測試條件對粉末冶金中的蠟基粘結(jié)劑熱重分析結(jié)果的影響

石 晶，陳忠穎

（上海材料研究所檢測中心，上海市工程材料應(yīng)用與評價重點實驗室，上海 200437）

粉末冶金技術(shù)[1-4]是提高材料性能和開發(fā)新材料的重要手段之一, 已成為當(dāng)代材料科學(xué)發(fā)展的先進(jìn)領(lǐng)域。在粉末冶金的成型過程中，粘結(jié)劑[5-7]既能為粉末提供良好的流動性，又可以使粉末具有高強度，在工序中保持制品形狀。粘結(jié)劑的配方設(shè)計、加入與脫除條件，對粉末冶金技術(shù)起著關(guān)鍵性作用。

對粉末冶金行業(yè)來說，利用熱分析方法分析粘結(jié)劑的相關(guān)熱力學(xué)性能，對其配方設(shè)計、制備工藝和熱脫脂參數(shù)具有重要意義。熱重分析法（TGA）主要測定物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度和時間而發(fā)生的變化，可以對物質(zhì)的熱分解過程進(jìn)行定量評價，以研究材料的熱穩(wěn)定性和組分，可反映粘結(jié)劑的熱性能，如起始分解溫度、熱分解溫度范圍、分解速率和殘余物含量等。不同組成或配比的粘結(jié)劑，其熱分解起始溫度、熱分解溫度范圍、分解速率和殘余物含量均不相同，可以通過TGA對粘結(jié)劑進(jìn)行性能分析，進(jìn)而確定脫除工藝和脫除方式[8-10]?，F(xiàn)有的報道中尚未有探討FeCrAl金屬粉末中蠟基粘結(jié)劑熱重分析條件的相關(guān)報道。

本文主要探究FeCrAl金屬粉末中的蠟基粘結(jié)劑的熱重分析實驗條件，研究樣品質(zhì)量、吹掃氣體種類、升溫速率、氣體流速等因素對實驗結(jié)果的影響，并給出了較為合理的實驗條件。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

Discovery TGA550熱重分析儀。

FeCrAl金屬粉末，蠟基粘結(jié)劑。

1.2 試樣制備

使用混煉機，將FeCrAl金屬粉末與蠟基粘結(jié)劑在170℃下混合1h。

1.3 實驗方法

將一定質(zhì)量的樣品放入熱重分析儀的樣品盤中，記錄樣品重量，按照設(shè)定的儀器條件進(jìn)行實驗，得到樣品的熱重分析譜圖。

1.4 測試條件

保護氣體：N2(純度 99.999%)，Ar(純度 99.999%)。

氣體流速：10、15、20、25 mL?min-1；

升溫速率：5、10、15、20、30、50℃?min-1；

升溫范圍：50℃升溫至800℃；

樣品質(zhì)量：5、6、7、8、9、10mg。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品質(zhì)量對測試結(jié)果的影響

圖1是在N2氣氛下，固定升溫速率為30℃?min-1，氣體流速為25mL?min-1，不同質(zhì)量樣品的含蠟基粘結(jié)劑金屬粉末的TGA曲線。表1是圖1中各TGA曲線所得的含蠟基粘結(jié)劑金屬粉末的相關(guān)熱重分析數(shù)據(jù)。W400是400℃時對應(yīng)的殘余物含量，W800是800℃時對應(yīng)的殘余物含量（以下同）。

從圖1和表1可以看出，隨著樣品的用量增加，TGA曲線有向高溫移動的趨勢。這是由于樣品表面達(dá)到分解溫度以后，內(nèi)部仍需要經(jīng)過一段時間才能達(dá)到所需的分解溫度，樣品質(zhì)量越大，達(dá)到內(nèi)部分解溫度所需的時間越長，這與爐體的程序控溫產(chǎn)生了時間上的偏差。但從W800可知殘留物的含量相差不大，因此在測試設(shè)備的靈敏度范圍內(nèi)，可相應(yīng)地減少樣品用量，以彌補爐體的程序控溫與樣品內(nèi)部的滯后現(xiàn)象。

圖1 不同樣品質(zhì)量的TGA曲線Fig. 1 TGA curves of different sample quality

表1 不同樣品質(zhì)量的TGA結(jié)果對比Table 1 Comparison of TGA results of different sample quality

