锰在粉末冶金材料中的应用

锰在粉末冶金材料中地应用

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：锰是重要地工业原料,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、硬质合金等材料中地应用情况.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地领域中,锰将具有广阔地应用前景.

1. 引言

元素锰地原子序数为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7.43

g/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].锰元素在地壳中地含量约

0.085%,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,在钢铁工业中地重要作用直到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,锰作为有效而廉价地合金化元素,已成为钢铁工业中不可缺少地重要原料.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地常用原料.Benesovsky 和Kieffer于1950年首先认识到锰在粉末冶金材料中地重要性.此后,锰在粉末冶金工业中地应用逐渐扩大.通过开发母合金技术和预合金技术,开发了含锰系列地高强度烧结钢.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地应用情况进行综述.

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地固溶强化作用,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地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

锰钢粉含有0.1%～0.6%Mn.

Zapf,Hoffman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550～600 MPa,而复压复烧工艺可达650～700 MPa.1970年法国专利

将锰和硅作为合金元素同时添加地低合金烧结钢,表现出良好地强化效果和烧结尺寸稳定性,价格便宜,具有很强地竞争优势[7,8].Klein等报道,1250℃保温60 min烧结地Fe-3.2%Mn-1.4%Si-0.4% C合金,拉伸强度达800~1000 MPa.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地影响.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地外观形状和尺寸[9].Klein等测定了5种成分试样地尺寸变化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、硅烧结钢地力学性能,如表1.可以看出,同时添加锰和硅合金元素地烧结钢具有很高地性能.

?alak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℃条件下地锰蒸气压.在添加地锰足够多地情况下,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地抑制作用,使合金元素达到高度均匀化[10].

铬是钢中重要地合金元素.铬对氧地亲和力极强,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5×10-16 kPa.可在这类合金中加入锰,利用它与氧地结合能力强而改善合金

显微组织地均匀性；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地含量.结果,使材料地力学性能得以提高[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Stadles专利之后,德国Krebs?ge开发了以复杂碳化物为基地母合金,命名为MCM和MVM.采用母合金方式地目地是降低粉末原料地氧含量.烧结钢中一般只加入1%-2%母合金,带入地氧低于200×10-6[8].

Schlieper和Thummler研究了加入MCM和MVM母合金地烧结钢,母合金加入量低于2%.试样经复压复烧,密度为7.2~7.3g/cm3,拉伸强度为730MPa.所用合金元素很少,锰、钼、钒含量仅为0.4%[8].

Zhang等采用母合金技术研究了Fe-Mo-Mn -Si-C烧结钢地力学性能[17].在H2-N2混合气体中烧结,有瞬时液相出现.结果表明,随锰和硅含量增加,合金地拉伸强度、屈服强度和硬度上升,而延伸率却下降,对0.7%C样品,当锰和硅含量从0.55%增加到2.2%时,拉伸强度、屈服强度和硬度分别从610MPa、450MPa和

185HV10上升到970MPa、700MPa和330HV10,而延伸率却从3.2%降低至1.3%.1982年东北工学院宫声凯和杨宗坡发表了关于MCM母合金作用地研究论文.李萍和杨宗坡等报道[18,19],随着母合金含量从0%增加到9%时,Fe-Mn-

Si-C烧结钢地硬度从115HB单调上升至约256HB,冲击韧度则从23J/cm2递减到5.6J/cm2,而抗拉强度在添加6.5%母合金时达到最大值315 MPa.作者认为,锰和硅元素固溶到基体当中,表现出固溶强化作用.同时,锰和硅

改变了烧结钢中贝氏体和马氏体形成地热力学条件,导致其含量增加,从而显著提高材料地抗拉强度.徐润泽对Mn-Cu母合金进行了研究[20].他指出,成分为54.98%Mn-42.62%Cu地母合金在890 ℃出现液相.含1.29%Mn、0.8%Cu、0.5%C地粉末锻造钢,经860℃油淬,350℃回火,其抗拉强度、冲击韧度和硬度分别为1150MPa、

50.6J/cm2和39.1HRC.预合金粉中合金元素均匀化程度高.美国粉末锻造用雾化钢粉含有少量锰：4600为

0.25%,2000为0.25%～0.35%,1000为0.15%～0.25%.日本烧结锻造用合金钢粉锰含量为1.9%~3.2%.加拿大魁北克金属粉末公司开发地几种水雾化含锰低合金钢粉,具有很高地淬透性,适用于烧结硬化.含0.4%～0.5%Mn、0.4%～0.5%Cr、0.85%～0.95%Mo、1.05%～1.15%Ni地粉末,氧含量低于0.25%.坯件在1120℃烧结后,经回火处理,表观硬度值为30HRC[21].

3. 改善铁基烧结材料地切削加工性能

烧结钢中添加硫化锰

295MPa,远远低于锰、硫含量较低地牌号SC-100.26地688 MPa.尹平玉等地实验结果表明[28],往Fe-2%Cu-

0.5%Mo-0.6%C烧结体系中添加硫化锰粉末后,材料地切削性能大大改善.而且,添加剂对材料地烧结温度、硬度以及尺寸精度均无明显影响.

Wang等地实验表明,304L奥氏体不锈钢中添加硫化锰后钢粉地成形性和烧结性能发生明显变化.硫化锰粉地加入降低了压坯密度,在硫化锰含量低于0.6%时,压坯收缩比和烧结坯密度随添加剂含量升高而降低；而高于0.6%之后却上升.添加硫化锰粉之后,烧结钢地耐腐蚀性变差,经10%浓度地FeCl3腐蚀液浸泡之后,样品质量损失随硫化锰添加量地增加而增加[29].硫化锰对粉末冶金烧结钢地疲劳断裂有重要影响,裂纹萌生于样品表面或表面下层地空洞,并以多种模式扩展,但是添加硫化锰并没有改变烧结钢地疲劳机理[30,31].同时,还发现烧结钢地抗挠强度、断裂韧性等性能不仅受硫化锰添加量地影响,而且与添加剂颗粒大小也有明显关系.硫化锰相主要分布于基体颗粒之间或孔隙当中,而颗粒内部却很少,因而硫化锰晶粒尺寸对上述性能具有直接地影响[32].

4 . 铜熔渗剂中地添加剂[6]

多孔铁和多孔钢一般采用铜基熔渗剂进行熔渗.铜熔渗铁往往使坯件表面产生腐蚀,在顶部留下残

渣,影响零件表面精度.在铜熔渗剂中加入锰,可以使情况得到改善.Elliott认为铜基熔渗剂含5%Fe和6%Mn是合适地.他指出,锰先于其他合金元素与烧结气氛和粉末压坯中地氧起反应,所生成地氧化物阻碍残渣附着,而且,氧化物多孔骨架起到储存器作用,使其中地熔融合金达到平衡并保留住铁.

Yokota等研究了铜熔渗剂类型对铁粉压坯地力学性能地影响,比较了4种成分地熔渗剂,所得结果列如表2.作者指出：

(1> 铜熔渗试样地拉伸强度随熔渗时间延长而快速增加,最大值在大约5min处；

(2> 添加4%Ni或4%Mn地铜熔渗剂,在防止熔渗试样表面点蚀方面,优于添加铁地熔渗剂；

(3> 各种热处理方案中,水冷和480 ℃时效30 min可以提高拉伸强度,炉冷和700℃时效20min可以提高延性.

5 . 烧结钢表面渗锰[6]

烧结钢常需防磨损保护而进行热处理,包括：表面淬火、碳氮共渗、软氮化、渗硼等.采用这些方法可以获得硬化表面,但或多或少使零件尺寸变大.不宜对硬化零件作精整处理,只能以磨加工进行尺寸修正.渗

锰处理可用于制造烧结耐磨零件,并能够保证零件地尺寸精度不变,避免上述缺点.Pohl和Redlinger报道了此工艺.锰地表面合金化可以在烧结过程中进行,从而免除附加地工序如渗碳、硬化和磨削.渗锰生成奥氏体锰钢表面硬化层,其性能类似于Hadfield高锰钢.

Amecarelli 和Bogheitich 采用装箱渗法对几种烧结钢进行渗锰,温度1100℃,保温25h.渗剂含10%～12%Fe、55%～57%Mn、32%～34%高岭土和0.3%NH4I.作者发现,烧结钢中锰扩散深度取决于原材料地物理性质和化学性质.坯件密度由

表1 Fe-Mn-Si-C与其他系列烧结钢力学性能比较[11]

表2 铜基熔渗剂熔渗铁粉压坯地力学性能<1120℃熔渗30 min）

6.2 g/cm3增加到6.7 g/cm3时扩散深度减小,然后几乎保持常数.分别添加碳、铜和镍合金元素对锰扩散有利.在含碳、锰和镍地合金中添加钼可获得最大地扩散深度.Amecarelli 等将几种锻钢和烧结钢进行

渗锰,两者化学成分相近.为了保证渗锰零件芯部地韧性,应采用高碳含量或高合金含量地钢<含量高于1010钢）.对于连通孔隙率可以忽略不计时地烧结钢<密度7.0～7.1g/cm3）,其渗锰处理与锻钢有相同地效果.烧结钢和锻钢中,合金元素会增强锰地扩散.当温度和时间相同时,烧结钢中锰地扩散深度大于相同成分地锻钢.作者发现,镍和铜有相同地作用,但当此两元素地浓度都高时,其效果不会叠加；锰地扩散深度比每个合金元素单独存在时小.作者认为这可能是由于锰在已溶有高浓度合金元素地铁基体中扩散率较低地缘故.X射线衍射分析指出,只有烧结钢中含有其它合金元素时,其表面才形成Mn4N.

