高速壓制工藝對鐵基粉末成形致密化影響規(guī)律

谷 曼，呂 剛，秦 強，仇多洋

(合肥學(xué)院 先進制造工程學(xué)院，合肥 230601)

0 引 言

粉末高速壓制(HVC)技術(shù)是采用動態(tài)單向壓制，通過液壓機驅(qū)動重錘以2-30 m/s的速度高速錘擊粉末，重錘產(chǎn)生的高頻沖擊波通過上模沖傳遞到粉末上，使粉末在20 m/s之內(nèi)快速成形，HVC得到的成形坯密度高且密度分布均勻[1]，國內(nèi)外學(xué)者對其高致密化機理進行了大量研究。Azhdara[2]研究了不同顆粒大小分布的聚合物—聚酰胺粉末高速壓制成形過程，得到預(yù)壓制能有效的提高壓坯密度，后續(xù)壓制作用不大，采用松弛輔助壓頭裝置能有效的降低粉末壓出模具，提高粉末壓坯的表面性能。邵明等[3]研究了機械蓄能式高速壓制設(shè)備的高速壓制試驗，研究表明高速壓制影響壓坯密度的最重要因素為壓制速度。Jonsén[4]對比分析了傳統(tǒng)壓制與高速壓制兩種粉末壓制工藝，在相同壓制力下，高速壓制可獲得較高的壓坯密度，低的脫模力和徑向彈性回復(fù)，更平滑的表面。閆志巧等[5]以Ti粉為研究對象，探討了沖擊能量、裝粉量等對壓坯密度的影響，而后又對不同粒徑的Ti粉對壓坯密度、最大壓制力和脫模力的影響進行了研究。[6]Wang[7]用瑞典Hydropulsor Company生產(chǎn)的高速壓制成形機研究了水霧化鐵粉高速壓制成形得到，隨著速度的增加，壓坯密度明顯增大，認(rèn)為壓坯密度與沖擊過程產(chǎn)生的沖擊波有關(guān)。當(dāng)沖擊波大小和形狀接近時，壓制力的大小與速度成正比。而與徑向彈性恢復(fù)、脫模力等參數(shù)無明顯相關(guān)度 。[7]Souriou等[8]研究了高速壓制成形在陶瓷粉末壓坯中的應(yīng)用，高速壓制可有效提高壓坯密度，添加過多的有機粘合劑反而降低壓坯性能；而后又對比了鋁粉末高速壓制成形與傳統(tǒng)的單軸壓制成形，最大可達到11 m/s的壓制速度。[9]Sethi等[10]對比了傳統(tǒng)壓制與高速壓制，聲速測量裝置未檢測到?jīng)_擊波現(xiàn)象。在相同壓力下，傳統(tǒng)壓制得到壓坯密度高于高速壓制。王爽等[11]利用離散單元法模擬了粉末高速壓制成形過程中的應(yīng)力傳播過程，發(fā)現(xiàn)壓力作用曲線有明顯的弛豫現(xiàn)象。綜上可知，高速壓制成形過程中，壓坯的致密化機理研究暫未有定論，仍需繼續(xù)研究和探討。

本文利用應(yīng)變檢測模塊進行試驗過程的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集，采用沖擊錘實驗方法研究粉末高速壓制成形。該研究主要通過三個途徑：一是利用應(yīng)變檢測模塊和數(shù)據(jù)采集軟件Labview進行高速壓制成形過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集；二是通過不同高度下采用單向壓制沖擊、浮動陰模沖擊和兩次單向壓制沖擊三種工藝進行高速壓制成形試驗，并分析對比其模具變形、脫模力及對壓坯的相對密度、硬度的影響；三是通過粉末成形壓坯表面微觀結(jié)構(gòu)分析高速壓制成形粉末的致密化規(guī)律。

1 實 驗

材料為粉末鐵基合金Distaloy4600A，圖1為其顆粒形貌，表1為具體成分，表2為顆粒粒度分布。采用單向壓制沖擊、浮動陰模沖擊和兩次單向壓制沖擊等三種不同工藝形式，研究對比不同工藝下材料高速壓制的有效性。不同沖擊高度(如表3)進行壓制。根據(jù)公式E=mgh，可得沖擊能量大??；根據(jù)公式計算沖擊錘速度大小，式中：m—沖擊錘質(zhì)量；g—重力加速度；h—沖擊錘高度?，F(xiàn)選用62.14 kg的沖擊錘,鐵基合金Distaloy4600A粉末裝入量為4.0 g。采用Mitutoyo AVK-C1硬度計對壓制樣品進行硬度測試。

