粉末冶金高速壓制致密化機制的研究進展

周媛，李同舟

（1.廣漢川冶新材料有限責任公司，四川廣漢 618300；2.成都索成易半導體有限公司，四川成都 610041）

立足現(xiàn)代冶金工業(yè)，粉末冶金技術能夠實現(xiàn)低成本狀態(tài)下生產高性能制品的需求，而高密度、高強度、高精度的粉末冶金制品研發(fā)，也一直是冶金行業(yè)的重要發(fā)展方向，因此粉末冶金技術得到了極大的重視［1］；20世紀90年代以來，粉末冶金的致密化機制也得到了發(fā)展，包括流動溫壓、高壓溫壓、動態(tài)磁力壓制技術、表面致密化技術等，其中高速壓制(high velocity compaction，簡稱HVC)［2］致密化機制與其他致密化途徑相比較，同樣實現(xiàn)了優(yōu)勢擴展，被譽為粉末冶金領域的技術新突破。

1 粉末高速壓制技術的原理及應用

1.1 粉末高速壓制技術的原理

粉末冶金范疇下的高速壓制致密化機制并不復雜，但工藝實現(xiàn)難度較高。從在壓制形式上判斷，粉末高速壓制與傳統(tǒng)靜態(tài)剛模壓制存在較大相似性。首先，通過送粉靴將粉末填充人模腔中，在2-30m/s的條件下對粉體進行高能錘擊，然后脫模后頂出零件并進行隨后的燒結和熱處理等工序；整個高速壓制過程中，沖錘與上模沖接觸時的速度比常規(guī)壓制高2-3個量級，不同的速度對壓坯有不同的壓制效果。通常在0.02s內就可以完成1次壓制，并可在0.3s～1s的時間間隔內實現(xiàn)多次沖擊壓制，最高可達到5次/s的頻率，多次反復沖擊壓制可進行高能量的累積［3］，進而提高所制備零件的綜合力學性能。高速壓制技術是以低成本制備高密度材料的又一技術新突破，它實現(xiàn)了大批量成形金屬、陶瓷粉末生產的可能性。現(xiàn)階段來說，國內外對高速壓制技術的研究主要集中于鐵粉、鈦粉、不銹鋼粉、陶瓷和聚合物等的實驗和模擬研究上，國內主要以此為途徑研發(fā)新型材料。

1.2 粉末高速壓制技術的應用

高速壓制技術在粉末冶金中的應用已經相對成熟，實現(xiàn)了圓柱體、棒體、環(huán)形和凸輪等單層零件制備，以及軸承蓋、牙齒冒等復雜多級產品的生產［4］。其中，瑞典HoganasAB公司是高速壓制技術的倡導者與開發(fā)者，對高速壓制進行的研究較多。

2 粉末冶金高速壓制的致密化機制分析

形式上看，高速壓制和傳統(tǒng)壓制在操作方面并沒有太多差異，但粉末致密化機理卻截然不同，尚不能從理論角度針對高速壓制的致密化機理進行解釋，相關研究結論主要集中在能量轉化、應力波傳播和溫度效應等方面。國內專家提出的“熱軟化剪切致密化機制”理論認可較為廣泛，這一觀點認為，高速壓制過程中粉末顆粒間的摩擦、絕熱剪切、空氣被壓縮所產生的熱量使得顆粒邊緣軟化，從而使粉末顆粒容易進行重新分布。也有專家提出，粉末預壓(第1次壓制)時粉末顆粒發(fā)生重排及彈性變形，顆粒間由點接觸變?yōu)槊娼佑|。進行第2次壓制則粉末間的接觸力超過了其屈服強度，粉末顆粒發(fā)生塑性變形，導致壓壞致密度提高。在反復沖壓且沖擊總量相同的情況下，3次壓制的壓坯密度要高于1次壓制和2次壓制的壓坯密度。此外，我國專家在理論研究方面取得了較為豐碩的成果，建立了粉末高應變率和加工硬化的關系，建立了壓坯內應力波傳播的數(shù)學會模型，認為應力波的傳播會使粉末應力突躍到峰值,每層的應力峰值隨時間以指數(shù)衰減，從上層到下層應力峰值呈指數(shù)下降;應力波作用后，鐵粉壓坯垂直方向的線密度值從上層到底層遞減，中間各層的線密度均勻［5］，認為與實驗結果吻合。國內專家還研究了力與應力波對高速壓制壓坯質量的影響，認為應力波的存在是高速壓制與常規(guī)模壓的主要區(qū)別之一，應力波為鋸齒波形，其持續(xù)時間受沖擊速率的影響，沖擊速率越大，應力波波長越短。我們通過對相關實驗數(shù)據(jù)的整理分析發(fā)現(xiàn)，在高速壓制過程中，鐵粉的生坯密度隨壓制速率的增加呈現(xiàn)3個不同的階段。①當壓制速率小于8.0m/s時，鐵粉壓坯密度隨壓制速率的增加而迅速增加，此時金屬粉末重排且發(fā)生彈性形變，生坯密度6.77g/cm3增加到7.02g/g/cm3；②壓制速率從8.0m/s提高到9.5m/s時，在應力波的作用下，金屬粉末發(fā)生塑性變形，密度進一步增大，但增加速率變緩，僅從7.02g/cm3；增加到7.09g/cm3；③壓制速率繼續(xù)提高至10.0m/s時，生坯密度達到7.18g/cm3。另外，壓坯密度呈現(xiàn)“上部高下部低”和“邊緣高中心低”的分布趨勢，這主要是由于在應力波的作用下，壓坯的上部較下部具有更大的變形所致，壓壞邊緣的高密度則是由于粉末顆粒和模具間的摩擦所致。

3 結論

整體而言，隨著現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，粉末冶金高速壓制的優(yōu)勢也越發(fā)突出，利用這一技術不僅可以低成本大批量制備高性能的粉末冶金零部件，同時零件的密度、性能等接近粉末鍛造水平，而成本卻遠低于粉末鍛造。結合國內來看，目前仍需將理論模擬與具體實驗相結合，跳出單純地理論研究拘囿、提升粉末冶金技術的產業(yè)化發(fā)展，尤其是重點研究粉末顆粒的微觀行為，如粉末塑性變形、粉末碎裂等，以及粉末顆粒界面的顯微組織形成與演變，粉末顆粒邊界的擴散、焊合過程，孔隙形狀的演變等現(xiàn)象［6］，以期進一步掌握粉末高速壓制的致密化機理。