粉末冶金温压铁粉的制备与性能研究

粉末冶金温压铁粉的制备与性能研究

赵晶 殷汝婷 张毅 王彦康

山东鲁银新材料科技有限公司 山东济南 271104

摘要：粉末冶金是一种制备复杂形状近净型产品的生产技术，温压是一种利用含有特殊的聚合物为润滑剂的粉末冶金原料通过粉末加热或模具加热的方式制造高密度粉末冶金零件的成形技术。本文详细介绍了温压铁粉的制备方法，并研究了不同配比的温压铁粉的物理性能和烧结力学性能。

关键字：粉末冶金、温压、铁粉、成形、高密度

一、前言

粉末冶金是一种制造金属粉末和利用金属粉末为基本原料制备复杂形状近净型产品的生产技术，就是说粉末冶金可分为两大部分，一是生产制造原材料金属粉末，二是利用金属粉末制备产品。产品的性能与密度有很大的关系。对于铁基粉末冶金零件而言，密度达到7.20g/cm³后，其硬度、抗拉强度、疲劳、屈服强度、韧性等都会随密度的增加而有较为明显的提高。粉末冶金常温压制下，以水雾化粉为例，传统一次压制一次烧结，生产的铁基粉末冶金制品，其压制密度最高可达到7.05-7.10g/cm³，要想达到更高的密度很难实现，对压机的压力是一个考验，低于7.10g/cm³的密度以下，其力学性能远低于同类材料的全致密件。

为了扩大粉末冶金制品的应用范围，提高粉末冶金材料的性能尤其是力学性能，各国经过多年的研究，开发出了多种不同的生产工艺，如高温烧结、渗铜技术、复压复烧、粉末锻造、热等静压、喷射沉积、温压工艺等。而其中最经济可行的为温压技术，它自从1994年美国赫纳斯公司在加拿大多伦多举行的国际粉末国际金和颗粒材料会议上首次公布以来，很快用于实际生产中。文中提到的各种牌号的铁粉均由山东鲁银新材料科技有限公司提供。

二、温压的特点及温压铁粉的制备方法

温压是一项以较低的成本制造高性能粉末冶金零件的成形技术，通过提高产品初始密度来提高产品的力学性能的唯一途径是采用温压来解决。

2.1温压的特点

温压就是指采用特殊的粉末加温、粉末输送或模具加热系统，将加有特殊润滑剂的混合粉末和模具加热至100～150℃，同时为保证良好的粉末流动性和粉末充填行为，将温度波动控制在±2.5℃以内，然后按传统粉末压制工艺进行压制的一项新型粉末冶金生产技术。温压工艺的突出特点是能制备比常规压制工艺密度更高的压坯，与传统的粉末冶金压制工艺对比结果表明，温压工艺的压坯密度比传统工艺的要高0.15～0.30，并且其工艺简单，成本低廉，在传统的粉末冶金设备上稍加改装即可生产出高密度、高性能且质量稳定的产品。

产品制备的工艺流程为原料粉末→预混合→加粘结剂粘结混合→预制粉料＋温压润滑剂→混合→过筛→合批→混合粉末→温压或温模压制→烧结→后处理→粉末冶金零件制品。

2.2温压铁粉

温压粉末是温压技术的核心和获得高密度铁基粉末冶金零部件的技术关键。最常用的温压粉末为铁粉。温压铁粉对于加热、压制以及其他多个环节的要求都十分苛刻，其中对零件性能的一致性也要求较高，因此必须选择高质量的铁粉才能够完成想要的技术效果。目前最常用的温压粉末为铁粉，山东鲁银新材料科技有限公司可提供多个牌号不同配比的温压铁粉，粉末冶金制品厂家可拆包即用，用于温压工艺。通过研究发现，铁粉的物理化学指标（如松装密度、流动性、合金成分、粒度分布等）会对温压的密度产生一定的影响。

2.3温压润滑剂

在温压过程中的温压粉末起决定作用，温压粉末中的温压润滑剂是最为关键的核心技术条件。温压用润滑剂的选择非常重要，温压润滑剂是一种或多种物质合成的聚合物，国内生产温压润滑剂的厂家很少，要求用于温压工艺的粉末冶金润滑剂，在温度为100℃—150℃的仍能保持粉末具备一定的流动性，同时不影响粉末压制时的模具填充。压制时脱模低，提高生坯强度，烧结后少无残留，对产品表面无污染。温压润滑剂的推荐使用量为0.3%—0.8%，正常情况下的添加量为0.5%—0.7%，根据粉末材料配方的不同及混粉工艺的变化根据试验确定添加量。

2.4温压铁粉的混粉方式

目前山东鲁银新材料科技有限公司正常批量生产温压铁粉，其混粉方式分为粘结混粉和搅拌混粉两种，两种混粉方式各有优点。粘结混粉是使用聚合物作为粘结剂将粉末进行粘结处理，目的是在粉末颗粒表面上形成一层均匀的薄膜，使得粉体在具有防止污染和分层特性的同时，具有良好的流动性。搅拌混粉是使铁粉、石墨粉、合金粉和温压润滑剂搅拌混粉，没有粘结剂的介入，可适当提高粉末的压缩性能。