表面经锰扩散处理地零件,其特性对在磨损和高温工况应用具有特殊地价值.Pohl测定了表面渗锰试样地硬度和强度<试样经450℃回火1h）.据作者地结果,在450℃测试温度下,表面渗锰零件地硬度高于碳氮共渗零件,两者分别约为400HV0.05和350HV0.05；而且,相对于室温下地硬度值,表面渗锰零件下降不多,仍有室温地80%,但碳氮共渗零件仅有50%.表面渗锰零件疲劳强度高于碳氮共渗零件,且随回火温度上升而线性增加,于450℃地值比室温时高8%.

6 . 锰基阻尼材料

Holman和Neumeier于1976年报道[6],通过粉末冶金方法已开发成功Mn-Cu阻尼合金.烧结在露

点较低地氢气中进行,最终烧结温度取决于锰含量,含55%Mn地合金约900℃,含75%Mn地合金升高到1075℃.当锰粉粒度由-100目减小到-325目时,烧结密度和拉伸强度略有增加.60Mn-40Cu合金在真空中烧结,如果烧结温度不低于氢中烧结,则锰将显著挥发.压坯在加热过程中先有百分之几地膨胀,当温度接近最终烧结温度时才发生收缩.表3列出了60%～75%Mn合金<含1%粘结剂）地拉伸强度和硬度数据.试样在氢气中加热,于760℃保温0.5h,860℃保温1h,最终烧结温度保温1h,可获得最大拉伸强度.孔隙和其他组织特性降低力学性能,但增加相对阻尼性能.材料烧结后便可获得良好地阻尼性能,从简化工艺和降低成本地角度出发,这一点是可取地.

以锰为基体地阻尼材料包括Mn-Cu、Mn-Fe及Mn-Ni合金等[33].在Mn-Cu系地烧结过程中,表现为锰进入铜地单向扩散机制,生成单相固溶体[34].Mn-Cu合金是良好地阻尼材料,Sizov等对Mn-Cu<70%Mn）合金回火过程中地衰减能力进行了研究[35],发现：在回火过程中,经过预先淬火地烧结样品内地γ固溶体具有与普通铸造合金极为相似地衰减方式；但不同地是,即使回火温度达到460℃,烧结合金地衰减强度也相对较低.他们认为,造成这一现象地原因与合金优异地化学均匀性有关.Fukuhara等研究了富锰地Mn-Cu合金地阻尼特性[36].增加合金中铜含量,密度、硬度、声波传播速率以及泊松比等均随之提高,但杨氏模量与体弹性模量之比

由γ-MnCu单相构成.单相合金地对数衰减率与温度关系曲线上存在两个峰,分别位于223K和460K位置,该双峰强度均高于铸造生产地M2052合金.作者认为,位于223K地主峰是由微观结构中地孪晶界面引起,而另一个峰则源于面心正交结构

7. 锰在铝合金中地应用

锰元素添加于铝合金中通常是经熔炼-破碎后按照粉末冶金工艺完成.在熔炼冷却时,采用高地冷却速率,以避免粗大地Al6Mn相地形成,为此,Lee等尝试了以MnAl薄饼或锰粉注射两种方式添加到铝合金基体中[38].结果表明,前一方式依靠组元之间反应释放地热量,使锰地固溶过程不需要额外地设备就可以维持,整个过程所需温度较低；而且,材料性能对锰颗粒尺寸依赖程度小.而采用后一种方式时,由于通过高速气流载入锰金属粉末,需要补加设备.此外,采用该方法工艺周期长,操作温度也明显高于第一种方式.同时,发现锰粉粒度不论在大于还是小于最佳尺寸时,均不利于材料性能.

Al-Mn合金是常见地铝合金,它由α固溶体和Al6Mn金属间化合物两相组成[39].金属间化合物对合

金地力学性能影响很大,随化合物含量地增加,合金屈服应力和抗疲劳强度明显上升,而延伸率却降低<尤其在较低温度地工作环境中）[40].在Al-Mn合金中添加少量铬之后合金性能改变明显,Sugamata等研究了Al-

(6~8>%Mn-(1~3>%Cr合金地力学性能与成分之间地关系[41].结果表明在Mn+Cr含量高于8.8%之后,合金强化程度因沉淀而明显上升.Al-7Mn-3Cr合金具有最佳地强化效果,拉伸强度达到480MPa,同时延伸率为7%.在铬添加量较低时,合金中沉淀出Al6Mn第二相；当铬添加量较高时,形成Al7Cr相,对热挤压地合金样品进行热处理后,体系中生成G相,即(Mn,Cr>Al12相.第二相地形成对影响合金微观组织和力学性能均表现出显著影响.在Al-Mn 合金中加入硅元素也取得了较好地效果,Hawk等采用快速凝固技术制备了Al-12.6Mn-4.8Si合金[42].经350℃退火处理100h后样品地微观组织非常稳定,强度和延伸率没有下降现象,在室温至380℃区间,拉伸强度从

465MPa降到115MPa,延伸率从 6%上升至12%；当温度上升至425℃后,延伸率进而增加到30%.同时,合金地强度、塑性取决于应变速率,高地应变速率下强度和塑性均有所提高.蠕变测试结果表明,在测试温度范围内,合金地蠕变激活能在100～230 kJ/mol之间,应力指数介于3～5间.粉末冶金工艺制备地高强度AlMnCe合金比传统合金具有更高地耐磨损性能[43].Al90Mn8Ce2合金在753～793K、1.2GPa条件下等静压制成形后,具有最佳地压缩强度和硬度,分别达到900MPa和26HRC,强度地提高归因于合金细小地晶粒和第二相强化[44]；研究发现

Al90Mn8Ce2合金具有优异地耐磨损性能,如在773K条件下,该合金地耐磨损能力是普通A355铝合金地3倍.还发

现材料中地Al6Mn、Al4Ce以及Al2O3等第二相硬质颗粒,对合金耐磨损性能提高有利[45].

近年来研究发现,在低锌<≤5%）地Al-Zn-Mg-Cu合金中添加锰,不仅能细化晶粒,而且,在不牺牲铝合金塑性和韧性地前提下,能显著提高合金强度[46].在高锌含量<≥8%）地Al-Zn-Mg-Cu系合金中添加4%Mn,显著地提高铝合金地强度,但材料地塑性和韧性较低,通常延伸率低于5%[ 47,48].为了解决这一问题,蔡元华等采用粉末冶金方法制备了锰增韧地Al-Zn-Mg-Cu合金[49],XRD表征结果显示材料中除含有α-Al基体外,尚有细小地Al6Mn、MgZn2和AlCu2Mn等相,而雾化粉中存在地CuMg2则在加热及变形过程中发生分解,溶解到基体中.含锰地沉淀相作为一种位错不可切割地粒子,与位错发生交互作用,阻止位错地运动,使得拉伸时硬化指数明显提高.同时使得滑移在合金每一个晶粒中均匀发生,促使平面滑移向交滑移转变,形成晶粒中均匀分布地细小滑移带,而不是产生局部地应变或应力集中,从而使合金维持较为恒定地延伸率,减小断口韧窝尺寸 [45,50].Al-Li合金是航空、航天、舰船等工业中最具潜力地新型金属结构材料,添加合金元素可以达到增韧和提高塑性等目地[51].在Al-Li合金中添加锰元素之后,锰以亚微M尺寸地Al6Mn颗粒形式弥散在基体当中.锰地加入不仅没有降低锂地沉淀强化能力,而且合金硬度、拉伸强度尤其弹性模量均随锰含量地增加而线性增大[52].含有高浓度地金属间化合物第二相颗粒地粉末冶金铝合金在高温环境下有重要应用前景.

在Al-Mg合金中添加锰之后观察到超塑性,经完全再结晶地Al-5Mg-2.2Mn合金平均晶粒尺寸约3

μm,在748～823 K温度区间以10-4～2 /s 地应变速率研究合金地塑性变形行为,结果发现,合金在应变速率10-2 /s条件下表现出超塑性行为,在823 K时以6×10-3 /s恒定速率拉伸时,合金最大延伸率达到570%.作者认为,粉末冶金Al-Mg-Mn合金地超塑性变形机理受晶界滑移控制,同时伴有晶界扩散主导地位错攀移和滑移机理[53].

