0.5Mo 預(yù)合金鋼粉的工藝性能研究

于永亮，吳愛杰，王 娟，高 慧

（山東魯銀新材料科技有限公司，山東 萊蕪 271105）

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，對高性能粉末冶金零件的需要越來越迫切，因此，對于高壓縮性合金鋼粉的需求量越來越大。由于傳統(tǒng)的粉末冶金粉末混合時難以實現(xiàn)微量及少量添加元素的絕對均勻性，必須采取合適的方法實現(xiàn)添加合金元素的均勻性，還需要保持粉末較高的壓縮性。粉末的預(yù)合金化是保證合金在粉末中均勻的最實用的方法，而且，通過在水霧化合金粉的基礎(chǔ)上，加入一定量的銅、鎳等塑性較好的合金元素，經(jīng)過擴(kuò)散退火，使其黏結(jié)在鐵粉顆粒表面，既能保證成分的均勻性，又不影響粉末的壓縮性。目前，萊鋼粉末冶金公司的擴(kuò)散型合金鋼粉壓縮性在600MPa 的壓力下，達(dá)到了7.10g/cm3，已經(jīng)處于較好的水平。本研究就是希望能再進(jìn)一步提高該粉末的壓縮性，能夠在此基礎(chǔ)將壓縮性提高到7.15g/cm3以上。

在水霧化純鐵粉生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，加入適當(dāng)?shù)你f鐵，使其達(dá)到成分設(shè)計的數(shù)值。通過優(yōu)化配料、熔煉、精煉、霧化、二次還原、棒磨、篩分、合批等主要流程的生產(chǎn)工藝參數(shù)，得到一種新型的鐵鉬預(yù)合金鋼粉，用于生產(chǎn)高壓縮性新型擴(kuò)散型合金鋼粉。

國內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)較多的是鉬含量為0.5%～1.5%左右的鐵鉬合金鋼粉，主要是考慮到Mo 的晶格結(jié)構(gòu)、原子尺寸和Fe 差不多，對鐵粉的壓縮性的影響較小。而且在二次還原時，鉬的氧化物可以被有效地還原，不似Cr、Ni 等與氧親和力很大的合金元素，還原困難，對粉末壓縮性的降低影響很大。

在生產(chǎn)擴(kuò)散型合金鋼粉時，之所以選擇Mo 為合金化元素，主要考慮以下幾個方面的良好作用，它的良好作用表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）鉬能使鋼的晶粒細(xì)化，比鎢的作用更強，所以可降低鋼的過熱傾向。

（2）可提高韌性，使鍛造加工容易。

（3）鉬可增加鋼之最大強度及硬度，因此在合金鋼中也頗為重要。普通合金結(jié)構(gòu)鋼含鉬在0.25%～0.4%，能提高機(jī)械性能，還可以抑制合金鋼由于回火而引起的脆性。

（4）可提高鋼的淬透性，含量0.5%時，能降低回火脆性，有二次硬化作用。

（5）在工具鋼中可提高紅硬性。

因此，在粉末冶金預(yù)合金化中加入鉬，能有效的提高鐵基粉末冶金材料的淬硬性，而且對粉末的壓縮性影響較小，同時可提高其強度、耐磨性、耐腐蝕性和淬透性。

1 水霧化鐵鉬預(yù)合金鋼粉的生產(chǎn)工藝

由于Mo 很難通過擴(kuò)散工藝進(jìn)入鋼鐵粉末顆粒表面，要實現(xiàn)Mo 元素的合金化，需在制備水霧化母粉的過程中通過冶煉或精煉的方式添加，即制備預(yù)合金鋼鐵粉末，這種難擴(kuò)散元素的預(yù)合金粉末制備是擴(kuò)散型合金鋼鐵粉末的一個關(guān)鍵工藝。

表1 水霧化鐵鉬合金鋼粉成品的性能指標(biāo)

在前面研究的基礎(chǔ)上，精煉階段按照鋼水鉬含量為0.40%～0.60%加入鉬鐵合金，得到水霧化鐵鉬合金鋼粉生粉，在高溫還原階段，料層厚度為30mm，氨分解氣流量110Nm3/h，帶速180mm/min，在高溫段預(yù)熱35min，960℃下還原65min，預(yù)冷30min，經(jīng)破碎，篩分，得到成品。整個工藝過程按照優(yōu)化后的工藝組織生產(chǎn)，最終所得水霧化鐵鉬合金鋼粉含鉬0.40%～0.60%的成品性能見表1。

