铁基粉末冶金制品由于技术上和经济上的优越性而被广泛应用于汽车、机械、化工、电子等领域，其中汽车产业是粉末冶金零件的主要用户［1 －2］。随着我国汽车工业持续快速的增长，粉末冶金制品的需求量日益增大，性能要求也越来越高。密度在7. 4g /cm3以上的汽车用高品质粉末冶金铁基零件，如高强度齿轮、连杆、同步器齿毂、行星轮支架和链轮等关键零部件仍然依赖进口或传统机械加工［3 －5］。开发高密度、高强度、高精度、大尺寸和复杂形状的粉末冶金零件的制备技术是粉末冶金工业发展的一个重要方向。
高速压制是一种高效率成形高密度零件的新技
术，它利用重锤( 5 ～1 200 kg) 高速( 2 ～30m/s) 冲击产生的巨大冲击波能量使金属粉末在 20ms 内进行致密化，而且通过间隔 300ms 的多重冲击能达到更高的致密度。为了进一步提高压坯密度，高速压制技术还能和其它工艺相结合，例如模壁润滑和高速压制相结合而形成了模壁润滑高速压制技术，温压和高速压制结合就出现了温粉高速压制技术此外，高速压制还能和复压和烧结硬化等工艺相结合以提高粉末冶金制品的综合性能。本文作者将粉末改性与高速压制技术相结合，首先从粉末改性的角度出发以提高粉末的填充性、流动性和塑性变形能力，然后利用高速压制成形技术得到高密度铁基合金。主要研究内容包括粘结化铁基粉末的表征，及其高速压制和烧结致密化行为。
1 试验
本试验所用的粘结化铁基粉末由莱芜市新艺粉末冶金制品有限公司提供，该粉末是以水雾化Fe 粉作为基体粉末，通过优化粉末粒度组成、添加合金元素、润滑剂、塑化剂和粘结化处理后获得。粘结化铁基粉末的名义成分( 质量分数) 为 Fe － 1. 5Ni －0. 5Cu － 0. 5C。粘结化铁基粉末在 600 ～ 1 000℃ 的温度范围内进行塑化改性处理后就得到具有优异塑性变形能力的高密度成形专用粉末。粘结化铁基粉末和专用粉末分别在 HYP35 －2 型高速冲击成形压机上进行压制，最大压制行程为 60mm，单次最大压制能量 1 590J，压制过程中使用模壁润滑降低脱模力。压坯在 GSL － 1600 型管式烧结炉中进行烧结，采用氢气作为保护气氛，烧结温度为 900 ～1 150℃ ，保温 2h。采用 Archimedes 法测定试样的密度。粉末的形貌、烧结态显微组织和断口形貌通过 LEO1450 型扫描电镜进行分析。
2 结果与讨论
2. 1 粘结化铁基粉末表征图 1 是水雾化 Fe 粉和粘结化铁基粉末的显微组织。图 1( a) 是粒径为 90 ～ 140μm 的水雾化 Fe粉，Fe 粉颗粒形状不规则，分散性较好，没有颗粒的团聚; 水雾化粉末的松装密度为 2. 85 ～3. 05g/cm3，流动性为 29. 5s/50g。图 1( b) 是经过粘结化和塑化改性处理后的高密度成形粉末，简称专用粉末。专用粉末由多种粒径的粉末颗粒组成，少量粉末颗粒的粒径为 50 ～ 100μm，大部分粉末颗粒的粒径为100 ～ 200μm，还有粒径为 240μm 左右的大颗粒，这种大颗粒是由多个单颗粒粘结在一起形成的复合体。专用粉末的平均粒径大于原料粉末，粉末颗粒表面积的减少降低了粉末颗粒之间的内摩擦力，而且改性处理后的粉末比原始雾化粉末更加圆滑，因此流动性更好，改性处理粉末的流动性提高到25. 1s /50g。多种不同粒径粉末的搭配使用使小颗粒能够填充到大颗粒的空隙中去，有效提高了粉末的堆积密度，专用粉末的松装密度提高到 3. 2 ～3. 4g/cm3。图 1( b) 中的圆圈标记的是合金元素 Ni和 Cu 的分布，粘结化处理使细小的( 3 ～5μm) 合金元素粉末均匀粘附在 Fe 粉颗粒表面，这为合金元素的均匀扩散提供了有利条件，特别是合金元素 C 的扩散均匀化对于获得均匀的显微组织是至关重要的。
2. 2 高速压制
