Fe-P-C三元系合金的组织与性能.pdf_大学文库

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1981.03.026 北京钢铁学院学报 1981年第3期 Fe-PC三元系合金的组织与性能粉末冶金教研室刘传习赖和怡摘要在铁基粉末冶金中，采取铁磷合金化，是改善和提高铁基粉末冶金制品的强度和韧性的有效方法之一。研究铁磷合金的组织与性能，对于制定铁磷合金的最佳工艺、获得更高的综合性能以及铁磷合金的推广应用，都将具有重要的指导作用。本文列举了不同成份的Fe-P二元系及Fe-P-C三元系合金所具有的优越性能，并以金相方法配合显微硬度的测定，·着重研究了不同烧结及冷却条件下的组织和性能变化，并对强化机理进行了探讨。一、前言本世纪三十年代以来，国外即从事了关于含磷烧结钢的研究【山，国内也曾作过一些工作【、【)，均证明磷对提高铁基制品的强度有良好的效果。但由于过去是直接加入磷粉，在烧结时常引起制品的强烈收缩和变形。此外磷还提高铁基合金的脆性，因此在工业生产上过去未能得到推广应用。 70年代前后瑞典管根纳斯铁粉公司研究成了几种牌号的铁磷合金粉」、！。但有关铁磷合金粉的制造工艺、铁磷合金强化机理等问题未见详细报道。自1978年以来，我们对铁磷合金粉的制取工艺，铁磷合金材料的压制和烧结条件，铁磷合金制品烧结过程中的尺寸变化及其控制，铁磷合金的性能、组织及强化机理，以及铁磷合金的实际应用等方面作了比较系统的研究。部分的研究结果可详见我们过去发表过的两篇论文」7，在此不再赘述。文中我们列举了不同成份的Fe-P二元系及Fe-P-C三元系合金所具有的优越性能，着重以金相方法配合显微硬度的测定，研究不同烧结和冷却条件下的组织及性能变化，并对强化机理进行了探讨。为了更清楚地了解Fe-P-C三元系合金的组织与性能，首先对Fe-P二元系合金进行了较为详细的研究和讨论。封二、试验方法 ·本试验中使用的主要原料有铁粉、磷铁粉、石墨粉和铜粉。试样是采取普通的混料、压制及烧结方法制取的。 35

北京钢铁学院学报年第期一一三元系合金的组织与性能粉末冶金教研室刘传习抽和怡摘要在铁墓粉末冶金中，采取铁磷合金化，是改善和提高铁墓粉末冶金制品的强度和韧性的有效方法之一。研究铁磷合金的组织与性能，对于制定铁磷合金的最佳工艺、获得更高的综合性能以及铁磷合金的推广应用，都将具有重要的指导作用。本文列举了不同成份的一二元系及一一三元系合金所具有的优越性能，并以金相方法配合显微硬度的测定， · 着重研究了不同烧结及冷却条件下的组织和性能变化，并对强化机理进行了探讨。一、前、 ‘ ，口本世纪三十年代以来，国外即从事了关于含磷烧结钢的研究 ‘ ，国内也曾作过一些工作 ’ 、 ’ ，均证明磷对提高铁基制品的强度有良好的效果。但由于过去是直接加入磷粉，，在烧结时常引起制品的强烈收缩和变形。此外磷还提高铁基合金的脆性，因此在工业生产上过去未能得到推广应用。年代前后瑞典霍根纳斯铁粉公司研究成了几种牌号的铁磷合金粉 ‘ 」、 ’ 。但有关铁磷合金粉的制造工艺、铁磷合金强化机理等阿题未见详细报道。自宫年以来，我们对铁磷合金粉的制取工艺，铁磷合金材料的压制和烧结条件，铁磷合金制品烧结过程中的尺寸变化及其控制，铁磷合金的性能、组织及强化机理，以及铁磷合金的实际应用等方面作了比较系统的研究。部分的研究结果可详见我们过去发表过的两篇论文，’ 」，在此不再赘述。文中我们列举了不同成份的一二元系及一一三元系合金所具有的优越性能，着重以金相方法配合显微硬度的测定，研究不同烧结和冷却条件下的组织及性能变化，并对强化机理进行了探讨。为了更清楚地了解一一三元系合金的组织与性能，首先对一二元系合金进行了较为详细的研究和讨论。二、试验方法本试脸中使用的主要原料有铁粉、磷铁粉、石墨粉和铜粉。试样是采取普通的混料、压制及烧结方法制取的。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1981．03．026

