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粉末冶金温压技术的发展自1994年钢铁粉末冶金温压工艺在国际上取得突破以来,国内除宁波东睦,扬州保来得粉末冶金有限公司少数厂家引进温压生产线以为,大多数企业处于观望状态有限的几个大专院校,科研院所对该技术进行了消化,吸收和试图国产化的研究国家863计划、95攻关等项目也对此有不同强度的支持可以确定的是,新技术通过一次压制,一次烧结的较低成本工艺使零件密度提高
0.15〜
0.25g/cm3o问题是这个密度的提高究竟给我们提示了什么?温压技术对粉末冶金铁基结构零件的发展前景?经过6年的实践,国际上有什么新进展,我们到底对温压技术有一个怎样的基本认识,温压技术的控制因素一温压技术的“瓶颈”问题什么,产业化的困难及具有操作性的对策,这些都需要认真思考6年来的总体工作表明,温压技术的实施和实现产业化取决于两个系统工程的成功实施;即开拓市场需求的系统工程和技术系统工程的合理操作系统中的各个环节相互制约,需要通盘考虑如果某一个环节出现问题,都不会得到好的高密度温压产品,更不要说温压技术实现产业化了1开拓市场需求的系统工程与标志性产品温压技术产业化所需要的第一个系统工程是需求的系统工程即“企业需求一市场需求的推动一市场需求一再到企业需求”企业对发展的迫切需求是温压技术诞生的原动力从温压技术发展史看,在粉末冶金铁基结构零件生产技术方面,第一个取得专利的企业是美国Hoeganaes公司该公司为瑞典在美国的分公司,高质量的还原铁粉是早期的主打产品温压技术能从该公司诞生,而不是从高水平的压件公司诞生,其关键原因是该公司长期以来不断追求发展,不断研究提高粉末质量的途径,在部分预合金铁粉、无偏析(包复)混合粉开发成功以后,就为温压技术的出现奠定了基础实际上,单就在100〜300℃温度下压制混合粉末的这一个技术操作而言,早在80年代中期,美国通用汽车公司就已开始了系统的研究施压的对象是铁粉、润滑剂与聚合物的混合物其作法是将有机润滑剂,聚合物均匀的包复在铁粉颗粒表面,压制或注射成形后不烧结,压坯由相互绝缘的铁粉组成以便用铁合金颗粒铁芯替代交叠层变压器用硅钢片铁芯后来的研究导致了1991年以后粘结永磁Nd-Fe-B材料的净形零件的产业化由文献上看,当时美国通用汽车公司提供的数据已包含了少量包复的有机润滑剂可以提高压坯的整体密度的内容但那时没有谁往铁基结构件上联想,即便考虑到了,也没有大批量合适的生产原料80年代末至90年代初,美国Hoeganaes公司开发的部分预合金铁粉,无偏析(包复)混合物不仅满足了高质量中密度铁基结构件的需要,而且也为温压技术的研究开发与成功提供了条件可以说,
二、温压工艺的技术特点:温压工艺被誉为“开创粉末冶金零件应用新纪元的一项新型制造技术”,其关键在于以较低的成本制造出高性能的铁基P/M零件,为轿车用零部件在性能与成本之间找到了一个较佳的结合点据资料分析,虽然温压工艺比常规一次压制烧结工艺的相对成分提高了20%但比浸铜工艺,复压复烧工艺,粉末热锻工艺分别降低20%30%和80%除此以外,温压工艺还具有自身独特技术优点
1、压坯密度和烧结密度高采用温压工艺,通常可获得
7.25〜
7.60g/cm3的铁基P/M零件在同一压制压力下,比一次压制烧结工艺的密度提高
0.15~
0.30g/cm3相应的,获得相同密度所需的压制压力降低140MPAa左右,这为较低吨位粉末压机压制大尺寸中密度铁基P/M零件创造了条件,相对地增大了压机的吨位
2、压坯强度高在相同密度水平下,经温压的压坯,其强度是常规压制压坯的
1.25〜
2.0倍这一特点为粉末冶金工艺制造形状复杂的机械零件提供了方便,也提高了粉末冶金技术与其它零件制造竞争的能力一方面,普通压制烧结工艺由于其压坯强度低,在脱模过程中很容易导致形状复杂压坯的破坏,从而无法成形然而,温压工艺克服了这一缺点另一方面根据粉末冶金技术和压机工作特点,垂直于压制方向的P/M零件侧面形状特征是不可能成形的,如横向孔等采用温压工艺后,由于压坯强度高,可在烧结工序之前直接对压坯进行机加工,节约机加工工时和提高刀具的使用寿命
3、脱模压力低温压工艺的脱模压力比普通压制工艺降低30%以上低的脱模压力意味着温压工艺易于压制形状复杂的铁基P/M零件和减少模具磨损从而延长其使用寿命同时,还可以降低粉末料中润滑剂的添加量,进一步提高压坯密度因为,润滑剂每降低
0.1%压坯密度将增加
0.05g/cm3o
4、弹性后效小烧结后零件尺寸变化比普通压制要低得多,如DistaloyAE基材粉末经温压后的烧结收缩接近于零,易于获得高尺寸精度的铁基P/M零件
5、当零件密度、材质相同时,采用温压工艺制得的材料极限抗拉强度比复压复烧工艺所制得的材料提高10%左右,而疲劳强度提高了10〜40%特别是,零件经温压、烧结后进行适度的复压,其疲劳性能与粉末热锻件相当这些力学性能指标达到了轿车发动机,传动及刹车装置的使用性能的要求,可望为连杆的制造提供一条可行的技术途径
6、压坯密度分布均匀采用温压工艺制备齿轮类零件时齿部与根部间的密度差比常规压制工艺低
0.l~
0.2g/cm3o由于这些特点,在国际粉末冶金学界,人们称温压工艺是导致粉末冶金技术革命的一项新技术(出处摘自材料科学与工程)温压技术的发展、特点及其技术问题分析(下篇)(作者曹顺华易建宏曲选辉黄伯云蒋辉珍)【摘要】本文概述了温压的发展动态及其技术特点;详尽分析了涵盖温压的技术问题,并提出了开发符合国情的温压技术的对策【关键词】温压工艺对策发展动态(接上篇)
三、温压工艺的关键技术问题分析及对策从表面看,温压工艺与普通压制工艺相比,除了需加热粉末和模具以外,其它几乎一样我们似乎可以简单地推断,只需在现有地压制装备加上粉末和模具加热装置就可以实现温压,其实不然,这也是为什么目前已有十四项专利密集在温压工艺和国内仅引进两条温压生产线地直接原因,导致这一现状主要取决于涵盖温压工艺地关键技术1专用粉末原料国际上普遍采用温压铁粉原料,如Starmix、DensemixFlomet均系专利技术保护品种,其价格为普通铁粉地2倍以上,这一价格对国内铁基P/M制造厂家来说是难以接受的为打破国外对温压用铁粉制备技术的垄断,开发出具有我国特色的温压用铁粉原料,中南工业大学P/M国家重点实验室在与攀枝花钢铁公司合作开发低成本普通工业铁粉(该项目为国家“九五”重点科技攻关课题)的基础上,研究温压用铁粉原料的制备技术目前已制得松比
3.15g/cm3流动性27s/50g室温压缩性为
6.92g/cm3的粉末原料,很接近国外温压铁粉的工艺性能指标从制备工艺过程来看,其成本不会超过国内水雾化铁粉,预计其价格与水雾化铁粉相当
2、新型润滑剂在温压过程中,润滑剂除具有减摩功能以外,还必须具有防止粉末原料氧化的作用由于温压温度一般都在120c以上,通常用的润滑剂硬脂酸锌(熔点为90℃)会熔化液态硬脂酸锌在铁粉及其它合金元素粉末颗粒表面上形成粘性液膜,导致粉末原料的流动性大幅下降,以致于不能实现自动压制过程更重要的是,液态硬脂酸锌使粉末颗粒间及粉末颗粒与模具间润滑效果严重劣化,达不到温压效果为此,必须选择熔点更高的聚合物材料作润滑剂而目前所采用的温压过程用聚合物润滑剂均系保密或专利保护技术另外,润滑剂的最佳添加量及其加入方式也是值得探索的重要领域
