粉末冶金知识讲座

Ni与Cu同时强化Fe时，强化作用不是累 加的，而是显著高于计算值。表6-20是 烧结Fe-Ni-Cu合金的Ni、Cu含量和密度 与力学性能的关系。
在上述合金中加入碳时，烧结合金或合 金热处理后的抗拉强度显著提高，但延 伸率下降。
典型的烧结镍钢的化学成分和机械性能 标准分别示于表6-18与6-23中。
孔隙度为15~20%的烧结材料其冲击韧性 值很小，比相应致密材料小几倍。
断裂韧性与疲劳强度
断裂韧性是材料的一个新的机械性能指 标，是机械结构带有裂纹时的一种新的 断裂判据。疲劳断裂时同样涉及材料中 裂纹的扩展（在交变应力作用下）
应力强度因子K与平面应变断裂韧度KIC
与塑性和冲击韧性相似，断裂韧性与疲 劳强度也强烈地取决于材料的孔隙度和 孔隙形状，还与材料的含氧量有很大关 系。
烧结镍钢中添加合金元素Mo的主要目的 为了增高烧结合金的淬透性，进一步增 高抗拉强度。因此烧结镍铜钼钢属于高 强度热处理烧结钢。
烧结镍铜钼钢的化学成分与力学性能示 于表6-24；
热处理后它们的机械性能和热处理条件 分别示于表6-25
消音止火 利用材料内部孔隙对声波的 漫反射原理而达到消音作用；
火焰经过孔隙被“吞没”。
应用：如氧乙炔防回火装置，汽车尾气 消音防火装置等。
2.1.1.6假合金与复合材料
粉末冶金材料的另一组织特征是具有双 相或多相从相图上看来完全不互溶的组 织状态，这一特点是其它致密材料很难 做到的。而在粉末冶金材料制造工艺过 程中，是很容易实现的。一种方法是直 接混入不互溶的组分进行压烧；另一种 是先做成一多孔骨架材料，通过熔浸的 方法将第二相物质渗入。这种材料严格 意义是讲也是复合材料。
孔隙分开孔、闭孔和连通孔三种。
开孔：材料中与外表面相通的孔隙，
闭孔：材料中与外表面不相通的孔隙，
连通孔：材料中相互连通的孔隙，可以 是开孔也可以是闭孔。
当总孔隙度为20%~30%时，闭孔隙度大 约为1%~2%，但当孔隙度为8%左右时， 几乎都变成了闭孔。
2.1.1.2孔隙对粉末冶金材料断 裂过程的影响
烧结材料的硬度主要取决于孔隙度，随 孔隙度增大而减小，而对孔隙形状不敏 感。烧结材料的宏观硬度值反映的不是 基体的真实硬度，因为测量硬度时，压 头同时压在金属基体和孔隙上，有效承 载面积减小，因此我们通常称之为“表 观硬度”。为获得烧结材料金属基体的 硬度，常采用显微硬度测定法，显微硬 度与烧结材料的2.1.2成分特点
2.1.2.1几种铁基粉末冶金结构材料的成分 及其在电动工具中的应用：
2.1.2.2常见合金元素及其与非烧结钢的比 较
2.1.2.1几种铁基粉末冶金结构
材料的成分及其在电动工具中
a.Fe-C
的应用：
在普通碳钢中，化合碳含量与抗拉强度 密切相关。抗拉强度因化合碳含量增加
与传统的可锻致密材料相比，粉末冶金 材料塑性变形的规律是不同的。烧结材 料断裂时没有发现明显的宏观塑性变形 的痕迹，只有在孔隙附近的烧结颈局部 才发生明显的屈服。（CSS曲线比较）
从烧结材料的断裂现象看，一方面，孔 隙减小材料的真实断面，是应力的集中 剂，这将降低材料的临界断裂应力；另 一方面，孔隙是应力的松驰剂，在裂纹 进入孔隙时可松驰裂纹尖端的应力，即 减小应力集中因子，从而提高断裂应力 的水平。
σs＝344exp(-0.043θ) MPa 当烧结铁孔隙度为零时，抗拉强度为324
Mpa，与低碳压延退火钢的接近。
弹性模量
众所周知，结晶物质的强度取决于弹性 模量。弹性模量表征着点阵中原子间的 结合强度，是应力－应变曲线弹性范围 内直线段的斜率。McAdam 在大量实验 数据基础上（图2.1p150），提出了烧结 铁的弹性模量与孔隙度关系的半经验方 程:
而迅速增高，一直到化合碳含量达到 1.0%；之后，随着化合碳含量增高到 1.6%缓慢地增加到最大值。
