D0I:10.13374/i.i8sn1001t53.2010.03.017 第32卷第3期 北京科技大学学报 Vol 32 No 3 2010年3月 Journal of Un iversity of Science and Technology Beijing Mar.2010 流动温压成型铁基粉末冶金复杂件的脱脂工艺 胡昌旭倪东惠郑军君肖志瑜李元元 华南理工大学机械与汽车工程学院，国家金属材料近净成形工程技术研究中心，广州510640 摘要使用水雾化铁粉等原料制备十字形试样，对脱脂工艺、微观组织进行了分析，得到的理想脱脂工艺为：先以较快的速 率升温到160℃，然后以1℃·mm的速率升温到300℃，保温0.5h再以1.5℃·mm的速率升温到450℃，保温0.5h烧结 在1300℃进行.实验结果表明，通过优化脱脂工艺，使用流动温压工艺，可以制备出成本低廉、形状复杂的结构件. 关键词粉末治金：铁粉；温压；脱脂 分类号TF125.1 Degreasing behavior of iron based pow der m etallurgy com plex parts by wam flow com paction HU Chang xu NGAI TungwaiLeo ZHENG Jun-jn XIAO Zhi yu LI Yuan yuan National Engineering Research Center of Nearnet-shape Fomng for Metallic Materials School ofM echanical and Autonotive Engineering South China University of Technolgy Guangzhou 510640.China ABSTRACT W ateratamn ized iron powders were used by wam flow compaction to fabricate cross"shaped parts The degrease process and m crostmucture of sintered parts were investigated The optmnal degrease process is to raise he temperature from ambient tempera- ture to l60℃，then raise to300℃at a mte of1C·mn-and hold at300'Cfor0.5 h followed by raising the temperature to450℃ at a mate of 1.5C.mn and holl at 450C for0.5h Sintering was carried out at 1300C.It is shown that at the proper degreasing parameters the wam flow compaction method can pmduce complex"shaped com ponents w ith low cost KEY W ORDS powdermetallurgy iron powdes wam campactions degreasing 粉末治金是一种高效、优质、精密、低耗和节能 产成本，具有很大的经济效益和应用前景冈 的近净成形零件制造技术，然而，传统粉末冶金技 在流动温压工艺中，脱脂是很关键的一道工序， 术在制造复杂几何外形零件方面先天不足·流动温 烧结产品的质量和成本在很大程度上由此阶段控 压是在温压工艺的基础上，结合粉末注射成形工艺 制，不正确的脱脂工艺易产生裂纹、孔洞、气泡和膨 的优，点，通过加入适量的微细粉末和黏结剂，大大提 胀等缺陷，然而，对脱脂工艺（脱脂温度、脱脂时间 高了混合粉末的流动性、填充性和成形性山，由于 等)、脱脂动力学和机理等所进行的相关研究大多 在压制过程中混合粉末既具有液体的流动性，又有 集中于注射成形工艺方面，关于流动温压方面的脱 较高的黏度，是一种具有良好流动性的黏流体，使压 脂研究报道很少3-). 制压力在粉末中得到更有效和更均匀的传递。粉末 为了降低生产成本，开发出一种经济可行、可以 在压制过程中能够流向各个角落而不产生裂纹，从 制造复杂形状零部件的流动温压技术，本实验避免 而可以在传统压机上精密成形出具有复杂几何外形 使用昂贵的超细粉末，选择了普通水雾化铁粉等原 的零件，如带有与压制方向垂直的凹槽、孔和螺纹孔 料制备十字形试样，并优化出理想的脱脂工艺和烧 等零件，而不需要其后的二次机加工，从而降低了生 结工艺 收稿日期：2009-05-12 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。50574041):广东省自然科学基金重点项目(N。06105411):教育部新世纪优秀人才项目(N。 NCET-05-0739) 作者简介：胡昌旭(l985-),男，硕士研究生；倪东惠(1955)，男，教授，博士生导师，Email dhnf色scut ed:cm