3、压模设计问题对于普通压模,已有规范的设计准则然而,温压温度下,这些准则需作大范围调整或修正因为普通压模材料的回火温度与温压时模具加热温度相当,这必然导致模具的硬度下降,所以温压用模具材料通常选用YG8或YG10硬质合金作阴模然而,由于硬质合金阴模的热膨胀系数与上、下冲头及模套材料的差异较大,温压时上、下冲头与阴模间的配合间隙的选择及模套与阴模间的预应力设计规范需作大幅度改变正确的温压用模具设计应通过热物性计算和热弹性力学计算,确定对应的设计参数
4、模具加热装置的通用性目前有多种加热模具的方法,即热油加热、微波加热、感应加热和电阻加热热油加热方法具有温度稳定的优点,容易实现控温,但加热装置的体积大,且加热速度较慢另三种方法的加热速度快,但不易实现准确控温过程,特别是感应加热装置的体积也较大因此,通常采用热油加热方式全球现已能制造温压加热装置的生产厂家有美国的Cincinati粉末压机公司,滨州ABBOT电炉公司,德国Linde公司由于模具加热系统的部分热量会传递到模架上而需采用隔热措施以及热油所占的体积较大,故现有温压加热设备无法直接装上普通模架一套进口模架的价格从低至3~4万美元到高至十几万美元,若将现有引进的普通模架去掉而改换成温压专用模架,仅模架费用就在10〜30万美元对于我国已从境外引进粉末压机的P/M零件生产厂家来说,这不能不说是一笔巨大的外汇负担这也是国内铁基P/M零件制造厂对温压工艺敬而远之的重要原因,不利于我国温压技术乃至粉末冶金工业的发展为此,必须开发适合国情的通用性强的温压加热设备,使之能直接装在普通模架上目前,中南工大温压工艺研究小组已设计出自成特色的温压加热装备由于采用新的加热方式,模具加热系统的体积小,可望直接装上普通模架另外,该加热方式具有加热速度较快,温度分布均匀及稳定的特点
5、温压过程的致密化机理由于温压工艺是由国外粉末冶金公司最先开发出来的,且由于技术保密的需要,关于温压致密化机理的研究进展相对滞后,从而尚未见这一领域的研究成果报道一般认为,采用温压工艺获得高密度材料的主要原因是粉末颗粒的塑性变形得以松弛的结果然而,在温压温度下,铁的屈服强度降低幅度不足8%因此,不可能造成粉末压坯密度的显著提高因而在温压过程中粉末压坯致密化由别的主导机制控制从粉末原料特性来看,在室温粉末压制过程中认为粉末颗粒不发生横向位移的观点不适用于温压过程我们认为,在150℃左右,由于粉末硬度下降而使有限的塑性变形得以较充分进行,即产生协调性变形,有利于克服粉末颗粒之间的相互牵制,导致颗粒移动阻力下降,从而为粉末颗粒间相互填充创造了条件因此,在温压过程中,粉末颗粒除在压制方向出现位移以外,还存在其它各方向上的移动,包括横向位移
6、温压温度的选择根据文献报道,粉末的最佳加热温度为130℃而模具加热温度为150℃然而,国内的研究结果则表明粉末的加热温度应高于模具温度,且在130℃以下这可能由于不同材质体系的粉末具有不同的热响应行为所致因此,对于具体的材质体系,应系统地研究有利于挖掘获得最高密度潜力地温压加热温度
四、结束语温压工艺能以较低地加工成本制造高性能铁基P/M零件,为扩大粉末冶金零件的应用领域提供一条富有生命力的新技术从字面上的理解,温压工艺似乎与普遍压制技术技术大致相同然而,温压工艺本身隐含着复杂的技术问题特别是,开发适用于我国国情的温压技术及其装备是一项具有深远意义的研究领域(出处摘自材料科学与工程)温压致密化机理及其在温压粉末设计中的应用(作者曹顺华易建宏奉东文曲选辉黄伯云)温压技术是Hoeganase公司于1994年开发成功制造高强度铁基粉末冶金零部件的新型刚性模受到粉末冶金技术界的广泛关注该技术既保持了传统模压工艺的高生产率、被加工零部件(寸一致性好等基本特点,又以较低的成本提高了零部件的密度(
7.2(T
7.35g/cni3)由于零吉高,其综合力学性能大幅度改善,应用范围迅速扩大,为充分发挥粉末冶金的技术优势创造1而,温压被誉为“开创粉末冶金零部件应用新纪元并导致粉末冶金技术革命的新型成形技2温压技术提高铁基粉末冶金零部件密度的实质,即温压致密化机理至今尚无定论通常认三温度(130℃左右)下铁粉颗粒的加工硬化速度和程度下降,铁粉颗粒塑性变形阻力的降低和J降低,便于获得高的压坏密度无疑,铁粉颗粒塑性变形阻力的降低有利于提高粉末压坯密温压粉末设计的原料通常不采用高纯度的电解铁粉使原料粉末具有较低的塑性变形阻力,而1铁粉另外,按照这一观点,硬度较高的雾化合金钢粉也不适宜作为设计温压粉末的原料打乍者的温压粉末设计实践,利用雾化合金钢粉末作为基粉原料,在合适的温压条件下,其密52g/cm3
[9]o因而,温压时铁粉颗粒塑性变形能力的改善并不是温压过程中唯一的主导致密化h上,降低粉末颗粒在压制过程中的内摩擦也是行之有效的技术途径作者主要探讨温压过程孑机理及其主要影响因素,并以此为基础提出了温压粉末设计的基本原则,并设计出温压粉末于机理三机以恒定的加载速度压制时,实验测得的温压压缩曲线示意图从图1可以看到,曲线上出平台,对应着压机的压力指针出现停留另外,每一“平台”的后期出现的“凹陷”对应卜发生回摆这些“平台”意味着在压制压力不增加的情况下,粉末体仍在发生压缩现象而子的“凹陷”则对应着粉末体中孔隙结构的坍塌由于温压温度较低,不可能诱发铁颗粒大范口超塑性现象因此,这些“平台”表征了粉末颗粒间的重排列这一微观过程降低粉末颗粒I」于粉末颗粒间的重排列过程的进行温压时,聚合物润滑剂更有利于降低铁粉颗粒间的摩IJ过程的结果导致颗粒间的相互填充程度增大,有效地减小了颗粒间的孔隙体积,便于获得高九同时,在较高的压力水平下,“平台”的宽度表示粉末中可供某一粒级范围内的粉末颗粒4主要取决于相邻粉末颗粒粒级差的大小和铁粉颗粒的塑性变形能力铁粉颗粒塑性变形能y颗粒重排列过程提供协调性变形,有利于颗粒重排列过程的充分进行对于固定粒度组成的1形状影响着“平台”所对应的压力,且粉末颗粒偏离球形度越大,压力水平越高低压力水2台”表征以粗颗粒为主体的重排列过程而高压水平下的“平台”则表示以细颗粒为主体的九“平台”间的间隔,即相邻“平台”的对应压力差主要取决于铁粉颗粒的表面粗糙度和塑匕滑的铁颗粒,重排列过程的阻力较小,易于发生粉末颗粒的重排列显微硬度低,塑性变形、易为颗粒重排列提供协调性塑性变形,降低颗粒重排列阻力因此,铁粉颗粒塑性变形能力%压过程中另一重要的致密化机理三原料的设计原则E致密化机理的分析,发现铁粉颗粒的重排列过程和塑性变形的充分进行均有利于获得尽可能孑度为使在温压过程中不发生烧结膨胀现象,设计温压粉末原料时应遵循如下原则分的要求粒度组成粒度组成合适的基粉,具有可供颗粒发生重排列的足够空间,有利于获得高的填充颗粒形状球形粉末颗粒具有最小的颗粒表面积,可降低重排列阻力变形能力在温压过程中,具有较好塑性变形能力的铁粉可以提供重排列过程所需的协调性变€重排列阻力由于部分预合金化钢粉比纯铁粉具有理镐的压缩性,因此国际上粉末制造公司(粉末时大多采用部分合金化钢粉作基粉关于部分预合金化钢粉的塑性改善机理,一般认为1内应力在部分预合金化过程中得以消除的结果其实,经过部分预合金化处理后,钢粉发生与现象,仍需进行机械破碎很显然,还会产生内应力因此,这一观点没有说服力作者认R分预合金化钢粉塑性提高的原因是,部分预合金化钢粉塑性提高的原因是,部分预合金化区上晶格畸变,导致系统能量升高,非合金化区域中的间隙原子职N0C等被吸引至合金化区1提纯效应,铁粉颗粒整体塑性得以改善表1是铁分别与银、铜经部分预合金化后,非合金晨氮、氧含量的变化规律从表1可以发现,部分预合金化后,铁中的间隙元素含量都出现勺降低特别是,铁中间隙元素含量约为合金化处理前的1/2这是因为保与铁原子的原子半产生的晶格畸变能较高之故金化区域间隙元素含量变化(质量分数)
320.
01600.
0011210.
00790.
0005270.
