1 前言
铁基粉末冶金零件广泛应用于汽车、摩托车、家电、电动工具、含油轴承等行业，并且不断向其它领域拓展。粉末冶金材料是金属基体和孔隙的复合体，具有铁含量高、疏松多孔、比表面积大、活性强的特点，与传统的致密钢材料相比，更容易出现锈蚀问题，特别是在雨季及沿海地区[1]。生锈可能会造成产品变形、表面缺陷、脱碳、机械性能降低等，严重影响制品使用性能，甚至造成报废。通常制品使用的防锈措施有浸油、涂蜡、蒸汽发黑处理、使用防锈纸包装等，虽然增加了生产成本，但收效显著[2-3]。
与制品相比，铁粉的生锈更难控制。铁粉吸收空气中的氧气和水分后产生缓慢的化学反应，生成Fe2O3,俗称铁锈。铁粉生锈的反应涉及到了原电池反应，其反应方程式为：
4Fe+6H2O+3O2=4Fe(OH)3
2Fe(OH)3=Fe2O3+3H2O
可见促使铁粉生锈的主要因素,一是接触氧气，二是吸收水分，两者缺一不可。要解决铁粉易生锈的问题，必须从这两个方面入手。
本文就我公司当前无偏析预混合铁粉生产中遇到的生锈实例，通过深入研究锈点成分，结合自身工艺特点，分析了生锈的原因并制定了对策，同时验证了对策的可靠性，对于生产实际中遇到的类似问题提供专业的参考解决方案。
2 生锈具体情况
有客户反映使用我公司某牌号预混合粉压制的齿轮件，生坯在成形后1-2天的时间内即生锈，主要位置在端面，呈点状分布，如图1左所示。使用同牌号粉压制多个圆形试验薄片置于和成形件相同的环境中，1-2天后同样出现锈点，且上下面均有，如图1右所示。
图1：生坯表面出现的大量锈点
生锈成形件经烧结炉烧结后，表面呈现白色斑点，严重影响产品外观，对表面质量要求严格的产品还需增加工序处理，生产效率低、成本高。
3 原因分析
3.1 对锈点处的EDS分析
使用扫描电镜观察成形件及烧结件锈点处形貌，并分别对其锈点处进行EDS检测，结果如图2-3所示。
图2：成形件锈点处形貌及EDS图谱
表1：成形件结果类型（重量百分比）
图3：烧结件锈点处形貌及EDS图谱
表2：烧结件结果类型（重量百分比）
以上检测结果，Fe、C、Cu、F、Ca等元素均为基粉辅料的主要成分，S、Si、O为基粉及辅料中含有的微量元素。其中，Cl元素不属混合粉配料成分，是溶解粘结剂所用有机溶剂的主要成分。
该产品配方为96.8%LAP100.29+0.80%C+2.10%Cu+0.30%CaF2+0.70%润滑剂+0.10%粘结剂+2.0%有机溶剂。
混料工艺为：加料，将配好的基粉及辅料加入双锥回转真空干燥机内，加料顺序先加入基粉再加铜粉、石墨、氟化钙；预混合，加料结束后开始预混合20min，期间将配好的溶剂及粘结剂加入到溶解罐内进行溶解；喷液并混合，预混合完成后，在确认粘结剂溶解完全的前提下开启喷液泵喷入粘结剂溶液，期间混料机保持旋转继续混合；烘干并混合，喷液结束保持混料机连续运转，开启真空泵及导热油泵进行烘干，油温60℃，时间50min；加润滑剂，烘干结束后，关机并将配好的润滑剂加入混料机，重新启动混料机混合15min；筛分，混料完成将料接出后进行筛分；合批包装，筛分完成后将筛下物加入合批机合批15min得到成品。
根据配方及混料工艺特点，再结合EDS检测结果，成形件及烧结件生锈处同时含有Cl元素，其它元素均是基粉及辅料中含有的成分。分析整个生产过程，只有溶剂含有Cl，溶剂溶解粘结剂后喷入预混粉中部分残留在粉末中，甚至与切削助剂氟化钙发生反应生成CaCl2，而CaCl2又是一种极易吸潮的卤盐，附着在粉末表面压制后吸潮致使成形件快速生锈。
3.2 验证实验
为进一步验证以上结论，同时分析其它辅料对生锈是否构成影响，做了重现试验。具体为：使用实验室小型混料机混制4种不同配方样品，分别压制拉伸试验条5根（密度7.0g/cm3），置于生产现场（温度30-35℃，湿度70-75%）观察其表面状况。配方如表3所示，压条如图4所示。
表3：试验的四种不同配方
图4：不同配方压制的拉伸试验样条
实验观察结果，3#样2天后表面即开始出现黄色锈点，时间最早，如图5所示。其它样品在9天后才陆续生锈。该实验证明切削剂与溶剂同时加入铁粉混料，制件最易生锈，上述分析原因得到再现。同时，单纯混入润滑剂、石墨或铜粉时，制件生锈明显变慢，进一步表明切削剂氟化钙是快速生锈的主因。
图5：最早生锈的3#样条
3.3 改进措施及效果
根据以上分析，结合本公司实际情况，制订改进措施：一是改变切削剂添加次序，由粘结前加入改为粘结后与润滑剂一同加入，避免了其与溶剂直接接触；二是使用不含Cl的新型粘结剂及混料工艺。
由以上改进措施分别生产的样粉，使用同样方法进行验证，结果样条约一周后开始生锈。因此，查明原因并制订改进措施后，在环境温、湿度相同的条件下，成形件生锈时间由2天延长到7天。后期，根据改进措施二批量生产的混合粉产品，也在用户处得到现场验证，为生产调度赢得充足时间，可以满足使用要求。
铁基粉末粘结混合技术，具备工艺简单，成本低廉，混合粉流速快、润滑效果好、脱模力低，能减少扬尘和降低合金元素偏析等优点，成为主流的混料技术。该技术可覆盖几乎所有配方的混合粉牌号产品，但在关键的粘结剂选择上，必须考虑配入的辅料与粘结体系是否发生反应，生成粉末冶金中不希望存在的物质，影响产品质量。另外，控制环境温湿度保持原材料干燥，缩短各工序材料暴露在空气中的时间也是重中之重。
4 结论
（1）混合粉中配入的切削助剂CaF2在混料过程中与含Cl溶剂发生反应，生成极易吸潮的CaCl2，聚集在成形件表面于环境湿度较高时迅速吸附潮气，导致快速生锈。
（2）调整现有工艺，将切削助剂的添加次序由粘结前改为粘结后，避免了其与溶剂的接触，或是采用新式不含Cl的粘结剂，即不存在溶剂与辅料CaF2反应的问题，两种方案均能从根本上解决成形件生锈快的问题。
参考文献
[1] 王士平，杨传芳．霉雨季节铁基粉末冶金制品质量的控制[J]．粉末冶金工业，2012，22(5)，33-36．
[2] 司朝霞，方景，陈刚．铁基粉末冶金件的防锈措施研究[J]．热加工艺，2007，36(24)：71-80
[3] 蒋金贵．铁基粉末冶金制品的防锈途径[J]．粉末冶金技术，1994，12(1)：67-69．
