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粉末冶金新工艺——粉末压制成形新技术

日期: 2019-11-29
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粉末压制成形新技术


●粉末压制成形新技术


压坯密度分布不均匀:用石墨粉作隔层的单向压制实验,得到如图5-4所示的压坯形状,各层的厚度和形状均发生了变化,由图5-5可知在任何垂直面上,上层密度比下层密度大;在水平面上,接近上模冲的断面的密度分布是两边大,中间小;而远离上模冲的截面的密度分别是中间大,两边小。


因为粉末体在压模内受力后向各个方向流动,于是引起垂直于压模壁的侧压力。侧压力引起摩擦力,会使压坯在高度方向存在明显的压力降。


为了改善压坯密度的不均匀性,一般采取以下措施:


1)减小摩擦力:模具内壁上涂润滑油或采用内壁更光洁的模具;


2)采用双向压制以改善压坯密度分布的不均匀性;


3)模具设计时尽量降低高径比。

粉末冶金新工艺——粉末压制成形新技术


传统压制技术的局限


1、模具要求高,占用生产成本比例大;


2、所加工部件尺寸受到限制;


3、部件密度分布不均匀;


4、脱模困难,工序长,生产效率低。


●粉末冶金成型新技术


1.动磁压制技术


原理:将粉末装于一个导电的容器(护套)内,置于高强磁场线圈的中心腔中。电容器放电在数微秒内对线圈通入高脉冲电流,线圈腔中形成磁场,护套内产生感应电流。感应电流与施加磁场相互作用,产生由外向内压缩护套的磁力,因而粉末得到二维压制。整个压制过程不足1ms。

粉末冶金新工艺——粉末压制成形新技术


动磁压制的优点:


1.由于不使用模具,成型时模壁摩擦减少到0,因而可达到更高的压制压力,有利于提高产品,并且生产成本低;


2.由于在任何温度与气氛中均可施压,并适用于所有材料,因而工作条件更加灵活;


3. 由于这一工艺不使用润滑剂与粘结剂,因而成型产品中不含有杂质,性能较高,而且还有利于环保。


许多合金钢粉用动磁压制做过实验,粉末中不添加任何润滑剂,生坯密度均在95%以上。动磁压制件可以在常规烧结条件下进行烧结,其力学性能高于传统压制件。动磁压制适用于制造柱形对称的近终形件、薄壁管、纵横比高的零件和内部形状复杂的零件。


动磁压制有可能使电机设计与制造方法产生革命性变化,由粉末材料一次制成近终形定子与转子,从而获得高性能产品,大大降低生产成本。


动磁压制正用于开发高性能粘结钕铁硼磁体与烧结钐钴磁体。由于动磁压制的粘结钕铁硼磁体密度高,其磁能积可提高15%-20%。


动磁压制的亚毫秒压制过程有助于保持材料的显微结构不变,因而也提高了材料性能。对于象W、WC与陶瓷粉末等难压制材料,动磁压制可达到较高的密度,从而降低烧结收缩率。目前许多动磁压制的应用已接近工业化阶段,第一台动磁压制系统已在运行中。


2.高速压制


瑞典开发出粉末冶金用高速压制法。这可能是粉末冶金工业的又一次重大技术突破。高速压制采用液压冲击机,它与传统压制有许多相似之处,但关键是压制速度比传统快500~1000倍,其压头速度高达2~30m/s,因而适用于大批量生产。液压驱动的重锤(5~1200kg)可产生强烈冲击波,0.02s内将压制能量通过压模传给粉末进行致密化。重锤的质量与冲击时的速度决定压制能量与致密化程度。


高速压制的另一个特点是产生多重冲击波,间隔约0 3s的一个个附加冲击波将密度不断提高。这种多重冲击提高密度的一个优点是,可用比传统压制小的设备制造重达5kg以上的大零件。


高速压制适用于制造阀座、气门导管、主轴承盖、轮毂、齿轮、法兰、连杆、轴套及轴承座圈等产品。


与传统压制相比, 高速压制的优点是:


压制件密度提高,提高幅度在0.3g/cm3左右;


压制件抗拉强度可提高20%~25%;


高速压制压坯径向弹性后效很小, 脱模力较低;


高速压制的密度较均匀, 其偏差小于0.01g/cm3。


3.温压成型技术


温压技术是近几年新发展的一项新技术。它是在混合物中添加高温新型润滑剂,然后将粉末和模具加热至423K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,被国际粉末冶金界誉为 “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。