01600.0010和要求字剂在压制温度十不仅应具有良好的润滑效果,而且由于温压密度高,很容易在脱除过程中出如所以还必须能有效地抑制膨胀因此,温压用聚合物润滑剂应该具备如下特性物的熔点应高于温压温度作为固态润滑性能良好的聚合物润滑剂,当温度高于聚合物的熔U的润滑性能下降,甚至产生劣化现象,不能充分发挥其减摩性能摩擦因数较明显的温度效应即温度升高,聚合物润滑剂的摩擦因数进一步降低方式粉末颗粒表面均匀地包覆一薄层润滑剂能最大限度地降低粉末颗粒在温压过程中的内摩I粒重排列过程的充分进行因此,采用润滑剂涂层形式较为理想的分解温度范围具备这一特性的聚合物润滑剂可降低在预烧段聚合物的分解产物在烧结坯中勺压力,有效地降低烧结体的体积膨胀,从而保证烧结部件的烧结密度和尺寸精度保问题(无氟组分)分末的有效添加技术石墨是一种高压缩模量的固体,在外力作用下主要发生弹性变形当外压卸除后,即粉末压口脱出后,储存在坯体中的弹性内应力将释放,加剧坯体发生胀大,从而有可能抵消温压、提to因而,温压粉末中的石墨含量一般在
0.5%以下,限制了温压粉末的成分设计范围为了充多对铁基烧结零部件的强化作用,作者采用一种特殊方法,对小于75um的石墨粉末颗粒(本W面处理,使其表面粘附着微细的石墨颗粒这些微细石墨颗粒在压制过程中能以滚动摩擦取即降低石墨颗粒本体的移动阻力,便于石墨本体移至受力最低的位置,减轻石墨颗粒的弹性避免弹性变形对致密化的消极影响这一技术可使温压粉末中的石墨含量高达1%从而拓展三的成分设计范围(设计2压粉末的设计原则和我国铁粉资源特点,分别设计出3大温压粉末体系温压粉末的设计上铁粉(鞍山钢铁公司)为原料,经过对铁粉颗粒表面的活化处理和与银、铝粉间的部分预I得到名义成分为Fe-l.5Ni-
0.5Mo的部分预合金化铁粉,添加经表面改性处理过的-『墨粉末、电解铜粉和
0.6%的聚合物润滑剂,得到高性能的温压粉末原料图2是名义成分为-
0.5Mo-
0.5Cu-
0.6c的粉末与瑞典赫格纳斯公司生产的温压粉优异具体体殃在2个方面首干制的温压粉末在637MPa温压密度为
7.46g/cm3最大密度所对应的压制压力降低49MPa而吉高了
0.05g/cm3;其次,自行设计的温压粉末的石墨含量为
0.6%比赫格纳斯公司制造的温).3%o这一体系的粉末适宜于用作密度为
7.34〜
7.45g/cm3的高性能铁基粉末冶金零部件的制K温压铁粉的设计与粉原料价格较普通四化建设末冶金铁粉昂贵得多,影响了温压技术在我国铁基粉末冶金零部k中的应用这一现状严重制约着我国粉末冶金技术的发展和铁基粉末冶金零部件制造水平的匕,作者结合另一自行开发的专利技术成功地将从转炉烟尘回收的铁粉用于温压粉末的设计勺成本仅为普通雾化铁粉的40%-50%预计其售价与国外进口的合金铁粉相当利用开发成功7金技术将这类铁粉与银、铝形成部分预合金铁粉图3是这类粉末的温压行为该体系温压E性能与加拿大魁北克金属粉末公司以雾化铁粉设计的温压粉末性能相当,而成本至少降低这类温压粉适宜于密度为
7.20~
7.32g/cm3的铁基粉末冶金零部件的制造原料,金钢粉末的设计1合金钢粉的显微硬度高,塑性变形阻力大,国外粉末公司采用它们来作为温压粉末设计原料口而,合金钢粉末颗粒类似于合金钢小铸锭,具有成分均匀的特点,便于获得显微结构和性能营娄末冶金零部件由于合金钢粉末的变形抗力大,必须充分发挥颗粒重排列在致密化过程中9此,该体系的润滑剂的减摩擦行为在上述两体系的基础上有所改进另外,温压温度也有所》末与模具的加热温度分别为125℃145℃o图4为不同石墨粉末的温压行为从图4可以看4压制压力下,添加
0.8%石墨的粉末的温压密度最高添加
0.1%石墨的粉末的温压密度高于看常情况下,粉末中石墨含量增加,压坯密度降低因为,一方面,石墨的密度小,降低压坯如降低压坯密度由于温压粉末中的石墨经过表面处理,具有很强的润滑作用因此,石墨方有利于颗粒重排列过程的进行,便于得到较高的温压密度但是,进一步增加石墨含量使得三密度降低的作用增强,导致温压密度降低图5是Fe-L5Ni-
0.5MoTCu-
0.8c粉末在室温『为由于其中的石墨具有比普通石墨粉末更为优异的润滑效果,有利于压坯密度较普通合金三坯密度(通常为
6.8g/cm3左右)有所提高比较图4与图5可以发现,温压密度较室温压
60.TO.19g/cm3o因此,温压提高压坯密度的效果是很明显的图67可以看出,温压弹性官压降低了30%-40虬从图6还可以看到,石墨含量显著地影响温压弹性后效,即弹性后效随W加量的增加而增大在石墨添加量为
0.8%和1%两种情形下,弹性后效与压制压力的关系不如
90.6%时敏感这可能与所添加的石墨粉具有良好的润滑性能有关该粉末可以作为密度“cm
3、性能均匀的铁基粉末冶金零部件的制造原料同时也可作为铁基粉末冶金零部件烧结匕原料己中,颗粒重排是主导的致密化机理同时、粉末颗粒的塑性变形对温压致密化起着重要的作二述认识,确定了温压粉末原料的设计准则开发设计了适宜于用作制造零部件密度为g/cm3的高性能温压粉末原料、零部件密度为
7.25~
7.34g/cm3低成本温压粉末原料和密度为;/cm3结构均匀的合金钢温压粉末原料(出处摘自《粉末冶金材料科学与工程》2001年第三期)温压粉末的制备及其温压行为(作者曹顺华张立华易建宏曲选辉杨屹)粉末冶金是一门集材料冶金与机械制造于一体的新型技术,具有节材、低能耗等显著优点,为机械制造特别是汽车工业提供了大量质优价廉的P/M零件然而,其中的孔隙决定了零件具有较低的力学性能,限制了P/M零件的使用范围,导致粉末冶金技术与其它零件制造技术相竞争的潜力无法得到充分发挥为了扩大P/M零件的应用范围,必须提高P/M零件睥密度目前,用来提高P/M零件密度的常用方法有高压缩性铁粉的制备与应用;复压复烧;浸铜工艺;粉末锻造;液相烧结;高温烧结由于这些工艺存在不同程度成本和零件精度难以保证等技术问题,必须寻找新的提高P/M零件密度的技术途径温压是1994年由美国霍根纳斯公司在扩散粘结铁粉的基础上开发出来的制备高密度P/M零件的新工艺至今已申请有关温压的专利20余项,其中涉及到温压用粉末的制备、新型润滑剂、加热装置及相关制备工艺目前,全球建立了30余条温压零件生产线,能制造出数十种温压零件温压工艺得到如此迅猛的发展的关键在于其以较低的成本制造高密度P/M结构零件为高密度零件在性能和成本之间找到了一个较佳的结合点据报道,温压工艺的相对成本分别比浸铜工艺、复压复烧和粉末锻造工艺降低20%30%和80%由于温压工艺制备的压坯强度高、脱模压力和弹性后效低,为制造形状复杂、高精度的P/M结构零件提供了便利从而,赋予粉末冶金技术较其它零件制造技术以强大的竞争力温压粉末是获得高密度铁基P/M零件的技术核心和得以实现的基础为了促进我国粉末冶金技术的发展和减轻我国P/M零件生产企业对进口温压粉末的依赖程度,中南工业大学粉末冶金国家重点实验室与东风汽车公司、攀枝花钢铁公司合作,在国家“863”计划的资助下,重点放在温压粉末的制备和高密度铁基P/M结构零件的开发上,以建立一整套具有自主产权的、符合中国国情的温压零件制造技术体系1FeT.5Ni-
0.5Mo温压粉末的制备NiMo是提高铁基P/M零件力学性能特别是经后续热处理的力学性能的常用合金元素单质形态的银、铝在铁中的扩散激能高,在烧结过程能以与铁基发生合金化,形成银、铜的富集区,达不到提高力学性能的目的为了使NiM合金元素与铁合金化,必须提高烧结温度而在烧结过程中又由于NiMo的扩散和烧结收缩过大,导致零件的精度难以控制完全合金化粉末的加工硬化速度大和压缩性能又为烧结扩散和零件尺寸稳定性控制创造了条件目前,我国尚未掌握该技术通常,温压粉末的基础原料是雾化铁粉,其市场售价一般在6000到8000元/t加上其中的合金元素NiMo和聚合物润滑剂,仅原材料成本就高达9000至11000元/to因而,温压粉末的价格与从国外进口粉末的下限价格接近这对国内P/M零件制造厂家来说是难以接受的,不利于我国粉末冶金温压成型技术的发展,而必须寻找其它的基础原料来源转炉在吹炼过程中产生的烟尘,其中含有20%左右的铁粉从粒形来看,类似于雾化铁粉然而,这种铁粉由于杂质含量较高和成型性极差,不可能直接用作粉末冶金用铁粉原料,由于这种铁粉的回收成本仅800元/t左右,故在成本方面具有独特的优势回收物转炉烟尘铁粉经一系列的处理后,其主要化学成分如下wFe三
98.4%wS=
0.036%wC=
0.014%wP=
0.169%.1Fe-
1.5Ni-
0.5Mo扩散粘结粉末的制备工艺流程Fe-
1.5Ni-
0.5Mo温压粉末的制备工艺流程如下前期处理过的TOO目转炉烟尘铁粉经适当选粒后与-200目的银、铜粉和少量的粘结剂混合均匀活化处理在该工艺过程中起着关键性作用,即为NiMo合金元素与铁的合金化和使铁颗粒表面的适度粗糙化创造条件后续退火则具有扩散合金化和使已存在的铁颗粒表面粗糙度保持稳定的功能扩散粘结铁粉松装密度为
3.13g/cm3流动性能为27s/50g添加
0.6%硬酯酸锌的粉末在588MPa的压力下进行室温压制,压坯密度为
7.16g/cm2o新型润滑剂的开发对于在室温压制情形下的润滑剂如硬脂酸锌主要起润滑模壁的作用,即减小粉末颗粒与模壁间的摩擦力,降低外压损失,有效地提高压坯密度和改善密度分布而温压用润滑剂的功能则有所不同,除能降低粉末颗粒与模壁间的摩擦外,还能有效地降低粉末颗粒间的摩擦,有利于粉末颗粒在压制过程的旋转和滑动,为颗粒间的相互填充和粉末最大程度的致密化创造条件而硬脂酸锌在一般的温压温度下已熔化,这不仅造成粉末的流动性大幅度地降低,而且由于硬脂酸锌的结构发生变化而劣化了润滑效果因此,必须开发新型聚合物润滑剂体系.1聚合物A及其添加量对粉末温压行为的影响在最初的温压实验时,考察了粉末加热温度对聚合物A添加量为
0.6%的粉末温行为的影响,结果如表1所示表2为聚合物添加量对粉末温压行为的影响从表中可以看到,温压密度比普通室温压制还低,而且脱模压力大虽然当添加量为
0.7%时压坯密度有所提高,但弹性后效
0.23%而其它情形下的弹性后效为
0.15%增大因此,聚合物A并没有润滑效果,不适合单独作温压用润滑剂表1加热温度对Fe-
1.5Ni-
0.5Mo粉末温压行为的影响粉末温度/℃100110120130140压坯密度/g.cm-
37.
046.
986.
956.
946.94脱模压力/MPa
156.
8161.
7265.
6175.
7178.3表2聚合物A添加量对Fe-
1.5Ni-
0.5Mo粉末温压行为的影响聚合物A的添加量/%
0.
50.
60.7压坯密度/g.cm-
36.
966.
967.03脱模压力/MPa
199.
