（材料加工工程专业论文）预粘结温压铁基粉末的制备及其烧结材料性能研究.pdf

摘要 摘要 预粘结粉由于其独特的优点而有较好的应用前景。本文首先探索了 温压铁基预粘结粉的制备工艺及其最佳温压工艺，分析并比较了预粘结 粉和常规混合粉的各项性能参数。然后，研究了预粘结粉其压坯在不同 烧结条件、不同热处理工艺以及不同烧结硬化条件下的性能，分析其相 关性能参数的规律。 本文对温压铁基粉末预粘结工艺的探索表明：最佳粉末预粘结工艺 为工艺a ，其压坯有最高的生坯密度和较均匀的合金元素分布，温压和冷 压的生坯密度均随添加剂含量的增加呈线性减小。温压成形可以显著地 提高生坯密度，尤其是当压制压力较低时，对提高生坯密度的效果更显 著，最多可使生坯密度提高o 2 4g c m3 。湿混工艺时粉末质量( g ) 和溶液 体积( m 1 ) 的最佳比例为1 0 0 ：17 。最佳温压工艺参数为：添加剂加入量为 0 3 ，最佳压制温度为1 5 0 ，压制压力为7 0 0m p a 。在此工艺参数下 预粘结粉和含0 6 e b s 润滑剂的常规混合粉有相近的脱模力，温压和冷 压的最大脱模力分别为1 1k n 和1 0k n 左右。预粘结粉的生坯性能均优 于常规混合粉，温压生坯密度比常规混合粉最高可增加0 11g c m3 ，温 压和冷压生坯强度分别为2 1 1m p a 和15 4m p a ，比常规混合粉提高7 7 和6 2 ，压坯弹性后效分别为0 2 2 和0 25 ，均低于常规混合粉。 对预粘结粉压坯烧结性能的研究表明：烧结气氛、烧结温度和烧结 时间都对试样烧结后的力学性能有重要的影响。烧结温度和烧结时间对 烧结密度和抗拉强度影响较大，而烧结气氛对延伸率的影响更显著。本 文设计的合金i 在分解氨气氛下烧结后具有较好的综合力学性能，1 1 2 0 和13 0 0 烧结的抗拉强度分别为6 2 3 8m p a 和7 6 6 2m p a ，延伸率分别 为4 8 和5 2 。热处理对提高合金i 力学性能的效果和烧结条件有关， 儿2 0 烧结的试样，热处理对提高强度效果不大，反而会降低延伸 率，l3 0 0 烧结的试样，热处理能大幅度提高零件的强度和表观硬度。合 金i 在分解氨气氛l3 0 0 烧结1 h ，淬火及2 5 0 回火1 h 后试样具有最高 的抗拉强度，为8 9 3 8m p a ，延伸率为1 3 ，表观硬度为h b2 6 1 。 烧结硬化工艺能显著提高合金i 的综合力学性能，超过相同条件烧结 后热处理的性能。在1 1 2 0 真空烧结1 h 、高速快冷及1 8 0 回火1 5 h 后试样的抗拉强度为7 1 4 5m p a ，延伸率为2 3 ，表观硬度为h b2 4 4 。 关键词：铁基粉末冶金；温压；预粘结粉末：热处理；烧结硬化 华南理t 大学硕十学位论文 a b s t r a c t b i n d e r - t r e a t e dp o w d e rc a ng a i nw i d e l ya p p l i c a t i o nb e c a u s eo fi t s p a r t i c u l a rp r o p e r t i e s i nt h i s p a p e r ，t h ep r e p a r a t i o np r o c e s s i n ga n dw a r mc o m p a c t i o np r o c e s s i n gw e r es t u d i e d ，t h ep r o p e r t i e so f b i n d e r - t r e a t e dp o w d e ra n dt r a d i t i o n a lp r e m i x e d p o w d e rw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ，a n dt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o m p a c t su n d e rd i f f e r e n ts i n t e r i n gc o n d i t i o n s ，d i f f e r e n th e a t - t r e a t m e n t s a n dd i f f e r e n ts i n t e rh a r d e n i n gw e r es t u d i e da n da n a l y z e d t h es t u d yo fb i n d e r - t r e a tp r o c e s s i n gs h o w e dt h a t ，t h eb e s tb i n d e rt r e a tp r o c e s s i n gw a sp r o c e s sa ， g r e e nd e n s i t yo fi t sc o m p a c t sd e c r e a s e dl i n e a r l yw i t ht h ei n c r e a s eo fa d d i t i o nc o n