粉末冶金流动温压成形技术

粉末冶金流动温压成形技术 粉末冶金流动温压成形技术 第24卷第1期 2006年2月 粉末冶金技术 PowderMetallurgyTechnology VoI_24,No.1 Feb.2006 粉末冶金流动温压成形技术* 张菊红一肖志瑜李元元 (华南理工大学机械工程学院,广州510640) 摘要:本文主要介绍了金属粉末流动温压成形技术的发展,特点及关键问题分析.流动温压成形技术作 为一种崭新的粉末冶金零部件近终形成形技术,结合了常规温压技术和金属注射成形技术的优点,可直接成 形零件的复杂几何形状如侧凹,螺纹孔等而不需要其后的二次机加工,既克服了传统粉末冶金技术在成形方 面的不足,又避免了注射成形技术的高成本,具有十分广阔的应用潜力. 关键词:粉末冶金;温压;流动温压 Powderwarmflowcompactiontechnology ZhangJuhong,XiaoZhiyu,LiYuanyuan (SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China) Abstract:Thispapergaveabriefintroductiononthedevelopmentandthecharacteristicsandt hecriticaltechnology problemsofwarmflowcompaction.Asanewnearnetshapetechnologyofthepowdermetallu rgy(PM)parts, warmflowcompaction(WFC)utilizesthespecialfeaturesofwarmcompactionandmetalinje ctionmoulding (MIM).WFCsolvedsomeproblemsinconventionalPMtOformcomplexpartsandlowerthe highcostsofMIM, ahighpotentialinthebroadapplicationofWFCisexpected. Keywords:Powdermetallurgy;waXnlcompaction;warm.flowcompaction 1前言 粉末冶金温压成形技术和金属注射成形工艺是 目前粉末冶金技术研究和开发的两大热点.温压成 形技术是美国的Hoeganaes公司于1994年在国际 粉末冶金和颗粒 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 会议(PMTEC94)上公布的, 它是在传统模压工艺基础上发展起来的制造高密 度,高性能铁基粉末冶金零部件的新工艺,它能以较 低的成本制造出高密度的粉末冶金零件,为粉末冶 金零件在性能与成本之间找到了一个最佳的结合 点.目前,在粉末制备,工艺优选,温压及烧结行为, 致密化机理等方面均进行了广泛的研究【1J,并实 现了工业化生产. 金属注射成形工艺是传统粉末冶金与塑料注射 成形相结合的产物,适用于大批量制造具有复杂几 何形状,高性能,高精度的零件,在产业化方面也取 得突破性进展[,.但该工艺在粉末中需要加入较 多的粘结剂(体积分数约35%),粉末需用20m左 右的超细近球形粉,使得混合粉末成为具有流变性 的浆料,因而其流动性很好,可成形几何形状复杂的 小型精密零件,尺寸精度一般可达?0.3%,最高可 达?0.1%,.注射成形工艺从混料到脱粘,烧结 都对粉末及其制备工艺要求严格,通常成本较高. 2000年,德国的Fraunhofer研究所开发出了一 种被称为流动温压工艺(WFC:WarmFlowCom- paction)的粉末冶金新技术.该技术以温压工艺为 基础,并结合了金属注射成形技术的优点,通过加入 *基金项目:国家自然科学基金项目(50574041),国家"863 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 "项目 (2001AA337010),广东省自然科学基金团队项目 (003019),广东省科技计划项目(2004B10301018)资助. **张菊红(1977),女,硕士研究生,主要从事粉末冶金材料制备及其成形技术的研 究.E.mail:zhyn806@tom.tom 收稿日期:2004—10—10 粉末冶金技术2006年2月 适量的微细粉末和加大润滑剂的含量而大大提高_『 混合粉末的流动性,填充能力和成形性,从而可以在 80,130?