8 . 锰在TiAl合金中地应用

粉末冶金工艺是制备TiAl合金地有效途径之一,通常采取元素粉末直接混合成形烧结而成.为改变TiAl合金地耐热性能和可加工性能,通常加入第三种合金元素,锰在被选之列[54,55].加入锰可以提高TiAl基金属间化合物地室温塑性[56,57].热挤压Ti-46.6Al-1.4Mn-2Mo合金,在800℃条件下延伸率达到4.3%,在1000℃高达13.6%[58].Xu等研究发现,锰元素能够促进TiAl合金中β相地形成,而且对该相具有较强地稳定作用.β相处于铸造地TiAl合金树枝晶中心,为亚稳相,在1200℃地热等静压过程中分解为α相与γ相[59].β相是TiAl合金脆性断裂地根源之一,其存在不利于提高材料地力学性能.因此,添加锰元素后能够改善TiAl合金力学性能,控制材料相组成是关键.

但是,由于锰地加入在一定程度上降低了合金地耐腐蚀性,合金在900℃地(Na,K>2SO4熔盐中经热腐蚀处理后表

明,在合金最外层生成以Al2O3为主含有少量TiO2地产物,而内部为铝、钛、锰地混合氧化物,以及少量钛地硫化物[60].同时,锰元素与氧之间地亲和能力极强,不利于提高合金地高温抗氧化性能.

9 . 锰在钨基重合金中地应用

在钨基重合金中添加锰元素地目地之一是净化晶界.通常条件下制备地合金中,氧、硫等杂质元素主要偏聚于钨颗粒和粘结相之间地界面.合金中添加地锰元素与氧、硫元素结合形成氧化物、硫化物,从而提高了钨颗粒和粘结相之间地结合强度[61].W-Ni合金中添加锰后,与传统重合金相比,烧结温度降低200℃,相对密度可达到96%,晶粒更细小.W-Ni-Mn合金具有高绝热剪切应力,适用于穿甲弹材料,具有自锐能力[62].W-Ni-Mn 合金孔隙尺寸小,力学性能优异.硅含量为2%地样品中锰含量超过2%后,拉伸强度、断裂强度和硬度显著上升,在4%Mn时,三者分别达到600MPa、400MPa和205HV20.拉伸强度对粉末制备条件敏感；延伸率取决于合金整体地孔隙度,而与孔隙地形貌无关[63,64].Bose 等通过热等静压处理消除材料中地残余孔隙,进一步提高材料力学性能[65].此外,重合金中添加地锰元素,固溶到粘结相当中起到强化作用,使合金力学性能显著改善.W-7Ni-3Fe合金中添加0.03%Mn时,合金延伸率提高3倍,当添加量为0.05%时,合金强度和延伸率最佳,分别高达1000 MPa 和41%[66].Bose等也证明,锰加入到93W-Ni-Fe-Co合金中,能提高真空退火态合金地塑性和韧性[65].

锰在重合金中地另一个重要应用就是提高合金地膨胀系数[67].虽然添加锰元素后合金地膨胀系数有一定程度提高,但偏离理论值较多,还有待进一步研究解决.构成W-Ni-Cu合金地3种基本组元地热膨胀系数分别为：4.59×10-6/K(W>、13.3×10-6 /K(Ni>、16.5×10-6/K(Cu>.为保证合金膨胀系数在7×10-6/K以上,系统中必须大量添加高膨胀系数地合金元素.锰是理想选择：其膨胀系数达到22×10-6 /K,同时具有高地密度(7.43g/cm3>和高地熔点(1517 K>,在溶解钨地同时还能够固溶于粘结相中,因而在理论上能保证对钨有较好地润湿性.这些优点对制备膨胀系数高、力学性能良好地重合金材料至关重要.样品分析结果表明,由于在样品制备过程中未能很好解决锰地氧化问题,随着锰添加量地增加,合金中地氧含量也随之上升,从表4可看出,烧结后样品中地氧含量为烧结前地16~20倍.此外,由于锰地饱和蒸气压高,烧结时系统中锰严重烧损,减少了液相,从而增加了样品中孔隙.受这两个因素地影响,锰地加入实际上导致粘结相对钨地润湿性以及钨在粘结相中地溶解度均降低,钨颗粒间地结合强度也相应减弱,使合金性能降低,这阻碍合金膨胀系数增大.

表3 Mn-Cu合金地性能

表4 锰地添加量对W-Ni-Cu合金性能、杂质含量及线膨胀系数地影响[67]

10. 高锰钢粘结硬质合金

常规硬质合金以钴为粘结剂,钴属于战略物资,矿藏稀缺,价格昂贵,因而长期以来,硬质合金界一直积极寻找一种价格低廉、储量丰富地材料来替代钴.目前,已经开发出一种以Fe-Mn作为粘结相、碳化钨为硬质相地新型硬质合金.粘结相成份接近于高锰钢,但是其锰碳比不同.由于受硬质相碳化钨地影响,其值比常规高

锰钢中地锰碳比低.Fe-Mn<如Fe-13.5%Mn）合金在晶体结构、熔化温度以及冷却过程中γ(fcc>→ε(hcp>相变等特征与金属钴相同.而且,锰钢本来就是一种耐磨损性能优异地材料.因此,Fe-Mn合金完全符合粘结相地要求.添加15%和25%地Fe-15%Mn合金,经过1350~1430℃烧结后,Fe-Mn合金添加量较少地试样,其硬度较高.在相同烧结温度<1400℃）和碳含量<0.5%）条件下,Fe-Mn合金添加量为15%样品地硬度为15GN/cm2,高于添加25%样品地14.5 GN/cm2.而且,还随着碳含量地降低而升高,对添加15%Fe-Mn合金于1400℃烧结样品,添加1%C地硬度从14.2GN/cm2增加到15.4GN/cm2；但对断裂韧性地影响规律却正好相反.实验还发现,合金地最佳烧结温度为1400℃,所得材料相由多边形WC相与Fe-Mn马氏体相构成[68].崔宏研究了成分为<80~85>%WC、<15~20>%粘结相地材料,烧结后再经1000~1050℃韧化处理,所得合金具有优良地物理力学性能,硬度为85~88HRA,抗压强度为3430~4410MPa,横向断裂强度为1860~2350MPa,主要性能指标达到矿用WC-Co硬质合金地工业指标[69].

钢结硬质合金是20世纪50年代开发地工具材料,高锰钢钢结硬质合金是其中一类.高锰钢钢结硬质合金由高锰钢基体和硬质相<碳化钛或碳化钨）构成.高锰钢钢结硬质合金经水韧化处理后,冲击韧度为

8~10J/cm2,硬度58~63HRC,并具有加工硬化地特点[70].碳化钛基高锰钢结硬质合金有两个典型牌号：TM52和TM60.TM52地成分为40%~60%TiC、8%~10%Mn、0.6%~2%Ni、0.6%~2%Mo、0.8%~1.2%C、余Fe；TM60地成分为：30%~50%TiC、9%~12%Mn、0.6%~2%Ni、0.6%~2%Mo、0.8%~1.4%C、余Fe.刘舜尧利用扫描电镜和金相观察等手段

粉末冶金材料标准表

公司制造的铁基粉末冶金零件执行标准与成分性能<一> GB/T14667.1-93 <二> MPIF-35

烧结铁和烧结碳钢的化学成分(%). 材料牌号Fe C F-0000 97.7-100 0.0-0.3 F-0005 97.4-99.7 0.3-0.6 F-0008 97.1-99.4 0.6-0.9 注: 用差减法求出的其它元素(包括为了特殊目的而添加的其它元素)总量的最大值为2.0%。▲烧结铁-铜合金和烧结铜钢的化学成分(%). 材料牌号Fe Cu C FC-0200 83.8-98.5 1.5-3.9 0.0-0.3 FC-0205 93.5-98.2 1.5-3.9 0.3-0.6 FC-020893.2-97.9 1.5-3.9 0.6-0.9 FC-0505 91.4-95.7 4.0-6.0 0.3-0.6 FC-0508 91.1-95.4 4.0-6.0 0.6-0.9 FC-0808 88.1-92.4 7.0-9.0 0.6-0.9 FC-1000 87.2-90.5 9.5-10.5 0.0-0.3 烧结铁-镍合金和烧结镍钢的化学成分(%). 材料牌 号 Fe Ni Cu C FN-0200 92.2-99.0 1.0-3.0 0.0-2.5 0.0-0.3 FN-0205 91.9-98.7 1.0-3.0 0.0-2.5 0.3-0.6 FN-0208 91.6-98.4 1.0-3.0 0.0-2.5 0.6-0.9 FN-0405 89.9-96.7 3.0-5.5 0.2-2.0 0.3-0.6 FN-0408 89.6-96.4 3.0-5.5 0.0-2.0 0.6-0.9 注: 用差减法求出的其它元素(包括为了特殊

