電解鐵鎳合金粉末的燒結(jié)性能研究

鄭日升 ， 方嘯虎

(1.湖南富櫳新材料股份有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410323； 2.上海昌潤(rùn)極銳超硬材料有限公司， 上海 201108)

根據(jù)粉末冶金原理[1]和納米材料特性可知，開發(fā)比表面積大的粉末材料是制造高檔金剛石工具的重要基礎(chǔ)工作[2-10]。電解鐵鎳合金粉末具有較大的比表面積及良好的燒結(jié)活性，其工藝特性和使用性能取決于其納米多晶結(jié)構(gòu)，納米晶粒尺寸越細(xì)，燒結(jié)活性越好。為了使鐵鎳納米晶在粉末冶金過程中能夠充分發(fā)揮其功能，需要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的研究。前期研究發(fā)現(xiàn)，鐵鎳納米晶的氧含量對(duì)其燒結(jié)溫度和燒結(jié)密度的影響較大，鐵鎳納米晶的氧含量越高，其壓制性越好，燒結(jié)密度越高，燒結(jié)溫度越低，抗彎強(qiáng)度越高，但硬度變化不大。因此，本文對(duì)電解鐵鎳合金粉末的燒結(jié)性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

采用SM/3熱壓機(jī)進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，燒結(jié)溫度為600～840 ℃，保溫時(shí)間為4 min，壓力為20 kN。采用排水法測(cè)定胎體密度。采用HR-150DT洛氏硬度儀檢測(cè)胎體硬度，使用標(biāo)準(zhǔn)為HRB。采用DKZ-5000型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)胎體抗折強(qiáng)度，跨距為28 mm。樣品編號(hào)及材料屬性見表1。

表1 樣品編號(hào)及材料屬性

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 電解鐵鎳合金粉末的掃描電鏡圖像

樣品2、樣品4和樣品5的掃描電鏡圖如圖1所示。由早期的X-RAY物相分析可知，電解鐵鎳合金粉末由鐵鎳納米晶粒在還原過程中會(huì)聚而成，并且隨著氧含量的降低聚集顆粒尺寸變大。圖1顯示的是大顆粒粉末表面形貌，說明這些大顆粒是由許多小顆粒在高溫還原過程中粘接聚集而成。這樣形態(tài)結(jié)構(gòu)的粉末流動(dòng)性和壓制性好，在燒結(jié)過程中低熔點(diǎn)合金容易填充其顆粒間的縫隙，從而形成性能均勻的胎體。

2.2 不同氧含量的電解鐵鎳合金粉末的燒結(jié)曲線

圖2是電解鐵鎳合金粉末樣品1、樣品2、樣品3的燒結(jié)曲線，圖中H是硬度，Q代表抗彎強(qiáng)度，DD為燒結(jié)體的密實(shí)度。由圖2可知，氧含量較高的3號(hào)樣品，在燒結(jié)溫度從660 ℃上升到740 ℃時(shí)，硬度從70 HRB上升到100 HRB，抗彎強(qiáng)度從500 MPa上升到1 100 MPa，當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到850 ℃時(shí)，燒結(jié)體性能趨向穩(wěn)定，硬度可以達(dá)到110 HRB，抗彎強(qiáng)度達(dá)到1 600 MPa以上，說明在較低的燒結(jié)溫度下就能形成強(qiáng)度、硬度較高的燒結(jié)體，這是鐵鎳納米晶的應(yīng)用價(jià)值所在。相反，在燒結(jié)溫度低于800 ℃時(shí)，1號(hào)樣品氧含量低，要求燒結(jié)溫度相對(duì)高，在溫度相差將近100 ℃才能達(dá)到同樣的燒結(jié)體性能。不同氧含量的電解鐵鎳合金粉末的燒結(jié)體密實(shí)度差異主要是由粉末的宏觀形貌決定的，氧含量越低，顆粒越近球形，壓制性自然不佳。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和客戶的使用情況，用高氧含量的鐵鎳納米晶與銅粉配合做無錫配方，可制造高耐磨性和長(zhǎng)壽的工具，并且鋒利度很好。

(a) 2號(hào)樣品 (b) 4號(hào)樣品 (c) 5號(hào)樣品圖1 不同還原溫度條件下獲得的電解合金粉末

2.3 不同粒度的電解鐵鎳合金粉末的燒結(jié)曲線

圖3是樣品2、樣品4、樣品5的燒結(jié)曲線，它們的氧含量相同，粒度不同。由圖3可知，粒度對(duì)燒結(jié)體性能的影響不大，粒度增粗，燒結(jié)體密度和抗彎強(qiáng)度都有所降低，但硬度變化不大。

2.4 不同氧含量鐵鎳合金粉末在同一配方中的燒結(jié)曲線

圖4是不同氧含量的鐵鎳合金粉末與鐵銅錫配合使用的燒結(jié)曲線。電解鐵鎳合金粉末的氧含量主要影響燒結(jié)溫度和工藝的穩(wěn)定性。與圖2相比，電解鐵鎳合金粉末性能受氧含量的影響相對(duì)小一些，但依然是氧含量越高，燒結(jié)溫度越低，燒結(jié)密度越高，抗彎強(qiáng)度越高，工藝穩(wěn)定性越好。

從圖4可以看出，高溫時(shí)都有流料問題，說明對(duì)于全預(yù)合金粉末配方，當(dāng)電解鐵鎳合金粉末主導(dǎo)胎體性能時(shí)，不必用太多的低熔點(diǎn)金屬或合金即可達(dá)到同樣的結(jié)果。

(a) 粉末硬度隨溫度的變化曲線

(b) 粉末抗彎強(qiáng)度隨溫度的變化曲線

(c) 粉末燒結(jié)密實(shí)度隨溫度的變化曲線圖2 不同氧含量的電解鐵鎳合金粉末的燒結(jié)曲線

(a) 粉末硬度隨溫度的變化曲線

(b) 粉末抗彎強(qiáng)度隨溫度的變化曲線

(c) 粉末燒結(jié)體密實(shí)度隨溫度的變化曲線圖3 不同粒度的電解鐵鎳合金粉末的燒結(jié)曲線

(a) 粉末硬度隨溫度變化曲線

(b) 粉末抗彎強(qiáng)度隨溫度變化曲線

(c) 粉末燒結(jié)體密實(shí)度隨溫度變化曲線圖4 不同氧含量電解鐵鎳合金粉末在同一配方中的燒結(jié)曲線

3 結(jié) 論

電解鐵鎳合金粉末具有特殊性，其燒結(jié)性能不是氧含量越低越好，而是氧含量控制在1.2%～2.5%之間，即使燒結(jié)溫度低，燒結(jié)體性能也能較好。