1前言
在传统的锻钢中，由于晶界偏析，磷会引起回火脆裂，磷的含量通常被限制得很低。但是，磷常用于铁基粉末冶金，添加0.6%磷可提高强度，但不会使塑性下降。通常是将磷铁合金Fe3P细晶粉混入铁粉中。磷对烧结钢性能的有利影响主要有如下原因，一是铁素体的固溶体增强；二是烧结期间液相的形成；三是铁素体相的稳定作用。磷是最强的取代型固溶体强化剂之一，有助于提高烧结钢强度。今天，工业上应用的是和其他元素综合使用含0.3-0.6%磷合金化的材料，这是由于随着磷含量的增加，因铁在铁素体中的自扩散速度大以及1050℃以上形成液相，收缩急剧增大影响烧结件的公差，因此通常加入铜或少量碳来解决这一问题[1-3]。磷、碳、铜等多种元素同时加入铁粉，各种元素对烧结坯的尺寸影响互相作用，造成烧结精度控制困难。
我公司多年前即成功开发了AMP680系列磷铁预混合粉,这系列产品主要为Fe-P系,配方简单质量稳定。后期逐步开发了Fe-P-C-Cu系产品，如AMP24110，但质量不稳定，尤其是尺寸变化率波动大，尽管在母粉及配方上已做大量工作，但最终产品仍不稳定不能满足客户使用。基于这个原因，本项目计划全面系统地探讨在以铁-碳-铜为主要成分的材料中添加Fe3P对烧结件的影响，研究在碳、铜元素配方固定的情况下，随着磷含量的增加，以及含磷量不同的磷铁粉在配入比例相同时，烧结产品的尺寸及力学性能的变化，彻底厘清思路，积累数据，服务生产。
2试验研究过程
2.1试验用材料、配方、工艺及检测方法
本实验使用公司自产水雾化纯铁粉LAP100.29H为基粉（性能见表1），辅助材料主要有：北京有研的200目电解铜粉FTD-3，宁波市海曙住木的TRSMGF-19998石墨粉，郑州泰和汇金、上海川禾及陕西锦泰的磷铁粉，广州庆帆翔的SKZ-600润滑剂。
表1基粉LAP100.29H化学成分及物理性能
各辅助材料关键技术指标：
铜粉，Cu含量99.80%。石墨，C含量99.96%。磷铁粉，泰和汇金P含量26.58%，陕西锦泰P含量16.25%，上海川禾P含量18.06%。润滑剂，熔点：173.2℃，-325目：99.2%。
本试验采用搅拌式直接混合法工艺，工艺流程为基粉+辅料→加料→混合→筛分→成品。具体为：将按配料单提前配好的基粉及辅料加入混料机，加料顺序先加一半基粉再加铜粉、石墨、润滑剂再加另一半基粉，加料结束开启混合机进行混合，时间30min，转速20r/min；混料结束后开始筛分同时将筛下物接至包装袋内。
基础配方为：LAP100.29H+0.55%C+2.0%Cu+x%P+0.75%SKZ-600。
按上述工艺共混制7个样品（1#-5#样使用泰和汇金磷铁粉），具体在基础配方上着重调整磷含量及品种，1#：0.45%，2#：0.50%，3#：0.55%，4#：0.60%，5#：0.65%，6#：0.55%（锦泰磷铁粉），7#：0.55%（川禾磷铁粉）。
烧结性能试验压制实验成形压力为600MPa，通过压制拉伸试验样、冲击试验样，测试烧结后样品的尺寸变化率、延伸率、抗拉强度、硬度及冲击功等。力学试验样条如图1所示。烧结温度为1150℃，采用H2保护。检测结果，如表2、表3所示。
图1力学试验样条
2.2不同磷含量的影响
表2不同磷含量条件下烧件性能检测结果
根据表2结果，随着磷含量的不断增加，烧结件尺寸变化率也随之明显增加，延伸率及冲击功随之下降。强度方面，屈服强度及抗拉强度变化均不明显，抗弯强度在P含量在0.5%时达到最高。硬度在HRB72-75之间变化不大。
在上述试验配方条件下，磷的添加导致制件膨胀，且添加量越多，膨胀率越大，同时塑性及韧性则不断降低。可见，过多地在铁基粉末冶金制品中添加磷，不但会使烧结件尺寸变化率加大，而且会使塑韧性变差，磷含量以0.50%左右为宜。
2.3 不同规格磷铁粉的影响
表3相同磷含量不同磷铁粉条件下烧结性能检测结果
根据表3结果，在磷含量配入比例相同的条件下，使用低磷含量磷铁粉时制件的膨胀率更大，延伸率及冲击功更低，抗弯强度亦更低，屈服强度略高但抗拉强度基本一致。显而易见，高磷含量的磷铁粉更加适用于铁基粉末冶金制品。
2.4金相分析
进一步对以上样品进行金相检测，结果如图2所示。
图2各样品金相图
分析金相检测结果，不难发现含磷的粉末冶金铁基材料与常规的材料相比孔隙圆化明显，这使得其具备更高的强度，这从表2表3结果也可以印证。由于磷的熔点低，在烧结过程中极易形成液相，可加速烧结颈的形成促进烧结，图2中5#样的磷含量最高为0.65%，其金相图也显示孔隙较其它样品更少且更加圆化。
3结论
（1）在Fe-C-Cu-P系粉末冶金材料中，随着磷含量的不断增加，制件膨胀率不断增大，塑性及韧性不断降低。
（2）磷含量配比相同时，采用低磷含量磷铁粉时制件的膨胀率更大，延伸率及冲击功更低，抗弯强度亦更低，铁基粉末冶金制品更宜使用高磷含量的磷铁粉。
参考文献
[1] 黄晓星，刘祥庆，杨中元，等．含铜铁基粉末冶金零件烧结性能的研究进展[J]．粉末冶金技术，2015，33(2)，133-139．
[2] 党文龙，刘祥庆，汪礼敏，等．碳含量对Fe-Cu-C扩散预合金粉末烧结性能的影响[J]．粉末冶金技术，2013，31(2)：83-88
[3] 韩风麟．粉末冶金Fe-2Cu-0.8C合金零件尺寸变化的分析与控制[J]．粉末冶金工业，2011，21(5)：1-11．