汽車杯型倒擋墊圈燒結(jié)發(fā)泡問題探究*

高 源，林育陽，押海龍，仝曉楠，宋曉波

(1.陜西省機(jī)械研究院，陜西 咸陽 712000；2.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)

0 引 言

燒結(jié)工藝是粉末冶金技術(shù)與生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它是一種高溫?zé)崽幚?，涉及材料種類、密度、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)溫度等的選擇和控制等多方面的知識(shí)，是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。在燒結(jié)過程中粉末壓坯發(fā)生許多重要的物理化學(xué)變化，這些變化無論是微觀的還是宏觀的，都在很大程度上決定著最終的產(chǎn)品質(zhì)量[1-2]。如果燒結(jié)過程控制不當(dāng)，往往會(huì)出現(xiàn)各種質(zhì)量問題。如：硬度不足、表面氧化、欠燒、積碳、脫碳等。在生產(chǎn)中常采用連續(xù)式網(wǎng)帶燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)，一旦燒結(jié)工序產(chǎn)生不合格品，將會(huì)是批量的，對企業(yè)而言是損失極為慘重。汽車杯型倒擋墊圈是應(yīng)用極為成熟的一類零件，無論是技術(shù)還是工藝都非常成熟。近期，針對在生產(chǎn)汽車杯型倒擋墊圈過程中出現(xiàn)的燒結(jié)后零件表面發(fā)泡的現(xiàn)象，筆者通過對生產(chǎn)工藝流程及參數(shù)進(jìn)行分析、排查，得出產(chǎn)生這一現(xiàn)象的根本原因在于原材料中添加劑發(fā)生了變化。通過調(diào)整工藝，從根本上解決了零件燒結(jié)發(fā)泡問題。

1 發(fā)泡現(xiàn)象的產(chǎn)生

生產(chǎn)汽車杯型倒擋墊圈過程中出現(xiàn)的燒結(jié)后零件表面發(fā)泡如圖1～3所示。因發(fā)生在零件表面且該表面不需進(jìn)行后續(xù)加工，除外觀不合格外，間接導(dǎo)致此類零件尺寸、形位公差不符合圖紙要求，造成零件批量報(bào)廢，給公司造成了相當(dāng)大的損失。目前，急需查找產(chǎn)生這一不良現(xiàn)象的根本原因并尋求相應(yīng)的解決方法，從而消除該不良現(xiàn)象，減少企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失，指導(dǎo)生產(chǎn)正常有序進(jìn)行。

在日常生產(chǎn)過程中，零件在燒結(jié)工序產(chǎn)生的常見質(zhì)量缺陷包括硬度不夠、翹曲變形、表面積碳、氧化、燒結(jié)不充分等[1-2]。產(chǎn)生這些質(zhì)量缺陷的原因各不相同。每個(gè)質(zhì)量缺陷都是由工藝過程中的某個(gè)或多個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常后產(chǎn)生的。要消除質(zhì)量缺陷，就必須對工藝過程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析判斷，查找出根本原因，從而徹底消除質(zhì)量缺陷。

2 原因分析

在粉末冶金工藝中，影響燒結(jié)體質(zhì)量的因素有很多，主要涉及粉末、壓坯和燒結(jié)條件三方面。針對此次質(zhì)量缺陷，主要從粉末、壓坯、燒結(jié)三個(gè)方面著手進(jìn)行分析排查，即原材料是否符合要求、壓坯是否具有缺陷，燒結(jié)過程是否出現(xiàn)了異常情況。由于粉末冶金工藝的原材料均為粉末形態(tài)，在初始原料檢驗(yàn)過程中，能檢測的項(xiàng)目非常有限，如：添加劑(成型劑、潤滑劑)，合金元素含量等的檢測需要專業(yè)的檢測設(shè)備[6]。中小型粉末冶金企業(yè)生產(chǎn)中很難實(shí)現(xiàn)在粉末態(tài)進(jìn)行檢測，一般需結(jié)合燒結(jié)態(tài)體的檢測結(jié)果進(jìn)行綜合判斷，因此，需將原材料和燒結(jié)過程進(jìn)行綜合分析。分析此次發(fā)泡現(xiàn)象的原因大致可分為兩個(gè)方向：一是由壓坯自身帶有缺陷引起的；二是由于燒結(jié)不當(dāng)引起的。下面將從這兩個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

(1)壓坯具有缺陷引起零件表面發(fā)泡

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般情況下燒結(jié)體外觀質(zhì)量缺陷如與壓坯有關(guān)，那么在壓坯對應(yīng)位置也會(huì)存在缺陷，比如異物夾雜、潛在裂紋等。壓坯缺陷在燒結(jié)過程中經(jīng)過孔隙的形成及組織的轉(zhuǎn)變而非常明顯。假設(shè)此次零件發(fā)泡現(xiàn)象與壓坯有關(guān)，那么壓坯在發(fā)泡對應(yīng)位置處也應(yīng)存在缺陷。隨后對同批次壓坯進(jìn)行了排查，通過觀察表面及進(jìn)一步的檢測分析，發(fā)現(xiàn)該批次壓坯均符合工藝要求質(zhì)量指標(biāo)，并無缺陷。因此，可以排除發(fā)泡與毛坯缺陷有關(guān)的這一可能性。

