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粉末冶金十三種成形技術

2020-02-03 23:20:18      點擊:

介紹粉末冶金十三種成形技術:

1. 熱壓
    是一種將模壓與燒結相結合的成形方法。因為金屬和合金粉末在高溫下塑性好,容易變形,所以熱壓制品通常比冷壓燒結制品更致密,強度也較高。熱壓可在大氣、保護氣氛或真實條件下進行。加熱方式主要有三種:傳導、感應和電阻加熱。制品的密度與熱壓溫度、壓力和時間有關。但是,當熱壓溫度高到材料中出現液相時,壓力就不能太大了。否則液相組分會被擠出,這不僅能引起材料成分的改變,而且會嚴重地損壞模具。熱壓只要配備有加熱系統的壓機和耐高溫的模具即可。常用的模具材料為石墨。由于熱壓所需要的壓力較小,產品致密,尺寸精確,因此常用于生產硬質合金軋輥、頂錘等大型零部件。熱壓還適用于生產燒結性很差的金屬陶瓷等材料。熱壓的缺點是生產率低,成本較模壓成形高。

2. 等靜壓
   通過液體或氣體傳遞壓力使粉末體各向均勻受壓而實現致密化的方法,稱為等靜壓制,簡稱等靜壓。等靜壓可分為冷等靜壓和熱等靜壓兩種。
(1)冷等靜壓:通常是將粉末密封在軟包套內,然后放到高壓容器內的液體介質中,通過對液體施加壓力使粉末體各向均勻受壓,從而獲得所需要的壓坯。液體介質可以是油、水或甘油。包套材料為橡膠之類的彈塑性材料。金屬粉末可直接裝套或模壓后裝套。由于粉末在包套內各向均勻受壓,所以可獲得密度較均勻的壓坯,因而燒結時不易變形和開裂。其缺點是壓坯尺寸精度差,還要進行機械加工。冷等靜壓已廣泛用于硬質合金、難熔金屬及其他各種粉末材料的成形.
(2)熱等靜壓:將金屬粉末裝入高溫下易于變形的包套內,然后置于可密閉的缸體中(內壁配有加熱體的高壓容器),關嚴缸體后用壓縮機打入氣體并通電加熱。隨著溫度升高,缸內氣體壓力增大。粉末在這種各向均勻的壓力和溫度的作用下成為具有一定形狀的制品。加壓介質一般用氬氣。常用的包套材料為金屬(低碳鋼、不銹鋼、鈦),還可用玻璃和陶瓷。由于溫度和等靜壓力的同時作用,可使許多種難以成形的材料達到或接近理論密度,并且晶粒細小,結構均勻,各向同性和具有優異的性能。熱等靜壓法最適宜于生產硬質合金、粉末高溫合金、粉末高速鋼和金屬鈹等材料和制品;也可對熔鑄制品進行二次處理,消除氣孔和微裂紋;還可用來制造不同材質緊密粘接的多層或復合材料與制品。全球大約有20臺先進的具有快速循環使用性能的熱等靜壓機,主要用于航空器件、醫療植A器件、耐磨件,工業氣動渦輪和噴射靶材的制備。

3. 粉末鍛造
    將金屬粉末壓制成預成形坯,燒結后再加熱進行鍛造,以減少甚至完全消除其中的殘余孔隙的方法,稱為粉末鍛造。其鍛造方式有三種:
(1)熱復壓。預成形坯的形狀接近成品形狀,外徑略小于鍛模模腔內徑。因為鍛造時材料不發生橫向流動,鍛件有0~2%的殘余孔隙度。
(2)無飛邊鍛造。這種鍛造在限模中進行,材料有橫向流動,鍛件不產生飛邊。
(3)閉模鍛造。預成形坯的形狀較簡單,且外徑比鍛模內徑小得多,鍛造時產生飛邊,是一種與常規鍛造相類似的方法。無飛邊鍛造和閉模鍛造常用于生產要求致密度很高的零件。預成形坯的設計和制造是粉末鍛造的關鍵步驟之一。此外,對于熱鍛預成形坯必須加以保護,以免氧化和脫落的氧化皮陷入鍛件中造成鍛造廢品。粉末鍛件的密度可達理論密度的98%以上。與常規鍛造相比,粉末鍛造的壓力小,溫度低,材料利用率高,工藝簡單,尺寸精確;鍛件的性能可接近普通鍛件,而且方向性小。粉末鍛件廣泛應用于汽車工業、運輸機械等方面.