烧结好的试样分别采取随炉缓冷及淬水急冷两种方式。配制了。浸蚀剂〔〕，以显示铁磷合金在不同的烧结和冷却条件下的相及组织的变化。浸浊利的成份为么毫克，毫克，。克，蒸馏水毫升，酒精毫升。为了确证铁磷合金在高温烧结时的相变及磷的分布状况，对有关的试样进行了显微硬度测定。此外，按照常规方法对试样的化学成分、、、等、密度、硬度、抗弯强度、拉伸强度及冲击韧性等进行了分析和检验。三、试验结果及讨论铁确合金的性能经过两年多来的反复试验，发现铁磷合金确实具有优越的综合机械性能。详见表、表表一二元系合金的性能密度克厘米吕。抗弯强度公斤毫米冲击韧性公斤一米毫米勺内甘八土，上甘廿勺任︸丹口八， … 甲‘内凡丹、、、性能一、成份一、、、、 … ﹄办户一︸匕月口了八﹄工才口“﹄。︸︸压制密度约克厘米，烧结温度 ℃ ，保温分，分解氮保护。表不同含磷量的一一三元系合金的性能一 ‘ 辰份一、一 …荔 …贾川咒鬓 · · 。 · ” · ” … ‘ ” ‘ ‘ · ‘ ” · ” · “ · ‘ ” ‘ · ” · ” · “ · ‘ ‘ · … “ · “ · “ 十 ” · “ · ‘ · 冲击韧性公斤一米毫米烧结温度 ℃ ，保温小时，城市转化煤气保护。铁磷合金所达到的上述性能在国内是具有先进水平的。某些性能指标已达到和超过瑞典霍根纳斯铁粉公司同牌号合金的水平，见表。在实验室研究试制的铁磷合金粉，先后在一些工厂进行了试验，均取得了较好的效果，不仅可以达到有关部门规定的技术要求，而且能节约短缺的有色金属铜，从而降低制品的成本。令

Fe,P+a-Fe李L(液相) 因而形成共晶液相。该液相能润湿铁粉颗粒表面，并由于毛细管的作用力会重新分布，而且包复在铁粉颗粒表面上。由于磷原子在a-Fe中的最大溶解度可达2.5%，因此，共晶液相的形成就提供了磷原子向铁粉颗粒中扩散的有利条件。考虑到磷铁和铁粉颗粒之间的接触情况各不相同，所以磷原子在铁粉颗粒中的扩散溶解是不均匀的。当烧结温度保持在1120℃时，由于液相中的磷向铁粉颗粒中扩散，最终会使液相消失。这时合金的组织是富磷的a-Fe相和含磷较低的Y-Fe相。当铁磷合金中含磷量提高时，则富磷的a-Fe相增多，而含磷较低的Y-Fe则相应减少。为了证明并进一步深入了解Fe-P二元系合金在烧结时的相变过程及冷却后的组织状态，特做了以下试验：将含磷量分别为0.3%、0.45%、0.6%及0.8%的四种铁磷合金，在1120℃烧结，保温 90分，然后淬水急冷，并用ob「(B)浸蚀剂浸蚀，得到一组照片（见图2，本文照片均见图版)。由照片可以看出，每种合金试样均存在着白亮区与灰暗区两个差别十分显著的区域，而且随着含磷量的提高，白亮区有规律地扩大，灰暗区则有规律地减少。结合F一P二元系相图来分析，很明显，白亮区就是铁磷合金在高温烧结状态下的a-F相，而灰暗区则是铁磷合金在高温烧结状态下的Y-Fe相。这是由于在高温烧结状态下a-Fe相中的含磷量比Y-Fe相中高得多，当淬水急冷时，磷原子在冷却过程中来不及扩散，于是这种高温相的成分差别便被保留了下来。尽管在室温状态下都以铁素体形态存在，但原来两个不同相区的含磷量是不同的，因此经obf(B)浸蚀剂浸蚀后即显现出两种不同的颜色。白亮区为高磷区，即原来的 a-Fe相区，灰暗区为低磷区，即原来的Y-Fe相区。显然随含磷量的提高，铁磷合金在高温烧结状态下的a-F相随之增多。淬水急冷后的试样经浸蚀后，在金相显微镜下呈现的白亮区也相应扩大。为了进一步加以确证，另将同样的四种铁磷合金，采取相同的烧结条件，但实行随炉缓冷。其试样抛光后也用。b[(B)浸蚀剂浸蚀，得到另一组金相照片（见图3）。从这组照片中看到的是白色的铁素体基体和孔洞，并且孔洞的形状及数量随含磷量的增加而有所变化。但却看不到白亮区与灰暗区的明显差别。这是因为在随炉缓冷过程中，在a-Fe相及Y-Fe相之间发生了磷原子的扩散，从而在室温下得到含磷比较均匀分布的铁素体组织。此外，还对铁磷合金试样中所显现的白亮区及灰暗区进行了显微硬度测定，测定结果表明，所有白亮区的硬度都高于灰暗区的硬度，见表4。这是因为白亮区为高温烧结时的α-F 相，其含磷量高，故显微硬度高，而灰暗区为高温烧结时的Y-F相，其含磷量低，故显微表4 铁磷合金试样不同区域的显微硬度测定显微硬度 (公斤/毫米2) 不同区域 2 3 4 平均值白亮区（高温时的a-Fe相） 197.0 207.2 209.6 218.9 208.2 灰暗区（高温时的Y-Fe相） 150.6 158.9 185.6 185.6 172.2 ◆试样成分为Fe+0.45%P,烧结温度1120℃，保温90分，淬水急冷。表中1、2、3、代表不同的测定位置。 38

