金屬粉末形貌與顯微硬度對粉末成形性的影響研究

鄧 穎，孟 強

（1．西部寶德科技股份有限公司，陜西 西安710201；2．西安長峰機電研究所，陜西 西安710065）

眾所周知，燒結金屬粉末多孔材料是采用金屬或合金粉末為原料，通過壓制成形和高溫燒結而成、具有剛性結構的多孔材料[1]。由于其內部具有大量連通孔道，且孔徑可調范圍大，廣泛應用于過濾、分離、化工、醫藥等領域。

在燒結粉末多孔材料制備工藝過程中，成形工藝是從粉末到多孔材料的關鍵工序之一。成形的目的是制得一定形狀和尺寸的壓坯，并使其具有一定密度和強度。成形方法分為加壓和無壓兩大類。加壓成形中應用最普遍的為等靜壓成形。影響等靜壓成形的因素有粉末形狀、粉末硬度、壓制壓力、粉末粒度等等[2]。在實際生產過程中，相同粉末壓制壓力一定前提下，粉末形狀和粉末硬度的影響尤為突出。本文旨在研究粉末形貌和顯微硬度對成形性的影響，為工業化生產提供一定的理論依據與技術支撐。

1 實驗方法

1.1 設備

粉末成形設備：6000T冷等靜壓機。

粉末微觀形貌分析設備：ZEISS Sigma HD分析型場發射掃描電子顯微鏡。

粉末微觀硬度分析設備：401MVA顯微維氏硬度計。

壓潰強度檢測方法裝置：GB6804-2008《徑向壓潰強度測定》標準中專用測試裝置。

1.2 樣品制備

在不同壓制壓力下，三組不同規格水霧化金屬粉末，經6000T冷等靜壓壓機直接壓制成管坯。三組粉末材質、松裝密度、粒度、壓制壓力、壓制規格相關參數見表1。

表1 三組金屬粉末材質、松裝密度、粒度、壓制壓力、壓制規格

編號3中的鎳粉1無法直接壓制成形。

1.3 樣品測試方法

利用ZEISS掃描電子顯微鏡上進行微觀形貌掃描，觀察粉末形貌特征；利用401MVA顯微維氏硬度計測試粉末顆粒硬度；按照GB6804-2008《徑向壓潰強度測定》標準中專用測試裝置測試管坯壓潰強度。

1.4 金屬粉末微觀形貌

對表1中6種規格金屬粉末在ZEISS掃描電子顯微鏡上進行微觀形貌掃描，具體見圖1。對圖1粉末形貌特征進行匯總，具體見表2。

圖1 三組金屬粉末微觀形貌

表2 三組金屬粉末微觀形貌特征

通過觀察粉末形貌可知，編號1與編號2粉末形貌不規則度較高，顆粒表面不規則凸起較多，內部缺陷也多；編號3兩種粉末不規則度低，顆粒圓潤平滑，邊角凸起較少。

1.5 金屬粉末微觀顯微硬度

采用401MVA顯微維氏硬度計測量金剛石角錐壓頭的壓痕對角線長，計算得到粉末顆粒的顯微硬度。

對表1中三組金屬粉末每個粉末測量3～5個數值，并對測試值計算求平均值，具體結果見表3。

表3 三組金屬粉末顯微硬度測試值及平均值

由表3可知，鐵鋁粉末、不銹鋼粉末、鎳粉末顯微硬度差別較大；其中，鐵鋁粉2比鐵鋁粉1顯微硬度高60.3%，不銹鋼粉2比不銹鋼粉1顯微硬度高41.4%，鎳粉2比鎳粉1顯微硬度高58.2%。

1.6 金屬粉末壓坯壓潰強度測試結

對三組編號中每種粉末坯體各取小樣（φ60×20）mm三個，按照檢測方法測定各小樣的壓潰強度，然后取平均值為最終壓潰強度。壓潰強度是壓坯反抗外力作用保持幾何形狀與尺寸不變的能力，壓潰強度越大，粉末成形性越好。