第 32卷 第 3期 2010年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．3 Ｍａｒ．2010 流动温压成型铁基粉末冶金复杂件的脱脂工艺 胡昌旭 倪东惠 郑军君 肖志瑜 李元元 华南理工大学机械与汽车工程学院国家金属材料近净成形工程技术研究中心广州 510640 摘 要 使用水雾化铁粉等原料制备十字形试样对脱脂工艺、微观组织进行了分析得到的理想脱脂工艺为：先以较快的速 率升温到 160℃然后以 1℃·ｍｉｎ －1的速率升温到 300℃保温 0∙5ｈ再以 1∙5℃·ｍｉｎ －1的速率升温到 450℃保温 0∙5ｈ．烧结 在 1300℃进行．实验结果表明通过优化脱脂工艺使用流动温压工艺可以制备出成本低廉、形状复杂的结构件． 关键词 粉末冶金；铁粉；温压；脱脂 分类号 ＴＦ125∙1 Ｄｅｇｒｅａｓｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｉｒｏｎ-ｂａｓｅｄｐｏｗｄｅｒｍｅｔａｌｌｕｒｇｙｃｏｍｐｌｅｘｐａｒｔｓｂｙｗａｒｍ ｆｌｏｗｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ ＨＵＣｈａｎｇ-ｘｕＮＧＡＩＴｕｎｇｗａｉ-ＬｅｏＺＨＥＮＧＪｕｎ-ｊｕｎＸＩＡＯＺｈｉ-ｙｕＬＩＹｕａｎ-ｙｕａｎ ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＮｅａｒ-ｎｅｔ-ｓｈａｐｅＦｏｒｍｉｎｇｆｏｒＭｅｔａｌｌｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｏｕｔｈＣｈｉｎａ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＧｕａｎｇｚｈｏｕ510640Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｗａｔｅｒ-ａｔｏｍｉｚｅｄｉｒｏｎｐｏｗｄｅｒｓｗｅｒｅｕｓｅｄｂｙｗａｒｍｆｌｏｗｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｔｏｆａｂｒｉｃａｔｅｃｒｏｓｓ-ｓｈａｐｅｄｐａｒｔｓ．Ｔｈｅｄｅｇｒｅａｓｅｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｉｎｔｅｒｅｄｐａｒｔｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｄｅｇｒｅａｓｅｐｒｏｃｅｓｓｉｓｔｏｒａｉｓｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｒｏｍａｍｂｉｅｎｔｔｅｍｐｅｒａ- ｔｕｒｅｔｏ160℃ｔｈｅｎｒａｉｓｅｔｏ300℃ ａｔａｒａｔｅｏｆ1℃·ｍｉｎ －1ａｎｄｈｏｌｄａｔ300℃ ｆｏｒ0∙5ｈｆｏｌｌｏｗｅｄｂｙｒａｉｓｉｎｇｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｏ450℃ ａｔａｒａｔｅｏｆ1∙5℃·ｍｉｎ －1ａｎｄｈｏｌｄａｔ450℃ ｆｏｒ0∙5ｈ．Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔａｔ1300℃．Ｉｔｉｓｓｈｏｗｎｔｈａｔａｔｔｈｅｐｒｏｐｅｒｄｅｇｒｅａｓｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｈｅｗａｒｍｆｌｏｗｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｃａｎｐｒｏｄｕｃｅｃｏｍｐｌｅｘ-ｓｈａｐｅｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｗｉｔｈｌｏｗｃｏｓｔ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｐｏｗｄｅｒｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ；ｉｒｏｎｐｏｗｄｅｒ；ｗａｒｍｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ；ｄｅｇｒｅａｓｉｎｇ 收稿日期：2009--05--12 基金项目：国家自然科学基金资助项目 （Ｎｏ．50574041）；广东省自然科学基金重点项目 （Ｎｏ．