不同黏結(jié)劑對Fe-2Cu-0.8C預(yù)混合鋼粉性能的影響

王行， 李松林， 彭家科， 袁勇， 張德金， 崔建民

（1.中南大學(xué)粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083；2.萊鋼集團(tuán)粉末冶金有限公司，山東 萊蕪 271100）

國產(chǎn)鋼鐵粉末基本以純鐵粉的形式進(jìn)行生產(chǎn)與銷售，純鐵粉在我國產(chǎn)銷量占鋼鐵粉末90%以上，鐵基制品企業(yè)一般采用機(jī)械混合的方式配制成供壓制的原料.這種方法制成制品的結(jié)構(gòu)與性能均勻性、尺寸精度、特別是不同批次間的尺寸和性能一致性不高，嚴(yán)重制約了我國鋼鐵粉末和鐵基制品在中、高端零部件制造中的應(yīng)用[1].與之相反，國外鋼鐵粉末公司紛紛開發(fā)高性能、低原料成本的預(yù)合金鋼粉和鐵基粉末混合料，并搶占我國鐵基粉末高端市場份額.鐵基粉末預(yù)混合料具有高附加值，是他們開發(fā)、生產(chǎn)和銷售的重點產(chǎn)品，如世界最大的鋼鐵粉末生產(chǎn)企業(yè)瑞典Hoganas AB公司擁有 Starmix○R[2]系列及 Densmix○R[3]系列預(yù)混合粉末，占其銷售各類金屬粉末的60%.GKN Hoeganaes公司則已開發(fā)出 Ancorloy○R[4-5]系列及 Ancorbond○R FLM[6]系列預(yù)混合粉末.這些預(yù)混合粉末的共同特點是成分均勻性、一致性非常好，在長途運輸過程中不會發(fā)生合金元素的偏析，開箱即可使用.與常規(guī)的機(jī)械混合料相比，以預(yù)混合料制成的鐵基制品不僅性能高，一致性也非常好，是高性能、高精度零部件制造的首選原料.國外預(yù)混合料在我國的大量高價銷售，極大地壓縮了我國鐵基粉末冶金零部件制造企業(yè)的生產(chǎn)利潤.與國產(chǎn)水霧化鐵粉每噸價格6 000元相比，國外鐵粉價格是我國的2倍，而預(yù)混合料則為我國鐵粉價格的3～4倍.以我國每年消耗10萬t鐵基混合料計算，高性能預(yù)混合料的開發(fā)將為鋼鐵粉末市場新增10～15億元的銷售額，并帶動30億元以上相關(guān)鐵基粉末冶金零部件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.

國內(nèi)也有部分鋼鐵企業(yè)進(jìn)行預(yù)混合鐵基粉末的試生產(chǎn)，但黏結(jié)劑對合金元素的黏結(jié)效果不好，在運輸過程中易發(fā)生合金元素的脫黏.國內(nèi)相關(guān)研究人員也對預(yù)混合鋼粉進(jìn)行了研究報道[7-9]，但未就黏結(jié)機(jī)理進(jìn)行深入探討.本文為弄清黏結(jié)劑的黏結(jié)機(jī)理及為實際生產(chǎn)提供依據(jù)，采用兩種預(yù)混合工藝制備成分為Fe-2Cu-0.8C的預(yù)混合鋼粉.考察2種預(yù)混合工藝及橡膠、聚乙烯醇衍生物、纖維素等3種不同黏結(jié)劑對預(yù)混合鋼粉粉末性能的影響規(guī)律，以期對目前國內(nèi)預(yù)混合粉末的生產(chǎn)提供參考依據(jù).

1 實驗材料及方法

1.1 實驗原料和制備工藝

實驗使用Fe-2Cu-0.8C材料體系，鐵粉為萊鋼集團(tuán)粉末冶金有限公司生產(chǎn)的LAP100.29水霧化鐵粉，銅粉的平均粒徑小于18μm，片狀石墨的平均粒徑為10μm，按Fe+2%Cu+0.8%C外加 0.75%硬脂酸鋅和0.12%黏結(jié)劑（均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）配比進(jìn)行混料.實驗中采用2種工藝制備預(yù)混合鋼粉，基本工藝流程如下：

工藝 1：鐵粉+合金元素粉末（C、Cu）+潤滑劑→干混→添加黏結(jié)劑→預(yù)混合→干燥→壓制→燒結(jié).

工藝 2：鐵粉+合金元素粉末（C、Cu）→干混→添加黏結(jié)劑→預(yù)混合→干燥→添加潤滑劑→混合→壓制→燒結(jié).

