粉末冶金成形
粉末冶金成形
粉末冶金成形是粉末冶金生产中的关键工序之一,旨在将松散的粉末转化为具有特定几何形状、尺寸、密度和强度的半成品或成品。
历史与发展
模压(钢模)成形是粉末冶金生产中最常见的成形方法。自18世纪下半叶至19世纪上半叶,西班牙俄罗斯英国均尝试过类似的粉末冶金工艺,用于制造铂制品。俄罗斯的索博列夫斯基(П.Г.Соболевсκий)使用钢模和螺旋压机,而英国的威廉•海德•沃拉斯顿(W.H.Wollaston)则利用拉杆式压机和更高纯度的铂粉,成功制得近乎致密的铂材。此后,模压成形方法逐步完善,并广泛应用于制造铜基含油轴承等多种产品。20世纪30年代起,随着压机设备和模具设计的不断改进,模压成形方法得到显著发展,实现了高度的机械化和自动化。为了扩展制品的尺寸和形状范围,以及提升制品密度和密度均匀性,陆续出现了粉末轧制、冷等静压制、挤压、热压等新方法。50年代以来,热等静压制、热挤压、热锻等热成形方法的出现,促进了全致密、高性能粉末金属材料的生产。
成形原理与方法
模压成形
模压成形通过将金属粉末装入钢模型腔,借助模冲对其施加压力,使其成形。在模压过程中,粉末颗粒间的摩擦和机械啮合作用会导致“拱桥”现象,形成多个大小不一的孔隙。随着压力的增加,粉末体体积缩小,其变化通常由压坯相对密度压制压力曲线来描述。最初阶段,粉末颗粒重新分布,孔隙被填充,导致压坯密度迅速增加,直至达到最大装填密度。此时,颗粒之间已经紧密压实,随压力增加,压坯密度几乎保持不变。继续增加压力,颗粒会发生弹、塑性变形或脆性断裂,使得压坯进一步致密化。最终形成的压坯具备一定的强度。目前已有数十种粉末压制理论和经验公式,如阿吉(L.F.Athy,1930)、巴利申(Μ.Ю.Бальшин,1938)、川北公夫(1963)等提出的公式,虽然仍在探索阶段,但已显示出一定的实用性。模压过程中的压制压力主要用于克服粉末颗粒间的摩擦力和变形抗力,以及粉末颗粒与模壁间的摩擦力。由于外摩擦力的影响,模压成形的压坯密度分布并不均匀。例如,在单向压制时,靠近施压模冲头的部分密度较高,远离的部分密度较低。而在双向压制时,压坯沿压力平行方向的两端密度较高,中心部位较低。添加润滑剂或涂抹模壁有助于改善压坯密度的均匀性。压坯在去除压力或脱模后,由于内应力松弛,体积会出现弹性膨胀,这一现象被称为弹性后效,是设计压模的重要考虑因素。模压成形的主要设备包括压模和压机。压模的设计原则是充分利用粉末冶金工艺的优势,确保压坯的质量符合几何形状、尺寸精度和光洁度、密度均匀性的要求。同时,合理选择模具材料和结构,明确加工要求。压机分为机械压机和液压机两大类。机械压机速度快,生产率高,但压力较小,冲程短,冲压不稳定,保压困难,不适合制作较大或较长的制品。相比之下,液压机压力大,行程长,运行平稳,能够无级调速和保压,适合制作尺寸较大或较长的制品,但速度较慢,生产率较低。
其他成形方法
热压
热压是将模压与烧结相结合的一种成形方法。由于金属和合金粉末在高温下塑性较好,易变形,热压制品通常比冷压烧结制品更为致密,强度也更高。热压可以在大气、保护气氛或真空条件下进行,加热方式包括传导、感应和电阻加热。制品的密度取决于热压温度、压力和时间。然而,当热压温度过高,材料中出现液相时,压力不宜过大,否则液相组分会溢出,不仅会影响材料成分,还会严重损坏模具。热压只需配备带有加热系统的压机和耐高温的模具即可。常用模具材料为石墨。由于热压所需压力较小,产品致密,尺寸精确,常用于生产钨钢轧辊、顶锤等大型零部件。热压也适用于生产烧结性较差的金属陶瓷等材料。其缺点是生产率低,成本高于模压成形。
冷等静压
