粉末冶金压坯裂纹预防措施及工艺优化探讨

摘要：粉末冶金压坯裂纹的产生，是关系到粉末冶金制品品质与性能的一个重要课题。产生的原因一般有粉末配方不合适、压制工艺不尽合理、模具设计存在缺陷等等诸多因素。文章首先对粉末冶金压坯裂纹产生的原因进行分析，并有针对性地提出优化粉末配方，完善压制工艺参数以及加强模具设计及维修等防治措施。另外，还对压坯裂纹工艺优化问题展开了讨论，其中主要涉及烧结温度与时间的调节，压坯退火工艺的优化及压坯表面处理方法的改进。

关键词：粉末冶金；压坯裂纹；工艺优化

1.粉末冶金压坯裂纹成因分析

粉末冶金压坯裂纹萌生是个复杂过程，其中涉及到诸多因素交互作用。常见裂纹产生原因如下：一是粉末物理、化学性质对压坯均匀性、致密度有直接影响。如粉末粒度分布，形状和表面性质对压坯质量均有影响。若粉末颗粒太粗或者分布不均，则压制时颗粒之间可能存在很大间隙，造成局部区域不够致密，使烧结时开裂。接下来，在压制过程中所采用的各种工艺参数，例如压力、压制速率和温度等，都对压坯质量产生了显著的影响。过低的压力或者过快的压制速度将使粉末颗粒不能完全接触而形成疏松的组织，继而在随后的烧结中易出现裂纹。再者烧结时温度与时间控制不合适也是裂纹产生的一个重要因素。烧结温度过高、烧结时间过长易造成粉末颗粒间粘结过多、内应力过大、继而开裂。最后是模具存在设计缺陷、保养不当等原因也可能造成压坯开裂。

2.粉末冶金压坯裂纹预防措施

2.1 优化粉末配方和成分

粉末类型、粒度、形状及添加剂用量等均能显着影响压坯质量。结果表明：适当的粉末粒度分布可有效地减少压坯裂纹。比如当粉末粒度分布太广时，细颗粒就有可能充填大颗粒间的间隙，使压坯致密度下降，同时粉末太细又使压制时粘结性变差，很难形成均一组织。为优化粉末配方可采用调整粉末类型及添加剂等措施提高压坯性能。例如，向其中加入恰当的塑料成分，例如聚乙烯醇，可以增强粉末的流动特性，并减少压坯出现裂纹的可能性。在实践中，一些企业用球形粉末取代了常规不规则形状粉末，球形粉末流动性更好，有利于形成均一致密结构和降低裂纹产生。通过调整上述措施，提高了压坯均匀性与致密性，显着降低了裂纹风险。

2.2 改进压制工艺参数

压制压力对压坯质量有重要影响，压制压力过低会造成粉末颗粒间粘结力不够，压力过大又会引起粉末颗粒过度变形，从而产生裂纹。研究表明：合适压制压力区间一般在300–600 MPa之间，可确保粉末颗粒之间接触良好且分布均匀，以改善压坯致密性，降低裂纹发生率。压制速度选择对压坯质量也有影响。若压制速度太快，粉末颗粒就可能来不及充填到模具中，造成局部区域不够致密，极易开裂；而且过慢的压制速度会使压制过程中热量聚集过大，还会使压坯开裂。因此，在压制过程中，速度应当维持在一个可接受的区间内，一般推荐的速度范围是0.5–1.0 mm/s。模具温度控制也很重要，模具温度过低会使粉末颗粒不能完全接触而开裂；模具温度过高又会造成局部烧结而开裂。

2.3 加强模具设计和维护

模具几何形状、表面光洁度、精度和材料选择等因素将显着影响压制过程。研究认为：模具表面光洁度对于压制过程粉末流动性及压坯致密性具有显着影响。模具表面粗糙度越大，粉末颗粒对模具表面摩擦力越大，造成模具内粉末流动不均而出现裂纹。为减少这种现象的发生，应对模具表面进行精密的抛光，保证表面光洁，同时要使用高强度耐磨材料，延长使用寿命。模具设计时需综合考虑压坯厚度、形状等因素，以免在压制时内应力过大而造成裂纹。模具的保养与定期检查也是很重要的，经过长时间的使用，会对模具表面造成磨损或者损坏，造成模具形状不够准确，从而影响到压坯质量。所以对模具的定期检查与保养以及对模具缺陷的及时修补对降低压坯裂纹的产生具有十分重要的意义。

3.粉末冶金压坯裂纹的工艺优化

3.1 调整烧结温度和时间

过高烧结温度可使粉末颗粒间过度融合并形成巨大内应力，冷却时可引起裂纹。但烧结温度过低会造成粉末颗粒间粘结不够彻底，从而影响压坯强度及致密性。一般情况下粉末冶金烧结温度一般控制在1200°C–1500°C范围内，特定温度需依据物料的特性来调节。以铁基粉末为例，其烧结温度一般约为1300°C，而铜基粉末的烧结温度则大约是1150°C。烧结时间还需根据压坯厚度及组成加以调节，烧结时间太长将使材料熔化过多而开裂；烧结时间太短又不能保证粉末充分结合而影响压坯整体强度。通常情况下，烧结的最佳时间区间是3–5小时。

3.2 优化压坯退火工艺

退火时材料将被加热到合适温度并持续一段时间使内部应力释放。但退火温度及时间选择须准确调控，否则会造成晶粒过大或物料退火软化而影响压坯机械性能。一般退火温度控制在500°C–700°C、退火时间2–4个小时。针对不同物料，需通过试验优化退火工艺具体参数来确保压坯质量。例如，铁基合金的退火温度通常在600°C左右，而铝基合金则控制在500°C左右。合理退火工艺可显著改善材料强度与韧性，有效预防裂纹。

3.3 改进压坯表面处理方法

表面处理既可改善压坯外观又可提高压坯耐磨性、抗腐蚀性、减少裂纹产生。常用表面处理方法有喷涂，热处理和表面渗碳。以渗碳为例，渗碳处理能有效地提高压坯的表面硬度、增强压坯的耐磨性能、降低裂纹产生。研究表明：钢基粉末冶金材料经渗碳处理后表面硬度可提高到60HRC或更高，材料抗裂性能明显提高。另外，喷涂涂层是常用的表面处理方法之一，特别是对耐腐蚀要求高的产品。喷涂时涂层对基体附着力强，有利于表面硬度及抗裂性改善。

结束语

粉末冶金压坯裂纹防止及工艺优化，是促进粉末冶金制品品质提高的关键。通过适当调整粉末配方，完善工艺参数和强化模具设计等措施可有效降低裂纹发生。另外优化烧结温度，退火工艺及表面处理方法还可明显改善压坯性能。在今后的粉末冶金技术发展过程中，越来越多的先进工艺及技术会对裂纹的防止及工艺优化等问题提供更高效的解决途径。

参考文献

[1]王杜祥. 粉末冶金闸片制备工艺仿真研究[D]. 西安工业大学， 2023.

[2]芦博昕. 高性能粉末冶金钛合金制备与研究[D]. 北京科技大学， 2022.

作者简介：徐晨（1979.06--），女，汉族，本科，工作单位：扬州保来得科技实业有限公司。