水雾化扩散型合金钢粉的性能研究

徐从京，高 慧，王 娟

（山东鲁银新材料科技有限公司，山东 莱芜 271105）

扩散型合金钢粉是由瑞典赫格纳斯公司研制的。名称过去叫做Ancoloy，现在叫做Distoloy。这是一类含有合金元素镍、钼、铜的部分预合金铁粉，即扩散型合金钢粉[1]。生产方法是，将铁粉与合金元素混合均匀后，在还原性气氛中进行热处理。热处理时，各合金元素开始扩散到铁粉中，铁粉与合金元素粉颗粒间形成部分扩散联结。这种粉末的主要优点是合金元素在粉末压坯中分布均匀，消除了成分偏析，提高了烧结件尺寸的均匀性，而且压缩性几乎和纯铁粉一样，这对用粉末冶金法制造高密度高强度零部件非常重要[2，3]。

1 水雾化扩散型合金钢粉的生产工艺

图1 扩散型合金钢粉制备流程

扩散型合金钢铁粉末的合金元素主要是Mo、Cu、Ni等，其中Mo很难通过扩散工艺进入钢铁粉末颗粒表面，通过优选已研究出的高压缩预合金Fe-Mo（Mo含量0.55%）钢铁粉末，这一缺陷得到改善。这种粉末的生产过程是将水雾化铁钼合金钢粉与合金元素（或合金氧化物）经混合，在还原电炉内用氢气（或氨分解气）作保护性气体进行扩散处理。因热扩散后粉末粘结，需要进行破碎、筛分、合批，得到最终产品。

水雾化扩散型合金钢粉采用料层厚度30mm，氨分解气流量100Nm3/h，带速180mm/min，在高温预热60min，830℃～850℃下还原70min～90min，预冷55min～60min，后破碎，筛分测得压缩性要求600MPa下大于7.10g/cm3，松装密度为2.95g/cm3～3.10g/cm3。

2 水雾化扩散型合金钢粉的压缩性研究

扩散型合金钢铁粉末的颗粒表面具有一层极薄的合金扩散膜，如图2所示，即在浅色奥氏体富镍区及其边缘的针状马氏体或贝氏体的多相组织，随着高温烧结扩散，富镍区的体积百分数将降低；图2中右边的图为扫描电子显微镜照片，图中右下角小颗粒为铜颗粒，可以看出铜颗粒与基体铁颗粒的黏结效果。

由图2可以看出，水雾化扩散型合金钢粉与铁钼合金钢粉的压缩性几乎相同，铜镍的扩散作用并没有影响压缩性，因此对后续烧结性能影响并不大。

2.1 混合工艺对扩散型合金钢粉压缩性的影响

母粉与合金元素粉末混合均匀程度也直接影响到合金元素扩散的均匀性，常常因混合过程产生成分偏析，这是造成扩散型粉末成分偏析的主要原因。为了实现混合的均匀性，提高产品的性能，采用粘结混合和干混做实验对比。两种混料方式的混合时间均为30min，并添加1.75%的铜粉和1.95%的镍粉，在还原炉中经770℃的扩散处理，结果如表1所示。

表1 粘结混合和干混对压缩性的影响

结合表1可知，粘结混合铜和镍的平均偏差值都小于干混，所以粘结混合的均匀性要好于干混。另由于铜、镍的真实密度为8.89g/cm3左右，且铜、镍都有较好的塑性，所以混合后的压缩性比铁钼合金粉高出0.05g/cm3，为7.21g/cm3。

2.2 扩散工艺温度对合金化程度的影响

表2 扩散工艺温度对压缩性的影响

图2 扩散型合金钢粉的显微照片

表3 实验粉末与赫格纳斯扩散型合金钢粉性能指标

表4 实验配方设计（%）

扩散工艺温度决定扩散层厚度和压缩性，扩散温度越低，扩散层厚度越薄，合金化程度越低，相应的压缩性偏高；扩散温度越高，扩散层厚度越厚，合金化程度越高，相应的压缩性偏低。因此，选择合适的扩散层厚度，对后续制件的产品性能具有非常重要的意义。

3 性能检验

3.1 实验粉末与赫格纳斯扩散型合金钢粉的性能对比

目前国际上扩散型合金钢粉的最佳产品为赫格纳斯公司生产的DistaloyAB质量最好，因此实验采用我公司生产的新型水雾化扩散型合金钢粉与赫格纳斯公司生产的DistaloyAB进行各项性能指标进行对比。

由表3所示，从两种扩散型合金钢粉产品的物理状态比较，除新型LAP100.29D1合金成分铜、镍、钼较DistaloyAB要略高一些外，其它各项性能指标均比较接近。

从表中的各项烧结性能比较来看，新型LAP100.29D1的生坯强度略低于DistaloyAB；新型LAP100.29D1压件烧结前后的密度变化较大，而DistaloyAB变化较小；新型LAP100.29D1烧结硬度较DistaloyAB要高；新型LAP100.29D1与DistaloyAB烧结尺寸均比较稳定，但烧结尺寸变化率较DistaloyAB要大，DistaloyAB烧结前后尺寸基本无变化。

根据以上结果综合比较，本研究制备的新型水雾化扩散型合金钢粉LAP100.29D1各项指标已接近赫格纳斯生产的DistaloyAB。

3.2 粉末冶金制品烧结材料的物理力学性能

根据瑞典赫格纳斯的扩散型合金钢粉DistoloyAB的配方，Fe-1.50Cu-1.75Ni-0.50Mo，加入0.7%的碳，外加0.7%的硬脂酸锌为润滑剂，设计了4组同成分的试样，A、B、C、D，用于进行烧结制品的性能测试。

粉末按照表4的配方称重后，混合90min。然后根据粉末冶金国家测试标准压制成压缩性和抗拉强度标准试样。表4为四组实验粉末的压缩性，可以看出，本试验粉末的压缩性已经基本接近瑞典赫格纳斯DistoloyAB粉末的压缩性，分别为7.09g/cm3和7.10g/cm3。

4 小结

本章在利用优选水雾化铁钼合金钢粉为基础的前提下，加入铜粉和镍粉制备了新型水雾化扩散型合金钢粉，并通过各项工艺过程参数进行试验对比分析，得出如下结论：

（1）扩散还原温度为780℃～850℃，时间为40min～60min，铜粉和镍粉的颗粒尺寸为10μm左右，此时的扩散粘结效果最好。

（2）为提高铜粉、镍粉与铁粉颗粒的黏结效果，采用混粉粘结剂有机物为黏结剂，但扩散过程会造成产品增碳。由于碳含量的增加，导致压缩性降低，会恶化产品性能，所以混合选用干混方式为好。

（3）扩散型合金钢铁粉末的颗粒表面具有一层极薄的合金扩散膜，扩散工艺温度决定扩散层厚度和压缩性，扩散温度越低，扩散层厚度越薄，合金化程度越低，相应的压缩性偏高；扩散温度越高，扩散层厚度越厚，合金化程度越高，相应的压缩性偏低。