锰在粉末冶金材料中的应用.pdf

《锰在粉末冶金材料中的应用.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锰在粉末冶金材料中的应用.pdf（11页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、锰在粉末冶金材料中的应用罗述东1，李祖德2，赵慕岳1，易健宏1(1 中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙4 10 0 8 32 北京市粉末冶金研究所，北京1 0 0 0 7 5)摘要：锰是重要的工业原料，在粉末冶金材料中有广泛应用该文概述锰在烧结钢、阻尼合金，铝舍金，钛铝合金、钨基重舍金，硬质合金等材料中的应用情况。可以预期，在提高粉末冶金材料性能与开发粉未冶金新材料的领域中，锰将具有广阔的应用前景关键词：锰；粉末冶金材料；应用T h eA p p l i c a t i o n so fM a n g a n e s ei nt h eP o w d e rM e t a l l u r g

2、 yM a t e r i a l sL U OS h u d o n 9 1，L IZ u d e 2，Z H A OM u y u e l，Y IJ i a n h o n 9 1(1 S t a t eK e yL a b o r a t o r yf o rP o w d e rM e t a l l u r g y,C e m r a lS o u t hU n i v e r s i t y,C h a n g s h a4 1 0 0 8 3：2 B e i j i n gR e s e a r c hI n s t i t u t eo f P o w d e rM e t a

3、 l l u r g y,B e i j i n g10 0 0 7 5)A b s t r a c t：M a n g a n e s ei so fi m p o r t a n c ea sr a wm a t e r i a li ni n d u s t r ya n dw i d e l ye m p l o y e di nt h ep o w d e rm e t a l l u r g ym a t e r i a l s H e r e i n，i t sa p p l i c a t i o n si nt h es i n t e r e ds t e e l sa n

4、 dm a t e r i a l ss u c ha sd a m p i n g，a l u m i n u m，t i t a n i u m-a l u m i n u m，t u n g s t e n-b a s e dh e a v ya l l o y sa n dc e m e n t e dc a r b i d ea r eo u t l i n e d I ti se x p e c t a b l et h a te x t e n s i v ea p p l i c a t i o n sf o rm a n g a n e s ee l e m e n tw i

5、 l lb ef o u n di nt h ea s p e c t so fp e r f o r m a n c ee n h a n c e m e n ta n di n n o v a t i o no f p o w d e rm e t a l l u r g ym a t e r i a l s K e yw o r d s：M a n g a n e s e；p o w d e rm e t a l l u r g ym a t e r i a l：a p p l i c a t i o n1 引言元素锰的原子序数为2 5 在周期表中位于第四周期，B 族，属于过渡族金属。金

6、属锰密度7 4 3e,c m 3，性硬而脆，莫氏硬度5 6，致密块状金属锰表面为银白色，粉末星灰色【I t 2】。锰元素在地壳中的含量约O 0 8 5，在已知元素中 第十五位，在重金属中仅次于铁而居第二位p】。锰资源丰富，价格便宜。元素锰甲在1 7 7 4 年就被发现，但是，在钢铁：业中的重要作用直到1 8 5 6 年发明底吹酸性转炉，以及1 8 6 4 年发明平炉炼钢法之后，才为人们所认识。现在，锰作为有效而廉价的合金化元素，己成为钢铁工业中不可缺少的重要原料。约9 0 锰消耗于钢铁=业，刚量仅次于铁，其余1 0 消耗丁有色金属冶金、化工、电子、电池、农业等部门【4”。锰及其化合物是生产粉末

7、冶金材料的常用原料。B e n e s o v s k y 和K i e f f e r 于1 9 5 0 年首先认识到锰在粉末冶金材料中的重要性。此后，锰在粉末冶金工业中的应用逐渐扩大。通过开发母合金技术和预合金技术，开发了含锰系列的高强度烧结钢。并且，在其它粉末冶金材料中作为主要组元或添加组元，发挥了重要作用。本文就锰在粉末冶金材料中的应用情况进行综述。锰的化合物也是铁氧体磁性材料、电池材料、陶瓷材料的重要原料，但限于篇幅，本文不欲赘及。2 锰在高强度烧结钢中用作合金元素锰溶于铁素体中所产生的同溶强化作用，优于许多合金元素(强化作 I J 递增次序：C r W v M o N i M n

8、S i P)。利t I J 这一特性，传统冶金工业生产了许多含锰的高强度低合金钢牌号。粉末冶金工作者借鉴这一经验，以锰作为添加剂开发出多种高强度烧结钢系列。例如，按I S 0 5 7 5 5；2 0 0 0(E)标准，铁基结构零件t H j 镍钼锰钏粉含有0 1-0 6 M n。Z a p f，H o f f m a n 和D a l e l 丁19 7 5 年对F e M n 年F e，M n C 合金进行了研究。发现锰含苗4 6 时，合金拉伸强度达5 5 0 6 0 0M P a，而复压复烧丁艺可达6 5 0 7 0 0M P a。1 9 7 0 年法国专利(F r e n c hp a