下表4是三組粉末管坯對應的壓潰強度與粉末成形性。

表4 三組金屬粉末壓潰強度與成形性

備注：編號3中的鎳粉1無法直接壓制成形，故壓潰強度與成形性不存在。

2 分析與討論

2.1 金屬粉末微觀形貌對成形性的影響

由表4可知，三組組間金屬粉末平均壓潰強度大小關系依次為：不銹鋼粉（3.75MPa）＞鐵鋁粉（2.45MPa）＞鎳粉（0.75MPa）；由表2可知，不銹鋼粉與鐵鋁粉末形貌不規則度高，鎳粉末形貌規則，邊角圓滑。

對比可知，粉末顆粒形狀越復雜，表面越粗糙，生坯壓潰強度越高，粉末成形性越好；粉末顆粒邊角越圓潤光滑，粉末成形性越差。

2.2 金屬粉末微觀顯微硬度對成形性的影響

粉末顯微硬度反映粉末顆粒的塑性變形能力。硬度值越小，塑性變形能力越好；硬度值越大，塑性變形能力越差。

由表3可知，不銹鋼粉與鐵鋁粉組內兩種粉末平均顯微硬度大小關系依次為：鐵鋁粉1（HV159）＜鐵鋁粉2（HV254），不銹鋼粉 1（HV121）＜不銹鋼粉 2（HV171）；

由表4知，編號1與編號2組內兩種金屬粉末平均壓潰強度大小關系依次為：鐵鋁粉1（2.7Mpa）＞鐵鋁粉2（2.2MPa），不銹鋼粉 1（4.0MPa）＞不銹鋼粉 2（3.5MPa）。

根據以上數據對比關系可知，粉末顯微硬度越小，坯體壓潰強度越高，粉末成形性越好。

2.3 金屬粉末微觀形貌與顯微硬度對成形性的影響

由表4知，第三組組內金屬粉末平均壓潰強度大小關系依次為：鎳粉2（1.5MPa）＞鎳粉1（沒有成形）；由表2可知，鎳粉末不規則度低，顆粒圓潤平滑，邊角凸起較少，尤其鎳粉1幾乎全是土豆狀粉末，即使粉末硬度較低，成形性也很差，生坯壓潰強度更無從談起；而鎳粉2可壓制成形，因此得出，粉末形貌的不規則相對顯微硬度低對編號3粉末成形性影響更大。

粉末不規則度高與顯微硬度低，生坯強度越高的原因在于：在等靜壓壓制成形過程中，粉末顆粒首先發生位移和變形，粉末外表面不規則的枝狀凸起相互楔住和鉤連，從而形成粉末之間的機械結合。顆粒之間的咬合力越大，生坯壓潰強度越高，成形性越好，如（編號2不銹鋼粉與編號1鐵鋁粉）。顆粒表面越圓潤，粉末外表面互楔住和鉤連越少，相互顆粒之間的機械咬合力就越小，等靜壓成型壓制卸壓后，在粉末彈性后效作用下，生坯強度變會變差，如編號3鎳粉。

另外，通過添加金屬粉末粘結劑或粉末預處理來改善粉末的成形性。如鎳粉通過添加粘結劑改善成形性[3]；或通過退火處理[4]，消除粉末加工硬化，進而改善其顯微硬度，增加塑性變形，降低粉末彈性后效作用，增加坯體強度，改善粉末成形性。

3 結論

1）粉末顆粒形狀越復雜，表面越粗糙，生坯壓潰強度越高，粉末成形性越好。

2）粉末顆粒邊角圓潤，成形性較差，可以通過添加粘結劑改善粉末成形性。

3）相同粉末規格，粉末形貌差別不大時，粉末顯微硬度越低，生坯壓潰強度越高，粉末成形性越好[4]。

4）粉末形貌與顯微硬度相比，粉末形貌不規則度比顯微硬度對粉末成形性的影響更大。