金屬粉末形貌與顯微硬度對粉末成形性的影響研究

鄧 穎，孟 強(qiáng)

（1．西部寶德科技股份有限公司，陜西 西安710201；2．西安長峰機(jī)電研究所，陜西 西安710065）

眾所周知，燒結(jié)金屬粉末多孔材料是采用金屬或合金粉末為原料，通過壓制成形和高溫?zé)Y(jié)而成、具有剛性結(jié)構(gòu)的多孔材料[1]。由于其內(nèi)部具有大量連通孔道，且孔徑可調(diào)范圍大，廣泛應(yīng)用于過濾、分離、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域。

在燒結(jié)粉末多孔材料制備工藝過程中，成形工藝是從粉末到多孔材料的關(guān)鍵工序之一。成形的目的是制得一定形狀和尺寸的壓坯，并使其具有一定密度和強(qiáng)度。成形方法分為加壓和無壓兩大類。加壓成形中應(yīng)用最普遍的為等靜壓成形。影響等靜壓成形的因素有粉末形狀、粉末硬度、壓制壓力、粉末粒度等等[2]。在實際生產(chǎn)過程中，相同粉末壓制壓力一定前提下，粉末形狀和粉末硬度的影響尤為突出。本文旨在研究粉末形貌和顯微硬度對成形性的影響，為工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 實驗方法

1.1 設(shè)備

粉末成形設(shè)備：6000T冷等靜壓機(jī)。

粉末微觀形貌分析設(shè)備：ZEISS Sigma HD分析型場發(fā)射掃描電子顯微鏡。

粉末微觀硬度分析設(shè)備：401MVA顯微維氏硬度計。

壓潰強(qiáng)度檢測方法裝置：GB6804-2008《徑向壓潰強(qiáng)度測定》標(biāo)準(zhǔn)中專用測試裝置。

1.2 樣品制備

在不同壓制壓力下，三組不同規(guī)格水霧化金屬粉末，經(jīng)6000T冷等靜壓壓機(jī)直接壓制成管坯。三組粉末材質(zhì)、松裝密度、粒度、壓制壓力、壓制規(guī)格相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 三組金屬粉末材質(zhì)、松裝密度、粒度、壓制壓力、壓制規(guī)格

編號3中的鎳粉1無法直接壓制成形。

1.3 樣品測試方法

利用ZEISS掃描電子顯微鏡上進(jìn)行微觀形貌掃描，觀察粉末形貌特征；利用401MVA顯微維氏硬度計測試粉末顆粒硬度；按照GB6804-2008《徑向壓潰強(qiáng)度測定》標(biāo)準(zhǔn)中專用測試裝置測試管坯壓潰強(qiáng)度。

1.4 金屬粉末微觀形貌

對表1中6種規(guī)格金屬粉末在ZEISS掃描電子顯微鏡上進(jìn)行微觀形貌掃描，具體見圖1。對圖1粉末形貌特征進(jìn)行匯總，具體見表2。

圖1 三組金屬粉末微觀形貌

表2 三組金屬粉末微觀形貌特征

通過觀察粉末形貌可知，編號1與編號2粉末形貌不規(guī)則度較高，顆粒表面不規(guī)則凸起較多，內(nèi)部缺陷也多；編號3兩種粉末不規(guī)則度低，顆粒圓潤平滑，邊角凸起較少。

1.5 金屬粉末微觀顯微硬度

采用401MVA顯微維氏硬度計測量金剛石角錐壓頭的壓痕對角線長，計算得到粉末顆粒的顯微硬度。

對表1中三組金屬粉末每個粉末測量3～5個數(shù)值，并對測試值計算求平均值，具體結(jié)果見表3。

表3 三組金屬粉末顯微硬度測試值及平均值

由表3可知，鐵鋁粉末、不銹鋼粉末、鎳粉末顯微硬度差別較大；其中，鐵鋁粉2比鐵鋁粉1顯微硬度高60.3%，不銹鋼粉2比不銹鋼粉1顯微硬度高41.4%，鎳粉2比鎳粉1顯微硬度高58.2%。

1.6 金屬粉末壓坯壓潰強(qiáng)度測試結(jié)

對三組編號中每種粉末坯體各取小樣（φ60×20）mm三個，按照檢測方法測定各小樣的壓潰強(qiáng)度，然后取平均值為最終壓潰強(qiáng)度。壓潰強(qiáng)度是壓坯反抗外力作用保持幾何形狀與尺寸不變的能力，壓潰強(qiáng)度越大，粉末成形性越好。

