粉末冶金高速压制致密化机制的研究进展论文_周媛

身份证号码:51010319650219xxxx

摘要:粉末冶金具有独特的物理、化学和机械性质,且相关性能是通过传统熔铸方式无法获取的,因此被视为研发新材料的重要途径,实现了低成本、大批量、高性能的冶金零部件制造,在性能优越性上接近粉末锻造,但经济性却更加优越。从工艺角度来说,粉末冶金技术具有学科交叉性特征,为冶金工业开辟了新的研发领域。其中,高速压制致密化是粉末冶金技术中的重要外延,可实现高效率、高密度的多重压制效果,极大地满足了中小型设备生产大型非标制品的能力。本文通过概述此技术的基本原理,探讨其应用并指明该技术存在的问题,展望未来发展趋势。

关键词:粉末冶金;致密化机制;高速压制;研究进展

立足现代冶金工业,粉末冶金技术能够实现低成本状态下生产高性能制品的需求,而高密度、高强度、高精度的粉末冶金制品研发,也一直是冶金行业的重要发展方向,因此粉末冶金技术得到了极大的重视;20世纪90年代以来,粉末冶金的致密化机制也得到了发展,包括流动温压、高压温压、动态磁力压制技术、表面致密化技术等,其中高速压制致密化机制与其他致密化途径相比较,同样实现了优势扩展,被誉为粉末冶金领域的技术新突破。

1、粉末高速压制技术的原理及应用

1.1 粉末高速压制技术的原理

粉末冶金范畴下的高速压制致密化机制并不复杂,但工艺实现难度较高。从在压制形式上判断,粉末高速压制与传统静态刚模压制存在较大相似性,压制过程如图1所示。首先,通过送粉靴将粉末填充入模腔中,在2-30m/s的条件下对粉体进行高能锤击,然后脱模后顶出零件并进行随后的烧结和热处理等工序;整个高速压制过程中,冲锤与上模冲接触时的速度比常规压制高2-3个量级,不同的速度对压坯有不同的压制效果。通常在0.02s内就可以完成1次压制,并可在0.3-1s的时间间隔内实现多次冲击压制,最高可达到5次/s的频率,多次反复冲击压制可进行高能量的累积,进而提高所制备零件的综合力学性能。高速压制技术是以低成本制备高密度材料的又一技术新突破,它实现了大批量成形金属、陶瓷粉末生产的可能性。现阶段来说,国内外对高速压制技术的研究主要集中于铁粉、钛粉、不锈钢粉、陶瓷和聚合物等的实验和模拟研究上,国内主要以此为途径研发新型材料。

图1 高速压制过程示意图

1.2 粉末高速压制技术的应用

高速压制技术在粉末冶金中的应用已经相对成熟,实现了圆柱体、棒体、环形和凸轮等单层零件制备,以及轴承盖、牙齿冒等复杂多级产品的生产。其中,瑞典HöganäsAB公司是高速压制技术的倡导者与开发者,对HVC进行的研究较多。Gustafsson等采用DistaloyAE+0.5%石墨+0.6%Kenolube(均为质量分数)的混合粉(DistaloyAE为预合金水雾化铁粉)为原料,混合粉理论密度为7.52g/cm3,制备出了生坯密度达7.40g/cm3的ϕ25mm×20mm的圆柱形零件,而同样条件下常规压制的压坯密度仅6.90g/cm3;WANG等以水雾化铁粉+0.5%硬脂酸锌(质量分数)为原料,冲锤锤头质量135kg,冲击速率10.07m/s,压制出质量达130g的ϕ60mm×ϕ30mm的圆环,密度达7.196g/cm3;YAN等[4]以纯钛粉为原料,在2283J的能量下分别压制了圆环试样和圆柱试样,相对密度分别达到76.2%和96.0%;ZHANG等以Fe-2.0%Ni-1.0%Cu-0.8%Cr-0.5%C(质量分数)为原料,铁粉预先在800℃于氢气中退火,冲击速率为6.2m/s时,压坯密度为7.10g/cm3,而随冲击速率增加至9.4m/s,压坯密度高达7.61g/cm3,相对密度达到97.8%。