06105411）；教育部新世纪优秀人才项目 （Ｎｏ． ＮＣＥＴ--05--0739） 作者简介：胡昌旭 （1985－ ）男硕士研究生；倪东惠 （1955－ ）男教授博士生导师Ｅ-ｍａｉｌ：ｄｈｎｉ＠ｓｃｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 粉末冶金是一种高效、优质、精密、低耗和节能 的近净成形零件制造技术．然而传统粉末冶金技 术在制造复杂几何外形零件方面先天不足．流动温 压是在温压工艺的基础上结合粉末注射成形工艺 的优点通过加入适量的微细粉末和黏结剂大大提 高了混合粉末的流动性、填充性和成形性 ［1］．由于 在压制过程中混合粉末既具有液体的流动性又有 较高的黏度是一种具有良好流动性的黏流体使压 制压力在粉末中得到更有效和更均匀的传递．粉末 在压制过程中能够流向各个角落而不产生裂纹从 而可以在传统压机上精密成形出具有复杂几何外形 的零件如带有与压制方向垂直的凹槽、孔和螺纹孔 等零件而不需要其后的二次机加工从而降低了生 产成本具有很大的经济效益和应用前景 ［2］． 在流动温压工艺中脱脂是很关键的一道工序． 烧结产品的质量和成本在很大程度上由此阶段控 制不正确的脱脂工艺易产生裂纹、孔洞、气泡和膨 胀等缺陷．然而对脱脂工艺 （脱脂温度、脱脂时间 等 ）、脱脂动力学和机理等所进行的相关研究大多 集中于注射成形工艺方面关于流动温压方面的脱 脂研究报道很少 ［3--13］． 为了降低生产成本开发出一种经济可行、可以 制造复杂形状零部件的流动温压技术．本实验避免 使用昂贵的超细粉末选择了普通水雾化铁粉等原 料制备十字形试样并优化出理想的脱脂工艺和烧 结工艺． DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2010．03．017
第3期 胡昌旭等：流动温压成型铁基粉未治金复杂件的脱脂工艺 ,337. 1实验 舟式烧结炉中的分解氨气氛下，分别以300℃和 450℃保温0.5h进行脱脂处理，然后在1300℃烧结 以水雾化铁粉、钼粉和磷铁粉为原料，混合粉末 1h随后冷却至室温. 的成分见表1在V形混粉机中将粉末混合1h后， 用光学显微镜观察烧结样的显微组织，观察面 外加4.0%（质量分数）的黏结剂进行湿混，直至均 与压制方向垂直，用排水法测定生坯和烧结坯的密 匀为止·黏结剂组成（质量分数）为4%石蜡 度.根据国家标准GB515985,使用千分尺分别 (PW)十50%乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)+10% 测定试样的弹性后效和烧结收缩率， 硬脂酸($A)将混好的粉末在真空干燥箱中干燥 3h后，研磨，过100目筛.然后在V形混粉机中二次 2结果与讨论 干混1h在氩气氛下，使用Netzsch STA449热分析 通过对黏结剂中各组元的TGA-DSC分析，可以 仪对混合粉末进行热重分析(TGA)和差示扫描量 确定各组元的分解温度区域，同时用DSC测试黏结 热分析(DsC)升温速率为10℃·min, 剂的融化温度和挥发温度，从而确定流动温压过程 表1混合粉末的化学成分 中的压制温度和脱脂工艺，各组元的TGA-DSC曲 Tabk1 Chemn ical can position of the m ixed powder 线如图1所示.从图1可以看出，W和EVA的热 粉末成分 粒度 质量分数% 解温度分别为171~313℃和343~480℃.在PW 水雾化铁粉 ≤147m 94.0 完全热解后，EVA还没开始发生热解，在烧结时，通 钼粉 ≤75m 2.6 过设置不同温度的保温区间，利用组元热解温度范 磷铁粉 -250目 3.4 围的不同，可以制定出合理的分段脱脂工艺，先脱 利用CMT5105型计算机控制万能材料试验机 除低熔点的黏结剂组元，然后除去较高熔点组元 (深圳新三思试样设备有限公司)，以自制的十字形 这样，当脱除低熔点组元时，坯块中尚有高熔点组元 模具（模腔轴向和横向孔径的内尺寸均为中10mm) 可以维持形状，低熔点组元脱除后，在坯块中形成 压制成形，压制温度为85℃，压制压力为500MPa 了连通孔隙，其余组元就可以利用连通孔隙顺利地 压制速率为240mmmn.用10润滑油进行模壁 脱除，为避免缺陷出现，脱脂过程中的加热速率不 润滑.温压前先将模具预热，然后加入混合粉末压 宜过快， 制，根据混合粉末的TGA和DSC分析结果，优化出 混合粉末的TGA-DSC曲线如图2所示.从 脱脂工艺，本实验的脱脂和烧结过程为：生坯在推 图可以看出，热失重曲线中质量出现明显下降点 放热方向 1放热方向 100 a20 100 h10.8 90 80 -TGA曲线 80- TGA曲线 15 60H 0 6 0.4 40 DSC曲线 DSC曲线 30- 20 02 0 10H 100 200 300400500 600 100200300400 500600 温度℃ 温度℃ 放热方向 100 g ,TGA曲线 2.0 1.5 60 室40 DSC曲线 100200300400 500 温度无 图1黏结剂各组元的TGA DSC曲线.(a)PW;(b)EVA:(c)SA Fig 1 TGADSC curves of camnponents in the binde (a)PW;(b)EVA:(c)SA
