粉末冶金成形新技术综述.PDF

收稿日期 2005 - 11 - 16 作者简介张建国1965 - 男,河南郑州人,郑州铁路职业技术学院讲师;冯 湘1963 - ,男,湖南湘潭人,郑州铁路 职业技术学院副教授。 粉末冶金成形新技术综述 张建国,冯 湘 郑州铁路职业技术学院,河南 郑州450052 摘 要粉末冶金成形新技术包括温压技术、 流动温压技术、 模壁润滑技术、 高速压制技术等新技 术。认为粉末冶金新技术、 新工艺的不断出现,必将促进高技术产业的快速发展。 关键词粉末冶金;成形;新技术 中图分类号 TF12 文献标识码 A文章编号 1672 - 0342 2006 01 - 0027 - 03 粉末冶金是一项集材料制备与零件成形于一 体,节能、 节材、 高效、 最终成形、 少污染的先进制 造技术,在材料和零件制造业中具有不可替代的 地位和作用,已经进入当代材料科学的发展前沿。 目前粉末冶金技术正向着高致密化、 高性能化、 低 成本方向发展,本文着重介绍几种近十年来粉末 冶金零件的成形新技术。 一、 温压技术 温压技术是粉末冶金领域近几年发展起来的 一项新技术,可生产出高密度、 高强度,具有非常 广泛的应用前景。所谓温压技术就是采用特制的 粉末加温、 粉末输送和模具加热系统,将加有特殊 润滑剂的预合金粉末和模具等加热至130～ 150℃,并将温度波动控制在 2. 5℃ 以内,然后和 传统粉末冶金工艺一样进行压制、 烧结而制得粉 末冶金零件的技术。其技术关键一是温压粉末 制备,二是温压系统。 与传统工艺相比,温压成形的压坯密度约有 0. 15～0. 30g/cm 3 的增幅,其密度可达7. 45g/cm 3。 在相同的压制压力下,温压材料的屈服强度比传 统工 艺 平 均 高11 ,极 限 拉 伸 强 度 平 均 高 13. 5 ,冲击韧性可提高33。 [1]另外 ,温压零 件的生坯强度高,可达20～30MPa,比传统方法提 高50～100 ,不仅降低生坯搬运过程中的破损 率而且能对生坯进行机加工,表面光洁度好。此 外,温压工艺的压制压力低和脱模力小,同时零件 性能均一,产品精度高,材料利用率高。 [2] 温压工艺还有一个特点是工艺简单,成本低 廉。研究表明,假如一次压制、 烧结的普通粉末冶 金工艺的成本为1. 0,则粉末锻造的相对成本为 2. 0,复压复烧的相对成本为1. 5,渗铜的相对成 本为1. 4,而温压技术的相对成本为1. 25。目前, 采用温压技术生产的粉末冶金零件已达200多 种,零件重量在5 - 1200g。例如,德国Sinterstahl GmbH公司用温压技术生产复杂的摩擦传动用同 步齿环,在美国新奥尔兰举行的PM2TEC 2001国 际会 议 上 获 奖。该 零 件 的 齿 部 密 度 超 过 7. 3g/cm 3 ,环体密度超过7. 1g/cm 3 ,生坯强度达到 28MPa。采用了扩散合金化的烧结硬压粉末,最 低抗拉强度为850MPa。由于使用了温压技术和 采用粉末冶金零件,使得综合成本降低了38。 二、 流动温压技术 流动温压技术Warm Flow Compaction,简称 WFC是在粉末压制、 温压成形工艺的基础上 ,结 合了金属粉末注射成形工艺的优点而提出来的一 种新型粉末冶金零部件近净成形技术。其关键技 术是提高混合粉末的流动性。它通过提高了混合 粉末的流动性、 填充能力和成形性,从而可以在 80～130℃ 温度下,在传统压机上精密成形具有复 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。 [3 ]WFC技术既克服了传统粉末冶金在成形 复杂几何形状方面的不足,又避免了金属注射成 形技术的高成本,是一项极具潜力的新技术,具有 72 第5卷 第1期 济源职业技术学院学报Vol . 5 No. 1 2006年3月Journal of Jiyuan Vocational and Technical CollegeMar . 2006 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 非常广阔的应用前景。 