高等教育（yù）出版社2008年出版的《相圖理論及其應用》一書，是以作者（zhě）王崇琳先生在中國（guó）科學院金屬研究所講授相圖學的教（jiāo）材為基礎，加工編撰而成的。筆者細讀了有關章節，首先感（gǎn）到的是，本書特點鮮明。第一，本書並不隻是將素材拚湊起來的匯（huì）總，作者沒有照搬別人成果的習慣，他不拾人牙慧，而是在占有大量素材的基礎（chǔ）上（shàng），經過（guò）本人（rén）的消化（huà）、加（jiā）工、再創造（zào）而織造出全書的構架和內容（róng）。從（cóng）相圖應用者的角度看，本書第二個特點是，“相圖應用”占（zhàn）全書很大篇幅，近1/3。這麽重的（de）份額當然會受到材料研發者（zhě）和生產者的歡迎。其實，本書這一特點正是作者本人工作風格的（de）反映：他既熱衷於鑽研理論，又極為重（chóng）視應用實踐；他的本職工作是從（cóng）事材料和製品研發（fā），但他同時還參與和深人生產活動，協助企（qǐ）業解決生產中的技術問題。

 

本書第8.3節“相圖在粉末冶金中的應用”，以相圖為依據（jù），詳細分析了燒結過程機理（lǐ），從而凸顯出（chū）相圖對研發粉末冶金材（cái）料和指導（dǎo）生產的重要性。筆者重點研讀了這一節，獲取了不少知識，明確了一（yī）些重要的概念。現將讀書心得整理出來，與（yǔ）大家共享。這篇讀書心得的主要內容是指筆者從本（běn）書直接得到（dào）的（de）知識，還包括受到的啟發，應用本書提出的（de）概念和方法，聯係生產科研實踐和科技文（wén）獻有關資料的體會。此外，還（hái）收入了（le）本書作者應用相圖解（jiě）決生產問題（tí）的兩個實例。

 

1 將燒結（jié）方式按相圖分類，廓清研發思路

在粉末冶金生產和科研實踐中，已有多種燒結方式得到應用（yòng）。German R M[1]用（yòng）相圖解釋（shì）了不同的燒結方式，舉出（chū）了許多實例。王崇琳先生熟知相圖，在粉末冶金方麵擁有豐富的工作經曆。在此基礎上（shàng）並參考German R M的論（lùn）著，他深入鑽研了不同燒結方（fāng）式間的內在聯係及其與相圖之間的關係，找出了溶解度這個共性特點；並以此為切入點，即根據基體組元與添（tiān）加組元之（zhī）間相互溶解度的差異，將固相燒結和液（yè）相燒結各自歸納為四種方法（fǎ）或方式(第326、337頁)。為簡明起見，筆者改為表格表示(見表1)。筆者認為（wéi），腫脹是燒結過程中出現的一種現象，因而未將其（qí）歸入燒結方法(方式)之（zhī）中。

 

表1 燒結方法(方式)按基體組元與添加組元之間相互溶解度差異（yì）分類

Table l Sintering processes classified by mutual solubility difference between the matrix components and additive components

燒（shāo）結方式

基體組（zǔ）元在添加組元中

的溶解度

添加組元在基體組元中

的溶解（jiě）度

舉例

固相（xiàng）燒結（jié）

均（jun1）勻化燒結（jié）

活化燒結

燒（shāo）結時形成複合材料（liào）

液相燒結

充分致密化液相（xiàng）燒結(或持續液相燒結)

瞬時液相燒結

有限致密化液相燒結

 

較高

高

低

 

高(在液相中)

較低(在液相中)

低(在液相中)

 

較（jiào）高

低

低

 

低

高

低

 

W-Mo,Ni-Cu

W-Ni, Mo-Ni

Al2O3-Fe

 

WC-Co ,Fe-B

Cu-Sn,Fe-Cu

 

本書第8.3節“相圖在粉末（mò）冶金（jīn）中的應用”應用相圖（tú）對（duì）各種燒結方式進行分析，理出了明晰的圖線，廓清了思路，從而為研（yán）發和生產粉（fěn）末（mò）冶（yě）金材料製訂（dìng）技（jì）術方案（àn）提供依據。筆者依據本章節的內容將相圖理論對於粉末冶金材料研發的重要性，歸（guī）納出三個方麵：