第 3期 胡昌旭等： 流动温压成型铁基粉末冶金复杂件的脱脂工艺 1 实验 以水雾化铁粉、钼粉和磷铁粉为原料混合粉末 的成分见表 1．在 Ｖ形混粉机中将粉末混合 1ｈ后 外加 4∙0％ （质量分数 ）的黏结剂进行湿混直至均 匀为止．黏结剂组成 （质 量 分 数 ）为 40％ 石 蜡 （ＰＷ）＋50％乙烯--乙酸乙烯共聚物 （ＥＶＡ） ＋10％ 硬脂酸 （ＳＡ）．将混好的粉末在真空干燥箱中干燥 3ｈ后研磨过100目筛．然后在 Ｖ形混粉机中二次 干混 1ｈ．在氩气氛下使用 ＮｅｔｚｓｃｈＳＴＡ449热分析 仪对混合粉末进行热重分析 （ＴＧＡ）和差示扫描量 热分析 （ＤＳＣ）升温速率为 10℃·ｍｉｎ －1． 表 1 混合粉末的化学成分 Ｔａｂｌｅ1 Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｉｘｅｄｐｏｗｄｅｒ 粉末成分 粒度 质量分数／％ 水雾化铁粉 ≤147μｍ 94∙0 钼粉 ≤ 75μｍ 2∙6 磷铁粉 －250目 3∙4 图 1 黏结剂各组元的 ＴＧＡ--ＤＳＣ曲线．（ａ） ＰＷ；（ｂ） ＥＶＡ；（ｃ） ＳＡ Ｆｉｇ．1 ＴＧＡ-ＤＳＣｃｕｒｖｅｓｏｆｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｔｈｅｂｉｎｄｅｒ：（ａ） ＰＷ；（ｂ） ＥＶＡ；（ｃ） ＳＡ 利用 ＣＭＴ5105型计算机控制万能材料试验机 （深圳新三思试样设备有限公司 ）以自制的十字形 模具 （模腔轴向和横向孔径的内尺寸均为 ●10ｍｍ） 压制成形压制温度为 85℃压制压力为 500ＭＰａ 压制速率为 240ｍｍ·ｍｉｎ －1．用 10 ＃润滑油进行模壁 润滑．温压前先将模具预热然后加入混合粉末压 制．根据混合粉末的 ＴＧＡ和 ＤＳＣ分析结果优化出 脱脂工艺．本实验的脱脂和烧结过程为：生坯在推 舟式烧结炉中的分解氨气氛下分别以 300℃和 450℃保温0∙5ｈ进行脱脂处理然后在1300℃烧结 1ｈ随后冷却至室温． 用光学显微镜观察烧结样的显微组织观察面 与压制方向垂直．用排水法测定生坯和烧结坯的密 度．根据国家标准 ＧＢ／Ｔ5159－85使用千分尺分别 测定试样的弹性后效和烧结收缩率． 2 结果与讨论 通过对黏结剂中各组元的ＴＧＡ--ＤＳＣ分析可以 确定各组元的分解温度区域同时用 ＤＳＣ测试黏结 剂的融化温度和挥发温度从而确定流动温压过程 中的压制温度和脱脂工艺．各组元的ＴＧＡ--ＤＳＣ曲 线如图 1所示．从图 1可以看出ＰＷ 和 ＥＶＡ的热 解温度分别为 171～313℃和 343～480℃．在 ＰＷ 完全热解后ＥＶＡ还没开始发生热解．在烧结时通 过设置不同温度的保温区间利用组元热解温度范 围的不同可以制定出合理的分段脱脂工艺．先脱 除低熔点的黏结剂组元然后除去较高熔点组元． 这样当脱除低熔点组元时坯块中尚有高熔点组元 可以维持形状．低熔点组元脱除后在坯块中形成 了连通孔隙其余组元就可以利用连通孔隙顺利地 脱除．为避免缺陷出现脱脂过程中的加热速率不 宜过快． 混合粉末的 ＴＧＡ--ＤＳＣ曲线如图 2所示．从 图 2可以看出热失重曲线中质量出现明显下降点 ·337·
,338 北京科技大学学报 第32卷 时为160℃，比石蜡的热重曲线下降了11℃C,这可能 1400 是由于硬脂酸更容易分散在黏结剂中，颗粒较小，在 1200 黏结剂的热重分析升温阶段，硬脂酸就大量挥发脱 1000 除，从而热失重曲线质量下降点提前到160℃，在 160~280℃和330~450℃时，热失重最明显.在 足800 160~280℃温度段，由于石蜡和硬脂酸分解，质量 450 减少了2.06%.在330~450℃时，EVA分解，质量 400 100 降低了1.16%.在DSC曲线上，在温度约为58℃ 200 160 时，出现了一个吸热峰，这是由于表面活性剂SA的 融化造成的，由上述结果分析可知，该黏结剂的脱 100 200 300400500600 时间min 脂工艺选定为：先以较快的速率升温到160℃，然后 图3脱脂工艺和烧结工艺参数 以1℃·mn的速率升温到300℃，保温0.5h然后 Fig 3 Parmeters for degreasing and sintering process 以1.5℃·mm的速率升温到450℃，保温0.5h再 的阶段，大部分脱脂缺陷的产生都与该阶段有关 以较快的升温速率升到烧结温度，工艺曲线如图3 该阶段采用缓慢的升温速率是因为石蜡开始熔融分 所示 解，但压坯的孔隙通道较少，如果升温过快，就会导 100.0 放热方向 致有机物热解过快，产生大量气体，从而引起脱脂坯 99.5 阶段一质量改变 025 TCA曲线 /-2.06% 鼓泡、开裂和变形.