一 ‘ ‘ 争液相因而形成共晶液柑。该液相能润湿铁粉颗粒表面，并由于毛细管的作用力会重新分布，而且包复在铁粉颗粒表面上。由于磷原子在一中的最大溶解度可达，因此，共晶液相的形成就提供了磷原子向铁粉颗粒中扩散的有利条件。考虑到磷铁和铁粉颗粒之间的接触情况各不相同，所以磷原子在铁粉颗粒中的扩散溶解是不均匀的。当烧结温度保持在 ℃ 时，由于液相中的磷向铁粉颗粒中扩散，最终会使液相消失。这时合金的组织是富磷的一相和含磷较低的丫一相。当铁磷合金中含磷最提高时，则富磷的一相增多，而含磷较低的一则相应减少。为了证明并进一步深入了解一二元系合金在烧结时的相变过程及冷却后的组织状态，特做了以下试验将含磷量分别为、、及的四种铁磷合金，在 ℃ 烧结，保温分，然舌淬水急冷，并用。浸浊刘浸蚀，得到一组照片见图，本文照片均见图版。由照片可以看出，每种合金试样均存在着白亮区与灰暗区两个差别十分显著的区域，而且随着含磷量的提高，白亮区有规律地扩大，灰暗区则有规律地减少。结合一二元系相图来分析，很明显，白亮区就是铁磷合金在高温烧结状态下的一相，而灰暗区则是铁磷合金在高温烧结状态下的丫一相。这是由于在高温烧结状态下一相中的含磷量比丫一相中高得多，当淬水急冷时，磷原子在冷却过程中来不及扩散，于是这种高温相的成分差别便被保留了下来。尽管在室温状态下都以铁素体形态存在，但原来两个不同相区的含磷量是不同的，因此经浸蚀剂浸蚀后即显现出两种不同的颜色。白亮区为高磷区，即原来的一相区，灰暗区为低磷区，即原来的丫一相区。显然随含磷量的提高，铁磷合金在高温烧结抉态下的一相随之增多。淬水急冷后的试样经浸蚀后，在金相显微镜下呈现的白亮区也相应扩大。为了进一步加以确证，另将同样的四种铁磷合金，采取相同的烧结条件，但实行随炉缓冷。其试样抛光后也用。浸蚀剂浸蚀，得到另一组金相照片见图。从这组照片中看到的是白色的铁素体基体和孔洞，并且孔洞的形状及数量随含磷量的增加而有所变化。但却看不到白亮区与灰暗区的明显差别。这是因为在随炉缓冷过程中，在一相及丫一相之间发生了磷原子的扩散，从而在室温下得到含磷比较均匀分布的铁素体组织。此外，还对铁磷合金试样中所显现的白亮区及灰暗区进行了显微硬度测定，测定结果表明，所有白亮区的硬度都高于灰暗区的硬度，见表。这是因为白亮区为高温烧结时的一 “ 相，其含磷量高，故显微硬度高，而灰暗区为高温烧结时的丫一相，其含磷量低，故显微表铁磷合金试样不同区域的显微硬度测定显微硬度公斤毫米名不同区域平均值白亮区高温时的一相灰暗区高温时的丫一相匕内甘试样成分为，烧结温度。 ℃ ，保温。分，淬水急冷。表中、代表不同的测定位置。、、产

硬度也低。为了研究铁磷二元系合金在烧结保温过程中的相变和扩散，选择了含磷为0.8%的铁磷合金，在1220℃烧结，分别保温5分、30分及60分，然后淬水急冷，试样抛光后用obf(B) 浸蚀剂浸蚀，得到-一组照片（见图4)。由图4()的照片中可清楚看到，在灰暗区周围都有一圈白亮区。证明在烧结温度下，先形成少量的磷共晶液相，包复在铁粉颗粒周围。由于保温时间较短，只有5分钟，磷原子的扩散刚刚开始，所以颗粒周围有一圈富磷铁素体，而颗粒的中心区域仍为低磷奥氏体。随着烧结时间由5分延长至30分及60分，磷原子不断地由四周向铁粉颗粒中心扩散溶解，并逐步均匀化。这时低磷的奥氏体区基本消失，得到的组织是铁素体加孔隙。由F®-P二元系相图及上述试验可以看出，在铁磷二元系合金中，磷不仅能溶解到铁粉颗粒中，产生固溶强化作用，而且可以缩小甚至封闭奥氏体稳定区，因此，当磷的加入量为 0.3~0.6%时，可看到铁磷合金将处于两相区烧结，即在烧结过程中除有奥氏体外，还有一部分或大部分铁素体存在。