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粉末冶金温压技术的发展
发布时间:2013-8-18 16:46:10
  自1994年钢铁粉末冶金温压工艺在国际上取得突破以来,国内除宁波东睦,扬州保来得粉末冶金有限公司少数厂家引进温压生产线以为,大多数企业处于观望状态。有限的几个大专院校,科研院所对该技术进行了消化,吸收和试图国产化的研究。国家863计划、95攻关等项目也对此有不同强度的支持。 
  可以确定的是,新技术通过一次压制,一次烧结的较低成本工艺使零件密度提高0.15~0.25g/cm3。问题是这个密度的提高究竟给我们提示了什么?温压技术对粉末冶金铁基结构零件的发展前景?经过6年的实践,国际上有什么新进展,我们到底对温压技术有一个怎样的基本认识,温压技术的控制因素--温压技术的“瓶颈”问题什么,产业化的困难及具有操作性的对策,这些都需要 认真思考。 
  6年来的总体工作表明,温压技术的实施和实现产业化取决于两个系统工程的成功实施;即开拓市场需求的系统工程和技术系统工程的合理操作。系统中的各个环节相互制约,需要通盘考虑。如果某一个环节出现问题,都不会得到好的高密度温压产品,更不要说温压技术实现产业化了。 
  1 开拓市场需求的系统工程与标志性产品 
  温压技术产业化所需要的第一个系统工程是需求的系统工程即:“企业需求--市场需求的推动--市场需求--再到企业需求”。
  企业对发展的迫切需求是温压技术诞生的原动力。从温压技术发展史看,在粉末冶金铁基结构零件生产技术方面,第一个取得专利的企业是美国Hoeganaes公司。该公司为瑞典在美国的分公司,高质量的还原铁粉是早期的主打产品。温压技术能从该公司诞生,而不是从高水平的压件公司诞生,其关键原因是该公司长期以来不断追求发展,不断研究提高粉末质量的途径,在部分预合金铁粉、无偏析(包复)混合粉开发成功以后,就为温压技术的出现奠定了基础。 
  实际上,单就在100~300℃温度下压制混合粉末的这一个技术操作而言,早在80年代中期,美国通用汽车公司就已开始了系统的研究。施压的对象是铁粉、润滑剂与聚合物的混合物。其作法是将有机润滑剂,聚合物均匀的包复在铁粉颗粒表面,压制或注射成形后不烧结,压坯由相互绝缘的铁粉组成以便用铁合金颗粒铁芯替代交叠层变压器用硅钢片铁芯。后来的研究导致了1991年以后粘结永磁Nd-Fe-B材料的净形零件的产业化。 
  由文献上看,当时美国通用汽车公司提供的数据已包含了少量包复的有机润滑剂可以提高压坯的整体密度的内容。但那时没有谁往铁基结构件上联想,即便考虑到了,也没有大批量合适的生产原料。 
  80年代末至90年代初,美国Hoeganaes公司开发的部分预合金铁粉,无偏析(包复)混合物不仅满足了高质量中密度铁基结构件的需要,而且也为温压技术的研究开发与成功提供了条件。可以说,没有企业对发展(包括技术与产品)实质上的需求,就没有温压技术的诞生。 
  新技术问世后,市场需求的推动是极为重要的。其目的是让温压铁基结构件逐步扩大它的市场占有份额。为此,温压技术必须解决这样几个问题:①温压与室温压制相比压坯密度提高0.15~0.25g/cm3,如果高密度在烧结后能保持下来,则对铁基结构零件性能的影响。②是否有室温一次压制工艺不能制造的,新而多的标志性产品。③温压工艺的适用性和局限性有多大。 
  仅就疲劳性能来说明密度的提高对性能的影响。高性能粉末冶金铁基零件的标志之一是它的疲劳性能要高。比如,全致密合金钢(0.6C1.5Cu0.5Mo1.75Ni余Fe)的疲劳强度为460MPa(2*108次循环),而密度为6.9g/cm3的材料强度仅为130MPa(2*108次循环)。如果材料的密度提高到7.19g/cm3(0.5C1.5Cu0.55Mo2.0Ni余Fe)疲劳强度则可提高到368MPa。密度提高到7.28g/cm3,需加入合金元素Cu,Mo,Ni,或用0.4C和Fe,疲劳强度可以达到449MPa(1*107次循环),接近致密钢材的疲劳强度。使性能大幅度的提高这是粉末冶金铁基结构零件的开发者和生产者梦寐以求的。 
