相图分析在研发粉末冶金材料中的重要作用

(1)相图是设计材料成分的依据；

(2)相图是制订烧结工艺方案的依据之一；

(3)相图是控制产品组织结构的依据之一。

以上三个方面是相互关联的。相应于不同的材料组成，有不同的烧结方式与之合理匹配；另一方面，可以根据材料在烧结过程中的行为或烧结产物的组织，来设计材料的成分或对材料成分作出调整。

我国的材料研究工作者以成分、组织结构、制备、性质和使用性能五个要素构成六面体，将理论、材料设计与工艺设计置于六面体中心，制约位于顶角的五个要素[2]。借鉴此模型，可说明相图理论对于粉末冶金材料研发的重要性。显然，相图理论应位于六面体中心。

2根据相图制订烧结方案和控制产品组织

根据烧结过程中组元本身的相变、组元之间形成新相和组元相互溶解度的差异，可以选择不同的烧结方案，以获得所设计的组织结构和性能。对此，书中列举了一些示例。

2.1难熔金属

难熔金属烧结温度高，设法降低其烧结温度以减少能耗和降低生产成本，是生产者特别关注的问题。固态活化烧结是制备难熔金属及其合金经常采用的方案。本书用一小节讨论了活化烧结，指出难熔金属钨与不同金属组成的烧结系在1 400℃烧结，由于钨在添加组元中溶解度的差异而有不同的致密化效果(图8.3.25)。钨在钯和镍中溶解度较高，故W-Pd系(图8.3.27，21.5％(原子数分数，以下同))和W-Ni系(图8.3.26，17.5％)致密化效果优于钨在添加组元中溶解度较低的W-Co系(图8.3.29，16％左右)和W-Fe系(图8.3.28，8％左右)；W-Cu系烧结虽然是在液相存在条件下进行，但由于钨在铜中溶解度极低(图8.3.6)，故其致密化效果不及以上各系。

钨基重合金烧结是充分致密化液相烧结的典型例子之一。书中指出，W-Fe-Ni系重合金一般于1 400～1 450℃氢气氛中烧结。由W-Fe-Ni系相图1 465℃等温截面(图8.3.40)可见，钨在Fe-Ni基液相中溶解度高达15.0％左右，十分有利于液相烧结。可借助相图优化合金成分使合金得到*佳组织，W-Fe-Ni系合金中Ni：Fe比例常取7：3，由相图(图8.3.41和图8. 3.42)可知，此成分使W-Fe-Ni合金组织处于不含脆性相μ(Fe7W6)的相区。

2.2铁基材料

瞬时液相烧结可以有效促进合金元素扩散和均匀化，在生产中采用较多，是值得推荐的烧结方案。本书指明了实现这种烧结方案的条件，列举了能实现瞬时液相烧结的合金系。烧结钢生产中采用瞬时液相烧结的例子很多，如Fe-Cu-C、Fe-Mn-C、Fe-Si-C、Fe-P-C、Fe-Mn-Si-C系等。Klein A N等人[3]采用母合金配制Fe-3.2Mn-1.4Si-0.4C合金，以l 080℃/60min烧结后，抗拉强度极限为920MPa；他指出适当提高烧结温度可进一步发挥瞬时液相烧结的有利作用，1 250℃/60min烧结后，其抗拉强度极限提高至1 000MPa。

Fe-cu系1 096℃以上存在固液两相区，靠Fe轴一侧为γ-Fe固相区（图8.3.3)，适宜进行瞬时液相烧结。本书作者指出，Fe-Cu系进行瞬时液相烧结时会发生肿胀，影响制品尺寸精度。对此，可以利用Fe-C系烧结时发生收缩的现象，在Fe-Cu系中加入适量石墨粉来控制烧结尺寸变化(第327页)。

往复运动机构中，在杆件外圆装配有对其起限定和导向作用的管状零件。这类零件大都采用高碳含量的Fe-Cu-C系烧结材料制造，要求在珠光体基体中分布有碳化物Fe3C和石墨。生产中发现，若在1 120℃附近烧结，因接近共晶线，往往在组织中出现网状渗碳体而使产品变脆。本书作者曾应用瞬时液相烧结法，协助某企业解决此问题。其措施是加入Cu-P-Sn铜基合金粉末，例如Cu-5.9 P-4.1 Sn三元合金粉。差热分析测定该合金固相线温度为681～710℃，液相线温度为951～975℃。在高于添加剂液相线的温度如1 050℃烧结可实现瞬时液相烧结，促使碳和合金元索在铁基体中扩散均匀，得到无网状渗碳体的显微组织。

铁原子在α-Fe(体心立方晶格)中的自扩散系数比在γ-Fe(面心立方晶格)中高100倍左右，因而α-Fe相区烧结或α-Fe+γ-Fe两相区烧结是铁基材料常选用的烧结方案。对这种方案，可以选择加入扩大α-Fe相区的元素钼、硅和磷。磷具有扩大α-Fe相区和封闭γ-Fe相区的作用；在烧结温度可形成液相共晶，加速烧结过程；使α-Fe固溶强化；以及促进材料基体中孔隙球化。在1050℃时，磷在α-Fe中的*高溶解度为2.5％(质量分数，以下同)，在室温下大于l.0％。Fe-P二元合金系中，磷加入量为0.3％～0.6％，烧结温度下处于两相区；超过0.6％时γ-Fe相区封闭。但是，本书未举出α-Fe相区烧结和α-Fe+γ-Fe两相区烧结方式，其原因可能是作者按溶解度将烧结方式分类，而这种方式主要依据是自扩散活性的差异，两者有别。

2.3粉末高速钢

粉末高速钢应采用超同相线烧结。通