粉末冶金工艺基本知识

粉末冶金工艺基本知识 粉末冶金成形 粉末冶金工艺及材料 粉末冶金是制取金属粉末并通过成形和烧结等工艺将金属粉末或与非金属粉末的混合物制成制品的加工方法，既可制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料，又可制造各种精密的机械零件，省工省料。但其模具和金属粉末成本较高，批量小或制品尺寸过大时不宜采用。粉末冶金材料和工艺与传统材料工艺相比，具有以下特点： 1．粉末冶金工艺是在低于基体金属的熔点下进行的，因此可以获得熔点、密度相差悬殊的多种金属、金属与陶瓷、金属与塑料等多相不均质的特殊功能复合材料和制品。 2．提高材料性能。用特殊方法制取的细小金属或合金粉末，凝固速度极快、晶粒细小均匀，保证了材料的组织均匀，性能稳定，以及良好的冷、热加工性能，且粉末颗粒不受合金元素和含量的限制，可提高强化相含量，从而发展新的材料体系。 3．利用各种成形工艺，可以将粉末原料直接成形为少余量、无余量的毛坯或净形零件，大量减少机加工量。提高材料利用率，降低成本。 粉末冶金的品种繁多，主要有：钨等难熔金属及合金制品；用Co、Ni等作粘结剂的碳化钨（WC）、碳化钛（TiC）、碳化钽（TaC）等硬质合金，用于制造切削刀具和耐磨刀具中的钻头、车刀、铣刀，还可制造模具等；Cu合金、不锈钢及Ni等多孔材料，用于制造烧结含油轴承、烧结金属过滤器及纺织环等。随着粉末冶金生产技术的发展，粉末冶金及其制品将在更加广泛的应用。 1 粉末冶金基础知识 ⒈1 粉末的化学成分及性能 尺寸小于1mm的离散颗粒的集合体通常称为粉末，其计量单位一般是以微米（μm）或纳米（nm）。 1.粉末的化学成分 常用的金属粉末有铁、铜、铝等及其合金的粉末，要求其杂质和气体含量不超过1%～2%，否则会影响制品的质量。 2.粉末的物理性能 ⑴ 粒度及粒度分布 粉料中能分开并独立存在的最小实体为单颗粒。实际的粉末往往是团聚了的颗粒，即二次颗粒。图描绘了由若干一次颗粒聚集成二次颗粒的情形。实际的粉末颗粒体中不同尺寸所占的百分比即为粒度分布。 ⑵ 颗粒形状 即粉末颗粒的外观几何形状。常见的有球状、柱状、针状、板状和片状等，可以通过显微镜的观察确定。 ⑶ 比表面积 即单位质量粉末的总表面积，可通过实际测定。比表面积大小影响着粉末的表面能、表面吸附及凝聚等表面特性。 3.粉末的工艺性能 粉末的工艺性能包括流动性、填充特性、压缩性及成形性等。 ⑴ 填充特性 指在没有外界条件下，粉末自由堆积时的松紧程度。常以松装密度或堆积密度表示。粉末

超硬材料的结构特征与材料硬度的关系

超硬材料的结构特征与材料硬度的关系 材料中的化学键按其特性可分成三类：即金属键、共价键和离子键材料。一般说来，共价键材料具有最高的硬度；离子键材料具有较好的化学稳定性；金属键材料具有较好的综合性能。 材料硬度的大小，主要决定于物质内部结构中原子间结合力的强弱。结合力越强，抵抗外力作用的强度就越大，材料的硬度就越高。金属键一般不很强，故金属键结合成的材料硬度通常不高。共价键则因其键力很强，所以共价键结合成的材料均具有很高的硬度，如金刚石是世界上最硬的材料。离子键的键力较强，因而离子键材料有较高的硬度。 材料的硬度与材料的内部结构特征如离子半径、价键、配位数有关。其规律如下： ①对于结合力类型相同的材料，其离子半径减小，硬度也可提高； ②离子电价高，键力提高，硬度也可提高； ③质点堆积越紧密，密度越大，硬度越高； ④阳离子配位数越高，硬度越高。 1.元素的共价半径 元素周期表中给出了元素的共价半径。共价半径小，材料硬度高。为什么碳是最符合生成超硬材料的元素呢?下面我们分析一下元素的性能。 ①惰性气体 它们是满壳层的元素，其化合价为零，通常呈气态，可用降温或加压的方式使其变为液态，但是除去温度、压力条件则又变成气体，所以它很难变为超硬材料。 ②氢 在通常状况下呈气态。氢原子(H)只有一个电子，当它与其他原子(x)形成共价键后，氢核就暴露在外面，于是可通过库仑作用再与其他电负性较大的原子(Y)相结合。因而，氢键可表示为X —H —Y 的形式。当X 与H 结合时，形成共价键x —H ，结合得紧密；当H 再与Y 结合时，形成氢键，结合力弱。尽管氢还可以通过特殊的形式形成有诸多性能的固态金属氢，但它没有超硬的性能。 ③第二周期中的元素 当把第二周期以外的元素分析过之后，就余下第二周期的锂（Li ）、铵(Be)、硼(B)、碳(C)、氮(N)、氧(O)、氟(F)等几种元素了，它们的共价半径见表1—3。 对于N ，O ，F ：通常呈气态，凡气体从其特性出发，不可能形成超硬的材料。 对于Li ，Be ，B ：它们的共价半径均大于碳，若从共价半径小，硬度高的规律来考虑，就只剩下碳元素了。 综上所述，碳是最符合生成最坚硬物质的元素。 2.价键 从价键的观点出发，半满键的碳，呈4价，它既可“捕获”4个电子变成稳定态，也可“奉献”4个电子而呈稳定态。因此，碳通常以共价键结合，具有很高的硬度。 (1)杂化轨道理论 杂化轨道是相当普遍的原子结合形式之一。杂化轨道理论最先是由鲍林(Paning L)和斯来托(Slater J ．C)于1931年提出的。鲍林把d 轨道组合进去，得到了s —p —d 杂化轨道(图l —3)。唐敖庆等把f 轨道组合进去，得到了s —p —d —f 杂化轨道，使该理论更加完善。对金刚石而言，仅讨论s —p 轨道杂化，而不去讨论d —f 更为复杂的杂化轨道。 在量子力学里有叠位原理和简并状态，如金刚石的3 sp ，可写为s 、x p 、y p 、z p ，它

镍、锰、氮、碳在不锈钢中的作用

镍、锰、碳、硅在不锈钢中的作用 镍是优良的耐腐蚀材料，也是合金钢的重要合金化元素。镍在钢中是形成奥氏体的元素，但低碳镍钢要获得纯奥氏体组织，含镍量要达到24％；而只有含镍27％时才使钢在某些介质中的耐腐蚀性能显著改变。所以镍不能单独构成不锈钢。但是镍与铬同时存在于不锈钢中时，含镍的不锈钢却具有许多可贵的性能。 基于上面的情况可知，镍作为合金元素在不锈钢中的作用，在于它使高铬钢的组织发生变化，从而使不锈钢的耐腐蚀性能及工艺性能获得某些改善。 铬镍奥氏体钢的优点虽然很多，但近几十年来由于镍基耐热合金与含镍20％以下的热强钢的大量发展与应用，以及化学工业日益发展对不锈钢的需要量越来越大，而镍的矿藏量较少且又集中分布在少数地区，因此在世界范围内出现了镍在供和需方面的矛盾。所以在不锈钢与许多其他合金领域（如大型铸锻件用钢、工具钢、热强钢等）中，特别是镍的资源比较缺乏的国家，广泛地开展了节镍和以其他元素代镍的科学研究与生产实践，在这方面研究和应用比较多的是以锰和氮来代替不锈钢与耐热钢中的镍。 锰对于奥氏体的作用与镍相似。但说得确切一些，锰的作用不在于形成奥氏体，而是在于它降低钢的临界淬火速度，在冷却时增加奥氏体的稳定性，抑制奥氏体的分解，使高温下形成的奥氏体得以保持到常温。在提高钢的耐腐蚀性能方面，锰的作用不大，如钢中的含锰量从0到10．4%变化，也不使钢在空气与酸中的耐腐蚀性能发生明显的改变。这是因为锰对提高铁基固溶体的电极电位的作用不大，形成的氧化膜的防护作用也很低，所以工业上虽有以锰合金化的奥氏体钢（如40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN、ZGMn13钢等），但它们不能作为不锈钢使用。锰在钢中稳定奥氏体的作用约为镍的二分之一，即2％的氮在钢中的作用也是稳定奥氏体，并且作用的程度比镍还要大。例如，欲使含18％铬的钢在常温下获得奥氏体组织，以锰和氮代镍的低镍不锈钢与元镍的铬锰氮不诱钢，目前已在工业中获得应用，有的已成功地代替了经典的18-8铬镍不锈钢。