9、t e n t2 0 9 2 0 2 7)和1 9 7 1 年英国专利(B r i t i s hP a t e n t1 3 4 2 3 8 8)表明，F e-2 M n 3 C r 台金的最大强度可达8 0 0M P a【oJ。将锰和硅作为台金元素同时添加的低合金烧结钢，表现山良好的强化效果和烧结尺寸稳定性，价格便宜，具有很强的竞争优势1 71 1 1 K l e i n 等报道，1 2 5 0 保温6 0r a i n 烧结的F e 3 2 M n 一1 4 S i-0 4 C 合金，拉伸强度达8 0 0-1 0 0 0M P a。烧结铁和烧结钢主要H j 丁制造机械零件，在选择合金元素

10、时，必须注意到其对尺寸稳定性的影响。在一般情况下，加入硅会引起压坯住烧结时收缩，而加入锰则会引起压坯膨胀。同时加入锰和硅，能够较好控制烧结体的外观形状和尺寸例。K l e i n 等测定了5 种成分试样的尺寸变化L h，发现F e-2 0 S i 一2 0 M n 和F e 一2 0 S i 一4 O M n 基本与纯铁相同，尺寸变化为1 2 1 4：而F e 4 0 M n 较高，约为1 7；F e 一2 0 S i 较低，约为0 7 l J。Z h a n g 等列举了几种含镍、铝、铜、锰、硅烧结钢的力学性能，如表l。可以看出，同时添加锰和硅合金元素的烧结钢具有很高的性能。君包邕F撼温度(

11、)图lF e-4 5 M n 2 0 S i 台金在6 0 0-1 2 0 0 (2条件下锰的蒸气压Ia l a k 等发现，烧结时锰升华井形成蒸气。图l给出了F e 4 5 M n 2 0 S i 合金在6 0 0-1 2 0 0 条件卜的锰蒸气压。在添加的锰足够多的情况下，锰蒸气填充到压坯空隙中有效防I P 其它元素发生氧化l l z”J，并在铁颗粒表面沉积，通过表面扩散、体积扩散等均匀渗入铁颗粒，甚至颗粒中心，加快台金化速率【I”。K l e i n 等对F e 2 0 S i 4 0 M n 试样进行观察，发现有瞬时液相形成。液相促使合金元素快速扩散，并可能克服母合金颗粒表面氧化物层的

12、抑伟0 作用，债合金元素达到高度均匀化l l“。铬是钢中重要的台金元素。铬对氧的亲和力极强，通常预合金粉末表面均形成氧化层，冈而对烧结气氛要求极其严格如氧分压应低于5 1 0。6k P a。可在这类合金中加入锰，利埘它与氧的结合能力强而改善合金显微组织的均匀性；同时，添加锰使材料系统中碳损失减少，增加烧结体中贝氏体和马氏体组织的含量。结果，使材料的力学性能得以提高 1 51 6 1。将锰加入到烧结钢粉末原料中有3 种方式：锰铁粉、含锰母台金粉和预台金粉。母台金技术是把几种组元熔炼成台金，破碎成粉体后，加入到铁基粉末中。继德国G F E 公司1 9 7 3年S t a d l e s 专利之后，

13、德国K r e b s S g e 开发了以复杂碳化物为基的母合金，命名为M C M 和M V I v l。采心母台金方式的目的是降低粉末原料的氧含量。烧结钢中一般只加入1 2 母合金，带入的氧低于2 0 0 x1 0-6 跚。S c h t i e p e r 和T h u m m l e r 研究了加入M C M 和M V M 母台金的烧结钢，母合金加入餐低于2。试样经复压复烧，密度为7 2 7 3 9 c m 3，拉伸强度为7 3 0 M P a。所j _ i 合金元素很少。锰、钼、钒含量仅为0 4 t s J。Z h a n g 等采用母合金技术研究了F e M o M n-S i-C

14、 烧结钢的力学性能。在H 2-N 2 混合气体中烧结，有瞬时液相出现。结果表明，随锰和硅含量增加，合金的拉伸强度、屈服强度和硬度上升，而延伸率却下降，对0 7 C 样品，当锰和硅含餐从0 5 5 增加到2 2 时，拉伸强度、屈服强度和硬度分别从6 1 0 M P a、4 5 0 M P a 和1 8 5 H V l o 上升到9 7 0 M P a、7 0 0 M P a 和3 3 0 H V l o，而延伸率却从3 2 降低至1 3。1 9 8 2 年东北工学院宫声凯和杨宗坡发表了关于M C M 母合金作J H j 的研究论文。李萍和杨宗坡等报道【l。”J，随着母台金含量从O 增加到9 0

