锰在粉末冶金材料中的应用

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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，2.北京市粉末冶金研究所，） 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、铝合金、钛铝合金、钨基重合金、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末冶金新材料的领域中，锰将具有广阔的应用前景。 1.引言    元素锰的原子序数为25，在周期表中位于第四周期，ⅦB族，属于过渡族金属。金属锰密度7.43g/cm3，性硬而脆，莫氏硬度5～6，致密块状金属锰表面为银白色，粉末呈灰色[1,2]。锰元素在地壳中的含量约0.085%

2、，在已知元素中占第十五位，在重金属中仅次于铁而居第二位[3]。锰资源丰富，价格便宜。     元素锰早在1774年就被发现，但是，在钢铁工业中的重要作用直到1856年发明底吹酸性转炉，以及1864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，已成为钢铁工业中不可缺少的重要原料。约90%锰消耗于钢铁工业，用量仅次于铁，其余10%消耗于有色金属冶金、化工、电子、电池、农业等部门[4，5]。     锰及其化合物是生产粉末冶金材料的常用原料。Benesovsky和Kieffer于1950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

3、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。 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固溶强化作用，优于许多合金元素（强化作用递增次序：Cr＜W＜V＜Mo＜Ni＜Mn＜Si＜P）。利用这一特性，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ISO5755：2000（E）标准，铁基结构零件用镍钼锰钢粉含有0.1%～0.6%Mn。     Zapf，Ho

4、ffman和Dalel于1975年对Fe-Mn和Fe-Mn-C合金进行了研究。发现锰含量4%～6%时，合金拉伸强度达550～600MPa，而复压复烧工艺可达650～700MPa。1970年法国专利（Frenchpatent2092027）和1971年英国专利（BritishPatent1342388）表明，Fe-2%Mn-3%Cr合金的最大强度可达800MPa[6]。     将锰和硅作为合金元素同时添加的低合金烧结钢，表现出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[7，8]。Klein等报道，1250℃保温60min烧结的Fe-3.2%Mn-1.4%Si-0.4

5、%C合金，拉伸强度达800~1000MPa。烧结铁和烧结钢主要用于制造机械零件，在选择合金元素时，必须注意到其对尺寸稳定性的影响。在一般情况下，加入硅会引起压坯在烧结时收缩，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[9]。Klein等测定了5种成分试样的尺寸变化ΔL/L0，发现Fe-2.0%Si-2.0%Mn和Fe-2.0%Si-4.0%Mn基本与纯铁相同，尺寸变化为1.2%~1.4%；而Fe-4.0%Mn较高，约为1.7%；Fe-2.0%Si较低，约为0.7%[10]。Zhang等列举了几种含镍、钼、铜、锰、硅烧结钢的力学性能，如表1。可以看出，

6、同时添加锰和硅合金元素的烧结钢具有很高的性能。    Šalak等发现，烧结时锰升华并形成蒸气。图1给出了Fe-45%Mn-20%Si合金在600~1200℃条件下的锰蒸气压。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止其它元素发生氧化[12，13]，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，加快合金化速率[14]。Klein等对Fe-2.0%Si-4.0%Mn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抑制作用，使合金元素达到高度均匀化[10]。     铬是钢中重要的合金元素。铬对氧的亲

7、和力极强，通常预合金粉末表面均形成氧化层，因而对烧结气氛要求极其严格，如氧分压应低于5×10-16kPa。可在这类合金中加入锰，利用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[15，16]。将锰加入到烧结钢粉末原料中有3种方式：锰铁粉、含锰母合金粉和预合金粉。母合金技术是把几种组元熔炼成合金，破碎成粉体后，加入到铁基粉末中。继德国GFE公司1973年