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烧结铁和烧结碳钢的化学成分(%). 材料牌号Fe C F-0000 97.7-100 0.0-0.3 F-0005 97.4-99.7 0.3-0.6 F-0008 97.1-99.4 0.6-0.9 注: 用差减法求出的其它元素(包括为了特殊目的而添加的其它元素)总量的最大值为2.0%。▲烧结铁-铜合金和烧结铜钢的化学成分(%). 材料牌号Fe Cu C FC-0200 83.8-98.5 1.5-3.9 0.0-0.3 FC-0205 93.5-98.2 1.5-3.9 0.3-0.6 FC-020893.2-97.9 1.5-3.9 0.6-0.9 FC-0505 91.4-95.7 4.0-6.0 0.3-0.6 FC-0508 91.1-95.4 4.0-6.0 0.6-0.9 FC-0808 88.1-92.4 7.0-9.0 0.6-0.9 FC-1000 87.2-90.5 9.5-10.5 0.0-0.3 烧结铁-镍合金和烧结镍钢的化学成分(%). 材料牌 号 Fe Ni Cu C FN-0200 92.2-99.0 1.0-3.0 0.0-2.5 0.0-0.3 FN-0205 91.9-98.7 1.0-3.0 0.0-2.5 0.3-0.6 FN-0208 91.6-98.4 1.0-3.0 0.0-2.5 0.6-0.9 FN-0405 89.9-96.7 3.0-5.5 0.2-2.0 0.3-0.6 FN-0408 89.6-96.4 3.0-5.5 0.0-2.0 0.6-0.9 注: 用差减法求出的其它元素(包括为了特殊 编辑版word

粉末冶金工艺及材料基础知识介绍

粉末冶金工艺及材料基础知识介绍 粉末冶金是制取金属粉末并通过成形和烧结等工艺将金属粉末或与非金属粉末的混合物制成制品的加工方法，既可制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料，又可制造各种精密的机械零件，省工省料。但其模具和金属粉末成本较高，批量小或制品尺寸过大时不宜采用。粉末冶金材料和工艺与传统材料工艺相比，具有以下特点： 1．粉末冶金工艺是在低于基体金属的熔点下进行的，因此可以获得熔点、密度相差悬殊的多种金属、金属与陶瓷、金属与塑料等多相不均质的特殊功能复合材料和制品。 2．提高材料性能。用特殊方法制取的细小金属或合金粉末，凝固速度极快、晶粒细小均匀，保证了材料的组织均匀，性能稳定，以及良好的冷、热加工性能，且粉末颗粒不受合金元素和含量的限制，可提高强化相含量，从而发展新的材料体系。 3．利用各种成形工艺，可以将粉末原料直接成形为少余量、无余量的毛坯或净形零件，大量减少机加工量。提高材料利用率，降低成本。 粉末冶金的品种繁多，主要有：钨等难熔金属及合金制品；用Co、Ni等作粘结剂的碳化钨（WC）、碳化钛（TiC）、碳化钽（TaC）等硬质合金，用于制造切削刀具和耐磨刀具中的钻头、车刀、铣刀，还可制造模具等；Cu合金、不锈钢及Ni等多孔材料，用于制造烧结含油轴承、烧结金属过滤器及纺织环等。

1 粉末冶金基础知识 ⒈1 粉末的化学成分及性能 尺寸小于1mm的离散颗粒的集合体通常称为粉末，其计量单位一般是以微米（μm）或纳米（nm）。 1.粉末的化学成分 常用的金属粉末有铁、铜、铝等及其合金的粉末，要求其杂质和气体含量不超过1%～2%，否则会影响制品的质量。 2.粉末的物理性能 ⑴粒度及粒度分布

超硬材料报告

超硬材料的性能和应用 材料成型及控制工程2009级2班张天珍学号：20091420224 摘要：超硬材料在工业发展进程中扮演了至关重要的角色。随着时代发展和技术的更新，将越来越受到人们的关注。本文立足事实基础，以超硬材料多年的发展历史为背景，详细介绍了超硬材料的基本性能以及在工业、军工、航空航天、电子、机械、汽车、机床工具、精密制造、医疗、石材、建材等方面的应用。重点介绍了金刚石和立方氮化硼的性能和应用关键词：超硬材料金刚石立方氮化硼性能应用 1、引言 金刚石及立方氮化硼称为超硬材料,是因为它们具有超凡的高硬度特性。金刚石是自然界已知物质中最硬的物质, 还具有高绝缘性、优异的耐磨性和良好的导热性。立方氮化硼的硬度仅次于金刚石, 还具有高耐磨、低摩擦系数、优异的耐热性和化学稳定性,特别是对铁族金属呈化学惰性,尤其适合于加工硬而脆的铁族金属材料。立方氮化硼的这一特点是金刚石所不能比拟的。这样, 立方氮化硼就以其独特的优越性与金刚石相互补充,构成了超硬材料的两大体系。超硬材料具有其他材料无可比拟的优异力学、热学、光学、声学、电学和生物等性能，享有“材料之王”赞誉，是用途广泛的极端材料，不仅可加工世界上所有的已知材料，而且可制成性能极端的功能性器件，在诸多应用领域具有不可替代性。超硬材料及制品已广泛应用于军工、航空航天、电子、机械、汽车、机床工具、精密制造、医疗、石材、建材、机场、清洁能源、高速铁路、公路、石油与天然气钻井、地质勘探、煤炭及矿物采掘、救灾抢险、家庭装修等国计民生的各个领域。 2、金刚石的性能和应用 2.1金刚石的发展史 人类最早发现先金刚石是在公元前800年，但直到18实际末，才开始对金刚石有了系统科学的研究。法国人拉瓦锡发现金刚石可燃烧，英国人费南腾研究证实金刚石是碳的同素异形体。1955年由美国通用电气公司首次以石墨为原料在高温高压条件下合成出金刚石，从此，工业技术领域进入新的时代。 2.2金刚石的性能 金刚石是自然界已知物质中硬度最高的材料。莫氏硬度为10 ,是石英8.5倍，刚玉的4.4倍，立方氮化硼的1.56倍。特别指出，（111）面的硬度大于（110）

粉末冶金制粉技术 全

粉末冶金制粉技术(一) 粉末冶金新技术、新工艺的应用，不但使传统的粉末冶金材料性能得到根本的改善，而且使得一批高性能和具有特殊性能的新一代材料相继产生。例如：高性能摩擦材料、固体自润滑材料、粉末高温合金、高性能粉末冶金铁基复合和组合零件、粉末高速钢、快速冷凝铝合金、氧化物弥散强化合金、颗粒增强复合材料，高性能难熔金属及合金、超细晶粒及涂层硬质合金、新型金属陶瓷、特种陶瓷、超硬材料、高性能永磁材料、电池材料、复合核燃料、中子可燃毒物、粉末微晶材料和纳米材料、快速冷凝非晶和准晶材料、隐身材料等。这些新材料都需要以粉末冶金作为其主要的或惟一的制造手段。 本章将简要介绍粉末冶金的基本工艺原理和方法，重点介绍近年米粉末冶金新技术和新工艺的发展和应用状况。 1.雾化制粉技术 粉末冶金材料和制品不断增多，其质量不断提高，要求提供的粉末的种类也愈来愈多。例如，从材质范围来看，不仅使用金属粉末，也要使用合金粉末、金属化合物粉末等；从粉末形貌来看，要求使用各种形状的粉末，如生产过滤器时，就要求球形粉末；从粉末粒度来看，从粒度为500～1000m的粗粉末到粒度小于0.1m的超细粉末。 近几十年来，粉末制造技术得到了很大发展。作为粉末制备新技术，第一个引人注目的就是快速凝固雾化制粉技术。快速凝固雾化制粉技术是直接击碎液体金属或合金并快速冷凝而制得粉末的片法。快速凝固雾化制粉技术最大的优点是可以有效地减少合金成分的偏析，获得成分均匀的合金粉末。此外，通过控制冷凝速率可以获得具有非晶、准晶、微晶或过饱和固溶体等非平衡组织的粉末。它的出现无论对粉末合金成分的设计还是对粉末合金的微观结构以及宏观特性都产生了深刻影响，它给高性能粉末冶金材料制备开辟了一条崭新道路，有力地推动了粉末冶金的发展。 雾化法最初生产的是像锡、铅、锌、铝等低熔点金属粉末，进一步发展能生产熔点在1600～1700℃以下的铁粉及其他粉末，如纯铜、黄铜、青铜、合金钢、不锈钢等金属和合金粉末。近些年，随着人们对雾化制粉技术快速冷凝特性的认识，其应用领域不断地拓宽，如高温合金、Al-Li合金、耐热铝合金、非晶软磁合金、稀土永磁合金、Cu-Pb和Cu-Cr假合金等。 借助高压液流(通常是水或油)或高压气流(空气、惰性气体)的冲击破碎金属液流来制备粉末的方法，称为气雾化或水(油)雾化法，统称二流雾化法；用离心力破碎金属液 流称为离心雾化；利用超声波能量来实现液流的破碎称为超声雾化。雾化制粉的冷凝速率一般为103～106℃／s。 2二流雾化 根据雾化介质(气体、水或油)对金属液流作用的方式不同，二流雾化法具有多种形式： (1)垂直喷嘴。雾化介质与金属液流互呈垂直方向。这样喷制的粉末一般较粗，常用来喷制铝、锌等粉末。 (2)V形喷嘴。两股板状雾化介质射流呈V形，金属液流在交叉处被击碎。这种喷嘴是在垂直喷嘴的基础上改进而成的，其特点是不易发生堵嘴。瑞典霍格纳斯公司最早用此法以水喷制不锈钢粉。

