高速壓制技術(shù)的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)＊

閆志巧，蔡一湘

（廣州有色金屬研究院，廣東 廣州 510650）

高速壓制技術(shù)的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)＊

閆志巧，蔡一湘

（廣州有色金屬研究院，廣東 廣州 510650）

高速壓制（HVC）技術(shù)是一種高效率、低成本制備高性能粉末冶金零件的新技術(shù)．綜述了HVC技術(shù)的研究現(xiàn)狀，探討了HVC技術(shù)的致密化機(jī)理，指出質(zhì)量能量密度是較峰值壓力和沖擊能量等更適合HVC技術(shù)特點(diǎn)的科學(xué)表征方式，進(jìn)一步展望了HVC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)．

高速壓制（HVC）；粉末冶金；致密化機(jī)理；質(zhì)量能量密度

高速壓制（HVC）技術(shù)是瑞典的 H?gan?s公司和Hydropulsor公司在2001年共同提出的一種高效率、低成本制備高性能粉末冶金零件的新技術(shù)．該技術(shù)生產(chǎn)零件的過(guò)程與傳統(tǒng)模壓工序相同，模具設(shè)計(jì)也相似，所不同的是HVC是通過(guò)由液壓控制的重錘產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波實(shí)現(xiàn)粉末壓制[1]，具有瞬間沖擊成形的絕熱壓制特征，其壓制速度比傳統(tǒng)壓制快500－1000倍，具有成本低、壓坯密度高且分布均勻、低彈性后效（比常規(guī)降低30%）和高精度、模具使用壽命長(zhǎng)（不少于十萬(wàn)次）等特點(diǎn)[2－3]．高的壓坯密度有利于降低燒結(jié)溫度而獲得晶粒細(xì)小的材料，符合當(dāng)前節(jié)能減排和低碳發(fā)展的總體需求；低脫模力（比常規(guī)降低30%）和低彈性后效可顯著提高零件的尺寸精度；高的模具壽命（不少于十萬(wàn)次）使工業(yè)應(yīng)用成為可能．從生產(chǎn)成本與制品密度之間的性價(jià)比考慮，HVC是制備高密度、高性能粉末冶金零部件的一種最佳選擇，因此具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[4－5]．本文綜述了 HVC技術(shù)的研究現(xiàn)狀，探討了HVC技術(shù)的致密化機(jī)理和表征方式，進(jìn)一步展望了其發(fā)展趨勢(shì)．

1 HVC技術(shù)的研究現(xiàn)狀

自HVC技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，美國(guó)、瑞典和法國(guó)等國(guó)家予以了高度重視，大力開展了該技術(shù)的專項(xiàng)研究．美國(guó)LMC公司的研究結(jié)果表明：采用具有絕熱壓制特征的HVC技術(shù)，可以將一些傳統(tǒng)的粉末冶金生產(chǎn)用金屬粉末壓制成接近全密度的制品．該技術(shù)獲得了美國(guó)國(guó)防部100萬(wàn)美元的資助，并專門用于壓制致密的鈦粉末冶金制品[6]．美國(guó)的粉末冶金技術(shù)中心（CPMT）也開始了旨在通過(guò)單次壓制制備“全密度”粉末冶金材料的計(jì)劃，并將HVC作為第一階段的主要研究方向[7]．瑞典的Hydropulsor公司用HVC技術(shù)顯著提高了軟磁復(fù)合材料的性能，并能進(jìn)行大批量生產(chǎn)[8]．SKF公司用HVC技術(shù)大規(guī)模制備高密度、高強(qiáng)度的鐵基和316L不銹鋼零件，所生產(chǎn)的鐵基齒輪件密度可達(dá)7．7 g/cm3[9]，而采用傳統(tǒng)的粉末冶金技術(shù)，即便如溫壓、復(fù)壓復(fù)燒技術(shù)通常也只能得7．3 g/cm3左右的密度．法國(guó)機(jī)械工業(yè)技術(shù)中心（CETIM）采用HVC技術(shù)成功制備了多階零件和有內(nèi)齒或沿高度方向局部有外齒的形狀復(fù)雜的部件．在這些部件中，壓坯的密度均達(dá)到了7．5 g/cm3以上[10]．CETIM 最新的研究表明，采用HVC技術(shù)還可以一次性成形復(fù)雜的錐形和多階零件，且整個(gè)零件密度分布均勻．