圖1 Distaloy 4600A顆粒形貌

表1 Distaloy 4600A成分表(重量百分比)

表2 Distaloy 4600A粒度分布表

表3 沖擊錘三次實驗高度表

為保證潤滑層的均勻性，采用噴涂型的硬脂酸鋅潤滑劑均勻噴涂在模具表面。采用數(shù)據(jù)采集軟件Labview對試驗過程的應(yīng)變進行測量，掃描頻率為10 000/s。通過8個設(shè)置在不同位置的應(yīng)變片進行應(yīng)變信息采集，分別是安裝在上、下壓頭的上下壓頭壓制力采集點，及6個在陰模外壁上的不同高度值的徑向壓制力采集點，以保證應(yīng)變信息采集完整。

2 結(jié)果與分析

圖2為沖擊錘高度為0.127 m時模具變形圖，對第一次沖擊分析結(jié)果可見：壓坯變形明顯，受較大沖擊應(yīng)力，粉末產(chǎn)生明顯壓縮；沖擊錘因沖擊力的作用下產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形致使外力去除后產(chǎn)生多次反彈，因此發(fā)生多次沖擊現(xiàn)象。根據(jù)沖擊錘高度設(shè)定的不同的實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：反彈產(chǎn)生的后續(xù)沖擊的沖擊能量大小與沖擊錘的高度密切相關(guān)，高度越高，沖擊能量越大。根據(jù)圖2分析結(jié)果可知，在沖擊錘高度H1=0.381 m和，H2=0.127 m進行沖擊時，第一沖擊能量大小基本相等，綜上分析，粉末變形大小的影響主要是發(fā)生在反彈產(chǎn)生的二次沖擊或者三次沖擊過程中。

由圖2可知，雙次單向打擊上模沖的應(yīng)變與單次打擊未發(fā)現(xiàn)明顯不同，而陰模應(yīng)變出現(xiàn)不同，主要表現(xiàn)為：與第一次打擊相比較，陰模在第二次打擊時應(yīng)變出現(xiàn)明顯變大的現(xiàn)象，分析兩次打擊時的粉末致密度可知：粉末在第一次打擊時，顆粒之間分布較為松散，此時密度值較小，泊松比低，而徑向應(yīng)力也低。一次打擊后，壓坯密度值顯著增大，同時泊松比提高，相應(yīng)的徑向應(yīng)力也顯著增大。通過分析不同打擊階段的的沖擊波形可知：二次波相較于一次波有較大的提升，如圖2所示。綜合分析可知，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因主要是壓坯密度提高后更能有效地傳遞壓力。

a)沖擊錘高度0.127 m時模具變形圖

圖3～圖6為浮動陰模沖擊過程的模具變形圖。由圖3和圖4可知，上、下模沖在沖擊過程中產(chǎn)生的變形大小無明顯差別，形成此現(xiàn)象的主要原因是浮動陰模在壓制粉末的過程中有效的減小了摩擦產(chǎn)生的影響，因此，沖模上、下壓頭產(chǎn)生的壓制力大小基本相等。如圖5所示，當(dāng)沖擊錘高度較低時，沖擊高度為0.127m時，浮動陰模上模沖變形應(yīng)變量ε=0.001504，比相同高度單向沖擊時的應(yīng)變量(單向沖擊時應(yīng)變量ε=0.001828)要小17.7%，主要原因由于是采用浮動陰模時降低了摩擦的影響。但隨著沖擊錘高度的增加，該影響逐漸降低，當(dāng)沖擊錘高度達0.508m，浮動陰模上模沖變形與單向壓制基本相同，如圖2c和圖6 所示。

