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文檔簡介

第3章成形商洛學(xué)院常亮亮

3成形成形:指將松散粉末體加工成具有一定尺寸、形狀及一定密度和強度的坯塊。將粉末裝入模具后,施加外力即進行壓制可得到要求的坯塊。壓制過程中,因粉末顆粒形狀不同,有滑動、移動,隨著力的增加,顆粒之間還會機械地嚙合在一起,有時粉末表面相互磨損,將粉末表面的氧化物或雜質(zhì)膜破壞,出現(xiàn)清潔的粉末表面,黏附在一起,使坯塊具有所需的密度和強度。a.普通模壓法:將粉末裝在模具內(nèi),用壓機將其成形;b.特殊方法:等靜壓成形、連續(xù)成形、無壓成形等。3絕大多數(shù)作為應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中部件的制造原料粉末冶金制品加工成塊體材料或部件需經(jīng)過成形和燒結(jié)操作4轎車部件5電動工具與汽車部件6齒輪保持架(Ford)7汽車發(fā)動機用粉末燒結(jié)鋼零件8汽車變速器系統(tǒng)用粉末燒結(jié)鋼件9P/F連桿10不銹鋼注射成形件3.1成形前原料預(yù)處理退火篩分混合制粒加成形劑、潤滑劑3.1.1退火退火:

將金屬緩慢加熱到一定溫度,保持足夠時間,然后以適宜速度冷卻(通常是緩慢冷卻,有時是控制冷卻)的一種金屬熱處理工藝。

金屬粉末退火的目的:

a.氧化物還原,降低碳和其它雜質(zhì)的含量,提高粉末的純度;

b.消除粉末的加工硬化,穩(wěn)定粉末的晶體結(jié)構(gòu);

c.防止超細粉末自燃,將其表面鈍化。

加工產(chǎn)品退火的目的:

a.降低硬度,改善切削加工性;

b.消除殘余應(yīng)力,穩(wěn)定尺寸,減少變形與裂紋傾向;

c.細化晶粒,調(diào)整組織,消除組織缺陷。

退火溫度:

退火氣氛:

a.還原性氣氛(氫、離解氨、轉(zhuǎn)化天然氣或煤氣)

b.惰性氣氛

c.真空退火退火對成分的影響退火對壓制性能的影響3.1.2篩分篩分指把不同粒度的粉末通過網(wǎng)篩或振動篩進行分級,使粉末能夠按照粒度分成粒度范圍更小的級別。篩分的目的:把顆粒大小不同的原始粉末進行分級。通常用標準篩網(wǎng)制成的篩子或振動篩來篩分,而對于鎢鉬等難熔金屬的細粉或超細粉末則使用空氣分級的方法。在硬質(zhì)合金生產(chǎn)中,篩分(擦篩)也可以用來制粒。3.1.3混合(1)定義指將兩種或兩種以上不同成分的粉末混合均勻的過程。有時為了需要也將成分相同而粒度不同的粉末進行混合,這種過程稱為合批。(2)分類混合有機械法和化學(xué)法兩種。其中,用得最廣泛的是機械法,即用各種混合機如球磨機、V型混合器、錐形混合器、酒桶式混合器和螺旋混合器等將粉末或混合料機械地摻和均勻而不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。機械法化學(xué)法(優(yōu)點)干混:鐵基制品、鎢粉、碳化鎢粉濕混:制備硬質(zhì)合金液體介質(zhì):酒精、汽油、丙酮、水等能使物料中的各組元分布得更加均勻,從而更有利于燒結(jié)的均勻化?;w組元的每一顆粉末表面都包覆上了一層金屬添加劑,這有利于燒結(jié)過程中的合金化。所得的最終產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)較理想,綜合性能優(yōu)良。3.1.4制粒定義:制粒是將小顆粒的粉末制成大顆?;驁F粒的工序。目的:改善粉末的流動性應(yīng)用:在硬質(zhì)合金生產(chǎn)中,為了便于自動成形,使粉末能順利充填模腔必須先制粒。設(shè)備:能承擔(dān)制粒任務(wù)的設(shè)備有圓筒制粒機、圓盤制粒機和擦篩機等,有時,也用振動篩來制粒。工藝:目前,較先進的工藝是噴霧干燥制粒。它是將液態(tài)物料霧化成細小的液滴,與加熱介質(zhì)(N2或空氣)直接接觸后液體快速蒸發(fā)而干燥。噴霧干燥制粒工藝原理:噴霧干燥制粒全過程是在密封系統(tǒng)中完成,共分為四個階段:(1)料漿的霧化;(2)液滴群與加熱介質(zhì)相接觸;(3)液滴群干燥;(4)料粒與加熱介質(zhì)分離;工藝優(yōu)點:該工藝所制得的料粒形狀規(guī)則,粒度均勻,流動性好,可減少壓制廢品的出現(xiàn)。(1)成形劑:為提高壓坯強度或防止粉末混合料離析,在燒結(jié)前或燒結(jié)時該物質(zhì)被除掉,有時也叫粘結(jié)劑,如硬脂酸鋅、合成橡膠、石蠟等。鐵、銅基零件:硬脂酸鋅硬質(zhì)合金:石蠟、合成橡膠、聚乙烯醇、乙二醇等。(2)潤滑劑:為了降低成形時粉末顆粒與模壁和模沖間摩擦、改善壓坯的密度分布、減少壓模磨損和有利于脫模。如石墨粉、硫磺粉。(3)造孔劑燒結(jié)中能造成一定孔隙的物質(zhì)。3.1.5加成形劑、潤滑劑(4)選擇成形劑、潤滑劑的基本條件有較好的粘結(jié)性和潤滑性能,在混合粉末中容易均勻分散,且不發(fā)生化學(xué)變化。軟化點較高,混合時不易因溫度升高而熔化?;旌戏勰┲胁恢掠谝蛱砑舆@些物質(zhì)而使其松裝密度和流動性明顯變差,對燒結(jié)體特性也不能產(chǎn)生不利影響。加熱時,從壓坯中容易呈氣態(tài)排出,并且這種氣體不影響發(fā)熱元件、耐火材料的壽命。(5)加入形式