当铁磷合金中磷含量超过0.6%时，使得奥氏体区被封闭，则合金由室温一直到熔点都不会发生a-Fe转变成Y-Fe的相变。这种铁磷合金基本在铁素体状态下进行烧结（由于在烧结时磷的扩散均匀化很难充分，故在烧结状态下，合金试样的组织除大部分为a-Fe相外，仍有少量Y-Fe相存在)。在a-Fe相区烧结时，铁的自扩散活化能约为37000卡/克分子，而在Y-Fe相区铁的自扩散活化能约为67000卡/克分子I。在正常的烧结温度下，铁原子在铁素体中的扩散系数要比在奥氏体中大100倍左右。因此如铁基合金在烧结时仍能保持铁素体的晶体结构，就可使烧结过程大大地强化，加速其致密化和孔隙球化过程，使之材料的强度和韧性都得到提高，从而获得较优越的综合机械性能。 (2)Fe-P-C三元系合金在烧结过程中的相变及冷却后的组织。现参考Fe-P-C三元系合金相图在1120℃下的等温截面图(8)（见图5）进行分析。 Fe-P-C三元系合金在烧结过程中的相变在很大程度上与Fc一P二元系合金相似，只是由于添加了石墨，使Y-F区扩大，并使得扩散溶解及相变过程更加复杂和不均匀。 0.100.200.300.40 化合碳量G 图5Fe-P-C三元系合金相图在1120℃下的等温截面图。园圈用于妍究表示试样的成分，每个园图中白的部分表示铁素体，黑的部分表示奥氏体。众所周知，磷和碳原子在a-Fe和Y-Fe中的溶解度是不同的。磷原子在a-Fe中的溶解度大，最大溶解度可达2.5%，而碳原子则在Y-F中的溶解度大，最大溶解度可达 2.1%。由于碳原子在Y-Fc中的溶解度比在a-Fe中大得多，因此，碳原子主要是溶解到Y-Fe 39

硬度也低。为了研究铁磷二元系合金在烧结保温过程中的相变和扩散，选择了含磷为的铁磷合金，在。 ℃ 烧结，分别保温分、分及分，然后淬水急冷，试样抛光后用。浸蚀剂浸蚀，得到一组照片见图。由图的照片中可清楚看到，在灰暗区周围都有一圈白亮区。证明在烧结温度下，先形成少量的磷共晶液相，包复在铁粉颗粒周围。由于保温时间较短，只有分钟，磷原子的扩散刚刚开始，所以颗粒周围有一圈富磷铁素体，而顺粒的中心区域仍为低磷奥氏体。随着烧结时间由分延长至分及分，磷原子不断地由四周向铁粉颗粒中心扩散溶解，并逐步均匀化。这时低磷的奥氏体区基本消失，得到的组织是铁素体加孔隙。由一二元系相图及上述试验可以看出，在铁磷二元系合金中，磷不仅能溶解到铁粉颗粒中，产生固溶强化作用，而且可以缩小甚至封闭奥氏体稳定区，因此，当磷的加入为时，可看到铁磷合金将处于两相区烧结，即在烧结过程中除有奥氏体外，还有一部分或大部分铁素体存在。当铁磷合金中磷含量超过时，使得奥氏体区被封闭，则合金由室温一直到熔点都不会发生一转变成丫一的相变。这种铁磷合金基本在铁素体状态下进行烧结由于在烧结时磷的扩散均匀化很难充分，故在烧结状态不合金试样的组织除大部分为一相外，仍有少量丫一相存在。在一相区烧结时，铁的自扩散活化能约为卡克分子，而在丫一相区铁的自扩散活化能约为卡克分子。，。在正常的烧结温度下，铁原子在铁素体中的扩散系数要比在奥氏体中大倍左右。因此如铁基合金在侥结时仍能保持铁素体的晶体结构，就可使烧结过程大大地强化，加速其致密化和孔限球化过程，使之材料的强度和韧性都得到提高，从而获得较优越的综合机械性能。一一三元系合金在烧结过程中的相变及冷却后的组织。现参考一一三元系合金相图在 ℃ 下的等温截面图〔〕见图进行分析。一 ‘ 三元系合金在烧结过程中的相变在很大程度上与一二元系合金相似，只是由于添加了石墨，使一区扩大，并使得扩散溶解及相变过程更加复杂和不均匀。次州猛握卜化含碳星图一一三元系合金相图在 ℃ 下的等温截面图。园圈用于研究表示试样的成分，每个园圈中白的部分表示铁素体，黑的部分表示奥氏体。众所周知，磷和碳原子在一和丫一中的溶解度是不同的。磷原子在一中的溶解度大，最大溶解度可达，而碳原子则在丫一中的溶解度大，最大溶解度可达。由于碳原子在丫一中的溶解度比在一中大得多，因此，碳原子主要是溶解到丫一

