粉末冶金材料溫壓工藝的關(guān)鍵技術(shù)及其致密化機(jī)理探究

萬宗奇

（寧夏機(jī)械研究院〈有限責(zé)任公司〉 寧夏 銀川 750011）

0 引言

材料科學(xué)是當(dāng)今世界的重點(diǎn)學(xué)科之一，發(fā)展高性能、多用途的先進(jìn)材料已被確定為許多國家材料科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)中的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平及規(guī)模，已成為衡量一個(gè)國家科技進(jìn)步、綜合國力的重要標(biāo)志。而粉末冶金材料則是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。

1 溫壓工藝及其特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的粉末冶金壓制工藝相比，溫壓工藝具有以下一些技術(shù)特點(diǎn)：

1.1 能以較低的成本制造出高性能的鐵基粉末冶金零部件

由于與普通的模壓相比較，粉末及模具僅加熱到150℃左右，故可在普通粉末壓機(jī)上添加加熱系統(tǒng)就可改造為溫壓機(jī)，所需投入并不大。而且采用溫壓工藝生產(chǎn)的壓坯強(qiáng)度高，又可直接進(jìn)行附加的機(jī)加工，如連桿大頭的鉆孔與攻絲，并且切削加工的廢料經(jīng)處理后可回收利用而降低成本。此外壓制壓力和脫模壓力均能較低，故模具壽命高，可大大降低成本，是一種不復(fù)雜但效益高的新技術(shù)。

1.2 零部件壓坯密度高

通過采用溫壓技術(shù)，通常能使鐵基粉末冶金零部件的壓坯密度達(dá)到7.25-7.60g/cm3，與傳統(tǒng)一次壓制燒結(jié)工藝相比提高了 0.15-0.3g/cm3。

1.3 產(chǎn)品具有高強(qiáng)度

與傳統(tǒng)模壓工藝相比，用溫壓制造的零件的疲勞強(qiáng)度可提高10-40%，極限抗拉強(qiáng)度提高10%，燒結(jié)態(tài)極限抗拉強(qiáng)度習(xí)≥1.2GPa。特別是零件經(jīng)溫壓、燒結(jié)后進(jìn)行適度的復(fù)壓，其疲勞性能與粉末熱鍛件相當(dāng)。

1.4 能夠制造形狀復(fù)雜以及要求精度高的零部件

采用溫壓技術(shù)，能使壓坯的脫模壓力降低30%以上，而壓坯強(qiáng)度提高125-200%，并且彈性后效小（0.1-0.16%），燒結(jié)收縮率也只有0.025-0.08%左右。這一切均為制造形狀復(fù)雜以及尺寸精度要求高的零部件創(chuàng)造了良好的條件。

1.5 壓坯密度分布均勻

采用溫壓工藝制備的齒輪類零件，其齒部與根部間的密度差比常規(guī)壓制工藝低0.1-0.2g/cm3。

2 溫壓工藝的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 溫壓粉末

溫壓粉末是溫壓技術(shù)的核心和獲得高密度鐵基粉末冶金零部件的技術(shù)關(guān)鍵，目前最常用的溫壓粉末為鐵粉，而國內(nèi)尚沒有一種國產(chǎn)品牌粉末可以直接以供貨態(tài)用于溫壓工藝。用于溫壓的混合粉末要求不僅在加熱、傳送及壓制過程中都應(yīng)具有良好的壓縮性、流動(dòng)性和始終如一的松裝密度，而且制成的零件之間性能一致性也應(yīng)該很好。通過研究發(fā)現(xiàn)，鐵粉的基本特性（流動(dòng)性、松裝密度、成分、粒度組成等）會(huì)對(duì)溫壓壓坯的密度產(chǎn)生一定影響。

2.2 聚合物

聚合物包括粘結(jié)劑和潤滑劑。通常，用于溫壓的預(yù)制粉末都會(huì)先進(jìn)行粘結(jié)劑處理，目的是在粉末顆粒表面上形成一層均勻的薄膜，以便讓粉體在具有防止污染和分層特性的同時(shí)，具有良好的流動(dòng)性和可壓縮性。而潤滑劑通常要具有較低的摩擦因數(shù)、高于溫壓溫度的熔點(diǎn)、防止粉末氧化、分解溫度較寬等特性。溫壓時(shí)聚合物的通常加入量為0.6wt%。