國(guó)內(nèi)近幾年才開始HVC技術(shù)的研究．2006年，瑞典的Hydropulsor公司和南京東部精密機(jī)械有限公司聯(lián)合組建HVC設(shè)備，為國(guó)內(nèi)開展HVC技術(shù)的研究提供了良好的試驗(yàn)平臺(tái)．目前HVC技術(shù)的研究主要集中在北京科技大學(xué)、華南理工大學(xué)和廣州有色金屬研究院3個(gè)單位．北京科技大學(xué)開展了成形性好的 Fe粉[11－12]、Cu粉[13－14]的高速壓制研究，得到了95%以上致密度的壓坯；華南理工大學(xué)[15]開展了模壁潤(rùn)滑高速壓制成形Fe基粉末的研究；廣州有色金屬研究院開展了傳統(tǒng)模壓難成形的Ti粉的高速壓制研究，獲得了致密度為96%的純Ti壓坯和致密度為97．4%的含0．3 wt%潤(rùn)滑劑的壓坯[16]．何世文等室溫模壓純Ti粉所制備的壓坯致密度為80．7%，130℃溫壓時(shí)致密度提高至82．7%[17]．顯然，HVC成形Ti粉的效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)壓制和溫壓．美國(guó)Dynamet公司開發(fā)的CHIP（冷等靜壓→真空燒結(jié)→熱等靜壓）技術(shù)制備鈦基復(fù)合材料時(shí)，經(jīng)冷等靜壓、真空燒結(jié)后材料的致密度約為95%[18]，而采用HVC成形、未經(jīng)燒結(jié)的Ti粉壓坯致密度即與之相當(dāng)．因此，HVC技術(shù)有望解決傳統(tǒng)粉末冶金方法難成形高硬化速率粉末（如Ti和Mo）的問(wèn)題，在低成本制備高性能粉末冶金材料方面極具潛力．除金屬材料外，HVC技術(shù)在成形Al2O3陶瓷[19]、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）[20]時(shí)也表現(xiàn)出了顯著優(yōu)于傳統(tǒng)成形方法的效果．

2 HVC技術(shù)的致密化機(jī)理

關(guān)于HVC致密化機(jī)理的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量工作．黃培云院士認(rèn)為HVC壓坯之所以具有高密度，主要有以下幾個(gè)原因[21]：首先，當(dāng)壓制壓力由靜壓變成動(dòng)壓時(shí)，粉末體不僅受到靜壓力的作用，還受到動(dòng)量的作用，速度越大，動(dòng)量越大．由于沖擊時(shí)間很短，粉末體所受的沖擊力比靜壓時(shí)所受的壓力要大，所以成形效率高．其次，粉末體的變形速度很快，一般大于粉末體因受靜壓作用所產(chǎn)生的加工硬化速度，此時(shí)粉末體變形不受加工硬化的影響，因而粉末成形時(shí)變形所需要的應(yīng)力比靜壓時(shí)要?。瑫r(shí)，粉末體是以大量的點(diǎn)、線接觸為主的復(fù)雜接觸，當(dāng)受到外力沖擊作用時(shí)，接觸區(qū)域因迅速變形而放出大量的熱量，這種瞬時(shí)放出的熱量必然使接觸部分的溫度升高，導(dǎo)致粉末的塑性增加而易于變形．

果世駒等[22]對(duì)高速壓制致密化機(jī)制進(jìn)行了探討，提出“熱軟化剪切致密化機(jī)制”，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，推導(dǎo)出通用的高速壓制方程：

式中k1，k2均為系數(shù)；ΔHL為粉末材質(zhì)的熔化潛熱，J/g；φ為壓坯的孔隙度；P 為能量密度，J/g；C 為常數(shù)．并根據(jù)該方程推導(dǎo)了鐵粉壓制方程，對(duì)鐵基壓坯則有：

高速壓制過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波，因此，研究應(yīng)力波在粉體材料中的傳播規(guī)律，是揭示HVC致密化機(jī)理的重要手段．易明軍等[23]初步研究了HVC過(guò)程中應(yīng)力波波形的基本特征和對(duì)壓坯質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，應(yīng)力波為鋸齒波形，其持續(xù)時(shí)間受加載速率的影響，并且應(yīng)力波在自由面反射時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力在顆粒結(jié)合強(qiáng)度不大時(shí)導(dǎo)致壓坯上表面出現(xiàn)分層和剝落．但由于所產(chǎn)生的應(yīng)力波受粉末特性、壓制條件等多方面的影響，使得HVC的致密化機(jī)理十分復(fù)雜．