中。同时碳又是扩大Y-Fe相区的元素，故当碳含量提高时，随着碳原子的扩散，Y-Fe相的量将要增多。相反，由于磷原子在a-Fe中的溶解度比在Y-Fe中大得多，因此，磷原子主要是溶解到a-Fe中。同时磷又是缩小Y-Fe相区的元素，故当磷含量提高时，随着磷原子扩散，a-Fe相区不断扩大，而Y-Fe相区则相应地逐渐缩小。当Fe-P-C三元系合金的成分一定时，在高温烧结过程中经过相变达到平衡后，其a-Fe和Y-Fe相的相对量也是一定的。例如Fe+0.8%P+0.7%C(实际化合碳约0.3~0.4%)合金，按照Fe-P-C三元系相图在 1120℃下的截面图，其最终a-Fe相的量约为10~0%，而Y-Fe相的量将近90~100%。不同含碳量的Fe-P-C三元系合金，经1120℃烧结，保温90分钟，然后淬火急冷，得到的组织为铁素体+马氏体+孔隙+少量游离石墨，见图6。从图6可以看出，在Fe-P-C三元系合金中，随含碳量提高，经淬水急冷所得组织中马氏体量增多。马氏体组织具有较高的硬度，再加上磷对基体a-Fe及马氏体均有固溶强化作用，故使得淬火的Fe-P-C三元系合金具有很高的强度和硬度，如Fe+0.8%P+0.9%C合金经水淬后其硬度可达111.6HRB。但是，这种淬火的Fe-P-C合金的冲击韧性却有明显降低。 Fe-P-C三元系合金在1120℃烧结，保度90分，然后随炉缓冷，得到的组织为铁素体+ 珠光体+孔隙+游离石墨，见图7。游离石墨对合金的机械性能有着缺口效应。由图7可以看出，在F℃-P-C三元系合金中，当含碳量增高时，则组织中的珠光体随之增加。例如在Fe+0.8%P+0.3%C的合金中珠光体量很少，而当含碳量由0.3%增加到 0.5%和0.9%时，则合金中珠光体量可相应增加到60%和95%。在F©-P-C三元系合金中，由于碳含量增高，使珠光体量增加，因而合金的强度及硬度随之增大，但是冲击韧性却相应有所降低，这主要是因为珠光体增多和游离石墨的存在降低了合金基体的塑性。此外，由于含碳量提高，使F©-P-C三元系合金在高温烧结状态下增多了Y-Fe相而减少了α-Fe相。这就延缓了烧结过程，不利于合金的致密化及孔隙球化。 (3)铁磷合金在烧结过程中的孔隙变化：铁磷合金在烧结过程中，其孔隙形状将要发生显著的球化，见图8。孔隙的显著球化无论是对铁磷合金的强度及韧性都有重要的影响，这是铁磷合金所以能获得如此优越的综合机械性能的关键所在。试验证明，铁磷合金中的孔隙变化与烧结温度、时间及磷含量等都有密切的关系，图9 图10是烧结保温时间及磷含量对孔隙变化的影响。由图9、图10可以看到铁磷合金内部孔隙变化有着大致相同的规律，即随着烧结保温时间延长，或磷含量的提高，孔隙分布由相互连通变成各自隔离，孔隙形状由不规则变成椭园形直至球形，孔隙数量由多变少。铁磷合金中孔隙的上述变化主要是表面张力和原子的扩散所引起的，因此随着烧结保温时间的延长，有利于原子的扩散迁移。而随着磷含量的增高，使铁磷合金在高温烧结时含有更多的a-Fe相，因而强化了烧结过程。根据以上分析，为了使铁磷合金得到更加理想的综合机械性能，烧结温度应适当升高一些，保温时间适当延长一些，磷含量要适当多一些。但烧结温度过高，保温时间过长，会引起晶粒显著长大。而磷含量过多，会引起合金基体的脆化。这些对合金的强度和韧性都是有害的。 (4)铁磷合金在烧结过程中的晶粒长大铁磷合金在烧结过程中，除发生相变及孔隙变化外，晶粒将要长大。 40

中。同时碳又是扩大丫一相区的元素，故当碳含量提高时，随着碳原子的扩散，丫一相的量将要增多。相反，由于磷原子在一中的溶解度比在丫一中大得多，因此，磷原子主要是溶解到一中。同时磷又是缩小丫一相区的元素，故当磷含量提高时，随着磷原子扩散，一相区不断扩大，而丫一相区则相应地逐渐缩小。当一一三元系合金的成分一定时，在高温烧结过程中经过相变达到平衡后，其一和丫一相的相对量也是一定的。例如实际化合碳约合金，按照一一三元系相图在 ℃ 下的截面图，其最终一相的量约为，而丫一相的量将近。不同含碳量的一一三元系合金，经。 ℃ 烧结，保温分钟，然后淬火急冷，得到的组织为铁素体马氏体孔隙少量游离石墨，见图。从图可以看出，在一一三元系合金中，随含碳量提高，经淬水急冷所得组织中马氏体量增多。马氏体组织具有较高的硬度，再加上磷对基体一及马氏体均有固溶强化作用，故使得淬火的一一三元系合金具有很高的强度和硬度，如。。