15、0 时，F e M n-S i C 烧结钢的便度从11 5 H B 单调上升至约2 5 6 H B，冲击韧度则从2 3 J c m 2 递减剑56 J c m 2，而抗拉强度在添加6 5 母合金时达到最人值3 1 5M P a。作者认为，锰和砖元素l 州溶剑基体当中，表现山I 司溶强化作H|。同时，锰和硅政变了烧结钢中贝氏体和马氏体形成的热力学条t l：，导致其含量增加，从而显著提高材料的抗拉强度。徐润泽对M n C u 母合金进行了研究0 2 0 l。他指出，成分为5 4 9 8 M n-4 2 6 2 C u 的母合金在8 9 0 出现液相。含1 2 9 M n、0 8 C u、0 5 C

16、 的粉末锻造钢，经8 6 0 油淬，3 5 0 C 同火，其抗拉强度、冲击韧度和硬度分别为】1 5 0 M P a，5 0，6 J c m 2 和3 9 I H R C。预合金粉中合金元素均匀化程度高。美国粉末锻造_ H 雾化钢粉含有少晕锰：4 6 0 0 为O 2 5，2 0 0 0为0 2 5 0 3 5，1 0 0 0 为0 1 5 0 2 5。日本烧结锻造埘合金钢粉锰含量为1 9-3 2。加拿人魁北克金属粉末公司开发的几种水雾化含锰低合金钢粉，具有很高的淬透性，适用于烧结硬化。含0 4 0 5 M n、0 4 0 5 C r、0 8 5 O 9 5 M 0、1 0 5 1 1 5 N

17、i 的粉末，氧含颦低于0 2 5。坯件在1 1 2 0 C 烧结斤，经同火处理，表观硬度值为3 0 H R C z q。3 改善铁基烧结材料的切削加工性能烧结钢中添加硫化锰(M n S)后能有效减小切削力，改善其切削加一r：性能p 2-2 e】。在铁基材料中，硫化锰是一种脆性的而又有润滑作用的金属夹杂物，其强度远低于铁基体。硫化锰在材料中的作州相当了二孔隙，它破坏铁基体的连续性，降低强度，从而使切削力减小。韩蕴秋等研究发现“，烧结钢中含有锰、硫元素之后切削性能得到有效的提高，锰和I 硫含量分别为0 3 1 8 T l l0 2 1 的6 0 0 M S 牌号铁粉，烧结制得样品的平均切削力仅为2

18、 9 5 M P a，远远低于锰、硫含量较低的牌号S C-1 0 0 2 6 的6 8 8M P a。尹平玉等的实验结果表明”，往F e 2 C u 0 5 M o-0 6 C 烧结体系中添加硫化锰粉末后，材料的切削性能丈大改善。而且，添加剂对材料的烧结温度、硬度以及尺寸精度均无明显影响。W a n g 等的实验表明，3 0 4 L 奥氏体不锈钢中添加硫化锰后钢粉的成形性和烧结性能发生明显变化。硫化锰粉的加入降低了压坯密度，在硫化锰含量低于0 6 时，压坯收缩比和唬结坯密度随添加剂含量升高而降低；而高丁_ o 6 之后却上升。添加硫化锰粉之后，烧结钢的耐腐蚀性变著，经1 0 浓度的F e c

19、l，腐蚀液浸泡之后，样品质晕损失随硫化锰添加量的增加而增加【2 9 1。硫化锰对粉末冶金烧结钢的疲劳断裂有重要影响，裂纹萌生于样品表面或表面F 层的空洞，并以多种模式扩展。但是添加硫化锰并没有改变烧结钢的疲劳机理1 3 0,3 1 1。同时，还发现烧结钢的抗挠强度、断裂韧性等性能不仅受硫化锰添加餐的影响，而且与添加刑颗粒大小也有明显关系。硫化锰相主要分布丁基体颗粒之间或孔隙当中，而颗粒内部却很少，因而硫化锰品粒尺寸对上述性能具有直接的影响口“，4 铜熔渗剂中的添加剂m多孔铁和多孔钢一般采用铜基熔渗剂进行熔渗。铜熔渗铁往往使坯件表面产生腐蚀，在顶部留下残渣，影响零件表面精度。在铜熔渗荆中加入锰，

20、可以使情况得到改善。E l l i o t t 认为铜基熔渗剂含5 F e 和6 M n 是台适的。他指出，锰先于其他合金元素与烧结气氛和粉末压坯中的氧起反应，所生成的氧化物阻碍残渣附着，而且，氧化物多孔骨架起到储存器作用使其中盼熔融合金达到平衡并保留住铁。Y o k o t a 等研究了铜熔渗剂类型对铁粉压坯的力学性能的影响，比较了4 种成分的熔渗剂，所得结果列如表2。作者指出：(1)铜熔渗试样的拉伸强度随熔渗时间延长而快速增加，最大值在大约5 m i n 处；(2)添加4 N i 或4 M n 的铜熔渗剂，在防止熔渗试样表面点蚀方面，优于添加铁的熔渗剂；(3)各种热处理方案中，水冷和4 8

