粉末冶金连接方法、材料与工艺.pdf

第 2 1卷第 4期 2 O 1 1年 8月 粉 末 冶 金 工 业 P 0W DER M ET ALLURGY I NDUS T RY Vo 1 ． 2 1 No ． 4 Au g．2O 11 粉末冶金连接方法 、 材料与工艺 小 Ha mi l l J a c k A． 海格纳 士公 司 ， R i v e r t o n ， N J 0 8 0 7 7 摘要 本文将讨论在铁基粉末冶金材料与零件连接 中最常用的各种连接方法。主要对 以前 发表 的关于各种连接方法的资料与文献进行 综述。列 出了有用的设计资料及生产 工艺， 同时 确 认 了各种 粉 末 冶金 材料 组 成的 可焊 性 。 关 键词 粉 末 冶金连接 方法 ； 设 计 ； 可 焊性 中图分 类 号 TF 1 2 文献 标识 码 A 文章编 号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 O 1 1 0 4 0 0 1 2 一O 8 P ／ M J O I NI NG P R OC E S S E S 。MAT E R I AL S AND TE C HNI QUE S J a c k A． Ha mi l l ， J r ． Ho e g a n a e s Co r p o r a t i o n Ri v e r t o n。 NJ 0 8 0 7 7 Ab s t r a c t Th i s p a p e r d i s c u s s e s t h e d i f f e r e n t t y p e s o f j o i n i n g p r o c e s s e s mo s t o f t e n u s e d i n c o n j u n c t i o n wi t h f e r r o u s P ／ M ma t e r i a l g r a d e s a n d c o mp o n e n t s ． I n f o r ma t i o n f r o m p r e v i o u s p u b l i c a t i on s a nd a l i t e r a t ur e r e v i e w o n t he va r i ous p r oc e s s e s a r e hi g hl i g ht e d． U s e f u l d e s i gn i nf o r m a t i on a nd pr o c e s s i ng t e c hni q ue s a r e l i s t e d a l o ng wi t h i d e nt i f y i ng t h e we l da bi l i t y o f va r i ous P ／ M ma t e r i a l c o mp o s i t i o n s ． Ke y wo r d s P／ M j o i n i n g p r o c e s s ； d e s i g n； we l d a b i l i f y 1 引 言 材料 与制造工艺的进展 ， 使粉末冶金零件在各 种应 用上 取代 铸 锻 材 料 ， 越 来 越 具 吸 引力 。有 时需 要将 粉末 冶金 零件 相互 连 接或 与其 他材料 连 接 以形 成一 体零 件 。鉴 于粉末 冶 金 的独特 合金 组成 与压 制 成形复杂几何形状的能力 ， 粉末冶金零件制造 的灵 活性在经济上具有优势 。可是 ， 说到粉末冶金零件 连接或焊接时 ， 对粉末冶金的这些属性 尚不太清楚。 有几篇参考文献详述 了铸锻材料的各种连接方 法与可 焊性_ 1 ] 。可 是， 有关将 这些连接方 法应用 于粉末冶金零件 的， 综合资料都很少 。本 文的 目的 在于 ， 将有关粉末冶金零件连接 的资料综合 为实用 指南与有用参考资料。这篇综述将确定当适合连接 时 ， 粉末 冶金零 件 与铸 锻 材 料 之 间 的 特性 与物 理 性 能 的差别 。另 外 ， 将讨论 适 用 的连 接方 法与 工艺 ， 以 及各种粉末冶金材料的可焊性。重点在于和相应的 生产工艺与技术有无关系 。 