温度下,在传统压机上精密成形具有复杂 几何外形的零件,如带有与压制方向垂直的凹槽,孑L 和螺纹孔等零件,而不需要其后的二次机加工.流 动温压成形技术既克服了传统粉末冶金在成形复杂 几何形状方面的不足,又避免了金属注射成形技术 的高成本,是一项极具潜力的新技术,具有非常广阔 的应用前景.不同粉末成形技术在成形零件的复杂 程度方面的比较见图1所示. 越 量 些 罅 传统雎制流动温压粉宋I生射成形 图1不同粉末成形技术成形零件的程度比较. 2流动温压成形技术的特点 流动温压成形技术作为一种型的粉末冶金零 部件近终形成形技术,其主要特点如下: (1)可成形具有复杂几何形状的零件.采用流 动温压工艺可以直接成形带有垂直于压制方向的凹 槽,孑L和螺纹孑L等零件.而用传统粉末冶金技术制 造此类零件通常是非常困难甚至是不可能的,一般 都需要通过其后的机加工才能完成,用程控压机来 实现复杂和精准的动作也只能生产出较为简单的此 类零件l8.1.但是采用流动温压工艺后就可以直 接成形具有此类形状的零件. 为了系统地研究流动温压工艺中粉末的流动行 为,Fraunhofer研究人员采用了一种特制模具.该 模具由两半用螺栓联接而成,水平孔和垂直孔的直 径都是16mm.研究人员对T_孑L,通孑L,L_孑L形型腔 模具的成形进行了研究.用流动温压工艺成功制备 出了带螺纹孑L的T形零件(见图2所示).实验结 果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,混合粉末的良好流动性足以避免在拐角处 产生裂纹,并可以精密地成形零件的精细轮廓,如精 密螺纹(见图3所示).用带有外螺纹型芯的模具经 压制成形后,将型芯从半成品中拧出,然后进行烧结 就可制得螺纹.根据收缩率选取适当的型芯直径就 可压制出所需的螺纹而不需要二次机加工.这也许 是流动温压工艺最显着的应用. 圈2流动温压成形的带螺纹孔T形零件-加 图3流动温压成形的精密螺纹加 (2)压坯密度高,密度均匀.流动温压工艺由于 装粉密度较高,因此经温压后的半成品密度可以达 到较高的值.除密度增高外,由于流动温压工艺中 粉末的良好流动性,因此流动温压工艺得到的材料 密度也较均匀.对于难成形的纯Ti粉,应用流动温 压工艺也取得了明显的结果.用150~tm以下颗粒 的粉末为粗粉部分,而细Ti粉部分通过气雾化制 得.在T一型模具中压制后,样品在高真空下在 1250?烧结2小时后,用7一密度仪测得样品不同部 位(在零件几何草图上用1,6标出)的密度分布如 图4所示.由图4可知,采用流动温压工艺可以获 得的密度很高.精细粉末的加入使得装粉均匀,并 且具有较好的烧结性能,密度分布也较好.图中"5" 处距离零件中心轴有14mm,在常规粉末压制下,该 处往往产生密度偏低.用传统工艺在压机上成形零 件的生坯时,一般说来,其各个断面的密度是不同 的,这主要是由于阴模模壁的摩擦造成的,也是内压 力在压制的粉末中分布不均所致.而在流动温压工 艺中由于在压制时混合粉末变成具有良好流动性的 粘流体,因此摩擦力大为减小,压制压力也得到了很 第24卷第1期张菊红等:粉末冶金流动温压成形技术47 好的传递,从而密度分布也得到了改善. 5 稍 点的位置 图4T;基半成品和成品不同位置材料的密度分布 (Ti无空隙密度为4.5g/em)- (3)适应性较好.Fraunhofer研究人员对各种 金属粉末进行_『流动温压工艺的研究,都取得了较 显着的结果,其中包括低合金钢粉(HoganasDistaloy AE),不锈钢316L粉,纯Ti粉和WC—Co硬质合金 粉末.实际上,Fraunhofer研究人员认为流动温压 工艺原则上可适用于所有的粉末系.唯一的条件是 该粉末系须具有足够好的烧结性能,以便最终达到 所要求的材料密度和性能. 