WFC技术作为一种新型的粉末冶金零部件 近净成形技术,其主要特点如下 1可成形具有 复杂几何形状的零件; 2压坯密度高、 密度均 匀 ; 3 对材料的适应性较好 ; 4 工艺简单,成本 低。 目前,WFC技术在国外还处于研究的初始阶 段,其关键制造技术及其致密化机理研究尚未见 报道。 三、 模壁润滑技术 传统粉末零件成形时,为了减少粉末颗粒之 间和粉末颗粒与模壁之间的摩擦,在粉末混合料 中需添加一定量的润滑剂,但混进的润滑剂因密 度低,不利于获得高密度的粉末冶金零件;而且润 滑剂的烧结会污染环境,甚至会降低烧结炉的寿 命和产品的性能。模壁润滑技术的应用则很好地 解决了这一难题。近年来,采用模壁润滑取代粉 末润滑技术已成为粉末成形研究和开发的又一热 点。 目前,实现模壁润滑的主要途径有两个一是 利用下模冲复位时与阴模及芯杆之间的配合间隙 所产生的毛细作用,将液相润滑剂带到阴模及芯 杆表面。二是用喷枪将带有静电的固态润滑剂粉 末喷射到压模的型腔表面上,即在装粉靴的前部 装一个附加的润滑剂靴装置。 [4 ]成形开始时 ,润 滑剂靴推开压坯,压缩空气将带有静电的润滑剂 从靴内喷射到模腔内,因为润滑剂粉末所带的极 性与阴模相反,粉末在电场牵引下撞击并粘附在 模壁上,然后装靴粉装粉,进行常规压制成形。 采用模壁润滑技术明显提高粉末材料的生坯 密度,密度可达到7. 4g/cm3,且模壁润滑与粉间 润滑相比,铁粉的生坯强度可分别提高128 - 217。日本丰田汽车中心研究人员利用温压、 模 壁润滑与高压制压力使铁基粉末压坯几乎达到全 致密。 四、 高速压制技术 高速压制技术High Velocity Compaction,简 称HVC是瑞典的Hoaganas公司在2001年6月 推介的一种新技术。高速压制生产零件的过程和 传统的压制过程工序相同。混合粉末加进送料斗 中,粉末通过送粉靴自动填充模腔压制成形,之后 零件被顶出并转入烧结工序。所不同的是高速压 制的压制速度比传统压制高500～1000倍,压机锤 头速度高达2～30 m /s,液压驱动的锤头重达 5～1200Kg,粉末在0. 02s之内通过高能量冲击进 行压制,压制时产生强烈的冲击波。通过附加间 隔0. 3s的多重冲击能达到更高的密度。HVC技 术具有高密度、 高性能、 低成本、 高生产率和可成 形大零件的特点。 [5] 该技术适用于制备阀门、 简单齿轮、 气门导 筒、 主轴承盖、 轮毂、 齿轮、 法兰、 轴套宇轴承套圈 和凸轮凸角机构等产品。目前正在继续研究生产 更复杂的多级部件。 五、 动磁压制技术 动力磁性压制技术 dynamic magnetic com2 paction,简称DMC是1995年美国开始研究的一 种新型的高性能粉末最终成形压制技术。DMC 是采用脉冲调制电磁场施加的压力来固结粉末。 与传统的粉末冶金压制工艺一样,动力磁性压制 也是两维压制工艺,但却是径向压制而不是轴向 压制。当粉末装入一个导电的容器护套内,置 于高场强的中心腔中,线圈通入高电流脉冲,线圈 中形成磁场,护套内因而产生感应电流。感应电 流与施加的磁场相互作用,产生由外向内压缩护 套的磁力,使粉末得到压制,整个压制过程时间不 足1ms。DMC具有以下特点 1由于不使用模 具,因而可达到更高的压制力,维修与生产成本更 低 ; 2 在任何温度与气氛中均可施加压力,且适 合所有材料,工作条件更灵活 ; 3 不使用润滑剂 与粘结剂,有利于环境保护。目前,许多动磁压制 的应用已接近工业化阶段。DMC适于制造柱形 对称的终形件,薄壁管,高纵横比部件和内部形状 复杂的部件。现可以生产直径 长度 12. 7mm 76. 2mm到127. 0mm25. 4mm的部件。 六、 放电等离子烧结技术 放电等离子烧结技术 Spark Plas ma Sinte2 ring,简称 SPS 最早源于1930年美国科学家提出 的脉冲电流烧结原理,但直到日本于1988年研制 出第一台工业型SPS装置,该技术才真正引起世 人的关注。该技术集粉末成形和烧结于一体,不 需要预先成形,也不需要任何添加剂和粘结剂。 主要是利用外加脉冲强电流形成的电场清除粉末 颗粒表面氧化物和吸附的气体,净化材料,活化粉 末表面,提高粉末表面的扩散能力,再在较低机械 82 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 压力下利用强电流短时加热粉体进行烧结致 密。 [6]有关研究表明 ,该技术由于场活化等作用 在较大程度上降低了粉体的烧结温度,缩短了烧 结时间,并充分利用了粉末自身发热的作用,热效 率极高,加热均匀,可通过一次成形获得高精度、 均质、 致密、 含氧量低和晶粒组织细小的零件。 目前, SPS研究对象主要集中于陶瓷、 金属陶 瓷、 金属间化合物、 复合材料、 纳米材料以及功能 材料等。在制备和成形非晶合金、 形状记忆合金、 金刚石等材料方面也作了不少尝试,并取得了较 好的结果。 七、 爆炸压制技术 爆炸压制Explosive Compaction又称冲击波 压制,是利用化学能的一种高能成形方法。它通 常将金属粉末材料置于具有一定结构的模具中施 加爆炸压力,爆炸物质的化学能在极短的时间内 转化为周围介质中的高压冲击波,并以脉冲波的 形式作用粉末,使其获得高密度。作用时间仅为 10～100μs,粉末成形为1ms左右。爆炸压制方 法是一种独特的加工方法,可使松散材料达到理 论密度。能将不适合传统压力加工的材料制造成 零件,可使传统的不可压缩的金属陶瓷材料、 低延 性金属等压制成复合材料,典型的应用是将高温 合金粉末用于成形飞机发动机的耐高温零件。 [4 ] 结束语 粉末冶金是一门重要的零件成形技术。粉末 冶金新技术、 新工艺的不断出现,必将促进高技术 产业的快速发展,也必将带给材料工程和制造技 术光明的前景。目前,我国粉末冶金行业整体技 术水平低下、 工艺装备落后,与国外先进技术水平 相比存在较大差距。因此,大力发展粉末冶金新 技术的研究,对提高我国粉末冶金产品的档次和 技术水平,缩短与国外先进水平的差距具有非常 重要的意义。 参考文献 [1]Rutz H, Hanejko F, Luk S . War m Compaction Offers High Density at low Cost[J ]. MPR, 1994, 9. [2]肖志瑜,李元元,邱 诚.温压工艺及其关键技术[J ]. 机械工程材料, 2001, 1. [3]肖志瑜,柯美元,李元元.温压工艺的最新进展-流动 温压技术[J ].粉末冶金工业, 2002, 5. [4]肖志瑜,陈 平,李元元.粉末冶金高致密化的新途径 [J ].材料导报, 2003, 11. [5] Richard F.HVC punches PM to new mass production limits[J ]. MPR, 2002, 9. [6]张久兴,刘科高,周美林.放电等离子烧结技术的发 展和应用[J ].粉末冶金技术, 2002, 6. [责任编辑 赵彩红] Overview of the New ation Technology of PowderMetallurgy ZHANG Jian - guo, FENG Xiang Zhengzhou Railway Vocational and Technical College, Zhengzhou450052, Henan, China Abstract The new ation technology of powdermetallurgy includes the war m compaction technology, the war m flow compaction technology,the mold wall lubrication technology and the high velocity compaction technology .The unceasing appearance of the new technology for powder metallurgy will certainly promote the rapid development of the high - tech industry . Key words powdermetallurgy; ation; new technology 92 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.