  温压技术正在制造出室温一次压制工艺不可能制造出来的,新的越来越多的标志性产品。 
  例如,德国Sinterstahl GmbH公司用温压技术生产复杂的摩擦传动用同步齿环,在美国新奥尔兰举行的PM2TEC 2001国际会议上获奖。该零件的齿部密度超过7.3g/cm3,环体密度超过7.1g/cm3,生坯强度达到28MPa。采用了扩散合金化的烧结硬压粉末,最低抗拉强度为850MPa。由于使用了温压技术和采用粉末冶金零件,使得综合成本降低了38%。 
  美国Chicago Powdered Metal公司从1995年已开始用温压技术生产电力机车发动机齿鼓零件。该零件重达1.1kg,密度7.3g/cm3,是Ford Motor Co公司采用的第一个温压零件。Chicago Powdered Metal公司认为,温压技术的产业化将为粉末金属的应用开拓了一个新时代。 
  瑞典Hogannas AB公司温压Ni-Cu-Mo钢粉,为重载车辆(如公共汽车和大卡车)制造变速箱用零件,零件的密度为7.25~7.35g/cm3。详细地研究了密度,组织,热处理特点。跑车试验证明,温压烧结钢的零件不仅能够满足重载车辆的使用要求,而且会使零件的成本降低。 
  在我国,也不断出现温压新产品。195年北京科技大学与武汉钢铁(集团)粉末冶金公司合作通过国家95攻关,于1997年成功的利用全部国产设备,国产原料,自行设计的温压模具一次压制软磁产品,重量为950g,磁轭的生坯密度达到7.37g/cm3、烧结密度7.41g/cm3。磁性能Hc=84.4A/m,Umax=5 850,Bmax=1.50T,代替了原复压复烧工艺。 
  华南理工大学于2001年研制成功两种有代表性的温压新产品,高性能斜齿轮和薄壁气门导筒。 
  斜齿轮参数为:法向模数mn=5.5,齿数z=10,an=25o,螺旋角β=8.1o,齿宽B=32mm。采用了有模壁润滑的温压技术。无模壁润滑的温压技术的零件密度为7.2g/cm3,而有模壁润滑的温压技术的零件密度达到7.28g/cm3。 
  壁厚为2mm的薄壁气门导筒的材质是高含量陶瓷颗粒增强的铁基粉末冶金复合材料。采用 两次装粉,即导筒的筒身和筒底是两种不同的粉末,依次装粉。温压技术的采用,不仅保证零件有高于98%相对密度,而且减少了层次开裂等压制缺陷。 
  2 技术系统工程 
  目前,温压技术已从只涉及压制的温压发展到同时考虑压制、烧结及后处理的温压。压制过程从粉末内润滑,发展到同时使用有效的模壁润滑。最佳温压温度的确定,从试验探索到定量的预测分析。温压的对象也从铁和钢粉发展到不锈钢粉、复合材料粉等。符合中国国情的温压压机改造成功并已定型制造。以下就这几方面的进展作一简要介绍。 
  2.1 只涉及压制的ANCORDENSE温压系统 
  美国Hoeganaes公司宣称的低成本,高密度的ANCORDENSE温压工艺一开始就被强调为只涉及压制的一个系统。其基本思路是:用特定的钢铁粉末,用特定的润滑剂,用特定的混合技术,用特定的温压工装和特定的温压温度才能压制出特定的高于7.30g/cm3(压制压力为690MPa)的铁基零件。每一个特定是该系统的一个环节,缺一不可。购买这样一套系统的模具和操作工艺,1996年的价格是4~5万美元。附加条件是必须使用售货方的粉末,并承诺不得将模具结构和工艺扩散给第三方。 
  2.2 改进的“设计—温压—烧结—后处理”全过程工艺系统 
温压只是铁基粉末冶金零件生产过程中的一道工序。它的成功并不一定代表最终零件生产的成功。必须把温压放在零件生产的全过程中加以考虑。经过5年的实践,北京科技大学逐渐形成了一个以“设计—温压—烧结—后处理”逐道工序构成,前后统筹考虑的“温压—烧结”分析和实施系统。 
  2.2.1 设计环节 
  从零件的几何尺寸考虑,是否所有的铁基粉末冶金零件都可以用温压工艺来提高其生坯密度?从零件的化学成分考虑,是否通常Fe-Cu-C,Fe-P-C,Fe-Ni-Mo-Cu-C的化学成分构成都适用于温压? 
