Fe-P-C三元系合金的组织与性能

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。bf(B)浸蚀剂〔8)，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，obf(B)浸浊剂的成份为：CuCl250毫克，SnC1z25毫克，FeC1g1.5克，蒸馏水25毫 升，酒精50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(Fe、C、Cu、P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 1,铁请合金的性能 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1、表 2。 表1 Fe-P二元系合金的性能◆ 性能 密 度 硬 度 抗弯强度 冲击韧性 成份 (克/厘米3) (HRB) (公斤/毫米2) (公斤-米/毫米2) Fe+0.3%P 6.68 35.6 69.4 2.8 Fe+0.45%P 6.91 55.8 82.5 3.6 Fe+0.60%P 7.19 70.9 >120 >5 Fe+0.80%P 7.30 75.7 117.6 1.5 Fe+2.0%Cu+0.7%C 6.61 69.5 68.0 1.04 ●压制密度约6.7克/厘米，烧结温度1120℃， 保温90分，分解氨保护。 表2 不同含磷量的Fe-P-C三元系合金的性能◆ 性能 度 密 硬 度 拉伸强度 冲击韧性 成份 (克/厘米) (HB) (公斤/毫米2) (公斤-米/毫米2) Fe+0.30P+0.50%C 6.79 129 44.4 2.1 Fe+0.45%P+0.50%C 6.92 146 54.8 1.9 Fe+0.60%P+0.50%C 6.93 151.8 56.7 1.9 Fe+2.0%Cu+0.50%C 6.86 122 44 1.63 ◆烧结温度1080℃，保温3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。某些性能指标己达到和超过瑞典 霍根纳斯铁粉公司同牌号合金的水平，见表3。 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。 36

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

表3 本试验研究的铁磷合金与霍根纳斯铁粉公司同牌号合金的性能对比 单 位 合 金牌号 密度 拉伸强度 (克/厘米3) (公斤/毫米) 本 试 验◆ Fe+0.3%P+0.5%C 6.8 46.4 霍根纳斯铁粉公司*◆ PNC30+0.5%C 6.8 43.0 本 试 验 Fe+0.45%P+0.5%C 6.86 52.8 霍根纳斯铁粉公司 PNC45+0.5%C 6.8 46.0 本 试 验 Fe+0.6%P+0.5%C 6.92 57.2 霍根纳斯铁粉公司 PNC60+0.5%C 6.8 52.0 ◆采取1080℃烧结，保温3小时，城市转化煤气保护 ◆*采取1120℃烧结，保温60分，分解氢保护。PNC30、PNC45和PNC60为鳞铁粉牌号， 含磷量分别为0.3%、0.45%和0.6%。 2,铁磷合金烧结时的组织变化和强化机理 铁磷合金为何能得到上述优越的综合机械性能，并达到良好的应用效果呢？分析如下， (1)Fe-P二元系合金在烧结过程中的相变及冷却后的组织： 应用F-P二元系相图（见图1），可以说明铁磷合金在烧结过程中的相变及冷却后的 组织。 1600r 君 1500 度 1400 1365℃ 1400 1300 1262 (27) 1300 120( (15.3)166D 1200 1100 1100 1050℃ (10.5) 1004 900 0 .20.10.6 醉含址一 10 1 20 25 磷的重计百分数% 图1Fe-P二元系相图 现以Fe+0.45%P的合金为例来进行说明。粉末压坯由铁粉和磷铁粉（基本上是Fe,P) 所组成，在混合料中磷含量为0.45%。随着温度的升高，磷铁粉中的磷，开始向铁粉颗粒中 进行固态扩散。当温度达到910℃以上时，铁粉颗粒要发生由a-Fe转变为Y-Fe的相变。只 有那些直接与磷铁粉颗粒相接触的铁粉颗粒由于溶解了一部分磷原子，才保持为a-Fe相或 转变为a-Fe+Y-Fe的两相组织。当温度超过磷共晶的熔点1050℃时，就会发生以下反应： 87

表 本 试验研 究 的 铁 磷 合金 与霍根纳 斯铁 粉公 司 同牌号合金的 性能对 比 单 位 合 金 牌 号 本 试 验 … 十 。 。 霍根纳 斯铁 粉 公 司” 本 试 验 … · · 霍根 纳 斯铁粉 公 司 ” · · 单 位 合 金 牌 号 密 度 拉 伸 强 度 克 厘 米 “ 公斤 毫米 本 试 验 霍根纳 斯铁 粉 公 司二 本 试 验 留根纳 斯铁粉 公 司 本 试 验 霍 根 纳 斯铁粉公司 ‘ 采取 ℃ 烧结 ， 保 温 小 时 ， 城 市转 化煤气保 护 二采 取 ℃ 烧结 ， 保温 分 ， 分 解 氮保 护 。 、 和 为磷铁粉牌 号 ， 含磷 量分别为。 ， 、 和 。 铁确 合 金烧结时的组 织 变化和 强化机 理 铁 磷合金 为何 能得到上述 优越的综 合机械性能 ， 并 达 到良好 的应 用效 果 呢 分析如 下 一 二元 系合金 在烧结过 程 中的相 变 及冷却后 的组织 应 用 一 二 元 系相 图 见 图 ， 可 以 说 明铁磷合金在 烧结过 程 中的相变及冷却后的 组织 。 绪 二 工 习 、 勿 ’ 、 、 夕吸 ， 尸 ’ 冬入 。 ℃ 汽 叮门 犯 、。 。八 一 巨日 恐 个 ℃ … …区 ︵ 磷 含址 人 几 磷 的 仁星百 分数 图 一 二 元 系相 图 抓以 的合 金为例来进 行说 明 。 粉末压 坯 由铁粉和 磷铁 粉 基本上是 。 。 所组成 ， 在混 合料 中磷 含量 为。 。 随着 温度的 升高 ， 磷铁粉 中的 磷 ， 开始 向铁锻预拉中 进行 固态 扩散 。 当温度 达 到 ℃ 以 上 时 ， 铁 粉颗粒要 发 生 由 一 转 变为丫一 的相变 。 只 有那些 直接 与磷铁 粉颗 粒 相 接触 的 铁 粉 颗 粒 由于溶解 了一 部分 磷原 子 ， 才保持为 一 相 或 转变为 一 丫一 的 两相 组 织 。 当温度超 过 磷共晶的熔 点 。 ℃ 时 ， 就 会发生 以下反应

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