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粉末成型技术

       

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  轿车部件 电动工具与汽车部件 齿轮保持架(Ford) 汽车发动机用粉末烧结钢零件 汽车变速器系统用粉末烧结钢件 P/F连杆 不锈钢注射成形件 ? 成形和烧结过程 ? 控制粉末冶金材料及其部件的微观结构 ? 主宰着粉末材料及其部件的应用 粉末成形 powder shaping or forming ? 成形:成型是将松散的粉体加工成具有一定 尺寸、形状以及一定密度和强度的坯块。 ?粉末颗粒间的结合力为机械啮合力或范德 华力 ? Cold compaction with 100 – 900 MPa to produce a “Green body”. 1 压制前粉末料准备 1) 还原退火 reducing and annealing ? 作用: ?降低氧碳含量,提高纯度 ?消除加工硬化,改善粉末压制性能 ?粉末钝化 ?使细粉末适度变粗,或形成氧化薄膜,防止 粉末自燃 ? 退火温度 ?高于回复-再结晶温度(0.5-0.6)Tm ? 退火气氛 ?还原性气氛(CO,H2) ?惰性气氛(N2,Ar) ?线) 合批与混合 blending and mixing ? 混合 ?将不同成分的粉末混合均匀的过程 ? 合批 ?同类粉末(或粉末混合物)混合均匀的过 程 ? 目的: ?消除因粉末在运输过程中产生的偏析或 在粉末生产过程中不同批号粉末之间的性 能差异,获得性能均匀的粉末料 ? 混合方式 ?干混法:铁基及其它粉末冶金零件的生产 ?湿磨法:硬质合金或含易氧化组份合金的 生产 ?WC与Co粉之间除产生一般的混合均匀 效果,还发生显著的细化效果 ?一般采用工业酒精作为研磨介质 ? 湿磨的主要优点 ?有利于环境保护 ?无粉尘飞扬和减轻噪音 ?提高破碎效率,有利于粉末 颗粒的细化 ?保护粉末不氧化 ? 混合均匀程度和效率取决于 ?粉末颗粒的尺寸及其组成 ?颗粒形状 ?待处理粉末组元间比重差异 ?混合设备的类型 ?混合工艺 3) 成形剂和润滑剂 成形剂应用于: ①硬质粉末:如硬质合金,陶瓷等 ?粉末变形抗力很高 ?难以通过压制所产生的变形而赋予粉末 坯体足够的强度 ?添加成形剂的方法以提高生坯强度,利 于成形 ②流动性差的粉末:细粉或轻质粉末 ? 成形剂作用 ?适当增大粉末粒度,减小颗粒间的 摩擦力 ?改善粉末流动性,提高压制性能 ?成形剂材料:橡胶、硬脂酸、石蜡、 SBS 、PEG、PVA等 ? 选择准则 ?能赋予待成形坯体以足够的强度 ?易于排除 ?成形剂及其分解产物不与粉末发生 反应 ?分解温度范围较宽 ?分解产物不污染环境 ? 润滑剂 ?↓粉末颗粒与模壁间的摩擦 ?改善压坯密度分布不均匀 ?影响被压制工件的表面质量 ?降低模具的使用寿命 ? 粉末压制用的润滑剂 ?硬脂酸 ?硬脂酸锌 ?工业润滑蜡 ?二硫化钼、石墨粉、硫磺粉也 可起润滑作用 ? 润滑方式: ?粉末内润滑 ?润滑剂直接加入粉末中 ?铁基粉末:润滑剂含量提高0.1%,坯件的 无孔隙密度下降0.05g/cm3 ?模壁润滑 ?静电喷涂 ?溶液涂敷 4) 制粒 pelletizing or granulating ? 为细小颗粒或硬质粉末而设计 ? 应用于: ?进行自动压制或压制形状较复杂的大 型P/M制品 ? 原理 ?借助于聚合物的粘结作用将若干细小 颗粒形成团粒 ? 好处: ?减小团粒间的摩擦力 ?大幅度降低颗粒运动时的摩擦面积 §2 压制现象 1 颗粒的位移与变形 1.1 粉末颗粒位移 ? 位移方式: ?滑动与转动 ?颗粒重排列 Particle rearrangement or repacking(restacking) ? 影响因素 ?粉末颗粒间内摩擦 ?表面粗糙度 ?润滑条件 ?颗粒的显微硬度 ?颗粒形状 ?颗粒间可用于相互填充的空间(孔隙 度) ?加压速度 1.2 粉末的变形 ?弹性变形 ?颗粒间的接触应力≤材料弹性极限 ?塑性变形 ?颗粒接触应力≥金属的屈服强度 ?点接触处局部→面接触处局部→整 体 ?断裂 ? 受力过程的三个阶段 ? 第一阶段:粉末颗粒重排,颗粒间的架桥现 象被部分消除且颗粒间的接触程度增加; ? 第二阶段:颗粒弹塑性变形,塑性变形的大 小取决于粉末材料的延性。但是,同样的延 性材料在一样的压力下,并不一定得到相同 的坯体密度,还与粉末的压缩性能有关; ? 第三阶段:颗粒断裂。