其与传统模压工艺主要区别之处在于压制过程中将粉末和模具加热到一定的温度,温度通常设定在130~150℃范围以内,可使铁基粉末冶金零件密度提高0.15~0.4g/cm3,粉末压坯相对密度可达到98-99%。


在该工艺中,为了充分发挥在压制过程中的颗粒重排和塑性变形等温压致密化机制,往往需要优化原料粉末设计(如形状、粒度组成的选择),通过退火或扩散退火处理以改善粉末塑性,以及往粉末中掺入高性能高温润滑剂(添加量通常为0.6wt%)。

粉末冶金新工艺——粉末压制成形新技术


特点 :


(1)密度高且分布均匀 常规一次压制-烧结最高密度一般为7.1g/cm3左右,温压一次压制-烧结密度可达到7.40-7.50 g/cm3,温压二次压制-烧结密度可高达7.6g/cm3左右。温压工艺中高性能润滑剂保证了粉末与模壁之间具有较低的摩擦系数,使得压坯密度分布更加均匀,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0.1~0.2g/cm3。


(2)生坯强度高


常规工艺的生坯强度约为10~20MPa,温压压坯的强度则为25~30MPa,提高了1.25-2倍。生坯强度的提高可以大大降低产品在转移过程中出现的掉边、掉角等缺陷,有利于制备形状复杂的零件;同时,还有望对生坯直接进行机加工,免去烧结后的机加工工序,降低了生产成本。这一点在温压-烧结连杆制备中表现得尤为明显。


(3)脱模压力小


温压工艺脱模压力(Slide pressure)约为10~20MPa,而常规工艺却高达55~75MPa,其降低幅度超过60%。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零件和减小模具磨损从而延长其使用寿命。


(4)表面精度高


由于温压工艺使压坯密度升高,而且温压中处于粘流态的润滑剂具有良好的“整平”作用,因此它可以使铁基粉末冶金零件表面精度提高2个IT等级,使纳米晶硬质合金粉末压坯表面精度提高3个IT等级。


温压技术研究和开发的核心:


预合金化粉末的制造技术;


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;


温压系统制备技术。


温压技术主要适合生产铁基合金零件。同时人们正在尝试用这种技术制备铜基合金等多种材料零件。由于温压零件的密度得到了较好的提高,从而大大提高了铁基等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、武器制造等领域存在着广阔的应用前景。


4.流动温压技术


流动温压技术以温压技术为基础,并结合了金属注射成形的优点,通过加入适量的微细粉末和加大润滑剂的含量而大大提高了混合粉末的流动性、填充能力和成形性, 这一工艺是利用调节粉末的填充密度与润滑剂含量来提高粉末材料的成形性。它是介于金属注射成形与传统模压之间的一种成形工艺。


流动温压技术的关键是提高混合粉末的流动性,主要通过两种方法来实现:


第一种方法是:向粉末中加入精细粉末。这种精细粉末能够填充在大颗粒之间的间隙中,从而提高了混合粉末的松装密度。


第二种方法是:比传统粉末冶金工艺加入更多的粘结剂和润滑剂,但其加入量要比粉末注射成形少得多。粘结剂或润滑剂的加入量达到最优化后,混合粉末在压制中就转变成一种填充性很高的液流体。


将上述两种方法结合起来,混合粉末在压制温度下就可转变成为流动性很好的黏流体,它既具有液体的所有优点,又具有很高的黏度。混合粉末的流变行为使得粉末在压制过程中可以流向各个角落而不产生裂纹。


流动温压工艺主要特点如下:


(1)可成形零件的复杂几何形状。国外已利用常规温压工艺成功制备出了一些形状较复杂的粉末冶金零件,如汽车传动转矩变换器涡轮毂、连杆和齿轮类零件等。


(2)密度高、性能均一。流动温压工艺由于松装密度较高,经温压后的半成品密度可以达到很高的值。由于流动温压工艺中粉末的良好流动性,由此得到的材料密度也更加均匀。


(3)适应性较好。流动温压工艺已经用于低合金钢粉、不锈钢316L粉、纯Ti粉和WC-Co硬质合金粉末。原则上它可适用于所有的粉末体系,唯一的条件是该粉末体系须具有足够好的烧结性能,以便达到所要求的密度和性能。


