微波加熱機(jī)制及粉末冶金材料燒結(jié)特性研究.pdf

1、微波燒結(jié)技術(shù)是利用微波與物質(zhì)相互作用的介質(zhì)損耗而產(chǎn)生熱量，使整個(gè)材料加熱至被燒結(jié)溫度而達(dá)到致密化的一種方法，其具有體積加熱、選擇性加熱、非熱效應(yīng)等特點(diǎn)，是快速制備高質(zhì)量的新材料和具有新的性能的傳統(tǒng)材料的一種重要技術(shù)手段。論文首先探索了微波燒結(jié)純金屬粉末的微波加熱特性及發(fā)熱機(jī)理，并以還原鐵粉為對(duì)象，研究了其燒結(jié)動(dòng)力學(xué)及機(jī)制，為深入探討微波燒結(jié)粉末冶金材料進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究。在此基礎(chǔ)上選取了在粉末冶金燒結(jié)中具有代表性的Fe-Cu-C鐵基粉末冶

2、金合金(少液相燒結(jié)或固相燒結(jié))、W-Ni-Fe高密度合金(金屬液相燒結(jié))以及WC/Co硬質(zhì)合金(金屬與陶瓷液相燒結(jié))為對(duì)象，研究了微波燒結(jié)此系列粉末冶金材料的工藝、性能、組織結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與特性，并與常規(guī)燒結(jié)進(jìn)行了對(duì)比。通過以上研究工作，得到以下主要研究結(jié)果：
　　 (1)金屬粉末微波加熱的機(jī)理存在電導(dǎo)損耗、磁損耗(渦流損耗、磁滯損耗、剩余損耗)和電弧放電等損耗機(jī)制，不同元素的金屬粉末主導(dǎo)損耗機(jī)制不同。在磁性材質(zhì)中，渦流損耗、磁滯損

3、耗、剩余損耗比非磁性材料加熱作用大；電導(dǎo)率大的材料電導(dǎo)損耗效果明顯。同種金屬粉末壓坯的微波加熱升溫曲線依賴于粉末顆粒尺寸、孔隙度和微波輸出功率。顆粒尺寸越小，加熱速率越快，最終所能加熱的溫度也越高；孔隙度越高，加熱速率越快，而最終所能加熱的溫度與起始孔隙度無關(guān)；微波輸出功率越大，加熱速度越快。在低溫下，SiC可大量縮短金屬壓坯的加熱時(shí)間，而高溫下不影響Fe粉壓坯的加熱曲線形狀，是一種較為理想的低溫輔熱材料。
　　 (2)微波燒結(jié)

4、還原鐵粉，在fcc晶體區(qū)域，試樣密度和燒結(jié)溫度滿足黃培云綜合作用燒結(jié)理論。還原鐵粉微波燒結(jié)的主要機(jī)制是晶界擴(kuò)散，也存在體積擴(kuò)散。微波燒結(jié)的表觀活化能為76.21 kJ/mol，和常規(guī)燒結(jié)相接近。
　　 (3)相比于常規(guī)燒結(jié)Fe-2Cu-0.6C粉末冶金材料，微波加熱過程升溫速度快，燒結(jié)時(shí)間顯著縮短。微波燒結(jié)樣品在氮?dú)浠旌蠚夥罩校?0min時(shí)，在1150℃得到最佳的燒結(jié)性能，密度為7.20g/cm3、洛氏硬度為HRB75、抗拉

5、強(qiáng)度為413.9MPa、伸長(zhǎng)率為6％。在1150℃微波燒結(jié)時(shí)，保溫15min試樣的各項(xiàng)性能達(dá)到最佳，密度為7.22g/cm3、硬度為HRB78、抗拉強(qiáng)度為416.8MPa、延伸率為5.5％。與常規(guī)燒結(jié)相比，微波燒結(jié)試樣洛氏硬度稍低，拉伸性能則顯著提高。微波燒結(jié)對(duì)材料力學(xué)性能改善在于其良好的微觀結(jié)構(gòu)。微波燒結(jié)有著更少的孔隙，即小的、近圓形的、分布較為均勻的孔隙，而不同于常規(guī)燒結(jié)的較大的、有尖角的、分布不均勻的孔隙。且微波燒結(jié)有著更為均勻的

6、孔隙結(jié)構(gòu)，即中心致密邊緣多孔，而不同于常規(guī)燒結(jié)的非均勻結(jié)構(gòu)，即邊緣致密中心相對(duì)多孔的結(jié)構(gòu)。常規(guī)燒結(jié)樣品的組織主要是由大量鐵素體、極少量珠光體以及大小不一的各種孔洞組成；而微波燒結(jié)樣品的組織主要是由鐵素體、片狀和粒狀珠光體以及極少量的孔隙組成。常規(guī)燒結(jié)樣品屬于脆性穿晶斷裂，而微波燒結(jié)為脆性穿晶斷裂和韌窩型的穿晶韌性斷裂的混合型斷裂，提高了材料的韌性和塑性。
　　 (4)90W-7Ni-3Fe合金在相同燒結(jié)溫度下，原料粉末的粒度越小

7、，性能越優(yōu)異；但是在高溫下，細(xì)粉顆粒性能反而降低。同種樣品不同溫度燒結(jié)時(shí)，有一最佳燒結(jié)溫度，可獲得最優(yōu)的綜合性能。在微波燒結(jié)中：1440℃下A試樣的抗拉強(qiáng)度為919MPa、硬度為HRC35.8，1460℃下B試樣的抗拉強(qiáng)度為899MPa、硬度為HRC34.7，1480℃下C試樣的抗拉強(qiáng)度為884MPa、硬度為HRC34.5。相對(duì)于常規(guī)燒結(jié)，微波燒結(jié)試樣W晶粒更細(xì)小、均勻，從而力學(xué)性能較好。TEM表明微波燒結(jié)合金中發(fā)現(xiàn)局部區(qū)域具有定向的條

8、紋，這是微波“非熱效應(yīng)”作用的結(jié)果。
　　 (5)在保溫15min，微波燒結(jié)YG8試樣在1500℃時(shí)達(dá)到最佳的硬度HRA90.3。與常規(guī)燒結(jié)試樣相比，微波燒結(jié)試樣的硬度較高，但抗彎強(qiáng)度明顯降低；合金的顯微組織細(xì)小、均勻，但明顯存在脫碳相η。微波燒結(jié)氣氛中含有氧是脫碳相η存在原因之一。鈷含量不同的試樣，在1460℃時(shí)WC-6Co硬度最高，而WC-9Co抗彎強(qiáng)度最高。用同等含量的Ni粉、Fe粉代替Co粉，所得試樣與WC-6Co試樣相