  通过建立温压生坯密度预测方程和引入温压侧压系数,建立了零件的几何尺寸,特别是高径比的不同,对温压效果的影响。唯象理论的分析表明,大的高径比的零件并不适用于温压工艺。在相同的温压制度下,大的高径比零件的生坯密度低于小的高径比(如圆盘零件)0.2g/cm3Z左右,温压失去有效性。 
  从零件的高径比对温压有效性的影响来看,对不同高度的制品,温压后零件截面的密度分布可能更加不均匀。因此在设计零件工艺时,除了考虑补偿装粉外,还要考虑模具的温度分布。 
  在化学成分和原材料形态方面,值得注意的是过量的硬脆合金元素如磷-铁合金粉会降低温压生坯密度。合金元素水雾化铁粉Fe-Cu-C成分的温压效果比水雾化(Fe-Mo)合金粉Fe-Ni-Mo-C成分的温度密度低得多,而石墨的添加对温压生坯密度有明显的负面影响。改变石墨的种类,粒度和形态以增加生坯密度是零件成分设计时必须考虑的重要问题。 
  2.2.2 温压环节 
  已经研究的温压工艺的影响因素包括:润滑剂和粘结剂的加入对铁粉流动性和松装密度的影响;温压压制过程润滑剂的优选;铁粉特性对温压生坯密度的影响,压制参数对铁粉温压致密化的过程的影响;温压过程致密化机理探讨,详述如下: 
  (1)铁粉。1995年,研究伊始发现,没有一种国产品牌粉末可以原封不动得以供货态用于温压工艺。处于这种无米之炊的境地是很自然的。ANCORDENSE温压系统的第一个环节是用特定的钢铁粉末,这个特定的定义是限定在高压缩比水雾化铁粉的范围之内。这种钢铁粉自发明以来已经经过近30年左右的完善和产业化过程。而国产的水雾化铁粉从整体上说还达不到这种水平。 
  经过从化学成分,粒度组成,颗粒形貌等分析和实验工作,确认了适合于温压的铁粉的基本特性,即:含O2量<0.1%,含C量<0.006%,含N2量<0.003%,松装密度3.0~3.2g/cm3。与国外的水雾化铁粉相比,1995年我国的成批量供货的最好的粉末含O2量为0.25%,含C量为0.02%,含N2量为0.0043%。但是到了2001年,至少鞍钢粉材厂的水雾化铁粉在含O2量和含C量的指标上,已达到了这个标准。 
  然而,作为温压用粉的内在质量是非常重要的,因为它是在已有的粉末压缩性上,再提高一定的量。就温压而言,国内粉和国外粉的主要差距是高压制力下的压缩性不够高,如700~800MPa下的粉末压缩性并不比600MPa下的高,而且模具拉伤严重。 
  为了获得高质量的国产水雾化 温压粉,首先,在确保低的含O2量和含C量的前提下,大幅度降低含N2量 。其次,要降低粉末中的非金属夹杂物。进而通过改变和优化雾化条件,调整粒度组成和颗粒形状,以利于粉末在压制过程中的颗粒重排。关于粉末颗粒重排,中南大学曾经由冶金粉尘中回收铁粉,适当扩散合金化,制备出温压原料。其温压机制被认定为粉末颗粒重排效果的改善。 
  (2)润滑剂。分析了由1976~1994年的17篇美国专利,与温压工艺直接相关的有4篇,其余为温压粉润滑方式、温压发展及形成相关的专利。在这些专利中,对润滑剂予以了特别强调。几乎所有的热塑性高聚物及其复合高聚物全部被专利所覆盖。国外专利化的润滑剂是一种复合的酰胺基蜡,有一个150~250℃的熔化温度区间。低熔点的单酰胺在温压温度下熔化,起液体润滑作用,二酰胺和聚酰胺有较高的熔点,可起固体润滑剂作用。美国生产的一种可以作为温压用的润滑剂。商品牌号为:ADVAWAX 450 amide,生产公司为Morton International,Cincinnati,Ohio USA。 
  考虑到知识产权的约束,为配制新的润滑剂,北京科技大学进行了复合润滑剂玻璃化温度随压制压力变化规律的理论探讨,提出了某种数量关系。改进的润滑剂不必局限于热塑性高聚物。某些低聚物或大分子量润滑剂与特定的压制温度相匹配,也可以应用于温压,这一点是北京科技大学1995年攻关中的一个重要结果。 