9196.
9183.72聚合物A的改性据分析,由于聚合物A是一种粘结剂,而必须加入一种使之改性的聚合物B表2列出的是聚合物AB的不同配比对温压密度和脱模压力的影响可以发现,加入聚合物B后压坯密度显著提高而脱模压力迅速下降其中以10%A+90%B质量分数聚合物组合体系作为温压用润滑剂时的温压效果最好,即压坯密度最高,脱模压力最低所以,温压粉末中聚合物润滑剂选择为10%A+90%B其添加总量为
0.6%温压粉末的工艺性能松比
3.10g/cni3流速
27.8s/50g;当粉末和模具的加热温度分别为110130c时,在86MPa的压力下可获得
7.31g/cm3的压坯密度表3聚合物AB的不同配比下的温压效果没有企业对发展(包括技术与产品)实质上的需求,就没有温压技术的诞生新技术问世后,市场需求的推动是极为重要的其目的是让温压铁基结构件逐步扩大它的市场占有份额为此,温压技术必须解决这样几个问题
①温压与室温压制相比压坯密度提高
0.15〜
0.25g/cm3如果高密度在烧结后能保持下来,则对铁基结构零件性能的影响
②是否有室温一次压制工艺不能制造的,新而多的标志性产品
③温压工艺的适用性和局限性有多大仅就疲劳性能来说明密度的提高对性能的影响高性能粉末冶金铁基零件的标志之一是它的疲劳性能要高比如,全致密合金钢(
0.6C
1.5CuO.5Moi.75Ni余Fe)的疲劳强度为460MPa(2*108次循环),而密度为
6.9g/cm3的材料强度仅为130MPa(2*108次循环)如果材料的密度提高到
7.19g/cm3(
0.5CL5CuO.55Mo
2.ONi余Fe)疲劳强度则可提高到368MPa密度提高到
7.28g/cm3需加入合金元素CuMoNi或用
0.4C和Fe疲劳强度可以达到449MPa(1*107次循环),接近致密钢材的疲劳强度使性能大幅度的提高这是粉末冶金铁基结构零件的开发者和生产者梦寐以求的温压技术正在制造出室温一次压制工艺不可能制造出来的,新的越来越多的标志性产品例如,德国SinterstahlGmbH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PM2TEC2001国际会议上获奖该零件的齿部密度超过
7.3g/cm3环体密度超过
7.Ig/cni3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%美国ChicagoPowderedMetal公司从1995年已开始用温压技术生产电力机车发动机齿鼓零件该零件重达
1.1kg密度
7.3g/cm3是FordMotorCo公司采用的第一个温压零件ChicagoPowderedMetal公司认为,温压技术的产业化将为粉末金属的应用开拓了一个新时代瑞典HogannasAB公司温压Ni-Cu-Mo钢粉,为重载车辆(如公共汽车和大卡车)制造变速箱用零件,零件的密度为
7.25〜
7.35g/cm3详细地研究了密度,组织,热处理特点跑车试验证明,温压烧结钢的零件不仅能够满足重载车辆的使用要求,而且会使零件的成本降低在我国,也不断出现温压新产品195年北京科技大学与武汉钢铁(集团)粉末冶金公司合作通过国家95攻关,于1997年成功的利用全部国产设备,国产原料,自行设计的温压模具一次压制软磁产品,重量为950g磁辗的生坯密度达到
7.37g/cm
3、烧结密度
7.41g/cm3磁性能Hc=
84.4A/n)Umax=5850Bmax=l.50T代替了原复压复烧工艺华南理工大学于2001年研制成功两种有代表性的温压新产品,高性能斜齿轮和薄壁气门导筒斜齿轮参数为法向模数mn=
5.5齿数z=10an=25o螺旋角0=
8.Io齿宽B=32mm采用了有模壁润滑的温压技术无模壁润滑的温压技术的零件密度为
7.2g/cm3而有模壁润滑的温压技术的零件密度达到
7.28g/cm3o聚合物配比,wA/B60/4040/6020/8010/900/100压坯密度/g.cm-
37.
127.
157.
267.
317.25脱模压力/MPa
137.
2134.
3109.
798.
5115.62Fe-l.5Ni-
0.5Mo粉末的温压行为由于温压效果与工艺参数的选择紧密相关,因此,对于具体的温压用粉末体系,进行温压工艺参数的优化有利于发挥温压在密度上的最大潜力
2.1粉末温度当模具加热温度固定在130C时,研究了粉末加热温度的变化对粉末温压行为的影响由图1可以看出,在所有粉末温度的情形下,压坯密度都随着压制压力的增加而增大当粉末加热温度为90C时,压坯的弹性后效为
0.18%且在中高压力范围内密度增加速度较快;而当粉末加热温度为120℃时,压坯的弹性效较小,压坯密度增加速度较慢,在相同压力水平下,低压时密度较高这可能是润滑剂的润滑效果劣化所致;相比之下,当粉末加热温度为110℃时,在中高压水平下,压坯密度最高,脱模压力最低,弹性后效为
0.15%压制压力为735MPa时,压坯密度为
7.35g/cm
32.2润滑剂含量根据普通室温压制实践,当粉末中润滑剂添加量每降低
0.1%在相同压制压力水平下,压坯密度将增加
0.05g/cn3为挖掘温压的密度潜力,考察了润滑剂添加量
0.5%
0.6%
0.7%对粉末温压行为的影响表3是在686MPa的压制压力下的实验结果从表3中可以发现,当润滑剂含量为
0.5%时,不但压坯密度没有增加,反而导致脱模压力增加这可能是由于润滑剂含量过低使润滑效果降低和外压在压坯上的传递效果下降而润滑剂含量为
0.7%时,虽然脱模压力下降但压坯密度降低,但弹性后效增大因而,润滑剂的最佳加入量为
0.6%与国外商用温压粉末的润滑剂的添加水平一致表4润滑剂10%A+90%B添加量对粉末温压行为的影响润滑剂添加量/%压坯密度/g.cm-3脱模压力/MPa弹性后效/%
0.
57.
26108.
30.
150.
67.
3198.
50.
150.
77.
2796.
70.18注粉末与模具的加热温度为110130℃;压制压力为686MPa3结论采用从转炉烟尘回收的铁粉作为制备密度在
7.20〜
7.35g/cm3结构零件的温压铁粉的原料在技术上是可行的;该技术以其成本优势对发展我国特色的温压技术具有一定的促进作用;采用部分预合金化技术制备的Fe-
1.5Ni-
0.5Mo合金粉末适于用作那些经表面渗碳淬火获得硬化的粉末冶金零件的制造原料(出处摘自《粉末冶金材料科学与工程》1999年第三期)中南大学温压技术实验室最新研究进展中南大学温压技术实验室依托于中南大学(原中南工大)粉末冶金研究所雄厚的技术和资金实力,在国家“863”计划的资助下,在温压技术国产化方面取得了突破性进展本实验室的现有条件建立了年产量为350吨各种规格的温压粉末生产线一条160吨粉末全自动温压机一台(温压加热系统从瑞典引进)和高温烧结设备,年生产能力为100万件目前已取得的重大技术突破部分预合金化铁粉的制造技术聚合物润滑剂(无氟组分)的研制发现了温压致密化的主导机理一一颗粒重排列独特的石墨处理技术突破1%以国产水雾化铁粉设计的Fe-
1.5Ni-
0.5Mo-
0.5Cu-
0.6C粉末的压缩性能处于国际领先水平开发的温压铁粉在637MPa的压制压力下,温压压坯密度达到
7.46g/cm3;而瑞典霍格纳斯制造的同类粉末在686MPa下压制的温压密度为
7.41g/cm3图1为两类粉末的压缩性曲线收缩率为
0.025%0图1温压压缩曲线的比较.独创采用转炉烟尘铁粉合成温压粉末从转炉烟尘回收的铁粉的价格仅为水雾化铁粉的60%设计的Fe-
1.5Ni-
0.5Mo-
0.5Cu-
0.6C温压粉末在686MPa下的温压密度达到
7.35g/cm3比加拿大Quebec金属粉末公司采用的水雾化铁粉合成的同类粉末的压缩性能稍高,而成本则降低30—35%图2为转炉烟尘铁粉合成的温压粉末的压缩性曲线图2转炉烟尘铁粉设计的粉末压缩曲线.成功实现了水雾化合金钢粉末的温压合金钢粉末具有很高的显微硬度,压制阻力高,难以获得高密度我们在设计新型聚合物润滑剂的基础上,基于实验发现的颗粒重排列是温压主导致密化机理这一认识,采用了国产水雾化Fe-
1.5Ni-
0.5Mo合金钢粉末设计的Fe-Ni-Mo-ICu-O.8C粉末可用于制造密度