成形劑通常在混料過程中以干粉末的形式加入,與主要成分的金屬粉末一起混合,在某些場合(如硬質(zhì)合金生產(chǎn))也以溶液狀態(tài)加入。3.2金屬粉末壓制過程3.2.1金屬粉末壓制現(xiàn)象3.2.2金屬粉末壓制時的位移與變形3.2.3金屬粉末的壓坯強度3.2.1金屬粉末壓制現(xiàn)象壓力經(jīng)上模沖傳向粉末時,粉末在某種程度上表現(xiàn)有與液體相似的性質(zhì)力圖向各個方向流動,于是引起了垂直于壓模壁的壓力——側(cè)壓力。粉末在壓模內(nèi)所受壓力的分布是不均勻的,這與液體的各向均勻受壓情況有所不同。在壓制過程中,粉末由于受力而發(fā)生彈性變形和塑性變形,壓坯內(nèi)存在著很大的內(nèi)應(yīng)力,當外力停止作用后,壓坯便出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象,這種壓坯脫出壓膜后發(fā)生的膨脹現(xiàn)象稱為彈性后效。3.2.2金屬粉末壓制時的位移與變形

a.粉末的位移當施加外力時,粉末體內(nèi)的拱橋效應(yīng)遭到破壞,粉末顆粒彼此填充孔隙,重新排列位置,增加接觸。

拱橋效應(yīng):粉料自由堆積的空隙率往往比理論計算值大得多,原因是實際粉料不是球形,加上表面粗糙以及附著和凝聚的作用,結(jié)果顆?;ハ嘟诲e咬合,形成拱橋型空間,增大了空隙率。這種現(xiàn)象稱為拱橋效應(yīng)。圖3-4粉末位移的形式(a)粉末顆粒的接近;(b)粉末顆粒的分離;(c)粉末顆粒的滑動;(d)粉末顆粒的轉(zhuǎn)動;(e)粉末顆粒因粉碎而產(chǎn)生的移動b.粉末的變形粉末體受壓后體積明顯減小,除第一階段的位移外,又發(fā)生變形。變形有彈性變形和塑性變形。彈性變形:材料在外力作用下產(chǎn)生變形,當外力取消后,材料變形即可消失并能完全恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)稱為彈性。這種可恢復(fù)的變形稱為彈性變形。

塑性變形:物質(zhì)-包括流體及固體在一定的條件下,在外力的作用下產(chǎn)生形變,當施加的外力撤除或消失后該物體不能恢復(fù)原狀的一種物理現(xiàn)象。c.脆性斷裂當施加的壓力超過強度極限后,粉末顆粒碎裂成更小的碎片,使粉末接觸更加緊密。圖3-5壓制時粉末的變形(a)點接觸;(b)面接觸;(c)扁平狀3.2.3金屬粉末的壓坯強度1.粉末顆粒之間的聯(lián)結(jié)力大致可分為兩種粉末顆粒之間的機械嚙合力(主要)粉末顆粒形狀越復(fù)雜,表面越粗糙,則粉末顆粒之間彼此嚙合得越緊密,壓坯的強度越高。粉末顆粒表面原子之間的引力在金屬晶格結(jié)構(gòu)中,金屬原子之間因引力和斥力相等而處于平衡狀態(tài),當原子間距小于平衡時的常數(shù)值時,原子之間產(chǎn)生斥力;反之,便產(chǎn)生引力。能夠產(chǎn)生這種引力的區(qū)間稱為引力范圍。2.壓坯強度的測定壓坯強度:

指壓坯反抗外力作用保持其幾何形狀和尺寸不變的能力,是反映粉末質(zhì)量優(yōu)劣的重要標志之一。測定方法:壓坯抗彎強度試驗法測定壓坯邊角穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)鼓試驗法圓柱狀或軸套形壓坯沿其直徑方向測試破壞強度(壓潰強度)(1)壓坯抗彎強度試驗法用壓坯試樣ASTM標準是:寬12.7mm,厚6.35mm,長31.75mm(中國標準:GB5319-85:12×6×30mm)。在標準測定裝置上測出破斷負荷,根據(jù)下列公式計算:抗彎強度與成形壓力的關(guān)系(2)測定邊角穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)鼓試驗將直徑12.7mm厚6.35mm的圓柱狀壓坯裝入14目的金屬網(wǎng)制鼓筒中,以87r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動1000轉(zhuǎn)后,測定壓坯的質(zhì)量損失率來表征壓坯強度。質(zhì)量減少率越小,壓坯的強度越好。壓坯強度與成形壓力的關(guān)系(3)測試破壞強度(壓潰強度)該方法是粉末冶金軸套類零件的特有的強度性能表示方法。3.3壓制壓力與壓坯密度的關(guān)系3.3.1金屬粉末壓制時壓坯密度的變化規(guī)律3.3.2壓制壓力與壓坯密度的定量關(guān)系3.3.1金屬粉末壓制時壓坯密度的變化規(guī)律

粉末體受壓后發(fā)生位移和變形,在壓制過程中隨著壓力的增加,壓坯的相對密度出現(xiàn)有規(guī)律的變化,通常將這種變化假設(shè)為如右圖所示的三個階段:1、密度增加很快粉末顆粒發(fā)生位移,填充孔隙,此階段又稱為滑動階段。2、密度幾乎不變密度已達到一定值,粉末體出現(xiàn)了一定的壓縮阻力,雖然加大壓力,但孔隙度不能減少。3、壓坯密度又隨之增加成形壓力超過粉末的臨界應(yīng)力后,粉末顆粒開始變形3.3.2壓制壓力與壓坯密度的定量關(guān)系

壓制理論的公式數(shù)量不少,但沒有一個公式在實踐檢驗中是完全正確無誤的。多數(shù)理論都把粉末體作為彈性體處理,并且未考慮到粉末在壓制過程中的加工硬化,有的作者未考慮到粉末之間的摩擦,而且多數(shù)理論全都忽略了壓制時間的影響。不言而喻,這些問題都必將影響到壓制理論的正確性和使用范圍。進一步探索和研究出符合實踐并能起指導(dǎo)作用的壓制理論是今后粉末冶金工作者急待解決的重要任務(wù)之一。a.巴爾申(Balshin)壓制方程:式中Pmax——相應(yīng)于壓至最緊密狀態(tài)(β=1)時的單位壓力;L——壓制因素;β——坯塊的相對體積。巴爾申實驗證明:隨著壓制壓力的增加,壓制因素增大,臨界應(yīng)力值也發(fā)生變化。該公式應(yīng)用范圍小,只能在有限的壓力范圍內(nèi)使用,不能在高壓下應(yīng)用。b.Heckel壓制方程:式中P——施加的壓力;

D——坯塊密度;K、B——常數(shù)。

Heckel方程可用于不同金屬、不同方法生產(chǎn)的粉末。圖3-13在低壓制力下和P的關(guān)系c.日本川北公夫壓制理論

經(jīng)驗公式:

式中C——粉末體積減少率;

a、b——系數(shù);

V0——無壓時的粉末體積;

V——壓力為P時的粉末體積。圖3-14粉末體積減少率和壓力之間的關(guān)系3.4壓制過程中力的分析通常所說壓制力均指平均壓力,實際上同一斷面內(nèi),靠近模壁和中間部位、坯塊上、中、下部位所受力均不相同。力包括正應(yīng)力、側(cè)壓力、摩擦力、彈性內(nèi)應(yīng)力、脫模壓力等。作用在粉末體上的力:P=P1+P2P1——靜壓力,使粉末產(chǎn)生位移、變形、克服粉末的內(nèi)摩擦;

