400°C至520°C范围内铁基粉末的温压成形——第2部分：非合金钢和低合金钢的性能

《Powder Metallurgy》：Warm compaction of ferrous powders in the 400°C to 520°C range—Part 2: Properties of unalloyed and low-alloy steels

　　

摘要

在可行性研究的第一部分中，研究人员描述了一种在400–520°C范围内运行的铁基粉末温压成形工艺。在第二部分中，研究人员使用不同类型的非合金钢和合金钢进行了温压成形研究。研究表明，粉末批次在模具型腔内在保护气氛中进行短暂预热是足够的，并且保压时间也可以相当短。然而，过高的生坯密度可能导致烧结过程中因碳热还原过程形成的气体被截留而产生开裂。当将温压成形与高压冷压成形进行比较时，观察到合金化路线的显著影响：对于元素粉末混合体系，温压成形在获得的密度方面显示出优势；相反，对于预合金粉末牌号，高压压制通常可获得更高的生坯密度，尽管对于经过优化以达到最大可压性的特殊预合金粉末牌号，温压成形似乎也是可行的。

论文解读：400°C至520°C温压成形铁基粉末的性能研究

**一、研究背景与问题提出**

铁基粉末冶金（PM）精密零件在过去几十年中得到广泛应用，但主要市场集中于汽车发动机和传动系统。随着替代驱动系统趋势的发展，该市场预计将大幅萎缩，粉末冶金行业亟需开拓新的应用领域。对于铁基粉末冶金部件，主要要求是形状复杂性和精度，力学性能处于次要地位，因为残余孔隙率会对其性能产生不利影响。近年来，机械高载荷粉末冶金部件已得到应用，如粉末冶金齿轮，但此类部件的功能表面通常经过致密化处理以局部消除孔隙率，并辅以渗碳和碳氮共渗等热化学处理。然而，对于其他部件，整个横截面需承受严重的机械载荷，尤其是冲击和/或疲劳载荷，这要求整体降低孔隙率。采用特殊合金成分和合金化技术虽然有效，但只有与足够高的相对密度相结合才能充分发挥作用。为此，已有多种技术可供使用，如双次压制、高压压制、高速压制及温压成形等。在130–150°C范围内进行的传统温压成形可适度提高密度，但受到有机润滑剂和粉末预热粘附问题的限制。热压和粉末锻造等技术虽可获得高密度，但存在几何精度低或生产效率不足等问题。因此，本研究在前期可行性研究的基础上，进一步探索在400–520°C等温温压成形工艺的可行性与材料性能。

**二、研究内容与主要技术方法**

本研究系统开展了铁基粉末在400–520°C范围内的温压成形实验。首先，研究人员优化了温压成形工艺参数，包括预热时间和保压时间等。研究发现，粉末在模具型腔内需要3分钟预热时间以达到所需温度，而保压时间的影响不显著，说明高温下材料硬度和屈服强度的降低是提高密度的主要原因，蠕变效应在此温度范围内影响甚微。然而，延长预热时间会导致轻微氧增，因此研究人员建议在确保达到所需温度的前提下，尽可能缩短预热时间。本研究涉及多种粉末体系，包括水雾化纯铁粉ASC100.29和ASC40.29（均来自瑞典H?gan?s AB公司）及其与元素钼粉和铬母合金混合制备的低合金钢粉末，预合金牌号Astaloy A（H?gan?s AB）、油雾化粉末Sumiron 4100S和4600H（由住友金属工业株式会社制造）以及高铬合金410L（H?gan?s AB）。同时，研究人员配制了ASC100.29与电解铬粉（<63 μm）的混合物。将粉末在翻滚混合机中混合后，在带有封闭粉末处理区的特殊压制工具中进行温压成形，并使用流动氮气作为保护气氛以防止氧化。石墨润滑剂选用Timcal（现为Imerys）KS75人造石墨，合金添加剂为Kropfmühl UF4天然石墨。压制后测定生坯密度和尺寸，然后在实验室推杆式炉中于流动氢气气氛下进行烧结，采用含Al₂O₃-5%石墨粉的Getter盒以防止脱碳。研究人员对烧结试样进行了无缺口冲击试验、非标准狗骨形拉伸试验、金相及断口分析、燃烧法测定化合碳含量及热熔融法测定氧含量。