3 HVC技術(shù)的表征方式

高速壓制時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波，這是它與傳統(tǒng)壓制的根本區(qū)別．為和傳統(tǒng)壓制效果進(jìn)行對(duì)比，習(xí)慣采用第一個(gè)沖擊波的峰值壓力表征HVC的成形效果．以峰值壓力作為表征方式，SETHI等[24]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)HVC的峰值壓力與傳統(tǒng)壓制壓力相同時(shí)，所獲得壓坯致密度反而較低．而TROIVE等[25]的結(jié)果表明，相同的壓制條件下，高速壓制的壓坯密度比傳統(tǒng)壓制高0．5%．用壓制壓力對(duì)比高速壓制和傳統(tǒng)壓制得到了相矛盾的結(jié)果．而且峰值壓力不能表征多次壓制的效果．

也有研究采用沖擊能量對(duì)HVC進(jìn)行表征．ERIKSSON等[26]采用335 J的沖擊能量高速壓制純Ti粉，所成形直徑為14 mm、質(zhì)量為3．0 g的圓柱試樣的致密度為93．5%．閆志巧等[16]采用3804 J的沖擊能量高速壓制純Ti粉，所成形質(zhì)量為56．5 g、內(nèi)徑和外徑分別為30和60mm的圓環(huán)試樣的致密度僅為88．8%．進(jìn)一步的試驗(yàn)表明，沖擊能量為1217 J時(shí)，所成形質(zhì)量為10．3 g、直徑為20 mm的圓環(huán)試樣的致密度為96．0%．三種壓制效果存在明顯差異．這是由于高速壓制的壓坯密度不僅取決于施加于其上的沖擊能量，而且與壓坯質(zhì)量有很大關(guān)系．這與常規(guī)壓制有著很大不同．在常規(guī)壓制下，壓坯的橫截面積被確定以后，壓坯高度增加會(huì)增加密度分布的不均勻性，但壓坯的密度主要取決于壓制壓力，而與壓坯的質(zhì)量變化不大．因此，應(yīng)該采用既能體現(xiàn)沖擊能量又能反映壓坯質(zhì)量對(duì)壓坯密度影響的量．為此，采用質(zhì)量能量密度的概念，即單位質(zhì)量的壓坯在壓制過(guò)程中所受到的沖擊能量，單位：J/g．采用質(zhì)量能量密度的概念，ERIKSSON等[26]在質(zhì)量能量密度為112 J/g時(shí)，所獲得的壓坯致密度為93．5%．閆志巧等[16]在質(zhì)量能量密度為118 J/g時(shí)，所獲得的壓坯致密度為96．0%．即在相近的質(zhì)量能量密度下，所獲得的壓坯質(zhì)量相近．DOREMUS等[27]最近的研究也發(fā)現(xiàn)，為達(dá)到一定的密度，所需要的沖擊能量與粉末質(zhì)量成正比．因此，質(zhì)量能量密度是較峰值壓力和沖擊能量等更合適HVC技術(shù)特點(diǎn)的科學(xué)表征方式．

圖1 用質(zhì)量能量密度對(duì)比文獻(xiàn)[16]和[26]的結(jié)果

4 HVC技術(shù)研究的發(fā)展方向

雖然國(guó)外已用HVC技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)鐵基及不銹鋼粉末冶金零部件，但作為近十年才出現(xiàn)的一種新技術(shù)，其相關(guān)基礎(chǔ)研究還不夠深入，尤其是應(yīng)深化以下幾方面的研究：

4．1 潤(rùn)滑條件對(duì)HVC過(guò)程的影響

與傳統(tǒng)模壓成形相比，HVC成形時(shí)可顯著減少潤(rùn)滑劑的添加量，甚至是無(wú)潤(rùn)滑劑也可以高密度成形．但潤(rùn)滑劑對(duì)其成形效果的影響尚未見(jiàn)報(bào)道．高速壓制Ti粉時(shí)發(fā)現(xiàn)，含0．3%潤(rùn)滑劑的Ti粉在50 mm的沖程時(shí)仍能成形，且壓坯無(wú)明顯的宏觀缺陷；而純Ti粉末在35 mm的沖程時(shí)即出現(xiàn)分層（圖2）[28]，表明少量的潤(rùn)滑劑能顯著提高HVC的成形能力，從而獲得更高的壓坯密度．這對(duì)于粉末冶金結(jié)構(gòu)零件而言是有重大意義的．如鐵基粉末冶金零件，當(dāng)密度達(dá)到7．2 g/cm3后，其硬度、抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、韌性等都會(huì)隨密度的增加而呈幾何級(jí)數(shù)增大．因此，研究潤(rùn)滑劑對(duì)HVC成形效果的影響對(duì)進(jìn)一步提高材料性能具有重要意義．

圖2 純Ti粉末高速壓制時(shí)的分層[28]