2 工藝優(yōu)化后鉬含量與壓縮性的關(guān)系

按照冶煉優(yōu)化后的工藝，選取不同鉬含量的LAP100.29 Mo1生粉，對比高溫還原改善前后工藝對壓縮性的影響如表2。

由表2 可以看出，與工藝優(yōu)化前相比，壓縮性提升明顯，平均可達(dá)0.05 g/cm3以上。隨著鉬含量的增加，水霧化鐵鉬合金鋼粉的壓縮性呈微弱下降趨勢，且以0.45～0.55%之間含量的鉬合金壓縮性最好，鉬含量在大于0.55%后壓縮性則不盡人意，同時鉬含量在大于0.60%時，合金化不能充分進(jìn)行，出現(xiàn)鉬的硬質(zhì)點，對燒結(jié)后的成品有一定的不利因素，因此需在冶煉過程中找到最佳性能點，結(jié)合國內(nèi)外的經(jīng)驗數(shù)據(jù) ，將鉬含量定在0.55%。

3 工藝優(yōu)化對顆粒形貌的影響

圖 1 工藝優(yōu)化前后鐵粉形貌變化

采用JEOL JSM 6700F 型場發(fā)射掃描電鏡對工藝優(yōu)化前后的鐵粉進(jìn)行形貌觀察，如圖1 所示。比較粉末高溫還原前后的掃描電鏡照片，可以看出，工藝優(yōu)化前粉末顆粒以簡單的大顆粒為主，經(jīng)過工藝優(yōu)化后，粉末球化度提高，而且粉末顆粒間聚集較多，顆粒表面還具有凹凸不平，極不規(guī)則、呈現(xiàn)多孔狀形貌，這也使得粉末壓縮性獲得較大的提高。因此，從整體上看，粉末要想具有較高的壓縮性，必須具有較大的球化度，而且顆粒表面要極不規(guī)則。

4 工藝優(yōu)化前后顯微硬度的變化以及對壓縮性的影響

工藝優(yōu)化前后，水霧化鐵鉬合金鋼粉的顯微硬度與壓縮性之間的關(guān)系如表3 所示。

表3 工藝優(yōu)化對顯微硬度與壓縮性的影響

由表3 可以看出，水霧化鐵鉬合金鋼粉的顯微硬度在改善前為95 HV，經(jīng)過工藝優(yōu)化后，粉末的顯微硬度為77 HV，粉末顯微硬度大大降低，而粉末的壓縮性普遍提高0.05g/cm3以上600 MPa 下，壓縮性達(dá)到了7.16 g/cm3。可見，隨著粉末顯微硬度提高，粉末壓縮性下降，二者之間存在著較強的依賴關(guān)系。原因是顯微硬度低的粉末比顯微硬度較高的粉末軟，在壓縮受力時易于發(fā)生塑性變形，粉末顆粒相互擠壓，粉末間的孔隙進(jìn)一步得到去除，使得壓縮性高，相反，在壓制受力時不易發(fā)生變形，壓縮性低。在工藝優(yōu)化中，還原過程中高溫段溫度提高，粉末的缺陷得到消除，粉末表面和溶解在粉末中的雜質(zhì)被進(jìn)一步去除，鐵粉制備過程中的加工硬化也被消除，晶粒進(jìn)一步長大，一定程度上降低了粉末的顯微硬度，從而提高粉末的壓縮性。

5 總結(jié)

通過優(yōu)化鋼水冶煉工藝和高溫還原工藝，可以有效的提高水霧化鐵鉬合金鋼粉的壓縮性及后續(xù)燒結(jié)性能，得到的主要結(jié)論如下：

（1）在冶煉過程中，通過降低Si、Mn、P、及鹽酸不溶物等雜質(zhì)在鋼水中的含量，硅含量降低到0.04%以下，錳含量降低到0.08%以下，硫含量降低到0.011%以內(nèi)，磷含量降低到0.008%以內(nèi)，酸不溶物降低到0.06%以內(nèi)，可提高純鐵粉壓縮性達(dá)0.05g/cm3，粉末中的雜質(zhì)含量水平達(dá)到世界一流公司的標(biāo)準(zhǔn)，部分指標(biāo)甚至已經(jīng)超過了國外的同類產(chǎn)品。有效降低粉末中雜質(zhì)的含量，是提高粉末壓縮性的基礎(chǔ)。

（2）在二次還原過程中，還原溫度為960℃、粉末生粉料層厚度為30mm、帶速為180mm/min 的還原條件下可有效提高水霧化鐵鉬合金鋼粉的各項性能。

（3）降低了粉末顆粒的顯微硬度，消除了粉末缺陷，進(jìn)一步去除粉末中的雜質(zhì)，消除加工硬化，有效地提高了壓縮性。

（4）隨著粉末壓縮性的增加，燒結(jié)材料的抗拉強度、延伸率、沖擊功和硬度均呈上升的趨勢，而尺寸變化率上升不明顯，這一特點則降低了后期制件燒結(jié)膨脹率，提高了燒制成品的性能指標(biāo)，特別是保證了燒結(jié)零件的尺寸精度。