基于預(yù)混合工藝的鐵基粉末冶金材料制備及性能分析

趙冬梅

(河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 宣鋼分院，河北 張家口 075100)

0 引言

作為少切削與無切削材料制造工藝，粉末冶金可制造大部分形狀各異，且繁雜的金屬及合金材料，即各式各樣多孔材料與多孔含油軸承等，其工藝過程具體為機械混合、壓制并燒結(jié)元素或者合金粉末與基體粉末，從而獲取形狀與尺寸特定的燒結(jié)材料。而且粉末冶金是一種十分靈活的材料制備工藝，可以結(jié)合材料性能與使用需要，合理設(shè)計材料成分與構(gòu)件形狀，優(yōu)勢體現(xiàn)在可制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、材料孔隙率與性能可調(diào)節(jié)、可制備吸振性能良好的材料、材料精確度與尺寸穩(wěn)定性較好。而基于鋼鐵粉末制備的鐵基材料在粉末冶金領(lǐng)域占據(jù)十分重要的地位，已在汽車、家電、機械等多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。通過預(yù)混合工藝制備預(yù)混合鋼鐵粉，不僅節(jié)能環(huán)保、流動性高、尺寸穩(wěn)定性良好，且是高精確度與高性能鐵基粉末冶金材料制備的主要原料[1]。為進一步拓展我國鐵基材料在制造等多領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，深入研發(fā)預(yù)混合鋼鐵粉末制備技術(shù)具有現(xiàn)實意義。

1 鐵基粉末冶金材料制備

1.1 原料

基于生產(chǎn)鐵基粉末冶金材料的需求，測試原料選用MHF.100.270鐵粉，粒度-300目電解銅粉，粒徑35 μm以內(nèi)石墨粉，作為原料粉末；自制潤滑劑，以混合50%硬脂酸鋅與50%改性石蠟制成潤滑劑，粒度-200目。鐵粉化學(xué)組分與粒度分布[2]見表1。以掃描電鏡進行鐵粉、銅粉、石墨粉形貌掃描，其SEM形貌[3]如圖1所示。

表1 鐵粉化學(xué)組分與粒度分布Tab.1 Chemical composition and particle size distribution of iron powder %

圖1 原料SEM形貌示意Fig.1 SEM morphology of raw materials

由圖1可知，原料粉末粒度與牌號識別相一致，鐵粉表現(xiàn)為不規(guī)則形貌，表層有孔隙；銅粉呈現(xiàn)為松枝狀；石墨粉為鱗片狀，表層有些許細顆粒。

1.2 預(yù)混合鐵基粉末制備

鐵基粉末冶金材料體系為FC0208，預(yù)混合粉末制備工藝具體即分散潤滑劑在有機溶液內(nèi)，以生成混合液。根據(jù)規(guī)定比例稱取并機械混合鐵粉、銅粉、石墨粉，然后添加帶有潤滑劑的混合液均勻混合，烘干并去除溶劑，以過100目篩制備成預(yù)混合鐵基粉末。并根據(jù)比例稱取鐵粉、銅粉、石墨粉、硬脂酸鋅作潤滑劑，開展比較實驗。所制備混合粉末基于600 MPa壓力進行壓制成型，且于1 100 ℃狀態(tài)燒結(jié)為燒結(jié)體。制備工藝流程[4]如圖2所示。

圖2 預(yù)混合鐵基粉末制備工藝流程Fig.2 Flow chart of preparation process of premixed ferri-based powder

2 測試方法

根據(jù)《金屬粉末流動性的測定》與《金屬粉末松裝密度的測定》，進行鐵基粉末冶金材料松裝密度與流動測試?；趻呙桦婄R觀測原料粉末、預(yù)混合粉末、機械混合粉末形貌；基于阿基米德排水法測試生坯與燒結(jié)體的密度；基于光學(xué)顯微鏡觀測燒結(jié)體顯微組織；基于激光共聚焦顯微鏡測試材料表面粗糙度[5]。鐵基粉末冶金材料性能測試流程如圖3所示。

圖3 鐵基粉末冶金材料性能測試流程Fig.3 Performance test flow of iron-based powder metallurgy materials

