關于用不同工藝制作的高密度鐵基粉末冶金材料性能的研究

1、關于用不同工藝制作的高密度鐵基 粉末冶金材料性能的研究 ，和 （ 公 司 ，）摘 要 ：可 能 有幾種方 法可使 鐵基粉末冶金零件達到 較 高 密 度 。二 次 壓 制二次燒結可使密度 大 于 ，但受到成 本 與幾何形狀條件的限制 。對一種新方法進行 了 評 價 ，用 這 種 方 法 可 一 次 壓 制 得 到 高 使 用 性 能 材 料 ，并將其和其他生產(chǎn)工藝進 行 了 比 較 。 比 較 是 利 用 與 基本材料進行的 。對 各 種 生 坯 與 燒 結 件 性 能 進 行 了 評 價 ，其 中 包 括 ：生 坯 強 度 ，橫 向 斷 裂 強 度 ，拉伸性能及沖擊值 。數(shù) 據(jù) 清 楚 地 證

2、 明 ，擁 有 專 利 的 工 藝 （溫 壓 ）提 供 的 使 用 性 能 可 與 二 次 壓 制二 次 燒 結 制 作 的 相 比 擬 。用一次壓制達到了生 坯 密度 值 的 無 孔隙密度 極限的 。 關 鍵 詞 ：；溫 壓 ；二 次 壓 制二 次 燒 結 ；鐵 基 粉 末 冶 金 零 件中 圖 分 類 號 ：文 獻 標 識 碼 ：文 章 編 號 ：（） ， ， ， ，： ；， （） ：； 收 稿 日 期 ：作 者 簡 介 ：，博 士 ，原美國海格納士公司研發(fā)部經(jīng)理 。 第 期等 ：關于用不同工藝制作的高密度鐵基粉末冶金材料性能的研究 末 供 給 輸 送 裝 置 。 將 陰 模 、上模沖及任

3、何大的芯棒 組 件 都 要 加 熱 到 和 粉 末 一 樣 的 溫 度 。將 加 熱 的 粉 末 裝 于 加 熱 的 陰 模 中 ，像常規(guī)粉末冶金零件生產(chǎn)一樣 進 行 壓 制 ，以 制 造 高 密 度高使用性能零件 。與 對 壓 制 過 程 進 行 過 較 詳 細 的 描 述 。 已 證明溫 壓 工 藝能 夠大 量生產(chǎn)高性能粉末冶金 零 件 。 這 篇 論 文將 溫壓 工藝得到的各種性能和 常 規(guī) 的一 次 和 二 次 壓 制 工 藝 進 行 了 比 較 。 為 進 行 評 價 ，選擇 了 二 種 以 高 使 用 性 能 為 基 粉 的 預 混 合 粉 組 成 。試驗 試樣 的制備與評定都是依

4、照 生 坯 密度 、生 坯 強 度 、燒 結 件 的 橫 向 斷 裂 強 度 （）、燒 結 件的拉 伸 強 度及 燒結 件的夏比沖擊性能的標 準 測 試方 法 進 行 的 。另 外 ，為評定溫壓工藝對尺寸變化與 脫 模 特 性 的 影 響 ，收 集 了 數(shù) 據(jù) 。前 言溫 壓（）工 藝 是 由 一 種 專 利 預 混合 粉 與 壓 制 工 藝 組 成 ，它能 用一次壓制與 一 次燒結 工 藝 生 產(chǎn) 密 度 接 近 的 粉 末 冶 金 零 件 。 預 混 合 粉 都 是 （溫 壓）工 藝 的 衍 生 物，因 此 ，可 保 證 流 動 性 和 耐 偏 聚 性 良 好 。溫 壓 工 藝 利 用 的

5、 是 傳 統(tǒng) 粉 末 冶 金 壓 制 設 備 ，但 需 要 將 粉 末 與 模 具 加 熱 到 適 當 溫 度 ，以 達 到 高 的 壓 制 成 形 密 度 。溫 壓 工 藝 圖 解 示 于 圖 。 壓 制 之 前 ，要 將 待 壓 的 粉 末 加 熱 到 范 圍 。 推 薦 將 粉 末 溫 度 控 制 在 最 大 變 動 范 圍 為 ，以 保 證 零 件 之 間 的 波 動 性 最 小 。 為了在這個溫度 范 圍 內(nèi) ，使 用 性 能 最 佳 化 ，溫 壓 工 藝 利 用 的 是 設 計 的 高 級 潤 滑 劑 系 統(tǒng) 。試 驗 程 序用 溫 壓 工藝 和常 規(guī)預混合粉方法制備了 二 種 預