c e n t r a t i o n t h e c o m p a c t so w n e dt h eh i g h e s tg r e e nd e n s i t y a n ds y m m e t r i c a le l e m e n t sd i s t r i b u t i o n t h ew a r m c o m p a c t i o nr e s u l to fi n c r e a s i n gg r e e nd e n s i t yw a so b v i o u se s p e c i a l l yu n d e rl o w e rp r e s s u r e g r e e n d e n s i t yo fw a r mc o m p a c t i o nw a s0 1 0 2 4g c m h i g h e rt h a nc o l do n e s t h eb e s tr a t i oo fp o w d e r m a s sa n ds o l u t i o nv o l u m ew a s1 0 0 ：1 7 t h eb e s tw a r mc o m p a c t i o n p a r a m e t e r sw e r e ：t h em o s t s u i t a b l ea m o u n to f a d d i t i o nw a s0 3 w i t has u i t a b l et e m p e r a t u r eo f1 5 0 a n das u i t a b l ep r e s s u r e o f7 0 0m p a u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，b i n d e r + t r e a t e dp o w d e rs h o w e da ne q u a le j e c t i o nf o r c ec o m p a r e d t op r e - m i x e dp o w d e rw i t ho 6 e b sl u b r i c a n t t h ee j e c t i o nf o r c eu n d e rw a r mc o m p a c t i o na n dc o l d c o m p a c t i o nw e r el 1k na n d 10k n r e s p e c t i v e l y t h eg r e e nd e n s i t yo fb i n d e r t r e a t e dp o w d e rw a s 0 11 g c m h i g h e rt h a np r e - m i x e dp o w d e r ，t h eg r e e ns t r e n g t hu n d e rw a r mc o m p a c t i o na n dc o l d c o m p a c t i o nw e r e2 1 1m p aa n d1 5 4m p a ，r e s p e c t i v e l y , h i g h e rt h a nt h el a t t e r ，a n dt h es p r i n gb a c ko f g r e e nc o m p a c t sw e r eo 2 2 a n d0 2 5 r e s p e c t i v e l y , l o w e rt h a nt h ei a t t e r t h es t u d yo fs i n t e r i n gp r o p e r t i e so fb i n d e r t r e a t e dp o w d e rs h o w e dt h a t ，s i n t e r i n ga t m o s p h e r e ， s i n t e r i n gt e m p e r a t u r ea n ds i n t e r i n gt i m ep l a y e da ni m p o r t a n tr o l e o nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s s i n t e r i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m eh a ds i g n i f i c a n t i n f e c t i o no ns i n t e r d e n s i t ya n ds t r e n g t h ，w h i l e s i n t e r i n ga t m o s p h e r eh a dm o r ei n f e c t i o no f fe l o n g a t i o n a l l o yig a i n e das t r e n g t ho f6 2 3 8m p aa n d 7 6 6 