  (3)模具。北京科技大学与武钢集团粉末冶金有限公司,针对磁轭零件于1996年在国内研制出第一套自行设计的温压模具。实践中发现,模具的设计并不神秘。模具材料以M2高速钢为实验材质。在小型批量生产中,采用内镶硬质合金模具以适应温压环境。另外,关键的是实现自动模具结构,可保证操作的安全性和简易性。 
  华南理工大学与广东华金公司,在粉末冶金齿轮温压模具的设计与制造方面积累了较丰富的经验,现已有数种齿轮由内润滑温压技术生产。 
  这里之所以提到内润滑温压技术,是因为目前出现的新专利和某些经验表明,将内润滑温压技术改变为外润滑温压技术是温压发展的必然趋势。外润滑指的是模壁润滑,其与温压是平行的两个提高铁基结构零件密度的手段。 
  模壁润滑分湿润滑和干润滑。较早的研究和探索是利用于润滑剂和润滑液体喷向模壁的润滑方式,称为湿润滑。湿模壁润滑的模具结构复杂,难以实现自动化生产。近期发展的干模壁润滑,它不仅克服了湿模壁润滑制备的压坯表面易粘粉,影响烧结件的表面质量;而且,用非聚四氟乙烯干粉润滑剂以静电吸附的防护司粘着在阴模内壁,铁零件的压坯密度已达7.55g/cm3,加拿大QMP公司决定在2002年开展在温压的过程中采用模壁润滑,以期铁基零件的密度大于7.4g/cm3。我国“十五”863华南理工大学、北京科技大学和中南大学的温压研究项目也有这方面的内容。北京科技大学正加紧开发成本低、适用性强的干粉模壁润滑装置。 
  (4)温压温度。没有一成不变的温压温度,也就是说最佳温压温度(包括粉末温度和模具温度)的制定,必须根据零件的几何尺寸来调整。加拿大QMP公司的经验是同一种材质装粉高度为1.0cm,最佳粉末温度为140℃,装粉高度为2.5cm和3.8cm时,最佳粉末温度分别降到100℃和90℃左右。北京科技大学在理论上初步进行了分析,建立了一个温压压制压力、零件几何尺寸和最佳温压温度之间的因果关系,为制定温压工艺提供了一个量的预测方法。 
  就粉末温度和模具温度的高低而言,与ANCORDENSE温压工艺不同,北京科技大学强调了两种不同的温压制度的:应用即保留式温压和排出式温压。这两种不同的饿温压制度影响着而后的烧结制度的选择。保留式温压在模具温度低于润滑剂的熔点范围。润滑剂在温压过后仍有相当一部分保留在压坯之内;排出式温压指的是选择模具的某一部分的温度高于润滑剂的熔点范围,润滑剂在完成了润滑粉末颗粒的作用后大部分被排挤出压坯。究竟选取何种温压制度必须根据零件尺寸、模具结构、批量大小和烧结工艺等因素进行综合考虑。 
  2.2.3 烧结环节 
  当生坯密度大于7.2g/cm3,采用保留式温压方式压制时会有相当多的润滑剂被挤入封闭孔洞之中。烧结时不能简单的采用通常的一次推杆炉一次烧结,必须采用低温预烧,将润滑剂在此温度下分解出的CO,H2,N2排除。实验表明,真空预烧可以较充分地排除润滑剂,在氢气中预烧次之。不低温预烧,将使最终烧结密度低于温压压制的生坯密度。温压-烧结工艺就整体效果看并不能提供密度产品。采用排出式温压可以简化烧结工艺,但排出式温压工艺的应用对所生产零件的形状和模具设计有较苛刻的要求。 
  2.2.4 后处理环节 
  后处理限指热处理和表面强化处理。为了进一步提高温压-烧结烧结钢零件的强度指标,试验了在残余孔洞周围形成了贝氏体,基体形成马氏体的可能性。研究表明Fe-Mo-Ni-Cu-C系,适当改变加入石墨的方式,完全可以实现烧结在线等温处理,生产出密度大于7.3g/cm3,残留孔洞周围形成缺口不敏感性的下贝氏体组织,热处理后抗拉强度大于1 200MPa. 