圖3 沖擊錘高度0.127 m時模具變形圖

圖4 放大圖3第一次沖擊圖

圖5 單向和浮動陰模沖擊上模沖應(yīng)變變化圖

圖6 沖擊錘高度對模沖影響

圖7和圖8為單向沖擊和浮動陰模沖擊在不同沖擊錘高度下的脫模力變化圖，由圖可知，當(dāng)沖擊錘高度H1=0.127m時，兩種不同方式下的脫模力表現(xiàn)為：在脫模的初期階段，脫模力出現(xiàn)快速增加的現(xiàn)象，增大到相應(yīng)峰值后，出現(xiàn)快速下降，接著慢慢穩(wěn)定，變化平緩，最后出現(xiàn)急速降低，持續(xù)到壓坯完全脫模。但當(dāng)沖擊錘高度H2=0.381m和H3=0.508m時，脫膜力的變化形式出現(xiàn)顯著不同，在脫模的初期階段，脫模力出現(xiàn)快速增加的現(xiàn)象，與沖擊錘高度H1=0.127m時現(xiàn)象基本相似，不同之處是當(dāng)脫模力快速下降后，出現(xiàn)逐步增大的現(xiàn)象，分析可知，產(chǎn)生這種變化的主要原因與摩擦密切相關(guān)。在脫模初期，粉末壓坯和陰模內(nèi)壁產(chǎn)生脫離必須有一定的啟動力，在有摩擦的情況下，啟動力與摩擦力相比要稍大一些。之后的脫模力增大的主要原因是：沖擊錘高度H越大，產(chǎn)生的相應(yīng)壓制力也同步增加，而壓坯的密度也相應(yīng)增大，泊松比也增大，導(dǎo)致徑向壓力同時提高，壓制完成后，壓坯內(nèi)部的殘余應(yīng)力增加，脫模力同時顯著加大。另外，潤滑層由于壓制過程中隨著壓制力的逐漸變大，造成潤滑實效，難以產(chǎn)生降低摩擦的作用。

圖7 單向沖擊錘高度與脫模力關(guān)系圖

圖8 浮動陰模沖擊錘高度與脫模力關(guān)系圖

對比圖7(單向沖擊)和圖8(浮動陰模沖擊)兩種方式的脫模力大小可知，對于單向沖擊情況，三種沖擊錘高度下的脫模力有較大差別，且每種沖擊錘高度下相應(yīng)的脫模力明顯比浮動陰模的大，這說明浮動陰模沖擊有利于降低摩擦，有利于降低脫模力。對于浮動陰模沖擊，在0.381m和0.508m沖擊錘高度下的脫模力基本相同，說明當(dāng)沖擊錘達到一定高度后，浮動陰模沖擊后壓坯的脫模力趨于一致。

由表4可知，不同沖擊工藝下壓坯相對密度和上下表面硬度的變化規(guī)律，即，沖擊錘高度H增大時，壓坯密度相應(yīng)變大，同時壓坯硬度也明顯提升，且壓坯的上、下表面硬度差變小，較為均勻。研究結(jié)果表明，可以利用沖擊錘壓制法獲得高的壓坯密度并保持壓坯具有較高的均勻性。

表4 不同沖擊工藝下壓坯的相對密度和上下表面硬度比對表

圖9是不同工藝下高速壓制后壓坯的表面微觀結(jié)構(gòu)，從壓坯表面形貌可見，隨著沖擊錘的高度增加，獲得的壓坯密度逐步增加，壓坯孔洞逐步減少，致密化程度增大。通過與表4的不同沖擊工藝下壓坯的相對密度和上下表面硬度對比可知，實驗中的壓坯密度變化趨勢是相對應(yīng)的。同時發(fā)現(xiàn)，浮動陰模的方式與單向沖擊相比，壓坯的空隙更少，致密度更高。

a)單向沖擊 b)浮動陰模沖擊 c)兩次沖擊

3 結(jié) 論

1)不論單向壓制、浮動陰模壓制還是兩次單向壓制，隨著沖擊錘高度的增加，壓坯的相對密度逐漸增大，硬度也逐漸增大，上下表面硬度差別逐漸減小。這說明粉末高速壓制可以獲得密度均勻性較高的粉末冶金壓坯。

2)當(dāng)沖擊錘高度H1=0.127m時，壓坯的脫模力比較低，當(dāng)沖擊錘高度H增大時，脫模力出現(xiàn)快速增大，分別采用浮動陰模壓制和單向壓制兩種不同方式進行測試，實驗結(jié)果基本相同。在僅單向沖擊實驗時，三次調(diào)整沖擊錘高度H，獲得的脫模力大小有明顯差異，而且與浮動陰模壓制形式相比，脫膜力明顯變大。通過實驗表明，對于浮動陰模沖擊，在0.381m和0.508m沖擊錘高度下的脫模力基本相同，說明當(dāng)沖擊錘達到一定高度后，浮動陰模沖擊后壓坯的脫模力趨于一致。

3)通過對鐵基合金Distaloy4600A壓坯的表面微觀結(jié)構(gòu)研究結(jié)果表明，壓坯密度的大小與沖擊錘的高度密切相關(guān)，高度越高，壓制后的壓坯密度越大，壓坯中出現(xiàn)的孔洞也越少，致密度增大。對比浮動陰模沖擊與單向沖擊，浮動陰模沖擊時壓坯空隙少，致密度高。