由于HVC的致密化機(jī)理與傳統(tǒng)壓制有本質(zhì)區(qū)別，傳統(tǒng)意義上的潤(rùn)滑劑不一定能完全發(fā)揮HVC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)新型的潤(rùn)滑劑是HVC技術(shù)的一個(gè)方向．此外，基于HVC所達(dá)到的高密度與潤(rùn)滑劑的脫除之間的矛盾，應(yīng)綜合研究潤(rùn)滑劑的種類、含量、對(duì)壓坯密度和脫脂過(guò)程的影響．

4．2 多次壓制對(duì)HVC效果的影響

傳統(tǒng)壓制的壓坯密度主要取決于壓制壓力，并不隨壓制次數(shù)的增加而顯著提高．在高速壓制下，壓制設(shè)備將能量在很短的時(shí)間通過(guò)模具傳遞給粉末，并使之致密化，該能量是可以累加的，即隨著壓制次數(shù)的增加壓坯密度可以不斷地提高，這就為使用中小型設(shè)備生產(chǎn)大尺寸零件提供了可能．研究認(rèn)為，HVC過(guò)程的能量具有疊加性，可以通過(guò)多次小沖擊能量的壓制得到與一次大沖擊能量壓制相同的效果，即在4 kJ能量的沖擊下達(dá)到的壓坯密度與用2 kJ沖擊兩次相同[3]．但王建忠等[11]多次高速壓制Fe粉時(shí)發(fā)現(xiàn)，在總沖擊能量相同的情況下，分兩次壓制制備的壓坯密度最大，分三次壓制的最小，一次壓制的居中，這顯然與經(jīng)驗(yàn)相悖．而且研究發(fā)現(xiàn)，兩次高速壓制時(shí)，部分壓坯出現(xiàn)分層，即使是宏觀無(wú)分層的壓坯燒結(jié)后會(huì)出現(xiàn)腫脹（圖3）[28]．因此，深入研究多次高速壓制的效果和特點(diǎn)，對(duì)于中小型設(shè)備是否能實(shí)際生產(chǎn)超大零件具有重大意義．

圖3 兩次壓制壓坯燒結(jié)后出現(xiàn)膨脹[28]

4．3 HVC壓坯的燒結(jié)致密化機(jī)制

HVC是一種瞬間絕熱成形高密度壓坯的過(guò)程，顆粒之間發(fā)生粘結(jié)甚至熔焊，顆粒則因內(nèi)部含有較多的缺陷（如位錯(cuò)、空位和晶格畸變）而處于高能狀態(tài)，其燒結(jié)制度和傳統(tǒng)成形方法制備的壓坯勢(shì)必有較大差異，需要綜合研究HVC壓坯的燒結(jié)條件．ERIKSSON等[26]采用HVC技術(shù)制備了致密度為98．5%的鈦/羥基磷灰石復(fù)合壓坯，在500℃的低溫即可實(shí)現(xiàn)材料的燒結(jié)，而壓坯的燒結(jié)致密化機(jī)理未有詳細(xì)報(bào)道．

5 結(jié) 語(yǔ)

HVC技術(shù)為低成本、高效率制備高性能粉末冶金零件提供了一種極具優(yōu)勢(shì)的成形方法，是符合節(jié)能減排和低碳發(fā)展的材料制備新技術(shù)．但目前該技術(shù)主要用于生產(chǎn)形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的零件，其致密化機(jī)理、表征方式、潤(rùn)滑條件等也尚缺乏系統(tǒng)深入的研究，后續(xù)的燒結(jié)制度更是鮮有報(bào)道．因此，進(jìn)一步加大該技術(shù)的專項(xiàng)研究，將有利于深化對(duì)HVC過(guò)程特征的認(rèn)識(shí)，對(duì)實(shí)現(xiàn)其在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用具有重大意義．

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Progress and trend of high velocity compaction technology

YAN Zhi－qiao，CAI Yi－xiang
（Guangzhou Research Institute of Non－ferrous Metals，Guangzhou 510650，China）

High velocity compaction（HVC）is a recently developed technology for foming high density metallic parts with high efficiency and low cost．Progress in developments of HVC technology is reviewed，and its densification mechanism is discussed．Impact energy per unit mass is more suitable to characterize the features of HVC technology than conventional peak pressure and impact energy．Development trend of HVC technology is prospected further．

high velocity compaction（HVC）；powder metallurgy；densifiaction mechanism；impact energy per unit mass

TF124．36

A

1673－9981（2010）04－0495－05

2010－10－14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51004040）

閆志巧（1980—），女，河南許昌人，工程師，博士．