图4为此阶段加热速率分别为6 99.0 0.20 竖98.5 和8℃·min时产生的缺陷.第3阶段，即300~ 年98.0 0.15 450℃温度段，此阶段升温速率可以加快，因为在 97.5 、DSC曲线 -1.16%0.10 300℃后由于占黏结剂多数的W己基本热解完毕， 97.0 阶段二 96.5 一质量政变0.05 EVA开始分解，压坯中颗粒间的孔隙通道已经形 100 200 300400 500600 成，EVA的热解气体可以顺利逸出，此阶段的升温 温度心 速率可提高到1.5℃·mn1,然后在450℃保温 图2含4%黏结剂的混合粉末的TGA-DSC曲线 Fg 2 TGADSC curves of the m ixed powder with binder 0,5h经保温0.5h后，压坯坯中的黏结剂已基本脱 除，压坯完全依靠粉末颗粒间的啮合力和烧结颈来 脱脂程序共分三个阶段：第1阶段，在1h内将 维持坯体形状，在外力的作用下坯体极易变形、塌 脱脂温度从室温升到160℃，从图2的TGA曲线上 陷.完成脱脂后再以较快的速率加热到1300℃进 看，结合图1(c),可知在该温度范围内，黏结剂中含 行烧结 量较少的SA组元出现部分融化并排出坯外，在坯 图5是本实验使用流动温压工艺制备出形状规 体中形成连通的孔隙，为黏结剂的脱除做好准备，因 整、无表面缺陷的十字形烧结试样，用排水法测得 此可以采用比较快的升温速率。第2阶段，即以 烧结前、后试样的密度分别为5.47和6.80gam3 1℃·mim的升温速率从160℃加热到300℃，并在 烧结样轴向部分的微观组织如图6所示，从图6可 300℃保温0.5h这一阶段是脱脂过程中最为重要 以看出，基体上存在一定的孔洞，这主要是由于黏结 (b) 10 mm 10 mm 图4有缺陷的烧结坯，(a)收缩变形；(b)膨胀破裂 Fig 4 Sintered parts with defects (a)shrinkage (b)cmacking due lo expansion
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 时为160℃比石蜡的热重曲线下降了11℃这可能 是由于硬脂酸更容易分散在黏结剂中颗粒较小在 黏结剂的热重分析升温阶段硬脂酸就大量挥发脱 除从而热失重曲线质量下降点提前到 160℃．在 160～280℃和 330～450℃时热失重最明显．在 160～280℃温度段由于石蜡和硬脂酸分解质量 减少了 2∙06％．在 330～450℃时ＥＶＡ分解质量 降低了 1∙16％．在 ＤＳＣ曲线上在温度约为 58℃ 时出现了一个吸热峰这是由于表面活性剂 ＳＡ的 融化造成的．由上述结果分析可知该黏结剂的脱 脂工艺选定为：先以较快的速率升温到 160℃然后 以 1℃·ｍｉｎ －1的速率升温到 300℃保温 0∙5ｈ然后 以 1∙5℃·ｍｉｎ －1的速率升温到 450℃保温0∙5ｈ再 以较快的升温速率升到烧结温度．工艺曲线如图 3 所示． 图 2 含 4％黏结剂的混合粉末的 ＴＧＡ--ＤＳＣ曲线 Ｆｉｇ．2 ＴＧＡ-ＤＳＣｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｍｉｘｅｄｐｏｗｄｅｒｗｉｔｈ4％ ｂｉｎｄｅｒ 图 4 有缺陷的烧结坯．（ａ） 收缩变形；（ｂ） 膨胀破裂 Ｆｉｇ．4 Ｓｉｎｔｅｒｅｄｐａｒｔｓｗｉｔｈｄｅｆｅｃｔｓ：（ａ） ｓｈｒｉｎｋａｇｅ；（ｂ） ｃｒａｃｋｉｎｇｄｕｅｔｏｅｘｐａｎｓｉｏｎ 脱脂程序共分三个阶段：第 1阶段在 1ｈ内将 脱脂温度从室温升到 160℃从图 2的 ＴＧＡ曲线上 看结合图 1（ｃ）可知在该温度范围内黏结剂中含 量较少的 ＳＡ组元出现部分融化并排出坯外在坯 体中形成连通的孔隙为黏结剂的脱除做好准备因 此可以采用比较快的升温速率．第 2阶段即以 1℃·ｍｉｎ －1的升温速率从 160℃加热到 300℃并在 300℃保温 0∙5ｈ．这一阶段是脱脂过程中最为重要 图 3 脱脂工艺和烧结工艺参数 Ｆｉｇ．3 Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｄｅｇｒｅａｓｉｎｇａｎｄｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ 的阶段大部分脱脂缺陷的产生都与该阶段有关． 该阶段采用缓慢的升温速率是因为石蜡开始熔融分 解但压坯的孔隙通道较少如果升温过快就会导 致有机物热解过快产生大量气体从而引起脱脂坯 鼓泡、开裂和变形．图 4为此阶段加热速率分别为 6 和 8℃·ｍｉｎ －1时产生的缺陷．第 3阶段即 300～ 450℃温度段此阶段升温速率可以加快因为在 300℃后由于占黏结剂多数的 ＰＷ已基本热解完毕 ＥＶＡ开始分解压坯中颗粒间的孔隙通道已经形 成ＥＶＡ的热解气体可以顺利逸出．此阶段的升温 速率可提高到 1∙5℃·ｍｉｎ －1然后在 450℃保温 0∙5ｈ．经保温 0∙5ｈ后压坯坯中的黏结剂已基本脱 除压坯完全依靠粉末颗粒间的啮合力和烧结颈来 维持坯体形状在外力的作用下坯体极易变形、塌 陷．完成脱脂后再以较快的速率加热到 1300℃进 行烧结． 图 5是本实验使用流动温压工艺制备出形状规 整、无表面缺陷的十字形烧结试样．用排水法测得 烧结前、后试样的密度分别为 5∙47和 6∙80ｇ·ｃｍ －3． 烧结样轴向部分的微观组织如图 6所示．从图 6可 以看出基体上存在一定的孔洞这主要是由于黏结 ·338·
