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温压粉末的制备及其温压行为

粉末冶金是一门集材料冶金与机械制造于一体的新型技术，具有节材、低能耗等显著优点，为机械制造特别是汽车工业提供了大量质优价廉的P/M零件。然而，其中的孔隙决定了零件具有较低的力学性能，限制了P/M零件的使用范围，导致粉末冶金技术与其它零件制造技术相竞争的潜力无法得到充分发挥。为了扩大P/M零件的应用范围，必须提高P/M零件睥密度。目前，用来提高P/M零件密度的常用方法有：高压缩性铁粉的制备与应用；复压复烧；浸铜工艺；粉末锻造；液相烧结；高温烧结。由于这些工艺存在不同程度成本和零件精度难以保证等技术问题，必须寻找新的提高P/M零件密度的技术途径。温压是1994年由美国霍根纳斯公司在扩散粘结铁粉的基础上开发出来的制备高密度P/M零件的新工艺。至今已申请有关温压的专利20余项，其中涉及到温压用粉末的制备、新型润滑剂、加热装置及相关制备工艺。目前，全球建立了30余条温压零件生产线，能制造出数十种温压零件。温压工艺得到如此迅猛的发展的关键在于其以较低的成本制造高密度P/M结构零件。为高密度零件在性能和成本之间找到了一个较佳的结合点。据报道，温压工艺的相对成本分别比浸铜工艺、复压复烧和粉末锻造工艺降低20%，30%和80%。由于温压工艺制备的压坯强度高抄表系统、脱模压力和弹性后效低，为制造形状复杂、高精度的P/M结构零件提供了便利。从而，赋予粉末冶金汽车窗膜技术较其它零件制造技术以强大的竞争力。温压粉末是获得高密度铁基P/M零件的技术核心和得以实现的基础。为了促进我国粉末冶金技术的发展和减轻我国P/M零件生产企业对进口温压粉末的依赖程度，中南工业大学粉末冶金国家重点实验室与东风汽车公司、攀枝花钢铁公司合作，在国家“863”计划的资助下，重点放在温压粉末的制备和高密度铁基P/M结构零件的开发上，以建立一整套具有自主产权的、符合中国国情的温压零件制造技术体系。1 Fe-1.5Ni-0.5Mo温压粉末的制备Ni，Mo是提高铁基P/M零件力学性能特别是经后续热处理的力学性能的常用合金元素。单质形态的镍、钼在铁中的扩散激能高，在烧结过程能以与铁基发生合金化，形成镍、钼的富集区，达不到提高力学性能的目的。为了使Ni，Mo合金元素与铁合金化，必须提高烧结温度。而在烧结过程中又由于Ni，Mo的扩散和色彩艳丽烧结收缩过大，导致零件的精度难以控制。完全合金化粉末的加工硬化速度大和压缩性能又为烧结扩散和零件尺寸稳定性控制创造了条件。目前，我国尚未掌握该技术。通常，温压粉末的基础原料是雾化铁粉，其市场售价一般在6000到8000元/t，加上其中的合金元素Ni，Mo和聚合物润滑剂，仅原材料成本就高达9000至11000元/t。因而，温压粉末除做拉伸实验外还有紧缩曲折等多种实验的价格与从国外进口粉末的下限价格接近。这对国内P/M零件制造厂家来说是难以接受的，不利于我国粉末冶金温压成型技术的发展，而必须寻找其它的基础原料来源。转炉在吹炼过程中产生的烟尘，其中含有20%左右的铁粉。从粒形来看，类似于雾化铁粉。然而，这种铁粉由于杂质含量较高和成型性极差，不可能直接用作粉末冶金用铁粉原料，由于这种铁粉的回收成本仅800元/t左右足浴盆，故在成本方面具有独特的优势。回收物转炉烟尘铁粉经一系列的处理后，其主要化学成分如下：w(Fe)≥98.4%,w(S)潜力无穷=0.036%,w(C)=0.014%,w(P)=0.169%.1.1 Fe-1.5Ni-0.5Mo扩散粘结粉末的制备工艺流程Fe-1.5Ni-0.5Mo温压粉末的制备工艺流程如下：前期处理过的-100目转炉烟尘铁粉经适当选粒后与-200目的镍、钼粉和少量的粘结剂混合均匀。活化处理在该工艺过程中起着关键性作用，即为Ni，Mo合金元素与铁的合金化和使铁颗粒表面的适度粗糙化创造条件。后续退火则具有扩散合金化和使已存在的铁颗粒表面粗糙度保持稳定的功能。扩散粘结铁粉松装密度为3.13g/cm3,流动性能为27s/50g,添加0.6%硬酯酸锌的粉末在588MPa的压力下进行室温压制，压坯密度为7.16g/cm2。1.2 新型润滑剂的开发对于在室温压制情形下的润滑剂如硬脂酸锌主要起润滑模壁的作用，即减小粉末颗粒与模壁间的摩擦力，降低外压损失，有效地提高压坯密度和改善密度分布。而温压用润滑剂的功能则有所不同，除能降低粉末颗粒与模壁间的摩擦外，还能有效地降低粉末颗粒间的摩擦，有利于粉末颗粒在压制过程的旋转和滑动，为颗粒间的相互填充和粉末最大程度的致密化创造条件。而硬脂酸锌在一般的温收缩机压温度下已熔化，这不仅造成粉末的流动性大幅度地降低，而且由于硬脂酸锌的结构发生变化而劣化了润滑效果。因此，必须开发新型聚合物润滑剂体系。1.2.1 聚合物A及其添加量对粉末温压行为的影响在最初的温压实验时，考察了粉末加热温度对聚合物A添加量为0.6%的粉末温行为的影响，结果如表1所示。表2为聚合物添加量对粉末温压行为的影响。从表中可以看到，温压密度比普通室温压制还低，而且脱模压力大。虽然当添加量为0.7%时，压坯密度有所提高，但弹性后效（0.23%，而其它情形下的弹性后效为0.15%）增大。因此，聚合物A并没有润滑效果，不适合单独作温压用润滑剂。表1 加热温度对Fe-1.5Ni-