27.25g/cm3>成分均匀的铁基粉末冶金零部件,成功地取代了传统的复压复烧工艺图3为合金钢粉末的温压密度以及烧结密度与压制压力间的关系在相同的压力水平下,温压密度较室温压制密度提高了
0.1-
0.19g/cm3回弹降低了30—40%图3合金钢粉末的温压与烧结行为温压条件为TP/TD=125℃/145℃发展目标及方向在现有技术基础上,实现温压粉末牌号的系列化,满足国内铁基粉末冶金零部件制造企业对高性能温压粉末的需求利用粉末性能和制造成本的优势,与国内有关企业密切合作,参与国际市场竞争开展高性能烧结硬化钢该技术可省去热处理操作并能提高零部件精度的基础研究在现有硬件基础上,与国内粉末冶金零部件制造企业开展密切合作,强化本实验室在制造高性能粉末冶金零部件方面的孵化器功能试制各种高强度的铁基粉末冶金零部件地址湖南长沙市中南大学岳麓校区粉末冶金研究所联系人及电话曹顺华0731883072408876480H姚屏萍07318879422传真07318825755中南大学温压技术实验室依托于中南大学原中南工大粉末冶金研究所雄厚的技术和资金实力,在国家“863”计划的资助下,在温压技术国产化方面取得了突破性进展本实验室的现有条件:建立了年产量为350吨各种规格的温压粉末生产线一条160吨粉末全自动温压机一台(温压加热系统从瑞典引进)和高温烧结设备,年生产能力为100万件目前已取得的重大技术突破部分预合金化铁粉的制造技术聚合物润滑剂(无氟组分)的研制发现了温压致密化的主导机理一一颗粒重排列独特的石墨处理技术突破1%以国产水雾化铁粉设计的Fe-
1.5Ni-
0.5Mo-
0.5Cu-
0.6C粉末的压缩性能处于国际领先水平开发的温压铁粉在637MPa的压制压力下,温压压坯密度达到
7.46g/cm3;而瑞典霍格纳斯制造的同类粉末在686MPa下压制的温压密度为
7.41g/cm3图1为两类粉末的压缩性曲线收缩率为
0.025%0图1温压压缩曲线的比较.独创采用转炉烟尘铁粉合成温压粉末从转炉烟尘回收的铁粉的价格仅为水雾化铁粉的60%设计的Fe-
1.5Ni-
0.5Mo-
0.5Cu-
0.6C温压粉末在686MPa下的温压密度达到
7.35g/cm3比加拿大Quebec金属粉末公司采用的水雾化铁粉合成的同类粉末的压缩性能稍高,而成本则降低30—35%图2为转炉烟尘铁粉合成的温压粉末的压缩性曲线图2转炉烟尘铁粉设计的粉末压缩曲线.成功实现了水雾化合金钢粉末的温压合金钢粉末具有很高的显微硬度,压制阻力高,难以获得高密度我们在设计新型聚合物润滑剂的基础上,基于实验发现的颗粒重排列是温压主导致密化机理这一认识,采用了国产水雾化Fe-
1.5Ni-
0.5Mo合金钢粉末设计的Fe-Ni-Mo-lCu-O.8C粉末,可用于制造密度
27.25g/cm3>成分均匀的铁基粉末冶金零部件,成功地取代了传统的复压复烧工艺图3为合金钢粉末的温压密度以及烧结密度与压制压力间的关系在相同的压力水平下,温压密度较室温压制密度提高了
0.1-
0.19g/cm3,回弹降低了30—40%图3合金钢粉末的温压与烧结行为(温压条件为TP/TD=125℃/145℃)发展目标及方向在现有技术基础上,实现温压粉末牌号的系列化,满足国内铁基粉末冶金零部件制造企业对高性能温压粉末的需求利用粉末性能和制造成本的优势,与国内有关企业密切合作,参与国际市场竞争开展高性能烧结硬化钢(该技术可省去热处理操作并能提高零部件精度)的基础研究在现有硬件基础上,与国内粉末冶金零部件制造企业开展密切合作,强化本实验室在制造高性能粉末冶金零部件方面的孵化器功能试制各种高强度的铁基粉末冶金零部件地址湖南长沙市中南大学岳麓校区粉末冶金研究所联系人及电话曹顺华0731883072408876480H姚屏萍07318879422传真07318825755温压技术及其致密化机制的研究进展【摘要】综合评述了国内外温压技术的研究进展,并对其致密化机制进行了探讨在此基础上,对今后的研究方向提出了几点建议【关键词】粉末冶金;温压技术;致密化机制ProgressofResearchonWarmCompactionandItsDensificationMechanismZHANGShuang-yiLIYuan-yuanSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou510641China.[Abstract]Therecentdevelopmentofwarmcompactiontechnologyathomeandabroadisreviewed.Itsdensificationmechanismisalsodiscussed.Onthebasisofthatseveraldirectionsforthefutureinvestigationonwarmcompactionaresuggested.[Keywords]powdermetallurgy;warmcompaction;densificationmechanism1引言通过提高粉冶件的密度从而提高其性能是粉末冶金科技工作者长期努力的方向温压技术因可将钢铁粉冶件的密度提高
0.10〜
0.25g/cni3且具有较低的生产成本,而被认为是进入90年代以来,粉末冶金生产技术方面最为重要的一项技术进步,亦是当今粉末冶金工业的发展方向之一研究表明[「2]假定一次压制/一次烧结的普通粉末冶金工艺的成本为1则粉末锻造的成本为
2.0复压/复烧的成本为
1.5渗铜工艺的成本为
1.4而Ancordense温压工艺的成本仅为
1.25该技术现已成功地应用于制造高密度、高强度、复杂形状的粉末冶金零件,如链轮、传动齿轮、螺旋齿轮等目前温压粉冶件在汽车工业中越来越多的应用已使粉冶件获得了不断扩大的市场份额口-7]o因此,本文拟通过介绍温压技术的最新进展,分析其致密化机制和技术关键,从而有助于国内温压技术的研究工作及其在实际生产中的应用2温压技术研究进展所谓温压技术即是将混合粉末加热到150℃左右(也有报道为可加热到250℃[8])进行压制,然后用传统的烧结工艺进行烧结在压制过程中,可利用传统的压制设备其工艺流程如图1所示图1温压工艺过程示意图1994年,在加拿大多伦多举行的PM2TEC94会议上,美国Hoeganaes公司宣布了其开发的Ancordense温压工艺它使用的是该公司的Ancordense预制粉末,并加入新型高温聚合物润滑剂,经在140℃左右(粘结剂玻璃化温度以上)一次压制后一次烧结就能使密度达到
7.25〜
7.55g/cm3并使其分布更为均匀,从而提高生坯和烧结体的性能,降低脱模力[1-69-11]o加拿大QuebecMetalPowders公司也开展了温压工艺的研究工作,考察了包括模壁润滑剂在内的润滑剂的种类、数量以及温度、压力等因素对粉冶件密度的影响所选混合粉成分为混合粉A Atomet1001+
2.5%Ni+
0.6%石墨+
0.6%润滑剂;混合粉B Atomet4401+
2.0%Ni+
0.6%石墨+
0.35%MnS+
0.混润滑剂混合粉采用专利合批技术进行粘结剂处理,然后在不同的温度下进行压制,并在1120℃90%N2-10%H2气氛中烧结25分钟研究结果如表1所示[12]国外其它有关的公司和科研机构也进行了类似的研究工作[13-17]国内对温压技术的研究起步较晚,主要研究单位有北京科技大学、中南工业大学、武汉粉末冶金公司、上海汽车工业公司和华南理工大学等有关研究结果表明[18-19]可通过调整温压粘结剂的玻璃化温度来降低温压温度;采用无粘结剂温压工艺也可不同程度地提高生坯密度文献[19]采用武钢水雾化铁粉和还原铁粉,并配以自制的三种润滑剂,在517MPa压制压力和130℃、150℃170℃的温度下分别进行了温压试验,其一次压制/一次烧结密度最高可达
7.22g/cm3表1混合粉A与B的生坯和烧结体性能压制温度/℃压力/MPa性能混合粉A混合粉B150690无空隙密度/g.cm-
37.
4527.378生坯密度/g.cm-
37.
317.25相对密度/%PFD
98.
198.3生坯强度/MPa
23.
122.8烧结密度/g.cm-
37.
337.27121690生坯密度/g.cm-
37.
277.20相对•密度//PFD
97.
697.6烧结密度/g.cm-
37.