**三、研究结果与讨论**

**Fe-C体系在500°C范围内的压制实验**：研究人员在室温至520°C范围内对两种不同粒度的纯铁粉末体系进行温压成形，烧结温度设为1250°C保温1小时。结果表明，最高压制温度520°C时生坯密度接近7.7 g.cm^?3，考虑石墨体积后相对密度接近99%。两种铁粉牌号的趋势基本相同。然而，对于ASC100.29基材料，当压制温度超过400°C时，烧结密度出现显著下降并伴随明显膨胀，而ASC40.29的烧结密度则持续增加。金相研究发现，在高压制温度下ASC100.29试样中出现了裂纹。这是因为在高于450°C获得的极高生坯密度下，孔隙在烧结早期即发生闭合，而此时试样芯部氧化物尚未被去除，碳热还原产生的CO/CO₂气体被截留形成内部压力，导致在高温下Fe-C基体强度不足以抵抗该内部压力而产生开裂。与Bocchini的预测相反，封闭孔隙并不能阻止氧化物碳热还原的发生。该裂纹效应仅出现在烧结活性较高的细粉ASC100.29中，而较粗的ASC40.29因烧结活性较低，孔隙闭合延迟，使大部分氧在孔隙闭合前以CO/CO₂形式排出。因此，实际生产中应避免生坯密度超过临界值，本实验条件下ASC100.29的临界生坯密度阈值大于7.6 g.cm^?3。

**预合金钢的温压成形**：研究人员对多种预合金钢粉末（Astaloy A、Sumiron 4100S、4600H、410L）及Fe-C体系进行了室温和高温温压成形对比。结果表明，预合金化导致的固溶强化显著降低了粉末的可压性，Astaloy A和410L在所有温度下均获得较低的生坯密度。Sumiron系列尽管合金含量较低，但其可压性明显低于高铬混合物（ASC100.29+12.5%Cr），这显示了预合金化的显著效应。温度升高对Sumiron系列的效果更为明显，表明足够高的温度可以一定程度克服固溶强化效应。通过对比高压冷压与温压成形发现，对于碳钢而言，温压成形略优于高压压制；对Sumiron等级，1200 MPa冷压与520°C温压效果相当，且520°C vs. 460°C的差异大于1000 MPa vs. 1200 MPa的效果；对410L钢，高压冷压明显优于温压成形。这证实对于高合金含量的预合金钢粉末，高机械载荷比升高温度更有效地克服固溶强化。

**混合法制备的Mo合金钢**：研究人员使用高纯度铁粉ABC100.30与两种粒度的Mo粉（<40 μm标准型和<8 μm超细型）配制Fe-1.5%Mo-0.8%C体系，在700 MPa/450°C条件下温压成形并于1250°C烧结1小时。结果显示优异的数据重现性，生坯密度、烧结密度、尺寸变化、拉伸性能和碳含量均显示极低的离散度，证实温压过程中的氧化得到了严格控制。该类材料烧结时表现出显著膨胀和密度损失，这是混合法制备Mo合金钢经瞬时液相烧结的典型特征，细Mo粉由于液相形成更同步而膨胀更明显，但烧结密度更高且力学性能更好，这是由于其防止了粗大二次孔隙的形成。

**讨论与结论**：对比混合法与预合金化路线，预合金试样烧结时趋于收缩，而混合试样因瞬时液相烧结而膨胀。拉伸性能对比表明，Sumiron钢仅在较高压制温度下才能达到与Mo钢相当的性能；在460°C压制时，Mo钢性能更优。这表明温压成形合金钢时，最有效的方式是选用可压性良好的纯铁基粉末，并以元素粉末形式添加合金组分，母合金路线也是可行方案。总体而言，高温压制是生产具有优异力学性能的粉末冶金钢精密零件的有效途径，但需进一步验证特定石墨润滑剂在大规模生产中的适用性，并可能需要粉末预热以保证经济生产所需的生产节拍。研究人员得出结论：调整工艺参数（预热时间、工作空间隔氧）可获得优异的生坯和烧结密度；应避免生坯相对密度超过约98%，以防烧结时开裂甚至起泡；混合法路线优于预合金化路线，因为固溶强化在高达500°C的温度下仍抑制致密化，而纯铁粉在该温度下已软化；油雾化预合金粉末经冷压可压性优化后也适用于温压成形，但需在超过500°C的温度下才能获得混合法粉末在较低温度下即可达到的密度和性能水平。本研究为温压成形工艺应用于高性能粉末冶金钢零件提供了重要的可行性验证，并为工艺参数窗口的确定和材料路线的选择提供了关键指导。