粉末冶金是一項集材料制備與零件成形于一體,節能、節材、高效、最終成形、少污染的先進制造技術,在材料和零件制造業中具有不可替代的地位和作用,已經進入當代材料科學的發展前沿。
目前粉末冶金技術正向著高致密化、高性能化、低成本方向發展,本文著重介紹幾種近十年來粉末冶金零件的成形新技術。
一、溫壓技術
溫壓技術是粉末冶金領域近幾年發展起來的一項新技術,可生產出高密度、高強度,具有非常廣泛的應用前景。所謂溫壓技術就是采用特制的粉末加溫、粉末輸送和模具加熱系統,將加有特殊潤滑劑的預合金粉末和模具等加熱至130~150℃,并將溫度波動控制在±2.5℃以內,然后和傳統粉末冶金工藝一樣進行壓制、燒結而制得粉末冶金零件的技術。其技術關鍵:一是溫壓粉末制備,二是溫壓系統。
與傳統工藝相比,溫壓成形的壓坯密度約有0.15~0.30g/cm3的增幅,其密度可達7.45g/cm3。在相同的壓制壓力下,溫壓材料的屈服強度比傳統工藝平均高11%,極限拉伸強度平均高13.5%,沖擊韌性可提高33%。另外,溫壓零件的生坯強度高,可達2O~30MPa,比傳統方法提高50—100%,不僅降低生坯搬運過程中的破損率而且能對生坯進行機加工,表面光潔度好。此外,溫壓工藝的壓制壓力低和脫模力小,同時零件性能均一,產品精度高,材料利用率高。
溫壓工藝還有一個特點是工藝簡單,成本低廉。研究表明,假如一次壓制、燒結的普通粉末冶金工藝的成本為1.0,則粉末鍛造的相對成本為2.0,復壓復燒的相對成本為1.5,滲銅的相對成本為1.4,而溫壓技術的相對成本為1.25。目前,采用溫壓技術生產的粉末冶金零件已達200多種,零件重量在5—1200g。例如,德國SinterstahlGmbH公司用溫壓技術生產復雜的摩擦傳動用同步齒環,在美國新奧爾蘭舉行的PM2TEC2001國際會議上獲獎。該零件的齒部密度超過7.3g/cm,環體密度超過7.1g/cm,生坯強度達到28MPa。采用了擴散合金化的燒結硬壓粉末,最低抗拉強度為850MPa。由于使用了溫壓技術和采用粉末冶金零件,使得綜合成本降低了38%。
二、流動溫壓技術
流動溫壓技術(Warm Flow Compaction,簡稱WFC)是在粉末壓制、溫壓成形工藝的基礎上,結合了金屬粉末注射成形工藝的優點而提出來的一種新型粉末冶金零部件近凈成形技術。其關鍵技術是提高混合粉末的流動性。它通過提高了混合粉末的流動性、填充能力和成形性,從而可以在8O~130~C溫度下,在傳統壓機上精密成形具有復雜幾何外形的零件,如帶有與壓制方向垂直的凹槽、孔和螺紋孔等零件,而不需要其后的二次機加工。WFC技術既克服了傳統粉末冶金在成形復雜幾何形狀方面的不足,又避免了金屬注射成形技術的高成本,是一項極具潛力的新技術,具有非常廣闊的應用前景。
WFC技術作為一種新型的粉末冶金零部件近凈成形技術,其主要特點如下:(1)可成形具有復雜幾何形狀的零件;(2)壓坯密度高、密度均勻;(3)對材料的適應性較好;(4)工藝簡單,成本低。
目前,WFC技術在國外還處于研究的初始階段,其關鍵制造技術及其致密化機理研究尚未見報道。
三、模壁潤滑技術
傳統粉末零件成形時,為了減少粉末顆粒之問和粉末顆粒與模壁之間的摩擦,在粉末混合料中需添加一定量的潤滑劑,但混進的潤滑劑因密度低不利于獲得高密度的粉末冶金零件;而且潤滑劑的燒結會染環境,甚至會降低燒結爐的壽命和產品的性能。模壁潤滑技術的應用則很好地解決了這一難題。近年來,采用模壁潤滑取代粉末潤滑技術已成為粉末成形研究和開發的又一熱點。
目前,實現模壁潤滑的主要途徑有兩個:一是利用下模沖復位時與陰模及芯桿之間的配合間隙所產生的毛細作用,將液相潤滑劑帶到陰模及芯桿表面。二是用噴槍將帶有靜電的固態潤滑劑粉末噴射到壓模的型腔表面上,即在裝粉靴的前部裝一個附加的潤滑劑靴裝置。成形開始時,潤滑劑靴推開壓坯,壓縮空氣將帶有靜電的潤滑劑從靴內噴射到模腔內,因為潤滑劑粉末所帶的極性與陰模相反,粉末在電場牽引下撞擊并粘附在模壁上,然后裝靴粉裝粉,進行常規壓制成形。
采用模壁潤滑技術明顯提高粉末材料的生坯密度,密度可達到7.4g/cm3,且模壁潤滑與粉間潤滑相比,鐵粉的生坯強度可分別提高128—217%。日本豐田汽車中心研究人員利用溫壓、模壁潤滑與高壓制壓力使鐵基粉末壓坯幾乎達到全致密。