P2——壓力損失,克服粉末顆粒與模壁之間的外摩擦力。側(cè)壓力外摩擦力脫模壓力彈性后效3.4.1側(cè)壓力粉末體在模具內(nèi)受壓時,坯塊向周圍膨脹,模壁給坯塊一個大小相等、方向相反的反作用力,這個力就是側(cè)壓力。側(cè)壓力的存在,使粉末體在壓制過程中相對于模壁運動時產(chǎn)生摩擦力。圖3-16雙向壓制示意圖圖3-15坯塊受力示意圖側(cè)壓力與壓制壓力的關(guān)系:當坯塊受到正壓力P作用時,在x軸方向產(chǎn)生膨脹△Lx1,y軸方向的側(cè)壓力也使坯塊沿x軸方向膨脹△Lx2,x軸方向的側(cè)壓力使坯塊沿x軸方向壓縮△Lx3,實際上,坯塊在模具內(nèi)不能向側(cè)向膨脹,因此:△Lx3=△Lx2+△Lx1,可得:ξ—側(cè)壓系數(shù);ν——泊松比。

同理,沿y軸方向也可導(dǎo)出相同公式。側(cè)壓力公式未考慮塑性變形、粉末特性、模壁變形等,因此只是一個估算值。側(cè)壓系數(shù)與坯塊密度的關(guān)系:式中ζ——達到理論密度時的側(cè)壓系數(shù);ρ——坯塊相對密度。從圖可看出:坯塊的不同高度上側(cè)壓力不同,上層:下層:圖3-17側(cè)壓力示意圖3.4.2外摩擦力

外摩擦與壓制壓力摩擦力:粉末體在壓制過程中,運動的粉末與模壁之間存在摩擦現(xiàn)象,摩擦產(chǎn)生的力稱為摩擦力。單向壓制時,其方向與壓制方向相反。

式中μ——摩擦系數(shù)。外摩擦力(摩擦壓力損失):式中P′——模底受到的力;P——壓制壓力;H——坯塊高度;D——坯塊直徑。如考慮彈性變形,則:圖3-18單向壓制示意圖摩擦壓力損失與坯塊尺寸的關(guān)系:

單向壓制只有一個活動模沖,通常是上模沖動,下模沖不動。坯塊高度越高,坯塊上下密度差越大,原因是摩擦壓力損失的存在。

為了減小坯塊上下密度差,單向壓制只壓制比較薄的坯塊。即

或圖3-19密度變化摩擦力對壓制過程及壓坯質(zhì)量由于外摩擦力的方向與壓制壓力的方向相反,所以它的存在實際上是無益地損耗了一部分壓力。由于外摩擦力的存在,將引起壓制壓力的不均勻分布。由于外摩擦力的存在,將阻礙粉末體在壓制過程中的運動,特別是對于復(fù)雜形狀制品,摩擦力的存在將嚴重影響粉末體順利填充那些棱角部位,而使壓制過程不能順利完成。脫模壓力指把坯塊從模具內(nèi)取出所需的壓力。壓制鐵粉:壓制硬質(zhì)合金:脫模壓力與壓制力的關(guān)系:氧化鎂脫模壓力與壓制力的關(guān)系:式中P——壓制壓力;D——坯塊直徑;D——坯塊高度;C——模具質(zhì)量的特征系數(shù);m——常數(shù)。3.4.3脫模壓力加載(或卸載)后經(jīng)過一段時間應(yīng)變才增加(或減?。┑揭欢〝?shù)值的現(xiàn)象。壓制過程中,當卸掉壓制力并把坯塊從模具內(nèi)取出后,由于彈性內(nèi)應(yīng)力的作用,坯塊發(fā)生彈性膨脹,這種現(xiàn)象稱為彈性后效。式中δ—沿坯塊高度或直徑的彈性后效;

l0——坯塊卸壓前的高度或直徑;

l——坯塊卸壓后的高度或直徑。圖3-20各種粉末的彈性后效3.4.4彈性后效彈性后效原因粉末體彈塑性變形內(nèi)部聚集很大的彈性內(nèi)應(yīng)力,力圖阻止顆粒變形受壓壓制壓力消除彈性內(nèi)應(yīng)力便要松弛,壓坯發(fā)生膨脹。彈性后效影響因素粉末種類及其粉末特性—粉末粒度及粒度組成粉末顆粒形狀、硬度壓制壓力大小及加壓速度壓坯孔隙度壓模材質(zhì)或結(jié)構(gòu)成形劑粉末種類對彈性后效的影響各種粉末的彈性后效由圖可知:各種鐵粉和銅粉因其顆粒的表面形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)或純度不同等對可塑性的影響不同,因而應(yīng)力的消除或彈性應(yīng)變的回復(fù)就不同,彈性后效也就不同。彈性后效特點

