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(yè)的高速發(fā)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(tǒng)的粉末冶金粉末混合時(shí)難以實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(yù)合金化是保證合金在粉末中均勻的最實(shí)用的方法,而且,通過在水霧化合金粉的基礎(chǔ)上,加入一定量的銅、鎳等塑性較好的合金元素,經(jīng)過擴(kuò)散退火,使其黏結(jié)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(kuò)散型合金鋼粉壓縮性在600MPa 的壓力下,達(dá)到了7.10g/cm3,已經(jīng)處于較好的水平。本研究就是希望能再進(jìn)一步提高該粉末的壓縮性,能夠在此基礎(chǔ)將壓縮性提高到7.15g/cm3以上。
在水霧化純鐵粉生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上,加入適當(dāng)?shù)你f鐵,使其達(dá)到成分設(shè)計(jì)的數(shù)值。通過優(yōu)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(chǎn)工藝參數(shù),得到一種新型的鐵鉬預(yù)合金鋼粉,用于生產(chǎn)高壓縮性新型擴(kuò)散型合金鋼粉。
國內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)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(jié)構(gòu)、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(shí),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(chǎn)擴(kuò)散型合金鋼粉時(shí),之所以選擇Mo 為合金化元素,主要考慮以下幾個(gè)方面的良好作用,它的良好作用表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
(1)鉬能使鋼的晶粒細(xì)化,比鎢的作用更強(qiáng),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(qiáng)度及硬度,因此在合金鋼中也頗為重要。普通合金結(jié)構(gòu)鋼含鉬在0.25%~0.4%,能提高機(jī)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(shí),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(yù)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(shí)可提高其強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕性和淬透性。
由于Mo 很難通過擴(kuò)散工藝進(jìn)入鋼鐵粉末顆粒表面,要實(shí)現(xiàn)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(yù)合金鋼鐵粉末,這種難擴(kuò)散元素的預(yù)合金粉末制備是擴(kuò)散型合金鋼鐵粉末的一個(gè)關(guān)鍵工藝。
表1 水霧化鐵鉬合金鋼粉成品的性能指標(biāo)
在前面研究的基礎(chǔ)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(yù)熱35min,960℃下還原65min,預(yù)冷30min,經(jīng)破碎,篩分,得到成品。整個(gè)工藝過程按照優(yōu)化后的工藝組織生產(chǎn),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。
按照冶煉優(yōu)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(yōu)化前相比,壓縮性提升明顯,平均可達(dá)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(shí)鉬含量在大于0.60%時(shí),合金化不能充分進(jìn)行,出現(xiàn)鉬的硬質(zhì)點(diǎn),對燒結(jié)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(diǎn),結(jié)合國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) ,將鉬含量定在0.55%。
圖 1 工藝優(yōu)化前后鐵粉形貌變化
采用JEOL JSM 6700F 型場發(fā)射掃描電鏡對工藝優(yōu)化前后的鐵粉進(jìn)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(yōu)化前粉末顆粒以簡單的大顆粒為主,經(jīng)過工藝優(yōu)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(guī)則、呈現(xiàn)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(guī)則。
工藝優(yōu)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(guān)系如表3 所示。
表3 工藝優(yōu)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(jīng)過工藝優(yōu)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(dá)到了7.16 g/cm3??梢姡S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(qiáng)的依賴關(guān)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(shí)易于發(fā)生塑性變形,粉末顆粒相互擠壓,粉末間的孔隙進(jìn)一步得到去除,使得壓縮性高,相反,在壓制受力時(shí)不易發(fā)生變形,壓縮性低。在工藝優(yōu)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(zhì)被進(jìn)一步去除,鐵粉制備過程中的加工硬化也被消除,晶粒進(jìn)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。
通過優(yōu)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(xù)燒結(jié)性能,得到的主要結(jié)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(zhì)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(nèi),磷含量降低到0.008%以內(nèi),酸不溶物降低到0.06%以內(nèi),可提高純鐵粉壓縮性達(dá)0.05g/cm3,粉末中的雜質(zhì)含量水平達(dá)到世界一流公司的標(biāo)準(zhǔn),部分指標(biāo)甚至已經(jīng)超過了國外的同類產(chǎn)品。有效降低粉末中雜質(zhì)的含量,是提高粉末壓縮性的基礎(chǔ)。
(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(xiàng)性能。
(3)降低了粉末顆粒的顯微硬度,消除了粉末缺陷,進(jìn)一步去除粉末中的雜質(zhì),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(jié)材料的抗拉強(qiáng)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(diǎn)則降低了后期制件燒結(jié)膨脹率,提高了燒制成品的性能指標(biāo),特別是保證了燒結(jié)零件的尺寸精度。