烧结工艺对铁基粉末冶金组织性能影响研究

胡乃悦等

摘要：借助传统金相、XRD及扫描电镜测试技术，研究了不同烧结工艺对铁基粉末冶金组织性能的影响，优化了烧结工艺。将一定比例的铁粉进行充分混合后压制成型，在不同温度下进行烧结，随炉冷却到室温或淬火。利用电子显微镜进行金相分析，扫描电镜观察微观组织及断口形貌，测量测密度与耐磨性等综合性能。研究结果表明，烧结温度越高，粉末颗粒被烧结的程度越好，组织均匀性明显提高，材料的硬度、耐磨性也得到提高。

关键词：铁基粉末冶金；烧结工艺；粒度；性能

铁基粉末冶金材料是发展迅速的工程材料。近年来，由于具有优异的技术经济性，铁基粉末冶金材料逐渐取代部分传统的锻铸材料在机械、航天、农机，特别是汽车工业得到广泛的应用，制造像汽车齿轮、齿类零件和凸轮轴等几何形状复杂，加工困难或加工成本高的部件。目前，粉末冶金技术正向着高致密化高性能化集成化和低成本等方向发展[1]。

1.实验内容

实验样品采用在200目铁粉中添加3 %的400目、3%的800目和0.3%的3000目的羰基铁粉，0.2%碳粉。在研钵中均匀混合30min-50min后，将粉末置于钢模中用平板硫化机采用单向压制出直径为20mm，高为5mm的圆柱形试样，压力定位600MPa。按照表1中的各种配方成型件烧结热处理工艺，将试样置于箱式电阻炉进行烧结，用耐火土覆盖[2]。成品试样测试内容包括断口扫描、XRD、密度测试、金相组织观察等[3]。

2.实验结果与分析

由试样在不同烧结温度下烧结金相照片图1可以看出，当烧结温度为1000℃时，粉末基本得到烧结，但也存在组织不均匀，铁颗粒之间烧结不够充分，还没有扩散连接的部位，；当烧结温度为1050℃时，烧结效果也要优于1000℃；当烧结温度为1100℃，可以看到组织较均匀，也看不到明显的碳颗粒，铁粉之间得到了很好的烧结，缺陷也有所减少，组织均匀程度好[4]。

从表2可以看出，在相同的成分下，随着温度的提高，试样密度也在提高。在1100℃下烧结密度最高，950℃下烧结密度最低。总体趋势呈上升。

从表3可以看出，在1100℃下烧结耐磨性最高，950℃下烧结耐磨性最低，总体趋势呈上升。原因是在相同的成分下，随着烧结温度的提高，硬度与致密度随之提高，而耐磨性与硬度和致密度有关系，一般而言耐磨性随着硬度和致密度的提高而提高[5]。

通过XRD可以看出，试样的主要成分为铁，没有其他氧化物和杂质，说明在烧结过程中，试样不存在被氧化的现象。试样在烧结过程得到很好的保护，这样使得试样不会因为烧结氧化而降低力学性能。

在图3（a）中，表现为典型的颗粒状与韧窝状混合断口。从断口形貌分析，铁颗粒之间烧结比较充分，存在少量还没有扩散连接的部位。从图3（b）中可以看到，断开的铁颗粒上更多的塑性撕裂棱和较多的“韧窝”。所测产品的密度为6.77g/cm3，硬度为81.5HB。因此添加了不同粒度的粉末后，可以使得在降低烧结温度的情况下，使之综合性能获得显著的提高。

3.工艺对比

我们实际了解到传统的烧结工艺，烧结过程分为以下几个阶段：预热阶段：指压坯从进入炉中到进入高温烧结前的准备阶段，温度在600℃～950℃之間。实际生产中粉末件在600℃预热半小时。烧结阶段：铁基材料的烧结温度为1050℃～1250℃，实际烧结温度一般为1150℃左右，保温两个个小时。冷却阶段：铁基粉末件经烧结后，迅速放入油中进行淬火。

本实验对其烧结工艺进行了优化，其烧结工艺是，试样随炉升温到650℃，保温半小时，然后将温度分别上升到1150℃并保温2小时，然后油淬。

图4传统工艺的烧结试样图5 1150℃烧结油淬试样

由扫描电镜图片可以看出，两种烧结工艺下到粉末均能得到良好的烧结，图4中可以明显看到空隙，图5中只存在少量的空隙。由此可以看出，虽然在烧结工艺上存在差异，但得到的烧结组织并没有太大不同，这说明通过在200目铁粉中添加定比例的更细的铁粉，能够起到优化烧结工艺，降低烧结时间的作用。这对未来粉末冶金行业的发展有积极意义。

4.结论

4.1烧结温度升高达到1100℃时，所研究铁基粉末冶金材料的平均硬度达到81.5HB、密度为6.77g ∕cm3、耐磨性也增加。这归因于良好的烧结工艺使试样得到较好的烧结，试样致密化程度提高以及组织均匀化程度增加。

4.21150℃烧结后淬火后的扫描电镜图片可以看出，在200目铁粉中添加一定数量的更细粉末可以起到缩短烧结时间的作用。

4.3采用随炉升温到650℃，保温半小时，然后将温度分别上升到1000℃并保温2小时，然后油淬的生产工艺，就可以使综合性能达到实际生产使用性能。

参考文献：

[1]冯琴.粉末冶金材料在摩托车上的应用[J].摩托车技术，2003：3-14.

[2]毛志强.粉末冶金零件在汽车上的应用[M].粉末冶金工业，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]王尔德，胡连喜.机械合金化纳米晶材料研究进展[J].粉末冶金技术，2002 ，20 （3） ： 135-139 .

[5]马金龙，童学锋，彭虎，烧结技术的革命，微波烧结技术的发展及现状[J ].新材料产业， 2001 ， 96 （6） ：30-32.

作者简介：胡乃悦（1990—），男，安徽蚌埠人，硕士研究生，研究方向：铁基粉末冶金材料。