1)壓坯的彈性后效有各向異性的特點

軸向壓力

>

側(cè)壓力彈性后效高度

>

橫向5~6%1~3%

2)受顆粒形狀、結(jié)構(gòu)、粒度等影響

電解鐵粉<

還原鐵粉

<噴霧鐵粉3.5坯塊密度及其分布壓制過程的主要目的是得到一定的坯塊密度,并力求密度均勻分布,但實踐證明,坯塊密度分布不均勻是壓制過程的主要特征之一。液體在模具內(nèi)經(jīng)受流體靜壓力后,壓力傳遞到模具的任何一個面,即液體力圖向各個方向流動,而粉末在模具中壓制時,主要是在施加力的方向上移動。壓坯密度分布規(guī)律影響壓坯密度分布的因素復(fù)雜形狀壓坯的壓制3.5.1坯密度的分布情況

(1)在與模沖相接觸的壓坯上層,密度是從中心向邊緣逐步增大的,頂部的邊緣部分密度最大;(2)在壓坯的縱向?qū)又?,密度沿著壓坯高度從上而下降低?3)在靠近模壁的層中,由于外摩擦的作用,軸向壓力的降低比壓坯中心大得多,以致在壓坯底部的邊緣密度比中心的密度低。因此,壓坯下層的密度分布狀況和上層相反。高度:(1)密度和硬度沿著壓坯高度從上而下降低(上大下小)

(2)接近上模沖的斷面,密度分布是兩邊大中間小水平面:壓坯底部中間大兩邊小。(在靠近模壁的層中,由于外摩擦的作用,軸向壓力的降低比壓坯中心大得多)壓坯的密度分布,在高度方向和橫斷面上,是不均勻的。主要原因—壓力損失

前面已經(jīng)談到,壓制時所用的總壓力為凈壓力與壓力損失之和,而這種壓力損失就是在普通鋼模壓制過程中造成壓坯密度分布不均勻的主要原因。主要影響因素—H/D(壓坯高徑比)

實踐證明,增加壓坯的高度會使壓坯各部分的密度差增加;而加大直徑則會使密度的分布更加均勻。即高徑比越大,密度差別越大。為了減少密度差別,降低壓坯的高徑比是適宜的。因為高度減少之后壓力沿高度的差異相對減少了,使密度分布得更加均勻。3.5.2壓坯密度分布不均勻的原因和影響因素3.5.3復(fù)雜形狀壓坯的壓制

歷史上在自動壓機上壓制的第一種產(chǎn)品是藥丸,藥粉計量后倒入模腔,壓制和擠出自動進行,在藥丸機上壓制的第一種粉末冶金制品是自潤滑軸承,藥丸機被重新設(shè)計后既能在高壓下操作,又能壓制復(fù)雜的金屬結(jié)構(gòu)件。

a.單向壓制的簡單零件

單向壓制只有一個活動的模沖,通常是上模沖動,下模沖不動,用于壓制H/D<1的坯塊。單向壓制只在一個面上施加壓力,對圓柱體則為上表面,密度從上到下逐漸減小,由于零件比較薄,密度變化在允許范圍內(nèi)。圖3-27單向壓制可壓制的零件Die:固定到壓機臺面上的模具;Corerod:與模具內(nèi)徑同軸的固定芯桿;Upperpunch:固定到壓機壓頭上的空心上模沖;Lowerpunch:固定到壓機下壓頭上的空心上模沖。圖3-28壓制短套筒的模具組成圖3-29用下模沖脫模的單向壓制操作步驟b.雙向壓制的簡單零件雙向壓制可壓制高度與直徑比或高度與壁厚比較大且狀較復(fù)雜的零件。從圖看出,上下模沖同時運動,且坯塊高度增加。圖3-30用下模沖脫模的雙向壓制操作步驟c.雙向壓制下表面具有兩個不同平面的零件

下圖是一帶凸緣的零件,下表面有兩個面,一個小圓,一個空心圓,這類零件只能由下模沖將其推出模腔。成形采用組合模沖,一個上模沖,兩個下模沖。為了保證整個零件密度分布均勻,兩個下模沖運動調(diào)節(jié)一致。圖3-33具有兩個不同平面的零件下表面具有兩個不同平面零件的壓制過程:圖1裝滿粉末;圖2上模沖放入模腔,上面不同方向的剖面線代表上模沖,中間黑體部分是要壓制的粉末部分,下面兩邊上同方向剖面線表示下模沖,中間黑體下部另一方向剖面線部分是內(nèi)下模沖;圖3表示壓制結(jié)束;圖4上模沖移走,下模沖往上推,直到外下模沖與模具平齊,此時凸緣部分已離開模腔,圖5外下模沖不動,內(nèi)下模沖向上推,零件脫模;圖6壓制好的零件。圖3-34帶凸緣零件的壓制d.雙向壓制多面體零件