(2)燒結(jié)不當(dāng)引起的表面發(fā)泡

在該缺陷產(chǎn)生的第一時(shí)間就檢查了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，并核對參數(shù)設(shè)置。發(fā)現(xiàn)設(shè)備并無故障，且參數(shù)設(shè)置符合工藝要求，均按照生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)在執(zhí)行運(yùn)轉(zhuǎn)。由此，可以排除這一現(xiàn)象是由燒結(jié)條件(溫度、氣氛、冷卻速度等)發(fā)生異常而引起的可能性。

結(jié)合以上兩點(diǎn)分析，在壓坯及燒結(jié)條件都正常的情況下，燒結(jié)體表面卻出現(xiàn)了發(fā)泡，原因只能是原材料發(fā)生了變化。當(dāng)原材料發(fā)生變化時(shí)，燒結(jié)工藝應(yīng)隨之調(diào)整，若仍沿用之前的燒結(jié)工藝必然會(huì)引起燒結(jié)質(zhì)量缺陷，比如：硬度不足、欠燒、脫脂不完全等。對表面發(fā)泡的燒結(jié)體進(jìn)行理化分析后發(fā)現(xiàn)，各金屬元素含量及硬度指標(biāo)均符合材料標(biāo)準(zhǔn)，并未發(fā)生變化。另外，粉末冶金燒結(jié)低溫區(qū)是脫脂預(yù)燒區(qū)，粉末中的添加劑(成型劑、潤滑劑)若脫脂不完全往往會(huì)形成起泡現(xiàn)象[2-3]。綜上判斷，此次零件表面發(fā)泡應(yīng)是由于原材料中的添加劑發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致添加劑在原燒結(jié)工藝下未能進(jìn)行充分揮發(fā)和脫脂，從而產(chǎn)生了發(fā)泡。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 驗(yàn)證試驗(yàn)方案

通過上述分析，對發(fā)泡的原因已有了初步的判斷。需通過試驗(yàn)驗(yàn)證分析的準(zhǔn)確性。起泡原因是添加劑未完全揮發(fā)，因此只需對低溫區(qū)工藝進(jìn)行調(diào)整。壓坯在低溫區(qū)目的是添加劑的燒除和氧化膜的還原，不同添加劑具有不同的揮發(fā)溫度，常用的添加劑的揮發(fā)溫度一般在300～500 ℃[4-5]，目前生產(chǎn)使用的揮發(fā)溫度在500 ℃。因此設(shè)計(jì)了三組試驗(yàn)方案分別見表1～3所列。

表2 試驗(yàn)方案2

表3 試驗(yàn)方案3

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

(1)按照方案1進(jìn)行燒結(jié)，零件表面發(fā)泡現(xiàn)象仍普遍存在于零件中，但發(fā)泡范圍明顯減小，發(fā)泡程度明顯減輕，金屬元素含量及硬度指標(biāo)均符合材料標(biāo)準(zhǔn)。

(2)按照方案2進(jìn)行燒結(jié)后，部分零件表面發(fā)泡基本消失，但仍有一部分零件(橫截面積較大)還存在輕微的發(fā)泡，金屬元素含量及硬度指標(biāo)均符合材料標(biāo)準(zhǔn)。

(3)按照方案3進(jìn)行燒結(jié)后，絕大部分零件表面光潔無缺陷，未產(chǎn)生發(fā)泡，如圖4所示，僅個(gè)別零件有輕微起泡現(xiàn)象，需仔細(xì)觀察可見，金屬元素含量及硬度指標(biāo)均符合材料標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 燒結(jié)無發(fā)泡零件

(4)對比3組試驗(yàn)結(jié)果可知，此批次壓坯在燒結(jié)過程中，低溫區(qū)燒結(jié)溫度越低，零件表面發(fā)泡程度及范圍越小，即坯料中的添加劑揮發(fā)脫脂進(jìn)行的越完全。方案3為本批次原材料添加劑揮發(fā)脫脂效果最佳的燒結(jié)方案。

4 結(jié) 語

試驗(yàn)結(jié)果表明此次產(chǎn)生燒結(jié)發(fā)泡現(xiàn)象的根本原因在于原材料的添加劑發(fā)生了變化。其揮發(fā)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原添加劑揮發(fā)溫度，在原燒結(jié)低溫區(qū)不能進(jìn)行完全揮發(fā)脫脂，坯料內(nèi)部和表面均有殘留，從而在燒結(jié)體表面產(chǎn)生了發(fā)泡等缺陷。燒結(jié)工藝按照方案3的參數(shù)執(zhí)行，其余保持不變，可使此批次壓坯在低溫度完全脫脂，徹底消除此次發(fā)泡現(xiàn)象。文中通過對發(fā)泡問題的探究，為同行業(yè)在生產(chǎn)中解決類似問題提供了借鑒。使企業(yè)更加深刻認(rèn)識(shí)到原材料質(zhì)量穩(wěn)定的重要性，促使企業(yè)加強(qiáng)過程控制，嚴(yán)格控制生產(chǎn)的每個(gè)環(huán)節(jié)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提。