21、 0 时效3 0r a i n 可以提高拉伸强度，炉冷和7 0 0 时效2 0 m i n可以提高延性。5 烧结钢表面渗锰m，烧结钢常需防磨损保护而进行热处理，包括：表面淬火、碳氮共渗、软氮化、渗硼等。采用这些方法可以获得硬化表面，但或多或少使零件尺寸变人。不宜对硬化零件作精整处理，只能以磨加工进行尺寸修止。渗锰处理可用于制造烧结耐磨零件，井能够保证零件的尺寸精度不变，避免上述缺点。P o h l 和R e d l i n g e r 报道了此 二艺。锰的表面合金化可以在烧结过程中进行，从而免除附加的 二序如渗碳、硬化和磨削。渗锰生成奥氏体锰钢表面硬化层，其性能类似于H a d f i e l

22、 d 高锰钢。A m e c a r e l l i 和B o g h e i t i c h 采用装箱渗法对几种烧结钢进行渗锰温度1 1 0 0，保温2 5 h。渗剂含l O 1 2 F e、5 5 5 7 M n、3 2 3 4 高岭十和O 3 N H 4 I。作者发现，烧结钢中锰扩散深度取决丁原材料的物理性质和化学性质。坯件密度由表tF e M n S i C 与其他系列烧结钢力学I 生能比较表2 铜基熔渗剂熔渗铁粉压坯的力学性能(1 1 2 0 熔滓3 0m i n)6 2g c m 3 增加剑6 7g c m 3 时扩散深度减小，然后儿乎保持常数。分别添加碳、铜和镍合金元素对锰扩散有

23、利。在含碳、锰和镍的台金中添加钼可获得最大的扩散深度。A m e c a r e l l i 等将几种锻钢和烧结钢进行渗锰，两者化学成分相近。为了保证渗锰零件芯部的韧性，应采用高碳含量或高合金含量的钢(含最高丁1 0 1 0 钢)。对丁连通孔隙率可以忽略不计时的烧结钢(密度7 0 7 1 9 c m 3)，其渗锰处理与锻钢有相同的效果。烧结钢和锻钢中，合金元素会增强锰的扩散。当温度和时间相同时，烧结钢中锰的扩教深度人丁相同成分的锻钢。作者发现，镍和铜有相同的作埘但当此两元素的浓度都高时，其效果不会叠加；锰的扩散深度比每个合金元素单独存在时小。作者认为这可能是由于锰在已溶有高浓度合金元素的铁基体

24、中扩散率较低的缘故。x 射线衍射分析指出，只有烧结钢中含有其它合金元素时，其表面才形成M n 4 N。表面经锰扩散处理的零件，其特性对在磨损和高温工况应用具有特殊的价值。P o h l 测定了表面渗锰试样的硬度和强度(试样经4 5 0 同火l h)。据作者的结果，在4 5 0 测试温度下，表面渗锰零件的硬度高于碳氮共渗零件，两者分别约为4 0 0 H V 0 0 5 和3 5 0 H V 0 0 5；而且，相对于室温卜_ 的硬度值，表面渗锰零件。卜-降不多，仍有室温的8 0，但碳氮共渗零件仅有5 0。表面渗锰零件疲劳强度高丁碳氮共渗零件，且随同火温度上升而线性增加，丁|4 5 0 的值比室温时

25、高8。6 锰基阻尼材料H o l m a n 和N e u m e i e r 丁1 9 7 6 年报道 6 1，通过粉末冶金方法已开发成功M n C u 阻尼合金。烧结在露点较低的氢气中进行，晟终烧结温度取决于锰含蜡，含5 5 M n 的合金约9 0 0 含7 5 M n 的合金升高剑1 0 7 5。当锰粉粒度由一1 0 0 日减小到3 2 5目时，烧结密度和拉伸强度略有增加。6 0 M n-4 0 C u合金在真空中烧结，如果烧结温度不低于氢中烧结，则锰将显著挥发。压坯在加热过程中先有百分之儿的膨胀，当温度接近展终烧结温度时才发生收缩。表3 列出了6 0 7 5 M n 合金(含1 粘结剂