6、混 合 粉 組 成 。溫 壓工 藝利用的是新開發(fā)的潤 滑 劑 系統(tǒng) ，而 常 規(guī) 預 混 合 粉 利 用 的 是 以 作 為 泣 滑 劑 。表 中 列出 了常 用的基本材料的化學組 成 與 預混 合 粉 的 具 體 添 加 劑 。圖 溫 壓 （）工 藝 流 程接 著 是 加 熱 ，將 粉 末 裝 于 貯 存 料 斗 中 ，其 將 粉表 評定的預混合粉的組成 （質(zhì) 量 分 數(shù) ）基 本 材 料預混合粉添加劑 基 粉石 墨潤 滑 劑試 驗 件 是 在 、 及 下壓 制 的 。在 所 有 場 合 下 ，對 每 一 種 試 驗 條 件 ，都 用 個 試 驗 試 件 進 行 了 評 定 。 生 坯 強

7、度 、橫 向 斷 裂 強 度（）及 拉 伸 強 度 試 樣 都 是 在 液 壓 式 壓 機 上 壓 制 的 ，而 夏 比 沖 擊 試 樣 是 在 的 壓 機 上 壓 制 的 。 常 規(guī) 混 合 粉 都 是 于 室 溫 下 ，在 二種 壓 機 上 壓 制 的 ，而 且 只 有 在 陰 模 溫 度 穩(wěn) 定 后 ，才 采集 試 樣 。溫 壓 的 試 樣 是 在 粉 末 與 陰 模 溫 度 為 下 壓 制 的 。除 了 一 次 壓 制一 次 燒 結 的 試 樣 外 ，還 用 二 次 壓 制二 次 燒 結 工 藝 制備了橫向斷 裂 強 度與拉 伸強度 的 試 樣 。在 第 一 次 壓 制 后 ，溫 壓

8、與 用 常 規(guī) 方 法 壓 制 的 材 料 都 在 的 氣 氛 中 ，于 溫 度下 預 燒 結 了 。 然 后 ，用 和 第 一 次 壓 制 同 樣 的 壓 力 ，將這些試樣進行第 二 次壓制 。 對 于 溫壓 和 常 規(guī) 制 備 的 材 料 ，第 二 次 壓 制 都 是 在 室 溫 下 進行 的 。壓 制 完 成 后 ，就 在 生 產(chǎn) 的燒結爐中燒結 。 基 粉 的 試 件 是 于 下 燒 結 的 ，而 基 粉 的 試 件 是 在 下 燒 結 的 。二 者 使 用 的 燒 結 氣 氛 都 是 。生 坯 密 度 、生 坯尺寸 比陰模內(nèi)徑的脹 大 及生坯 強 度 都 是 用 生 坯 強 度 試

9、樣 測 定 的 。所 有 燒 結 的 試 樣 的 密 度 都 是 用 浸 入 法 測 定 的 。另 外 ，橫 向 斷 裂 強 度 ， 燒結件 硬 度 及燒 結件 尺寸對陰模內(nèi)徑的變化 都 是 用橫 向 斷 裂 強 度 試 樣 測 定 的 。屈 服 強 度 （殘 余 變 形）、極 限 抗 拉強 度及 拉伸伸長率的值都是用 未 切 削加 工 的 ，標 距 長 度 為 的 扁 平 拉 伸 試 樣 ，在 應 變 速 率 為 下 測 定 的 。 無 凹 口 夏 比沖 擊 值 是 用 夏 比 試 樣 測 定 的 。 粉 末 冶 金 工 業(yè)第 卷表 中 列出 了二 種混合粉的生坯性能 。對 于 二種 材 料

10、 ，溫 壓 的 生 坯密度比常規(guī)工藝壓制的試樣高 （圖 ）。在 給 定 的 壓 制 壓 力 下 ，生 坯 密 度 增 高 的 范 圍 從 到 高 于 。生 坯 性 能結 果 與 討 論（）生 坯 性 能表 壓 制 壓 力生 坯 密 度生 坯 強 度生 坯 脹 大脫 出 的 峰 值基 本 材 料生 產(chǎn) 工 藝，溫 壓常 規(guī)，溫 壓常 規(guī)壓 生 坯 的 強 度 比 常 規(guī) 預 混 合 粉 生 坯 的 強 度 高 。于 壓 制 壓 力 下 ，溫 壓 的 生 坯 強 度 超 過 ，這是 該組 最高的生坯密度 。圖 關于用溫壓與常規(guī)工藝壓制的二種材料 （ 石 墨 潤 滑 劑 和 石 墨 潤 滑 劑 ）的