多面體零件通常形狀復(fù)雜,且有一個上表面,多個下表面,即需要一個上模沖,多個下模沖。壓制時,要保證整個坯塊密度相同,否則脫模過程中密度不同的銜接處會由于應(yīng)力的重新分布而產(chǎn)生斷裂或分層。設(shè)計不同動作的多模沖模具時,要求各模沖的壓縮比相同,目的是使復(fù)雜形狀坯塊密度相同。壓制過程中要考慮各個模沖的彈性偏差,并平衡彈性偏差。偏差的計算由計算機完成,整個壓制過程由微信息處理機控制,可得到好的零件。壓縮比:松散粉末體與坯塊截面高度之比圖3-35渦輪機輪轂圖3-37復(fù)雜形狀坯塊的壓制(a)、(b)坯塊形狀;?、(d)簡單模沖壓制及坯塊密度分布;(e)多模沖壓制示意圖及坯塊密度分布e.復(fù)雜形狀坯塊壓制

f.具有曲面坯塊的壓制實際生產(chǎn)中,會遇到表面是曲面的零件,這種零件在自動壓機中可以壓制,但要保證均勻密度比較難,因為松散粉末體與坯塊厚度的比率不同。自動壓機可提供水平裝滿和非水平裝滿,往模腔裝粉末時,上表面可裝成曲面,但曲面上密度的一致性難以預(yù)測。

假設(shè)結(jié)論:假設(shè)粉末顆粒不僅在施加力的方向上運動,同時也有一定量的側(cè)向運動,這樣,密度變化取決于曲面的半徑,半徑越大,密度變化越小。若根據(jù)壓縮比來衡量,則壓縮比越大,密度變化越小。大多數(shù)情況下密度變化在可接受的范圍內(nèi),即密度的變化不影響零件的使用,特殊情況下,不均勻的密度分布可通過燒結(jié)、再壓,使密度分布均勻。圖3-38曲面坯塊的壓制

減小密度分布不均勻現(xiàn)象的措施:

a.壓制前對粉末進行還原退火處理,消除粉末的加工硬化,減少雜質(zhì)含量,提高粉末的壓制性能;

b.加入適當?shù)臐櫥瑒┗虺尚蝿?,如鐵基零件加硬脂酸鋅、機油等,硬質(zhì)合金加橡膠汽油溶液或聚乙烯等塑料溶液;

c.改進加壓方式,根據(jù)坯塊高度、直徑或厚度的比值設(shè)計不同類型的模具;

d.改進模具構(gòu)造,或適當變更坯塊形狀,使不同橫截面的連接部位不出現(xiàn)急劇的轉(zhuǎn)折。(1)使用成形劑的目的促進粉末顆粒變形,改善壓制過程,降低單位壓制壓力;提高坯塊強度,減少粉塵飛揚,改善勞動條件;由于減少了摩擦壓力損失,坯塊密度及其分布均勻性提高;提高模具壽命。表3-1成形劑對模具壽命的影響3.6成形劑(2)成形劑的選擇原則成形劑不改變粉末的化學(xué)成分,燒結(jié)過程中全部排出,放出的氣體對人體無害;成形劑具有好的分散性能,具有適當?shù)恼承院土己玫臐櫥裕乙子诤头勰┝匣旌暇鶆?;成形劑對粉末的松裝密度和流動性影響不大,其軟化點應(yīng)高,以防混合過程中溫升而熔化;燒結(jié)后對產(chǎn)品性能和外觀等無不良影響;成本低,來源廣。不同金屬粉末選用不同物質(zhì)作成形劑。鐵基粉末制品:硬脂酸、硬脂酸鋅、硬脂酸鋇、硬脂酸鋰、硬脂酸鈣、硬脂酸鋁、硫磺、二硫化鉬、石墨粉和機油等。硬質(zhì)合金:合成橡膠、石蠟、聚乙烯醇、乙二酯和松香等。其他成形劑:淀粉、甘油、凡士林、樟腦及油醇等。

成形劑加入方法:干混:成形劑直接以粉末狀與金屬一起混合;