不论是原本脆性的粉 体如陶瓷粉末、还是在压制过程中产生加工 硬化的脆化粉体,都将随着施加压力的增加 发生脆性断裂形成较小的碎块。 ? 脆性粉末 ?点接触应力断裂强度 ?→断裂 ? 塑性粉末 ?点接触应力屈服强度 ?→塑性变形 ?→加工硬化 ?→脆化→断裂 2 致密化现象 2.1 致密化 ?压力作用下,松散状态→拱桥效应的破坏 (位移→颗粒重排)+颗粒塑性变形→孔隙 体积收缩→致密化 ? 拱桥效应 bridge effect ?颗粒间由于摩擦力的作用而相互搭架形成 拱桥孔洞的现象 ? 影响因素 ?与粉末松装密度、流动性存在一定联系 ?颗粒形状 ?粒度及其组成 ?颗粒表面粗糙度 ?颗粒比重(含致密程度) ?颗粒表面粘附作用(颗粒的磁性、陶瓷 颗粒的静电、液膜存在) P/M Tungsten Lightbulb Filament: 500 hrs at 2500?C ? 塑性变形阻力的影响因素 ?颗粒的显微硬度 ?合金化 ?酸不溶物 ?氧化物 ?原子间作用力 ?加工硬化速度(晶体结构) ?颗粒形状 ?粉末粒度 ?压制速度 2.2 弹性后效 Springback ?反致密化现象 ?压坯脱出模腔后尺寸胀大的现象 ?残留内应力释放的结果 ? 弹性后效与残留应力相关 ?压制压力 ?粉末颗粒的弹性模量 3 压坯强度Green strength ? 表征压坯抵抗破坏的能力,即颗粒间 的粘结强度 ? 影响因素 ?本征因素 ?颗粒间的结合强度(机械啮合 mechanical interlocking)和接触 面积 ? ? ? ? ? ? 颗粒间的结合强度 颗粒表面的粗糙度 颗粒形状 颗粒表面洁净程度 压制压力 颗粒的塑性 ? ? ? ? ? ? ? 颗粒间接触面积 即颗粒间的邻接度 contiguity 颗粒的显微硬度 粒度组成 颗粒间的相互填充程度 压制压力 颗粒形状 ? 外在因素:残余应力大小 ?压坯密度分布的均匀性 ?粉末的填充均匀性 ?粉末压坯的弹性后效 ?模具设计的合理性 ?过高的压制压力 ? 表征方法 ?抗弯强度或转鼓试验的压坯 重量损失 §3 压坯密度与压制压力间的关系 1 压制过程力的分析 P施加在模腔中的粉末体 ? 粉末向周围膨胀→侧压力 Fn(Pn) ? 粉末与模壁之间出现相对 运动→摩擦力Ff(Pf) ? 下冲头的压力Pb 开始压制 压制结束 P侧 ? ? P总 P摩 ? ? ? P总 ? ? 摩擦系数 侧压系数 ? 在距上冲为X处的有效外压Px Px=Poexp(-4ξ μ X/D) ? D为模腔内径 ? 模壁作用在粉末体上的侧压力 和摩擦力也呈现相似的分布 润滑剂对压制的影响 1--用硬脂酸润滑模壁 2、3--用二硫化钼润滑模壁 4--无润滑剂 2 脱模压力(ejection force) ? 静脱模力(striping force) ? 滑动脱模力(sliding force) ?与坯件的弹性模量,残留应 变量即弹性后效及其与模壁 之间的摩擦系数直接相关 润滑(摩擦系数)对脱模力的影响 2 压坯密度分布均匀性及控制 ? 压坯密度分布不均匀的后果 ?不能正常实现成形,如出现分层,断裂,掉边角 等 ?烧结收缩不均匀,导致变形 ? 因素 ?高径比H/D ?↑H/D,ρ ↓,dρ /dX ↑ ?当H/D→∞,压坯的下部粉末无法成形 压坯密度分布 Z X 结论 在没有润滑剂的情况下,模壁摩擦 力的压力损失很大,可达60~90%。 由于压力沿压模轴向分布不均,造 成压坯的密度不均匀现象。加入润 滑剂能够改善这一现象。 3 复杂形状部件的成形 ? 密度分布的控制 ?多台阶零件:恒压缩比 4 压制缺陷的控制 ? 主要缺陷类型、成因 ?分层 ?沿坯件棱边向内部发展的裂纹, 与压制面形成大约45度的界面 ?弹性后效 ? 控制方法 ?适当降低压制压力 ?复杂件应提高密度分布均匀性 孔隙的消极贡献 ? 造成应力集中,降低零部件的强度和 韧性 ? 孔隙降低材料的热导性能,抑制热处 理潜力对 ? 力学性能改善的贡献:降低缺口敏感 性 ? 提高铁基P/M零部件密度的技术途径 ?复压-复烧工艺 ?密度达92%左右,形状复杂程度有限,成 本较高 ?浸铜 ?密度大于95%,但表面较粗糙,形状、成 分设计有限,成本高 ? 液相烧结 ?密度可达93%,变形较大,零件精度低, 尺寸控制困难,成分设计有限 ? 粉末锻造 ?全致密,但尺寸精度低,形状受限,成本 昂贵 成型方式 ? 非模压成形 ? 模压成形 ?冷、热等静压 ?注射成形 ?粉末挤压 ?粉末轧制 ?粉浆浇注 ?喷射成形 ?爆炸成形 挤压成型 粉? 末 燒結初期 燒結中期 燒結末期之表面 燒結後之破斷面