3 結(jié)果分析

3.1 混合粉末冶金材料流動性與松裝密度

不同含量潤滑劑下混合粉末冶金材料流動性與松裝密度[6]見表2。

表2 不同含量潤滑劑下混合粉末的流動性與松裝密度Tab.2 Fluidity and loose packing density of mixed powder under different contents of lubricant

由表2可知，預(yù)混合粉末冶金材料流動性是其關(guān)鍵參數(shù)，流動性越好，模腔填滿所需時間則越短，且可填充復(fù)雜模腔所有角落；材料流動性與比表面積、顆粒表面粗糙度密切相關(guān)，流出時間隨二者增大逐步增加；優(yōu)化顆粒表面粗糙度，減少小顆粒數(shù)量，都可以有效改善材料流動性。

以硬脂酸鋅為潤滑劑所制備的機械混合粉末冶金材料，其流動性為32.5 s/50 g，松裝密度為3.05 g/cm3；在潤滑劑含量增加趨勢下，預(yù)混合粉末冶金材料流動性呈現(xiàn)為先增加后降低狀態(tài)，在含量為0.4%時，流動性處于最佳形態(tài)，且受潤滑劑含量持續(xù)增加影響，預(yù)混合粉末冶金材料流動性越來越差；預(yù)混合粉末冶金材料松裝密度則呈現(xiàn)為先增大后變小狀態(tài)，在含量為0.6%時，相對于未添加潤滑劑材料，其松裝密度提高了約10%。由于銅粉尺寸過大，大顆粒銅粉粘結(jié)難度較大，而且大顆粒粘結(jié)之后會生成尺寸更大的顆粒，從而會在一定程度上降低預(yù)混合粉末冶金材料流動性與松裝密度。

3.2 不同工藝下預(yù)混合鐵基粉末冶金材料形貌

不同工藝下預(yù)混合鐵基粉末冶金材料SEM形貌[7]如圖4所示。

圖4 不同工藝下鐵基混合粉末的SEM形貌示意Fig.4 SEM morphology of ferri-based mixed powders under different processes

由圖4可知，添加潤滑劑，基于預(yù)混合處理工藝，可促使鐵基粉末冶金材料形貌與團聚程度發(fā)生明顯變化。潤滑劑含量為0.6%時，機械混合粉末中的銅粉與石墨粉顆粒未粘結(jié)或者吸附于較大鐵粉顆粒表面，呈現(xiàn)單獨存在狀態(tài)；基于預(yù)混合工藝所制備鐵基粉末冶金材料中銅粉小顆粒、石墨粉顆粒、鐵粉顆粒彼此結(jié)合，只有少數(shù)小顆粒表現(xiàn)為單獨存在狀態(tài)。

銅粉與石墨粉顆粒粘結(jié)于鐵粉顆粒表面的SEM形貌與EDS譜圖[8]如圖5所示。

圖5 不同顆粒粘結(jié)于鐵粉顆粒表面的SEM形貌圖與EDS譜圖Fig.5 SEM morphology and EDS spectra of different particles bonded to surface of iron powder particles

由圖5可知，通過預(yù)混合工藝處理之后，所添加有機物，可有效粘結(jié)石墨粉與銅粉，以此防止偏析與元素出現(xiàn)一定損失。

3.3 不同潤滑劑含量下混合粉末冶金材料壓縮性能

不同潤滑劑含量下預(yù)混合鐵基粉末冶金材料基于600 MPa壓力壓制所制備的生坯密度見表3。

表3 生坯密度Tab.3 Green density

由表3可知，在潤滑劑含量為0.6%時，預(yù)混合鐵基粉末冶金材料的生坯密度達到最高狀態(tài)，即7.00 g/cm3，高于理論密度，致密度約95%；在潤滑劑含量為0.6%時，機械混合粉末冶金材料的生坯密度較小，即6.96 g/cm3；在潤滑劑含量逐漸增加的趨勢下，理論密度持續(xù)下降，而生坯密度也隨之下降，在生坯致密度最高，孔隙率最低狀態(tài)下，潤滑劑含量則處于最佳形態(tài)。

