粉末冶金铁基材料的温压与温-模压制.pdf

第 3 1 卷第 6期 2 0 1 3年 l 2月 粉末 冶金 技术 Powde r M e t a l l ur g y Te c hno l o g y Vo 1 ． 31．No ． 6 De c ． 2O1 3 粉末冶金铁基材料 的 温压与温一 模压制 J a me s W B r i a n，Na r a s i mh a n K S H o e g a n a e s公司 ， C i n n a m i n s o n N J ， 美 国 摘要 自温压工艺 A N C O R D E N S E 用于大量生产迄今 已有 2 O年 ， 采 用一次压 制工 艺可将 中等 一大 型尺 寸 的铁基零件压制到生坯密度 7 ． 3 g ／ c m 。本文 回顾 了温压 的应用与最近温压 技术的改进 。鉴 于并非所有 零 件 生产厂家都希望对 粉末 与压 制模 具二者进 行加热 ， 在利用原先温压工艺经验 的基础上 ， 开发 出了温一 模 压制 A n c o r Ma x 2 0 0 工艺。并将 温一 模压制用的预混合粉进行了改性 ， 使用 的润滑剂含量 只有 0 ． 4 ％ 质量 分数 ， 下 同 ， 从 而将生坯 密度提高 到了 7 ． 4 g ／ c m 。温一 模压制工艺 的改进进一 步促进 了预混合粉 的开发 ， 使用 的润滑 剂含量 已减少至 0 ． 2 ％ ～ 0 ． 3 ％ ， 可达到 的生坯密度 接近 7 ． 5 g ／ c m 。本文 概述 了温压工 艺的基本 原理 以及温 压 与温一 模 压制 工艺 二者 的最新 改进 。 关键词 粉末冶金 ； 温压 ； 温一 模压制 W a r m c o mpa c t i o n a n d wa r m d i e c o m p a c t i o n o f f e r r o us P／M ma t e r i a l s J a me s W Br i a n，Na r a s i mh a n K S H o e g a n a e s C o r p o r a t i o n ， C i n n a m i n s o n N J ， U S A Ab s t r a c t I t i s n e a r l y t w e n t y y e a r s s i n c e w a r m c o mp a c t i o n p r o c e s s i n g A N C O R D E N S E w a s i n t r o d u c e d c o mme r c i a l l y，p e r mi t t i n g me di um t o l a r g e s i z e f e r r o u s P／M p a r t s t o b e c o mpa c t e d t o a g r e e n de n s i t y o f 7 ．3 g ／c m v i a s i ng l e c o mp a c t i o n p r o c e s s i n g ． S ub s e qu e n t a pp l i c a t i on o f t h e t e c hn o l o g y wi l l b e r e v i e we d a l o ng wi t h mo r e r e c e n t r e f i ne me nt s o f t h e pr o c e s s ． Be c a us e no t a l l pa r t s ma k e r s we r e pr e p a r e d t o he a t bo t h t he p o wd e r a n d t h e c o mp a c t i ng t o o l i n g ， t h e p r o c e s s o f w a r n l d i e c o m p a c t i o n A n c o r Ma x 2 0 0 w a s d e v e l o p e d u s i n g e x p e r i e n c e g a i n e d f r o m t h e o r i g i n a l wa r m c o mpa c t i o n p r o g r a m．