327.26在教育部和广东省重点科技攻关项目经费的资助下,作者近年来采用粉末冶金方法,研制出了SiC颗粒增强铁基复合材料.,其综合性能较之于普通的钢铁粉末冶金材料有较大的提高[20]在此基础上,为进一步提高材料性能,采用温压技术制备A12O
3.SiC颗粒增强铁基复合材料,取得了一定的进展,其研究结果将另行报道总的来说,关于温压技术研究还很不充分,且大多都只是局限于工艺研究,研究的成果也都受到专利保护至于致密化机制和压制理论方面的研究工作,目前国内外开展得还较少但由于温压技术具有很高的技术和商业价值,它已引起了学术界的强烈兴趣德国Fraunhofer应用材料研究所从1996年4月开始了对温压技术的基础性研究,其中包括对温压压制过程的计算机模拟和温压件烧结机制的研究[16]o3温压技术的成形理论
3.1温压技术的致密化机制一般认为,妨碍获得更高且更均匀生坯密度的主要原因是粉末材料的塑性或可压缩性较差、内应力和弹性回弹较大、以及压制过程中由于摩擦等原因而不能更为有效和均匀地传递压力温压技术之所以能提高生坯密度,主要原因就在于它能改善粉末颗粒间及其与模壁间的润滑状况,影响粉末的弹、塑性性质,从而提高粉末的流动性和可压缩性,改善粉末的充填行为,并减少压力损失,提高有效压力要改善粉体间及其与模壁间的润滑状况,主要是从粘结剂和润滑剂着手不过,这里需要明确粘结剂、润滑剂、聚合物等的概念因为在不同的文献中,这些概念经常未能加以区分,聚合物既可指粘结剂,亦可指润滑剂通常,用于温压的预制粉末都会先进行粘结剂处理,目的是在粉末颗粒表面上形成一层均匀的薄膜,以便让粉体在具有防止污染和分层特性的同时,具有良好的流动性和可压缩性制成预制粉后,使用前再加入润滑剂并混合均匀温压时,一般将压制温度控制在粘结剂玻璃化温度之上的某一较小的温度范围内(5℃左右[5-6])此时,粘结剂处于粘流态,可在粉体表面铺展和流动,有利于进一步改善润滑剂的分布,并将其粘附于粉末颗粒表面,从而提高润滑剂的润滑效果温压技术要求压制温度应控制在一定的范围之内,因为所选润滑剂在此温度范围内具有最佳的润滑效果,同时由粘结剂和润滑剂所形成的润滑膜随着温度的过分升高也更容易被破坏文献[1213]的实验数据表明对于不同的聚合物系统,都存在一个最佳的压制温度范围,尽管在实际生产中温度的波动也许会超出这个范围温度对粉体材料弹、塑性性质的影响是显然的,由于粉末颗粒可塑性的改善而导致生坯密度的提高几乎是所有研究者的共同看法[822]o不过,这种影响还与粉末壁厚为2nlm的薄壁气门导筒的材质是高含量陶瓷颗粒增强的铁基粉末冶金复合材料采用两次装粉,即导筒的筒身和筒底是两种不同的粉末,依次装粉温压技术的采用,不仅保证零件有高于98%相对密度,而且减少了层次开裂等压制缺陷2技术系统工程目前,温压技术已从只涉及压制的温压发展到同时考虑压制、烧结及后处理的温压压制过程从粉末内润滑,发展到同时使用有效的模壁润滑最佳温压温度的确定,从试验探索到定量的预测分析温压的对象也从铁和钢粉发展到不锈钢粉、复合材料粉等符合中国国情的温压压机改造成功并已定型制造以下就这几方面的进展作一简要介绍1只涉及压制的ANCORDENSE温压系统美国Hoeganaes公司宣称的低成本,高密度的ANCORDENSE温压工艺一开始就被强调为只涉及压制的一个系统其基本思路是用特定的钢铁粉末,用特定的润滑剂,用特定的混合技术,用特定的温压工装和特定的温压温度才能压制出特定的高于
7.30g/cm3(压制压力为690MPa)的铁基零件每一个特定是该系统的一个环节,缺一不可购买这样一套系统的模具和操作工艺,1996年的价格是4〜5万美元附加条件是必须使用售货方的粉末,并承诺不得将模具结构和工艺扩散给第三方改进的“设计一温压一烧结一后处理”全过程工艺系统温压只是铁基粉末冶金零件生产过程中的一道工序它的成功并不一定代表最终零件生产的成功必须把温压放在零件生产的全过程中加以考虑经过5年的实践,北京科技大学逐渐形成了一个以“设计一温压一烧结一后处理”逐道工序构成,前后统筹考虑的“温压一烧结”分析和实施系统.1设计环节从零件的几何尺寸考虑,是否所有的铁基粉末冶金零件都可以用温压工艺来提高其生坯密度?从零件的化学成分考虑,是否通常Fe-Cu-CFe-P-CFe-Ni-Mo-Cu-C的化学成分构成都适用于温压?通过建立温压生坯密度预测方程和引入温压侧压系数,建立了零件的几何尺寸,特别是高径比的不同,对温压效果的影响唯象理论的分析表明,大的高径比的零件并不适用于温压工艺在相同的温压制度下,大的高径比零件的生坯密度低于小的高径比(如圆盘零件)
0.2g/cni3Z左右,温压失去有效性从零件的高径比对温压有效性的影响来看,对不同高度的制品,温压后零件截面的密度分布可能更加不均匀因此在设计零件工艺时,除了考虑补偿装粉外,还要考虑模具的温度分布在化学成分和原材料形态方面,值得注意的是过量的硬脆合金元素如磷-铁合金粉会降低温压生坯密度合金元素水雾化铁粉Fe-Cu-C成分的温压效果比水雾化(Fe-Mo)合金粉Fe-Ni-Mo-C成分的温度密度低得多,而石墨的添加对温压生坯密度有明显的负面影响改变石墨的种类,粒度和形态以增材料的成分、制备工艺、形状、粒度及其分布等因素有关因此,基体材料的成分、物性参数和几何参数等也是开发温压技术用预制粉末时应考虑的重要因素
3.2温压技术的成形规律由于影响粉冶件致密化机制的各种因素都会综合地反映在粉体的成形规律之中,因此,讨论相关的成形规律是非常必要和有意义的此前关于粉体压制成形的理论研究虽然开始得比较早,相关的经验压制方程也比较多[22-25]但都是以常温下的压制过程为研究对象的,其压制理论中都未考虑到温度对压制过程和生坯密度的影响果世驹等[21]对温压成形规律进行了唯象分析在研究中引入了“压制压力强化因子”这一概念,用以描述温度使作用于粉体的压力得到的强化,或对有效压力的提高试图通过对室温压制方程进行修正而使其适用于温压工艺的情况其依据是H.G.Rutz[5]的实验结果(压制温度为140C)和自己利用无粘结剂铁粉温压工艺试验的结果口9]在某一压制压力下,温压生坯的密度比室温压制生坯的密度高,并且温压压制曲线与室温压制曲线具有大致平行的走向,如图2所示但据此认为温压过程中并未出现新的致密化机制,理由并不充分因为聚合物在其玻璃化温度以上和以下时具有明显不同的润滑效果,并且,这种效果会随着压力的增大而变差[26-271o同时,温度和压力对粉末材料可塑性的影响也不是线性关系至于温压压制曲线与室温压制曲线为什么会具有大致平行的走向,尚需进一步研究图2温压工艺与传统压制工艺生坏密度之比较[5]4温压技术的技术关键温压技术的技术关键主要有两点,一是预制粉末和新型润滑剂,二是温压系统在Ancordense温压工艺中使用的是Ancordense预制粉末,它是在生产预制粉末的Ancorbond工艺的基础上,采用一种新型的聚合物粘结剂而开发出来的然后在预制粉末中添加新型高温聚合物润滑剂,并在粘结剂的玻璃化温度以上进行压制类似的预制粉末还有瑞典HoeganaesAB公司的Densmix[13-14]和加拿大QAuebecMetalPowders公司的FLOMETWP[13]等在开发温压技术时首要的任务就是选择或研制出适当的聚合物添加剂(包括粘结剂和润滑剂)但由于聚合物的物理性能,特别是其在粘流态时的粘结性能和润滑性能,不仅与其单体种类有关,而且还随其聚合度以及构型与构象的不同而变化,同时,聚合物在温压工艺中的作用还存在很多争论,因此,温压工艺中聚合物的确定存在相当的困难一般说来,所选聚合物应具有以下特点
(1)较低的玻璃化温度(如150左右),否则会给制备工艺带来困难;
(2)易溶于挥发性溶剂;
(3)易于在合金粉末表面形成润滑膜或在压制过程中形成转移膜,即两者间的润湿性好;
(4)裂解时应比较缓和、平稳,避免瞬间产生大量气体,导致在粉冶件中产生新的空洞;
(5)能阻止或减缓合金粉末氧化,由于铁粉等合金粉末在温度超过90℃以后氧化速度明显加快,因此这一性能尤为重要据文献口9]报导,添加有润滑剂的混合粉在150℃保温2小时后,氧含量仅由
0.470%增加到
0.477%;
(6)能为人体和环境所接受据有关文献:9-111627]报道,这种添加剂大致可从下列有机物中选取或进行组合和改性;聚酰胺、聚酰亚胺、聚醛亚胺、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚醛、聚苯撑酸、聚矶、纤维素酯、热塑性酚醛树脂、聚乙二醇、阿克蜡、甘油等聚合物的加入方式主要有三种
(1)将聚合物粉末与合金粉末干混;
(2)在聚合物融化温度以上将两者进行混合;
(3)将聚合物溶入易挥发的溶剂中后与合金粉末湿混方法
(1)需用粒度很小的聚合物粉末,但聚合物一般很难破碎,而粉末太粗时其作用难以完全发挥后两种方法则是为了在合金粉末表层涂敷一层均匀的聚合物薄膜,这一方面可使聚合物分散均匀,更好地发挥聚合物的润滑作用,另一方面聚合物薄膜能阻止合金粉末在高温下氧化但方法
(2)工艺复杂,故通常采用方法
(3)进行混料图3MW-6粉末加热输送系统结构原理图温压系统主要是指粉末预热输送系统和阴模加热装置一般说来,快速而均匀的加热系统(可减少粉末的氧化)、稳定且均匀的粉末温度、粉末的精确输送及送粉是这类温压系统的共同要求美国Hoeganaes公司与压机生产厂家Cincinnati公司和GasbarreProducts公司密切合作,开发温压新技术,研制用于温压生产的设备GasbarreProducts公司研制出了MW-6型预热粉末输送系统,其结构原理如图3所示[229]o该系统的最大特点是采用微波加热,因而加热速度快,可大大减缓混合粉末的氧化,并且适应性强在该系统中,混合粉末经输入料斗进入微波室加热,然后被送至输出料斗,经软管到送粉靴,最后到达阴模整个系统采用程序闭路控制,通过改变微波功率与粉末输送速率可控制微波室及混合粉末的加热温度输出料斗、软管及阴模等都要加热到规定的温度范围阴模采用电阻式加热器加热,并将一热电偶嵌入阴模中以控制温度,全部模具应处于均一温度状态,以免由于温度不均而导致模具部件不匹配同时还必须注意应将阴模传递给压机机架的热量减小到最低程度,以免损坏压机开展温压技术的研究,不仅有利于粉末冶金工业的发展,对粉末冶金成形理论的研究也具有十分重要的意义为此,作者提出以下的建议
(1)研制粘结剂和润滑剂,并开发出适用的预制粉末;
(2)开展温压压制理论及温压过程计算机模拟方面的研究工作;
(3)探讨温压件的烧结机制;
(4)研究后续热处理对温压粉冶件的影响;
(5)运用温压技术制备铁基复合材料基金项目教育部重点科技攻关项目
(9782);教育部科技项目
(97118)作者简介张双益,男,华南理工大学博士研究生作者单位华南理工大学,广州510641参考文献
[1]亓家钟.Ancodense温压工艺[J].粉末冶金工业,19955114-16