4. 粉末擠壓
    粉末擠壓的優點在于擠壓件長度尺寸不受限制,產品密度均勻,生產可連續進行、效率高、靈活性大,設備簡單、操作方便。粉末擠壓又分為金屬粉末直接擠壓和裝包套后熱擠壓兩種。
    直接擠壓:將塑性良好的有機物和金屬粉末混合后,置入擠壓模具內,在外力作用下使增塑粉末通過一定幾何形狀的擠壓嘴擠出,成為各種管材、棒材及其他異形的半成品。影響擠壓過程的主要因素是增塑劑的含量、預壓壓力、擠壓溫度和擠壓速度。
    包套擠壓:熱擠壓能把熱壓和熱塑性加工結合在一起,從而獲得全致密的優質材料;但為了防止粉末或壓坯氧化,需要將它們裝入包套內進行熱擠壓。
    包套的材質必須滿足下列要求:包套材料在擠壓溫度下的剛性應盡量接近被擠壓粉末,不與粉末發生反應并可通過酸洗或機械加工的方法除掉。
    有關喂料流變學方面的理論與實驗研究也是一個有重大實際意義的問題。圍繞粘結荊技術與擠壓流變學問題的攻關與開發必將有力地推動增塑粉末擠壓成形新技術的研究與應用。

5. 粉末軋制
    用金屬粉末為原料直接軋制金屬成材的工藝。金屬粉末先在粉末軋機上軋成帶坯(或稱“生帶”),再經燒結、冷軋(或熱軋)、退火,即可制成致密的或多孔的成品板帶材。這種工藝比傳統的經過冶煉、鑄錠、開坯、軋制成材等工序的工藝簡單,成材率為85~90%。但由于金屬粉末成本較高,生產率低,所以這種工藝主要用于生產特殊性能的材料,如多孔板材,多層金屬復合材、摩擦材料和反應堆材料等。粉末軋制法發明于1902年。粉末軋機一般為二輥或四輥式。輥徑根據所軋制的生帶厚度設計,一般生帶厚度為輥徑的0.33~2%。目前軋制的寬度多在60~300mm。粉末軋機外形和供料漏斗。
    軋制生帶有三種方法:①金屬粉末直接軋制。即在室溫下通過裝料設備把金屬粉末直接喂入旋轉的軋輥間連續壓實成生帶。②粘結粉末軋制。即在金屬粉末中加入粘結劑制成薄坯,再送入粉末軋機軋成生帶。③金屬粉末熱軋。即在保護氣氛中把粉末預先加熱到一定溫度再行軋制。
    用粉末軋制法生產的孔隙度為20~90%的多孔材料的厚度為0.05~9mm;致密材料的厚度為0.20~4mm。生產廉價的金屬粉末,提高軋制速度,發展寬粉末軋機,提高生帶邊部整齊度及縱、橫方向的密度均勻性等,是粉末軋制的研究方向。

6. 溫壓技術
    溫壓技術是粉末冶金領域近幾年發展起來的一項新技術,可生產出高密度、高強度,具有非常廣泛的應用前景。所謂溫壓技術就是采用特制的粉末加溫、粉末輸送和模具加熱系統,將加有特殊潤滑劑的預合金粉末和模具等加熱至130 ~150℃,并將溫度波動控制在12.5℃以內,然后和傳統粉末冶金工藝一樣進行壓制、燒結而制得粉末冶金零件的技術。其技術關鍵:一是溫壓粉末制備,二是溫壓系統。與傳統工藝相比,溫壓成形的壓坯密度約有0.15~0.30g/cm3 的增幅,其密度可達7.45g/cm3。在相同的壓制壓力下,溫壓材料的屈服強度比傳統工藝平均高11%,極限拉伸強度平均高13.5%,沖擊韌性可提高33%。另外,溫壓零件的生坯強度高,可達20~30Mpa,比傳統方法提高50~100%,不僅降低生坯搬運過程中的破損率而且能對生坯進行機加工,表面光潔度好。此外,溫壓工藝的壓制壓力低和脫模力小,同時零件性能均一,產品精度高,材料利用率高。
    溫壓工藝還有一個特點是工藝簡單,成本低廉。研究表明,假如一次壓制、燒結的普通粉末冶金工藝的成本為1.0,則粉末鍛造的相對成本為2.0,復壓復燒的相對成本為1.5,滲銅的相對成本為1.4,而溫壓技術的相對成本為1.25。目前,采用溫壓技術生產的粉末冶金零件已達200多種,零件重量在5~1200g。