工藝1中將粉末按Fe-2%Cu-0.8%C外加0.75%硬脂酸鋅進(jìn)行干混，然后分批加入含有3種不同黏結(jié)劑的有機(jī)溶液混合、干燥、壓制，燒結(jié).工藝2中將粉末按Fe-2%Cu-0.8%C配比干混，分批加入含有黏結(jié)劑的有機(jī)溶液混合、干燥，然后再加入硬脂酸鋅干混.所使用的黏結(jié)劑分別為橡膠、聚乙烯醇衍生物、纖維素.每種黏結(jié)劑的加入量為0.12%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）.對制備的預(yù)混合鋼粉進(jìn)行單向壓制，壓力600 MPa，燒結(jié)在鉬絲爐中1 120℃、H2氣氛下進(jìn)行.

采用2種工藝及3種不同黏結(jié)劑制備的預(yù)混合鋼粉編號見表1.

表1 預(yù)混合鋼粉編號

1.2 性能測試

使用KRUSSDSA30S型高溫潤濕角測試儀測試3種黏結(jié)劑對銅板及石墨板的潤濕角，測試溫度高于相應(yīng)黏結(jié)劑軟化溫度10℃以上，在氬氣氣氛中進(jìn)行.使用SSX-550型掃描電子顯微鏡及其自帶的能譜儀對2種工藝處理后的預(yù)混合鋼粉形貌，燒結(jié)試樣橫截面形貌及合金元素分布進(jìn)行觀察.粉末的松裝密度和流動性分別按GB/T1479-1984，GB/1482-1984標(biāo)準(zhǔn)測定.采用阿基米德法測試壓坯和燒結(jié)試樣密度.預(yù)混合鋼粉中C含量采用碳/硫儀測定，C黏結(jié)率的測定采用自行設(shè)計的裝置[10]，如圖1所示，其原理是將未被黏結(jié)的合金元素粉末除去，然后測定被處理過的粉末中合金元素的含量，黏結(jié)率計算公式（1）為：

合金元素黏結(jié)率＝

圖1 石墨黏結(jié)率測試裝置示意圖

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 不同黏結(jié)劑對Cu和石墨的潤濕性

黏結(jié)效果的好壞與黏結(jié)劑對合金元素粉末的黏附功有關(guān)，黏附功大，則黏結(jié)劑就能很好地鋪展在合金元素表面，形成一層緊密的包覆層，兩相之間具有較強的黏附作用，在高的剪切力作用下合金元素粉末與黏結(jié)劑不易分離，易獲得較高的黏結(jié)率，且所得預(yù)混合鋼粉成分均勻性、一致性相應(yīng)提高[11-13].本文通過測量3種黏結(jié)劑對Cu及石墨的潤濕性來表征黏結(jié)劑對合金元素粉末黏附功的大小.如圖2所示，纖維素對Cu的潤濕性最好，潤濕角為56.70°，橡膠對Cu的潤濕性最差，為85.55°，說明纖維素對Cu的黏附功大于橡膠對Cu的黏附功.3種黏結(jié)劑對石墨的潤濕性剛好相反，橡膠對石墨的潤濕性最好，潤濕角為17.80°，纖維素對石墨的潤濕性最差為58.95°.說明3種黏結(jié)劑中，橡膠對石墨的黏附功最大，當(dāng)橡膠溶解于相應(yīng)的有機(jī)溶劑形成溶液，在預(yù)混合過程中更容易鋪展在石墨顆粒表面，從而實現(xiàn)對石墨的黏結(jié).

圖2 黏結(jié)劑對合金元素Cu、石墨的潤濕角

2.2 預(yù)混合鋼粉形貌

對于同一種黏結(jié)劑，經(jīng)2種不同工藝處理后預(yù)混合鋼粉具有不同的形貌.以聚乙烯醇衍生物為黏結(jié)劑制備的預(yù)混合鋼粉為研究對象，圖3為經(jīng)2種工藝處理后制備的預(yù)混合鋼粉的掃描電鏡及能譜照片.圖3（a）為經(jīng)工藝1處理的預(yù)混合鋼粉，可以看到黏結(jié)粉中無單獨存在的細(xì)小顆粒，圖3（b）為圖3（a）的放大圖，能譜顯示Cu和石墨粉末顆粒被黏結(jié)到尺寸較大的鐵粉顆粒上，說明聚乙烯醇衍生物實現(xiàn)了對Cu、石墨的有效黏結(jié).從圖3（c）中可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)工藝2處理的預(yù)混合鋼粉中存在許多細(xì)小、游離的粉末顆粒未黏連到鐵基粉末上，能譜分析表明游離的細(xì)小粉末顆粒為潤滑劑硬脂酸鋅.圖 3（a）、圖 3（c）對比說明經(jīng)工藝1處理的預(yù)混合鋼粉中潤滑劑硬脂酸鋅被黏結(jié)到基體粉末顆粒上，而工藝2中由于潤滑劑在黏結(jié)劑之后加入，而未被黏結(jié)到鐵粉顆粒上.

