0.5Mo 预合金钢粉的工艺性能研究

于永亮，吴爱杰，王 娟，高 慧

（山东鲁银新材料科技有限公司，山东 莱芜 271105）

随着汽车工业的高速发展，对高性能粉末冶金零件的需要越来越迫切，因此，对于高压缩性合金钢粉的需求量越来越大。由于传统的粉末冶金粉末混合时难以实现微量及少量添加元素的绝对均匀性，必须采取合适的方法实现添加合金元素的均匀性，还需要保持粉末较高的压缩性。粉末的预合金化是保证合金在粉末中均匀的最实用的方法，而且，通过在水雾化合金粉的基础上，加入一定量的铜、镍等塑性较好的合金元素，经过扩散退火，使其黏结在铁粉颗粒表面，既能保证成分的均匀性，又不影响粉末的压缩性。目前，莱钢粉末冶金公司的扩散型合金钢粉压缩性在600MPa 的压力下，达到了7.10g/cm3，已经处于较好的水平。本研究就是希望能再进一步提高该粉末的压缩性，能够在此基础将压缩性提高到7.15g/cm3以上。

在水雾化纯铁粉生产工艺的基础上，加入适当的钼铁，使其达到成分设计的数值。通过优化配料、熔炼、精炼、雾化、二次还原、棒磨、筛分、合批等主要流程的生产工艺参数，得到一种新型的铁钼预合金钢粉，用于生产高压缩性新型扩散型合金钢粉。

国内外生产企业生产较多的是钼含量为0.5%～1.5%左右的铁钼合金钢粉，主要是考虑到Mo 的晶格结构、原子尺寸和Fe 差不多，对铁粉的压缩性的影响较小。而且在二次还原时，钼的氧化物可以被有效地还原，不似Cr、Ni 等与氧亲和力很大的合金元素，还原困难，对粉末压缩性的降低影响很大。

在生产扩散型合金钢粉时，之所以选择Mo 为合金化元素，主要考虑以下几个方面的良好作用，它的良好作用表现在以下几个方面。

（1）钼能使钢的晶粒细化，比钨的作用更强，所以可降低钢的过热倾向。

（2）可提高韧性，使锻造加工容易。

（3）钼可增加钢之最大强度及硬度，因此在合金钢中也颇为重要。普通合金结构钢含钼在0.25%～0.4%，能提高机械性能，还可以抑制合金钢由于回火而引起的脆性。

（4）可提高钢的淬透性，含量0.5%时，能降低回火脆性，有二次硬化作用。

（5）在工具钢中可提高红硬性。

因此，在粉末冶金预合金化中加入钼，能有效的提高铁基粉末冶金材料的淬硬性，而且对粉末的压缩性影响较小，同时可提高其强度、耐磨性、耐腐蚀性和淬透性。

1 水雾化铁钼预合金钢粉的生产工艺

由于Mo 很难通过扩散工艺进入钢铁粉末颗粒表面，要实现Mo 元素的合金化，需在制备水雾化母粉的过程中通过冶炼或精炼的方式添加，即制备预合金钢铁粉末，这种难扩散元素的预合金粉末制备是扩散型合金钢铁粉末的一个关键工艺。

表1 水雾化铁钼合金钢粉成品的性能指标

在前面研究的基础上，精炼阶段按照钢水钼含量为0.40%～0.60%加入钼铁合金，得到水雾化铁钼合金钢粉生粉，在高温还原阶段，料层厚度为30mm，氨分解气流量110Nm3/h，带速180mm/min，在高温段预热35min，960℃下还原65min，预冷30min，经破碎，筛分，得到成品。整个工艺过程按照优化后的工艺组织生产，最终所得水雾化铁钼合金钢粉含钼0.40%～0.60%的成品性能见表1。