(1)相圖是設計材料成分的依（yī）據；

(2)相圖是製訂燒結工藝方案的依據（jù）之一；

(3)相圖是控製產品組（zǔ）織結構的依據之一（yī）。

 

以上（shàng）三個（gè）方麵是相互關聯的。相應於不（bú）同（tóng）的材料組成，有（yǒu）不同的燒結方式與之合理匹配（pèi）；另一方麵，可以根據材料在燒結過程中的行為或燒結產物的組織，來設計材料的成分或對材料成分作出調整（zhěng）。

 

我國（guó）的材料研究工作者以成分、組織結構、製（zhì）備、性質和使用性能五個要素構成六麵體，將理論、材料設計與工藝（yì）設計置於六麵體中心，製約位於頂角（jiǎo）的五個要素[2]。借鑒此（cǐ）模型，可說明相圖（tú）理論（lùn）對於粉末冶金材料研（yán）發的重要性。顯然，相圖理論應位於六麵體中心。

 

2 根據相圖製訂燒結方案和控製產品組織

根據燒結過程中組元本（běn）身的（de）相變、組元之（zhī）間形（xíng）成新相和組元相互（hù）溶解度的差異（yì），可（kě）以選（xuǎn）擇不同的燒結方案，以獲得所設計的組織（zhī）結構和性（xìng）能。對此，書中列舉了一些（xiē）示（shì）例。

2.1 難（nán）熔金屬（shǔ）

難熔金屬燒（shāo）結溫度高，設法降（jiàng）低其燒結溫度以減少能耗和降低生產成本，是生產者特別關注（zhù）的問題。固態活化燒結是製備難熔金（jīn）屬（shǔ）及其合金經常采（cǎi）用的方案。本書用一小節討論了活化燒結，指出難熔金屬鎢與不同金屬組（zǔ）成的燒結係在1 400℃燒結，由於鎢在添加（jiā）組元（yuán）中溶解度的差異而有不同的致密化效果(圖8.3.25)。鎢在鈀和（hé）鎳中溶解度較高，故（gù）W-Pd係(圖8.3.27，21.5％(原子數分數，以下同))和W-Ni係（xì）(圖8.3.26，17.5％)致密化效果優於鎢（wū）在添加組元中溶解度較低（dī）的W-Co係(圖（tú）8.3.29，16％左右)和W-Fe係(圖8.3.28，8％左右)；W-Cu係燒結雖然是在液相（xiàng）存在條件下（xià）進行，但（dàn）由於鎢在銅中溶解度極低(圖8.3.6)，故其（qí）致密化效果不及以上各係。

 

鎢基重（chóng）合金燒（shāo）結是充分致密化液相燒結的典型例（lì）子之一。書中指出，W-Fe-Ni係重合金一般於1 400～1 450℃氫氣氛中燒結。由W-Fe-Ni係相（xiàng）圖1 465℃等溫截麵(圖8.3.40)可見，鎢在Fe-Ni基液相中（zhōng）溶解度（dù）高達15.0％左右，十分有利於液相燒結。可借助相圖（tú）優（yōu）化合金成分使合金得到最佳組（zǔ）織，W-Fe-Ni係合金中Ni：Fe比例常取7：3，由（yóu）相（xiàng）圖(圖8.3.41和圖8. 3.42)可知，此（cǐ）成分使W-Fe-Ni合金組（zǔ）織處於不含脆性（xìng）相μ(Fe7W6)的相區。

2.2 鐵（tiě）基材料

瞬（shùn）時液相燒結（jié）可以有效促進合金元素擴散和均勻化，在生產中（zhōng）采用較多，是值得（dé）推薦的燒結方案。本書（shū）指明了（le）實（shí）現這種燒結方案的條件，列（liè）舉了能實現（xiàn）瞬時液相燒結的合金係（xì）。燒結鋼生（shēng）產中采用（yòng）瞬時液相燒結的例子很多，如Fe-Cu-C、Fe-Mn-C、Fe-Si-C、Fe-P-C、Fe-Mn-Si-C係等。Klein A N等人[3]采用母合金配製Fe-3.2Mn-1.4Si-0.4C合金，以l 080℃/60min燒結後，抗（kàng）拉強度（dù）極限為920MPa；他指出適當提高燒結溫度可進一步發揮瞬時液相燒結的有利作用（yòng），1 250℃/60min燒（shāo）結後（hòu），其抗拉強度極限提高至1 000MPa。