2m p aw i t ha ne l o n g a t i o no f4 8 a n d5 2 s i n t e r e du n d e rd i s s o c i a t e da m m o n i aa t m o s p h e r e 1 1 2 0 - ( 2a n d13 0 0 c ，r e s p e c t i v e l y t h ee f f e c t so fh e a t - t r e a t m e n t st oi n c r e a s em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s w e r er e l a t e dt os i n t e rc o n d i t i o n s t oc o m p a c t ss i n t e r e du n d e r11 2 0 h e a t - t r e a t m e n t sh a dl i t t l e e f f e c t so nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t ot h o s es i n t e r e du n d e r13 0 0 t h es t r e n g t ha n dh a r d n e s s i n c r e a s e dg r e a t l ya f t e rh e a t t r e a t m e n t s a l l o yig a i n e das t r e n g t ho f8 9 3 8m p aw i t ha ne l o n g a t i o no f 1 3 a n dah a r d n e s so f h b2 6 1a f t e rs i n t e r e du n d e rd i s s o c i a t e da m m o n i aa t m o s p h e r e ，1 3 0 06 c ，a n d t e m p e r e du n d e r 2 5 06 c f o r1 5h o u r sa f t e rq u e n c h s i n t e rh a r d e n i n gc a ni n c r e a s et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l l o y1 g r e a t l y ，t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sw e r ee v e nh i g h e rt h a nt h o s eq u e n c h e da f t e rs i n t e r e du n d e rs a m ec o n d i t i o n s ，w i t ha s t r e n g t ho f 7 1 4 5m p a ，a ne l o n g a t i o no f 2 3 a n dah a r d n e s so f h b2 4 4 。 k e yw o r d s ：i r o nb a s ep o w d e rm e t a l l u r g y ，b i n d e r - t r e a t e dp o w d e r ，w a r mc o m p a c t i o n ，h e a t - t r e a t m e n t s ， s i n t e rh a r d e n i n g i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作晶。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 伞意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：内缚 口期：一捭月，；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学町以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行榆索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：匈杯 导师签名： 纪殳度 日期：伽j 年6 月b 日 日期：西山年( ，月以日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 材料、能源和信息被称为当代科学技术的三大支柱。材料是人类技 术进步的标志，是人类赖以生存和发展的物质基础与先导。从人类科技 发展史可以看到，近代世界所经历的两次工业革命都是以新材料的发现 和应用为先导的。钢铁工业的发展，为1 8 世纪以蒸汽机的发明和应用为 代表的第一次工业革命奠定了物质基础，本二十世纪中叶以来，以电子 技术，特别是微电子技术的发明和应用为代表的第二次工业革命，硅单 晶半导体材料则起着先导和核心作用，随后的激光材料和光导纤维的问 世，使人类社会进入了“信息时代”。