0.5Mo 預合金鋼粉的工藝性能研究

于永亮，吳愛杰，王 娟，高 慧

（山東魯銀新材料科技有限公司，山東 萊蕪 271105）

隨著汽車工業的高速發展，對高性能粉末冶金零件的需要越來越迫切，因此，對于高壓縮性合金鋼粉的需求量越來越大。由于傳統的粉末冶金粉末混合時難以實現微量及少量添加元素的絕對均勻性，必須采取合適的方法實現添加合金元素的均勻性，還需要保持粉末較高的壓縮性。粉末的預合金化是保證合金在粉末中均勻的最實用的方法，而且，通過在水霧化合金粉的基礎上，加入一定量的銅、鎳等塑性較好的合金元素，經過擴散退火，使其黏結在鐵粉顆粒表面，既能保證成分的均勻性，又不影響粉末的壓縮性。目前，萊鋼粉末冶金公司的擴散型合金鋼粉壓縮性在600MPa 的壓力下，達到了7.10g/cm3，已經處于較好的水平。本研究就是希望能再進一步提高該粉末的壓縮性，能夠在此基礎將壓縮性提高到7.15g/cm3以上。

在水霧化純鐵粉生產工藝的基礎上，加入適當的鉬鐵，使其達到成分設計的數值。通過優化配料、熔煉、精煉、霧化、二次還原、棒磨、篩分、合批等主要流程的生產工藝參數，得到一種新型的鐵鉬預合金鋼粉，用于生產高壓縮性新型擴散型合金鋼粉。

國內外生產企業生產較多的是鉬含量為0.5%～1.5%左右的鐵鉬合金鋼粉，主要是考慮到Mo 的晶格結構、原子尺寸和Fe 差不多，對鐵粉的壓縮性的影響較小。而且在二次還原時，鉬的氧化物可以被有效地還原，不似Cr、Ni 等與氧親和力很大的合金元素，還原困難，對粉末壓縮性的降低影響很大。

在生產擴散型合金鋼粉時，之所以選擇Mo 為合金化元素，主要考慮以下幾個方面的良好作用，它的良好作用表現在以下幾個方面。

（1）鉬能使鋼的晶粒細化，比鎢的作用更強，所以可降低鋼的過熱傾向。

（2）可提高韌性，使鍛造加工容易。

（3）鉬可增加鋼之最大強度及硬度，因此在合金鋼中也頗為重要。普通合金結構鋼含鉬在0.25%～0.4%，能提高機械性能，還可以抑制合金鋼由于回火而引起的脆性。

（4）可提高鋼的淬透性，含量0.5%時，能降低回火脆性，有二次硬化作用。

（5）在工具鋼中可提高紅硬性。

因此，在粉末冶金預合金化中加入鉬，能有效的提高鐵基粉末冶金材料的淬硬性，而且對粉末的壓縮性影響較小，同時可提高其強度、耐磨性、耐腐蝕性和淬透性。

1 水霧化鐵鉬預合金鋼粉的生產工藝

由于Mo 很難通過擴散工藝進入鋼鐵粉末顆粒表面，要實現Mo 元素的合金化，需在制備水霧化母粉的過程中通過冶煉或精煉的方式添加，即制備預合金鋼鐵粉末，這種難擴散元素的預合金粉末制備是擴散型合金鋼鐵粉末的一個關鍵工藝。

表1 水霧化鐵鉬合金鋼粉成品的性能指標

在前面研究的基礎上，精煉階段按照鋼水鉬含量為0.40%～0.60%加入鉬鐵合金，得到水霧化鐵鉬合金鋼粉生粉，在高溫還原階段，料層厚度為30mm，氨分解氣流量110Nm3/h，帶速180mm/min，在高溫段預熱35min，960℃下還原65min，預冷30min，經破碎，篩分，得到成品。整個工藝過程按照優化后的工藝組織生產，最終所得水霧化鐵鉬合金鋼粉含鉬0.40%～0.60%的成品性能見表1。