Th e i ni t i a l p r e mi x e s f o r wa r m di e c o mp a c t i o n we r e s u bs e q u e nt l y mo di f i e d a n d wi t h a l u br i c a n t c o n t e nt o f o n l y 0． 4wt ％e na bl e d g r e e n d e n s i t i e s o f 7． 4 g ／c m t o be r e a c h e d ． En h a nc e me n t o f t hi s t e c h n o l o g y h a s l e d t o t h e d e v e l o p me n t o f p r e mi x e s wi t h o nl y 0． 2wt ％t o 0． 3 wt ％l u b r i c a n t a nd g r e e n d e n s i t i e s o f ne a r l y 7． 5 g ／ c m a r e no w a c h i e va bl e ．Thi s p a p e r wi l l o u t l i ne t he b a s i s for t h e o r i g i n a l wa r m c o mpa c t i o n pr o c e s s a n d t h e mo r e r e c e n t e n ha nc e me n t s o f bo t h wa r l Y l c o mpa c t i o n a n d wa r m- di e c o mp a c t i o n p r o c e s s i n g ． Ke y wor dspo wd e r me t a l l u r g y；wa r n l c o mpa c t i o n；wa r m di e c o mp a c t i o n 铁基粉末冶金材料的力学性能是其密度与显微 组织 的函数 ， 力学性能随密度 的增高而改进 。尽管 许多密度为 6 ． 8 g ／ c m 的铁基零件的使用性能适用， 但是其趋势是 向较高密度水平发展的。 目前批量生产的大部分铁基粉末冶金零件已可 达到密度 7 ． 0 g ／ c m 。倘若零件设计与 刚性模 具容 许 ， 使 用 较 高 的 压 制 压 力 时 ， 零 件 密 度 可 高 达 7 ． 1 5 g ／ c m 。除了很小的零件外 ， 要使粉末冶金铁基 零件压制到密度 7 ． 2 g ／ c m ， 均需要采用特种工艺。 将粉末冶金铁基零件压制 到高密度需要 可压 缩的粉末、 优质润滑剂和高压制压力。 在铁基粉末冶金材料的混合粉 中， 一般添加的 润滑剂量约为 0 ． 8 ％ 质量分数 ， 下 同 。传统使用 的润滑剂一般是硬脂酸锌或 E B S蜡 乙撑双硬脂酰 胺 。鉴 于环保 问题 ， 目前硬脂 酸 锌 的使 用减 少。 压制压力低时， 较高 的润滑剂含量可使零件压制到 较高的生坯密度。将压力增高到转变压力时 ， 添加 的润滑剂将阻碍压制过程 的进行 ， 妨碍达到较高的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末 冶金技术 2 0 1 3年 l 2月 生坯密度 ， 如图 1 所示。Y a m t o n与 D a v i e s 强调 _『 该机理 。相 比于将润滑剂加入到混合粉 中， 模壁润 滑可使零件达到较高的生坯 密度。遗憾 的是 ， 模壁 润滑工艺在大量生产中的应用只局限于形状简单的 较薄的零件 。 _吕 ～ 糍 压制压力／ MP a 图 1 润滑剂含量对雾化铁粉压缩性 的影响 Fi g ．1 Ef f e c t o f l u b r i c a n t c o n t e n t o n c o mpr e s s i b i l i t y o f a t o mi z e d i r o n po wd e r 1 温 压 温压时 ， 摩擦产生的热会导致模 冲、 芯棒 若有 的话 及阴模的温度增高。为了测定温压时是否能 达到比常规压制更 高的温度 ， 进 行 了一系列研 究。 在较高的压制温度下需要使用 不同的润滑剂 ， 以保 持其在较高温度下 的润滑性能。该研究促进 了用粘 结剂处理的预混合 粉的开发 ， 这种预混合粉专用于 温压 。 ] 。在 温压 工艺 中， 粉 末 与模 具都 要 加热 1 2 0～1 4 5 C ， 使用为温压开发的专用粘结剂 一润 滑剂系统时， 可将润滑剂的添加量减小到 0 ． 