 

Fe-Cu係1 096℃以上存在固液兩（liǎng）相區，靠Fe軸一側為γ-Fe固相區（圖8.3.3)，適宜進（jìn）行瞬時液相燒結。本書作者（zhě）指出，Fe-Cu係進行瞬（shùn）時液相燒結時會發生腫脹，影響製品（pǐn）尺寸精度。對此，可以利用Fe-C係燒結時發生（shēng）收縮的現象，在（zài）Fe-Cu係（xì）中加入適量石墨粉來控製燒結尺寸變（biàn）化（huà）(第327頁)。

 

往複運動（dòng）機構中，在杆件（jiàn）外圓（yuán）裝配有對其起限定和導向作用的管狀零件。這類零（líng）件大都采用高碳含量的Fe-Cu-C係燒結材料製造，要求（qiú）在珠光體基體中分布有碳化（huà）物Fe3C和石墨。生產中發現，若在1 120℃附近燒結，因接近共晶線，往（wǎng）往在組（zǔ）織中出現網狀滲碳體而使產品變脆。本書作者曾應（yīng）用瞬時液相燒結法，協助某企業解決此問題。其措（cuò）施（shī）是加入Cu-P-Sn銅基合金粉末，例如Cu-5.9 P-4.1 Sn三（sān）元合金粉。差熱（rè）分析測定該合金固相線溫度為681～710℃，液相線溫度為951～975℃。在（zài）高於添加劑液相（xiàng）線的溫度如1 050℃燒結可實現（xiàn）瞬時液相燒結，促使碳和合金元索在（zài）鐵基體中擴散均勻（yún），得到無網狀滲碳體（tǐ）的顯微（wēi）組織。

 

鐵原子在α-Fe(體心立（lì）方晶格)中的（de）自擴（kuò）散係數比在γ-Fe(麵心立方晶格)中高100倍左右，因而α-Fe相區燒結或α-Fe+γ-Fe兩相區燒（shāo）結是（shì）鐵基材料（liào）常（cháng）選用的（de）燒結方（fāng）案。對這種方案（àn），可以選擇加入擴大α-Fe相區的元素鉬、矽（guī）和磷。磷（lín）具有擴大α-Fe相區和封閉γ-Fe相區的作用；在燒結溫度可形成液相共晶，加速燒結過程（chéng）；使α-Fe固溶強（qiáng）化；以及促進材料基體中（zhōng）孔隙球化。在1050℃時，磷在α-Fe中的最高溶解度為2.5％(質量（liàng）分數（shù），以下同)，在室溫下大於（yú）l.0％。Fe-P二元合金係中，磷加入量為0.3％～0.6％，燒結溫度下（xià）處（chù）於兩相區；超過0.6％時γ-Fe相區封閉。但是，本書未舉出α-Fe相（xiàng）區燒（shāo）結和α-Fe+γ-Fe兩相區燒結方式，其原因可能是作者按溶解度（dù）將燒結方式分（fèn）類，而這種方式主要依（yī）據是自擴散活（huó）性的差異，兩（liǎng）者有別。

 

2.3 粉末（mò）高速鋼

粉（fěn）末高速鋼應（yīng）采用（yòng）超同相線燒結。通過超固相（xiàng）線燒結製造的粉末高速鋼可以達到（dào）全致密（mì），並且（qiě），其基體中的粒狀碳化物分布均勻。適宜超固相線燒結的還有：鎳基高（gāo）溫合金（jīn）、粉末不（bú）鏽鋼和（hé）青（qīng）銅等預合金粉末。作（zuò）者指出，當燒結溫度選擇在液固兩相區時（shí），粉末顆粒表麵和顆粒內部晶粒界麵均出現液相（xiàng），其體積分數可達30％，是獲得全（quán）致密化效果的主要條件(第334頁)。值得重視的是（shì），作者指出（chū）在粉（fěn）末高速鋼燒結時，既要使材料（liào）達到致密，又（yòu）要避免晶界出現網狀滲碳體，必須將（jiāng）燒結溫度控製在狹窄的範圍內，如3～5℃，即存在一個（gè）可（kě）獲得（dé）最佳燒結效果的“燒結窗口”(第337頁)。這是製取粉末高速鋼的工藝難點之一。本書作者曾協助某企（qǐ）業采用超固相線燒結法研發一種耐磨零件。他注意到碳含量每提高0. 1％，固相線溫度下降10℃，於是通過控製（zhì）碳加入量來確定燒結（jié）溫度範圍，使（shǐ）生產得以穩定進行。本書作者采用固相（xiàng）線附近加壓（yā）的措施也是可行的方案，在溫度（dù）1 220～1 230℃和壓力4.5 MPa條件下，可得到相對密（mì）度99.85％，碳化物粒（lì）度僅3-7μm的製品（pǐn）[4]。不過，這種情況下其燒結過程並不是典型的超（chāo）固相線燒結。

