關(guān)鍵參數(shù)對(duì)銅粉錐形件HPT成形的影響

章 凱，李 萍，薛克敏

(合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥230009，E-mail:cisi1314@sohu.com)

關(guān)鍵參數(shù)對(duì)銅粉錐形件HPT成形的影響

章 凱，李 萍，薛克敏

(合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥230009，E-mail:cisi1314@sohu.com)

高壓扭轉(zhuǎn)工藝具有極強(qiáng)的晶粒細(xì)化和粉末固結(jié)效果，而且非常適用于回轉(zhuǎn)體零件的生產(chǎn)，為了制備出性能優(yōu)異的藥型罩，將高壓扭轉(zhuǎn)工藝應(yīng)用于銅粉錐形件成形.采用單因素實(shí)驗(yàn)法，利用HPT專用液壓機(jī)、倒置金相顯微鏡和金相軟件系統(tǒng)，以及排水法測(cè)相對(duì)密度等方法，研究了溫度、壓力、扭轉(zhuǎn)角速度和扭轉(zhuǎn)圈數(shù)對(duì)致密度和晶粒尺寸的影響.結(jié)果表明：隨著溫度、壓力和扭轉(zhuǎn)圈數(shù)的增大，錐形件的致密度和晶粒細(xì)化效果都得到了提高，即提高了錐形件的質(zhì)量;而扭轉(zhuǎn)角速度的影響剛好相反，它的增大降低了錐形件的質(zhì)量，但幅度較小;從提高生產(chǎn)效力來說，較大的扭轉(zhuǎn)角速度優(yōu)勢(shì)更大.

高壓扭轉(zhuǎn);錐形件;銅粉

通過粉末冶金方法獲得的材料由于內(nèi)部存在大量的微孔隙，導(dǎo)致其強(qiáng)度和性能都被大大降低.大塑性變形法(severe plastic deformation，SPD)是通過機(jī)械方法制備塊體超細(xì)晶材料的技術(shù)，同快速凝固、惰性氣體冷凝和球磨法等相比，SPD的主要優(yōu)點(diǎn)之一是具有批量生產(chǎn)的能力.近年來，應(yīng)用SPD方法提高粉末材料性能成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)［1－6］.高壓扭轉(zhuǎn)(high-pressure torsion，HPT)是SPD的一種，成形過程中可以提供高的靜水壓力和強(qiáng)烈的剪切變形作用，但由于其成形方式的特殊性，生產(chǎn)的制件被局限于回轉(zhuǎn)體類型［7］.

藥型罩是破甲彈中的核心部件，屬于薄壁錐形件，符合HPT可以生產(chǎn)的制件類型.粉末藥型罩是藥型罩發(fā)展的一個(gè)重要方向，實(shí)踐證明提高致密度和細(xì)化晶粒可以有效增強(qiáng)粉末藥型罩的破甲性能［8－10］.

溫度、壓力、扭轉(zhuǎn)角速度和扭轉(zhuǎn)圈數(shù)是HPT工藝的關(guān)鍵參數(shù)，故將HPT應(yīng)用于粉末藥型罩生產(chǎn)之前有必要掌握它們對(duì)成形的影響規(guī)律.本實(shí)驗(yàn)使用藥型罩常用材料銅粉，研究了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)粉末錐形件HPT成形質(zhì)量的影響，為以后的工作奠定基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)

以平均粒徑38.5 μm的霧化純銅粉為原材料，SEM照片如圖1所示，并添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的硬脂酸鋅，混合均勻以提高銅粉的流動(dòng)性和成形性.實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用的是本研究中心與合肥鍛壓機(jī)床有限公司共同研發(fā)制造的國內(nèi)首臺(tái)HPT專用液壓機(jī)，下模作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)且轉(zhuǎn)速可調(diào).溫度通過電阻絲加熱圈進(jìn)行控制.采用排水法進(jìn)行相對(duì)密度測(cè)量.使用4XB－TV倒置金相顯微鏡進(jìn)行觀察，并利用金相檢驗(yàn)軟件系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理和定量分析.

圖1 純銅粉SEM照片

實(shí)驗(yàn)方案為每個(gè)參數(shù)選取3個(gè)具有代表性的值進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，見表1.在研究某一參數(shù)時(shí)其他參數(shù)保持不變，其中溫度300℃、壓力320 kN、扭轉(zhuǎn)角速度0.1 rad/s和扭轉(zhuǎn)2圈這一條件為公共比較項(xiàng)，故只需進(jìn)行9組實(shí)驗(yàn).