第3期 胡昌旭等：流动温压成型铁基粉末治金复杂件的脱脂工艺 ,339 剂含量相对较高（与传统粉末冶金工艺相比），在脱 本实验理想的脱脂工艺为：先以较快的速率升温到 脂过程完成之后，黏结剂基本消失，在其原来所在的 160℃；然后以1℃·mm的速率升温到300℃，保 地方留下了一定的孔洞.在远离压制轴线的横向部 温0.5k再以1.5℃·mim的速率升温到450℃，保 分，因为在压制过程中粉末的流动性不够理想，压力 温0.5h:最后以较快的升温速率升温到烧结温度， 传递不均匀，在致密化过程里粉末没有充分变形，不 在1300℃进行烧结.试样的横向尺寸收缩率和弹 能更好地填充孔洞，使横向部分的孔洞更为明显， 性后效略大于轴向尺寸收缩，但相差不大， 参考文献 10mm [1]Veltl G.Oppert A.PetzoHt F.Wam flow capaction fosters more compkx PM parts Met Powder Rep 2001.56.26 [2]Beiss P.Canpetitive Advantages by NearNetShape Manufacuur ing Frankfurt DGM Infomation sgesellschaft 1997 [3]Zhang H.Geman R M.HensK F etal Pmcessing and theme chanical pmperties of injection molled Fe2 Nisteels Adv Pow der Metall 1990.437 [4]Vetter R.Sanders M J MajewskaG lbus I et al W ick debnd- ing in powder njection moling Powder Metall 1994.30(1): 图5烧结试样 115 Fig5 Sintered part [5]Hwang K S Tsou T H.Pore stmicture evoltion in metal injection mokled part during themal debinding Scripta Metall Mater 199226.655 [6]Pischang K.Hucttich S Sintering panmeter and debinding process of cabonylic imn /ABSbinder feedstock Adv PowderMet all Part Mater 1996:133 [7]Zhang L Zhou K C LiZ Y,et al Degmadation and the kinetics of binder cmnoval Met Powder Rep 2006.60(11):28 [8]Fu G.Loh N H.TorS B.etal Injection moling debinding and sinterng of 316 L stainless steel m icmstnuctumes Appl Phys A 50μm 200581.495 [9]AggawalG.Snid I Park S J et al Development of niobim 图6绕结坯轴向部分的微观形貌 powder injection moling Partll.Debinding and sinterng IntJ Fig 6 M icmostructure of sintered part center portion n axial direc Refmaet Met Hand Mater 2007.25 226 tion [10]Zhu B J Ou X H.Tao Y.et al Condensed-solvent debinding 十字件的弹性后效和烧结收缩率见表2十字 process of PM.Rare Met Mater Eng 2004.33(10):1056 (祝宝军，曲选辉，陶颖，等.粉末注射成形冷凝蒸气脱脂过 形压坯横向的尺寸收缩率和弹性后效均略大于轴向 程研究.