对于材料，特别是先进材料的研究、 开发与应用反映着一个国家科学技术与工业水平。材料的发展与国民经 济建设、国防建设业和人民生活密切相关m 。 粉末冶金是一种由粉末经压制成型及烧结制取金属和复合材料制品 的工艺过程，被称为是解决高科技新材料问题的一把钥匙，在新材料的 发展中起着举足轻重的作用n ，。它在技术和经济上具有一系列特点，它 不仅是一门材料制造技术，也是一门材料加工技术，它在国民经济的许 多领域有着广泛的应用。近二十年来粉末冶金新工艺、新技术层出不穷， 解决了粉末冶金材料的高性能化和复合化问题，是促进粉末冶金材料发 展的原因之一。发展高性能的粉末冶金材料( 含复合材料) ，一直是粉末 冶金的发展方向和研究重点。特别是近几年来，国外加强了对高密度、 高强度、高精度和复杂异形粉末冶金零件的开发，一系列新技术和新工 艺相继出现，如快速凝固、机械合金化、粉末热等静压、爆炸成形、高 速压制成形、粉末热锻、粉末注射成形、自蔓延烧结、反应烧结等。这 些新技术和新工艺对粉末冶金材料和制品的发展起了突破性的作用，使 得粉末冶金零件的应用面在深度和广度方面取得了长足的发展。 在1 9 9 4 年的国际粉末冶金和颗粒材料会议( p m 2 t e c 9 4 ) 上， h o e g a n a e s 公司首次公布了温压技术，立刻引起了轰动，并在19 9 5 年获 得了欧洲粉末冶金协会颁发的粉末冶金工艺技术新发展功勋奖n “。温压 技术是在传统模压工艺的基础上发展起来的，是用一次压制、烧结工艺， 制造高密度、高强度粉末冶金结构零件的一项经济可行的新技术。温压 工艺作为粉末冶金零件致密化的一项有效手段，被认为是九十年代以来， 粉末冶金领域的一项创造性技术进步n 。目前，国外利用温压工艺已成 功制造出形状复杂的高密度、高强度粉末冶金零件，并不断扩大在汽车、 华南理工人学硕十学位论文 机械工业等行业中的应用。 1 2 粉末冶金成形技术的发展 粉末冶金技术起源于远古，但一直发展缓慢。直到二十世纪初，用粉 术冶金法制造电灯钨丝获得成功，从而使粉末冶金的传统工艺获得了新 生。随后，又用粉末冶金法生产出许多难熔金属材料如钨、钼、钽、铌 等。二十世纪二十年代，又用这一工艺技术成功制造了硬质合金。现代 粉末冶金工艺正是由于难熔金属和硬质合金的生产，才奠定了它在材料 领域不可代替的地位，并随着制品性能的不断提高，应用范围也不断扩 大”，。二十世纪下半叶，粉末冶金工艺不断向高水平新领域方面开拓。热 等静压、粉末锻造等新工艺开始出现，金属陶瓷、弥散强化材料、纤维 强化材料和粉末高速钢等新型材料相继问世，所有这些，都更加显示了 粉末冶金工艺的广阔的发展前景。 常规粉末冶金方法是指，在室温条件下，采用普通模压成形方法将 混合粉末压制成所需形状的压坯( 生坯) ，然后进行烧结的方法。常规粉 末冶金法虽然具有工艺简单、成本低等一系列优点，但由于其制成品在 相对密度和综合性能等方面的局限性，使其在工业应用中受到了限制。 为此，人们对粉末冶金过程的各个环节进行了广泛而深入的研究，特别 是成形过程，由于它不但决定了生坯的形状、尺寸、密度和强度，而且 会对烧结体的密度和性能产生重大影响，因而受到了粉末冶金科技工作 者的高度重视”1 。 1 2 1粉体成形及致密化过程 成形是粉末冶金工艺过程的一道基本工序，普通模压成形是指在常 温下将粉末置于模腔内，在压制压力作用下，将粉末压实成具有一定形 状、尺寸、孔隙度和强度坯块的过程。在粉体成形过程中，粉末颗粒发 生位移( 滑动或重排) 和变形( 弹、塑性变形和断裂) ，从而使粉体的孔 隙度减小，相对密度提高，并且以颗粒位移的贡献为主“1 。粉末颗粒的行 为，可分为三个相互重叠的过程：粉末颗粒重堆积或重排列、粉末颗粒 的弹性和塑性变形、粉末颗粒的断裂或碎裂n ”。 随着粉体致密化程度的提高，粉末颗粒之间的联结力逐渐增大，压 坯强度也逐渐提高。粉末颗粒之间的联结力大致可以分成两种：( 1 ) 粉 末颗粒之间的机械啮合力。粉末的外表面呈不规则的凹凸不平的形状， 通过压制，颗粒之间由于位移和变形可以互相楔住和勾连，从而形成粉 第一章绪论 未颗粒之间的机械啮合。( 2 ) 粉末颗粒表面原子间的引力( 冷焊) 。在金 属粉末的压制后期，粉末颗粒承受强大外力作用而发生位移和变形，颗 粒表面上的原子彼此接近，当进入引力作用范围之内时，粉末颗粒发生 联结。一般认为，在低密度下机械啮合是普遍存在的，而在高密度时冷 焊可能占主要地位“1 。 粉末的制取、成形和烧结是粉末冶金过程中三个基本环节。在某种 意义上讲，成形过程对粉末冶金技术的发展影响更大。传统粉末冶金零 件的缺点是尺寸较小，单重较轻，形状较简单，且密度较低，机械力学 性能不高。同时由于生坯强度低，压坯在存放和运输过程中很容易破碎， 造成废品率较高。 为了满足工业应用对粉末冶金材料的致密度和力学性髓提出的越来 越高的要求，一系列高致密化的成形工艺相继被开发出来，如粉末热等 静压、粉末锻造、粉末轧制、粉末挤压和粉末注射成形等。这些高致密 化的成形工艺几乎可以成形全致密化的粉末冶金材料，使其力学性能得 到了大幅度的提高，从而极大地促进了粉末冶金成形技术的发展，并大 大扩大了粉末冶金材料的应用范围。 