2 物理性能 就连接而言 ， 使粉末冶金零件 的最重要物理特 性与众不同的， 或许是孑 L 隙度_ 3 ] 。孔隙体积或相对 密度对几个重要性能有显著影 响， 从而影响 以下的 连接 或焊 接特性 1 热导率 通过材料传 热的速率 ， 取决于孔隙 的数量。数量较大 的孔隙会 改变热传递的机理， 最 终改变焊接参数。 2 热膨胀 金属在加热时体积增大 ， 冷却 时体 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 1 4 作 者简介 J a c k A． Ha mi l l J r ． 海格纳士公 司技术人 员， 历任研 发经理 和产 品经理 ， 主要研究方 向为烧结焊接技术。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 小 Ha mi l l J a c k A． 粉末冶金连接方 法 、 材料与工艺 1 3 积减小 。因颗粒熔化或填料金属熔渗引起的孔隙度 的可能变化， 都可能导致过度的收缩或胀大 ， 致使在 焊接 界面 中或其 附 近可 能 出现裂纹 。 3 淬透性 材料 的淬透性取决于散热速度或热 导率 。孔隙作为热绝缘体 ， 减缓热传递 ， 从而使粉末 冶金零件的淬透性不如相组成相 同的铸锻零件高。 可是 ， 由于在热影响区可能产生致密化 ， 因此粉末冶 金零件中可能会出现淬透性 的有害结果 ， 并可能增 大 材料 对裂 纹 的敏感 性 。 由于 孔 隙 中夹 带 氧化 物 或 杂 质 ， 也可 能 引起 焊 接性能反复无常。必须采取预防措施消除下列任何 留存在孔隙中的残留物。 ①残留的润滑剂 ②淬火油 ③切削加工的冷却剂 ④ 电镀液 ⑤含 浸 的材料 ⑥清洁剂或滚光剂 ⑦游离石墨或残留的灰分 3 粉末 冶金 的连接工艺 连接是一个综合术语， 用于表示将一个零件 固 定于另一个零件上的所有方法 。大多数焊接方法都 需要施加热和某种程度地控制基体材料和或填料金 属熔化 熔焊法 ， 而另外一些方法则依靠表面扩散 或机械联结 固态法 。固态与熔焊法都 已成功地用 于 连接 粉末 冶金 零件 。 密度 较低 的零件 6 ． 5 g ／ c m。 最 常用 的是 不 涉及必须凝 固的， 熔化 焊缝金属 的方 法进行连接 。 由于颗粒间联结的数 目少这些零件的断裂韧性差 ， 使材料不能吸收焊缝金属收缩时产生的应力 。对于 这些 零件 最成 功 的连接 方法 是扩 散焊 接 、 烧 结 连接 、 胶粘合与钎焊。中等密度水平 7 ． 0 g ／ c m。 的零件一般与铸锻材料具有同样 的可焊性 ， 可以用熔焊的方法焊接 ， 其中有钨电极气 体保 护 电弧 焊 GTA 、 熔 化 极 气 体 保 护 电弧 焊 GMA 、 电子束焊 E B W 与激光束焊 L B W 。 3 ． 1电 阻凸焊 R P W 或许 ， 最常用的连接粉末冶金零件的方法之一 是电阻凸焊 。电流的电阻可加热材料表面和形成焊 点。在加压下 ， 使导电的电极夹住零件 ， 以使之电接 触良好 。为使焊缝均一 ， 无缺陷 ， 接头必须清洁孔隙 无污染物 。用接触施加 的力 以及零件 常常是 固定 的， 凸焊通常可 以焊接区较好地控制焊接区的尺寸。 一 般说来 ， 好的焊件设计 ， 需要特别注意凸出部 分的高度与密度。为得到最佳结果 ， 可以预置其他 参数 包括 电流与压力 ， 这些都常常和用 于铸锻钢 材 料 的很相 似 。关 于 电流 、 焊 接 时 间 与 电极 压 力 的 一 般设 置 ， 可参见 “ 电阻焊 手册 ” _ 4 ] 。 关 于 粉末 冶金 件 密 度 为 5 ． 8 ～ 7 ． 4 g ／ c m。 对 铸锻材料 凸焊 的研究发 现_ 5 ] ， 密度 较低 7 ． 2 g ／ c m。 ， 一 种替代 的方法是使用 C u 、 Mn 、 Ni 、 F e合金 ， 这种 合金可在零件 中的铁溶进填料时 ， 增高其液相线温 度[ 7 ] 。这可立 即充填钎焊件 附近 的孔 隙， 使剩余 的填 料 足 以形 成适 宜 的连接 。 推荐的钎焊件设计是搭接而非平接结构。最佳 钎焊接头 间隙在 0 ． 0 5 1 ～0 ． 1 2 7 mm 之间。