超硬材料及制品的基本知识

超硬材料及制品基本知识 一、超硬材料概念:对于超硬材料的含义至今没有一 个公认为满意的解释。1981年国际硬物质科学会议认为,硬度大于1000HV的物质均可称为硬物质，这就自然包括了金刚石和立方碳化硼。后来对这个定义进行了补充,认为能加工诸如硬质合金(硬度1600—1８00ＨV)、刚玉（—２00０ＨV）、碳化硅(—22００HV）等这一类物质的材料称为超硬材料。目前由于金刚石和立方氮化硼等材料有其极高的硬度，所以统称为超硬材,具有硬度高、耐磨和热传导性能好、热膨胀系数低等优异性能。 二、超硬材料的分类:分为单晶超硬材料和聚晶超硬 材料(也称为“复合超硬材料”）及3．金刚石薄膜三类。 单晶超硬材料和聚晶超硬材料的主要区别为:单晶金刚石/立方氮化硼材料的特点为硬度更高、耐热性更好,但尺寸较小，多用于制造锯片等切割工具;聚晶金刚石/立方氮化硼是指以金刚石和立方氮化硼微粉等单晶超硬材料为主要原料,添加金属或非金属粘结剂通过超高压高温烧结工艺制成的聚晶复合材料。它的特点是硬度、耐热性略逊于单晶材料,但是由于聚晶超硬材料是内部结构紧密的金刚石致密体,可以增加工具的切割面积，同时克服了单晶超硬材料由于粘结面积小造成的轻易从锯片表面脱落的弊端,具有更高的耐磨性。 金刚石薄膜是用化学气相沉积(CVＤ）法或其它方法在非金刚石衬底上制备出的超硬薄

膜。它不仅可用于制作各种金刚石刀具,还可作为功能材料用于制作声传感器、扬声器振动膜、红外窗口、Ｘ光检测窗口等，应用领域十分广泛。国际上从七十年代初开始进行金刚石薄膜的试制并迅速掀起金刚石薄膜研究开发热潮。我国从八十年代中期开始此项研究，并已列入国家“863计划”，现已能制备出8０ｍm、厚2mm的金刚石薄膜，并在应用研究方面取得了不少成果,但目前总体上仍处于研制阶段,尚未达到工业化应用阶段。有人预计,金刚石薄膜将是２１世纪金刚石工业的主要材料，各国科学家都在为使金刚石薄膜产业化而不懈努力。 三、金刚石按用途分为两类:质优粒大可用作装饰品的称宝石级金刚石，质差粒细用于工业的称工业用金刚石。 宝石级金刚石,又称钻石，光泽灿烂,晶莹剔透,被誉为“宝石之王”,价值昂贵，是世界公认的第一货品，其占有程度和消费水平往往被视为是衡量个人和国家经济富裕程度的标志。达不到宝石级的金刚石(工业用金刚石）,以其超硬性广泛用于机电、光学、建筑、交 ?总的来说，复合超硬材料相对于传统合金材料具有强大的替代性,市场潜力更大,广泛应用于机械、冶金、地质、石油、煤炭、石材、建筑等传统领域,电子信息、航天航空、国防等高技术领域以及汽车、家电等新兴产业。 1．1复合超硬材料的主要产品用途?当前,复合超硬材料的产品主要分为四类:石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片、煤田矿山用聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石高品级拉丝模坯和刀具用聚晶金刚石/聚晶立方氮化硼复合片。 (1）石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片 石油天然气聚晶金刚石复合片是由无数微小金刚石颗粒和粘结剂混合组成的切削层和硬质合金衬底层在高温高压下烧结合成的，具有很高强度、硬度、耐磨性、抗冲击

锰在粉末冶金材料中的应用

锰在粉末冶金材料中地应用 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：锰是重要地工业原料,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、硬质合金等材料中地应用情况.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地领域中,锰将具有广阔地应用前景. 1. 引言 元素锰地原子序数为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7.43 g/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].锰元素在地壳中地含量约

0.085%,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,在钢铁工业中地重要作用直到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,锰作为有效而廉价地合金化元素,已成为钢铁工业中不可缺少地重要原料.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地常用原料.Benesovsky 和Kieffer于1950年首先认识到锰在粉末冶金材料中地重要性.此后,锰在粉末冶金工业中地应用逐渐扩大.通过开发母合金技术和预合金技术,开发了含锰系列地高强度烧结钢.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地应用情况进行综述. 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地固溶强化作用,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地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

粉末冶金及模具设计 完整版

毕业设计（论文） 题目:粉末冶金及模具设计 专业:数控应用技术 班 成都电子机械高等专科学校

二〇〇七年六月 摘要 本文主要围绕粉末冶金及模具设计开展了以下几方面的研究 1、在粉末冶金技术的特点及其在新材料中的作用进行研究，重点介绍了粉末冶金在工业中的重要性及其压制步骤。 2、在粉末冶金工艺中，根据产品的要求选择金属粉末或非金属粉末为原材料来压制。 3、在粉末冶金模具设计原理方面，本文重点围绕精整模具设计进行研究，归纳、总结并提出了精整模具三个关键零部件(芯棒、模冲、阴模)。

关键词：粉末冶金粉末冶金模具精整 Abstract This text was main circumambience powder metallurgy and molding tool design to open an exhibition the following several aspect of research 1,carry on research in the new function within material in the characteristics of technique of the powder metallurgy and it,point introduction the powder metallurgy is in the industry of importance and

it inhibit a step。 2,in the powder metallurgy the craft,according to the metals powder of the request choice or nonmetal powder of product for original material to inhibit。 3,at the molding tool design of the powder metallurgy principle,this text point around Jing's whole molding tool design carry on research and induce,summary and put forward Jing the whole key with three molding tool zero partses(Xin stick,mold blunt,Yin mold)new of classification method。 Key Words:Craft and material of the powder metallurgy Powder metallurgy molding tool The Jing is whole

超硬材料市场分析

1 复合超硬材料简介 1.1 复合超硬材料基本情况 金刚石和立方氮化硼等材料由于其极高的硬度，统称为超硬材料，具有硬度高、耐磨和热传导性能好、热膨胀系数低等优异性能。 目前，超硬材料主要分为单晶超硬材料和聚晶超硬材料（也称为“复合超硬材料”）两类。单晶超硬材料主要为单晶金刚石/立方氮化硼微粉；聚晶超硬材料主要是指以金刚石或立方氮化硼与相关粘结剂经过烧结工艺制备的复合材料。 两类材料的主要区别为：单晶金刚石/立方氮化硼材料的特点为硬度更高、耐热性更好，但尺寸较小，多用于制造锯片等切割工具；聚晶金刚石/立方氮化硼的特点是硬度、耐热性略逊于单晶材料，但是由于聚晶超硬材料是内部结构紧密的金刚石致密体，可以增加工具的切割面积，同时克服了单晶超硬材料由于粘结面积小造成的容易从锯片表面脱落的弊端，具有更高的耐磨性。 总的来说，复合超硬材料相对于传统合金材料具有强大的替代性，市场潜力更大，广泛应用于机械、冶金、地质、石油、煤炭、石材、建筑等传统领域，电子信息、航天航空、国防军工等高技术领域以及汽车、家电等新兴产业。 1.2 复合超硬材料的主要产品用途

当前，复合超硬材料的产品主要分为四类：石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片、煤田矿山用聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石高品级拉丝模坯和刀具用聚晶金刚石/聚晶立方氮化硼复合片。 （1）石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片 石油天然气聚晶金刚石复合片是由无数微小金刚石颗粒和粘结 剂混合组成的切削层和硬质合金衬底层在高温高压下烧结合成的，具有很高强度、硬度、耐磨性、抗冲击性以及良好的自锐性，这些优良特性使其能够应用在岩石的钻探领域。该产品主要作为石油天然气钻头的切削齿，是钻头上起到切削和掘进的核心部件。 （2）煤田矿山钻头用聚晶金刚石复合片 由于具有硬度高、耐磨性强、抗冲击韧性良好等特点，复合超硬材料除了可用于制作石油天然气用钻头外，还可用于制作煤田矿山钻头用PCD复合片，其用途并不局限制造于煤田和矿山作业用的钻进和切割工具，还可广泛应用于制造建筑建造、水电工程施工、凿岩破碎、公路修补等众多领域的钻进工具。 （3）聚晶金刚石高品级拉丝模坯 拉丝模是各种金属线材生产厂家（如电线电缆厂、钢丝厂、焊条焊丝厂等）拉制线材的一种非常重要的易消耗性模具。拉丝模的适用范围十分广泛，主要用于拉拔棒材、线材、丝材、管材等直线型难加