7. 粉末壓制成形
    粉末壓制成形(powder pressing)指在壓模中利用外加壓力的粉末成形方法。又稱粉末模壓成形。壓制成形過程由裝粉、壓制和脫模組成。粉末壓制成形的內容包括粉末壓制理論、粉末壓坯、粉末壓制模具和粉末壓制壓力機4個方面。
    壓制成形過程中,顆粒間以及顆粒與模壁間存在的內、外摩擦引起壓力損失使壓坯各部位受力不均,因此壓坯密度分布不均勻。不均勻的程度與選用的壓制方式有關;镜膲褐品绞接袉蜗驂褐、雙向壓制、浮動壓制、拉下式壓制和摩擦芯桿壓制5種。粉末壓制成形法是應用最普遍的成形方法,但是傳統的模壓成形也有其局限性。一些不可壓制的部位如徑向孔、槽和內外螺紋以及倒錐等都只能在燒結后進行切削加工才能成形。不過,新發展的橫向孔成形法和粉末移動成形法已使某些限制不存在,可以制取形狀更復雜的壓坯.

8. 流動溫壓技術
    流動溫壓技術(Warm FIOW Compaction,簡稱WFC)是在粉末壓制、溫壓成形工藝的基礎上,結合了金屬粉末注射成形工藝的優點而提出來的一種新型粉末冶金零部件近凈成形技術。其關鍵技術是提高混合粉末的流動性。它通過提高了混合粉末的流動性、填充能力和成形性,從而可以在80~130℃溫度下,在傳統壓機上精密成形具有復雜幾何外形的零件,如帶有與壓制方向垂直的凹槽、孔和螺紋孔等零件,而不需要其后的二次機加工。WFC 技術既克服了傳統粉末冶金在成形復雜幾何形狀方面的不足,又避免了金屬注射成形技術的高成本,是一項極具潛力的新技術,具有非常廣闊的應用前景。WFC 技術作為一種新型的粉末冶金零部件近凈成形技術,其主要特點如下:
(1)可成形具有復雜幾何形狀的零件
(2)壓坯密度高、密度均勻;
(3)對材料的適應性較好;
(4)工藝簡單,成本低。目前,WFC技術在國外還處于研究的初始階段,其關鍵制造技術及其致密化機理研究尚未見報道。

9. 模壁潤滑技術
    傳統粉末零件成形時,為了減少粉末顆粒之間和粉末顆粒與模壁之間的摩擦,在粉末混合料中需添加一定量的潤滑劑,但混進的潤滑劑因密度低,不利于獲得高密度的粉末冶金零件;而且潤滑劑的燒結會污染環境,甚至會降低燒結爐的壽命和產品的性能。模壁潤滑技術的應用則很好地解決了這一難題。近年來,采用模壁潤滑取代粉末潤滑技術已成為粉末成形研究和開發的又一熱點。目前,實現模壁潤滑的主要途徑有兩個:
   一是利用下模沖復位時與陰模及芯桿之間的配合間隙所產生的毛細作用,將液相潤滑劑帶到陰模及芯桿表面。
   二是用噴槍將帶有靜電的固態潤滑劑粉末噴射到壓模的型腔表面上,即在裝粉靴的前部裝一個附加的潤滑劑靴裝置。成形開始時,潤滑劑靴推開壓坯,壓縮空氣將帶有靜電的潤滑劑從靴內噴射到模腔內,因為潤滑劑粉末所帶的極性與陰模相反,粉末在電場牽引下撞擊并粘附在模壁上,然后裝靴粉裝粉,進行常規壓制成形。采用模壁潤滑技術明顯提高粉末材料的生坯密度,密度可達到7.4g/cm3,且模壁潤滑與粉間潤滑相比,鐵粉的生坯強度可分別提高128~217%。日本豐田汽車中心研究人員利用溫壓、模壁潤滑與高壓制壓力使鐵基粉末壓坯幾乎達到全致密。