26、)的拉伸强度和硬度数据。试样在氢气中加热，于7 6 0 保温0 5 h，8 6 0 保温l h，最终烧结温度保温1 h，可获得最大拉伸强度。孔隙和其他组织特性降低力学性能，但增加相对阻尼性能。材料烧结后便可获得良好的阻尼性能，从简化工艺和降低成本的角度出发，这一点是可取的。以锰为基体的阻尼材料包括M n-C u、M n F e 及M n-N i 合金等【3 3 1。在M n-C u 系的烧结过程中，表现为锰进入铜的单向扩散机制，生成单相圃溶体”“。M n C u 合金是良好的阻尼材料，S i z o v 等对M n-C u(7 0 M n)台金同火过程中的衰减能力进行了研究1 3 s ，发现：

27、在同火过程中，经过预先淬火的烧结样品内的Y 同溶体具有与普通铸造合金极为相似的衰减方式；但不同的是，即使同火温度达到4 6 0，烧结合金的衰减强度也相对较低。他们认为，造成这一现象的原冈与合金优异的化学均匀性有关。F u k u h a r a 等研究了富锰的M n C u 合金的阻尼特性 3 6 1。增加台金中铜含量，密度、硬度、声波传播速率以及泊松比等均随之提高，但杨氏模量与体弹性模量之比(E K)却减小。E K 在2 0 之4 范围时，高锰含鼙对应的高E K 值的含金具有更优异的阻尼性质。烧结M n C u 合金含有a-M n 和T-M n C u 相，其阻尼常数在1 0。量级，并且对温

28、度和频率不敏感。当M n c u 合金1 1 2 3 K 淬火后，仅由y-M n C u 单相构成。单相台金的对数衰减率与温度关系曲线上存在两个峰，分别位于2 2 3 K 和4 6 0 K 位置，该叔峰强度均高于铸造生产的M 2 0 5 2 合金。作者认为，位于2 2 3 K 的主峰是由微观结构中的孪品界面引起，而另一个峰则源于面心正交结构(f c t)的T-M n C u 向面心立方结构(f e e)的转变。此外，岔铜、镍组元的锰合金有很高的热膨胀系数，在多种领域有应用前景，如用作热响应控制器件中的双金属片。R a o 等采用粉末冶金工艺制备了M n 一1 8 C u-1 0 N i 合金，

29、并对材料的热膨胀、电阻以及摩擦特征进行了研究”“。7 锰在铝合金中的应用锰元索添加于铝合金中通常是经熔炼破碎后按照粉末冶金r 艺完成。在熔炼冷却时，采州高的冷却速率，以避免粗人的A I。M n 相的形成，为此，L e e 等尝试了以M n A I 薄饼或锰粉注射两种方式添加到铝台金基体中I j。结果表明，前一方式依靠组元2 间反应释放的热量，使锰的州溶过程不需要额外的设备就可以维持，整个过程所需温度较低；而且，材料性能对锰颗粒尺寸依赖程度小。而采川后一种方式时，由于通过高速气流载入锰金属粉末，需要补加设备。此外，采H j 该方法工艺周期K 操作温度也明显高于第一种方式。同时，发现锰粉粒度不论在

30、大于还是小于最佳尺寸时，均不利于材料性能。A I M n 合金是常见的铝合金，它由a 州溶体和A 1 6 M n 金属间化合物两相组成1 3。金属间化合物对合金的力学性能影响很大，随化合物含量的增加，合金屈服廊力和抗疲劳强度明显上升，而延伸率却降低(尤其在较低温度的工作环境中)1 4 0 1。在A I M n合金中添加少量铬之后合金性能改变明显，S u g a m a t a 等研究了A l-(6 8)M n(1-3)C r 合金的力学性能与成分之间的关系1 4“。结果表明在M n+C r含量高于8 8 之后，合金强化程度因沉淀而明显上升。A I 7 M n-3 C r 合金具有最佳的强化效果

31、，拉伸强度达到4 8 0 M P a 同时延伸率为7。在铬添加量较低时，台金中沉淀出A 1 6 M n 第二相；当铬添加量较高时，形成A 1 7 c r 相，对热挤压的合金样品进行热处理后，体系中生成G 相，R p(M n，C O A l l 2 相。第二二相的形成对影响合金微观组织和力学性能均表现出显著影响。在A I M n 合金中加入硅元素也取得了较好的效果H a w k 等采用快速凝同技术制备了A l-1 2 6 M n-4 8 S i 台金I。经3 5 0 退火处理1 0 0 h后样品的微观组织非常稳定，强度和延伸率没有下降现象，在室温至3 8 0 区间，拉伸强度从4 6 5 M P

32、a降到1 1 5 M P a，延伸率从6 上升至1 2；当温度上升至4 2 5 后，延伸率进而增加到3 0。同时，台金的强度、塑性取决于应变速率，高的应变速率下强度和塑性均有所提高。蠕变测试结果表明，在测试温度范围内。合金的蠕变激活能在1 0 0 2 3 0k J m o l 之间，应力指数介于3 5 间。粉末冶金工艺制备的高强度A I M n C e 合金比传统合金具有更高的耐磨损性能1 4。A 1 9 0 M n 8 C e 2 合金在7 5 3 7 9 3 K、1 2 G P a 条件下等静压制成形后，具有最佳的压缩强度和硬度，分别达到9 0 0 M P a 和2 6 H R C，强度的