1 2 2 润滑剂对成形过程的影晌 粉末体在模腔内受压时，粉末在某种程度上表现有与液体相似的性 质一力图向各个方向流动，于是引起了垂直于模壁的压力一侧压力。但 与液体的各向均匀受压不同的是，粉末在压模内所受压力的分布是极不 均匀的。由于侧压力的作用，压坯与模壁之间会产生摩擦力。这种摩擦 力将使压坯在高度方向上存在明显的压力降。这种压力分布的不均匀， 使得压坯各个部分的密度和强度分布也不均匀。另外，这种摩擦力还会 影响脱模过程，以致于脱模时还需要施加一定的脱模压力，脱模力大时 还会加剧模具的磨损。与此同时，粉末颗粒之间也存在着摩擦力，这种 摩擦力对粉末颗粒的填充行为和粉体的成形过程都会产生不利影响。 减小上述摩擦力影响的主要方法有两种：( 1 ) 使用高光洁度和高硬 度的模具；( 2 ) 使用润滑剂改善粉末颗粒间及其与模壁间的润滑状况。 使用润滑剂不但可以改善粉末颗粒的填充行为，在一定压力下可提高生 坯的密度及其分布的均匀性和生坯强度，而且可减少模具的磨损，提高 模具的使用寿命，具有很好的经济效果”j ”。 1 2 2 1润滑剂的选择原则 粉末冶金成形过程中使用的润滑剂应具有下列特性”】： ( 1 ) 不与粉末物料发生化学反应； 华南理工人学硕士学位论文 ( 2 ) 适当的粘度、良好的润滑性以及对模壁和粉末表面有较高的附 着能力； ( 3 ) 对混合粉的松装密度、流动性、压缩性和成形性等无不利影响 或影响不大； ( 4 ) 较高的软化点、较好的分散性或易溶于挥发性溶剂，以便于混 料； ( 5 ) 预烧或烧结时易于排除且不残留有害杂质，所放出的气体对操 作人员、炉子的发热元件和筑炉材料等没有损害作用； ( 6 ) 烧结后对产品性能和外观质量无不良影响； ( 7 ) 成本低，来源广。 1 2 2 2粉末冶金常用润滑剂 目前，在常规粉末冶金成形过程中使用的润滑剂绝大多数都是固态 的。由于润滑剂与摩擦副之间具有匹配要求，不同的金属粉末须选用不 同的润滑剂。几种常用固体润滑剂的特性见表卜1 。 表1 1几种常用固体润滑剂的特性”一“ t a b l e1 - 1t h ep r o p e r t i e so fs e v e r a ls o l i dl u b r i c a n t s 胶体石墨六方晶系 2 2 3 2 2 5 3 5 0 0 二硫化钼六方晶系4 5 0 一4 8 0 1 1 8 5 很强 很强 硬脂酸锌有机物 1 0 9 5 1 2 0高温时非常强 0 0 7 0 0 3 0 0 9 阿克蜡有机物 一1 4 3高温时非常强一 1 2 2 3润滑剂的加入方式 粉末冶金中润滑剂的加入方式可分为五种”2 ，”3 ：( 1 ) 将润滑剂粉末与 铁粉干混：( 2 ) 将润滑剂分散于易挥发的溶剂中然后与铁粉湿混；( 3 ) 在 有机物熔点之上将两者进行湿混；( 4 ) 将润滑剂溶入易挥发的溶剂中后与 铁粉湿混；( 5 ) 将铁粉与聚合物单体及其它反应物混合，使润滑剂聚合物 在铁粉表面上合成。方法( 1 ) 混粉工艺简单，但需用粉末状的润滑剂( 一15 0 4 第一章绻论 目) ，而块体聚合物润滑剂一般很难破碎。方法( 3 ) 至方法( 5 ) 方法则是为 了在混合粉术表面涂敷一层均匀的有机物薄膜，这一方面可使有机润滑 剂分散均匀，更好地发挥粘结和润滑作用，另一方面聚合物薄膜能阻止 混合粉末在压制温度下氧化。但方法( 3 ) 工艺复杂，方法( 5 ) 尚未见诸报 导，亦无成熟工艺。方法( 2 ) 虽可消除或减轻混粉过程中的静电效应，但 其效果仅介于方法( 1 ) 和方法( 4 ) 之间。故通常采用方法( 1 ) 方法和( 4 ) 进 行混料。 1 3 提高粉末冶金材料性能的方法 发展高性能特别是高力学性能的粉末冶金材料，是粉末冶金的发展 方向和研究重点。粉末冶金材料的力学性能与其化学成分、密度、显微 结构、孔隙度及孔隙形态等有直接关系。提高粉末冶金材料的力学性能 主要有三个途径：1 ) 提高密度也即致密化，包括在压制过程中提高压 坯的密度和在烧结过程提高烧结的密度；文献 7 8 ，1 4 - 1 7 的研究结果 表明，在影响粉末冶金材料力学性能的所有因素中，密度的影响最大， 提高材料的密度几乎可以提高它所有的力学性能，对于铁基粉末冶金材 料，当密度超过7 0 9 c m 3 以后，其主要力学性能指标随着密度的提高而 显著提高；2 ) 合金化，合金化是提高粉末冶金材料性能的又一项重要手 段。铁粉中添加合金元素是为了开发更高性能的材料；3 ) 热处理，零件 烧结后通过热处理提高力学性能，或是采用烧结硬化工艺提高力学性能。 1 3 1 致密化方法 影响材料致密化程度的因素有很多，包括粉末形状、成形工艺和烧 结工艺等。致密化包括两个过程，一是在压制过程中提高压坯的密度。 比如提高压制压力、改善粉末的压缩性等，或采用新的成形技术如温压 成形、粉末注射成形、热等静压、爆炸成形、粉末热锻、粉末轧制等， 尤其是热等静压、粉末热锻等技术几乎可成形全致密零件；二是在烧结 过程中提高压坯的烧结收缩率，从而提高其密度。最简单的方法就是提 高烧结温度，因为烧结过程中空位和元素的扩散速度随着温度的升高呈 幂指数规律提高n “，其它方法还有活化烧结、复压复烧、液相烧结、超 固相线烧结和熔浸等”“。 