2 工藝優化后鉬含量與壓縮性的關系

按照冶煉優化后的工藝，選取不同鉬含量的LAP100.29 Mo1生粉，對比高溫還原改善前后工藝對壓縮性的影響如表2。

由表2 可以看出，與工藝優化前相比，壓縮性提升明顯，平均可達0.05 g/cm3以上。隨著鉬含量的增加，水霧化鐵鉬合金鋼粉的壓縮性呈微弱下降趨勢，且以0.45～0.55%之間含量的鉬合金壓縮性最好，鉬含量在大于0.55%后壓縮性則不盡人意，同時鉬含量在大于0.60%時，合金化不能充分進行，出現鉬的硬質點，對燒結后的成品有一定的不利因素，因此需在冶煉過程中找到最佳性能點，結合國內外的經驗數據 ，將鉬含量定在0.55%。

3 工藝優化對顆粒形貌的影響

圖 1 工藝優化前后鐵粉形貌變化

采用JEOL JSM 6700F 型場發射掃描電鏡對工藝優化前后的鐵粉進行形貌觀察，如圖1 所示。比較粉末高溫還原前后的掃描電鏡照片，可以看出，工藝優化前粉末顆粒以簡單的大顆粒為主，經過工藝優化后，粉末球化度提高，而且粉末顆粒間聚集較多，顆粒表面還具有凹凸不平，極不規則、呈現多孔狀形貌，這也使得粉末壓縮性獲得較大的提高。因此，從整體上看，粉末要想具有較高的壓縮性，必須具有較大的球化度，而且顆粒表面要極不規則。

4 工藝優化前后顯微硬度的變化以及對壓縮性的影響

工藝優化前后，水霧化鐵鉬合金鋼粉的顯微硬度與壓縮性之間的關系如表3 所示。

表3 工藝優化對顯微硬度與壓縮性的影響

由表3 可以看出，水霧化鐵鉬合金鋼粉的顯微硬度在改善前為95 HV，經過工藝優化后，粉末的顯微硬度為77 HV，粉末顯微硬度大大降低，而粉末的壓縮性普遍提高0.05g/cm3以上600 MPa 下，壓縮性達到了7.16 g/cm3。可見，隨著粉末顯微硬度提高，粉末壓縮性下降，二者之間存在著較強的依賴關系。原因是顯微硬度低的粉末比顯微硬度較高的粉末軟，在壓縮受力時易于發生塑性變形，粉末顆粒相互擠壓，粉末間的孔隙進一步得到去除，使得壓縮性高，相反，在壓制受力時不易發生變形，壓縮性低。在工藝優化中，還原過程中高溫段溫度提高，粉末的缺陷得到消除，粉末表面和溶解在粉末中的雜質被進一步去除，鐵粉制備過程中的加工硬化也被消除，晶粒進一步長大，一定程度上降低了粉末的顯微硬度，從而提高粉末的壓縮性。

5 總結

通過優化鋼水冶煉工藝和高溫還原工藝，可以有效的提高水霧化鐵鉬合金鋼粉的壓縮性及后續燒結性能，得到的主要結論如下：

（1）在冶煉過程中，通過降低Si、Mn、P、及鹽酸不溶物等雜質在鋼水中的含量，硅含量降低到0.04%以下，錳含量降低到0.08%以下，硫含量降低到0.011%以內，磷含量降低到0.008%以內，酸不溶物降低到0.06%以內，可提高純鐵粉壓縮性達0.05g/cm3，粉末中的雜質含量水平達到世界一流公司的標準，部分指標甚至已經超過了國外的同類產品。有效降低粉末中雜質的含量，是提高粉末壓縮性的基礎。

（2）在二次還原過程中，還原溫度為960℃、粉末生粉料層厚度為30mm、帶速為180mm/min 的還原條件下可有效提高水霧化鐵鉬合金鋼粉的各項性能。

（3）降低了粉末顆粒的顯微硬度，消除了粉末缺陷，進一步去除粉末中的雜質，消除加工硬化，有效地提高了壓縮性。

（4）隨著粉末壓縮性的增加，燒結材料的抗拉強度、延伸率、沖擊功和硬度均呈上升的趨勢，而尺寸變化率上升不明顯，這一特點則降低了后期制件燒結膨脹率，提高了燒制成品的性能指標，特別是保證了燒結零件的尺寸精度。