以不锈钢粉末为例,在一定温度下,将粗粉(? 150~m),细粉(?22m)和热塑性润滑剂相混合就 可配制出性能均一的混合粉末.细粉末的加入量取 决于金属粉末所占的比例,用于流动温压工艺的粉 末一般要求加入l0%,20%的细粉末.但是 Fraunhofer研究人员还发现某些粉末不用加入细粉 就可以适用于流动温压工艺.传统粉末冶金工艺中 用的金属粉末,一般需要筛选掉细粉末部分,而这些 细粉末部分刚好可应用于流动温压工艺.因此,流 动温压工艺所用粉末的潜在来源要远远大于市场上 现有的常规温压粉末. 流动温压工艺可以在标准粉末冶金设备上进 行.不过,在成形侧凹等几何外形时,需要用组合 模.当然,组合模不只是在流动温压工艺中才用到, 其他粉末冶金工艺有时也要用到. (4)简化了工艺,降低了成本.用传统粉末冶金 方法成形零件在垂直于压制方向上的凹槽,横孔等 外形,需要设计非常复杂的模具或通过烧结后的二 次机械加工才能完成.虽然注射成形技术在成形零 件的复杂外形方面几乎不受什么限制,但是由于添 加的粘结剂数量较多,在加热过程中会因为重力影 响使零件发生变形,因此往往需要额外增加一道较 复杂和较昂贵的去除粘结剂工序,使得注射成形技 术比常规粉末冶金技术成本高,所以注射成形的零 件不一定能够取代可满足其设计功能的常规粉末冶 金零件,从而注射成形技术的应用范围受到了一定 的限制l1. 而流动温压技术既可直接成形复杂几何外形而 不需要其后的二次机加工;另一方面,在流动温压成 形工艺中,所用的特殊粘结剂和润滑剂含量适中,所 配置的混合粉末具有很高的黏度和临界剪切强度, 在加热过程中不会发生变形,因而可直接在烧结过 程中去除粘结剂.因此,与传统粉末成形工艺和注 射成形工艺相比,流动温压技术对成形具有复杂几 何外形的零件来说,既简化了生产工艺,又大大降低 了制造成本. 对一个带侧凹的多台阶零件,采用不同的粉末 冶金成形工艺成形零件的比较见表1. 表1采用不同的粉末冶金成形工艺成形带侧凹多台阶零件的工艺比较 成形在径向产生了很大的径向压力13,14],这就促使 3流动温压关键技术及其致密化机制人们研究怎样利用这种较高的轴向压力引 起的粉末 3.1流动温压关键技术径向流动趋势去成形零件较复杂的几何外形.而在 在金属粉末的温压成形工艺中,人们发现温压金属注射成形技术中采用超细粉末 和较高含量的粘 48粉未冶金技术2006年2月 结剂所配置的混合粉末具有良好的流动性和成形 性,为流动温压成形提供了参考依据.通过对粉末 冶金温压成形技术的系统研究,我们认为流动温压 技术的关键是提高粉末的流动性.要实现这一目 的,有三种方法:一是向粉末中加入精细粉末,这种 精细粉末能够填充在大颗粒之间的间隙中,从而提 高了混合粉末的装粉密度;二是比传统粉末冶金工 艺加入更多的粘结剂和润滑剂,但其加入量要比粉 末注射成形少得多,粘结剂或润滑剂的加入量达到 最优化后,混合粉末在压制中就转变成一种填充性 很高的流体;三是加入表面活化剂或增塑剂,提高粉 末体的流变性能.将三种方法结合起来,混合粉末 就可转变成为流动性很好的粘流体,它既具有液体 的所有优点,又有很高的黏度.混合粉末的粘流行 为使得粉末在压制过程中可以流向各个角落而不产 生裂纹. 3.2致密化机制 在温压工艺中,对材料成形过程的致密化机理 目前主要有两种观点:一种认为[5,12,15]温压一方面 改进了粉末颗粒的重排,促使小粉末颗粒填充到大 粉末颗粒的间隙中,同时还增强了粉末颗粒的塑性 变形,从而提高生坯密度;而生坯强度的提高主要是 由于温压过程中粉末颗粒上包覆的润滑剂薄膜很 薄,大部分润滑剂存在于孔洞中,从而促进了粉末颗 粒之间的金属接触和冶金结合作用;另一种认 为【2,16J聚合物润滑剂的加入,在温压时处于粘流 态,改变了粉末的表面性能,从而提高了压制过程中 粉末颗粒之间的润滑效果.减少了摩擦阻力,使压制 时粉末颗粒能更好地传递压力,粉末颗粒充填性好, 而有利于密度的明显提高,且降低了脱摸力. 根据粉末成形和温压致密化机理的研究,流动温 压成形的致密化过程主要经历三个阶段:首先,精细 粉末的加入提高了装粉密度;其次,在压制阶段.