2.2 吹掃氣體種類對測試結(jié)果的影響

圖2是在N2或Ar氣氛下，固定升溫速率為30℃?min-1，氣體流速為25mL?min-1，含蠟基粘結(jié)劑金屬粉末的TGA曲線。表2是圖2中各TGA曲線所得的含蠟基粘結(jié)劑金屬粉末的相關(guān)熱重分析數(shù)據(jù)。

圖2 不同載氣的TGA曲線Fig. 2 TGA curves of different carrier gases

從圖2可以看出，在Ar氣氛下，每一階段的失重量和殘余物含量均比較低，說明在Ar條件下，粘結(jié)劑可以更充分地進(jìn)行反應(yīng)。在N2條件下，可能是因為粘結(jié)劑中的金屬粉末很容易吸附N2分子，導(dǎo)致殘余物含量較高。因此以Ar作為TGA的吹掃氣體更適合。

表2 不同載氣的TGA結(jié)果對比Table 2 Comparison of TGA results of different carrier gases

2.3 升溫速率對測試結(jié)果的影響

圖3是在N2氣氛下，升溫速率為5～50℃?min-1，氣體流速為25mL?min-1，不同樣品質(zhì)量條件下的含蠟基粘結(jié)劑金屬粉末的TGA曲線。表3是圖3中各TGA曲線所得的含蠟基粘結(jié)劑金屬粉末的相關(guān)熱重分析數(shù)據(jù)。

從圖3可以看出，隨著升溫速率增大，反應(yīng)的起始溫度和終止溫度也升高，TGA 曲線向高溫側(cè)移動，產(chǎn)生滯后現(xiàn)象。這是因為傳熱需要一定的時間，當(dāng)升溫速率增加時，樣品內(nèi)部不能及時升溫?fù)]發(fā)和分解。因此， TGA升溫速率的選擇特別重要[11-15]。根據(jù)實踐經(jīng)驗，要根據(jù)樣品的物理和化學(xué)性能選用不同的升溫速率。加熱速率會受到樣品分辨率的影響，儀器的高分辨率（Hi-Res）功能可以快速響應(yīng)，對爐溫進(jìn)行精確控制，并使用靈敏的熱天平快速檢測微小重量變化，從而有利于重疊反應(yīng)的分辨及中間產(chǎn)物的分離和鑒定。根據(jù)實驗結(jié)果，選擇30℃?min-1為實驗的升溫速度。

圖3 不同升溫速率的TGA曲線Fig. 3 TGA curves of different heating rates

表3 不同升溫速率的TGA結(jié)果對比Table 3 Comparison of TGA results of different heating rates

2.4 氣體流速對測試結(jié)果的影響

圖4是在N2氣氛下，固定升溫速率為30℃?min-1，氣體流速為 10～25mL?min-1，不同樣品質(zhì)量條件下的含蠟基粘結(jié)劑金屬粉末的TGA曲線。表4是圖4中各TGA曲線所得的含蠟基粘結(jié)劑金屬粉末的相關(guān)熱重分析數(shù)據(jù)。

由圖4可知，熱重分析中，樣品顆粒與氣流的熱交換主要來自氣流的輻射、坩堝壁的導(dǎo)熱以及因氣體流動而與樣品顆粒表面間形成的對流。氣體流量越大，越能有效緩解爐內(nèi)氣體溫度的上升，使坩堝中的燃燒滯后。

圖4 不同氣體流速的TGA曲線Fig. 4 TGA curves of different gas flow rates

表4 不同氣體流速的TGA結(jié)果對比Table 4 Comparison of TGA results of different gas flow rates

3 結(jié)論

本文考察了樣品質(zhì)量、吹掃氣體種類、升溫速率、氣體流速等因素對粉末冶金中的蠟基粘結(jié)劑熱重分析結(jié)果的影響。結(jié)果表明，對于一般的蠟基粘結(jié)劑，建議采用Ar氣作為吹掃氣體，升溫速率為30℃?min-1，氣體流速為20mL?min-1，樣品質(zhì)量為5～9mg。此實驗條件能夠更為準(zhǔn)確地提供蠟基粘結(jié)劑的相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，為后續(xù)蠟基粘結(jié)劑的去除工作奠定基礎(chǔ)。