粘结混粉 搅拌混粉

图1温压铁粉的混粉方式流程图

3. 不同配比的铁基粉末的物理指标和力学性能对比的实验过程

既然需要温压工艺，那么就需要铁粉有一个较高的压制密度，从而达到所需要的高性能。从材料配比上来看就要满足高性能的要求。下面就将不同配比的铁基粉末的物理指标和力学性能加以对比，进行研究和讨论。

拉伸试样按照GB/T9763扁平试样进行制备；冲击试样按照GB/T5318烧结金属材料无切口冲击试样进行制备；横向断裂试样按照准GB/T5319进行制备。压制试样在网带式烧结炉上进行烧结，烧结温度1120℃、烧结时间30min、烧结气氛为氮氢混合气。

3.1扩散合金化温压粉末

3.1.1粉末的配比

粉末1的材料配比为：0.4%C+99.6%Fe(LAP100.29D1)+0.7%温压润滑剂。

粉末2的材料配比为：0.4%C+99.6Fe(LAP100.29D1)+0.7%常温蜡基润滑剂。

LAP100.29D1是以完全预合金化0.5%Mo的水雾化铁钼合金钢粉为基粉，经过低温扩散4.0%Ni和1.5%Cu，得到的扩散型合金钢粉，是一种高质量的铁粉。所用的石墨粉为宁波市海曙住木粉末冶金有限公司生产的牌号为TRSMGF19998超细高纯石墨粉，纯度＞99.95%，中位径D50在5—7μm；粉末1所用的温压润滑剂为上海嘉倍华材料科技有限公司生产的MP-32润滑剂，是一种高熔点的润滑剂；粉末2所用的润滑剂为常温蜡基润滑剂，因此该粉不能用于温压。

3.1.2铁粉的理化检测数据如表1

从表1中的数据可以看出，使用温压润滑剂得到的粉末1，松装密度高，流动性好，600MPa冷压的压制密度可达到7.12g/cm³；而使用普通蜡基润滑剂的粉末2，松装密度低，流动性差，600MPa冷压的压制密度为7.06g/cm³。从压缩性的数据可以看出，使用温压润滑剂的粉末1润滑效果好于使用普通润滑剂的粉末2。粉末1可以在温压下达到7.30g/cm³的压制密度。

3.1.3温压粉末1在不同压制密度下的烧结性能对比

测试样粉1在不同压制密度下的各种力学性能，常温下可压制7.00g/cm³和7.10g/cm³的密度，但是要想在常温状态压制到7.30g/cm³是不可能的，对压机和模具都是一个挑战，因此达到压制密度7.30g/cm³必须通过温压才能实现，我们采用粉末加热的方式进行加压，制备拉伸试样、冲击试样、横向断裂试样。

如表2，在压制密度达到7.10g/cm³时，其各项性能也高于普通铁粉的；在压制密度达到7.30g/cm³时，烧结试样致密化程度高了，烧结件的抗拉强度、屈服强度、冲击功、抗弯强度都是得到了非常明显的提高。

3.2预合金化

85Mo温压铁粉

3.2.1粉末的配比

粉末的成分见表3

样粉3使用的石墨粉和温压润滑剂同样粉1，铜粉为有研200目电解铜粉FTD-3，切削剂为超细硫化锰，LAP100.29Mo2为钢水冶炼时加入钼合金的完全预合金化铁粉，粉末的钼含量在0.80—1.00%之间。

3.2.2铁粉的理化检测数据如表4

如表4可以看出温压粉末3具有较高的松装密度和较好的流动性能。将粉末加热到100℃，粉末的流动性为30.5sec/50g，仍具备较好的流动性能，使得粉末压制时易填充。

3.2.3温压粉末3在不同压制密度下的烧结性能对比

将粉末3分别冷压压制7.00g/cm³的7.10g/cm³的密度，温压到7.30g/cm³的密度，制备拉伸试样、冲击试样、横向断裂试样。

从表5中的数据可以看出，提高压制密度可以大大提高材料的烧结力学性能。常温压制到7.10g/cm³对压机已经是极限了，因此看出温压对于提高密度的重要性。温压粉末的制备过程仅是润滑剂的种类不同于普通混合粉，压制过程中将粉料或模具加热，这种方式相比通过高温烧结、渗铜技术、复压复烧等工艺达到材料的高性能，温压工艺是最为经济实惠节省工序的。

4. 结论

1. 温压润滑剂在整个压制过程中起到一个关键的作用，温压润滑剂的好坏直接影响到压制密度的高低；

2. 粉末温压工艺必须采用高质量的粉末才能完成；

3. 通过温压来提高压制密度达到烧结零件的高致密度，可大大提高产品的烧结力学性能；

4. 温压粉末的制备和粉末的压制工艺工序简单、可操作性强、经济可行。