2、粉末冶金高速压制的致密化机制分析

形式上看,高速压制和传统压制在操作方面并没有太多差异,但粉末致密化机理却截然不同,尚不能从理论角度针对高速压制的致密化机理进行解释,相关研究结论主要集中在能量转化、应力波传播和温度效应等方面。国内专家提出的“热软化剪切致密化机制”理论认可较为广泛,这一观点认为,高速压制过程中粉末颗粒间的摩擦、绝热剪切、空气被压缩所产生的热量使得颗粒边缘软化,从而使粉末颗粒容易进行重新分布。也有专家提出,粉末预压(第1次压制)时粉末颗粒发生重排及弹性变形,颗粒间由点接触变为面接触。进行第2次压制则粉末间的接触力超过了其屈服强度,粉末颗粒发生塑性变形,导致压坯致密度提高。在反复告诉冲压且冲击总能量相同的情况下,2次压制的压坯密度要高于1次压制和3次压制的压坯密度,该理论实验结果如图2所示。

图2 冲击能量与压坯密度关系图

图3 压制速率与生胚密度关系曲线

此外,我国专家在理论研究方面取得了较为丰硕的成果,如郑洲顺等构建了粉末高应变率和加工硬化的本构关系,建立了压坯内应力波传播的数学模型,认为应力波的传播使粉末应力突跃到峰值,且应力峰值从压坯上层到下层呈指数下降,从而使得铁粉压坯垂直方向的致密度从上层到底层逐步递减,与实验结果吻合。易明军等研究了力与应力波对高速压制压坯质量的影响,认为应力波的存在是高速压制与常规模压的主要区别之一,应力波为锯齿波形,其持续时间受冲击速率的影响,冲击速率越大,应力波波长越短。基于实证分析,笔者通过对相关实验数据的整理分析发现,在高速压制过程中,铁粉的生坯密度随压制速率的增加呈现3个不同的阶段。(1)当压制速率小于8.0m/s时,铁粉压坯密度随压制速率的增加而迅速增加,此时金属粉末重排且发生弹性形变,生坯密度6.77g/cm3增加到7.02g/cm3;(2)压制速率从8.0m/s提高到9.5m/s时,在应力波的作用下,金属粉末发生塑性变形,密度进一步增大,但增加速率变缓,仅从7.02g/cm3增加到7.09g/cm3;(3)压制速率继续提高至10.0m/s时,生坯密度达到7.18g/cm3,相关实验结果如下图3所示;另外,压坯密度呈现“上部高下部低”和“边缘高中心低”的分布趋势,这主要是由于在应力波的作用下,压坯的上部较下部具有更大的变形所致,压坯边缘的高密度则是由于粉末颗粒和模具间的摩擦所致。

结束语

整体而言,随着现代科学技术的不断发展,粉末冶金高速压制的优势也越发突出,利用这一技术不仅可以低成本大批量制备高性能的粉末冶金零部件,同时零件的密度、性能等接近粉末锻造水平,而成本却远低于粉末锻造。结合国内来看,目前仍需将理论模拟与具体实验相结合,跳出单纯地理论研究拘囿、提升这一技术的产业化发展,尤其是重点研究粉末颗粒的微观行为,如粉末塑性变形、粉末碎裂等,以及粉末颗粒界面的显微组织形成与演变,粉末颗粒边界的扩散、焊合过程,孔隙形状的演变等现象,以期进一步掌握粉末高速压制的致密化机理。

参考文献:

[1]张惠斌,沈玮俊,庄启明,张乾坤,陈豫章,贺跃辉.新型高性能粉末冶金高速钢及其近净成形制备技术[J].精密成形工程,2017,9(02):14-19.

[2]杨霞.粉末冶金高速压制致密化机制的研究进展[J].粉末冶金工业,2016,26(05):57-61.

论文作者:周媛

论文发表刊物:《基层建设》2018年第12期

论文发表时间:2018/6/13

标签:;  ;  ;  ;  ;  ;  ;  ;  

粉末冶金高速压制致密化机制的研究进展论文_周媛
下载Doc文档

猜你喜欢