6 ％， 生 坯密度可达到 7 ． 3 g ／ c m 。为 了了解其原因 ， 需要回 顾 Y a r n t o n与 D a v i e s 提出的压力“ 转变” 的原理与介 绍无孔隙密度理论。 粉末压坯的无孔隙密度是指压制的} 昆 合粉中不 存在孔隙时的密度。这是一个概念性的而非实际的 目标， 尽管可以将混合粉压制到无孔隙存在的程度 ， 但 当生坯从阴模型腔中脱出时 ， 仍然会发生胀大 ， 从 而增大了无 质量的体积 ， 实 际上减小 了生坯 密度。 诸如润滑剂和石墨粉之类混合粉添加剂 的密度 ， 都 和被压制的铁粉或预合金化低合金粉的密度有相当 大的差异。润滑剂的密度约 为 1 ． 0 0 g ／ c m ， 石 墨为 2 ． 3 0 g ／ e m ， 而铁 与预合 金化粉 的密度约为 7 ． 8 4 g ／ e m 由于铁与低合金材料中含有非金属夹杂物， 因 此低于铁的理论密度 。鉴于润滑剂的密度如此之 低 ， 因此其在粉末压坯中 占有 的体积就 比较大。尽 管润滑剂在混合粉 中的质量分数 只有 0 ． 8 ％， 但其 体积分数却 7 ％。在较高压力下压制混合粉时， 当 没有孔隙空间或粉末表面可使润滑剂 移动时， 其就 开始 阻碍 压坯 的进一 步致 密化 。 粉末压坯的无孔隙密度可以根据各种组分 的质 量分数和其各 自的密度来计算 。混合粉各组分的质 量分数除以密度可得 出其 占有的体积 ， 将各个体积 相加 ， 以体积的总和去除压坯 的质量就可得 出混合 粉的无孔隙密度。实际上 ， 在试验室条件下压制形 状简单 的压 坯 的生坯 密 度都 是其 无 孔 隙 密度 的 9 8 ％， 这 已为上百种组成 的混合粉所证实。 例如 ， 混合粉 的组成为 9 6 ． 6 ％铁 2 ． 0 ％镍 0 ． 6 ％石墨 0 ． 8 ％润滑剂 ， 则 1 0 0 g混合粉 的无孔 隙 体积 9 6 ． 6 ／ 7 ． 8 42 ． 0 ／ 8 ． 8 50 ． 6 ／ 2 ． 3 00 ． 8 ／ 1 ． 0 0 1 3 ． 6 1 c m ； 混 合粉 的无孔 隙 密度 1 0 0 ／ 1 3 ． 6 1 7 ． 3 5 g ／ c m ， 9 8 ％无孔隙密度 7 ． 3 5 9 8 ％ 7 ． 2 0g ／c m 。 在润滑剂含量为 0 ． 6 ％时 ， 采用上述方法计算 ， 可得出混合粉的无孔隙密度为 7 ． 4 5 g ／ c m 和 9 8 ％无 孔隙密度为 7 ． 3 0 g ／ c m 。 图2是不同的润滑剂含量对混合粉的无孔隙密 度的影响曲线 。图 3汇总了润滑剂和石墨对混合粉 无孔隙密度的相对影响规律。 图 4 是 分 别 用 常 规 压 制 与 温 压 A N C O R D E N S E 压 制 F L N 2 4 4 0 5 A n c o r s t e e | 8 5 H P 2 ． O ％ 镍 0 ． 4 ％石墨 0 ． 6 ％润滑剂 时得到的压缩性 曲 线 。 7 7 7 6 0 7 ． 5 0 7 ． l 舅7． 3 7． 20 越 硝7 ． 1 0 7． K 1 6． 90 6． 80 0． Z I J l J ． 4 0 I l _ n l J l J ． 【 J I ． I H J 预混粉中的润滑剂含量， ％ 图 2 润滑剂含量对混合粉 铁 2 ． 0 ％镍 0 ． 6 ％ 石墨 润滑剂 的 无孔 隙密度的 影响 Fi g ． 2 Th e e f f e c t o f l ub r i c a n t c o n t e n t O i l t he po r e f r e e d e n s i t y o f t he mi x i r 0 n 2． O％ ni c ke l 0． 6％ g r a p h i t e l u br i c a n t 通过插入阴模体 内的筒式加热器和上模 冲周 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 l 卷第 6期 J a me s W B r i a n等 粉末冶金铁基材料 的温压 与温一 模压制 越 鏊 謇 g 、 稍 图 3 润滑剂与石墨对无孔 隙密度的相对影响 Fi g ． 3 Th e r e l a t i v e e f f e c t o f l u br i c a n t a nd g r a p h i t e o n p o r e f r e e de ns i t y 图 4 F L N 2 - 4 4 0 5的压缩性 曲线 Fi g ． 