金属粉末形貌与显微硬度对粉末成形性的影响研究

邓 颖，孟 强

（1．西部宝德科技股份有限公司，陕西 西安710201；2．西安长峰机电研究所，陕西 西安710065）

众所周知，烧结金属粉末多孔材料是采用金属或合金粉末为原料，通过压制成形和高温烧结而成、具有刚性结构的多孔材料[1]。由于其内部具有大量连通孔道，且孔径可调范围大，广泛应用于过滤、分离、化工、医药等领域。

在烧结粉末多孔材料制备工艺过程中，成形工艺是从粉末到多孔材料的关键工序之一。成形的目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定密度和强度。成形方法分为加压和无压两大类。加压成形中应用最普遍的为等静压成形。影响等静压成形的因素有粉末形状、粉末硬度、压制压力、粉末粒度等等[2]。在实际生产过程中，相同粉末压制压力一定前提下，粉末形状和粉末硬度的影响尤为突出。本文旨在研究粉末形貌和显微硬度对成形性的影响，为工业化生产提供一定的理论依据与技术支撑。

1 实验方法

1.1 设备

粉末成形设备：6000T冷等静压机。

粉末微观形貌分析设备：ZEISS Sigma HD分析型场发射扫描电子显微镜。

粉末微观硬度分析设备：401MVA显微维氏硬度计。

压溃强度检测方法装置：GB6804-2008《径向压溃强度测定》标准中专用测试装置。

1.2 样品制备

在不同压制压力下，三组不同规格水雾化金属粉末，经6000T冷等静压压机直接压制成管坯。三组粉末材质、松装密度、粒度、压制压力、压制规格相关参数见表1。

表1 三组金属粉末材质、松装密度、粒度、压制压力、压制规格

编号3中的镍粉1无法直接压制成形。

1.3 样品测试方法

利用ZEISS扫描电子显微镜上进行微观形貌扫描，观察粉末形貌特征；利用401MVA显微维氏硬度计测试粉末颗粒硬度；按照GB6804-2008《径向压溃强度测定》标准中专用测试装置测试管坯压溃强度。

1.4 金属粉末微观形貌

对表1中6种规格金属粉末在ZEISS扫描电子显微镜上进行微观形貌扫描，具体见图1。对图1粉末形貌特征进行汇总，具体见表2。

图1 三组金属粉末微观形貌

表2 三组金属粉末微观形貌特征

通过观察粉末形貌可知，编号1与编号2粉末形貌不规则度较高，颗粒表面不规则凸起较多，内部缺陷也多；编号3两种粉末不规则度低，颗粒圆润平滑，边角凸起较少。

1.5 金属粉末微观显微硬度

采用401MVA显微维氏硬度计测量金刚石角锥压头的压痕对角线长，计算得到粉末颗粒的显微硬度。

对表1中三组金属粉末每个粉末测量3～5个数值，并对测试值计算求平均值，具体结果见表3。

表3 三组金属粉末显微硬度测试值及平均值

由表3可知，铁铝粉末、不锈钢粉末、镍粉末显微硬度差别较大；其中，铁铝粉2比铁铝粉1显微硬度高60.3%，不锈钢粉2比不锈钢粉1显微硬度高41.4%，镍粉2比镍粉1显微硬度高58.2%。

1.6 金属粉末压坯压溃强度测试结

对三组编号中每种粉末坯体各取小样（φ60×20）mm三个，按照检测方法测定各小样的压溃强度，然后取平均值为最终压溃强度。压溃强度是压坯反抗外力作用保持几何形状与尺寸不变的能力，压溃强度越大，粉末成形性越好。

下表4是三组粉末管坯对应的压溃强度与粉末成形性。

表4 三组金属粉末压溃强度与成形性

备注：编号3中的镍粉1无法直接压制成形，故压溃强度与成形性不存在。

2 分析与讨论

2.1 金属粉末微观形貌对成形性的影响

由表4可知，三组组间金属粉末平均压溃强度大小关系依次为：不锈钢粉（3.75MPa）＞铁铝粉（2.45MPa）＞镍粉（0.75MPa）；由表2可知，不锈钢粉与铁铝粉末形貌不规则度高，镍粉末形貌规则，边角圆滑。

对比可知，粉末颗粒形状越复杂，表面越粗糙，生坯压溃强度越高，粉末成形性越好；粉末颗粒边角越圆润光滑，粉末成形性越差。

2.2 金属粉末微观显微硬度对成形性的影响

粉末显微硬度反映粉末颗粒的塑性变形能力。硬度值越小，塑性变形能力越好；硬度值越大，塑性变形能力越差。

由表3可知，不锈钢粉与铁铝粉组内两种粉末平均显微硬度大小关系依次为：铁铝粉1（HV159）＜铁铝粉2（HV254），不锈钢粉 1（HV121）＜不锈钢粉 2（HV171）；

由表4知，编号1与编号2组内两种金属粉末平均压溃强度大小关系依次为：铁铝粉1（2.7Mpa）＞铁铝粉2（2.2MPa），不锈钢粉 1（4.0MPa）＞不锈钢粉 2（3.5MPa）。

根据以上数据对比关系可知，粉末显微硬度越小，坯体压溃强度越高，粉末成形性越好。

2.3 金属粉末微观形貌与显微硬度对成形性的影响

由表4知，第三组组内金属粉末平均压溃强度大小关系依次为：镍粉2（1.5MPa）＞镍粉1（没有成形）；由表2可知，镍粉末不规则度低，颗粒圆润平滑，边角凸起较少，尤其镍粉1几乎全是土豆状粉末，即使粉末硬度较低，成形性也很差，生坯压溃强度更无从谈起；而镍粉2可压制成形，因此得出，粉末形貌的不规则相对显微硬度低对编号3粉末成形性影响更大。

粉末不规则度高与显微硬度低，生坯强度越高的原因在于：在等静压压制成形过程中，粉末颗粒首先发生位移和变形，粉末外表面不规则的枝状凸起相互楔住和钩连，从而形成粉末之间的机械结合。颗粒之间的咬合力越大，生坯压溃强度越高，成形性越好，如（编号2不锈钢粉与编号1铁铝粉）。颗粒表面越圆润，粉末外表面互楔住和钩连越少，相互颗粒之间的机械咬合力就越小，等静压成型压制卸压后，在粉末弹性后效作用下，生坯强度变会变差，如编号3镍粉。

另外，通过添加金属粉末粘结剂或粉末预处理来改善粉末的成形性。如镍粉通过添加粘结剂改善成形性[3]；或通过退火处理[4]，消除粉末加工硬化，进而改善其显微硬度，增加塑性变形，降低粉末弹性后效作用，增加坯体强度，改善粉末成形性。

3 结论

1）粉末颗粒形状越复杂，表面越粗糙，生坯压溃强度越高，粉末成形性越好。

2）粉末颗粒边角圆润，成形性较差，可以通过添加粘结剂改善粉末成形性。

3）相同粉末规格，粉末形貌差别不大时，粉末显微硬度越低，生坯压溃强度越高，粉末成形性越好[4]。

4）粉末形貌与显微硬度相比，粉末形貌不规则度比显微硬度对粉末成形性的影响更大。