测试条件对粉末冶金中的蜡基粘结剂热重分析结果的影响

石 晶，陈忠颖

（上海材料研究所检测中心，上海市工程材料应用与评价重点实验室，上海 200437）

粉末冶金技术[1-4]是提高材料性能和开发新材料的重要手段之一, 已成为当代材料科学发展的先进领域。在粉末冶金的成型过程中，粘结剂[5-7]既能为粉末提供良好的流动性，又可以使粉末具有高强度，在工序中保持制品形状。粘结剂的配方设计、加入与脱除条件，对粉末冶金技术起着关键性作用。

对粉末冶金行业来说，利用热分析方法分析粘结剂的相关热力学性能，对其配方设计、制备工艺和热脱脂参数具有重要意义。热重分析法（TGA）主要测定物质的质量随温度和时间而发生的变化，可以对物质的热分解过程进行定量评价，以研究材料的热稳定性和组分，可反映粘结剂的热性能，如起始分解温度、热分解温度范围、分解速率和残余物含量等。不同组成或配比的粘结剂，其热分解起始温度、热分解温度范围、分解速率和残余物含量均不相同，可以通过TGA对粘结剂进行性能分析，进而确定脱除工艺和脱除方式[8-10]。现有的报道中尚未有探讨FeCrAl金属粉末中蜡基粘结剂热重分析条件的相关报道。

本文主要探究FeCrAl金属粉末中的蜡基粘结剂的热重分析实验条件，研究样品质量、吹扫气体种类、升温速率、气体流速等因素对实验结果的影响，并给出了较为合理的实验条件。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

Discovery TGA550热重分析仪。

FeCrAl金属粉末，蜡基粘结剂。

1.2 试样制备

使用混炼机，将FeCrAl金属粉末与蜡基粘结剂在170℃下混合1h。

1.3 实验方法

将一定质量的样品放入热重分析仪的样品盘中，记录样品重量，按照设定的仪器条件进行实验，得到样品的热重分析谱图。

1.4 测试条件

保护气体：N2(纯度 99.999%)，Ar(纯度 99.999%)。

气体流速：10、15、20、25 mL•min-1；

升温速率：5、10、15、20、30、50℃•min-1；

升温范围：50℃升温至800℃；

样品质量：5、6、7、8、9、10mg。

2 结果与讨论

2.1 样品质量对测试结果的影响

图1是在N2气氛下，固定升温速率为30℃•min-1，气体流速为25mL•min-1，不同质量样品的含蜡基粘结剂金属粉末的TGA曲线。表1是图1中各TGA曲线所得的含蜡基粘结剂金属粉末的相关热重分析数据。W400是400℃时对应的残余物含量，W800是800℃时对应的残余物含量（以下同）。

从图1和表1可以看出，随着样品的用量增加，TGA曲线有向高温移动的趋势。这是由于样品表面达到分解温度以后，内部仍需要经过一段时间才能达到所需的分解温度，样品质量越大，达到内部分解温度所需的时间越长，这与炉体的程序控温产生了时间上的偏差。但从W800可知残留物的含量相差不大，因此在测试设备的灵敏度范围内，可相应地减少样品用量，以弥补炉体的程序控温与样品内部的滞后现象。

图1 不同样品质量的TGA曲线Fig. 1 TGA curves of different sample quality

表1 不同样品质量的TGA结果对比Table 1 Comparison of TGA results of different sample quality

2.2 吹扫气体种类对测试结果的影响

图2是在N2或Ar气氛下，固定升温速率为30℃•min-1，气体流速为25mL•min-1，含蜡基粘结剂金属粉末的TGA曲线。表2是图2中各TGA曲线所得的含蜡基粘结剂金属粉末的相关热重分析数据。

图2 不同载气的TGA曲线Fig. 2 TGA curves of different carrier gases

从图2可以看出，在Ar气氛下，每一阶段的失重量和残余物含量均比较低，说明在Ar条件下，粘结剂可以更充分地进行反应。在N2条件下，可能是因为粘结剂中的金属粉末很容易吸附N2分子，导致残余物含量较高。因此以Ar作为TGA的吹扫气体更适合。

表2 不同载气的TGA结果对比Table 2 Comparison of TGA results of different carrier gases

2.3 升温速率对测试结果的影响

图3是在N2气氛下，升温速率为5～50℃•min-1，气体流速为25mL•min-1，不同样品质量条件下的含蜡基粘结剂金属粉末的TGA曲线。表3是图3中各TGA曲线所得的含蜡基粘结剂金属粉末的相关热重分析数据。

从图3可以看出，随着升温速率增大，反应的起始温度和终止温度也升高，TGA 曲线向高温侧移动，产生滞后现象。这是因为传热需要一定的时间，当升温速率增加时，样品内部不能及时升温挥发和分解。因此， TGA升温速率的选择特别重要[11-15]。根据实践经验，要根据样品的物理和化学性能选用不同的升温速率。加热速率会受到样品分辨率的影响，仪器的高分辨率（Hi-Res）功能可以快速响应，对炉温进行精确控制，并使用灵敏的热天平快速检测微小重量变化，从而有利于重叠反应的分辨及中间产物的分离和鉴定。根据实验结果，选择30℃•min-1为实验的升温速度。

图3 不同升温速率的TGA曲线Fig. 3 TGA curves of different heating rates

表3 不同升温速率的TGA结果对比Table 3 Comparison of TGA results of different heating rates

2.4 气体流速对测试结果的影响

图4是在N2气氛下，固定升温速率为30℃•min-1，气体流速为 10～25mL•min-1，不同样品质量条件下的含蜡基粘结剂金属粉末的TGA曲线。表4是图4中各TGA曲线所得的含蜡基粘结剂金属粉末的相关热重分析数据。

由图4可知，热重分析中，样品颗粒与气流的热交换主要来自气流的辐射、坩埚壁的导热以及因气体流动而与样品颗粒表面间形成的对流。气体流量越大，越能有效缓解炉内气体温度的上升，使坩埚中的燃烧滞后。

图4 不同气体流速的TGA曲线Fig. 4 TGA curves of different gas flow rates

表4 不同气体流速的TGA结果对比Table 4 Comparison of TGA results of different gas flow rates

3 结论

本文考察了样品质量、吹扫气体种类、升温速率、气体流速等因素对粉末冶金中的蜡基粘结剂热重分析结果的影响。结果表明，对于一般的蜡基粘结剂，建议采用Ar气作为吹扫气体，升温速率为30℃•min-1，气体流速为20mL•min-1，样品质量为5～9mg。此实验条件能够更为准确地提供蜡基粘结剂的相关热力学数据，为后续蜡基粘结剂的去除工作奠定基础。