濕混:成形劑先溶于水、酒精、汽油、丙酮、苯及四氯化碳等液體中,然后加入到粉末中混合,干燥時揮發(fā)掉。(3)成形劑種類(4)成形劑用量及效果

成形劑是一種表面活性物質(zhì),加入后要使每個顆粒表面形成一層單分子層薄膜,因此,其用量與粉末種類、粒度大小、壓制壓力、摩擦表面及成形劑本身的性質(zhì)有關(guān)。粒度:細顆粒粉末成形劑加入量多于粗顆粒粉末。表3-2粒度與成形劑用量的關(guān)系表3-3成形劑性質(zhì)與用量的關(guān)系坯塊形狀因素:指摩擦表面積與橫截面積之比,成形劑加入量與形狀因素成正比。橫截面積一定,坯塊高度越高,所需成形劑量越多。圖3-39形狀因素對成形劑加入量的影響1—0.5;2—1.0;3—2.0;4—2.4;5—8.0成形劑粒度對粉末流動性、松裝密度的影響圖3-40成形劑粒度對粉末流動性、松裝密度的影響(a)成形劑對流動性的影;(b)成形劑對松裝密度的影響成形劑加入量對坯塊密度和脫模壓力的影響;成形劑對燒結(jié)體抗彎強度的影響圖3-41成形劑加入量對坯塊密度和模壓力的影響1—壓制壓力832MPa;2—壓制壓力412MPa;3—壓制壓力206MPa;a、b、c與上述壓力相對應(yīng)的脫模壓力圖3-42成形劑對燒結(jié)體抗彎強度的影響1—無潤滑劑;2—硬脂酸銅(1.25%);3—硬脂酸鋇(0.75%);4—硬脂酸鋅(1.25%);5—硬脂酸(1%);6—硬脂酸鋰(1%);7—硬脂酸鈣(1.25%)

(5)潤滑方式對坯塊密度的影響成形壓力較低時,潤滑粉末比潤滑模具得到的坯塊密度大;成形壓力較高時,潤滑粉末比潤滑模具得到的坯塊密度小。圖3-43潤滑方式對坯塊密度的影響成形劑的不足之處:a.成形劑本身占有一定體積,使坯塊密度減小,不利制備高密度制品;b.壓制過程中因成形劑的阻隔,金屬粉末之間的相互接觸程度降低,從而降低了某些坯塊的強度;c.成形劑在燒結(jié)前或少接種排出,可能損傷燒結(jié)體的外觀,排出的氣體可能影響爐子壽命,污染空氣;d.如成形劑與金屬粉末起作用,將降低燒結(jié)制品的力學(xué)性能;e.成形劑與金屬粉末比重不同,加入成形劑降低了粉末本身的流動性。3.7壓制廢品的種類(1)分層沿坯塊的棱邊向內(nèi)部發(fā)展的裂紋,與受壓面呈450角的整齊界面。分層原因:彈性后效。壓制壓力過高,易引起分層。因為壓制壓力過高,坯塊密度過高,其彈性后效明顯增大。圖3-44壓制分層

(2)裂紋裂紋不同于分層,一般是不規(guī)則的,且無整齊界面。裂紋可以是縱向,也可以是橫向,或任意方向。

裂紋原因:彈性后效。當坯塊脫模時中間停頓、坯塊脫出部分產(chǎn)生彈性膨脹,而未脫出部分仍受到壓縮,產(chǎn)生壓應(yīng)力,致使痞塊產(chǎn)生裂紋。圖3-45壓制裂紋

(3)掉邊掉角原因是坯塊強度、密度未達到要求,或脫模過程和搬運過程操作不當。

(4)坯塊密度分布不均勻原因是裝料不均,操作不慎。其他缺陷如劃傷多為模具軟或光潔度差的緣故。毛刺過大和同軸度超差大多為模具尺寸精度低、配合間隙過大引起。3.8影響壓制過程和坯塊質(zhì)量的因素(1)粉末性能a.

粉末物理性能軟金屬粉末壓制時密度易達到,硬金屬粉末需用成形劑;壓制硬金屬粉末時對模具的磨損大于軟金屬粉末。b.粉末粒度及粒度組成粉末越細,流動性越差,填充模腔邊角處越困難,越易形成拱橋效應(yīng)。細粉末松裝密度低,在模具中充填容積大,使壓制過程模沖的運動距離與粉末之間的內(nèi)摩擦力均增加,壓力損失增大,密度分布不均勻。粒度組成合理的粉末在壓制過程中小顆粒填充大顆粒之間的孔隙,因此坯塊密度、強度提高,彈性后效減小,密度分布合理。c.粉末純度粉末純度越高,壓制越易進行。粉末中雜質(zhì)大多是硬而脆的氧化物,其存在使粉末壓制阻力增加,壓制性能變壞,坯塊的彈性后效增大。

d.粉末顆粒形狀球形粉末流動性好,易于充填模腔坯塊密度分布均勻;不規(guī)則粉末充填模腔困難,易產(chǎn)生拱橋效應(yīng),但坯塊強度高,成形性好。e.粉末松裝密度松裝密度小,模具高度和模沖長度增加,坯塊密度分布不易均勻,但坯塊強度高。松裝密度大,利于壓制長而高的坯塊。