当想在 焊接温度下维持适 当的间隙距离 时， 必须考虑到被 连接材料的热膨胀特性。将环形预成形件放置在接 头附近或钎焊糊 的焊点处 比零件之间放置填料的三 明治式更可取。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 粉末冶金工业 第 2 1卷 对于几何形状较复杂的或 当需要控制紧密尺寸 时 ， 固定是必要的。钎焊的零件可随后淬火 、 回火或 水蒸气处理 。美 国焊接协会 已制定有钎焊指南 炉 子钎 焊 技术 规范 AW S 0 3 ． 6 9 0 [ 。 3 ． 3 钨 电极气体 保 护 电弧焊 G T A 这 个 方 法是 采 用 非 自耗 钨 电极 ， 形 成 直 流 电弧 熔 化被 焊接 的材 料 铁 基 材料 。使 用 氩 、 氦 或 各 种 商业混合气体的惰性气体防护， 来防止电极 与焊缝 熔也被氧、 氮、 氢污染 ， 同时稳定电弧特性 ， 以提高焊 接性能 。在一些粉末冶金应用中， 这种方法还包括 采用填料金属来减小焊接区因颗粒熔化与其后的致 密化所产生 的收缩 。填料必须与被焊接的两种材料 的热膨 胀特 性 、 强度 及腐 蚀性 能 相适应 。 因为这种方法可大量控制焊接过程 ， 在许多情 况下都能得到适宜的结果。对移动速度、 热量输入 、 填料金属类 型以及进料速度都可以控制， 以便使每 种应用都能得到最佳结果。因此 ， 这种方法 由于能 够控制热量输入 与其后的焊缝硬度 所 以对 于高碳 淬透性 材料具有较好 的焊接性。 该法一个极好的应用是 ， 将两块粉末冶金 零件 焊接在一起 ， 取代铸件用 于工业 卡车的差速器 中。 业 已发现 ， 焊接的粉末冶金零件 比栓接灰 口铸铁的 强度 高 而稳 定 ， 成 本节 省 3 5 。 3 ． 4 熔 化极 气体 保护 电弧焊 G MA 这种方法不 同于钨电极气体保护电弧焊 ， 它是 用连续丝状电极形成电弧 ， 使填料金 属供 给焊缝熔 池的。保护气体混合气的组成取决于金属传送的方 式与填料金属的种类 ， 用于 防止焊缝 熔池受大气污 染 ， 和提供适 当的电弧特性。短路或短路过渡焊接 方式特别适于焊接粉末冶金零件 ， 因为其要求输入 低 能量 ， 从 而 就 减 小 了热 影 响 区 和 使 变 形 最 小 化 。 通常 ， MI G 一 0 0 2基 的保 护气体用于小直径 0 ． 7 5 ～ 0 ． 8 9 mm 低碳钢丝填料焊接烧结钢零件 。可是 ， 奥 氏体不锈钢填料与惰性气体保护可用于焊接碳含量 较高的材料 ， 以减小热影响 区可能产生的裂纹 。像 钨 电极气体保护电弧焊一样 ， 这种焊接方法也可使 操作者对整个焊接过程进行较好 的控制 。 金属极气体保护电弧焊 MI G ① 一 0 0 2 的一项研 究断 定 ， 混 合 粉组 成 为 0 ． 3 9 ／ 6 ～ 0 ． 9 6 O， 0 ～ 6 ． 0 Ni ， 0 ～1 ． 0 Mo的各种材料都能够成功地 进行焊接 。结果表明， 烧结零件似乎对诱发裂纹 的 ① MI G 一 金属极惰性气体保护焊 一译者 氢 的敏感性 比淬透性相同 含碳量相同 的锻造材料 小 。同一研 究 还发 现 ， 对 于含 铜 2 ． 0 ～ 4 ． 0 的 材料 ， 用短路过渡焊接 0 0 2法并不能成功地进行焊 接 ， 这是因为在热影响区有熔析裂纹产生。 3 ． 5 摩擦焊 F R W 这种技 术 有 时也 叫 做 惰 性 焊 。两 种 工 艺 很 相 似， 一个零件固定不动， 而第二个零件旋转 ， 对两个 零件 施加 以轴 向力 。 当将 两 个零 件 充 分 加 热 时 ， 施 加以顶锻力， 以形成焊件 。美 国焊接协会 的焊接手 册列 出的摩擦焊的工艺 变量有 旋转速度 、 轴 向力 、 焊接时间与顶锻力 。设备需要的动力范围在较小焊 接机器 的 2 5 k v a到， 可焊接直径 中 1 2 7 mm 钢棒 的 大焊机的 1 7 5 k v a之 内。摩擦／ 惰性焊 的变量可 由 计算机程序进行控制 ， 这可使这种方法对工艺的敏 感性较小并可高度 自动化。装 、 卸零件 的时间常常 大于焊接时间 ， 焊接 时间在 0 ． 5 ～1 5 S之间 。这 种 方法的限制因素是零件的外形。通常 ， 零件的横 断 面必须接近园形 ， 以适应焊接界面的旋转力 。