33、提高归冈于合金细小的品粒和第二相强化1 4 4】；研究发现A 1 9 0 M n S C e 2 合金具有优异的耐磨损性能，如在7 7 3 K 条件下，该合金的耐磨损能力是普通A 3 5 5 铝合金的3 倍。还发现材料中的A 1 6 M n、A I。C e 以及A I，o；筲第二相硬质颗粒，对台金耐磨损性能提高有利。近年米研究发现，在低锌(5)的A I-Z n M g C u 合金中添加锰不仅能细化品粒，而且，在不牺牲铝合金塑性和韧性的前提下，能显著提高合金强度 4 6 1。在高锌含量(三8)的A 1 Z n M g C u 系合金中添加4 M n，显蔫地提高铝合金的强度，但材料的塑性和韧性较

34、低，通常延伸率低于5 l”,4 S l。为了解决这一问题，蔡元华等采用粉末冶金方法制备了锰增韧的A 1-Z n-M g-C u 合金 4 9 1，X R D 表征结果显示材料中除含有a-A l 基体外，尚有细小的A 1 6 M n、M g Z n 2 和A I C u 2 M n 等相，而雾化粉中存在的C u M g z 则在加热及变形过程中发生分解，溶解到基体中。含锰的沉淀相作为一种位错不可切割的粒子，与位错发生交互作用，阻止位错的运动，使得拉伸时硬化指数明显提高。同时使得滑移在台金每一个品粒中均匀发生，促使平面滑移向交滑移转变，形成品粒中均匀分布的细小滑移带，而不是产生局部的戍变或应力集中

35、，从而使台金维持较为恒定的延伸率，减小断口韧窝尺寸”。5 们。A l _ L，i 合金是航空、航天、舰船等f：业中最具 许力的新型金属结构材料，添加合金元素可以达到增韧和提高塑性等目的p“。在A I L 合金中添加锰元素之后，锰以亚微米尺寸的A 1 6 M n 颗粒形式弥散在基体当中。锰的加入不仅没有降低锂的沉淀强化能力，而且台金硬度拉伸强度尤其弹性模量均随锰含量的增加而线性增人p“。含有高浓度的金属间化合物第二相颗粒的粉末冶金铝合金在高温环境F 有重要应_ ：f j 前景。在A I M g 合金中添加锰之后观察到超塑性，经完全再结晶的A I，5 M g 2 2 M n 合金平均晶粒尺寸约3u

36、 m，在7 4 8 8 2 3 K 温度区间以l 旷2 s 的应变速率研究合金的塑性变形行为，结果发现，合金在应变速率1 0。，s 条件下表现山超塑性行为，在8 2 3 K时以6 x 1 0 3 s 恒定速率拉伸时，台金最人延伸率达剑5 7 0。作者认为粉末冶金A I M g M n 合金的超塑性变形机理受晶界滑移控制，同时伴有品界扩散土导的位错攀移和滑移机理【)“。8 锰在T i A l 合金中的应用粉末冶金。I：艺是制各T i A I 合金的有效途径之一，通常采取元素粉末直接混合成形烧结而成。为改变T i A I 台金的耐热性能和可加I：性能，通常；H u k第二种合金元素，锰在铍选2 列

37、1 5 45”。加入锰可以提高T i A I 基金属间化台物的室温塑性 5 6,5 7 1。热挤压5 8T i 4 6 6 A I 一1 4 M n-2 M o 合金，在8 0 0 条件F 延伸率达到4 3，在1 0 0 0 C 高达1 3 6 I”J。X u 等研究发现，锰元素能够促进T i A I 台金中8 相的形成，而且对该相具有较强的稳定作_【f j。D 相处于铸造的T i A I 合金树枝品中心，为亚稳相，在1 2 0 0 的热等静压过程中分解为n 相与T 相p。D 相是T i A I 合金脆性断裂的根源之一，其存在不利丁提高材料的力学性能。因此，添加锰元素后能够改善T i A I

38、合金力学性能，控制材料相组成是关键。但是，由丁-锰的加入在一定程度上降低了合金的耐腐蚀性，合金在9 0 0 的(N a，K)2 S 0 4 熔盐中经热腐蚀处理后表明，在台金最外层生成以A 1 2 0 3 为主含有少量T i 0 2 的产物，而内部为铝、钛、锰的混合氧化物，以及少量钛的硫化物唧I。同时。锰元素与氧之间的亲利能力极强，不利于提高台金的高温抗氧化性能。9 锰在钨基重合金中的应用在钨基重台金中添加锰元素的目的之一是净化品界。通常条件下制备的合金中，氧、硫等杂质元素主要偏聚丁钨颗粒和粘结相之间的界面。台金中添加的锰元素与氧、硫元素结合形成氧化物、硫化物，从而提高了钨颗粒和粘结相之间的结合