2 工艺优化后钼含量与压缩性的关系

按照冶炼优化后的工艺，选取不同钼含量的LAP100.29 Mo1生粉，对比高温还原改善前后工艺对压缩性的影响如表2。

由表2 可以看出，与工艺优化前相比，压缩性提升明显，平均可达0.05 g/cm3以上。随着钼含量的增加，水雾化铁钼合金钢粉的压缩性呈微弱下降趋势，且以0.45～0.55%之间含量的钼合金压缩性最好，钼含量在大于0.55%后压缩性则不尽人意，同时钼含量在大于0.60%时，合金化不能充分进行，出现钼的硬质点，对烧结后的成品有一定的不利因素，因此需在冶炼过程中找到最佳性能点，结合国内外的经验数据 ，将钼含量定在0.55%。

3 工艺优化对颗粒形貌的影响

图 1 工艺优化前后铁粉形貌变化

采用JEOL JSM 6700F 型场发射扫描电镜对工艺优化前后的铁粉进行形貌观察，如图1 所示。比较粉末高温还原前后的扫描电镜照片，可以看出，工艺优化前粉末颗粒以简单的大颗粒为主，经过工艺优化后，粉末球化度提高，而且粉末颗粒间聚集较多，颗粒表面还具有凹凸不平，极不规则、呈现多孔状形貌，这也使得粉末压缩性获得较大的提高。因此，从整体上看，粉末要想具有较高的压缩性，必须具有较大的球化度，而且颗粒表面要极不规则。

4 工艺优化前后显微硬度的变化以及对压缩性的影响

工艺优化前后，水雾化铁钼合金钢粉的显微硬度与压缩性之间的关系如表3 所示。

表3 工艺优化对显微硬度与压缩性的影响

由表3 可以看出，水雾化铁钼合金钢粉的显微硬度在改善前为95 HV，经过工艺优化后，粉末的显微硬度为77 HV，粉末显微硬度大大降低，而粉末的压缩性普遍提高0.05g/cm3以上600 MPa 下，压缩性达到了7.16 g/cm3。可见，随着粉末显微硬度提高，粉末压缩性下降，二者之间存在着较强的依赖关系。原因是显微硬度低的粉末比显微硬度较高的粉末软，在压缩受力时易于发生塑性变形，粉末颗粒相互挤压，粉末间的孔隙进一步得到去除，使得压缩性高，相反，在压制受力时不易发生变形，压缩性低。在工艺优化中，还原过程中高温段温度提高，粉末的缺陷得到消除，粉末表面和溶解在粉末中的杂质被进一步去除，铁粉制备过程中的加工硬化也被消除，晶粒进一步长大，一定程度上降低了粉末的显微硬度，从而提高粉末的压缩性。

5 总结

通过优化钢水冶炼工艺和高温还原工艺，可以有效的提高水雾化铁钼合金钢粉的压缩性及后续烧结性能，得到的主要结论如下：

（1）在冶炼过程中，通过降低Si、Mn、P、及盐酸不溶物等杂质在钢水中的含量，硅含量降低到0.04%以下，锰含量降低到0.08%以下，硫含量降低到0.011%以内，磷含量降低到0.008%以内，酸不溶物降低到0.06%以内，可提高纯铁粉压缩性达0.05g/cm3，粉末中的杂质含量水平达到世界一流公司的标准，部分指标甚至已经超过了国外的同类产品。有效降低粉末中杂质的含量，是提高粉末压缩性的基础。

（2）在二次还原过程中，还原温度为960℃、粉末生粉料层厚度为30mm、带速为180mm/min 的还原条件下可有效提高水雾化铁钼合金钢粉的各项性能。

（3）降低了粉末颗粒的显微硬度，消除了粉末缺陷，进一步去除粉末中的杂质，消除加工硬化，有效地提高了压缩性。

（4）随着粉末压缩性的增加，烧结材料的抗拉强度、延伸率、冲击功和硬度均呈上升的趋势，而尺寸变化率上升不明显，这一特点则降低了后期制件烧结膨胀率，提高了烧制成品的性能指标，特别是保证了烧结零件的尺寸精度。