1 3 2 合金化方法 对于铁基粉末冶金材料的合金化来说，合金元素的添加方式对铁基 粉末冶金材料的显微结构、孔隙度等有显著影响，并最终影响着材料的 性能n “。用于生产铁基粉末的合金化方法主要有部分预合金化法和预 合余化法，分述如下。 华南理工大学硕士学位论文 1 3 2 1 部分预合金化法 部分预合金化法也叫扩散粘结法，这是一种生产低合金钢粉末的优 良方法，通过热处理工艺得到部分预合金化低合金钢粉末。其原理是将 高压缩性的水雾化铁粉或还原铁粉与微细的合金元素粉末( 或其氧化物) 混合均匀后，在电炉内于一定温度和一定条件下进行扩散处理，使合金 元素粉末扩散粘结到母粉( 纯铁粉或预合金钢粉) 颗粒上，产生未经充 分扩散的极薄扩散层，形成部分合金化。这种粉末的特点是：合金元素 可部分扩散到基体粉末表面，既保持了原始铁粉的高压缩性，又可使合 金元素分布比较均匀，合金元素在制品烧结过程中能进一步合金化，使 烧结件保持尺寸公差稳定，在运输合混合处理过程中不产生合金成分偏 析，烧结件化学成分比较均匀，能比常规混合粉末更有效的改进烧结件 的力学性能n 。特别适合制造中高强度烧结钢结构零件。缺点是要进行 长时间扩散处理，而且多少会降低铁粉的压缩性。 然而，由部分预合金化粉末制取的烧结钢中的合金元素分布仍然是 不够均匀的，在原始粉末颗粒表面和邻近孔隙表面区域的浓度高，在原 始颗粒内部的浓度低。因此，部分预合金化粉末烧结钢的相变和组织结 构是非常复杂的。这对于烧结钢结构零件的性能往往会有明显的影响。 1 3 2 2 预台金化法 用该法生产的铁基粉末叫预合金钢粉。它是以精选废钢为原料，在 冶炼过程中添加合金元素进行合金化，用高压水在雾化器内将熔融的钢 液破碎成微小液滴，再经脱水、烘干、高温还原、粉饼破碎、筛分、合 批等工序精制而成。这种粉末的特点是：粉末颗粒致密，其形状相对规 则；粉末颗粒中合金元素分布均匀，用其生产的烧结材料具有均匀的显 微结构、高的强度合高的耐磨性；用预合金化法生产预合金钢粉较其它 方法能更有效地利用合金元素。其缺点是不能随意调整成分配比，而且 粉末的压缩性比纯铁粉大大降低。由于碳对铁基材料的硬度和铁粉的压 制性影响最大，预合金钢粉要严格控制含碳量，无论哪种合金化方法， 生产时碳一般都以石墨的形式另外加入。图卜1 是铁基粉末合金化模型 图。 6 第一章绪论 ( ”f c ) a ) 常规元素混合粉；b ) 部分预合金化粉；c ) 预合金钢粉 图1 1 铁基粉末合金化模型图 f i g u r e 1 1t h ea 1 1 0 y i n gm o d e l0 fi f o rb a s ep o w d e r 目前，一种介于常规元素混合法和粉末预合金化法之间的粘结处理 预混合法( 简称预粘结法) 也引起人们的注意。预粘结法是将合金元素 粉末、粘结剂、润滑剂等按一定比例和工艺要求与铁粉均匀混合，用于 生产铁基粉末冶金材料。混粉工艺一般采用湿混法，将金属粉末按配比 预混合，将粘结剂溶于或分散于挥发性溶剂后加入预混合粉末并充分搅 拌，待溶剂挥发后将粉末干燥、过筛、再混合均匀，即可用于压制。预 粘结粉末具有如下特点：混粉时加入的粘结剂可使混合粉末中的各种添 加元素均匀粘结在基体铁粉表面，大大减少尘扬和成分偏析，减少碳损 失；提高压缩性及生坯强度等；减少烧结件的尺寸变化和化学成分变化， 从而减少粉末冶金零件内部和零件之间的物理性能差异”“。但预粘结工 艺法的一个明显缺点是湿混时一些轻质成分比如碳、硅等容易上浮而引 起偏聚，因此混粉工艺非常关键。图卜2 是预粘结粉末的示意图。 | 。s 。彀 l ”三固三 “糯 静 域科 润滑剂 图卜2 预粘结粉末示意图 t h es k e t c hm a po fp r e - b i n d e r e dp o w d e r 华南理工大学硕士学位论文 1 3 3 烧结后热处理及烧结硬化 对零件烧结后进行热处理是提高粉末冶金材料性能的又一重要方 法。和致密钢材的热处理工艺一样，铁基粉未冶金材料的常规热处理方 法也是将材料高温奥氏体化，再经淬火和回火处理，目的是改善合金的 显微组织，提高材料的强度、硬度和耐磨性等。但是，粉末冶金零件由 于其自身的特点，其热处理有难以克服的缺点。由于粉末冶金零件中存 在一定数量的空洞，其传热能力较低，材料中提高淬透性的元素较少。 且这些元素没能完全固溶到奥氏体中，因此其热处理性能要比致密钢材 差些。而且，热处理后残留于零件空洞中的油污难以彻底清除，影响 零件后续的表面处理工序。因此常规热处理虽然可以提高粉末冶金零件 的性能，但同时也存在许多的不足之处。 二十世纪七十年代，人们在烧结预合金化镍钼合金钢粉制造的零件 时，发现这些零件在传统的履带炉烧结后，其大部分的微观结构组织为 马氏体，其强度和硬度较高l 22 , 2 8 这一现象使人们认识到，在合适的条件 下，可以在烧结过程中实现材料的淬硬化，使零件经烧结炉烧结后冷却 时，相当于进行了一次特殊的热处理，这就是烧结硬化工艺。 烧结硬化的优点主要有：省去了零件烧结后的二次热处理工序，因 而避免了与热处理相关的一些缺陷，以很低的生产成本既可获得很高的 力学性能：减少零件的变形，提高尺寸精度；由于孔隙中没有残留的油 污，不再需要除油，有利于后续的电镀等表面处理工序；粉末的合金元 素如石墨、铜的含量都可以降低而保持原来的微观结构和机械性能“】。 