 

2.4 硬質合金

硬質合（hé）金燒結是充分致密化（huà）液相燒結又一個典型例子。WC-Co贗二元係中，於共（gòng）晶溫度碳化鎢在液相中溶解度為14％，而鈷在碳化鎢中幾（jǐ）乎不溶解，特別適合（hé）於充分致密化液相燒結。作者指出，硬質（zhì）合金在1400～1450℃液相燒結後的相對密度可達99.5％以上(第352頁)。這裏筆者補充一句：細顆粒高鈷合（hé）金由於燒結活性（xìng）高，可以（yǐ）在更低的（de）溫度進行燒結；而粗顆粒（lì）低鈷合金的燒結溫度更高。筆者還借（jiè）此機會修正自己在l965年出版的《硬質合金工（gōng）具製造》中的一個失誤：WC-Co合金燒結過程（chéng）液相量的估（gū）算是不嚴格的，換算液相體積含量時其密度不該用鈷（gǔ）的固態密度。

 

本書單辟一小節詳細討論了W-C-Co三元係相圖（tú）。作者介（jiè）紹了W-C-Co係相（xiàng）圖研究的沿革，並對含混問題作出澄清。Sandford E J和Trent E M於1947年首先提（tí）出的WC-Co贗二元係（xì）相圖，共晶溫度標（biāo）為1320℃(第353頁)。

據筆者所知，Kieffer R發表於1951年的文章（zhāng）[5]將WC-Co贗二元係相圖中的共晶溫度標為1280℃；Tpeтъяков B И於1962年出版的專著[6]中，共晶溫度標為l340℃。筆者認為，將WC-Co贗二元係相圖上共晶溫度線（xiàn）處理成一條水平線，用於（yú）分析和控製硬（yìng）質合金相組織是不夠的。實際上，共晶溫度附近存在有L+WC+γ固溶體三相區，而（ér）不是（shì）一條水平（píng）線。雖然有人曾經（jīng）涉及這一點（diǎn），但一直未引起重視。可（kě）喜的是本（běn）書（shū）作者在書中明確指出：“三（sān）相區不是一條水平線，而是一個包絡區”(第357頁)，澄清和強（qiáng）調了這個問題。我們對此進行了簡短的討論，本書作者進一步說（shuō）明：W-C-Co三元係中，存在轉（zhuǎn）晶和共晶平衡，從圖8.3.56和8.3.57可（kě）見，轉晶溫度（dù）約為1325℃，共晶溫度約為1280℃。

 

實踐證明，這（zhè）個（gè）包絡區對硬質合金產品相組織控製具有重要價值。本書作者通過分（fèn）析W-C-Co係含6％Co(質量分數，以下同)和10％Co合（hé）金的垂直截麵(圖8.3.56和8.3.57)，指出（chū）含（hán）WC-6％Co和WC-10％Co合金，其含（hán）碳量應分別控製在5.68％～5.77％和5.38％～5.56％範圍內，以保證合金獲得（dé）WC+γ兩相組織(γ相為（wéi）溶有鎢和碳的鈷基固溶體)。利用相圖控（kòng）製（zhì）碳含量以使WC-Co合（hé）金最終產品獲（huò）得所要求的WC+γ兩相組織，可以作為相圖應用的一個成功（gōng）範例（lì）。遺憾的是，這並不為從事硬（yìng）質合金生產和研發的科（kē）技人員（yuán）所盡知。

 