稀有金属材料与工程，200433(10)：1056) 尺寸收缩，但相差不大 [11]Tian JJ Tao SW.ZhangG S etal Study on solventdebinding 表2十字形件的弹性后效和烧结收缩率 of njection moling parts of Sm (Co Cu Fe Zr),pemanent Table 2 Sprng back effect and sinter shrinkage percentage of cross magnets PowderMetall Ind 2006 16(2):9 shaped parts (佃建军，陶斯武，张深根，等.Sm(Co Cw F。Z),永磁体 测试 生坯尺 绕结坯 烧结收 弹性 注射成形坯溶剂脱脂工艺的研究·粉末冶金工业，2006,16 方向 寸hmm 尺寸mm缩率% 后效% (2):9) 轴向长度方向 21.68 20.52 -5.35 [12]LiY M.Qu X H.Huang B Y.et al Step by step fast debinding 轴向直径方向 10.02 9.64 -3.79 0.20 process of the wax based MM binder of multi polymer compo- 横向长度方向 26.80 23.94 -10.67 nents Ram MetMater Eng 2000 29(1):46 横向直径方向 10.06 8.74 -13.12 0.60 (李益民，曲选辉，黄伯云，等.多聚合物组元石蜡基MM 粘结剂的分步快速脱脂过程.稀有金属材料与工程，2000， 3结论 29(1):46) [13]NgaiTL Zhou S B.X iao Z Y.etal Debinding and sntering of 通过流动温压技术，利用普通水雾化铁粉可以 wam comnpacted and bindertreated coplex iron base part 制造出形状规整、无表面缺陷的十字形烧结试样 Tmans NonfermusMet Soc Chna 2007.17(Suppl 2):s589
第 3期 胡昌旭等： 流动温压成型铁基粉末冶金复杂件的脱脂工艺 剂含量相对较高 （与传统粉末冶金工艺相比 ）在脱 脂过程完成之后黏结剂基本消失在其原来所在的 地方留下了一定的孔洞．在远离压制轴线的横向部 分因为在压制过程中粉末的流动性不够理想压力 传递不均匀在致密化过程里粉末没有充分变形不 能更好地填充孔洞使横向部分的孔洞更为明显． 图 5 烧结试样 Ｆｉｇ．5 Ｓｉｎｔｅｒｅｄｐａｒｔ 图 6 烧结坯轴向部分的微观形貌 Ｆｉｇ．6 Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｉｎｔｅｒｅｄｐａｒｔｃｅｎｔｅｒｐｏｒｔｉｏｎｉｎａｘｉａｌｄｉｒｅｃ- ｔｉｏｎ 十字件的弹性后效和烧结收缩率见表 2．十字 形压坯横向的尺寸收缩率和弹性后效均略大于轴向 尺寸收缩但相差不大． 表 2 十字形件的弹性后效和烧结收缩率 Ｔａｂｌｅ2 Ｓｐｒｉｎｇ-ｂａｃｋｅｆｆｅｃｔａｎｄｓｉｎｔｅｒｓｈｒｉｎｋａｇｅｐｅｒｃｅｎｔａｇｅｏｆｃｒｏｓｓ- ｓｈａｐｅｄｐａｒｔｓ 测试 方向 生坯尺 寸／ｍｍ 烧结坯 尺寸／ｍｍ 烧结收 缩率／％ 弹性 后效／％ 轴向长度方向 21∙68 20∙52 －5∙35 － 轴向直径方向 10∙02 9∙64 －3∙79 0∙20 横向长度方向 26∙80 23∙94 －10∙67 － 横向直径方向 10∙06 8∙74 －13∙12 0∙60 3 结论 通过流动温压技术利用普通水雾化铁粉可以 制造出形状规整、无表面缺陷的十字形烧结试样． 本实验理想的脱脂工艺为：先以较快的速率升温到 160℃；然后以 1℃·ｍｉｎ －1的速率升温到 300℃保 温 0∙5ｈ；再以 1∙5℃·ｍｉｎ －1的速率升温到 450℃保 温 0∙5ｈ；最后以较快的升温速率升温到烧结温度 在 1300℃进行烧结．试样的横向尺寸收缩率和弹 性后效略大于轴向尺寸收缩但相差不大． 参 考 文 献 ［1］ ＶｅｌｔｌＧＯｐｐｅｒｔＡＰｅｔｚｏｌｄｔＦ．Ｗａｒｍ ｆｌｏｗ ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｆｏｓｔｅｒｓ ｍｏｒｅｃｏｍｐｌｅｘＰＭｐａｒｔｓ．ＭｅｔＰｏｗｄｅｒＲｅｐ200156：26 ［2］ ＢｅｉｓｓＰ．ＣｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅＡｄｖａｎｔａｇｅｓｂｙＮｅａｒ-Ｎｅｔ-ＳｈａｐｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒ- ｉｎｇ．Ｆｒａｎｋｆｕｒｔ：ＤＧＭＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ1997 ［3］ ＺｈａｎｇＨＧｅｒｍａｎＲＭＨｅｎｓＫＦｅｔａｌ．Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｔｈｅｍｅ- ｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｅｄＦｅ-2％Ｎｉｓｔｅｅｌｓ．