烧结硬化工艺特别适用于那些难以热处理的大型以及形状复杂的粉末冶 金零件。 1 4 温压成形技术的研究状况 1 4 1温压成形技术的特点 发展高性能特别是高力学性能的粉末冶金材料，是粉末冶金的发展 方向和研究重点。提高粉末冶金材料的密度，是实现这一目的的最有效 途径。传统一次压制烧结生产的铁基粉末冶金制品其密度一般在7 i g c m3 ( 相对密度约9 0 ) 以下，力学性能远低于同类材料的全致密件。 在众多的高密度粉末冶金生产方法中，温压是最为经济和有效的一种新 工艺。温压技术在9 0 年代中期发展成熟并成功用于工业生产。数家国际 知名的粉末冶金公司，如瑞典h o e g a n a e sa b 、美国h o e g a n a e s 和加拿大 q m pp o w d e r 等，都各自推出受到专利保护的温压技术。 温压技术采用特制的粉术加温、输送和模具加热系统，将加有特殊润 8 第一章绪论 滑剂的混合粉末和模具加热至1 3 0 15 0 ，并将温度波动控制在士2 5 以内，然后和传统粉术冶金工艺一样进行压制、烧结而制得粉末冶金零 件。温压技术具有很多优点： 1 ) 高密度。温压工艺压制的生坯密度比传统方法高0 15 - 0 3 0g c m 3 ， 可达7 5 9 c m 3 ，烧结密度高达7 6 4 9 c m3 一w 。 2 ) 高生坯强度。生坯强度为2 0 3 5 m p a ，比传统方法提高5 0 1 0 0 。 不仅降低生坯在存放和搬运过程中的破损率而且能对生坯进行机加工， 表面光洁度好”“3 。 3 ) 低成本。假如一次压制、烧结的普通粉末冶会工艺的成本为1 0 、 则粉末锻造的成本为2 。0 ，复压复烧的成本为l 。5 ，渗铜工艺的成本为1 4 ， 而温压工艺的成本仅为1 2 5 ”。 4 ) 压制压力低和脱模力小。对于给定的压制密度，温压的压制压力 至少可以降低1 4 0 m p a ，脱模力降低4 0 m p a ，从而有利于提高模具寿命， 降低润滑剂含量和压制较大面积的零部件m 。 5 ) 弹性后效小。温压零件尺寸变化比普通压制小。 6 ) 高的烧结性能。在相同的压制压力下，温压材料烧结后的屈服强 度比传统工艺的平均高1 1 ，极限拉伸强度平均高13 5 ，冲击韧性高 3 3 ”“。 表卜2复压复烧和温压工艺生产齿轮的成本比较m - t a b l e l 一2c o s tc o m p a r is o nb e t w e e ng e a r sm a d eb yd o u b l e p r e ss d o u b l e s i n t e ra n dwarmc o m p a c t i o nm e t h o d g 行星齿轮( p l a n e t a r yg e a r )固定齿轮( s u ng e a r ) 工序 复压复烧温压成本复压复烧温压成本 成本比率比率成本比率比率 混粉送粉 2 4 3 0 3 4 4 0 模具 2 2 1 9 压制 3 2 2 8 预烧结 8 7 烧结 1 4 1 6 1 2 14 复压 13 1 2 震动磨光 2 2 1 2 热处理 l7 2 0 1 5 1 6 比率 1 0 0 1 0 0 1 0 0 l o o 制造成本u s $ 0 3 5 4 4u s $ 0 3 l 件u s $ 0 4 0 件u s $ 0 3 7 件 华南理上大学硕十学位论文 表卜2 是s h a h 和iss a c s 比较了以温压工艺和传统复压复烧工艺生 产两种齿轮的成本分析结果”“。在零件性能相当的情况下，温压生产的 成本比复压复烧生产的低1 0 左右。表卜3 列出了各工艺的优缺点及成本 比较m 1 。温压能以低于复压复烧的成本生产出性能相当的产品，值得注 意的是其产品在某些方面可以和锻造产品相竞争。温压工艺成本低廉、 产品密度高而且较为均匀、力学性能优越，兼有弹性后效小、脱模力低 等工艺特点，其生坯强度超过2 0m p a ，可在烧结工序前作机加工处理以 节约机加工工时和减少刀具磨损n 。 表卜3 各工艺的优缺点及成本比较m 】 t a b l e l 3 a d v a n t a g ea n dd is a d v a n t a g e0 fd i f f e r e n tt e c h n o l o g i e s 成本系 成形工艺密度g c m 3 工艺特点 数 传统一次压制烧 7 62 o序多，精度低，不适用于复 杂零件。 最近，德国f r a u n h o f e r 研究所在温压工艺的基础上，开发出一种称 为“流动温压工艺”( w a r mf l o wc o m p a c t i o np r o c e s s ) 的技术“。通 过加入适量较微细的粉末、加大及调节润滑剂的含量以提高粉末的流动 性、填充能力和成形性，可以制造带有垂直于压制方向上的凹槽、孔和 螺丝孔等制件。制造此类粉末冶金件过去一直被认为是非常困难甚至是 不可能的，利用程控压机复杂和精准的动作也只能生产出较为简单的此 类零件m ，。