11、壓制壓力與生坯密度的關系 注 ： 圖 溫壓和常規(guī)工藝的生坯密度與生坯強度的 關 系 的 比 較 （）對 于 二 種 材 料 ，溫 壓 是 于 下 達 到 了 較高 密 度 ，而 相 應 的 常 規(guī) 預 混 合 粉 ，則 是 在 下 達 到 較 高 密 度 。在 下 ，二 種 溫 壓 預 混 合 粉 的 密 度 都 超 過 了 ，這 個 密 度 水 平 相 當于 接 近 這些混 合粉組成的無孔隙 密 度 的 。過 去 使 用 溫 壓 的 經(jīng) 驗 表 明 ，對 于 這 種 基 本 材 料 ，通 常 都 會 達 到 這 個 無 孔 隙 密 度 的 高 百 分 率 。溫 壓 工 藝 表 明 ，其 生

12、坯 強 度 明 顯 高 于 常 規(guī) 工 藝制 造 的 材 料 （圖 ）。 在 給定 的壓 力與給定的密度 下 ，溫 壓 的 生 坯 強 度 都 比 常 規(guī) 壓 制 的 試 樣 高 得 多 。對 于 二 種 材 料 ，在 密 度 接 近 的 情 況 下 ，溫圖 示 生 坯 尺 寸 對 陰 模 內(nèi) 徑 尺 寸 的 脹 大 。 在給 定 的 密 度 下 ，溫 壓制造的材料的生坯脹大比用常 規(guī) 工 藝 制 作 的 材 料 略 小 。這可能是溫壓機理 的 一 種 征 兆 ，因 此 溫 壓 工 藝比常規(guī)工藝壓制的材料可達到 較 高 的 密 度 。在 壓 制生坯密度的 試 驗 試 樣 時 ，記 錄 了 脫

13、模 力 的 峰 值 。這 種量 度應 該是潤滑劑使用性能的 一 個 指標 。數(shù) 據(jù) 示 于 圖 。 在 所 有壓制壓力與生坯 密 度 下 ，溫 壓 工 藝 的 脫 模力都比用常規(guī)工藝壓制的材料 小 得 多 。這 個 結果證實了以前觀察的 結 果，這 可 為粉末 冶 金 零件 生產(chǎn) 者提供重大利益 。 第 期等 ：關于用不同工藝制作的高密度鐵基粉末冶金材料性能的研究 圖 生產(chǎn)工藝與基本原料的化學組成對生坯尺寸和 與陰模內(nèi)徑尺寸相比脹大的影響 圖 壓制工藝對脫模峰值壓力的影響 （）（）燒 結 件 密 度 與 橫 向 斷 裂 強 度 （）由 二 種組成不同的材料 ，利 用 下 列 不 同 的 種 生

14、 產(chǎn) 工 藝 制 備 了 橫 向 斷 裂 強 度 試 樣 ：溫 壓 一 次 壓 制一 次 燒 結 ，常 規(guī) 的 一 次 壓 制一次 燒 結 ，溫 壓 二 次 壓 制二 次 燒 結 及 常 規(guī) 的 二 次 壓制二 次 燒 結 。 在 表 中 列 出 了 由 這 些 試 驗 得 出 的 燒 結 件 密 度 ，和 陰 模 內(nèi) 徑 相 比 的 尺 寸 變 化 ，橫 向 斷 裂強 度 及 燒 結 件 的 硬 度 的 結 果 。表 橫向斷裂強度性能 燒 結 件 密 度壓 制 壓 力橫 向 斷 裂 強 度尺 寸 變 化硬 度（）基 本 材 料制 作 工 藝溫 壓一 次 壓 制一 次 燒 結溫 壓二 次 壓

15、制二 次 燒 結常 規(guī)一 次 壓 制一 次 燒 結（于 燒 結 ）常 規(guī)二 次 壓 制二 次 燒 結溫 壓一 次 壓 制一 次 燒 結溫 壓二 次 壓 制二 次 燒 結常 規(guī)一 次 壓 制一 次 燒 結（于 燒 結 ）常 規(guī)二 次 壓 制二 次 燒 結圖示利用種壓 制 工 藝（于 下 燒 結）得出的 組 成 的 燒 結 件 的 密 度。用 溫 壓 一次壓制一次燒結得到的密度和用常規(guī)的二次壓制二次燒結得 到 的 密 度 相 似。在 壓 制 壓 力 的 范 圍 內(nèi)，這些密度的 平 均 值 比 常 規(guī) 的 一 次 壓 制 的 結 果 高 約 。二次壓制 的 溫 壓 的 試 樣，密度進一步增高，于 下