39、强度1 6 1 1。W-N 台金中添加锰后，与传统重合金相比，烧结温度降低2 0 0，相对密度可达N 9 6，品粒更细小。W-N M n 合金具有高绝热剪切应力，适用丁穿甲弹材料，具有自锐能力p“。W-N 一M n 合金孔隙尺寸小，力学性能优异。硅含量为2 的样品中锰含量超过2 后，拉伸强度、断裂强度和硬度显并上升，在4 M n 时，三者分别达到6 0 0 M P a、4 0 0 M P a 和2 0 5 H V 2 0。拉伸强度对粉末制备条件敏感；延伸率取决于台金整体的孔隙度，而与孔隙的形貌无关【6 3。B o s e 等通过热等静压处理消除材料中的残余孔隙，进一步提高材料力学性能i 6”。

40、此外，重合金中添加的锰元素，圃溶到粘结相当中起到强化作用，使台金力学性能显著改善。W-7 N i 3 F e 合金中添加0 0 3 M n 时，合金延伸率提高3 倍，当添加量为0 0 5 时，合金强度和延伸率最佳，分别高达1 0 0 0M P a 和4 1 mJ。B o s e 等也证明，锰加入到9 3 W-N F e C o 合金中，能提高真空退火态合金的塑性和韧性”。锰在重合金中的另一个重要麻就是提高合金的膨胀系数1 6”。虽然添加锰元素后合金的膨胀系数有一定程度提高，但偏离理论值较多，还有待进一步研究解决。构成W-N C u 合金的3 种基本组元的热膨胀系数分别为：4 5 9 x 1 0

41、 6 K(W)、1 3 3 x 1 0 6依j)，】6 5 1 0-6,0 K(c u)。为保证合金膨胀系数在7 x 1 0 0 I(以上，系统中必须大量添加高膨胀系数的合金元素。锰是理想选择：其膨胀系数达N 2 2 x 1 0 4K，同时具有高的密度(7 4 3 9 c m)和高的熔点(1 5 1 7K)，在溶解钨的同时还能够同溶于粘结相中，因而在理论上能保证对钨有较好的润湿性。这些优点对制备膨胀系数高、力学性能良好的重合金材料至关重要。样品分析结果表明。由于在样品制备过程中朱能很好解决锰的氧化问题，随着锰添加量的增加，台金中的氧含簧也随之上升，从表4 可看出，烧结后样品中的氧含量为烧结前的

42、1 6-2 0 倍。此外。由于锰的饱和蒸气压高烧结时系统中锰严重烧损t 减少了液相，从而增加了样品中孔隙。受这两个冈素的影响，锰的加入实际上导致粘结相对钨的润湿性以及钨在粘结相中的溶解度均降低，钨颗粒间的结合强度也相应减弱，使合金性能降低，这阻碍合金膨胀系数增大。表3M n C u 合金的性能表4 锰的添加量对W-N i-C u 台金性能、杂质含量及线膨胀系数的影响1l0 高锰钢粘结硬质合金常规硬质合金以钴为粘结剂钴属于战略物资，矿藏稀缺，价格昂贵，因而长期以来，硬质合金界一直积极寻找一种价格低廉、储量丰富的材料来替代钴。目前，已经开发出一种以F e M n 作为粘结相、碳化钨为硬质相的新型硬

43、质合金。粘结相成份接近于高锰钢，但是其锰碳比不同。由于受硬质相碳化钨的影响，其值比常规高锰钢中的锰碳比低。F e M n(如F e-1 3 5 M n)合金在晶体结构、熔化温度以及冷却过程d P y(f e c)-*e(h c p)相变等特征与金属钴相同。而且，锰钢本来就是一种耐磨损性能优异的材料。因此，F e M n 合金完全符合粘结相的要求。添加1 5 丰2 5 的I r e 1 5 M n 合金，经过1 3 5 0-1 4 3 0 烧结币，F e M n 合金添加晕较少的试样，其硬度较高。在相同烧结温度(1 4 0 0 1 2)和碳含量(0 5)条件下，F e M n 合金添加量为1 5

44、 样品的硬度为1 5 G N c m 2，高于添加2 5 样品的1 4 5G N c m 2。而且，还随着碳含量的降低而升高，对添加1 5 F e-M n 台金于1 4 0 0 烧结样品，添加1 c 的硬度从1 4 2 G N c m 2 增加到1 5 4 G N c m 2；但对断裂韧性的影响规律却正好相反。实验还发现，合金的撮佳烧结温度为1 4 0 0，所得材料相由多边形W C 相与F e M n 马氏体相构成1 6。崔宏研究了成分为(8 0-8 5)W C、(1 5-2 0)粘结相的材料，烧结后再经1 0 0 0-1 0 5 0 (2 韧化处理，所得合金具有优良的物理力学性能，硬度为8