ＡｄｖＰｏｗ- ｄｅｒＭｅｔａｌｌ1990：437 ［4］ ＶｅｔｔｅｒＲＳａｎｄｅｒｓＭＪＭａｊｅｗｓｋａ-ＧｌａｂｕｓＩｅｔａｌ．Ｗｉｃｋ-ｄｅｂｉｎｄ- ｉｎｇｉｎｐｏｗｄｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇ．ＰｏｗｄｅｒＭｅｔａｌｌ199430（1）： 115 ［5］ ＨｗａｎｇＫＳＴｓｏｕＴＨ．Ｐｏｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｉｎｍｅｔａｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｅｄｐａｒｔｄｕｒｉｎｇｔｈｅｒｍａｌｄｅｂｉｎｄｉｎｇ． Ｓｃｒｉｐｔａ ＭｅｔａｌｌＭａｔｅｒ 199226：655 ［6］ ＰｉｓｃｈａｎｇＫ Ｈｕｃｔｔｉｃｈ Ｓ． Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒａｎｄ ｄｅｂｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃａｒｂｏｎｙｌｉｃｉｒｏｎ／ＡＢＳ-ｂｉｎｄｅｒｆｅｅｄｓｔｏｃｋ．ＡｄｖＰｏｗｄｅｒＭｅｔ- ａｌｌＰａｒｔＭａｔｅｒ1996：133 ［7］ ＺｈａｎｇＬＺｈｏｕＫＣＬｉＺＹｅｔａｌ．Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｋｉｎｅｔｉｃｓ ｏｆｂｉｎｄｅｒｅｍｏｖａｌ．ＭｅｔＰｏｗｄｅｒＲｅｐ200660（11）：28 ［8］ ＦｕＧＬｏｈＮＨＴｏｒＳＢｅｔａｌ．Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇｄｅｂｉｎｄｉｎｇａｎｄ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇｏｆ316Ｌｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．ＡｐｐｌＰｈｙｓＡ 200581：495 ［9］ ＡｇｇａｒｗａｌＧＳｍｉｄＩＰａｒｋＳＪｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｎｉｏｂｉｕｍ ｐｏｗｄｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇ：ＰａｒｔⅡ．Ｄｅｂｉｎｄｉｎｇａｎｄｓｉｎｔｅｒｉｎｇ．ＩｎｔＪ ＲｅｆｒａｃｔＭｅｔＨａｒｄＭａｔｅｒ200725：226 ［10］ ＺｈｕＢＪＱｕＸＨＴａｏＹｅｔａｌ．Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ-ｓｏｌｖｅｎｔｄｅｂｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｏｆＰＩＭ．ＲａｒｅＭｅｔＭａｔｅｒＥｎｇ200433（10）：1056 （祝宝军曲选辉陶颖等．粉末注射成形冷凝蒸气脱脂过 程研究．稀有金属材料与工程200433（10）：1056） ［11］ ＴｉａｎＪＪＴａｏＳＷＺｈａｎｇＧＳｅｔａｌ．Ｓｔｕｄｙｏｎｓｏｌｖｅｎｔｄｅｂｉｎｄｉｎｇ ｏｆｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇｐａｒｔｓｏｆＳｍ（ＣｏＣｕＦｅＺｒ）ｚｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｓ．ＰｏｗｄｅｒＭｅｔａｌｌＩｎｄ200616（2）：9 （田建军陶斯武张深根等．Ｓｍ（ＣｏＣｕＦｅＺｒ）ｚ永磁体 注射成形坯溶剂脱脂工艺的研究．粉末冶金工业200616 （2）：9） ［12］ ＬｉＹＭＱｕＸＨＨｕａｎｇＢＹｅｔａｌ．Ｓｔｅｐｂｙｓｔｅｐｆａｓｔｄｅｂｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｗａｘｂａｓｅｄＭＩＭ ｂｉｎｄｅｒｏｆｍｕｌｔｉ-ｐｏｌｙｍｅｒｃｏｍｐｏ- ｎｅｎｔｓ．ＲａｒｅＭｅｔＭａｔｅｒＥｎｇ200029（1）：46 （李益民曲选辉黄伯云等．多聚合物组元石蜡基 ＭＩＭ 粘结剂的分步快速脱脂过程．稀有金属材料与工程2000 29（1）：46） ［13］ ＮｇａｉＴＬＺｈｏｕＳＢＸｉａｏＺＹｅｔａｌ．Ｄｅｂｉｎｄｉｎｇａｎｄｓｉｎｔｅｒｉｎｇｏｆ ｗａｒｍ ｃｏｍｐａｃｔｅｄ ａｎｄ ｂｉｎｄｅｒ-ｔｒｅａｔｅｄ ｃｏｍｐｌｅｘｉｒｏｎ-ｂａｓｅｐａｒｔ． ＴｒａｎｓＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔＳｏｃＣｈｉｎａ200717（Ｓｕｐｐｌ2）：ｓ589 ·339·