16、，密度超過了。圖 示 組 成 得 到 的 燒 結 件 密 度 （于下 燒 結）。這 些 結 果 表 明 ，溫 壓 二 次 壓制二 次 燒 結 的 燒 結件密度再一次比常規(guī)的二次壓 制二 次燒結工藝高約 。 在 給 定 的 壓 制 壓 力 下 ，常 規(guī) 的 二 次 壓 制二次燒結比溫壓的 一 次 壓 粉 末 冶 金 工 業(yè)第 卷圖 利用不同的壓制工藝制作的 石 墨 潤滑劑的燒結件密度 （在 氣 氛 中 ，于 下 燒 結）（）制一 次 燒 結 的 密 度 約 高 。 可 是 ，溫 壓 二 次 壓 制二 次 燒 結 比 常 規(guī) 的 二 次 壓 制二 次 燒 結 得 到 的 燒 結 件 密 度 約 增

17、 高 。圖 和陰模內(nèi)徑尺寸相比燒結件尺寸的變化 （于 （）和 于 下（）下 ，在 中 燒 結 ） 度 水 平 的 同 時 ，橫 向斷裂強度試樣在試驗時撓曲顯 著 。這 暗 示 ，拉 伸 試驗結果是材料使用性能的一種 較 好 的 量 度 。圖 示在橫向斷裂強度試樣上測定 的 硬 度 值 。這 些 結果一般地隨從橫向斷裂強度值 ， 這 再 一 次 表 明 物 理 性 能 取 決 于 密 度 。圖 用不同壓制工藝得到的 石 墨 潤滑劑的燒結件的密度 （）圖 示 二 種材料的尺寸 和 陰 模內(nèi)徑 尺 寸相 比 的 尺 寸 變 化 。對 于 給 定 的 密 度 ，溫 壓 的 材 料 和 用 常 規(guī) 工

18、藝 制 作 的 材 料 相 比 ，和 陰模內(nèi)徑尺寸 相 比收縮 略 大 （）或 脹 大 較 小 （）。二 種 制 作 工 藝 的 尺 寸 變 化 間 的 差 異 ，可 能 和 生 坯 的 尺 寸 脹 大 （見 圖 ）相 關 。 試 驗 結 果 表 明 ，二 種 工 藝 制 作 的 材 料 燒 結 程 度 相 同 。圖 示 由 材 料 和 圖 示 由 材 料 ，用 種 制 作工藝中的每一種 工 藝 制 作 時 的 橫 向 斷 裂 強 度 值 。這 二 個 圖 都 清 楚 表 明 了 密 度 對 強 度 的 重 要 性 。 對 于 這 二 種 材 料 ，在 每 一 種 壓 制 壓 力 下 ，溫 壓

19、 一 次 壓 制一 次 燒 結 工 藝 達 到的 橫 向 斷 裂 強 度 值 都 比 由 預 混 合 粉 用 常 規(guī) 工 藝 制 作 的 試 樣 約 增 高 。重 要 的 是 ，要 注 意 在 達 到 高 密圖 用溫壓與常規(guī)工藝壓制的 材 料的橫向斷裂強度 （）圖 用溫壓與常規(guī)工藝壓制的 材料的橫向斷裂強度 （）拉 伸 性 能 第 期等 ：關于用不同工藝制作的高密度鐵基粉末冶金材料性能的研究 圖 用溫壓與常規(guī)工藝壓制的 材料的屈服強度 （ 殘 余 變 形 ）。（）圖 用溫壓與常規(guī)工藝壓制的 與 材 料 的 硬 度 值對 于 二 種 材 料 ，都 測 定 了 拉 伸 性 能 ，其 中 包 括 屈

20、服 強 度 （殘 余 變 形 ），極 限 抗 拉 強 度 ，伸 長 率 及 硬 度 。除 了 用 溫 壓 壓 制 的 ，僅 只 測 定 了 一 次 壓 制一 次 燒 結 的 數(shù) 據(jù) 外 ，對 于 每 一 種 材 料 與 壓 制 工 藝 都 采 集 了 一 次 壓 制一 次 燒 結 和 二 次 壓 制二 次 燒 結 的 數(shù) 據(jù) 。試 驗 結 果 列 于 表 中 。 圖 圖 分 別 示 組成的極限抗拉 強 度 ，屈 服 強 度 （ 殘 余 變 形 ）及 伸 長 率 的 數(shù) 據(jù) ， 而 圖 圖 分 別 示 組 成 的 數(shù) 據(jù) 。和 橫 向 斷 裂 強度的方式一樣 ，強度與伸長率都 明 顯 取 決 于

