各化学元素在粉末冶金中的作用

十、钒（Vanadium）等
1、钒物理特性： 密度：6.11g/cm³； 熔点：1919℃； 2、钒溶解度： α-铁：无限； γ-铁： 约1.4% ； 3、在粉末冶金中的作用： 3.1、Nb、V、Ti、Al元素在粉末冶金材料中可产生相间沉淀和纤维状碳化物，沉 淀可发生在铁素体、珠光体、贝氏体中，形成奥氏体-珠光体组织时，产生较 大的强化效果； 3.2、钒的沉淀强化效力强大且容易控制，是最广泛使用的沉淀强化添加剂，它 可以通过中间相和V(C、N)在铁素体内任意沉淀而造成沉淀强化，也促成晶 粒内更多的形核，使晶粒细化，研究表面铁素体的沉淀强化程度依赖于氮碳 可利用量； 3.3、钴是稀有元素，一般用作特殊材料、磁性材料和高温耐磨材料； 碳化物硬度：碳化钼：HV2200； 碳化钨、碳化铌：HV2400; 碳化钒：HV2800; 碳化钛：HV3400。
九、铜（Copper）
1、物理特性： 密度：8.96g/cm³； 熔点：1083℃； 2、溶解度： α-铁：0.2%； γ-铁： 8.5% ； 3、在粉末冶金中的作用： 3.1、铜通常应用在自润滑含油轴承、青铜合金等摩擦材料上； 3.2、铜具有良好的导热、导电率，以及良好的抗腐蚀和机械性能，用作 制作渗铜类零件，导热及机械性能较好； 3.3、铜在铁基粉末冶金中有固溶强化作用，在含量低时，可以代替镍； 3.4、铜熔点较低，铁基粉末冶金烧结过程中，铜在1083℃左右便开始溶 化，产生瞬时液相，润滑基体、促进烧结。 3.5、铜与磷或硼配合使用，在铁基粉末冶金中， 提高产品摩擦性能，还能提高钢的强度和 屈服比； 3.6、铜在铁基粉末冶金中具有永久封闭孔隙的 作用。
四、硫（Sulfur ）
1、物理特性： 密度：1.96g/cm³； 熔点：112℃； 2、溶解度： 在铁的溶解度很小，一般以硫化物形式存在； 3、在粉末冶金中的作用： 3.1、MnS等硫化物在粉末冶金中起切削剂的作用； 3.2、硫与铁生成硫化铁，硫化铁均匀的分布在制品各处，在摩擦表面起 着良好的润滑作用，并可以改善切削加工性能； 3.3、硫化处理的制品，其摩擦和加工表面显得特别光滑，具有很好的干 摩擦性能； 说明：硫的含量不恰当，使制品产生热脆性，降低 延展性和韧性，还会降低耐腐蚀性，通常加入S、 MnS等硫化物的制品较容易锈蚀。
七、铬（Chromium）
1、物理特性： 密度：7.2g/cm³； 熔点：1860℃； 2、溶解度： α-铁：无限； γ-铁： 12.8% ； 3、在粉末冶金中的作用： 3.1、溶入铁中起固溶强化作用； 3.2、稳定铁素体，有利于铁的扩散； 3.3、液相烧结，C含量1.8%-3.6%的高铬粉末压坯在1160~1260℃温度 范围内可实现液相烧结，得到高密度、高强度； 3.4、在低合金制品中，明显的提高强度和耐磨性。 3.5、铬是制作不锈钢粉末冶金材料的重要元素； 说明：铬、硅强烈缩小奥氏体区，当含量较高时， 奥氏体区甚至完全消失。
十一、各元素性能总结
1、多数合金元素使马氏体点MS降低，其中Cr、Mn、Ni元素的作用最强。 只有Al 、Co元素是提高马氏体点MS的，Si元素则影响不大； 2、Cr、W、Mo、V、Ti、Al、Si等元素的加入会使奥氏体相区缩小，特 别是Cr、 Si含量高时将限制奥氏体体区，甚至完全消失； 3、固溶强化作用递增次序：Cr<W<V<Mo<Ni<Mn<Si<P； 4、Co、Ni等部分非碳化物形成元素能增大C的扩散速度，使奥氏体形成 速度加快； 5、Ni、Mn、Co、C、N、Cu等元素的加入会使奥氏体相区扩大，特别 是Ni、Mn的影响更大； 6、V、Ti、Nb、Zr强烈阻碍奥氏体晶粒长大； W、Cr、Mo中等阻碍奥氏体晶粒长大； Mn、B促进奥氏体晶粒长大； 7、Mo、Mn、W、Cr、Ni、Si、Al对淬透性作用依次由强到弱；
二、硼（Boron）
1、物理特性： 密度：2.3g/cm³； 熔点：2180℃； 2、溶解度： α-铁：0.008%； γ-铁：0.018-0.026%； 3、在粉末冶金中的作用： 3.1、溶入铁中形成间隙式固溶体起固溶强化作用； 3.2、提高材料的淬透性，有利于热处理后力学性能的提高； 3.3、硼化物（Fe2B、B4C）自身具有优良的耐磨性，在粉末冶金中形成 硼共晶，硼共晶以孤立的颗粒形态存在，在基体中形成良好的耐磨 相，但可能会由于硼化物或硼渗碳体的析出而降低力学性能，通常加 入一定量的铜做“粘合剂”，改善组织结构性能； 说明：硼在粉末冶金材料中的应用研究表明： 硼虽然可能改善材料的密度、抗拉强度、耐磨性 等单方面的性能，但由于硼化物自身硬脆、熔点 高、粒度粗大、易脱落等因素，至今未在粉末冶 金中广泛使用。