大多 数应用包括 ， 管对管 、 棒对管或管对板等结构 。另 外 ， 具有良好干轴承特性的材料 ， 例如孔隙中含有游 离石墨的材料牌号 ， 不适合进行摩擦焊接 。设备、 工 具与 自动化 的材料运送成本， 限制了将这种方法用 于大量生产 。 摩擦 焊 已成 功 地 用 于 F e C与 F e C u C烧 结 零 件 。 由 J ． E ． Mi d d l e 与 J ． F ． Hi n r i c h s 分 别 独立 进 行 的两 项研究 表 明 ， 在 几种 密度 下 ， 在整个 混合 粉组 成 范围之内， 对相同牌号、 不同组成物或锻造材料进行 焊接时 ， 这种工 艺都能得 到极好 的结果[ 3 。两项 研究都发现 ， 由于这种方法冷却速度较慢 ， 与其他方 法相 比， 摩擦焊 的焊 缝 区的硬 度较低 。Mi d d l e发 现 ， 除摩 擦 轴 向 压力 与顶 锻压 力外 ， 实 际焊接 参数 都是 比较灵活的。当旋加顶锻压力时， 较高的摩擦 压力好像是使较大的表面积进行冷加工。可是较高 的顶锻压力会产生经向裂纹， 其起始于毛刺 ， 反 向延 伸进基体金属。这可能导致失效或有害于焊缝 的疲 劳性能 。Hi n r i c h s 也发现 ， 在密度与混合粉组成 的 整个范围内， 与其他连接技术相 比， 摩擦焊接的扭转 载荷能力最高。 3 ． 6电子 束焊 接 E B W 电子束焊接是一种很复杂 的焊接工艺 ， 其包括 将聚集的高速电子束 ， 形成 窄小而很强的热源。焊 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 期 小 Ha mi l l J a c k A． 粉末 冶金连接方法 、 材料与工艺 1 5 接通常在真空室内， 在中等到高真空的压力范 围内 进行的。尽管烧结零件一直在用非真空方法焊接， 但是 ， 对于较密度较高的不锈钢粉末冶金零件 ， 已证 明 电子 束 焊接是 特别 成 功 的 。另 一 方 面 ， 对 于 铁一 碳 的烧结零件 ， 因其孔隙度 和 C O体逸出造成的气孑 L 而应用有限。Y． S u e z a w a的研究发现 ， 当焊接速度 缓慢时 ， 焊缝区的宽度加大 ， 逸 出的气体体积增大 ， 使产生的气孔增多L 1 。同时 ， 也发现 ， 焊接速度较 快时， 会形成窄小 的热影响区， 而硬度值特别高 ， 这 在大多数使用条件下是不可取的。考虑到成本与缺 欠 ， 很难说这种方法适用 于连接大量的粉末冶金结 构零 件 。 3 ． 7 激光束焊接 L B W 这种方法有点类似于电子束焊接 ， 其是使用聚 焦的相干光束使焊缝界面的金属蒸发 。通常， 使用 C O。 激光器和使用像 氦之类 的惰性 保护气体 。可 以添加填料金属 ， 但并不一定需要添加剂 ， 特别是对 于密度较高的零件。焊缝设计对填料金属 的需要有 很大影响。为改善经济状况 ， 焊接参数一般都试 图 使功率设置与移动速度 间的关系最佳化 ， 最终形成 导致较小 内应力的狭窄焊缝 。 E ． Mo s c a的激光焊接粉末 冶金零件 实际使用 的研究发现 ， 在一些 应用 中， 可成功 的使用激 光束 焊[ 1 引。这种方法像电子束焊接一样 ， 由于在狭窄的 焊接区内进行熔化与再凝固， 可能有 面积很大的热 影响区产生收缩 。另外 ， 研究结果表 明， 激光束法对 烧结气氛的种类敏感 。焊缝区的气孔形成与被连接 零件中的未还原的氧化物数量有关 。在吸热煤气中 烧结的试样 ， 其状态是不能令人满意 的， 而在氢 、 分 解氨及真空中烧结 的试样都证明是可行的。激光束 焊接法还要求将中等淬透性材料在焊接之前要预热 到 2 5 0 3 0 0 ℃ 以减少形成 的马氏体 。窄小 的热影 响区和邻接着较大的材料质量 ， 由焊缝吸取热量 ， 从 而加速了了冷却速率 。另外的观察指 出， 油淬火 的 材料不适用 ， 这是因为孔 隙中残留的油蒸发与形成 气孔。可是 ， 用 3 1 6 L不锈钢粉末冶金零件得到的 结果很好。这些焊接件的焊缝区的 铁素体含量很 低 O ， 这可能与这种方法的窄小 自生熔合 区有 关[ 1 。Mo s c a的研究结论指 出， 激光束焊接在技术 上是可行 的， 但很昂贵， 很难说 比其他方法好。 