(2)成形劑

金屬粉末壓制時,模壁與粉末之間、粉末與粉末之間產(chǎn)生摩擦,使壓力和密度分布不均勻,加入成形劑可改變這種狀況。

(3)壓制方式

a.加壓方式

單向壓制、雙向壓制、多向壓制或組合模沖。

b.加壓速度

粉末體受到高速沖擊負荷時,坯塊致密化過程不同于靜壓。加壓過快,影響粉末顆粒間的摩擦狀態(tài)和加工硬化程度及空氣從粉末顆??紫吨幸莩?。因此,壓制過程以靜壓(緩慢加壓)狀態(tài)進行。

c.加壓保持時間金屬粉末壓制過程中,施加的壓力達一定值后保持一定時間,坯塊密度提高。

d.振動壓制

采用機械、電磁、氣動或超聲振動,有利于坯塊的致密化。但振動壓制噪音大,對人體有害,對設(shè)備的設(shè)計和材質(zhì)要求較高。

e.磁場

主要針對磁性材料。在普通壓制的基礎(chǔ)上加一個外磁場,利用粉末的磁各向異性,使自由旋轉(zhuǎn)顆粒的易磁化方向旋轉(zhuǎn)到與外加磁場一致,在材料中產(chǎn)生一種與單晶體磁狀態(tài)幾乎相同的組織。圖3-46磁場壓制模具結(jié)構(gòu)圖(a)平行加壓方式;(b)垂直加壓方式

(1)等靜壓成形

基本原理:借助高壓泵的作用把流體介質(zhì)(氣體或液體)壓入耐高壓的鋼體密封容器內(nèi),高壓流體的靜壓力直接作用在彈性模具內(nèi)的粉末上,使粉末體在同一時間內(nèi)各個方向均衡受壓,獲得密度分布均勻、強度較高的坯塊。

成形模具:彈性模具圖3-47等靜壓原理圖1—排氣閥;2—壓緊螺母;3—頂蓋;4—密封圈;5—高壓容器;6—橡皮塞;7—模套;8—壓制坯料;9—壓力介質(zhì)入口

3.9特殊成形

彈性模具本身受壓縮的變形與粉末顆粒受壓基本一致。因此,彈性模具與所接觸的粉末之間不會產(chǎn)生明顯的相對運動,外摩擦力很小。等靜壓制過程中流體介質(zhì)傳遞壓力是各向相等的,靜摩擦力在坯塊的縱斷面上任一點均相同,坯塊密度分布沿縱斷面是均勻的。在坯塊同一橫斷面上,由于粉末顆粒間的內(nèi)摩擦作用,坯塊密度從外向內(nèi)逐漸降低,但變化不大。圖3-48不同直徑坯塊的密度分布冷等靜壓制流程圖3-49冷等靜壓制流程圖

冷等靜壓制步驟:

a.模具材料的選擇及制作。不同粉末選擇不同壓力、不同的模具材料;

b.粉末料的準備。粉末流動性、松裝密度、振實密度、粒度分布;

c.裝料、密封、抽氣。模具袋內(nèi)粉末要求裝滿,為防止壓制過程中氣體難以從模具中逸出,先抽出氣體,然后用橡膠塞塞緊袋口,再用金屬絲扎緊密封。

d.壓制和脫模。經(jīng)密封、抽氣后的模具袋套上多孔金屬管,放置在高壓容器內(nèi),加壓壓制,保壓后緩慢卸壓,脫模取出坯塊。

濕袋模具:模具浸泡在液體壓力介質(zhì)中經(jīng)受高壓泵注入的高壓液體進行壓制。

干袋模具:利用氣體作為介質(zhì)壓制,坯塊取出后,模具仍留在容器內(nèi)待用。圖3-50濕袋模具壓制1—排氣囊;2—壓緊螺帽;3—壓力塞;4—金屬密封圈;5—橡皮塞;6—軟模;7—穿孔金屬套;8—粉末料;9—高壓容器10—高壓液體;11—棉花圖3-51干袋模具壓制1—上頂蓋;2—螺栓;3—筒體;4—上墊;5—密封墊;6—密封圈;7—套板;8—干袋;9—模芯;10—粉末軟模壓制

剛性模具中裝入塑料模具,塑料模腔為異形,粉末裝入塑料模腔,可壓制異形坯塊。軟模材料:聚氯乙烯塑料圖3-52軟模成形示意圖1—鋼模沖頭;2—鋼模筒;3—塑料墊片;4—塑料軟模;5—粉末料;6—下塑料墊片;7—鋼模下墊(

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