45、5 8 8 H R A，抗压强度为3 4 3 0,-4 4 1 0 M P a，横向断裂强度为1 8 6 0-2 3 5 0 M P a，主要性能指标达到矿用W C C o 硬质合金的工业指标 6 9 1。钢结硬质合金是2 0 世纪5 0 年代开发的一F 具材料，高锰钢钢结硬质合金是其中一类。高锰钢钢结硬质台金由高锰钢丝体和便质相(碳化钛或碳化钨)构成。高锰钢钢结慢质台金经水韧化处理后，冲击韧度为8-1 0 J c m 2，硬度5 8 6 3 H R C，井具有加|=硬化的特点p 0 1。碳化钛基高锰钢结硬质合金有两个典型牌号：T M 5 2 和T M 6 0。T M 5 2 的成分为4 0

46、巧O T i C、8 一l O M n、0 6-2 N i、06 2 M o、08 1 2 C、余F e：T M 6 0 的成分为：3 0 5 0 T i C、9 一1 2 M n、0 6 0 P 2 N i、0 6,-2 M o、0，8，扣1 4 c、余F e。刘舜尧利用扫描电镜和金相观察等手段对这两个牌号的断裂行为进行了分析【7 1 j，发现当便质相之间的枯结相含量减少时，粘结效果变差，致使烧结过程中发生硬质相邻接和聚集长大，品粒山现不均匀粗化。结果，合金微区强韧性降低，在焊接应力(或外力)作用r 卜容易产生微裂纹。若廊力(或外力)进一步增人域作州时间延K，台金由于微裂纹迅速扩展成宏观裂纹

47、而脆裂成碎片。作者提出在烧结过程中应采取避免粘结相挥发、流火及硬质相邻接跃人的1：艺措施，以政善合金的绸织与性能，防r 产生裂纹与碎片。陈兆盈对碳化钨基高锰钢结埂质台金进行了研究1 7“，合金的性能选到：硬度8 7 5 8 9 0 H R A，横向断裂强度2 0 0 0,-2 5 0 0 M P a，高温(5 0 0)横向断裂强度2 0 0 0 2 8 0 0 M P a，抗压强度3 5 0 0,一4 5 0 0 M P a，冲击韧度4 8 J c m 2。发现，当锰碳比M C=4-5 时，台金强度最高；经淬火韧化厉粘结相可获得奥氏体组织，提高合金韧性：台金在断裂前产生塑性变形有利于吸收断裂功

48、，延缓或阻J r 裂纹的发展。1 1 结束语锰作为粉末冶金材料的主要成分或添加剂，对改善材料性能和开发新材料起到重要的作用；而且，锰的资源丰富，价格低廉。研究和开发锰的应_ H J，无论在科学理论上还是在生产实践上，均具有重要的意义。随着市场需求的扩人和材料科学技术的发展，锰的应用前景必将更加r 阔。但是，锰的扩火应_【遇到了米白自身的障碍，那就是锰容易氧化，而氧化物又难丁还原。在粉末冶金生产过程中锰的氧化一直是十分棘手的问题。随着制粉技术莆I 烧结技术的发展，防I 卜锰氧化的问题有所缓解，但仍术彻底解决。在提倡扩人庇刚锰的同时，还应加强这方面的研究，寻找合理的措施。参考文献：【1】谭柱中，梅

49、光贵，李维健，曾克新，梁汝腾曾湘波锰冶金学 M】跃沙：中南人学山版社，2 0 0 4 2 杨忠忠中国锰系铁台金的现状与发展趋势 J 中国锰业，2 0 0 5，2 3(4)：1-6【3】江权锰的存在及应州 J】中国锰业，2 0 0 1，1 9(3)：3 6 3 8【4】陈刚，陈鼎锰在有色金属中的应t【J】中国锰业，2 0 0 3，2 1(1)：3 4 3 7 5】陈刚，刘耀宗锰在功能材料中的应_ l I【J 中国锰业，2 0 0 4 2 2(3)：3 6-4 0 6】GSU p a d h y a y a M a n g a n e s ei nP o w d e rM e t a l l u

50、r g yA l l o y s M E d i t e db yT h eM a n g a n e s eC e n t e r,P r i n t e di nG r e a tB r i t a i nb yP a g eB r a sL t d，1 9 8 6【7 ANK l e i n，FT h i i m m l e r,RO b e r a c k e nD e v e l o p m e n to fN e wH i g hS t r e n g t hS i n t e r e dS t e e l sC o n t a i n i n gS i l i c o na n