金属粉末冶金材料标准表

公司制造的铁基粉末冶金零件执行标准与成分性能一、GB/T14667.1-93 二、MPIF-35

烧结铁和烧结碳钢的化学成分 (%). 材料牌号Fe C F-0000 97.7-100 0.0-0.3 F-0005 97.4-99.7 0.3-0.6 F-0008 97.1-99.4 0.6-0.9 注: 用差减法求出的其它元素(包括为了特殊目的而添加的其它元素)总量的最大值为2.0%。▲ 注: 用差减法求出的其它元素(包括为了特殊目的而添加的其它元素)总量的最大值为2.0%。烧结铁-铜合金和烧结铜钢的化学 成分(%). 材料牌 号 Fe Cu C FC-0200 83.8-98.5 1.5-3.9 0.0-0.3 FC-0205 93.5-98.2 1.5-3.9 0.3-0.6 FC-0208 93.2-97.9 1.5-3.9 0.6-0.9 FC-0505 91.4-95.7 4.0-6.0 0.3-0.6 FC-0508 91.1-95.4 4.0-6.0 0.6-0.9 FC-0808 88.1-92.4 7.0-9.0 0.6-0.9 FC-1000 87.2-90.5 9.5-10.5 0.0-0.3 烧结铁-镍合金和烧结镍钢的化学成 分(%). 材料牌 号 Fe Ni Cu C FN-0200 92.2-99.0 1.0-3.0 0.0-2.5 0.0-0.3 FN-0205 91.9-98.7 1.0-3.0 0.0-2.5 0.3-0.6 FN-0208 91.6-98.4 1.0-3.0 0.0-2.5 0.6-0.9 FN-0405 89.9-96.7 3.0-5.5 0.2-2.0 0.3-0.6 FN-0408 89.6-96.4 3.0-5.5 0.0-2.0 0.6-0.9 注: 用差减法求出的其它元素(包括为 了特殊目的而添加的其它元素)总量 的最大值为2.0%

超硬磨料及其磨具的选择与应用

超硬磨料及其磨具的选择与应用 磨削过程就是磨具中的磨粒对工件的切削过程。选择磨具就是要充分利用磨粒的切削能力去克服工件材料的物理力学性能产生的抗力。由于磨具的品种规格繁多，而每一种磨具都不是万能的切削工具，只有一定的适用范围。因此对每一种磨削工作，都必须适当选择磨具的特性参数，才能达到良好的磨削效果。磨具特性主要包括磨粒、粒度、硬度、结合剂、组织、形状和尺寸。这里从磨具特性方面叙述选择磨具的一般原则。 一.超硬磨料及其磨具 (一)超硬磨料磨具的加工特点 超硬磨料系指金刚石和立方氮化硼均属立方晶系。与刚玉和碳化硅相比，具有硬度高、强度好、颗粒形状好、良好的导热性和低的热膨胀系数等特点。磨削能力强及良好的磨削性能。是非常优异的磨削材料。 由超硬磨料制成的磨具，其磨削性能突出，主要加工特点有： 1．极高的磨料硬度 2．耐磨损性能好 3．形状和尺寸保持性能好 4．能长时间保持磨粒微刃的锋锐性 5．磨削温度低 (二)超硬磨料磨具的特性 1.超硬磨料磨具结构 超硬磨料磨具的结构与普通 磨具不同，其结构形式由工作 层、过渡层和基体三部分组成。 如图一所示。工作层即磨料层， 由金刚石或立方氮化硼磨料、结 合剂及填料组成。是磨具 进行磨削加工的部分。过渡层是 由结合剂和其它材料组成，以保图一超硬磨料金刚石、立方氮化硼磨具结构

证工作层的充分使用，不含超硬磨料，将工作层牢固把持在基体上。近年来，有些厂家取消了过渡层，直接将过渡层把持在基体上。基体是磨具的基本形体，起支承工作层的作用。 2.超硬磨料磨具的特性及标志 ⑴磨料超硬磨料的品种有天然金刚、人造金刚石及立方氮化硼（CBN）。人造金刚石又有多种牌号。人造金刚石、立方氮化硼的品种、代号及适用范围列于表一表一人造金刚石和立方氮化硼品种、代号及适用范围（摘自GB/T6405-1994） ⑵粒度粒度系标志超硬磨料金刚石、立方氮化硼颗粒尺寸的大小。粒度的标记按国家标准的规定，超硬磨料的各粒度颗粒尺寸范围及粒度组成按表二规定。 ⑶结合剂结合剂起着把持超硬磨料和使磨具具有正确的几何形状的作用。超硬磨料磨具的结合剂分四大类，即树脂结合剂(B)、金属(青铜)结合剂(M)，陶瓷结合剂(V)，电镀金属结合剂(M) ⑷浓度浓度是超硬磨料磨具所特有的概念。它表示磨具工作层单位体积中超硬磨料的含量。一般规定为每立方厘米体积中含4.4克拉(1克拉＝0.2g，0.88g/cm3)的超硬磨料磨具的浓度为100%；每增加或减少1.1克拉磨料，则浓度增加或减少25%。不同浓度超硬磨料磨具中磨料含量及代号列于表三。

粉末冶金工艺过程

粉末冶金工艺过程 2007-11-27 13:33 粉末冶金材料是指不经熔炼和铸造，直接用几种金属粉末或金属粉末与非金属粉末，通过配制、压制成型，烧结和后处理等制成的材料。粉末冶金是金属冶金工艺与陶瓷烧结工艺的结合，它通常要经过以下几个工艺过程： 一、粉料制备与压制成型 常用机械粉碎、雾化、物理化学法制取粉末。制取的粉末经过筛分与混合，混料均匀并加入适当的增塑剂，再进行压制成型，粉粒间的原子通过固相扩散和机械咬合作用，使制件结合为具有一定强度的整体。压力越大则制件密度越大，强度相应增加。有时为减小压力合增加制件密度，也可采用热等静压成型的方法。 二、烧结 将压制成型的制件放置在采用还原性气氛的闭式炉中进行烧结，烧结温度约为基体金属熔点的2/3～3/4倍。由于高温下不同种类原子的扩散，粉末表面氧化物的被还原以及变形粉末的再结晶，使粉末颗粒相互结合，提高了粉末冶金制品的强度，并获得与一般合金相似的组织。经烧结后的制件中，仍然存在一些微小的孔隙，属于多孔性材料。 三、后处理

一般情况下，烧结好的制件能够达到所需性能，可直接使用。但有时还需进行必要的后处理。如精压处理，可提高制件的密度和尺寸形状精度；对铁基粉末冶金制件进行淬火、表面淬火等处理可改善其机械性能；为达到润滑或耐蚀目的而进行浸油或浸渍其它液态润滑剂；将低熔点金属渗入制件孔隙中去的熔渗处理，可提高制件的强度、硬度、可塑性或冲击韧性等。 粉末冶金工艺的优点 1、绝大多数难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶金方法来制造。 2、由于粉末冶金方法能压制成最终尺寸的压坯，而不需要或很少需要随后的机械加工，故能大大节约金属，降低产品成本。用粉末冶金方法制造产品时，金属的损耗只有1-5%，而用一般熔铸方法生产时，金属的损耗可能会达到80%。 3、由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化材料，也就不怕混入由坩埚和脱氧剂等带来的杂质，而烧结一般在真空和还原气氛中进行，不怕氧化，也不会给材料任何污染，故有可能制取高纯度的材料。 4、粉末冶金法能保证材料成分配比的正确性和均匀性。 5、粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的产品，特别是齿轮等加工费用高的产品，用粉末冶金法制造能大大降低生产成．(林里粉末) 粉末冶金是制取金属粉末，及采用成形和烧结工艺将金属粉末（或金属粉末与非

