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获得高使用性能一次压制一次烧结工艺

发布日期:2020-08-30  浏览次数:238
 温压

温压是,在120~150℃温度范围内,将由适量的粘结剂与润滑剂系统和粉或低合钢粉组成的预混合粉压制成形的一种压制工艺。温压最初是将预混合粉与压制的模具都加热到上述的温度范围;在这些温度下,由于铁的压缩屈服强度减低,伴随着润滑软化,在接近PFD的密度情况下,在阴模内产生似等静压,从而使生坯达到了较高密度。值得注意的是,一般添加的润滑剂数量为0.6%;因此,可得到较高的PDF。温粉压制结果表明,整个零件的密度较均匀,而且,和粉末冶金压制相关的中和区最小化。这种中和区减小是一种优势;因为密度的均匀性增大,意味着零件内部的性能较均一,对低密度区和其对最终零件使用性能的影响较少。

1)温压对生坯与烧结件的密度和力学性能的影响:温压可使粉末冶金零件的生坯与烧结件的密度分别增高0.10g/cm3、0.25g/cm3。图3示添加0.6%石墨的FD-0405扩散合金化粉预混合粉的生坯与烧结件的密度的改进结果。温压在较低压力下,可将生坯密度增高较大;其达到了在常规压制时,于较高压力下达到的密度。在较高的压制压力下,阴模型腔中的预混合粉已接近PFD;因此,进一步增高压力时,生坯密度将不会再增高,实际上可能产生过压,并使粉末冶金零件形成微小分层。图4(略)汇总了用常规与温压压制工艺,在410~690MPa的压制压力范围内,压制的扩散-粘结材料的横向断裂强度(TRS)的结果。表3中汇总了由各种预混合粉组成,温压的烧结件的力学性能。温压适用于所有的铁与低合金钢粉的混合粉。烧结件密度增高的多少取决于材料系统和随后的零件加工处理。添加的预混合粉在烧结时发生胀大,这对温压工艺无益;因此,认为对于含铜的预混合粉,不适于采用温压压制。在Donaldson等进行的试验研究中[10],将温压的粉末冶金零件,于871℃下进行了预烧结,随后在高达690MPa的压力下,于室温下进行了二次压制(整形)。二次压制后,在1120℃或1260℃下进行了烧结,制得的烧结件的密度达到了7.5~7.6g/cm3。当与密度为7.4g/cm3的烧结件相比较时,这些密度较高的烧结件,横向断裂强度增高了约15%;更重要的是,冲击能量增高了50%~80%。这些研究证明,对于温压零件,采用二次压制/二次烧结(DP/DS)工艺生产,可显著增高粉末冶金材料的力学性能。这类零件的综合力学性能等同于韧性铸铁和切削加工的碳钢锻件的性能。

2)增高生坯强度:温压工艺的较次要优势是,可增高零件压坯的生坯强度。生坯强度的增高,是由于粉末颗粒变形较大和在温压中使用的独特粘结剂与润滑剂发生的最佳协同作用。生坯强度值的增高,是在密度显著低于PFD值水平下实现的(见图5)。这些数据表明,由于温压可增高生坯密度,其在应用于密度较低的零件时,可减小零件的损坏或零件易碎特征部分的碎裂。由于温压可增高生坯强度,从而使着可对生坯进行切削加工。在汽车变速器的粉末冶金换档拨叉的大量应用中,一直在采用生坯切削加工生产[13]。零件压制成形后,于生坯状态下进行铣削加工,这可减小零件的整个生产成本。用预合金化钢粉+2%Ni+0.5%石墨+0.6%润滑剂的预混合粉温压后的生坯,通过钻削试验,进行了切削性研究。这项研究证明:在高速与高进给比的切削条件下,可得到令人满意的生坯表面粗糙度;另外,将标准钻头的几何形状从标准的90°横刃钻头改变为135°分裂点钻头,可改进切削表面的粗糙度。在确定生坯切削加工参数之前,建议先进行试验,检验钻头的几何形状、切削速度及切削进给比的效果。粉末冶金零件的生坯切削加工和烧结硬化相结合,可为零件设计者在零件设计与材料选择上提供较大的灵活性。

温模压制

关于用一次压制/一次烧结(SP/SS)得到较高生坯密度的第二个较新的方法是,仅只对模具加热,而不对粉末进行任何预热,将阴模加热到60~70℃温度范围之内。和温压工艺一样,为将密度比常规的预混合粉压制增高0.05~0.15g/cm3,这种工艺也综合有粘结剂与润滑剂技术。和温压工艺一样,除了增高生坯与烧结件密度之外,此生产工艺还可以减少扬尘,改进流动性及增大阴模的充填量。这些因素都可以增高粉末冶金零件的一致性和质量。图6示用常规压制、温压及温模压制可得到的生坯密度的比较。温模压制的优势在于,可增高密度(0.05~0.15g/cm3)、附属设备较少及可减小粉末的损耗。不足之处有:由于传递到粉末中的热量有限和润滑剂的总含量较低,零件的高度最高不大于25mm[16];要增高密度,压制压力需要>550MPa。对于温热粉末/温热阴模的方法来说,这种零件高度的限制,似乎不是问题,已经成功地生产出了高度高达63.5mm的零件。这两种温压工艺的生坯密度增高,都是依靠对粉末进行加热和减小添加于预混合粉中的润滑剂的数量。就这一点而言,减小预混合粉中润滑剂的含量时,润滑剂必须使着易于脱模;因此,润滑剂都是能满足压制方法要求的独特配方。

模壁润滑

如上所述,减少添加于预混合粉中润滑剂的数量,对增高粉末冶金零件生坯密度与烧结件密度都有重大影响。理论上,最需要添加润滑剂的地方,是阴模模壁处。模壁润滑不是一个新观念,可靠的模壁润滑系统,一直在被研究与开发。过去的使用水基或溶剂基系统的研究成果,在装粉之前都需要一个干燥过程;静电系统的开发消除了干燥过程,并使着可将内部润滑剂的总含量减小到0.2%~0.4%。依照图2(略)中的结果,这使着可将生坯密度增高0.15~0.25g/cm3,同时生坯与烧结件的强度也相应增高。模壁润滑的其它优势还有,需要除去的内部润滑剂含量较少,从而烧结过程中的排放物也相应地减少。图7(略)示内部润滑剂的减少对生坯密度的影响;注意,生坯密度不可能>7.4g/cm3。模壁润滑要在产业中被接受,实质上其喷涂技术必须可靠和能够用倾倒法装粉。

选择性表面致密化

增高粉末冶金零件芯部密度的好处在于:可增高齿轮的拉伸性能,改进弯曲疲劳耐久性及增高滚动接触疲劳(RCF)强度。鉴于粉末冶金零件的选择性致密化,可改进RCF耐久性和提高尺寸精度,因而日益受到关注。早期的试验工作表明了这种工艺是如何适用于大量的粉末冶金零件的;这种工艺还能成形齿轮的导程与轮廓的拱起部位,为最终用户提供的齿轮成品不需要进行后续加工。重要的是,认识到了选择性致密化与高的芯部密度相结合,制造出的粉末冶金零件的拉伸与弯曲疲劳性能和锻钢零件的性能相同。采用选择性致密化时,其RCF性能也和锻钢等同。这种独特综合性能,为用粉末冶金齿轮替代高负载汽车变速器齿轮提供了可能。表4(略)示采用高密度工艺加工的FLN2-4405的力学性能与淬火/回火处理的AISI8620锻钢性能的比较。AISI8620钢表明,其疲劳与冲击性能两者都有明显的方向性。

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