目前對(duì)溫壓工藝中聚合物的作用、選擇、最佳加入量、加入方式等還存在許多爭(zhēng)論，但溫壓聚合物的選用應(yīng)滿足以下要求：（1）聚合物在室溫下能溶解在易揮發(fā)的有機(jī)溶劑中，而且溶解速度要快，溶解度要大；（2）溶劑在常溫下或稍經(jīng)加熱后易揮發(fā)，且對(duì)環(huán)境無污染、無毒性；（3）聚合物易于在金屬粉末表面成膜，亦即兩者潤濕性好；（4）聚合物裂解時(shí)應(yīng)比較緩和、平穩(wěn)，避免瞬間產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致在粉末冶金零件中產(chǎn)生新的孔洞；（5）聚合物應(yīng)具有較好的阻止氧氣滲透的能力，能防止金屬粉末氧化。傳統(tǒng)模壓工藝主要采用的潤滑劑有硬脂酸、硬脂酸鋅、硬脂酸鈣、硬脂酸鋇、硬脂酸鋁、硫磺、二硫化鋁、石墨粉以及機(jī)油等，而且多采用單一潤滑劑組分；在溫壓工藝中，采用單一成分潤滑劑已經(jīng)不能滿足要求，設(shè)計(jì)復(fù)合多組分潤滑劑體系己成共識(shí)。能夠滿足溫壓用的潤滑劑大致有：聚酞胺、聚酞亞胺、聚醚亞胺、聚碳酸酷、聚甲基丙烯酸脂、聚醚、醋酸乙烯酷、聚氨基甲酸醋、聚礬、纖維素醋、熱塑性酚醛樹脂、聚乙二醇、聚乙烯醇、阿克蠟、甘油等及上述物質(zhì)的化合物。

溫壓工藝中潤滑劑的添加方式有濕混和干混兩種，濕混的方法可以使?jié)櫥瑒┯行У匕苍诜勰╊w粒表面形成潤滑劑薄膜，是溫壓工藝中采用較多的一種方法；但若潤滑劑在溫壓過程中處于液態(tài)，在壓力的作用下干混加入的潤滑劑粉末顆粒也可有效地在金屬粉末表面鋪展開來，獲得與濕混相近的效果。粉末中的潤滑劑添加量，對(duì)于溫壓比在冷壓中還要重要，因?yàn)樵诮o定的壓制壓力下，其可以達(dá)到更高的密度。

2.3 溫壓溫度

眾所周知，將溫度適當(dāng)?shù)靥岣叩?50℃左右，可減低鋼粉顆粒的屈服強(qiáng)度和提高其韌性與可塑性。因此，適當(dāng)?shù)靥岣邷貕旱膲褐茰囟扔欣诟纳品勰┑膲嚎s性。提高壓制溫度不僅影響鋼粉顆粒的韌性，而且影響脫模時(shí)零件的體積膨脹。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，提高壓制溫度有助于減小脫模時(shí)零件體積脹大，從而有利于提高壓坯密度。

2.4 溫壓壓力

目前使用的溫壓壓力一般在1GPa以下，壓速也較低。但現(xiàn)在有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，溫壓壓坯密度跟溫壓的壓力大小、加壓速度有很大關(guān)系。

2.5 燒結(jié)工藝條件

溫壓壓坯的燒結(jié)行為也是我們進(jìn)行溫壓工藝需要考慮的因素。因?yàn)閴号髦芯酆衔锏拇嬖?，?huì)導(dǎo)致壓坯燒結(jié)密度的降低。并且燒結(jié)溫度太高，可能會(huì)抵消溫壓帶來的高壓坯密度。

3 溫壓工藝的致密化機(jī)理

近年來，國內(nèi)的許多學(xué)者在這方面也作了研究，綜合這些成果，較為一致的看法是，溫度改善了潤滑劑的潤滑性能，降低了粉末顆粒之間以及粉末顆粒與模壁之間的摩擦力，前者促進(jìn)了粉末在壓制過程中的顆粒重排，后使壓力在壓制過程中得以更好的傳遞，改善了密度分布；而且，溫度的升高同時(shí)改善了金屬粉末的塑性變形能力。顆粒重排和塑性變形的綜合作用最終提高了壓制密度。通常認(rèn)為在壓制前期（較低壓力下）顆粒重排對(duì)粉末致密化起主導(dǎo)作用，壓制后期（較高壓力下）塑性變形取代顆粒重排成為致密化的主要機(jī)理。從整個(gè)壓制過程來看，是顆粒重排還是塑性變形對(duì)致密化起主要作用，目前還沒有定論，這主要是因?yàn)橛糜诿枋鰷貕褐旅芑臄?shù)學(xué)模型不健全以及不同研究者對(duì)原始粉末處理方法和潤滑劑選擇不同所致。而溫壓過程中的塑性變形和顆粒重排對(duì)粉末致密化的影響，可以通過考察溫度、壓力對(duì)潤滑劑潤滑性能的影響以及對(duì)金屬粉末塑性變形能力的影響來解釋。

4 結(jié)束語

總之，采用溫壓技術(shù)開發(fā)出高密度、高強(qiáng)度和高精度的粉末冶金結(jié)構(gòu)零件，對(duì)我國汽車工業(yè)的發(fā)展具有重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義，并將可帶動(dòng)摩托車、電動(dòng)工具、機(jī)床、家電、辦公設(shè)備等其它行業(yè)領(lǐng)域范圍零件制造技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)前景非常廣闊。

［1］關(guān)明鑫.熱等靜壓在粉末冶金中的應(yīng)用[J].天津冶金，2001，5：40-41.

［2］曹順華，曲選輝，黃伯云.溫壓致密化機(jī)理及其在溫壓粉末設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程材料，2002，26（6）：9-11，22.