合金经水淬后其硬度可达。但是，这种淬火的一合金的冲击韧性却有明显降低。一一三元系合金在 ℃ 烧结，保度分，然后随炉缓冷，得到的组织为铁素体珠光体孔隙十游离石墨，见图。游离石墨对合金的机械性能有着缺口效应。由图可以看出，在一一三元系合金中，当含碳量增高时，则组织中的珠光体随之增加。例如在十的合金中珠光体量很少，而当含碳量由增加到和时，则合金中珠光体量可相应增加到和。在一一三元系合金中，由于碳含量增高，使珠光体量增加，因而合金的强度及硬度随之增大，但是冲击韧性却相应有所降低，这主要是因为珠光体增多和游离石墨的存在降低了合金基体的塑性。此外，由于含碳量提高，使一一三元系合金在高温烧结状态下增多了丫一相而减少了一相。这就延缓了烧结过程，不利于合金的致密化及孔隙球化占铁磷合金在烧结过程中的孔隙变化铁磷合金在烧结过程中，其孔隙形状将要发生显著的球化，见图。孔隙的显著球化无论是对铁磷合金的强度及韧性都有重要的影响，这是铁磷合金所以能获得如此优越的综合机械性能的关键所在。试验证明，铁磷合金中的孔隙变化与烧结温度、时间及磷含量等都有密切的关系，图图是烧结保温时间及磷含量对孔隙变化的影响。由图、图可以看到铁磷合金内部孔隙变化有着大致相同的规律，即随着烧结保温时间延长，或磷含量的提高，孔隙分布由相互连通变成各自隔离，孔隙形状由不规则变成椭园形直至球形，孔隙数量由多变少。铁磷合金中孔隙的上述变化主要是表面张力和原子的扩散所引起的，因此随着烧结保温时间的延长，有利于原子的扩散迁移。而随着磷含量的增高，使铁磷合金在高温烧结时含有更多的一相，因而强化了烧结过程。根据以上分析，为了使铁磷合金得到更加理想的综合机械性能，烧结温度应适当升高一些，保温时间适当延长一些，磷含量要适当多一些。但烧结温度过高，保温时间过长，会引起晶粒显著长大。而磷含量过多，会引起合金基体的脆化。这些对合金的强度和韧性都是有害的一。铁磷合金在烧结过程中的晶粒长大铁磷合金在烧结过程中，除发生相变及孔隙变化外，晶粒将要长大

当烧结温度提高到1050℃以上至1200℃，由于磷铁共晶液相的形成，促进了制品的致密化，同时铁磷合金又处在a-Fe+Y-Fc两相区或a-Fe相区烧结，随着孔隙的部分消除和集中，晶粒将通过晶界的平直化及大小晶粒之间吞并而长大。在晶粒长大过程中由于晶界的迁移更有利于孔隙的消除，反过来又促使晶粒长大。试验发现当烧结温度高于1200℃时，铁磷合金的晶粒将发生显著长人，见图]1。由图11 可看出，当烧结条件由1220℃保温60分改变为1300℃保温90分时，经测定其平均品粒大小将由50微米左右显著增大到90微米以上。同时由图11(h)还可清楚看到，由了发生品粒间的相互吞并而引起晶界的迁移，原先晶界的痕迹还清晰可见。试验证阴，当铁磷合金的晶粒一旦发生显著长大，则冲击韧性急剧下降。如F©+ 0.45%P的合金，当烧结条件由1220℃、保温60分，改变为1300℃、保温90分，由于晶粒显著长大，使合金的冲击韧性由4.5公斤-米/毫米2急剧降低到0.4公斤-米/毫米2。 (5)关于铁磷合金强化机理：铁磷合金不仅具有较高的强度，而且还有良好的韧性，即得到较为理想的综合机械性能。综合上述分析，对铁磷合金强化机理可归纳如下：影响铁磷合金强度的主要因素有两个，一是基体的强化，二是孔隙的数量、形状及分布。凡是促进基体强化，并有利于孔隙的数量减少、形状球化以及分布均匀等的因素，都会使合金的强度提高。在铁磷合金中，磷是一个显著的强化元素，而磷的强化作用主要表现在三个方面： ①由于磷铁粉中的磷，在烧结时通过向铁粉颗粒中扩散形成铁磷固溶体，产生了显著的固溶强化作用，而磷的固溶强化效应比起其它合金元素如Si、M、Ni、Mo等都要强得多01。 ②由于磷有缩小Y-Fe相区的作用，使铁基材料保持在a-Fe相区或a-Fe+Y-Fe两相区烧结。大大强化了烧结时的扩散过程，因而加速了铁基材料的孔隙球化效应和致密化过程。 ③由于磷的加入将产生少量的共晶液相，也对烧结致密化过程起到了促进作用。在铁磷碳合金中，碳也是一个强化元素，碳的强化作用主要是通过在烧结时溶入爽氏体，而在冷却时形成珠光体组织来实现的。