[2]韩凤麟.ANCORDENSETM温压工艺特性[J].粉末冶金技术,1995134294-302OwensBob.Ancordenseoffershighdensityatlowcost[j].MetaiPowderReport1994496:2CapusJetal.Hoeganaesoffershigherdensityatlowercost[J].MetalPowderReport1994497/8:22~24RutzHGetal.Warmcompactionoffershighdensityatlowcost[j].MetalPowderReport1994499:40-47RutaHG.andHanejkoFG.HighDensityProcessingofHighPerformanceFerrousMaterials[j].TheInternationalJournalofPowderMetallurgy1995311:9~17MartyYVetal.TechnologyTrendsinNearNetShapeManufacturing[J].AdvancedMaterialsProcess19981:47-50QMPlooksathighdensityproducts[J].MetalPowderReport1994497/8:2301iveretal.Methodofmakinganiron/polymerpowdercomposition[P].USpatent:No.53210601994Luketal.Metalpowdercompositionscontainingbindingagentsforelevatedtemperaturecompaction[P].USpatent:No.54297921995Luketal.Iron-basedpowdercompositionscontaininggreenstrengthenhancinglubricants[P].USpatent:No.56246311997St-LaurentSChagnonF.为温压工艺设计的混合粉.言小雄译.粉末冶金技术,199816140-51Anon.Warmcompactionmovesintoproduction[J].MetalPowderReport1996517/8:38EngstrmUetal.温压粉末冶金材料的性能与公差.亓家钟译.粉末冶金工业,19977210-15Storstrometal.Metalpowdercompositionforwarmcompactionandmethodforproducingsinteredproducts[P].USpatent:No.57444331998Warmcompactionattractsscientificinterest[j].MAtalPowderReport19965110:12DegoixCNGriffoAandGermanRM.EffectofLubricationModeandCompactionTemperatureonthePropertiesofFe-Ni-Cu-Mo-C[J].TheInternationalJournalofPowderMetallurgy1998342:29-33果世驹等.粉末烧结钢温压粘结剂玻璃化温度调整的预测方程[J].粉末冶金技术,199715285-88果世驹等.无粘结剂铁粉的温压工艺研究[J].粉末冶金工业,1996665-9张双益等.SiC颗粒增强铁基粉末冶金复合材料的研究[J].华南理工大学学报,1999待出版果世驹,林涛.温压压制压力强化因子及压制曲线的唯象分析[J].粉末冶金技术,1998163165-168黄培云.粉末冶金原理[M].北京冶金工业出版社,1982黄培云,金展鹏,陈振华.粉末冶金基础理论与新技术[M].长沙中南工业大学出版社,1995SunXKKimKT.SimulationofColdDieCompactionDensificationBehaviourofIronandCopperPowdersbyCam-clayModel[j].PowderMetallurgy1997403:193-195ShigeyukiTamuraetal.SteelPowderCompactionandFormingAnalysis[J].TheInternationalJournalofPowderMetallurgy1998341:50-59茹铮等.塑性加工摩擦学[M].北京科学出版社,1992石淼霖.固体润滑技术[M].北京中国石化出版社,1998SemdFJetal.Methodforpreparingbinder-treatedmetallurgicalpowderscontaininganorganiclubricant[P].USpatent:No.52561851993Pressmakerssignalfaithinwarm-compaction[J].MetalPowderReport1994497/8:24图略(出处摘自材料科学与工程)加生坯密度是零件成分设计时必须考虑的重要问题
2.2温压环节已经研究的温压工艺的影响因素包括润滑剂和粘结剂的加入对铁粉流动性和松装密度的影响;温压压制过程润滑剂的优选;铁粉特性对温压生坯密度的影响,压制参数对铁粉温压致密化的过程的影响;温压过程致密化机理探讨,详述如下1铁粉1995年,研究伊始发现,没有一种国产品牌粉末可以原封不动得以供货态用于温压工艺处于这种无米之炊的境地是很自然的ANCORDENSE温压系统的第一个环节是用特定的钢铁粉末,这个特定的定义是限定在高压缩比水雾化铁粉的范围之内这种钢铁粉自发明以来已经经过近30年左右的完善和产业化过程而国产的水雾化铁粉从整体上说还达不到这种水平经过从化学成分,粒度组成,颗粒形貌等分析和实验工作,确认了适合于温压的铁粉的基本特性,即含02量<
0.1%含C量<
0.006%含N2量V
0.003%松装密度
3.0〜
3.2g/cm3与国外的水雾化铁粉相比,1995年我国的成批量供货的最好的粉末含02量为
0.25%含C量为
0.02%含N2量为
0.0043%但是到了2001年,至少鞍钢粉材厂的水雾化铁粉在含02量和含C量的指标上,已达到了这个标准然而,作为温压用粉的内在质量是非常重要的,因为它是在已有的粉末压缩性上,再提高一定的量就温压而言,国内粉和国外粉的主要差距是高压制力下的压缩性不够高,如700〜800MPa下的粉末压缩性并不比600MPa下的高,而且模具拉伤严重为了获得高质量的国产水雾化温压粉,首先,在确保低的含02量和含C量的前提下,大幅度降低含N2量其次,要降低粉末中的非金属夹杂物进而通过改变和优化雾化条件,调整粒度组成和颗粒形状,以利于粉末在压制过程中的颗粒重排关于粉末颗粒重排,中南大学曾经由冶金粉尘中回收铁粉,适当扩散合金化,制备出温压原料其温压机制被认定为粉末颗粒重排效果的改善2润滑剂分析了由1976〜1994年的17篇美国专利,与温压工艺直接相关的有4篇,其余为温压粉润滑方式、温压发展及形成相关的专利在这些专利中,对润滑剂予以了特别强调几乎所有的热塑性高聚物及其复合高聚物全部被专利所覆盖国外专利化的润滑剂是一种复合的酰胺基蜡,有一个150〜250℃的熔化温度区间低熔点的单酰胺在温压温度下熔化,起液体润滑作用,二0泛途地0酚薪细叩娜郛悖善鹏烫迦蠡磷蜜谩C拦囊恢挚梢宰期卵褂玫娜蠡痢I唐放坪盼箝DVAWAX450amide生产公司为MortonInternationalCincinnatiOhioUSA考虑到知识产权的约束,为配制新的润滑剂,北京科技大学进行了复合润滑剂玻璃化温度随压制压力变化规律的理论探讨,提出了某种数量关系改进的润滑剂不必局限于热塑性高聚物某些低聚物或大分子量润滑剂与特定的压制温度相匹配,也可以应用于温压,这一点是北京科技大学1995年攻关中的一个重要结果3模具北京科技大学与武钢集团粉末冶金有限公司,针对磁辗零件于1996年在国内研制出第一套自行设计的温压模具实践中发现,模具的设计并不神秘、模具材料以M2高速钢为实验材质在小型批量生产中,采用内镶硬质合金模具以适应温压环境另外,关键的是实现自动模具结构,可保证操作的安全性和简易性华南理工大学与广东华金公司,在粉末冶金齿轮温压模具的设计与制造方面积累了较丰富的经验,现已有数种齿轮由内润滑温压技术生产这里之所以提到内润滑温压技术,是因为目前出现的新专利和某些经验表明,将内润滑温压技术改变为外润滑温压技术是温压发展的必然趋势外润滑指的是模壁润滑,其与温压是平行的两个提高铁基结构零件密度的手段模壁润滑分湿润滑和干润滑较早的研究和探索是利用于润滑剂和润滑液体喷向模壁的润滑方式,称为湿润滑湿模壁润滑的模具结构复杂,难以实现自动化生产近期发展的干模壁润滑,它不仅克服了湿模壁润滑制备的压坯表面易粘粉,影响烧结件的表面质量;而且,用非聚四氟乙烯干粉润滑剂以静电吸附的防护司粘着在阴模内壁,铁零件的压坯密度已达
7.55g/cm3加拿大QMP公司决定在2002年开展在温压的过程中采用模壁润滑,以期铁基零件的密度大于
7.4g/cm3我国“十五”863华南理工大学、北京科技大学和中南大学的温压研究项目也有这方面的内容北京科技大学正加紧开发成本低、适用性强的干粉模壁润滑装置4温压温度没有一成不变的温压温度,也就是说最佳温压温度包括粉末温度和模具温度的制定,必须根据零件的几何尺寸来调整加拿大QMP公司的经验是同一种材质装粉高度为
1.0cm最佳粉末温度为140℃装粉高度为
2.5cm和
3.8cm时,最佳粉末温度分别降到100℃和90C左右北京科技大学在理论上初步进行了分析,建立了一个温压压制压力、零件几何尺寸和最佳温压温度之间的因果关系,为制定温压工艺提供了一个量的预测方法就粉末温度和模具温度的高低而言,与ANC0RDENSE温压工艺不同,北京科技大学强调了两种不同的温压制度的应用即保留式温压和排出式温压这两种不同的饿温压制度影响着而后的烧结制度的选择保留式温压在模具温度低于润滑剂的熔点范围润滑剂在温压过后仍有相当一部分保留在压坯之内;排出式温压指的是选择模具的某一部分的温度高于润滑剂的熔点范围,润滑剂在完成了润滑粉末颗粒的作用后大部分被排挤出压坯究竟选取何种温压制度必须根据零件尺寸、模具结构、批量大小和烧结工艺等因素进行综合考虑
2.3烧结环节当生坯密度大于
7.2g/cm3采用保留式温压方式压制时会有相当多的润滑剂被挤入封闭孔洞之中烧结时不能简单的采用通常的一次推杆炉一次烧结,必须采用低温预烧,将润滑剂在此温度下分解出的COH2N2排除实验表明,真空预烧可以较充分地排除润滑剂,在氢气中预烧次之不低温预烧,将使最终烧结密度低于温压压制的生坯密度温压-烧结工艺就整体效果看并不能提供密度产品采用排出式温压可以简化烧结工艺,但排出式温压工艺的应用对所生产零件的形状和模具设计有较苛刻的要求
2.