冷等静压是通过液体或气体传递压力,使粉末体各向均匀受压而实现致密化的成形方法。具体做法是将粉末密封在软包套内,放入高压容器内的液体介质中,通过对液体施加压力使粉末体各向均匀受压,从而获得所需的压坯。液体介质可以是油、水或丙三醇。包套材料为橡胶等弹塑性材料。金属粉末可以直接装套或模压后装套。由于粉末在包套内各向均匀受压,可以获得密度较为均匀的压坯,烧结时不易变形和开裂。其缺点是压坯尺寸精度差,需要进行机械加工。冷等静压已广泛用于钨钢、难熔金属及其他各种粉末材料的成形。
热等静压
热等静压是在50年代出现的新技术。将金属粉末装入高温下易于变形的包套内,置于可密闭的缸体内,关闭缸体后用压缩机打入气体并通电加热。随着温度升高,缸内气体压力增大。粉末在这种各向均匀的压力和温度的作用下成为具有一定形状的制品。加压介质一般用。常用的包套材料为金属(低碳钢、不锈钢、钛),也可以使用玻璃和陶瓷。由于温度和等静压力的同时作用,可以使许多种难以成形的材料达到或接近理论密度,并且晶粒细小,结构均匀,各向同性,具有优异的性能。热等静压法最适合生产钨钢、粉末高温合金、粉末高速钢和金属铍等材料和制品;也可对熔铸制品进行二次处理,消除气孔和微裂纹;还可用来制造不同材质紧密粘接的多层或复合材料与制品。
粉末锻造
粉末锻造是将金属粉末压制成预成形坯,烧结后再加热进行锻造,以减少甚至完全消除其中的残余孔隙的方法。其锻造方式包括热复压、无飞边锻造和闭模锻造。无飞边锻造和闭模锻造常用于生产要求致密度极高的零件。预成形坯的设计和制造是粉末锻造的关键步骤之一。此外,对于热锻预成形坯必须加以保护,以免氧化和脱落的氧化皮陷入锻件中造成锻造废品。粉末锻件的密度可达理论密度的98%以上。与常规锻造相比,粉末锻造的压力小,温度低,材料利用率高,工艺简单,尺寸精确;锻件的性能可接近普通锻件,而且方向性小。粉末锻件广泛应用于汽车工业、运输机械等方面。
粉末挤压
粉末挤压的优点在于挤压件长度尺寸不受限制,产品密度均匀,生产可连续进行、效率高、灵活性大,设备简单、操作方便。粉末挤压又分为金属粉末直接挤压和装包套后热挤压两种。直接挤压是将塑性良好的有机化合物和金属粉末混合后,置入挤压模具内,在外力作用下使增塑粉末通过一定几何形状的挤压嘴挤出,成为各种管材、棒材及其他异形的半成品。影响挤压过程的主要因素是增塑剂的含量、预压压力、挤压温度和挤压速度。包套挤压是将粉末装入包套内进行热挤压,以防止粉末或压坯氧化。包套的材质必须满足在挤压温度下的刚性尽可能接近被挤压粉末的要求,不与粉末发生反应,并可通过酸洗或机械加工的方法除掉。
粉末轧制
粉末轧制是将金属粉末喂入一对转动的轧辊辊缝中,由于摩擦力的作用粉末被轧辊连续压缩成形的方法。它是生产板带状粉末冶金材料的主要工艺。一般包括粉末直接轧制、粉末粘接轧制和粉末热轧等。粉末轧制的特点是能生产特殊结构和性能的材料,成材率高,工序少,设备投资小,生产成本低。
其他方法
除了上述方法,还有松装烧结、粉浆浇注、高能高速成形和爆炸成形、软模成形、楔形压制、放电成形等其他成形方法。松装烧结用于制造各种多孔材料和制品,如过滤器等。粉浆浇注可制造各种复杂形状的制品,如管、坩埚、球形器皿及空心制品等。高能高速成形和爆炸成形可用于制造大型、复杂形状制品,如涡轮叶片等。近年来,用于成形激冷凝固粉末的研究引起了广泛关注。软模成形可成形诸如球体、圆锥体、多台阶体等各种普通压制方法难以成形的压坯。楔形压制适用于制造环形长制品和较厚的带材。放电成形用于中、小型而且形状复杂的制品成形。
参考资料
粉末冶金成形技术.百度文库.2024-11-01
粉末冶金成形.百度文库.2024-11-01
目录
概述
历史与发展
成形原理与方法
模压成形
其他成形方法
热压
冷等静压
热等静压
粉末锻造
粉末挤压
粉末轧制
其他方法
参考资料