水霧化擴散型合金鋼粉的性能研究

徐從京，高 慧，王 娟

（山東魯銀新材料科技有限公司，山東 萊蕪 271105）

擴散型合金鋼粉是由瑞典赫格納斯公司研制的。名稱過去叫做Ancoloy，現在叫做Distoloy。這是一類含有合金元素鎳、鉬、銅的部分預合金鐵粉，即擴散型合金鋼粉[1]。生產方法是，將鐵粉與合金元素混合均勻后，在還原性氣氛中進行熱處理。熱處理時，各合金元素開始擴散到鐵粉中，鐵粉與合金元素粉顆粒間形成部分擴散聯結。這種粉末的主要優點是合金元素在粉末壓坯中分布均勻，消除了成分偏析，提高了燒結件尺寸的均勻性，而且壓縮性幾乎和純鐵粉一樣，這對用粉末冶金法制造高密度高強度零部件非常重要[2，3]。

1 水霧化擴散型合金鋼粉的生產工藝

圖1 擴散型合金鋼粉制備流程

擴散型合金鋼鐵粉末的合金元素主要是Mo、Cu、Ni等，其中Mo很難通過擴散工藝進入鋼鐵粉末顆粒表面，通過優選已研究出的高壓縮預合金Fe-Mo（Mo含量0.55%）鋼鐵粉末，這一缺陷得到改善。這種粉末的生產過程是將水霧化鐵鉬合金鋼粉與合金元素（或合金氧化物）經混合，在還原電爐內用氫氣（或氨分解氣）作保護性氣體進行擴散處理。因熱擴散后粉末粘結，需要進行破碎、篩分、合批，得到最終產品。

水霧化擴散型合金鋼粉采用料層厚度30mm，氨分解氣流量100Nm3/h，帶速180mm/min，在高溫預熱60min，830℃～850℃下還原70min～90min，預冷55min～60min，后破碎，篩分測得壓縮性要求600MPa下大于7.10g/cm3，松裝密度為2.95g/cm3～3.10g/cm3。

2 水霧化擴散型合金鋼粉的壓縮性研究

擴散型合金鋼鐵粉末的顆粒表面具有一層極薄的合金擴散膜，如圖2所示，即在淺色奧氏體富鎳區及其邊緣的針狀馬氏體或貝氏體的多相組織，隨著高溫燒結擴散，富鎳區的體積百分數將降低；圖2中右邊的圖為掃描電子顯微鏡照片，圖中右下角小顆粒為銅顆粒，可以看出銅顆粒與基體鐵顆粒的黏結效果。

由圖2可以看出，水霧化擴散型合金鋼粉與鐵鉬合金鋼粉的壓縮性幾乎相同，銅鎳的擴散作用并沒有影響壓縮性，因此對后續燒結性能影響并不大。

2.1 混合工藝對擴散型合金鋼粉壓縮性的影響

母粉與合金元素粉末混合均勻程度也直接影響到合金元素擴散的均勻性，常常因混合過程產生成分偏析，這是造成擴散型粉末成分偏析的主要原因。為了實現混合的均勻性，提高產品的性能，采用粘結混合和干混做實驗對比。兩種混料方式的混合時間均為30min，并添加1.75%的銅粉和1.95%的鎳粉，在還原爐中經770℃的擴散處理，結果如表1所示。

表1 粘結混合和干混對壓縮性的影響

結合表1可知，粘結混合銅和鎳的平均偏差值都小于干混，所以粘結混合的均勻性要好于干混。另由于銅、鎳的真實密度為8.89g/cm3左右，且銅、鎳都有較好的塑性，所以混合后的壓縮性比鐵鉬合金粉高出0.05g/cm3，為7.21g/cm3。

2.2 擴散工藝溫度對合金化程度的影響

表2 擴散工藝溫度對壓縮性的影響

圖2 擴散型合金鋼粉的顯微照片

表3 實驗粉末與赫格納斯擴散型合金鋼粉性能指標

表4 實驗配方設計（%）

擴散工藝溫度決定擴散層厚度和壓縮性，擴散溫度越低，擴散層厚度越薄，合金化程度越低，相應的壓縮性偏高；擴散溫度越高，擴散層厚度越厚，合金化程度越高，相應的壓縮性偏低。因此，選擇合適的擴散層厚度，對后續制件的產品性能具有非常重要的意義。

3 性能檢驗

3.1 實驗粉末與赫格納斯擴散型合金鋼粉的性能對比

目前國際上擴散型合金鋼粉的最佳產品為赫格納斯公司生產的DistaloyAB質量最好，因此實驗采用我公司生產的新型水霧化擴散型合金鋼粉與赫格納斯公司生產的DistaloyAB進行各項性能指標進行對比。

由表3所示，從兩種擴散型合金鋼粉產品的物理狀態比較，除新型LAP100.29D1合金成分銅、鎳、鉬較DistaloyAB要略高一些外，其它各項性能指標均比較接近。

從表中的各項燒結性能比較來看，新型LAP100.29D1的生坯強度略低于DistaloyAB；新型LAP100.29D1壓件燒結前后的密度變化較大，而DistaloyAB變化較小；新型LAP100.29D1燒結硬度較DistaloyAB要高；新型LAP100.29D1與DistaloyAB燒結尺寸均比較穩定，但燒結尺寸變化率較DistaloyAB要大，DistaloyAB燒結前后尺寸基本無變化。

根據以上結果綜合比較，本研究制備的新型水霧化擴散型合金鋼粉LAP100.29D1各項指標已接近赫格納斯生產的DistaloyAB。

3.2 粉末冶金制品燒結材料的物理力學性能

根據瑞典赫格納斯的擴散型合金鋼粉DistoloyAB的配方，Fe-1.50Cu-1.75Ni-0.50Mo，加入0.7%的碳，外加0.7%的硬脂酸鋅為潤滑劑，設計了4組同成分的試樣，A、B、C、D，用于進行燒結制品的性能測試。

粉末按照表4的配方稱重后，混合90min。然后根據粉末冶金國家測試標準壓制成壓縮性和抗拉強度標準試樣。表4為四組實驗粉末的壓縮性，可以看出，本試驗粉末的壓縮性已經基本接近瑞典赫格納斯DistoloyAB粉末的壓縮性，分別為7.09g/cm3和7.10g/cm3。

4 小結

本章在利用優選水霧化鐵鉬合金鋼粉為基礎的前提下，加入銅粉和鎳粉制備了新型水霧化擴散型合金鋼粉，并通過各項工藝過程參數進行試驗對比分析，得出如下結論：

（1）擴散還原溫度為780℃～850℃，時間為40min～60min，銅粉和鎳粉的顆粒尺寸為10μm左右，此時的擴散粘結效果最好。

（2）為提高銅粉、鎳粉與鐵粉顆粒的黏結效果，采用混粉粘結劑有機物為黏結劑，但擴散過程會造成產品增碳。由于碳含量的增加，導致壓縮性降低，會惡化產品性能，所以混合選用干混方式為好。

（3）擴散型合金鋼鐵粉末的顆粒表面具有一層極薄的合金擴散膜，擴散工藝溫度決定擴散層厚度和壓縮性，擴散溫度越低，擴散層厚度越薄，合金化程度越低，相應的壓縮性偏高；擴散溫度越高，擴散層厚度越厚，合金化程度越高，相應的壓縮性偏低。