对于烧结铁－碳合金，也有一条类似曲线。化 合碳含量是通过控制添加石墨量来改变的。开 始抗弯强度随化合碳含量增加而迅速增高；在 化合碳含量为0.85%时，即共析成分附近达到 最大值；在化合碳含量0.9~1.0%之间急剧下降。 这是由于大部分晶粒－晶粒间是通过渗碳体联 结，致使渗碳体呈网状，并与引起应力集中的 孔隙紧密相连所致。因此我们通常是在将碳含 量控制在共析点水平上。
从图2.1还表明，实验数据的离散性不大， 这说明弹性模量对烧结时间、原始粉末 粒度及合金化程度等不敏感。
借改变孔隙度来控制材料的弹性模量， 是粉末冶金材料的一个重要优点。
硬度
Salak半经验方程：
HS=H0θk1exθp(-K2θ) 对于具体的烧结铁
HBs=831θ0.127exp(-0.049θ) 式中，HS，HBS――烧结体硬度； H0――相应可锻致密材料的硬度； K1,K2――常数。
另外，如纤维、晶须、颗粒增强型金属 基、陶瓷基、树脂基复合材料也都可以 用粉末冶金工艺来制造。
几种典型材料的组织比较（金 相图谱）
烧结Fｅ－C组织中的孔隙 烧结Fｅ－(Cｕ)－C组织与普通碳钢 粉末冶金烧结钢的渗碳体组织
烧结Fｅ－C组织中的孔隙
烧结Fｅ－(Cｕ)－C珠光体组 织与普通碳钢
在孔隙度变化的很大范围内，强度、塑 性和韧性与孔隙度存在非线性关系。
一般可锻致密材料，当强度提高时，塑 性通常变坏，而对于粉末冶金材料来说， 却可能出现刚好相反的关系。
除孔隙度以外，粉末冶金材料的许多力 学行为还对材料中孔隙的形状非常敏感， 尤其是冲击韧性。如在孔隙度相同时， 采用卤化盐填料的活化烧结的铁粉压坯， 其冲击韧性提高5－6倍。
2.1.1.5孔隙在粉末冶金材料中 的某些特殊作用：贮油、过滤、
消音止火等
综上所述，孔隙对烧结体力学行为、断 裂过程及磨损过程大多是负面影响。但 有的时候，孔隙的特殊功能作用却是难 以替代的，例如：
贮油 象含油轴承，湿式摩擦材料等。 这类产品，由于材料内部贮有油类物质 并与表面相连，工作时它们或通过泵吸 作用或是通过挤出使材料工作表面产生 一层油膜，从而达到独特的自润滑和冷 却作用。
延伸率
延伸率是材料塑性的反映。由于烧结材 料的多孔性，许多烧结材料从宏观上很 少表现出塑性，可以认为是脆性材料。 对于像烧结铁这样有塑性特征的烧结体， 其延伸率则同时取决于孔隙度和孔隙形 状。它们都与工艺过程和工艺参数密切 相关
冲击韧性
冲击韧性是材料的一种动态的机械性能， 强烈地依赖于材料的塑性，因此烧结材 料的冲击韧性也强烈地取决于材料的孔 隙度和孔隙形状。冲击韧性与密度的关 系服从指数函数规律，随密度增加而增 高。
2.1.3.1减磨制品：自润滑轴承、双金属轴承和 DU轴承
2.1.3.2耐磨制品：
2.2影响产品性能的因素与提高产品性能的途径
2.2.1影响因素
2.2.1.1原料粉末
2.2.1.2工艺过程
2.2.1.3工艺参数
2.3粉末冶金产品的常见质量问题及其分 析
2.3.1密度问题
2.3.2内部缺陷：分层、裂纹、组织缺陷 如粗大的碳化物，大量的网状渗碳体， 表里组织差异等、
由于材料体系的复杂性，目前关于孔隙 对粉末冶金材料的定量描述还都是半经 验性质的。
抗拉强度
A. Salak半经验方程：
σs=σ0exp(-Kθ) 式中，σs――烧结材料的抗拉强度； σ0――相应可锻致密材料的抗拉强度； K――与材质和制造工艺有关的常数；
θ――孔隙度（%）
对烧结铁来说，可表示为：
ES＝kE0（1－θ）3.4 式中，ES――烧结材料的弹性模量； E0――相应致密材料的弹性模量； θ――孔隙度（%）
k――材料或基体金属的常数
从图和公式可知，烧结材料的弹性模量 因孔隙度增大而减小，也就是在给定应 力下，弹性应变因孔隙度而增大是。一 般，烧结多孔铁的弹性模量是很小的， 孔隙度大于30%的烧结铁的弹性模量比 铜的还低。
2.3.3外观质量问题：掉边掉角、磕碰伤、 光洁度等
2.3.4尺寸精度，形位公差