混合 粉先是被压缩,直到混合粉中的粘结剂相互接触连成 一 整体后,混合粉就表现出了可以很好地向各个方向 填充的黏流体行为,粘流体在压制压力下充满型腔; 最后,混合粉末完全被压实.由于装粉密度较高,因 此经温压后的半成品密度可以达到很高的值. 4结束语 在粉末冶金工业中不通过烧结后的二次机加工 而直接成形粉末冶金零件的复杂几何形状一直以来 是粉末冶金技术发展的目标.尽管目前流动温压技 术还处于研究的初始阶段,但其显着的工艺特色已 引起广大粉末冶金科技工作者的重视.流动温压成 形技术的应用将大大拓展传统温压成形的应用范围 和领域,在汽车,电子,医疗设备,日用品,办公机械, 仪表,机械制造等行业将有广泛的应用前景.因此, 深入研究流动温压成形工艺的特性,积极推进其在 工业上的应用,对我国粉末冶金零部件制造业具有 重要的现实意义. 参考文献 1DegoixCN.GriffoA,GermanRM.EffeetofIubricationmodeand compactiontemperatureonthepropertiesofFe—NiCu-Mo-C.The InternationalJournalofPowderMetallurgy,1998.34(2):29,33 2LiYuanyuan.XiaoZhiyu,NGAITungwaiLeo,eta1.Warm compactedNbCparticulatereinforcediron—basedcomposite(I)- Effectoffabricationparameters.TransNonferrousMetSocChina, 2002.12(4):659,663 3果世驹,林涛,李明怡.粉末烧结钢温压粘结剂玻璃化温度调整 的预测方程.粉末冶金技术.1997.15(2):85,88 4曹顺华,易建宏.温压粉末原料的设计.中南工业大学. 2000,31(6);532,535 5肖志瑜,夏伟,邱诚,等,2003年中国机械工程学会年会论文集 温压成形过程的致密化机理研究.北京;机械工业出版社.2003, l1:66 6李益民.黄伯云,曲选辉.当代金属注射成形技术.粉末冶金工 业,2000,10(1):14,19 7梁叔全,黄伯云.曲选辉.金属注射成形中高技术新概念对其产 业化进程的影响.材料导报,1996,10(1):15,20 8MerharJ.Overviewofmetalinjectionmoulding.MetalPowder Report,1990,45(5):339,342 9彭先明,范晓钧.金属注射成形及其在欧洲的新发展.粉末冶金 技术.1998.16(2);126,128 10VeltlG,OppertA,PetzoldtF.Warmflowcompactionfostersmore complexPMparts.MetalPowderReport.2001.56(2):26,28 11CapusJ.PickeringS.WeaverA.Hoeganaesoffershigherdensityat lowercost.MetalPowderReport.1994,49(7/8):22,24 12CapusJ.WarmcompactedturbinehubleadsnewPMthrust.Metal PowderReport,1997.61(9):19 13BocchiniGF.Warmcompactionofmetalpowders:Whyitworks, Whyitrequiresasophisticatedengineeringapproach.Powder Metallurgy,1999,42(2):171,180 14肖志瑜,柯美元,李元元.温压工艺的最新进展一流动温压技术. 粉末冶金工业,2002,12(5):16,2l 15CapusJ.PMTEC'97.Chicago.MetalPowderReport,1997,40 (3):181,185 16St—LaurentS,ChangnonF.为温压工艺设计的混合粉.粉末冶金 技术.I998,16(1):40,51