2.3 黏結(jié)劑對合金元素黏結(jié)率的影響

圖3 兩種工藝處理后粉末顆粒形貌及合金元素分布

圖4 2種工藝中黏結(jié)劑對Cu的黏結(jié)率

圖5 2種工藝中黏結(jié)劑對C的黏結(jié)率

圖4 、圖5反映了2種工藝制得的預(yù)混合粉中黏結(jié)劑對Cu和石墨的黏結(jié)率影響規(guī)律.相關(guān)專利報道[14]，未加黏結(jié)劑前，石墨的黏結(jié)率一般只有20%～50%，Cu因為密度較大，黏結(jié)率更低.由圖4、圖5可以看出，2種工藝中纖維素對Cu的黏結(jié)率最高（高于89%）、聚乙烯醇衍生物次之（達(dá)到84%）、橡膠較差（達(dá)到72%）.對石墨的黏結(jié)率與之相反.工藝1中橡膠對石墨的黏結(jié)率最高，達(dá)到89%，纖維素對石墨的黏結(jié)率略低，為83%，但3種黏結(jié)劑對石墨的黏結(jié)率差別不大，這主要是因為石墨的密度較低，所需的黏結(jié)力較小所致.3種黏結(jié)劑對Cu和石墨的黏結(jié)率測試結(jié)果表明，黏結(jié)劑對合金元素Cu或石墨的潤濕性越好，則相應(yīng)的黏結(jié)率也較大.對于同一種黏結(jié)劑，2種不同工藝對Cu的黏結(jié)率影響不大，而工藝2中石墨的黏結(jié)率普遍低于工藝1，這是因為工藝2中，在對Fe-Cu-C粉末黏結(jié)處理后才加入潤滑劑，潤滑劑和鐵粉顆粒之間僅存在簡單的機(jī)械嚙合作用與物理吸附作用，在黏結(jié)率測試通氣時與鐵粉結(jié)合弱的硬脂酸鋅絕大部分被氣體吹走，而在計算黏結(jié)率時將硬脂酸鋅潤滑劑中的碳含量也計入了粉末總碳含量中，所以這種計算方法得到工藝2對石墨的黏結(jié)率低.如果不計硬脂酸鋅中的碳，則顯然對于相同黏結(jié)劑及處理參數(shù)而言，根據(jù)預(yù)混合鋼粉的成分配比（Fe+2%Cu+0.8%C+0.75%硬脂酸鋅）計算，工藝2與工藝1對石墨的黏結(jié)率是相當(dāng)?shù)?

2.4 預(yù)混合鋼粉工藝性能

圖6顯示了6種預(yù)混合鋼粉的流動性.粉末流動性是粉體的重要工藝參數(shù)，粉末流動性好，有利于提高壓制速度和生產(chǎn)效率.粉末流動性的影響因素可用公式（2）表示[15]：

式（2）中：t為粉末流下所需時間；M為流出粉末的質(zhì)量；S為粉末的比表面積；S0為粉末流出孔的面積；R為與顆粒表面粗糙度有關(guān)的因素；k為比例常數(shù)；ρr為預(yù)混合鋼粉的相對密度.

從式（2）可以得出，流出時間與許多因素相關(guān).流出時間隨著比表面積和表面粗糙度的增大，隨著小孔面積和相對密度的增加而減小.也就是說，粉末的粒度大，形狀規(guī)整性高，小顆粒粉末占總體的比例小，都會改善粉體的流動能力，即流動性.從圖6中可以看到以纖維素為黏結(jié)劑制得的預(yù)混合鋼粉流動性最佳，聚乙烯醇衍生物次之、橡膠較差.2種不同工藝對預(yù)混合粉末流動性有一定影響.采用工藝1，潤滑劑和石墨、銅等細(xì)小粉末顆粒被黏結(jié)劑黏結(jié)，形成較大且形狀較為規(guī)則的聚集體，粉末流動性較好，最好達(dá)到22.5 s/50 g，優(yōu)于名義成分為ASC100.29+2%Cu+0.8%C-1 651+0.8%Lubricant的StarmixTM預(yù)混合粉末[16]（流動性24.5 s/50 g）.采用工藝2制備的預(yù)混合粉末的流動性較差，最差達(dá)到30.0 s/50 g，因為潤滑劑在黏結(jié)劑加入并干燥后才加入，細(xì)小的硬脂酸鋅潤滑劑大部分沒有被黏結(jié)，使得混合粉末的比表面積增大，降低了粉末的流動性[9].