2.1粉末冶金材料的基本特点与 特性概述
2.1.1组织特征 2.1.1.1多孔性：开孔，闭孔、连通孔
2.1.1.1多孔性：开孔，闭孔、 连通孔
一般说来，粉末冶金材料的最基本特点 是多孔性。
粉末冶金材料的孔隙度范围很广，有 1%~2%残留孔隙度的“致密材料”，有 大于15%孔隙度的多孔材料，也有高达 98%孔隙度的泡沫材料。
一般负荷较低的零件如垫圈、衬套、链 轮等可应用这种烧结合金，对负荷较高 的零件则需要进行热处理。下表为烧结 碳钢的力学性能指标及其与SAE钢的比 较。
b.Fe-Cu-C-(P)也叫烧结铜钢
这是粉末冶金铁基零件中应用最普遍的。
在普通致密钢中，加铜是极少出现的。因此无 法与之进行比较。
烧结铜钢在烧结状态下的强度较高，这可能是 由于铜的沉淀强化和淬透性增高所致。
H――孔隙曲率；
Vθ――孔隙度体积分数； β――孔隙间距。
2.1.1.4孔隙在粉末冶金材料磨 损过程中的作用
在铁基粉末冶金材料作为结构件应用时，大多 情况下都被用作耐磨件。
除自润滑型减磨材料外，在无润滑磨损条件下， 孔隙在磨损过程中的作用，至今还未得出一致 的结论。但有一点比较一致，即孔隙是材料磨 损过程中产生磨屑的源之一。硬度较高的材料， 在对偶微凸体压应力的作用下，孔隙会以边缘 碎裂并在剪切应力作用下裂纹扩展而产生磨屑， 对象烧结铁这类塑性较好的材料，孔隙将更容 易产生犁削作用而产生磨屑，使磨损加大。同 时，孔隙也起留集磨屑的作用，这使得磨耗减 小。
2.1.2成分特点
2.1.2.1几种铁基粉末冶金结构材料的成分及其 在电动工具中的应用：Fe-C;Fe-Cu-C-(P);Fe-NiCu-C:Fe-Ni-Cu-Mo-C;Fe-Mn-Cr(V)-Mo-C;
2.1.2.2常见合金元素及其与非烧结钢的比较： Cu,P,S等
2.1.3减磨与摩擦材料
这里我特别提一下含氧量。一般，粉末 冶金材料的含氧量要高于相应的致密材 料。材料中氧化物夹杂聚集在原始粉末 颗粒界面上，造成类似孔隙的薄弱区， 容易形成裂纹
原料粉末粒度、孔隙长度、孔隙曲率、 孔隙间距等与疲劳强度的关系（对于孔 隙度大于8%的烧结钢）：
σc＝g(H4/V2θβ)1/6 式中，g――常数；
烧结铜钢热处理时，力学性能显著增高。在淬 火－回火时，产生析出硬化现象。下表为一些 烧结铜钢的力学性能标准：
c.烧结Fe-Ni-Cu-Mo-C合金
一般，烧结Fe-Ni-C合金时，通常添加一 定量的铜，常称烧结镍钢。这类材料要 控制化合碳含量有一定的困难，因为必 须精细地调整烧结气氛，以免烧结时脱 碳。为此，在欧洲广泛地采用了无碳烧 结铁基结构零件。其中应用最多的是烧 结Fe-Ni-Cu。
烧结钢的断裂机理：新的微裂纹萌生于 内孔隙，通过孔隙合并机理发生裂纹的 扩展与长大，这种合并可以是孔隙通过 粉末颗粒间的桥接发生，也可以是晶间 或穿晶断裂而发生。
致密钢的断裂的一般断裂机理简述。
2.1.1.3孔隙对粉末冶金结构材 料力学行为的影响
几乎所有的力学行为都随孔隙度的降低 而得到改善。
过滤 过滤是孔隙的又一独特功能。利用材料 连通开孔可对许多气态和液态物质进行过滤净 化，或通过浸入催化剂，作为催化剂的载体， 使气体或液体经过时发生化学反应，达到转化 或催化的作用。同时，利用粉末颗粒度选择与 工艺过程可很容易地控制孔隙的孔径大小而达 到不同的过滤精度。青铜基、钛基、不锈钢基、 陶瓷基过滤器和催化载体在石化、酿造、化工、 制药、食品、冶金、汽车等诸多领域获得了大 量的应用。
最具代表性的例子：钨铜。钨熔点3400 多度，比重25.3g/cm3,铜熔点1083度，比 重8.92 g/cm3，熔点比重相差如此大又完 全不互溶的物质，用熔炼的工艺是不可
能实现的。这种材料既具有很高的耐热
性，优良的传导性，又具有象耐电弧烧
蚀等特性，因此被广泛应用于电工触头，
电子封装材料，电极和航空航天领域的 发汗材料等。