  这里提到的表层强化处理的概念是,通过强化烧结(液相烧结和强化烧结)在温压烧结钢零件表层形成一定深度的全致密组织。为大幅度提高制品的疲劳强度创造条件。为开发温压轿车连杆预定技术保证,表层强化烧结温压烧结钢的思路获得了国家自然科学基金(2000~2003年)的资助,现已取得可喜进展。 
  3 产业化 
  3.1 强力发掘市场需求 
  高密度,高强度粉末冶金烧结钢零件的市场需求是温压技术产业化的源动力。长期以来,中、低密度粉末冶金零件的市场已趋于饱和,其零件较低的强度性能对粉末冶金烧结钢的市场声誉有一定的负面影响。特别是应用粉末冶金产品的设计人员,往往对高强度、高密度存有疑虑。因此,市场开发人员应当真正了解温压产品的优异性能,以具体的技术数据,及国内外生产的主要产品如链轮、齿轮的经验,作好开发工作。任何一个企业,如果在实际上没有强力发掘市场需求的能力,在计划时代还可能生存;那么在面临加入WTO后严酷的竞争形势面前,只能“坐以待(关)闭”。 
  3.2 选择正确的结合部 
  温压技术的产业化即国产化,只有充分结合我国产业的实际情况进行开发,才能可能获得较大的进展。从国民经济的全局看,粉末冶金行业是一个小产业,它的发展必须也只能依附于国民经济支柱产业的发展。轿车产业的发展规划曾经给粉末冶金的发展规划带来某种刺激。现在看来,真正把降低几十公斤零件成本而采用粉末冶金产品这件事看得很重的发动机主机厂为数并不多。因此,高密度温压粉末零件的一大出路应当着眼于配件市场。只要高密度温压冶金零件的质量过硬,拥有了用户,就一定会促进主机市场的开发,这就是市场的结合部问题。 
  其次是,温压技术与粉末冶金厂家本身的结合问题。没有引进国外先进技术的粉末冶金厂家占多数,资金的投向一定是非“待闭”企业,因而是可持续发展或有可能持续发展的粉末冶金厂,温压技术必然会转化成生产力。 
  3.3 市场经济条件下的“研究—企业集合”体 
  国外温压技术从实验室到产业化大致用了5年左右的时间。与其它先进技术相比,温压技术产业化的速度是快的。其中一条成功的经验是,该技术从一开始就是以“研究—企业集合”的面貌出现的。粉末冶金工艺人员、压机制造商、化工、化学研究人员,组成一个集合体来突破技术的各个环节。在这方面行业协会或学会应当发挥更大的作用。 
  温压技术产业化的根本出路在于,真正理解和掌握温压—烧结工艺系统的各个环节,在有可能持续发展的骨干粉末冶金企业的牵头和带动下,组成一个各方均可受益的粉末、制件、压机、化工厂商和研究团体的“研究—企业集合”体,以典型的温压系列产品开拓钢铁粉末内冶金高密度、高强度零件的新市场。
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