图 2 所示为经过塑化处理和未经过塑化处理的专用粉末在不同压制速度( 或压制能量) 下的压坯密度。对于未经塑化处理的粉末，压坯密度随压制速度的增大比较缓慢地增加; 在 6.2m/s 的压制速度下，压坯密度为 7.21g/cm3; 当压制速度增加到8. 7m / s 时，压坯密 度 也 只 能 达 到 7.37g/cm3，压坯密度很难随着压制速度的提高而进一步提升。经过塑化处理后，压坯密度随着压制速度的增加而大幅度提高。在 6. 2 ～7. 1m/s 的压制速度范围内( 压制能量为 0. 795 ～1. 06kJ) ，压坯密度随着压制速度的增大而大幅度提高，平均增加速率为 0.272gcm－3/(m·s－1) ; 当压制速度从 7.1m/s 增加到8.7m/s时( 对应的压制能量为 1. 06 ～ 1. 59kJ) ，压坯密度从 7. 31g/cm3增加到 7. 62g/cm3，平均增加速率为 0. 86g·cm－ 3/ ( m · s－ 1) 。当压制速度 ＜7. 1m /s 时，未经塑化处理粉末的压坯密度高于经过
塑化处理粉末的压坯密度，这是由于专用粉末中的润滑剂改善了粘结化铁基粉末的流动性，并且可以减少压制过程中粉末颗粒之间的摩擦阻力，使粉末颗粒得以在压制过程中能够更好地进行颗粒重排和传递冲击能量，因而有利于压坯密度的提高。然而，当压制速度 ＞7. 1m/s 时，未经塑化处理粉末的压坯密度明显低于塑化处理后的专用粉末，并且二者之间的密度差异随着压制速度的增大而呈增大的趋势。这是由于: 未经过塑化处理的粉末中含有一定量的润滑剂和增塑剂，这些有机物滞留在坯体内部将阻碍压坯的致密化; 经过塑化处理后，专用粉末中的增塑剂和润滑剂被清除，不会阻碍粉末的致密化;更为重要的是，增塑改性处理降低了 Fe 粉颗粒的硬度，能够减小颗粒塑性变形的阻力，从而使 Fe 粉颗粒整体塑性变形的能力得到显著改善; 此外，不同粒径粉末的科学搭配有效减小了颗粒间的孔隙体积，也能够使颗粒的堆积密度提高。可见，专用粉末经过高速压制后能够获得如此高的致密度，主要得益于粉末的改性处理，其中增塑改性处理是提高压坯密度的关键。
2. 3 烧结致密化
图4 所示为不同压制速度( 或压制能量) 下的压坯密度和在 1 150℃ 烧结后的密度变化。在 6. 2 ～8. 7m / s 的 压 制速度 范围 内，压 坯 密 度 为 7. 07 ～7. 62g / cm3，相应的烧结体的密度为 7. 10 ～ 7. 51 g/cm3。当压制速度 ＜ 7. 1m/s 时，压坯的密度和烧结体的密度差异不大。当压制速度 ＞7. 1m/s 时，烧结体的密度低于压坯密度，并且压坯和烧结体之间的密度差异随着压制速度的增加而增大。在 8. 7m/s的压制速度下，烧结体密度比压坯密度低0. 11g/cm3;这主要是由于高的压制能量使压坯内部残留较大的弹性应变，并在升温过程产生较大应变松弛。优化烧结工艺和合金成分以控制高密度坯体在烧结过程中的膨胀是高密度铁基合金制备的关键问题之一。图 5 所示为未塑化和塑化粉末经过 8. 7m/s 高速压制和不同温度烧结后的显微组织。图 5( a) ～( c) 为未塑化粉末坯体在 900 ～1 150℃烧结后的显微组织。烧结温度是 900℃ 时，坯体中残留了较多的孔隙，显微组织中的灰色相是添加的 Ni、Cu 和 Mo等合金元素。随着烧结温度的升高，合金元素的富集区域明显扩大，表明合金元素发生了部分扩散，但是扩散还不充分，如图 5( b) 所示。当烧结温度提高到 1 150℃时，合金元素的分布较均匀。
3 结论
1) 粉末粒径搭配、粘结化处理和增塑改性处理技术可提高 Fe －1. 5Ni －0. 5Cu －0. 5C 粉末的流动性和松装密度; 所得高密度成形粉末的流动性为25. 1s /50g，松装密度为 3. 2 ～ 3. 4g / cm3。
2) 粘结化和塑化改性处理改善了粉末的高速压制性能，改性处理粉末的压坯密度随着冲击能量的增加而逐渐增大，最高压坯密度可以达到 7. 62g/cm3。
3) 高速压制压坯的高密度和大量冷焊区域的形成促进了合金元素的扩散均匀化，并提高烧结体的延性断裂特征。烧结态铁基合金的密度达到7. 51g / cm3，相对密度为 96. 5%。
参考文献略
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