在粉末冶金材料中，影响韧性和脆性的主要因素有三个：基体的塑性，晶粒的大小和孔隙的数量、形状及分布。凡是基体塑性好，晶粒细小，孔隙度小，孔隙形状接近球形并且分布均匀的材料，其冲击值高。在铁磷合金中，随磷含量增加，一方面使基体产生固溶强化，降低了塑性，但另一方面却又有利于孔隙球化，促使收缩，减少孔隙的数量。这说明磷含量的增加，对合金的冲击韧性既有好的影响，也有不利的影响。当磷含量由0.3%增至0.6%时，其冲击韧性随磷含量的增加而提高。“磷含量超过0.6%时，则冲击韧性有所降低。在铁磷碳合金中，碳对冲击韧性的影响是多方面的。随含碳量的增加，由于碳溶入基体中促使基体强化，因而降低了合金的塑性，加入的石墨妨碍了铁粉颗粒的互相直接接触，阻碍了宁烧结过程的进行，不利于致密化和孔隙球化，降低了合金的强度和塑性，在合金中不可避免地荐往著少量的游离石墨，对合金的力学性能有着缺口效应。所有这些都使合金的冲击韧性下降。在铁磷合金的烧结过程中，烧结温度过高，保温时间过长，都促使晶粒长大，对冲击韧 4i

当烧结温度提高到 ℃ 以上至 ℃ ，由于磷铁共晶液相的形成，促进了制品的致密化，同时铁磷合金又处在一丫一。两相区或一相区烧结，随着孔隙的部分消除和集中，晶粒将通过晶界的平直化及大小晶粒之间吞并而长大。在晶粒长大过程中由于晶界的迁移更有利于孔隙的消除，反过来又促使晶粒长大。试验发现当烧结温度高一厂 ℃ 时，铁磷合金的晶粒将发生显著长人，见图。由图可看出，当烧结条件由 ℃ 保温分改变为 ℃ 保温分时，经测定其平均晶粒大小将由举米左右显著增大到微米以上。同时由图还可清楚看到，由干发 ‘ 晶粒间的相互着并而引起晶界的迁移，原先晶界的痕迹还清晰可见。试验证明，当铁磷合金的晶粒一旦发生显著长大，则冲击韧性急剧下降。如的合金，当烧结条件由 ℃ 、保温分，改变为 ℃ 、保温分，由于晶粒显著长大，使合金的冲击韧性由公斤一米毫米么急剧降低到。公斤一米毫米急。关于铁磷合金强化机璐铁磷合金不仅具有较高的强度，而且还有良好的韧性，即得到较为理想的综合机械性能。综合上述分析，对铁磷合金强化机理可归纳如下影响铁磷合金强度的主要因素有两个，一是基体的强化，二是孔隙的数量、形状及分布。凡是促进基体强化，并有利于孔隙的数量减少、形状球化以及分布均匀等的因素，都会使合金的强度提高。在铁磷合金中，磷是一个显著的强化元素，而磷的强化作用主要表现在三个方面 ① 由于磷铁粉中的磷，在烧结时通过向铁粉颗粒中扩散形成铁磷固溶体，产生了显著收固溶强化作用 · 而磷的固溶强化效应比起其它合金元素如、、、。等都要强得多，。 ② 由于磷有缩小一相区的作用，使铁基材料保持在一相 ’ 区或一。一两相区烧结。大大强化了烧结时的扩散过程，因而加速了铁摧材料的孔隙球化效应和致密化过程。 ⑧ 由干磷的加入将产生少量的共晶液相，也对烧结致密化过程起到了促进作用。在铁碑碳合金中，碳也是一个强化元素，碳的强化作用主要是通过在烧结时溶入奥氏体，而在冷却时形成珠光体组织来实现的。在粉末冶金材料中，影响韧性和脆性的主要因素有三个基体的塑性，晶粒的大小和孔隙的数量、形状及分布。凡是基体塑性好，晶粒细小，孔隙度小，孔隙形状接近球形并且分布均匀的材料，其冲击值高。在铁磷合金中，随磷含量增加，一方面使基体产生固溶强化，降低了塑性，但另一方面却又有利于孔隙球化，促使收缩，减少孔隙的数量。这说明磷含量的增加，对合金的冲击韧性既有好的影响，也有不利的影响。当磷含量由增至时，其冲击韧性随磷含量的增加而提高。当磷含量超过时，则冲击韧性有所降低。在铁磷碳合金中，碳对冲击韧性的影响是多方面的。随含碳量的增加，由于碳溶入基体中促使基体强化，因而降低了合金的塑性，加入的石墨妨碍了铁粉颗粒的互相直接接触，阻碍予烧结过程的进行，不利于致密化和孔隙球化，降低了合金的强度和塑性，在合金中不可避免地存牲奢少量的游离石墨，对合金的力学性能有着缺口效应。所有这些都使合金的冲击栩性下降。 · 在铁磷合金的烧结过程中，烧结温度过高，保温时间过一长，都促使晶粒长大，对冲击韧