3 ． 8扩 散／ 烧结 连接 这种工艺一般涉及使用不同膨胀特性 的材料 ， 这是 由于在零件烧结时混合粉的组成或生坯密度不 同造成 的。例如 ， 将一有倾 向于从模具尺寸收缩 的 外环与倾向胀大的内环相配对 。这种随后的连接是 由于机械联结和可能产生的合金扩散所致 。若在一 个或二个零件 中混合有碳 、 铜或磷时 ， 如果使二个零 件 紧密 接触 ， 用一 步烧 结工 艺进行 铜熔 渗 ， 也能得 到 同样 结果 。 已有几篇文献详述 了连接方法与材料L 7 。 。 。这 些方法已证明都是行之有效的， 成本可行 的连接技 术 ， 是 当前 生产 零件 的用 的方 法 。可是 ， 扩散 烧结 连 接局限于某些几何形状与合金组成 。连接强度也稍 低于其他粉末冶金连接方法。 3 ． 9 胶粘 合 可以用环氧树脂、 厌氧胶或丙烯酸粘结剂将粉 末冶金零件粘结在一起 。前两种粘结剂可在室温下 固定 ， 而丙烯酸粘结剂需要 在 1 2 0 ～1 3 0 ℃下 固化。 这种方法的一个重要方面是需要表面清洁和孔隙无 任何污染 。用磨料与超声进行清理和最后用加热除 去湿气可达到这种要求 。不 推荐用碱或 酸基 清洁 剂 。 A． D e l o r i o进行的两项研究确定胶粘合 的主要 优势 ①应力 分 布均匀 ②因粘结剂起介电作用， 使 电能最小 ③可将薄零件胶粘合成厚零件 但是缺点有 ①环境温度不能超过 1 7 0 ℃ ， 因为在高温下会 使强度急剧减低 ②应避免恶劣环境 ， 诸如湿度 高或与化学活性 材料接触等。 ③连接界面处受到高剥离应力或剪切应力可能 会 失 效 。 参照的研究都发现 ， 用热硬化粘结剂， 施加低的 联结压力 ， 至少在固化温度下保持 5 mi n ， 得到的结 果最好 。在胶粘合之前， 进行蒸气处理和增高零件 的烧结体密度 ， 发现都可提高抗剪切强度 。 4 粉末冶金连接技术 确保粉末冶金零件成功焊接的最好方法是设计 适当。在设计 中最重要 的考虑是 ， 选择材料与连接 方法 。在设计之前 ， 人们必须彻底了解满足应用要 求所需 的使用性能特点。这些使用性能特点包括下 列 特性 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 粉末冶金工业 第 2 1卷 强度要求 可 能施 加的是何种应力 ， 拉伸 、 剪 切 、 扭力 等 。 尺寸 限制 可能 存在 扭 曲与 ／ 或收 缩 问题否 ； 将 影 响关 键 尺寸 否 。 环境因素 连接不 同金属的制品时 ， 会产生 电 能否 ； 高温可能会影响连接强度否。 外观如 果 进行 抛 光 或 电镀 ， 外 露 表 面 将会 美 观否 。 经济 性 这种 连接 方法 与其 他制 造方 法 相 比成 本是 否 可行 。 一 旦确定应用要求 ， 就需要考虑和连接方法相 关 的 主要 因素 。 材 料 种 类 首 先 和最 主要 的 ， 是 材 料 必须 满 足 应用的强度要求。如果这 需要淬透性高 的材料 ， 则 需 仔 细考虑 连 接方 法 ， 以便 控 制 焊 接 件 的 硬 度 。还 必须消除任何可能存在的和冶金不相容的元素 。特 别可疑的是含硫与高磷组成 。 连接设计 主要因素是确保连接界面不位于承 受高载荷或应力集 中的区域 之内。另外 ， 零件的几 何形状必须适合于所用连接方法的种类 ， 例如对于 电阻凸焊， 能够压制与控制凸出部分 的密度。 连接方法 当评估应用 的最低强度要求时， 也 需要考虑连接方法。通常 ， 熔焊的方法 ， 钨电极气体 保护电弧焊 、 熔化极气体保护 电弧焊、 电子束焊 ， 激 光束焊 ， 连接的强度最高 ， 而摩擦焊与电阻凸焊常常 差不多与这些工艺相 同。钎焊扩散连接与胶粘合的 连接强 度 略低 。 4 ． 1 熔 焊工艺 熔焊最常出现的问题是在焊缝界面或其附近出 现裂 纹 。如果 希望 焊 接成 功 的话 ， 必须 将 出现 裂 纹 的可 能性减 小 到最小 限 度 。如果 适 当考虑 为什 么 粉末 冶 金焊 接件 会 出 现裂 纹 时 ， 就能 够 将 裂 纹 出现 的可能 性减 小到 最低 限度 。 焊接的粉末冶金零件 中裂纹的形成最常常与焊 缝金属凝固和冷却时产生 的应力相关 。