在此順便說幾句題外話。本書（shū）作者在本（běn）小節末尾報（bào）道（dào）了納米級WC-Co贗二元係相圖(第362頁)。由圖可以看出，粉末粒度為1800nm時，共晶成分的相平衡溫度為l310℃，而粒（lì）度（dù）為30nm時降低至ll40℃，相差l70℃。作者指出：“此結果是否可信， 尚待證實。”筆者以為，如果結果是肯定的，那就意味著：當組元粒度細化到一定（dìng）程度時，粒度將成為相圖中的一維。想必本書作者也有這個意思。

 

3 應用相圖必須注意粉末體的特點

作者指出，相圖表示熱（rè）力學平衡狀態下的相關係，盡管實（shí）際情況偏離了平衡狀態，但隻有應用平衡狀態相圖知識（shí），才能（néng）找到（dào）製（zhì）取非平衡（héng）狀態材料的途徑，並預測其變化(第267頁)。筆者要補充的是，粉末體在燒結過程中和燒結後的組織大多偏離平衡狀態，借助相圖進行分析時（shí），應注意到粉末體本身的特點。

 

對於燒結鋼，特別是用（yòng）元素混合法製造的燒結（jié）鋼，應注意其與熔煉鋼的差異。文獻[7]指出，完全預合金化粉的顆粒（lì），已基（jī）本達到均勻合金化，所製造的燒（shāo）結鋼，其成分均勻性和組織與熔煉鋼幾乎（hū）沒有差別；而元素混合法和部分預合金化粉法製造的（de）燒結鋼，成分和組織很（hěn）不均勻，合金元素在鐵顆粒中擴散極慢，甚至ll50℃燒結100 h也達（dá）不到完（wán）全均勻。采用元素混合法和部分預合金化粉法製造的燒結鋼，其組織構成也偏離熔煉鋼。

 

亞共析（xī）成分熔煉鋼中不會出現網狀滲碳體，如Fe-0.6％C熔煉鋼在常溫下處（chù）於亞共（gòng）析相區，組（zǔ）織全部為珠光體；隻（zhī）有過共析成分的鋼在慢冷時才（cái）形成（chéng）網狀（zhuàng）滲碳體。然而，對於用元素混合法製造的亞共析成分的燒結鋼，雖然碳含量與相應（yīng）的熔煉鋼相同，卻有可能由於碳未充分擴散和均勻化，而出現遊離網狀滲碳體。

 

原材料（liào）粉末（mò）中的石墨粒度將（jiāng）影響滲碳體的形態；采用細粒度石墨（mò）和（hé）提高燒結溫（wēn）度有利於係統（tǒng）趨向平衡態，是（shì）解決上述問題的可行途（tú）徑。北京市粉末冶金（jīn）研究所的研究工作表明，采用粒度小於355μm的石墨（mò）粉時，燒結鋼（gāng）中的遊離滲碳體大（dà）都沿顆粒邊界（jiè）和晶粒邊界呈網狀分布，而采用粒度小（xiǎo）於74μm或更細的石墨，碳的均勻化程（chéng）度即可提高，使遊離滲碳體減少，珠光體增加；提高燒結溫度同（tóng）樣可以得到較好的效果，900℃燒結的（de）組織為遊離滲碳體和少量珠光體，1100℃燒結時遊離滲碳體明顯減少，珠（zhū）光體增加；加入（rù）銅並在（zài）出現液相的情況下進行燒結，可改善碳的擴（kuò）散和均勻化，有利於（yú）獲（huò）得遊離滲碳體（tǐ）極少的均勻珠光（guāng）體組（zǔ）織。某（mǒu）企業一種鐵基產品有時出現抗拉強度極限偏（piān）低而硬度偏高的情況，達不到要求指標。金相分析表明，組織中有（yǒu）大量滲碳體且部分呈網狀分布（bù），珠光體量很少。分析其原因是燒結溫度偏低，未能使碳充分擴散（sàn）。提高燒（shāo）結溫度或延長保溫時間即得以解決。

 

文獻[8]研究（jiū）了燒結溫度和保溫時間對鐵基材（cái）料組織中珠光（guāng）體數量的影響。指出，一組試樣保溫時間為2h，900℃燒結後無珠光體，l000℃燒結後珠（zhū）光體量（liàng）為40％～50％，ll00℃燒結（jié）後為70％～80％；另一組試樣（yàng）燒結溫度為ll00℃，保溫時間分別為0.5、1、2h時，珠光體量分別（bié）為10％～20％、40％～50％和90％。顯然，這種現象與碳在鐵中的溶解量和（hé）擴（kuò）散充分程度有關。