六、钼（Molybdenum）
1、物理特性： 密度：10.2g/cm³； 熔点：2622℃； 2、溶解度： α-铁：4.0%； γ-铁：约3%； 3、在粉末冶金中的作用： 3.1、溶入铁中起固溶强化作用； 3.2、钼稳定铁素体，有利于铁的扩散； 3.3、易形成碳化物，沉淀强化，增加耐磨性，推迟珠光体转变，细化珠 光体组织并增加珠光体含量； 3.4、提高淬透性和防止回火脆性，同时热处理 后可能形成碳化钼强化晶界； 3.5、钼及其合金材料，具有高密度、高强度、 高熔点、高的高温强度和高温硬度，在粉末冶 金中主要用做高温耐磨材料；
八、锰（Manganese）
1、物理特性： 密度：7.44g/cm³； 熔点：1244℃； 2、溶解度： α-铁：约3%； γ-铁： 无限 ； 3、在粉末冶金中的作用： 3.1、硫化锰加入，改善粉末冶金材料切削性能； 3.2、锰具有明显的固溶强化作用，固溶于铁素体的强度效果由于镍，当 含量超过1.5%w后，韧性才开始下降； 3.3、锰还有细化铁素体和珠光体，增加珠光体相对含量的作用； 3.4、锰能提高淬透性，在含碳量较低的情况下，可获得心部为低碳马氏 体的组织，从而使心部具有足够的强度。 3.5、锰和镍一样，均强烈扩大奥氏体区，在含 量足够高时，使制品具有单相奥氏体组织； 说明：锰极易氧化，一旦氧化后，极难还原。
五、镍（Nickel）
1、物理特性： 密度：8.90g/cm³； 熔点：1453℃； 2、溶解度： α-铁：10%； γ-铁：无限； 3、在粉末冶金中的作用： 3.1、使作为基体的铁素体产生固溶强化，又不使铁素体的延伸率和韧性有明显 的降低； 3.2、稳定γ-铁，使共析含碳量降低，珠光体增加，在较好的延伸率下有较好的 强度； 3.3、促进烧结致密化，使孔隙减少和球化，密度提高，使抗拉强度提高的同时 又提高延伸率； 3.4、提高淬透性和促进马氏体形成，有利于热处理后 材料性能的提高； 3.5、在同样冷却条件下，烧结态时珠光体片细小，热 处理态时淬透性提高，都能使材料强度性能提高； 3.6、镍、锰强烈的扩大奥氏体相区，含量较高 （＞6.5%w）可使奥氏体稳定； 说明：镍在铁中扩散速度很慢，一般添加镍的制品需要 更高的烧结温度，且添加镍粉需要较细的材料。
十二、粉末冶金混合粉获取方式的优缺点
1、元素混合法：将合金元素加在铁粉中机械混合；生产费用低；材料微 观组织有时因混料时部分合金化不均匀，导致少量粉末硬度高，烧结 中热扩散不充分而导致成分的不均匀； 2、部分合金化法（扩散合金化法）：具有较高的压缩性；合金元素在制 品烧结过程中进一步合金化，使烧结零件保持尺寸公差稳定，比元素 混合法均匀，力学性能较好； 3、预合金化法：压缩性比1、2要低；粉末颗粒中合金元素均匀分布，用 其生产的烧结材料具有均匀的显微结构、高的强度和高的耐磨性；更 有效的利用合金元素； 4、混合合金法：合金元素加入到预合金化钢粉中，以使材料在其淬透性 和压缩性之间找到最好的结合点；目前这种方法使用越来越广泛。 说明：采用预合金粉一方面可以有效解决锰、铬在元素混合和干燥时容 易氧化的问题，另一方面由于采用预合金粉，元素之间扩散更加容易、 更加均匀，所需烧结温度降低，节约生产成本。
三、磷（Phosphorus）
1、物理特性： 密度：2.2g/cm³； 熔点：280℃； 2、溶解度： α-铁：2.8%； γ-铁：0.2%； 3、在粉末冶金中的作用： 3.1、溶入铁中形成间隙式固溶体起固溶强化作用； 3.2、稳定α-铁，强化了烧结时铁原子的扩散，加速烧结； 3.3、液相烧结，1050℃形成共晶液相，加速扩散和烧结致密化，并球化 孔隙，添加量＜0.5%w； 3.4、随含碳量的增加，当磷含量超过一定数值时，在共晶团之间就形成 了磷共晶，磷共晶是一个硬而脆的组织，可以 提高耐磨性； 3.5、铁磷合金具有较高的耐磨性和稳定较低的 摩擦系数； 说明：磷一般是以磷铁合金粉的形式加入；磷 的含量不恰当，容易引起铁基合金产生突发脆性。
各化学元素在粉末冶一、碳（Carbon）
1、物理特性： 密度：1.8g/cm³； 熔点：3500℃； 2、溶解度： α-铁：0.02%； γ-铁：2.06%； 3、在粉末冶金中的作用： 3.1、溶入铁中形成间隙式固溶体起固溶强化作用； 3.2、与铁生成Fe3 C,改善材料显微组织，与铁素体形成珠光体时，强化 效果较好； 3.3、减少金属氧化物数量，从而改善力学性能； 3.4、形成游离石墨，润滑基体（硅为强石墨化元素）； 3.5、与Mo、V、W等形成碳化物，弥散强化，增加耐磨性。 4、碳化物相对稳定性的顺序如下： Zr＞Ti＞ Ta＞Nb ＞V ＞W ＞Mo ＞Cr ＞Mn＞Fe 说明：碳化物越稳定，元素与碳结合能力越强。