4 Co mpr e s s i b i l i t y c u r v e s f o r FLN2- 4 40 5 围的带式加热器可对压制模具进行加热 ， 但粉末不 易加热均匀。 目前 已经开发出了用于大量生产的粉 末加热系统 ， 其一是利用螺旋输送机 如图 5 a 所 示 加热 ， 另一个方法是采用用油加热的面板 如 图 5 b 所示 。 2温 模压 制 采用温压工艺生产的零件 ， 从电动工具的小 、 中 等尺寸的齿轮零件到汽车 自动变速器 的变矩器毂 ， 包罗万象。有一些厂家不希望将粉末与压制模具都 进行加热 ， 希望有一种不需要加热粉末 的工艺。进 一 步的研究开发 出了温． 模压制工艺 。开发温． 模压制工艺 的基准是含有 0 ． 7 5 ％A c r a w a x C E B S 润滑剂的混合粉 ， 这代表在大量实际生产中所采用 的润滑剂类型和数量。开发的工艺 目标是要在保持 生坯的表面粗糙度 和采用 0 ． 7 5 ％E B S润滑剂时相 当的基础上能得到高 的生坯密度。图 6是用温。 模 a C i n c i n a t i 公司的 E L - T E MP螺旋加热装 置； b A b b o t 炉子公 司的 T P P 3 0 0热粉末处理机 图 5 用于大 量生产 的粉 末加热 系统 Fi g ． 5 Co mme r c i a l p o wde r h e a t i ng s y s t e ms 压制 脱 出时零件温度 9 3 o C 与常规压 制工艺压制 的 F L N 2 - 4 4 0 5材料的压缩性曲线 。图 7是 F L N 2 ． 4 4 0 5材料的生坯密度与生坯胀大的关系曲线 。 g 、 懒 图 6 F L N 2 - 4 4 0 5的压 缩性 曲线 Fi g ． 6 Co mp r e s s i bi l i t y c ulwe s f o r F LN2- 440 5 采用温- 模 压制 ， 材料 的生坯胀 大 比常规压制 含有 0 ． 7 5 ％E B S润滑剂者小 ， 特别是生坯密度高时 更 明显 。另外 ， 温- 模压制 脱出时零件温度 9 3 o C 的材料 的生坯强度 明显高于常规压制的材料 ， 见 图 8所 示 。 和 由含有 0 ． 7 5 ％E B S润滑剂 的混合粉常规压 制的材料相 比， 温． 模压制 脱 出时零件温度 9 3 ℃ 的材料 的脱 出 脱开与向外滑动 应力显著减小 ， 见 图 9所示 。同时表面粗糙度 良好 ， 如图 1 0所示。 除了几何形状简单的零件外 ， 温． 模压制也已用于压 制诸如 图 1 1 所示的齿轮之类 的结构零件 。这个 高 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金技 术 2 0 l 3年 1 2月 图 7 F L N 2 - 4 4 0 5的生坯胀大与生坯密度的关系 Fi g ．7 Gr e e n e x p a ns i o n V S ． g r e e n d e ns i t y f o r F LN2- 4 40 5 图 8 F L N 2 -44 0 5的生坯强度 与生坯密 度的关系 F i g ． 8 Gr e e n s t r e ng t h o f FLN2-44 05 a s a f u nc t i o n o f g r e e n de n s i t y 3 2 m m的零件是在 D o r s t 1 4 0 t 的机械式压机上 ， 以冲 程速率 1 0个零件／ m i n压制的。 温． 模压制适合于高压力下压制小 、 中等 尺寸 的零件 。倘若零件的壁厚 ≥1 9 m m或其质量 7 0 0 g 时， 推荐采用温压 A N C O R D E N S E 工艺 。由于与阴 模 的接触时间短以及低 的热传递效率 ， 使得温 模压 制工艺难以压制此类零件。温一 模压制时 ， 零件生坯 表面的最佳温度是 9 3 o 【 。但是 ， 可用的温度范围为 8 0～1 0 5 o C， 这取 决 于 目标 是不 是 最高 生坯 密 度。 A n c o r Ma x 2 0 0温一 模压制系统的优点是 压制的零件 生坯表面不粘滞。而对于其他 的一些温一 模压制系 统 ， 阴模台面的粉末可能会粘附在生坯表面。 关于温一 模压制 ， 除非添加 的润滑剂更 多， 否则 不能压制厚度 3 5 m m的零件。