 

混合法製取燒結鋼時，所（suǒ）添加的（de）合（hé）金元（yuán）素也（yě）有（yǒu）類似行為。北京市（shì）粉末冶金研究所（suǒ）用混合法（fǎ）製取含鉬燒結鋼時發現，固相燒結情況下鉬很難擴散均勻，在（zài）富鉬區會形成碳化物。文獻（xiàn）[9]研究了用混合法製取燒結鋼時，不同（tóng）粒度鎳（niè）粉的均勻化差別。指出，對於粒度為37,8和1.5μm的鎳粉，經l l20℃／30min燒結（jié）後，分別有25％、60％和90％發生擴散（sàn）：1 120℃／60min燒結後，分別（bié）有40％、80％和l00％發生擴散。

 

上（shàng）述例子說明采用元素混合法製造燒結鋼時（shí），為獲得要（yào）求的組織和性能，所製訂的燒（shāo）結工藝必須保證添（tiān）加元素擴（kuò）散均勻，使材料係統盡量接近平衡態。但是，燒結鋼的這（zhè）種組織大多偏離平衡狀態的特點，不能絕對論其利弊。用混合法製取含（hán）鉬（mù）燒結鋼，在富鉬區會形成碳化物，這樣就提供了一種（zhǒng）可能，即加（jiā）入較少量的鉬，來（lái）獲得高硬度的碳化物（wù）相(Fe，Mo)6 C和(Fe，Mo)23C6。

 

熔煉W-Co-C合金與燒（shāo）結WC-Co合金的組織狀態截然不同。據WC-Co贗二元係相圖，自液相（xiàng）區冷卻時（shí），應形（xíng）成WC+γ共（gòng）晶；然而，在燒結（jié）硬質合金中卻不存在這種共晶，隻有鑄（zhù）造硬質（zhì）合（hé）金中才會出現。WC-Co硬質合金液相（xiàng）燒結過程中，一部分碳化鎢顆（kē）粒溶入液相，而大部分並未完全溶（róng）解，仍保（bǎo）持為固相，整個係（xì）統未達到平衡狀態。冷卻至（zhì）固相（xiàng）線(如上所述，實際是（shì）包絡區)以下時，從（cóng）液相析（xī）出碳化（huà）鎢並沉積在未（wèi）溶解的碳化（huà）鎢晶粒上。而製備鑄（zhù）造硬質合金經過完全熔融狀態，因此有共晶產（chǎn）物。另外，硬質合金生產中有時見（jiàn）到同一件產品中既含（hán）有遊離石墨又含有脫碳相的（de）現象，說明產品組織偏離平衡狀態，應采取適（shì）當的工藝措施予以避免。然而不利因素往往可以轉化為有利因素，梯度硬質合金就是有意（yì）利用偏離（lí）平衡狀態而開發的適合特（tè）定使用條件的高（gāo）端產品。

 

4 結束語

 

當今粉末冶（yě）金企業都高度重視開（kāi）發高端產品（pǐn）。上世紀中後期以來，世界粉末冶金機（jī）械零件工業取得（dé）明顯發展，主要歸功（gōng）於對高應力條件下使用（yòng）的高強度粉末冶金機械零件的開發。Haynes R[7]指出，提高燒結鋼強度的（de）途徑有三：通過（guò）壓製和燒結（jié）增加產（chǎn）品（pǐn）的密度；通過合金化強化金屬（shǔ）基體；通過熱（rè）處理強化金（jīn）屬基體。其中第二、三（sān）項措（cuò）施必須借助於（yú）相圖。粉末冶金工藝的（de）特殊性在於將材料製備和製品生（shēng）產結合在（zài）同一過程中，因而所有粉末冶金科技人員都應該重視對相圖的學習和應用。王崇琳先生這一專著問世應時，係統而詳細地講（jiǎng）解了粉末冶金所涉及的相圖學理論知（zhī）識，介紹了應用實例，提供了大量資料，其中很多是新近發表的（de）研究成果。這種適用的好（hǎo）書，案頭（tóu）是不可或缺（quē）的。