当金属冷却 时， 焊缝熔池与热影响区周围的材料质量阻止收缩 ， 从而导致裂纹 生的拉伸应力。利用几种技术 ， 可将 这些 应力 减小 到最 低 限度 。 预热可驱散湿气 氢 ， 减小横穿焊缝区的热梯 度 。 焊接后马上进行加热也可以减低应力 ， 特别是 高淬透性材料 ， 因为其在焊缝金属与热影 响区会形 成数量可观的马氏体 。 奥 氏 体 填 料 金 属 对 于 钢 或 低 合 金 零 件 是 有 利 的， 因为其韧性与强度高， 而且无马氏体相变。 允许操作者控制输入热量 的方法也有助于将应 力减低到最低限度 钨电极气体保护电弧焊 、 熔化极 气体保护 电弧焊 连接结构对应力形成起着主要作用。失配 ； 焊 缝 间 隙间距小 或 窄小 宽 度对 深 度 比小 ； 填料 金 属 的数量不足以补偿 至密化 的焊缝 ， 都对焊接件有不 良影 响 。 不推荐对水蒸气处理 的， 铜熔渗的或淬火与 回 火的粉末冶金零件进行熔焊。水蒸气处理生成的氧 化物起着焊缝区污染物的作用 ， 可能使用性能不稳 定及可能产生裂纹。焊接铜熔渗 的零件时 ， 存在 的 任何游离铜都可能熔化 ， 因其 固有的在 奥氏体 中的 溶解 度低 ， 而迁 移 到 先 前 的 奥 氏体 晶界 上 。这 可 能 会引起热撕裂或熔析裂纹 。淬火与回火 的零件 ， 即 使是用充分干预驱 除了淬火剂 ， 也适于焊接与熔焊 法相关的输入热量高和周 围的材料相 比， 会改变结 构成 分 与减低 焊缝 区强度 l 2 引。 4 ． 2粉末 冶金钎 焊技 术 连 接设 计 搭接连接总是比对接更可取。当采用搭接连接 时， 搭接部分的数量是 由称 之为“ 比例运算法则” 的 方便标准确定的， 该法则规定 搭接距离是最薄的零 件厚度 的三倍 。为得到最高的连接强度零件 间的配 合应在 o ． 0 5 1 ～0 ． 1 2 7 mm范围之内， 代表性的极 限 抗拉 伸强 度一 般 为 3 8 0 MP a 。对 于一 些 应 用 ， 零 件 可相互放置在顶上或相互邻接 ， 而不用采取任何 防 护措施。钎焊密度和／ 或成分显著不 同的不同金属 零件 是 例外 。密 度 影 响热 膨 胀 系 数 ， 而 成 分 影 响 尺 寸变化 ， 两者都会影响间隙的距离。最好的方法是 采 用 间隙宽 度控 制 法 ， 诸 如 在 配合 表 面 之 间 放 置 固 定直径 的丝或奶头状突起物。钎焊合金应置于靠近 连接界面处， 这有助于毛细作用和使合金流人焊缝 中。对于大的表面面积 ， 浅沟道或明槽 ， 可将钎焊合 金压制在焊缝表面 ， 以有助于均匀流动。 填料 金属 最常用 的粉 末 冶 金钎 焊合 金 是 专 利 美 国专 利 4 0 2 9 4 7 G C u 、 S i 、 Ni 、 Mn 、 B 、 F e合 金 粉 Amc o r b r a z e 7 2 ／ S K C 7 2 ， 可将其与钎剂和润滑剂相混合预成形为 块状／ 环或配成糊剂。这种材料适用于铁 、 钢、 低合金 钢或不锈钢粉末冶金零件钎焊。通常， 对连接每平方 英寸表面积， 需要 3 ～4 g填料金属 。填料金属的数 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 小 Ha mi l l J a c k A． 粉末冶金连接方法 、 材料与工艺 1 7 量取决于焊缝设计、 间隙间距及零件密度。较窄的间 隙间距与较高的零件密度 ， 需要的填料金属量较少 。 对用于电的、 高温的或腐蚀环境的一些需要特殊性能 的应用， 可能需要使用银或镍基钎焊合金。 加 热周 期 对零件进行均匀加热和保温足够时间 ， 以使被 连接的零件间的温度相 同， 对 于钎焊合金的适 当流 动与充填焊缝是很重要的。质量较小或断面尺寸较 薄的零件 ， 好像在较大联接零件之前就达到了钎焊 合金流动的温度。这会导致有助于温度或热能最高 的 区域 的毛细力 较 大 ， 从 而可 能导 致焊缝 的充填 差 。 如果发生这种情况 ， 将零件放在炉子 网带上原来的 位置 ， 使零件间达到均一温度 ， 这有时是有帮助的。 这可能也有助于提升预热温度 ， 从而使零件在达到 液相点 对于 An c o r b r a z e 7 2约为 1 9 5 0 。 