该工艺不但适用于铁基材料，还适用于诸如钛、w c c o 等其他 材料。 l o 第一章绪论 流动温压工艺是以温压工艺为基础并结合了m i m 工艺的优点而发 展起来的。在研究温压工艺中，人们发现温压成形时在径向产生了很大 的径向压力，这就促使人们研究怎样利用这种轴向压力引起的粉末径向 流动趋势去成形复杂零件的几何外形。流动温压技术的关键是提高混合 粉术的流动性。f r a u n h o f e r 研究人员是通过两种方法来实现的。第一种 方法是向粉末中加入精细粉末。这种精细粉末能够填充在大颗粒之间的 间隙中，从而提高了混合粉末的装粉密度。另一种方法是比传统粉末冶 金工艺加入更多的粘结剂和润滑剂，但其加入量要比粉末注射成形少得 多。粘结剂或润滑剂的加入量达到最优化后，混合粉末在压制中就转变 成一种填充性很高的流动体。将两种方法结合起来，混合粉末就可转变 成为流动性很好的粘流体，它既具有液体的所有优点，又有很高的粘度。 混合粉末的粘流行为使得粉末在压制过程中可以流向各个角落而不产生 裂纹。流动温压工艺中材料的致密化经历了三个阶段。首先，精细粉末 的加入提高了装粉密度。其次，在压制阶段，混合粉先是被压缩，直到 混合粉中的粘结剂相互接触连成一整体后，混合粉就表现出了可以很好 地向各个方向填充的粘流行为，粘流体在压制压力下充满型腔。最后， 混合粉末完全被压实。经温压后的半成品可以达到很高的密度。由此可 见，温压工艺具有非常广阔的发展前景。目前，温压技术还远远没有发 挥出其潜在的和应有的贡献，其发展前途是不可低估的。 1 4 2温压成形关键技术 温压技术是一项制造密度较高的高强度粉末冶金零部件的新型压制 技术，以铁基零件为例，由于零部件密度可提高到关键性的7 2g c m 3 ， 其综合力学性能大幅度改善，应用范围迅速扩大，为粉末冶金技术优势 的充分发挥创造了条件，因而受到国内外的广泛关注“- “”“3 。温压工艺 是采用专用的粉末加温，粉末输送和模具加热系统，将混有专用润滑剂 的粉术和模具等加热到预定温度，一般是13 0 l5 0 左右，并将温度波 动控制在2 5 ，然后压制成形。该技术的关键是温压粉末的制备和温 压系统的设计m - 。实际生产中一般采用专用的温压粉末以充分发挥温压 技术的优势。 1 4 2 1 粉末 用于温压的混合粉末要求不仅在加热、传送及压制过程中都应具有 良好的压缩性、流动性和稳定的松装密度，而且制成的零件之间性能也 应该保持一致性。温压所获得的材料密度除与润滑剂有关外，还取决于 铁粉的压缩性和混合粉末的配方。特别是混合粉配方决定了无孔隙密度 华南理t 大学硕士学位论文 ( p f d ) ，p f d 是铁粉和加入混合粉添加剂的函数。温压可使生坯密度达到 p f d 的9 8 。现有的温压技术都受专利保护，计有美国h o e g a n a e s 公司 的a n c o r d e n s e “，瑞典h o g a n n a e sa b 公司的d e n s m ix f 和加拿大q u e b e c m e t a lp o w d e r 公司的f l o m e tw p “”等。国内中南工业大学曹顺华在铁 粉的部分预合金化技术基础上研究了低成本的温压粉末制造技术“。 瑞典d e n s m i x 的工艺稳定性实验结果见表卜4 。从表卜4 可见，粉末 无论在高温( 1 3 0 ) 下保温还是在粉末加热到1 3 0 再冷却到室温，再升 温这样循环作用下，粉末的松装密度，流动性及在6 0 0m p a 下压制的生 坯密度都相当稳定，并分别保持在3 13 3 15g c m3 ，2 6 2 - 2 6 5s 5 0 9 ， 7 2 9 - 7 3 0g c m 3 的范围。 表卜4d e ns i l l ix 粉末在l3 0 保温时间对粉末性能的影响和加热到13 0 的循环次数对粉末性能的影响 t a b le l 一4e f f e c ts0 fh e a t i n gt i m eo np r o p e r t ie s0 fd e n s m ixp o w d e r a tl3 0 a n de f f e c ts0 fh e a t i n gc y c l et ir i l es 保温松装流动性生坯 时间密度密度 ( h ) ( g c m 3 )( s 5 0 9 )( g c m 3 ) 0 13 152 6 57 2 9 23 152 6 27 3 0 4 3 1 4 2 6 3 7 3 0 83 1 42 6 37 2 9 加热循松装流动性生坯 环次数密度密度 ( 次) ( g c m3 )( s 5 0 9 )( g c m3 ) l3 152 6 57 2 9 23 132 6 47 3 0 3 3 152 6 2 7 2 9 43 1 42 6 57 2 9 结合我国国情，开发具有自主知识产权、成本相对较低、以元素粉 末为主体及特殊混制工艺相结合的温压粉末是温压推广应用的关键之 一。 1 42 2 温压润滑剂 传统工艺中使用的润滑剂在粉末温度升高到1 2 0 15 0 时，粉末的流 动性便会恶化，甚至不能流动。为了充分发挥温压工艺的优势，必须研 制一些新型的温压用润滑剂，使混合粉末在高温下具有