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

2 顯微分析

2.1 溫度的影響

圖2所示為3種不同溫度下成形的銅粉錐形件(線切割后)，可以明顯看出100℃下成形的錐形件仍然呈現(xiàn)出較強(qiáng)的粉末特征，其錐部有一塊較大的缺損，是在出模的過程中造成的，即從一方面說明了其強(qiáng)度較低.而將溫度提高到200℃后，可以發(fā)現(xiàn)成形的錐形件表面粉末特征已不明顯，且完整度較好，但仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)錐形件口部仍存在一些裂縫缺陷.300℃下成形的錐形件則表現(xiàn)出較好的金屬光澤，且形狀完整、壁厚均勻以及無明顯的宏觀缺陷.

圖2 不同溫度下成形的錐形件

圖3所示為不同溫度下成形錐形件口部的顯微組織，可以看出300℃下成形的錐形件致密性最好，晶粒也最細(xì)小.由此可以分析不同溫度下成形的銅粉錐形件存在巨大差異的原因.一方面，溫度的升高提高了粉末體的塑性和流動(dòng)性，減小了粉末顆粒相之間互搭架而形成的拱橋孔洞的體積，使顆粒之間的接觸面積增加，而增強(qiáng)的內(nèi)摩擦作用又有利于HPT過程中扭矩的傳遞，從而積累了更多的剪切變形量，所以晶粒細(xì)化效果也更好.另一方面，溫度的升高促進(jìn)了顆粒間的冶金結(jié)合效應(yīng).粉末顆粒表面一般都存在一層薄薄的氧化膜，HPT過程中產(chǎn)生大塑性變形可以使這層氧化膜輕易的被穿透或磨掉，減小了接觸顆粒表面原子間的距離;溫度的升高又可以提高原子的擴(kuò)散速度，從而促進(jìn)了顆粒間的冶金結(jié)合，所以300℃下成形的銅粉錐形件表現(xiàn)出了較好的性能.

圖3 不同溫度下成形的錐形件口部顯微組織

2.2 壓力的影響

由圖4不同壓力下成形的錐形件口部顯微組織可以看出，隨著壓力的增大，錐形件的致密度和晶粒細(xì)化效果都得到了提高.然而壓力的增大并不是無限的，要受到設(shè)備和模具等因素的制約.從晶粒尺寸的測(cè)量結(jié)果也可以得出隨著壓力的增大，雖然晶粒細(xì)化效果得到有效提高，但提高的幅度在減小.因此，在選擇成形壓力時(shí)，要平衡好晶粒細(xì)化效果和模具成本之間的關(guān)系.

在粉末HPT過程中，高靜水壓力和大剪切變形的共同作用是孔隙閉合和晶粒細(xì)化的主要原因，然而它們都受到壓力的影響.其中壓力的增大可以提高致密度，增加粉末顆粒間的接觸面積，并減少坯料的滑動(dòng)，使扭矩得到有效傳遞，從而增大了剪切變形量.同時(shí)壓力的增大也會(huì)提高靜水壓力，所以壓力為480 kN時(shí)錐形件致密度較高、晶粒細(xì)化效果也較好.

圖4 不同壓力下成形的錐形件口部顯微組織

2.3 扭轉(zhuǎn)角速度的影響

由測(cè)量結(jié)果可知，HPT成形錐形件的致密度和晶粒細(xì)化效果都隨著扭轉(zhuǎn)角速度的增大而降低.這主要是因?yàn)椴煌まD(zhuǎn)角速度的HPT成形過程中坯料產(chǎn)生的滑動(dòng)程度也不同.關(guān)于HPT過程中坯料的滑動(dòng)，學(xué)者K.Edalati等人［2］進(jìn)行了深入的研究，并提出了滑動(dòng)分?jǐn)?shù)ξ的概念:

式中:θ0為預(yù)期的扭轉(zhuǎn)角度;θ1為實(shí)際的扭轉(zhuǎn)角度，在本研究中預(yù)期的扭轉(zhuǎn)角度即相當(dāng)于扭轉(zhuǎn)圈數(shù).研究結(jié)果表明:滑動(dòng)分?jǐn)?shù)隨扭轉(zhuǎn)角速度的增大而增大，即扭轉(zhuǎn)角速度越大，坯料的實(shí)際扭轉(zhuǎn)角度就越小.

HPT工藝的本質(zhì)，實(shí)際上是通過模具的扭轉(zhuǎn)作用，將傳統(tǒng)鐓粗和壓制工藝中易造成變形和組織分布不均勻的有害摩擦進(jìn)行充分利用，將其轉(zhuǎn)化成有益的作用.扭矩的傳遞即通過摩擦來控制，而扭轉(zhuǎn)角速度的增大在一定程度上削弱了摩擦的作用效果，導(dǎo)致坯料獲得的有效扭矩減小，即減小了HPT成形過程中累積的剪切變形量，從而造成了致密度和晶粒細(xì)化效果的降低.

不同扭轉(zhuǎn)角速度下成形的錐形件中部顯微組織如圖5所示，結(jié)合晶粒尺寸的測(cè)量結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)它們之間的差別并不大，即扭轉(zhuǎn)角速度對(duì)成形的影響較小.從實(shí)際生產(chǎn)來說，較大的扭轉(zhuǎn)角速度可以明顯提高生產(chǎn)效率，從而具有更大的優(yōu)勢(shì).