21、 密 度 。圖 用溫壓與常規(guī)工藝壓制的 材料的拉伸伸長率 圖 用溫壓與常規(guī)工藝壓制的 材料的極限抗拉強度 （）圖 用溫壓與常規(guī)工藝壓制的 材料的極限抗拉強度 （）用 溫 壓 工 藝 ，由 組 成 得 到 的 屈 服 強 度 與 極 限 抗 拉 強 度 ，在 給 定 的 密 度 下 ，都 比 常 規(guī) 的 預 混 合 粉 有 所 改 進 。 在 給 定 的 壓 制 壓 力 下 ，評 價 一 次 壓 制一 次 燒 結 工 藝 時 ，溫 壓 工 藝 比 常 規(guī) 工 藝 的 極 限 抗 拉 強 度 平 均 增 高 ，而 屈 服 強 度 增 高?？?察 二 次 壓 制二 次 燒 結 時 ，用 溫 壓 制

22、備 的 試件 的 屈 服 強 度 與 抗 拉 強 度 ，分別比常規(guī)工藝增高了 與 。盡 管 用 常 規(guī) 工 藝 二 次 壓 制二 次 燒 結 制 備 的 材 料 ，其 燒結件的密度比溫壓工藝或多或 少 的 高 一 些 ，但 在 同 樣 的 壓 制 壓 力 下 ，強 度 值 接 近 相同 。伸 長 率（圖 ）的 值 表 明 ，其 強 烈 地 取 決 于 燒 結 件 密 度 。在 這 些 數(shù) 據(jù) 中 ，值 得 注 意 的 是 ，用 溫 壓 二 次壓 制二 次 燒 結 工 藝 的 伸 長 率 達 到 了 接 近 。在 評 定 化 學 組 成 （圖 圖 粉 末 冶 金 工 業(yè)第 卷）時 ，趨 勢 相

23、似 。 用 溫 壓 一 次 壓 制一 次 燒 結 比 用常 規(guī) 一 次 壓 制一 次燒結工藝制 作 的 試件的 屈服強 度 與 極 限 抗 拉 強 度 分 別 增 高 了 與 。在 給 定 的 壓 制 壓 力 下 ，溫 壓 一 次 壓 制一 次 燒 結 和 常規(guī) 的 二 次 壓 制二 次 燒 結 試 件 相 比 ，僅 只 屈 服 強 度 與 抗 拉 強 度 略 低 一 些 ?？?是 ，溫 壓 一 次 壓 制一 次 燒 結 表 明 ，其 伸 長 率 要 高 得 多 。圖 用溫壓與常規(guī)工藝壓制的 材料的屈服強度 （ 殘 余 變 形 ）（）圖用溫壓與常規(guī)工藝一次壓 制一 次 燒 結 的 材料的夏比沖

24、擊值 圖 用溫壓與常規(guī)工藝壓制的 材料的拉伸伸長率 圖 用溫壓與常規(guī)工藝一次壓 制一 次 燒 結 的 材料的夏比沖擊值 表 拉 伸 性 能屈 服 強 度（殘余變形）極 限 抗 拉強 度壓 制 壓 力燒 結 溫 度燒 結 件 密 度伸 長 率硬 度（）基 本 材 料制 作 工 藝溫壓一次壓制一次燒結溫壓二次壓制二次燒結常規(guī)一次壓制一次燒結常規(guī)二次壓制二次燒結 溫壓一次壓制一次燒結常規(guī)一次壓制一次燒結常規(guī)二次壓制二次燒結 第 期等 ：關于用不同工藝制作的高密度鐵基粉末冶金材料性能的研究 表 沖 擊 性 能壓 制 壓 力燒 結 溫 度燒 結 件 密 度沖 擊 能 量硬 度（）基 本 材 料壓 制 工 藝溫 壓一 次 壓 制一 次 燒 結常 規(guī)一 次 壓 制一 次 燒 結溫 壓一 次 壓 制一 次 燒 結常 規(guī)一 次 壓 制一 次 燒 結（）沖 擊 性 能僅只用一次壓制一次燒結的試 件進行了沖擊試 驗，試驗 結 果 列 于 表 。 基 材 料 的 沖 擊值 與 燒 結 件 密 度 的 曲 線 圖 示 于 圖 ，而 基材料的沖擊值與燒結件密度的關系的曲線圖 示于圖。如同所預期的，這二個曲線圖都表明，沖擊能是每一種化學組成的密度的函數(shù)，而和壓制工藝無關。溫壓工藝制作的材料密度較高，從 而 沖 擊 性 能 明顯增高。用溫壓制作的 混合粉材料， 在燒結 件 密 度 下，最 高 值 達 到 了 。