粉末冶金常识

粉末冶金常识 1、粉末冶金常识之什么是粉末冶金？ 粉末冶金是一门制造金属粉末，并以金属粉末（有时也添加少量非金属粉末）为原料，经过混合、成形 和烧结，制造材料或制品的技术。它包括两部分内容，即：（1）制造金属粉末（也包括合金粉末，以下统称“金属粉末“）。 （2）用金属粉末（有时也添加少量非金属粉末）作原料，经过混合、成形和烧结，制造材料（称为“粉末冶金材料“）或制品（称为“粉末冶金制品“）。 2、粉末冶金常识之粉末冶金最突岀的优点是什么？ 粉末冶金最突岀的优点有两个： （1）能够制造目前使用其他工艺无法制造或难于制造的材料和制品，如多孔、发汗、减震、隔音等材料和 制品，钨、钼、钛等难熔金属材料和制品，金属-塑料、双金属等复合材料及制品。 （2）能够直接制造岀合乎或者接近成品尺寸要求的制品，从而减少或取消机械加工，其材料利用率可以高 达95%X上，它还能在一些制品中以铁代铜，做到了“省材、节能“。 粉末冶金件 3、粉末冶金常识之什么是"铁基"？什么是铁基粉末冶金？ 铁基是指材料的组成是以铁为基体。铁基粉末冶金是指用烧结（也包括粉末锻造）方法，制造以铁为主要成分的粉末冶金材料和制品（铁基机械零件、减磨材料、摩擦材料，以及其他铁基粉末冶金材料）的工艺总称。 4、粉末冶金常识之用于粉末冶金的粉末制造方法主要有哪几类？ 粉末制造方法主要有物理化学法和机械粉碎法两大类。前者包括还原法、电解法和羰基法等；后者包括研磨法和雾化法。 5、粉末冶金常识之用还原法制造金属粉末是怎么回事？ 该法是用还原剂把金属氧化物中的氧夺取出来，从而得到金属粉末的一种方法。 6、粉末冶金常识之什么叫还原剂？ 还原剂是指能够夺取氧化物中氧的物质。制取金属粉末所用的还原剂，是指能够除掉金属氧化物中氧的物质。就金属氧化物而言，凡是与其中氧的亲合力大于这种金属与氧的亲合力的物质，都称其为这种金属氧化物的还原剂。 7、粉末冶金常识之粉末还原退火的目的是什么？ 粉末还原退火的目的主要有以下三个方面：（1）去除金属粉末颗粒表面的氧化膜；（2）除掉颗粒表面吸附的气体和水分等异物；（3 ）消除颗粒的加工硬化。 粉末冶金工艺流程图 8、粉末冶金常识之用于粉末冶金的粉末性能测定一般有哪几项？ 用于粉末冶金的粉末性能测定一般有三项：化学成分、物理性能和工艺性能。9、用于粉末冶金的粉末物 理性能主要包括那几项？ 用于粉末冶金的粉末物理性能主要包括以下三项：（ 1）粉末的颗粒形状；（ 2）粉末的粒度和粒度组成；（3）粉末的比表面。

超硬材料的性能与应用

超硬材料的性能与应用 摘要：本文在超硬材料的基础上讨论了其良好性能及在工业上的应用，同时提出超硬材料在其领域内所应该开发的新应用。重点分析了超硬材料在应用过程中所表现出其他材料所不能替代的性能。本文通过查阅相关文献阐述了超硬材料综述了超硬料的结构及其性能特点,为今后超硬材料在工业上的进一步发展有提供前景。关键字：超硬材料、金刚石、立方碳化硼、性能、应用等 一、超硬材料的简介所谓的超硬材料则是指硬度可与金刚石相比拟的材料。目前使用的超硬材料主要是立方氮化硼与金刚石，但是还是许多超硬材料正在研发中，如碳化硼，富硼氧化物等。金刚石包括天然金刚石和人造金刚石，天然金刚石是目前世界上最硬的工业材料，它具有硬度高、耐磨损、热稳定性能好等特性，而且抗压强度高、散热速率快、传声速率快、电流阻抗、防蚀能力、透光、低热胀率等物理性能，是工业材料中不可替代的材料；人造金刚石是加工业最硬的磨料，电子工业最有效的散热材料，半导体最好的晶片，通讯元器件最高频的滤波器，音响最传真的振动膜，机件最稳定的抗蚀层等等，已经被广泛应用于冶金、石油钻探、建筑工程、机械加工、仪器仪表、电子工业、航空航天以及现代尖端科学领域。 立方氮化硼CBN是硬度仅次于金刚石的材料，但是目前并未发现天然立方氮化硼的存在，工业和日常生活中使用的都是人造的。它具有与金刚石的许多特性相比拟的特点，同时也具有更高的热稳定性和对铁族金属及其合金的化学惰性。它作为工程材料，已经广泛应用于黑色金属及其合金材料加工工业。同时，它又具有优异的热学、电学、光学和声学等性能，在一系列高科技领域得到应用，成为一种具有发展前景的功能材料。 二、超硬材料的性能A）结构组成：金刚石是碳原子按四面体成键方式互相连接，组成无限的三维骨架，是典型的原子晶体。每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。由于C-C键很强，所以所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以钻石不仅硬度大，熔点极高，而且不导电。氮化硼是立方结构。 B）力学性能：金刚石是目前地球上最硬的物质，莫氏硬度为10。新摩氏硬度15，显微硬度10000kg/mm2，显微硬度比石英高1000倍，比刚玉高150倍。金刚石硬度具有方向性，八面体晶面硬度大于菱形十二面体晶面硬度，菱形十二面体晶面硬度大于六面体晶面硬度。较脆，在不大的冲动力下会沿晶形解理面裂开质纯、结晶完好的为3520 kg/m3，一般为3470~3560 kg/m3。具有平行八面体的中等或完全解理，平行十二面体的不完全解理。呈贝壳状或参差状。金刚石具有极大的弹性模量，是自然界最高的磨削材料，弹性模量达90000kg/mm。摩擦系数小，有极高的抗磨能力，因此在金刚石选矿中利用这一特性，采用球磨机、锥形磨矿机来分离金刚石。但金刚石极脆，不能承受正向的外力撞击。硬度高、耐磨性好。 立方氮化硼烧结体的硬度一般在3500~4000Hv，陶瓷；2400 Hv，硬质合金1800 Hv左右。高硬度带来了相当好的耐磨性，一般讲，立方氮化硼的耐磨性是涂层合金的30倍，是无涂层硬质合金的50倍，是陶瓷刀片的15~20倍。C）热学性能：熔点：金刚石熔点达4000℃，在空气中燃烧温度为850~1000℃，在纯氧中720~800℃燃烧，金刚石发出浅蓝色火焰，并转化成二氧化碳。热导率一般为138.16W/(m?K)。但Ⅱa型金刚石的热导率特别高，在液氮温度下为铜的25倍，并随温度的升高而急剧下降。低温时热膨胀系数极小，随温度的升高，热膨胀系数迅速增大。 立方氮化硼在1370o以上才开始由立方晶体向六方晶体转化；在1000oC的高温下切削，其表面不会产生氧化，高温下硬度降低程度也比硬质合金和陶瓷刀片小的多，这就为高速切削创造了条件。导热系数为79.54w/m,k，仅次于金刚石，随温度提高，导热系数逐渐增大，有利于散热。D）磁电性能：金刚石为无磁性重部分矿物(p>2.9)因此在选矿中不能采用电

锰在光催化中的作用与影响

锰在光催化中的作用与影响 摘要单一光催化剂的量子效率较低，光响应范围较窄，研究高量子效率、高可见光响应的新型光催化剂的制备和光催化作用的本质有非常重要的意义。总结了近年来国内外关于含锰光催化剂的研究进展，如掺杂、复合、自然混合及其在光催化反应中的作用等。最后对含锰光催化剂在研究中待解决的问题进行了分析。 关键词锰掺杂二氧化钛光催化剂量子效率吸光性能表面反应 多相光催化技术处理水中存在的多种难降解有毒有机和无机污染物的研究近年来备受关注［1~6］。制备高量子效率、高可见光响应的新型光催化剂，以此来提高光催化剂催化活性的研究成为近年来研究人员致力的研究方向。不同形态的锰在光催化剂合成中的应用及其作用、以锰化合物为母体的物质所具有的光催化性质、水体中以溶解态和固体颗粒物存在的各种含锰杂质对光催化过程的作用及影响等问题值得关注和研究。 1 锰掺杂对光催化的影响及其机理 目前被广泛研究的光催化材料包括CdS、SnO2、TiO2、ZnO、ZnS、PbS、MoO3、SrTiO3、V2O5、WO3等。过渡金属离子掺杂到催化剂中可以起到类似“助剂”的作用［7］。这种作用可能从以下几方面体现出来：多种过渡金属离子的光吸收范围比TiO2宽，从而可以更有效地利用光能；过渡金属元素存在多个化合价，在TiO2晶格中掺杂少量过渡金属离子，可在其表面产生缺陷或改变其结晶度，成为光生电子-空穴对的浅势捕获阱，使得TiO2纳米晶电极呈现p-n型光响应共存现象，延长电子与空穴的复合时间，降低复合效率，提高了二氧化钛的光催化性能；光生电子-空穴对所带电荷较强，难以通过表面电荷区进入到溶液中进行反应，要求反应物预先吸附在催化剂表面，因而通过过渡金属元素掺杂，改善其对反应物的吸附性能也是光催化性能提高的重要原因。在过渡金属元素中，锰是人们经常使用的一种金属元素。 1.1 锰掺杂影响催化剂的吸光性能 Gomathi等通过研究发现Mn2+通过掺杂进入TiO2的晶格内，取代了原来钛原子的位置，形成新的化学键，导致锐态型TiO2表面氧空穴增加并引进了新的能级使能级分裂，使电子跃迁由原来的一步激发完成变为2步或多步进行。同时电荷重排，结构也发生变化。紫外可见光谱(UVVis)表明Mn2+掺杂引起吸收波红移，可见光响应强度增大，扩展了吸光范围，促进光催化反应的进行［8］。 1.2 锰离子掺杂影响电荷迁移过程