10. 高速壓制技術
    高速壓制技術(High Velocity Compaction,簡稱HVC)是瑞典的Hoaganas 公司在2001年6月推介的一種新技術。高速壓制生產零件的過程和傳統的壓制過程工序相同;旌戏勰┘舆M送料斗中,粉末通過送粉靴自動填充模腔壓制成形,之后零件被頂出并轉入燒結工序。所不同的是高速壓制的壓制速度比傳統壓制高500~1000倍,壓機錘頭速度高達2~30m/s,液壓驅動的錘頭重達5~1200Kg,粉末在0.02s之內通過高能量沖擊進行壓制,壓制時產生強烈的沖擊波。通過附加間隔0.3s的多重沖擊能達到更高的密度。HVC 技術具有高密度、高性能、低成本、高生產率和可成形大零件的特點。該技術適用于制備閥門、簡單齒輪、氣門導筒、主軸承蓋、輪轂、齒輪、法蘭、軸套宇軸承套圈和凸輪凸角機構等產品。目前正在繼續研究生產更復雜的多級部件。

11. 動磁壓制技術
    動力磁性壓制技術( dynamic magnetic compaction,簡稱DMC)是1995 年美國開始研究的一種新型的高性能粉末最終成形壓制技術。DMC是采用脈沖調制電磁場施加的壓力來固結粉末。與傳統的粉末冶金壓制工藝一樣,動力磁性壓制也是兩維壓制工藝,但卻是徑向壓制而不是軸向壓制。當粉末裝入一個導電的容器(護套)內,置于高場強的中心腔中,線圈通入高電流脈沖,線圈中形成磁場,護套內因而產生感應電流。感應電流與施加的磁場相互作用,產生由外向內壓縮護套的磁力,使粉末得到壓制,整個壓制過程時間不足1ms。 DMC 具有以下特點:
(1)由于不使用模具,因而可達到更高的壓制力,維修與生產成本更低;
(2)在任何溫度與氣氛中均可施加壓力,且適合所有材料,工作條件更靈活;
(3)不使用潤滑劑與粘結劑,有利于環境保護。目前,許多動磁壓制的應用已接近工業化階段。DMC 適于制造柱形對稱的終形件,薄壁管,高縱橫比部件和內部形狀 復雜的部件。

12. 放電等離子燒結技術
    放電等離子燒結技術( Spark Plasma Sintering,簡稱SPS)最早源于1930 年美國科學家提出的脈沖電流燒結原理,但直到日本于1988 年研制出第一臺工業型SPS裝置,該技術才真正引起世人的關注。該技術集粉末成形和燒結于一體,不需要預先成形,也不需要任何添加劑和粘結劑。主要是利用外加脈沖強電流形成的電場清除粉末顆粒表面氧化物和吸附的氣體,凈化材料,活化粉末表面,提高粉末表面的擴散能力,再在較低機械壓力下利用強電流短時加熱粉體進行燒結致密。有關研究表明,該技術由于場活化等作用在較大程度上降低了粉體的燒結溫度,縮短了燒結時間,并充分利用了粉末自身發熱的作用,熱效率極高,加熱均勻,可通過一次成形獲得高精度、均質、致密、含氧量低和晶粒組織細小的零件。目前,SPS研究對象主要集中于陶瓷、金屬陶瓷、金屬間化合物、復合材料、納米材料以及功能材料等。在制備和成形非晶合金、形狀記憶合金、金剛石等材料方面也作了不少嘗試,并取得了較好的結果。

13. 爆炸壓制技術
    爆炸壓制(ExpIosive Compaction)又稱沖擊波壓制,是利用化學能的一種高能成形方法。它通常將金屬粉末材料置于具有一定結構的模具中施加爆炸壓力,爆炸物質的化學能在極短的時間內轉化為周圍介質中的高壓沖擊波,并以脈沖波的形式作用粉末,使其獲得高密度。作用時間僅為10~100us,粉末成形為1ms 左右。爆炸壓制方法是一種獨特的加工方法,可使松散材料達到理論密度。能將不適合傳統壓力加工的材料制造成零件,可使傳統的不可壓縮的金屬陶瓷材料、低延性金屬等壓制成復合材料,典型的應用是將高溫合金粉末用于成形飛機發動機的耐高溫零件。

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