多加的润滑剂将 限 制可达到的生坯密度 ， 这是 因为其 会减小材料的无 ＼ 警 婆 a 5 5 0 MP a压制 ； b 8 3 0 MP a压制 图 9 F L N 2 -44 0 5的脱出 曲线 F i g ． 9 E j e c t i o n c u F v e s f o r F L N 2 _ 4 4 O 5 孔 隙密度 。 一 些零件生产厂家 已将温压转换成 了温一 模 压 制工艺 ； 有一些未采用温压的厂家也 已开始使用温一 模压制工艺 。图 1 2 表 明， 用温一 模 压制可得 到较 高的生坯密度 。 压制生坯密度如此 高的零件需要考虑使粉末 体中的空气逸出的时 间。将松装密度为 3 ． 1 0 g ／ c m 的混合粉压制到生坯密度 7 ． 3 0 g ／ c m 时， 压缩 比为 2 ． 3 5 ， 压制一个 2 0 0 g的零件期间需要释放 出 9 0 c m 的空气。当使用液压式压机压制时， 短时间的保压 可使空气逸出； 当使用机械式压机压制时 ， 于曲柄角 度 1 6 0 。 下 的程序短时间保压， 也会起到 同样作用。 若不容许空气逸出， 就有压力过高的危险 ， 从而可能 使零件生坯中产生分层裂纹 。 与其用温- 模压制工艺压制到最高生坯密度 在 含有 0 ． 4 ％润滑剂下 ， 约为 7 ． 4 g ／ c m ， 一些生产 厂 家一般是将零件压制到密度 为 7 ． 2～7 ． 3 g ／ c m ， 这 使得可采用 比为达到更高生坯密度所 需要的压力 8 3 0 MP a 稍低的压制压力 6 0 0～ 7 0 0 MP a 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 6 8 粉末冶金技术 2 0 1 3年 1 2月 备的 F N． 0 2 0 5预混合粉的压缩性 ， 图 1 4 b ⋯是其 生坯强度。采用这种工艺可 达到相 当高的生坯强 度 。 压制压力／ MP a 图 1 5 ⋯是在不同温度及不同的润滑剂含量 与 类型下 ， 温一 模压制的 F N - 0 2 0 5材料的脱出特性 。 7 6 ．8 69 7 ．0 7 ． 1 7 ．2 7 ． 3 7 4 7 5 生坯密度 ／ g c m a A n c o r Ma x 2 2 5压制的 F N- 0 2 0 5的压缩性曲线 ； b A n e o r M a x 2 2 5压制 的 F N-0 2 0 5的生坯强度 图 1 4 A n c o r Ma x 2 2 5压 制的 F N - 0 2 0 5的压 缩性 曲线和 生坯 强度 F i g ． 1 4 Co pr e s s i b i l i t y a n d g r e e n s t r e ng t h o f FN- 02 05 c o mp a c t e d wi t h An c o r Ma x 22 5 4 5 40 3 5 3 0 委25 2 0 婆 l 5 l 。 5 0 脱出距离 图 l 5 在不同温度下和用不同含量与类型 的润滑剂温一 模压制 的 F N -02 0 5材料的脱 出特性比较 F i g ． 1 5 A c o m p a r i s o n o f t h e e j e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f a F N - 0 2 0 5 m a t e r i a l w a r m- d i e c o m p a c t e d a t d i f f e r e n t t e mp e r a t u r e s a n d wi t h di f f e r e n t a mo u n t s a nd t yp e s o f l ub r i c a n t 4 结束语 不同的温压与温． 模压制工艺之间的比较如表 1所示 。 表 1 不同 的温压与温一 模压 制工 艺之 间的比较 Ta bl e 1 Co mp a r i s o n b e t we e n v a r i o u s wa r m c o mpa c t i on a n d wa r l n di e c o mpa c t i o n p r o c e s s e s 下转第4 7 4页 ∞ 踮 鲫 舯 m 0 0 B d 暇 _韦 一 E ． 昌 ， 馘船 酬 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m