性有着不好的影响。四、结论 1.Fe-P二元系或Fc-P-C三元系合金与Fc+2%Cu+0.7%C合金相比，具有较优越的综合机械性能。 2.通过金相观察和显微硬度测定，证明含磷为0.3~0.6%的F-P二元系合金，在高温时处于a-Fe+Y-Fe两相区烧结，当含磷量增加时，在两相区中的a-Fe相量随之增加。当Fe-P二元系合金含磷量大于0.6%时，则基本在a-Fe单相区烧结。 3.Fe-P-C三元系合金在高温烧结时的相变与Fe-P二元系合金相似，但由于碳的加入，使Y-Fe相区扩大，一般都处于a-Fe+Y-Fe两相区烧结。 Fe-P-C三元系合金经烧结并淬水急冷后得到的组织为铁素体+马氏体+孔隙+游离石露。随含磷量增加，组织中的马氏体量增多，因而合金的硬度、强度提高，但韧性有所下降。 F®-P-C三元系合金经烧结并随炉缓冷后得到的组织为铁素体+珠光体+孔隙+游离石是。随含碳量增加，组织中的珠光体量增多，因而合金的硬度、强度提高，但韧性相应降低。 4.由于铁磷合金具有在a-Fe单相区或a-Fe+Y-Fe两相区烧结的特点，所以孔隙显著球化，并且随含磷量的增加和烧结保温时间的延长，铁磷合金中的孔隙度逐渐减少，孔隙球化愈来愈好。这就是铁磷合金具有良好的综合机械性能的主要原因。 5,随烧结温度的升高和保温时间的延长，铁磷合金的晶粒随之长大。并且当超过 1200℃的烧结温度时，合金的晶粒显著长大，从而导致冲击韧性明显下降。结束语本文是在过去的研究工作基础上，再进行了一些补充试验研究后写成的。进行补充试验研究的有刘慧贞同志，过去参加本试验研究工作的有张丽英、苏鹏福、刘慧贞、魏延苹、吴脊莲等同志以及潘宝林、呂庭云徐长存及芦淑芝同学。参考文献 1,埃森科尔普（中.An3eHKo66):粉末冶金学术报告汇编。(1961.6.18） 2.谢行伟、E盘新、王金作等：Fe-C-Cu-P合金成分、烧结温度与其组织性能之间的关系。(1964.7) 3.北京钢铁学院粉75工人班：结业试验总结报告(1976.8) 4.Introducing Hoganas Sponge Iron Phosphorus powder PNC30,PNC 45、PNC6o。Hoganas.AB PM Iron powder Infomation NO PM71-5。 5.The properties of a New extremely pure atomized Iron properties with a very high Compressibility。PM72-loHδganas AB。 42

性有著不好的影响。四、结论一二元系或一一三元系合金与了合金相比，具有较优越的综合机械性能。通过金相观察和显微硬度测定，证明含磷为的一二元系合金，在高温时处于一一两相区烧结，当含磷量增加时，在两相区中的一相量随之增加。当一二元系合金含磷量大于。时，则基本在一单相区烧结。一一三元系合金在高温烧结时的相变与一二元系合金相似，但由于碳的加入，使一相区扩大，一般都处于一一两相区烧结。一一三元系合金经烧结并淬水急冷后得到的组织为铁素体马氏体孔隙游离石墨。随含磷量增加，组织中的马氏体量增多，因而合金的硬度、强度提高，但韧性有所下降。一一三元系合金经烧结并随炉缓冷后得到的组织为铁素休珠光体孔隙游离石墨。随含碳量增加，组织中的珠光体量增多，因而合金的硬度、强度提高，但韧性相应降低。由于铁磷合金具有在一单相区或一一两相区烧结的特点，所以孔隙显著球化，并且随含磷量的增加和烧结保温时间的延长，铁磷合金中的孔隙度逐渐减少，孔隙球化愈来愈好。这就是铁磷合金具有良好的综合机械性能的主要原因。随烧结温度的升高和保温时间的延长，铁磷合金的晶粒随之长大。并且当超过 ℃ 的烧结温度时，合金的晶粒显著长大，从而导致冲击韧性明显下降。结束语本文是在过去的研究工作基础上，再进行了一些补充试验研究后写成的。进行补充试验研究的有刘慧贞同志，过去参加本试验研究工作的有张丽英、苏鹏福、刘慧贞、魏延苹、吴青莲等同志以及潘宝林、吕庭云徐长存及芦淑芝同学。参考文献埃森科尔普中 ‘ 。粉末冶金学术报告汇编。谢行伟、王盘新、王金华等一一一合金成分、烧结温度与其组织性能之间的关系。北京钢铁学院粉工人班结业试验总结报告且、、。直一。。一直