圖5 不同扭轉(zhuǎn)角速度下成形的錐形件中部顯微組織

2.4 扭轉(zhuǎn)圈數(shù)的影響

圖6所示為不同扭轉(zhuǎn)圈數(shù)下成形的錐形件中部顯微組織，可以看出扭轉(zhuǎn)圈數(shù)的增加可以明顯提高晶粒細(xì)化效果.

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)HPT工藝中扭轉(zhuǎn)圈數(shù)影響的研究較多，也得出了較為一致的結(jié)論:對(duì)于一般的純金屬材料，致密度和晶粒細(xì)化效果都會(huì)隨著扭轉(zhuǎn)圈數(shù)的增加而提高，并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)［1］.這主要是因?yàn)?，一方面扭轉(zhuǎn)圈數(shù)的增加，增大了HPT過程中累積的剪切變形量，促進(jìn)了晶粒的進(jìn)一步細(xì)化.另一方面，當(dāng)晶粒細(xì)化速度和和回復(fù)再結(jié)晶速度達(dá)到平衡時(shí)，晶粒尺寸將不再發(fā)生變化，從而達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài).

3 致密度及晶粒尺寸分析

圖7、8分別為實(shí)驗(yàn)獲得的不同工藝參數(shù)下成形的銅粉錐形件相對(duì)密度和不同部位晶粒尺寸數(shù)據(jù).可以看出隨著溫度、壓力和扭轉(zhuǎn)圈數(shù)的增大，錐形件的致密度和晶粒細(xì)化效果都得到了提高，即它們的增大可以提高HPT成形錐形件的質(zhì)量.而扭轉(zhuǎn)角速度則相反，它的增大降低了錐形件的致密度和晶粒細(xì)化效果，對(duì)質(zhì)量的提高是不利的.

圖6 不同扭轉(zhuǎn)圈數(shù)下成形的錐形件中部顯微組織

HPT過程中積累的剪切應(yīng)變可以通過下式進(jìn)行計(jì)算［1］:

式中:γ為剪切應(yīng)變;N為扭轉(zhuǎn)圈數(shù);r為扭轉(zhuǎn)半徑;h為坯料厚度.可以看出，扭轉(zhuǎn)半徑越大，積累的剪切應(yīng)變就越大，所以晶粒細(xì)化效果也越好，這就解釋了圖8中從錐部到口部晶粒尺寸不斷減小的原因.

圖7 關(guān)鍵參數(shù)變化對(duì)相對(duì)密度的影響

圖8 關(guān)鍵參數(shù)變化對(duì)晶粒尺寸的影響

4 結(jié)論

1)通過單因素實(shí)驗(yàn)對(duì)銅粉錐形件HPT成形的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究，獲得并分析了溫度、壓力、扭轉(zhuǎn)角速度和扭轉(zhuǎn)圈數(shù)的影響規(guī)律.

2)溫度、壓力和扭轉(zhuǎn)圈數(shù)對(duì)銅粉錐形件HPT成形的影響規(guī)律相同，它們的增大都可以提高錐形件的致密度和晶粒細(xì)化效果，從而提高錐形件的質(zhì)量.而扭轉(zhuǎn)角速度剛好相反，它的增大降低了錐形件的質(zhì)量，但幅度較小;從實(shí)際生產(chǎn)來說，較大的扭轉(zhuǎn)角速度可以明顯提高生產(chǎn)效率，從而具有更大的優(yōu)勢(shì).

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Effects of key parameters on copper powder cones processed by high-pressure torsion

ZHANG Kai，LI Ping，XUE Ke-min
(School of Material Science and Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China，E-mail:cisi1314@sohu.com)

High-pressure torsion(HPT)has strong effect of grain refinement and powder consolidation，and is very suitable for the production of revolution parts.Based on these，HPT was used in forming copper powder cones.The effects of temperature，pressure，rotational angular velocity and number of revolution on the relative density and grain size were studied.The results show that the density and grain refinement of cones are increased by the increasing of temperature，pressure and number of revolution，so that the cones’quality is improved.However，the increasing of rotational angular velocity has negative effect on the cones’quality，but the effect is very small.Considering of the production efficiency，the bigger rotational angular velocity is better.

HPT;cone;copper powder

TG319 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005－0299(2011)05－0116－04

2010－12－03.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50875072);霍英東教育基金資助項(xiàng)目(121053);安徽省優(yōu)秀青年科技基金資助項(xiàng)目(10040606Y21).

章 凱(1986－)，男，碩士研究生;

李 萍(1973－)，女，教授，博士生導(dǎo)師;

薛克敏(1963－)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

李 萍，E-mail:cisi1314@sohu.com.

(編輯 程利冬)