圖7示出了2種工藝處理后預(yù)混合鋼粉的松裝密度.松裝密度取決于顆粒間的黏附力、相對滑動的阻力以及粉末空隙被小顆粒填充的程度.當(dāng)粉末體的粒度較小時，其比表面積就較大，粉末體之間機(jī)械嚙合力和吸附力較強，摩擦力也就較大，從而阻礙粉末體之間的相對運動，因而粉末的流動性差，松裝密度就相對較小.由工藝1得到的粉末松裝密度較高，最高達(dá)到3.20 g/cm3，由工藝2得到的粉末松裝密度較低，最低為3.12 g/cm3，其原因為工藝2中細(xì)小的硬脂酸鋅潤滑劑粉末顆粒在黏結(jié)劑后添加，未被黏結(jié)劑黏結(jié)，潤滑劑本身比表面積大，因而降低了預(yù)混合鋼粉的松裝密度.

圖6 2種工藝中黏結(jié)劑對預(yù)混合鋼粉流動性的影響

圖7 2種工藝中黏結(jié)劑對預(yù)混合鋼粉松裝密度的影響

2.5 預(yù)混合鋼粉壓制和燒結(jié)性能

圖8 顯示了2種工藝中黏結(jié)劑對粉末壓制密度的影響.對于同一種黏結(jié)劑，工藝1、工藝2得到的壓制密度相當(dāng)，采用工藝2得到的壓坯的密度平均高于7.04 g/cm3，比采用相同黏結(jié)劑由工藝1得到的壓坯略高，但不超過0.005 g/cm3.采用工藝2得到的粉末壓坯密度略高的可能原因是工藝1中潤滑劑被黏結(jié)劑黏結(jié)，潤滑劑顆粒被黏結(jié)的部分無法發(fā)揮潤滑作用，而工藝2中潤滑劑未被黏結(jié)，與粉末和模壁接觸較多，潤滑效果略好.許多文獻(xiàn)的研究也表明，當(dāng)潤滑劑加入量在較為合適的范圍時，隨著潤滑劑加入可使壓坯密度增加[17].

圖9顯示2種工藝中黏結(jié)劑對樣品燒結(jié)密度的影響.從圖9中可以看到，1 120℃，H2氣氛燒結(jié)后，試樣的燒結(jié)密度高于生坯密度，這是因為Fe-Cu-C體系的液相燒結(jié)促進(jìn)了燒結(jié)坯的致密化[18].圖8和圖9同時顯示采用纖維素為黏結(jié)劑，預(yù)混合鋼粉的壓制燒結(jié)密度最高，聚乙烯醇衍生物次之，橡膠較差，這是因為以纖維素為黏結(jié)劑的預(yù)混合鋼粉流動性最好，松裝密度最大.

圖8 2種工藝中黏結(jié)劑對粉末壓制密度的影響

圖9 2種工藝中黏結(jié)劑對壓坯燒結(jié)密度的影響

圖10為采用工藝2，3種不同黏結(jié)劑處理所得燒結(jié)體橫截面電鏡照片.圖10中顯示以橡膠、聚乙烯醇衍生物、纖維素3種高分子為黏結(jié)劑制備的預(yù)混合鋼粉經(jīng)壓制燒結(jié)后獲得的燒結(jié)體具有不同的孔隙率.采用纖維素為黏結(jié)劑，燒結(jié)體的孔隙率最低，聚乙烯醇衍生物次之，以橡膠為黏結(jié)劑的燒結(jié)體孔隙率較大，這與以纖維素為黏結(jié)劑制備的預(yù)混合鋼粉具有較高的壓制和燒結(jié)密度是一致的.

圖10 工藝2中燒結(jié)體形貌照片

3 結(jié) 論

使用3種不同性質(zhì)的黏結(jié)劑，研究了黏結(jié)劑及預(yù)混合工藝對Fe-2Cu-0.8C預(yù)混合鋼粉性能的影響，得到如下結(jié)論：

（1）合金元素Cu、石墨的黏結(jié)率與黏結(jié)劑對其潤濕性有關(guān)，潤濕性好則黏結(jié)率高，預(yù)混合鋼粉性能好，其中以纖維素為黏結(jié)劑制備的預(yù)混合鋼粉綜合性能最好，其松裝密度、流動性最好分別為3.20 g/cm3，22.5 s/50 g；

（2）采用后加潤滑劑的工藝2制備的預(yù)混合鋼粉具有略高的壓制燒結(jié)密度，最高分別達(dá)到7.055 g/cm3，7.110 g/cm3.

綜上所述，以纖維素為黏結(jié)劑，采用后加潤滑劑的工藝2可制備出成分為Fe-2Cu-0.8C的高合金元素黏結(jié)率、高性能的鐵基預(yù)混合鋼粉，可為工業(yè)化生產(chǎn)提供參考.

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