3.4 不同燒結(jié)時間混合粉末冶金材料耐腐蝕性

鐵粉屬于活性溶解材料，所以評估相關(guān)冶金材料耐腐蝕性時，首要關(guān)注參數(shù)為腐蝕電流。腐蝕電流越小，則耐腐蝕性越好，這主要是由于腐蝕電流是基于材料溶解所生成的。在兩種不同材料腐蝕電流大致相同時，則需考慮腐蝕電位。腐蝕電位越高，則耐腐蝕性越好。預(yù)混合鐵基粉末冶金材料的腐蝕電位與腐蝕電流對數(shù)計算結(jié)果[9]見表4。

表4 不同燒結(jié)時間時粉末的耐腐蝕性能參數(shù)Tab.4 Corrosion resistance parameters of powder at different sintering time

由表4可知，燒結(jié)時間越長，則預(yù)混合鐵基粉末冶金材料腐蝕電流越小，表明其耐腐蝕性呈現(xiàn)逐步增強趨勢。在燒結(jié)1.5 min時，開始出現(xiàn)顆粒內(nèi)部再結(jié)晶，腐蝕電流顯著下降，表明材料耐腐蝕性實現(xiàn)了很大程度上的提高。而燒結(jié)時間逐步延長，材料耐腐蝕性持續(xù)增大，在燒結(jié)4 min時，材料耐腐蝕性再次顯著提高，這時預(yù)混合鐵基粉末冶金材料內(nèi)部正在發(fā)生聚集再結(jié)晶，燒結(jié)則進入全新階段。

3.5 燒結(jié)體表征分析

不同含量潤滑劑下預(yù)混合鐵基粉末冶金材料制備生坯，并燒結(jié)之后所得燒結(jié)體密度見表5。

表5 燒結(jié)體密度Tab.5 Sintered mass density

由此可知，在潤滑劑含量為0.6%時，燒結(jié)體密度處于最高狀態(tài)，高達7.10 g/cm3，相對于生坯密度有所提升。這主要是由于燒結(jié)時晶粒變大與孔隙縮小等所造成的。燒結(jié)時完全脫除潤滑劑，所以不同含量潤滑劑所制備成的燒結(jié)體理論密度相同，而造成預(yù)混合鐵基粉末冶金材料密度不一致的關(guān)鍵在于生坯密度，生坯密度提高有助于燒結(jié)體密度提高。在潤滑劑含量逐步增加狀態(tài)下，壓坯密度隨之下降，以此燒結(jié)體密度也明顯降低。

預(yù)混合粉末與機械混合粉末所制備燒結(jié)體的顯微組織[10]如圖6所示。

圖6 不同混合粉末所制備燒結(jié)體的顯微組織Fig. Microstructure of sintered bodies prepared by different mixed powders

由圖6可知，燒結(jié)體基于鐵素體、珠光體、孔隙共同構(gòu)成，相比機械混合粉末，預(yù)混合鐵基粉末冶金材料作為原料制備生成燒結(jié)體的顯微結(jié)構(gòu)與組織分布更加均勻；而使用機械混合粉末制備生成燒結(jié)體表層孔隙非常多，且形狀不規(guī)則，與密度統(tǒng)計結(jié)果高度相符。

4 結(jié)論

綜上所述，通過優(yōu)化顆粒表面粗糙度，減少小顆粒數(shù)量，都可有效改善預(yù)混合粉末冶金材料流動性；添加潤滑劑，基于預(yù)混合處理工藝，可促使鐵基粉末冶金材料形貌與團聚程度發(fā)生明顯變化；通過預(yù)混合工藝處理，所添加有機物，可有效粘結(jié)石墨粉與銅粉，以此防止偏析與元素出現(xiàn)一定損失；在生坯致密度最高，孔隙率最低狀態(tài)下，潤滑劑含量則處于最佳形態(tài)；燒結(jié)時間越長，則預(yù)混合鐵基粉末冶金材料腐蝕電流越小，表明其耐腐蝕性呈現(xiàn)逐步增強趨勢；在潤滑劑含量為0.6%時，燒結(jié)體密度處于最高狀態(tài)，高達7.10 g/cm3，相對于生坯密度有所提升，且預(yù)混合鐵基粉末冶金材料作為原料制備生成燒結(jié)體的顯微結(jié)構(gòu)與組織分布更加均勻。