下表4是三組粉末管坯對應(yīng)的壓潰強(qiáng)度與粉末成形性。

表4 三組金屬粉末壓潰強(qiáng)度與成形性

備注：編號3中的鎳粉1無法直接壓制成形，故壓潰強(qiáng)度與成形性不存在。

2 分析與討論

2.1 金屬粉末微觀形貌對成形性的影響

由表4可知，三組組間金屬粉末平均壓潰強(qiáng)度大小關(guān)系依次為：不銹鋼粉（3.75MPa）＞鐵鋁粉（2.45MPa）＞鎳粉（0.75MPa）；由表2可知，不銹鋼粉與鐵鋁粉末形貌不規(guī)則度高，鎳粉末形貌規(guī)則，邊角圓滑。

對比可知，粉末顆粒形狀越復(fù)雜，表面越粗糙，生坯壓潰強(qiáng)度越高，粉末成形性越好；粉末顆粒邊角越圓潤光滑，粉末成形性越差。

2.2 金屬粉末微觀顯微硬度對成形性的影響

粉末顯微硬度反映粉末顆粒的塑性變形能力。硬度值越小，塑性變形能力越好；硬度值越大，塑性變形能力越差。

由表3可知，不銹鋼粉與鐵鋁粉組內(nèi)兩種粉末平均顯微硬度大小關(guān)系依次為：鐵鋁粉1（HV159）＜鐵鋁粉2（HV254），不銹鋼粉 1（HV121）＜不銹鋼粉 2（HV171）；

由表4知，編號1與編號2組內(nèi)兩種金屬粉末平均壓潰強(qiáng)度大小關(guān)系依次為：鐵鋁粉1（2.7Mpa）＞鐵鋁粉2（2.2MPa），不銹鋼粉 1（4.0MPa）＞不銹鋼粉 2（3.5MPa）。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)對比關(guān)系可知，粉末顯微硬度越小，坯體壓潰強(qiáng)度越高，粉末成形性越好。

2.3 金屬粉末微觀形貌與顯微硬度對成形性的影響

由表4知，第三組組內(nèi)金屬粉末平均壓潰強(qiáng)度大小關(guān)系依次為：鎳粉2（1.5MPa）＞鎳粉1（沒有成形）；由表2可知，鎳粉末不規(guī)則度低，顆粒圓潤平滑，邊角凸起較少，尤其鎳粉1幾乎全是土豆?fàn)罘勰词狗勰┯捕容^低，成形性也很差，生坯壓潰強(qiáng)度更無從談起；而鎳粉2可壓制成形，因此得出，粉末形貌的不規(guī)則相對顯微硬度低對編號3粉末成形性影響更大。

粉末不規(guī)則度高與顯微硬度低，生坯強(qiáng)度越高的原因在于：在等靜壓壓制成形過程中，粉末顆粒首先發(fā)生位移和變形，粉末外表面不規(guī)則的枝狀凸起相互楔住和鉤連，從而形成粉末之間的機(jī)械結(jié)合。顆粒之間的咬合力越大，生坯壓潰強(qiáng)度越高，成形性越好，如（編號2不銹鋼粉與編號1鐵鋁粉）。顆粒表面越圓潤，粉末外表面互楔住和鉤連越少，相互顆粒之間的機(jī)械咬合力就越小，等靜壓成型壓制卸壓后，在粉末彈性后效作用下，生坯強(qiáng)度變會變差，如編號3鎳粉。

另外，通過添加金屬粉末粘結(jié)劑或粉末預(yù)處理來改善粉末的成形性。如鎳粉通過添加粘結(jié)劑改善成形性[3]；或通過退火處理[4]，消除粉末加工硬化，進(jìn)而改善其顯微硬度，增加塑性變形，降低粉末彈性后效作用，增加坯體強(qiáng)度，改善粉末成形性。

3 結(jié)論

1）粉末顆粒形狀越復(fù)雜，表面越粗糙，生坯壓潰強(qiáng)度越高，粉末成形性越好。

2）粉末顆粒邊角圓潤，成形性較差，可以通過添加粘結(jié)劑改善粉末成形性。

3）相同粉末規(guī)格，粉末形貌差別不大時，粉末顯微硬度越低，生坯壓潰強(qiáng)度越高，粉末成形性越好[4]。

4）粉末形貌與顯微硬度相比，粉末形貌不規(guī)則度比顯微硬度對粉末成形性的影響更大。