2.4后处理环节后处理限指热处理和表面强化处理为了进一步提高温压-烧结烧结钢零件的强度指标,试验了在残余孔洞周围形成了贝氏体,基体形成马氏体的可能性研究表明Fe-Mo-Ni-Cu-C系,适当改变加入石墨的方式,完全可以实现烧结在线等温处理,生产出密度大于
7.3g/cm3残留孔洞周围形成缺口不敏感性的下贝氏体组织,热处理后抗拉强度大于1200MPa.这里提到的表层强化处理的概念是,通过强化烧结(液相烧结和强化烧结)在温压烧结钢零件表层形成一定深度的全致密组织为大幅度提高制品的疲劳强度创造条件为开发温压轿车连杆预定技术保证,表层强化烧结温压烧结钢的思路获得了国家自然科学基金(2000〜2003年)的资助,现已取得可喜进展3产业化1强力发掘市场需求高密度,高强度粉末冶金烧结钢零件的市场需求是温压技术产业化的源动力长期以来,中、低密度粉末冶金零件的市场已趋于饱和,其零件较低的强度性能对粉末冶金烧结钢的市场声誉有一定的负面影响特别是应用粉末冶金产品的设计人员,往往对高强度、高密度存有疑虑因此,市场开发人员应当真正了解温压产品的优异性能,以具体的技术数据,及国内外生产的主要产品如链轮、齿轮的经验,作好开发工作任何一个企业,如果在实际上没有强力发掘市场需求的能力,在计划时代还可能生存;那么在面临加入WT0后严酷的竞争形势面前,只能“坐以待(关)闭”选择正确的结合部温压技术的产业化即国产化,只有充分结合我国产业的实际情况进行开发,才能可能获得较大的进展从国民经济的全局看,粉末冶金行业是一个小产业,它的发展必须也只能依附于国民经济支柱产业的发展轿车产业的发展规划曾经给粉末冶金的发展规划带来某种刺激现在看来,真正把降低几十公斤零件成本而采用粉末冶金产品这件事看得很重的发动机主机厂为数并不多因此,高密度温压粉末零件的一大出路应当着眼于配件市场只要高密度温压冶金零件的质量过硬,拥有了用户,就一定会促进主机市场的开发,这就是市场的结合部问题其次是,温压技术与粉末冶金厂家本身的结合问题没有引进国外先进技术的粉末冶金厂家占多数,资金的投向一定是非“待闭”企业,因而是可持续发展或有可能持续发展的粉末冶金厂,温压技术必然会转化成生产力市场经济条件下的“研究一企业集合”体国外温压技术从实验室到产业化大致用了5年左右的时间与其它先进技术相比,温压技术产业化的速度是快的其中一条成功的经验是,该技术从一开始就是以“研究一企业集合”的面貌出现的粉末冶金工艺人员、压机制造商、化工、化学研究人员,组成一个集合体来突破技术的各个环节在这方面行业协会或学会应当发挥更大的作用温压技术产业化的根本出路在于,真正理解和掌握温压一烧结工艺系统的各个环节,在有可能持续发展的骨干粉末冶金企业的牵头和带动下,组成一个各方均可受益的粉末、制件、压机、化工厂商和研究团体的“研究一企业集合”体,以典型的温压系列产品开拓钢铁粉末内冶金高密度、高强度零件的新市场(出处摘自《粉末冶金工业》2003年第2期)温压技术简介温压技术是近几年新发展起来的一项新技术它是在混合粉中添加高温新型润滑剂,然后将粉末和模具加热至150℃左右进行刚性模压制,最后采用传统的烧结工艺进行烧结的技术,是普通模压技术的发展与延伸该技术既保持了传统模压技术的高生产率的基本技术特征,又克服了传统模压技术制造铁基粉末冶金零部件的低强度、低精度等固有的技术缺陷,扩大了铁基粉末冶金零部件的应用范围温压技术在国际粉末冶金学界已被誉为“开创铁基粉末冶金零部件应用新纪元”和“导致粉末冶金技术革命”的新型成型技术温压工艺的技术特点能以较低的成本制造出高性能的铁基粉末冶金零部件由于与普通的模压相比较,粉末及模具仅加热到150C左右,故可在普通粉末压机上添加加热系统就可改造为温压机,所需投入并不大而且采用温压工艺生产的生坯强度高,又可直接进行附加的机加工,而压制压力和脱模压力均能较低,故模具寿命高,可大大降低成本,是一种不复杂但效益高的新技术提高零部件生坯密度通过温压技术的使用,能使铁基粉末冶金零部件的生坯密度达到
7.25〜
7.45g/cm3,与传统工艺相比提高了
0.15〜
0.3g/cm3产品具有高强度与传统模压工艺相比,零件的疲劳强度提高10—40%极限抗拉强度提高10%烧结态极限抗拉强度,1200MPa便于制造形状复杂以及要求精度高的零部件采用温压技术,能使压坯的脱模压力低(降低30%以上),压坯强度高(提高125〜200%)而弹性后效小(
0.1~
0.16%)烧结收缩率又少(
0.025-
0.08%)o这一切均为制造形状复杂以及尺寸精度要求高的零部件创造了良好的条件密度均匀一般压坯各部分密度差能减少o.1〜
0.2g/cm3o温压工艺的核心技术部分预合金化铁粉的制造技术新型聚合物润滑剂的设计石墨粉末有效添加技术无偏析粉末的制造技术温压技术的应用范围由于温压零部件的密度得到了较好的提高,从而大大提高了铁基粉末冶金制品的可靠性,因此温压技术在汽车制造、机械制造、武器系统等领域均存在广阔的应用前景密度在
7.25-
7.45g/cm3之间的铁基零部件均可采用温压工艺制造温压技术的发展、特点及其技术问题分析(上篇)(作者曹顺华易建宏曲选辉黄伯云蒋辉珍)【摘要】本文概述了温压的发展动态及其技术特点;详尽分析了涵盖温压的技术问题,并提出了开发符合国情的温压技术的对策【关键词】温压工艺对策发展动态粉末冶金具有节材、低能耗等显著优点进入八十年代以来,汽车工业比以往任何时候更加依赖于粉末冶金技术,即尽可能多地采用粉末冶金(P/M)零部件以提高其汽车特别是轿车在市场中地竞争能力然而,P/M零部件地密度是左右其在轿车上应用水平地关键因素因此,为扩大P/M零部件在轿车上地应用范围,必须提高其密度以获得力学性能优异地粉末冶金零部件目前,常用来提高P/M零部件密度地技术途径包括
1、高压缩性铁粉地制备与应用;
2、复压复烧,即二次压制、烧结工艺;
3、浸铜工艺;
4、高温烧结工艺;
5、粉末热锻工艺由于这些工艺存在着不同程度地成本和零件尺寸精度保证困难等技术问题,使本富于竞争力的P/M零件难以得到充分发挥为此,必须寻找新的提高P/M零件密度的技术途径
一、温压技术的发展八十年代末,Hoeganaes公司的Museila等人在本公司的ANCORBONI工艺即扩散粘结铁粉制备工艺的研究基础上开发出一种所谓温压WarmCompaction的新工艺,即ANCORDENSE工艺,并于1990年取得了第一项采用一次压制烧结工艺制备高密度铁基P/M零件的美国专利通常,模具和粉末原料均需加热,即模具温度为150℃粉末原料温度为130℃经温压后,P/M零件的密度增幅为
0.15〜
0.30g/cm31992年,Hoeganaes公司的Rutz和Luk又获得一项美国专利,他们的研究成果标志着温压技术迈向了实用阶段在1994年、1995年、1996年国际粉末冶金学术年会上发表了近20篇有关温压技术的论文如瑞典和美国的Hoeganaes公司,加拿大魁北克金属粉末有限公司等都较系统地开展了有关温压技术的研究已制备出极限拉伸强度达1500MP的烧结态铁基P/M零件在温压过程中,温度的升高使粉末的流动性大幅度下降,为实现压制过程自动化,开展了新型高分子聚合物作为润滑剂的研究,并取得了两项专利与此同时,Hoeganaes公司与德国的Linde公司、美国的辛辛那提公司密切合作,研制出温压加热装置,并得了专利目前,瑞典Hoeganaes公司,美国Hoeganaes公司和宾夕法尼亚Pressedmetals公司,瑞士SinterwerkeAG公司,加拿大魁北克金属粉末有限公司,台湾保来得公司等已建立二十多条温压生产线,并能制造出30余种密度在
7.25~
7.60g/cm3的高密度铁基P/M零件,如电动工具用螺旋齿轮,轿车刹车定位螺母等Ford汽车公司已将重达
1.2kg的温压流体变速涡轮毂用在发动机上,仅此一件就大幅度的提高了铁基P/M零件在汽车上的应用水平据美国粉末工业联合会执行主席White称,到1996年底,美国轿车中铁基P/M和应用水平已达到
13.6kg/辆Ford公司的目标是到2000年轿车中P/M零件的应用水平将达到
22.7kg/辆,这在很大程度上得益于温压工艺的出现Hoeganaes公司也因在温压工艺方面的开创性成就而荣获1996年度MPR最高荣誉奖相对而言,国内起步较晚,除扬州保来得粉末冶金公司和宁波东睦粉末冶金公司已从境外引进温压工艺生产线外,还没有系统地开展对温压工艺的研究1995年,北京科技大学和武钢合作开展了采用温压工艺制备高密度粉末冶金磁性材料的研究,现己取得有价值的阶段性成果中南工大粉末冶金国家重点实验室早在1995年就成立了温压工艺研究小组,其目标是开发出符合国情的温压工艺及温压加热装备正在开发的温压用粉末原料的工艺性能与Hoeganaes公司和魁北克金属粉末有限公司的原料接近目前该实验室与东风汽车公司联合开发采用温压工艺制造高密度铁基P/M轿车零件的研究项目,已得到国家“863”计划的资助相信,该项目的开展将有助于加快我国开发温压工艺的步伐。