燒結工藝對鐵基粉末冶金組織性能影響研究

胡乃悅等

摘要：借助傳統金相、XRD及掃描電鏡測試技術，研究了不同燒結工藝對鐵基粉末冶金組織性能的影響，優化了燒結工藝。將一定比例的鐵粉進行充分混合后壓制成型，在不同溫度下進行燒結，隨爐冷卻到室溫或淬火。利用電子顯微鏡進行金相分析，掃描電鏡觀察微觀組織及斷口形貌，測量測密度與耐磨性等綜合性能。研究結果表明，燒結溫度越高，粉末顆粒被燒結的程度越好，組織均勻性明顯提高，材料的硬度、耐磨性也得到提高。

關鍵詞：鐵基粉末冶金；燒結工藝；粒度；性能

鐵基粉末冶金材料是發展迅速的工程材料。近年來，由于具有優異的技術經濟性，鐵基粉末冶金材料逐漸取代部分傳統的鍛鑄材料在機械、航天、農機，特別是汽車工業得到廣泛的應用，制造像汽車齒輪、齒類零件和凸輪軸等幾何形狀復雜，加工困難或加工成本高的部件。目前，粉末冶金技術正向著高致密化高性能化集成化和低成本等方向發展[1]。

1.實驗內容

實驗樣品采用在200目鐵粉中添加3 %的400目、3%的800目和0.3%的3000目的羰基鐵粉，0.2%碳粉。在研缽中均勻混合30min-50min后，將粉末置于鋼模中用平板硫化機采用單向壓制出直徑為20mm，高為5mm的圓柱形試樣，壓力定位600MPa。按照表1中的各種配方成型件燒結熱處理工藝，將試樣置于箱式電阻爐進行燒結，用耐火土覆蓋[2]。成品試樣測試內容包括斷口掃描、XRD、密度測試、金相組織觀察等[3]。

2.實驗結果與分析

由試樣在不同燒結溫度下燒結金相照片圖1可以看出，當燒結溫度為1000℃時，粉末基本得到燒結，但也存在組織不均勻，鐵顆粒之間燒結不夠充分，還沒有擴散連接的部位，；當燒結溫度為1050℃時，燒結效果也要優于1000℃；當燒結溫度為1100℃，可以看到組織較均勻，也看不到明顯的碳顆粒，鐵粉之間得到了很好的燒結，缺陷也有所減少，組織均勻程度好[4]。

從表2可以看出，在相同的成分下，隨著溫度的提高，試樣密度也在提高。在1100℃下燒結密度最高，950℃下燒結密度最低。總體趨勢呈上升。

從表3可以看出，在1100℃下燒結耐磨性最高，950℃下燒結耐磨性最低，總體趨勢呈上升。原因是在相同的成分下，隨著燒結溫度的提高，硬度與致密度隨之提高，而耐磨性與硬度和致密度有關系，一般而言耐磨性隨著硬度和致密度的提高而提高[5]。

通過XRD可以看出，試樣的主要成分為鐵，沒有其他氧化物和雜質，說明在燒結過程中，試樣不存在被氧化的現象。試樣在燒結過程得到很好的保護，這樣使得試樣不會因為燒結氧化而降低力學性能。

在圖3（a）中，表現為典型的顆粒狀與韌窩狀混合斷口。從斷口形貌分析，鐵顆粒之間燒結比較充分，存在少量還沒有擴散連接的部位。從圖3（b）中可以看到，斷開的鐵顆粒上更多的塑性撕裂棱和較多的“韌窩”。所測產品的密度為6.77g/cm3，硬度為81.5HB。因此添加了不同粒度的粉末后，可以使得在降低燒結溫度的情況下，使之綜合性能獲得顯著的提高。

3.工藝對比

我們實際了解到傳統的燒結工藝，燒結過程分為以下幾個階段：預熱階段：指壓坯從進入爐中到進入高溫燒結前的準備階段，溫度在600℃～950℃之間。實際生產中粉末件在600℃預熱半小時。燒結階段：鐵基材料的燒結溫度為1050℃～1250℃，實際燒結溫度一般為1150℃左右，保溫兩個個小時。冷卻階段：鐵基粉末件經燒結后，迅速放入油中進行淬火。

本實驗對其燒結工藝進行了優化，其燒結工藝是，試樣隨爐升溫到650℃，保溫半小時，然后將溫度分別上升到1150℃并保溫2小時，然后油淬。

圖4傳統工藝的燒結試樣圖5 1150℃燒結油淬試樣

由掃描電鏡圖片可以看出，兩種燒結工藝下到粉末均能得到良好的燒結，圖4中可以明顯看到空隙，圖5中只存在少量的空隙。由此可以看出，雖然在燒結工藝上存在差異，但得到的燒結組織并沒有太大不同，這說明通過在200目鐵粉中添加定比例的更細的鐵粉，能夠起到優化燒結工藝，降低燒結時間的作用。這對未來粉末冶金行業的發展有積極意義。

4.結論

4.1燒結溫度升高達到1100℃時，所研究鐵基粉末冶金材料的平均硬度達到81.5HB、密度為6.77g ∕cm3、耐磨性也增加。這歸因于良好的燒結工藝使試樣得到較好的燒結，試樣致密化程度提高以及組織均勻化程度增加。

4.21150℃燒結后淬火后的掃描電鏡圖片可以看出，在200目鐵粉中添加一定數量的更細粉末可以起到縮短燒結時間的作用。

4.3采用隨爐升溫到650℃，保溫半小時，然后將溫度分別上升到1000℃并保溫2小時，然后油淬的生產工藝，就可以使綜合性能達到實際生產使用性能。

參考文獻：

[1]馮琴.粉末冶金材料在摩托車上的應用[J].摩托車技術，2003：3-14.

[2]毛志強.粉末冶金零件在汽車上的應用[M].粉末冶金工業，2003，13（1）：8-11.

[3]You Wang，Tingquan Lei，Wear behavior of steel 1080 with different microstructures during dry sliding[J]. Wear， 1996， 194 ： 44-53.

[4]王爾德，胡連喜.機械合金化納米晶材料研究進展[J].粉末冶金技術，2002 ，20 （3） ： 135-139 .

[5]馬金龍，童學鋒，彭虎，燒結技術的革命，微波燒結技術的發展及現狀[J ].新材料產業， 2001 ， 96 （6） ：30-32.

作者簡介：胡乃悅（1990—），男，安徽蚌埠人，碩士研究生，研究方向：鐵基粉末冶金材料。