F 之前实现 温度 均一 化 。 气 氛与钎 剂 最常用的烧结气氛都可用于粉末冶金钎焊 。为 了有助于氧化物还原 ， 通常将钎剂加人 到钎焊合金 中。在某些条件下 ， 可将加入的硼酸盐或氟化物类 钎剂擦抹在配合表面上， 特别是 ， 当钎焊的烧结零件 的材料 是不 锈钢 牌号 、 含硫 ／ 硫化 锰 的材料 以及 要 润 湿大的连接表面积时。业 已确定 ， 烧结气氛中 C O 的百分 比高 ， 可能使钎剂氧化， 从而使钎焊合金流动 性减小。烧结炉钎焊粉末 冶金零件最普 通 的困难 是 ， 在焊缝缺欠填料金属， 这一般与下列条件有关 。 ①清洁或氧化物还原不适 当； ②焊缝 问 隙过 大 ； ③烧结温度低或零件温度不均匀 ； ④填料金属数量不足 ； ⑤夹带的润滑剂 、 钎剂或气体 ； ⑥在凝固前配合的零件发生移动。 4 ． 3 粉 末冶 金扩 散／ 烧结连 接 技术 ‘ 实质上 ， 这种方法要求 ， 将 内部的零件趋向于胀 大件 和外 部 的零件 胀 大 较 小 或趋 向 于收 缩 ， 将 他 们 的生坯组装在一起 ， 在 常规 的烧结温度 与时间下进 行烧结。铜、 碳 、 磷都是促进扩散的元 素， 同时也提 升连接强度 。零件问的密度梯度也促进扩散 。 当选择扩散连接的制品时 ， 必须考虑每个零件 所需要的强度水平和各 自的尺寸变化特性 ， 以确保 制造 的零件能达到图纸规定的公差与强度要求 。 4 ． 4 连 接 的粉末 冶金 材料 大部分钢 、 铁粉末组成都可进行连接或焊接 ， 而 无 困难 。可是 ， 如果可能的话 ， 也应避免使用某些添 加剂或材料牌号 。 一 般说来 ， 雾化铁粉 比海绵铁粉或其他类型的 还原铁粉的残留与混入夹杂的元素含量低 。如果保 持在容许的限度之内时， 这些材料 的清洁度对焊接 件的成功率影响不大。但是 ， 在一段时间内， 酸不溶 物、 氧化物与硅酸盐难 以捉摸地影响使用性能与疲 劳性能。因此 ， 对于熔焊 、 高强度与关键性的焊接应 用 ， 雾 化牌 号 的粉末 较好 。 含碳量对材料的所有焊接性都有显著影响。通 常， 碳含量应尽量低。可是 ， 碳也能大大增高材料的 强度特性。为适应焊接中等一 高碳钢的需要 ， 开发 了 焊接工艺与技术 ， 这些粉末冶金钢都具有可接受 的 焊接安定性与强度特性 。 对于焊接与钎焊应用 ， 应避免使用含硫的材料 。 在熔焊时， 硫可迁移到晶界 ， 和引起热裂纹。当钎焊 含硫的零件时 ， 在有游离硫存在的情况下 ， 钎焊合金 中的锰会形成硫化锰 ， 从而减低材料 的流动能力 。 如果需要强化切削加工性 ， 较合适 的选择是添加硫 化 锰 Mn S 。 添加 2 C u的预混合粉 ， 用大多数方 法， 易于 与其他材料相连接 。可是 ， 同时含硫与铜的材料除 外。发现 ， 含铜量太高 4 时， 焊接件 的强度水平 会减低到比母材强度还低。 添加磷 F e 。 P 有点像硫， 对熔 焊应用没有特别 吸引力。低熔点的 F e 。 P添加剂会使焊缝 区产生热 裂纹 。可是 ， 不用填料金属的钨电极气体保护电弧 焊法 ， 已用于数量有限的 An c o r s t e e l 4 5 P的应用。 添加有混合镍的铁或钢粉中， 通常可强化材料 的韧性 ， 对焊接性不会造成任何特殊困难 。 不锈钢粉末冶金零件已用各种焊接方法成功地 进行焊接。用 3 1 6 L填料金属和氩保护 ， 用熔化极 气体保护电弧焊焊接的各种密度的 3 1 6 L粉末冶金 零件 ， 性能全部 良好。3 0 3易切 削牌号 与用氮 强化 的不锈钢不宜进行焊接。4 1 0马氏体牌号不锈钢可 以焊接 ， 但对于材料的淬透性必须小心测定。 用熔化极 气体保 护电弧焊法与奥 氏体填料金 属 ， 成功焊接 了烧结体密度为 7 ． 0 g ／ c m。的， 标称组 成为 0 ． 5 C - 5 ． 0 9 ／ 6 Ni 一 0 ． 5 9 ／ 6 Mo的 Ni Mo钢， 而且 不用进行预热或后热处理对于这种组成， 用摩擦／ 惰 性法也能制成令人满意的， 高度完善 的焊接件 。如 果用同样的技术焊接 Di s t a l o y牌号的粉末制 品时， 会得到同样 的结果。