擴散，通過慢速升溫以及長時間的保溫可使材料充分合金化，達到提高材料各種性能目的;而微波燒結雖然升溫速率快，但它是一種活化燒結，即使采用快速升溫也能夠使材料充分合金。低合金鋼中的元素Ni和Cu可形成無限固溶體，當采用微波燒結快速升溫時，元素來不及充分擴散，溫度就達到了Cu的熔點(1 083℃)，此時就保留充分的液相，液相銅在毛細管力的作用下沿著顆粒表面鋪展、填充孔洞，有利于低合金鋼的致密化;微波燒結的快速升溫還可以抑制晶粒長大，同時微波燒結是整體加熱，有利于燒結后孔隙的均勻化。從圖2可看出微波燒結下的孔隙比常規燒結的更小，而常規燒結隨著燒結的進行，晶粒開始長大。當銅開始溶解時，部分孔隙開始連通形成大孔隙，即使通過長時間的保溫也難以使孔隙消除，導致燒結樣品密度較低。

2.2燒結工藝對硬度的影響
  對于鐵基材料而言，合金的成分決定組織，而組織又決定合金的性能。組織中各相的相對含量、分布及形態都會影響材料的性能。圖3所示為常規燒結和微波燒結試樣的顯微組織。從圖中可觀察到常規燒結試樣的組織由鐵素體、珠光體、少量馬氏體和孔隙組成，而微波燒結的組織為大量的馬氏體和珠光體。造成這2種燒結方式下存在組織差異的原因，主要是由于微波燒結是材料直接吸收微波轉化成熱能從而達到燒結的目的，當關閉微波源后，微波燒結低合金鋼的冷卻速度很快，最高達45℃/min，接近于淬火速度，所以從圖3(b)中可看出顯微組織中有大量的馬氏體；而常規的氫氣爐是通過熱傳導加熱，當關掉電源后，爐腔中存在大量余熱，樣品隨爐一同冷卻，冷卻速度很慢，所以室溫顯微組織主要為鐵素體。2種不同燒結方式下，影響低合金鋼硬度的主要因素是馬氏體的含量，在微波燒結后的快速冷卻條件下，組織中有大量馬氏體，因而具有較高的硬度。

2.3燒結工藝對抗拉強度的影響
  由表1可見微波燒結低合金鋼的力學性能高于常規燒結，這是由于微波燒結低合金鋼的密度較高。對于鐵基材料而言，密度對其力學性能有較大的影響，當密度達到7.2g/cm3后，其抗拉強度、硬度和疲勞強度都會隨密度的增加而呈幾何級數增大。并且，材料的力學性能和孔隙度有如下關系：
σ=Kσof(θ)             (1)
式中σ為燒結材料的靜態強度，σo為致密材料的強度，K取決于材料和制造工藝，θ為孔隙度。即使粉末冶金材料的孔隙度或密度相同，抗拉強度還與孔隙的形狀、大小和分布有關，孔隙的球化和平滑化都可以減少應力集中，從而提高材料的抗拉強度。從圖2可以看出微波燒結的孔隙比常規燒結更圓且分布更均勻，因此微波燒結低合金鋼具有較高的抗拉強度。
  圖4所示為常規燒結和微波燒結拉伸樣的斷口形貌。從圖4(a)中可以看出常規燒結樣品的晶粒較粗大，這是由于常規燒結的冷卻速度慢導致晶粒長大，同時斷口有大量的孔隙，且幾乎沒有韌窩，屬于沿晶斷裂。而圖4(b)所示微波燒結樣品斷口有光滑平整的小平面，為結晶狀斷口形貌，屬于解理斷裂，在斷口處還有大量的韌窩存在，且韌窩較深，因此微波燒結拉伸斷口主要由韌窩和解理斷面組成，屬于一種混合型斷裂方式。

3結論
1)粉末冶金低合金鋼((Fe-4Ni-2Cu-0.6Mo-0.6C)的微波燒結和常規燒結相比有較大的優勢，即微波燒結能明顯提高低合金鋼的密度和力學性能，同時可大幅縮短燒結周期。
2)采用微波燒結時，在1300℃燒結15min，樣品具有較好的綜合性能，密度可達7.21g/cm3，抗拉強度為655MPa，抗拉強度比常規燒結提高近35%。
3)微波燒結低合金鋼的顯微組織是馬氏體和珠光體，拉伸試樣的斷裂方式是韌窩和解理斷裂的混合斷裂方式。