(4)简化了工艺,降低了成本。


5.注射成形技术


金属粉末注射成形技术是随着高分子材料的应用而发展起来的一种新型固结金属粉、金属陶瓷粉和陶瓷粉的特殊成形方法。它是使用大量热塑性粘结剂与粉料一起注入成形模中,施于低而均匀的等静压力,使之固结成形,然后脱粘结剂烧结。


这种技术能够制造用常规模压粉末的技术无法制造的复杂形状结构(如带有螺纹、垂直或高叉孔锐角、多台阶、壁、翼等)制品,具有更高的材质密度(93%~100%的理论密度)和强韧性,并具有材质各向同性等特性。目前该项技术成为粉末冶金领域最具活力的新技术 并已进入工业化生产阶段。


金属粉末注射成型技术制作的产品有齿轮汽车部件、通信器械元件(如手机的情报通信器械和计算机的 OA 器件)、电动工具、门锁、乐器、医疗器件和缝纫机元件、工业设备元件和磁性元件、枪支瞄准器支架、手枪退子钩和撞针、窗户锁扇形块、纺织机的三角块、眼镜框架的柔性铰链、眼镜脚、手表表壳等。产品都有一个明显的特点:其结构小而复杂,密度和精度高等。制作材料除铁 镍合金外,还有钛及钛合金、铝及铝合金、超硬合金和重合金等 。


微注射成型


传统粉末注射成形技术, 可制得0 1~1mm尺寸的部件, 已制得最小20mg的零件。但随着微型系统的发展, 包括微观光学, 最小侵害外科及微观射流技术等, 需要形状复杂、尺寸在微米范围内的金属与陶瓷零件。微注射成形适用于大规模制造微型结构件。


德国在10年前就开始研究微注射成形技术, 不过所用的原料为热塑性塑料,最小件尺寸已达0.2μm。德国在此研究的基础上, 现正研究微金属注射成形与微陶恣注射成形技术。所用粉末为平均粒度1 5μm的羰基铁粉, 4~5μm的不锈钢粉和0.6μm的氧化铝粉。所用粘结剂有自混聚烯烃/蜡化合物与常态聚醛基化合物。研究中的脱粘结剂方法有加热去除有机物法, 聚醛基化合物催化脱粘结剂法及超临界二氧化碳脱粘结剂法。


所制的产品复压后密度达98%,线性收缩15%~22%。最小微陶瓷注射成形结构件尺寸达10μm,微注射陶瓷齿轮重量仅为0 5mg,最小的微金属注射成形件尺寸为50μm。微注射成形用于微型泵、微型齿轮、微型涡轮、最小损伤外科用的微型导管等。

粉末冶金新工艺——粉末压制成形新技术


6.快速原型制作技术


选择激光烧结法是用激光束一层一层地烧结生产塑料原型。现在可选用多种粉末, 包括金属粉末与陶瓷粉末。金属粉末选择激光烧结, 旨在直接生产功能部件。这使工业界对它产生了极大兴趣, 因为它在产品开发过程中, 节省时间并降低成本。


粉末冶金新工艺——粉末压制成形新技术

粉末冶金新工艺——粉末压制成形新技术

粉末冶金新工艺——粉末压制成形新技术



多相喷射固结法是一种新的自由成形技术。可用于制造生物医学零件, 如像矫形植入物、牙齿矫正与修复材料、一般修复外科用部件等。多相喷射固结法, 根据CT扫瞄得到的假体的三维描述, 就可以制造出通常外科所需零件,而无需开刀去实际测量。将金属粉或陶瓷粉与粘结剂混合, 形成均匀混合料。多相喷射固结法就是将这些混合料按技术要求进行喷射,一层一层地形成一个零件。在部件形成之后, 其中的粘结相用化学法或者加热去除, 而后烧结到最终密度。

粉末冶金新工艺——粉末压制成形新技术



三维印刷法是美国麻省理工学院发明的。该法是根据印刷技术,通过计算机辅助设计, 将粘结剂精确沉积到一层金属粉末上。这样反复逐层印刷, 直至达到最终的几何形状。由此便得到一个生坯件。生坯件经烧结并在炉中熔渗, 可达到全密度。


三维印刷法不同于原型制做的选择激光烧结法。后者一次只能制做一个零件, 而前者可同时生产几个形状不同的零件。三维印刷法有两个优点: 第一,它能制造任何形状的零件,包括有空腔、内通孔、有锥度或泡沫状表面的零件。第二,生产速度快。采用耗时费钱的传统原型制作法, 一个零件原型要数周或数月才能制成, 而用三维印刷法, 几天便可完成。


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END


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