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金工业 第 2 1卷 5 结束语 连接粉末冶金零件 的能力， 使着增大 了制造 比 传统模压的几何形状结构更复杂 的零件 的可能性 。 正如该文所表述的， 粉末冶金材料几乎没有不能焊 接或连接的。可是， 根据劳动强度、 设备与总制造成 本 ， 并非每种可能的焊接应用都是成本可行的。 作为一种快捷参考 ， 本文包括 了焊接工艺 的特 性 ， 其确定了可适用的材料牌号组成、 密度与连接方 法 。正像特性所表 明的 ， 大多数材料都可 以用几种 方法进行连接 。反过来说 ， 大 多数方法也可用于连 接各种材料牌号。为确保成功率最 高， 通 常对 任意 选择的那些牌号／ 方法 ， 都需要小心或另外判定 。而 且 ， 对每种应用 的可能例外 ， 都应更详细的单独进行 考察 。 参 考文 献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] I- 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 O ] Li n ne r t G E．W e l di ng M e t al l u r g y， Ame r i c a n W e l di ng S o c i e t y， Vo L 1 8 L 2，1 9 6 7 ， 5 5 0 N． W ． Le j u n e Rd ． ， Mi a m i ， FL， 3 31 35 ． M e t a l s Ha n d b o o k ， W e l d i n g a n d B r a z i n g， Vo 1 ． 6， 8 t h E d i t i o n． 1 9 7 1， Ame r i c a n S o c i e t y f o r M e t a l s ， M a t e r i a l s Pa r k， OH ， 4 4 073 ． B o c c h i n i G F ． “ Th e I n f l u e n c e s o f P o r o s i t y o n t h e Ch a r a c t e r i s t i c s o f Si nt a r e d M a t e r i a l s ”．S oc i e t y o f Aut o mo t i ve Engi ne e r s． Te c hni c a 1 Pub l i c a t i on 86 01 48， 1 98 6． Re s i s t a nc e W e l d i n g M a nu f a c t ur e r s As s o c i a t i o n， 19 00 Ar c h S t r e e t ， Ph i l a d e l p h i a ， PA 1 9 1 0 3 ． J o h n s o n L J ，Ho l s t G J ， O Ha n l o n M J ． “ Pr o j e c t i o n W e l d i n g P o wd e r M e t a l Co mp o n e n t s To W r o u g h t Co mp o n e n t s ” 。 1 9 7 1 Fa l 1 P／ M C o n f e r e n c e P r o c e d i n g s ， Oc t o b e r 1 9 2 1 ， De t r o i t M I ， 1 9 3 2 0 3， Ed ． S ． M o c a r s k i ， MPI F， P r i n c e t o n， NJ ． Hi n r i c h s J F， Ra ms e y P W ， Z i mme r ma n M W ． “ J o i n i n g S i n t e r e d S t e e l t o W r o u g h t S t e e l Us i n g Va r i o u s W e 1 d i n g Pr oc e s s e s ”， Ame r i c a n W e l di ng S oc i e t y， 52 nd An nu a l M e e t i