包邮粉末冶金致密化过程控制与数值模拟

第1章　粉末冶金成形过程控制与成形方法 粉末冶金技术具备短流程、高效节能、近净成形、少污染和性能优异且精度高等技术优势，集材料制备与零件成形于一体，逐渐成为当今材料学科的独*领域，在机械制造、交通运输、新能源开发和航空航天等领域都得到了愈加广泛的应用。发展高密度、高强度和高精度的粉末冶金结构零件，是粉末冶金工业的发展方向和技术研究重点。随着科学技术发展和产业变革，粉末冶金将成为研发新材料和关键制品的先进技术，也为制造高性能零部件提供先进成形工艺。 在欧美发达国家中，粉末冶金零部件主要应用于汽车工业，如发动机、传送系统、防抱死制动系统（ABS）等部件，是铁基零件在汽车上应用*多的部位[1]。2018年，北美地区的铁粉销售量近39.3万吨，较2017年增长1%，北美平均每辆汽车预计使用粉末冶金零件估计达18.6kg，而欧洲为7.2kg，日本为8kg。在未来5～10年，电动汽车的多个主要部件，如主驱动电机、油泵和冷却泵电机等，都可以使用粉末冶金软磁复合材料铁芯[2]。 随着中国经济的快速发展，粉末冶金制品市场需求量也在不断增加。根据中国机械通用零部件工业协会粉末冶金专业协会的统计数据，我国粉末冶金零件销量从1996年的2.18万吨，增加至2017年的20.1万吨；1996～2017年期间，粉末冶金零件销量的平均年复合增长率达到了11.15%，其中2014年之前的复合增长率更是达到了12.83%；2010～2018年钢铁粉末的销量年平均增长速率约为15%，2018年总销量达69.5万吨，当中年产值超过1万吨的10家钢铁粉末公司的年总产值也已经占全国年总产值的95%。 其中，在2001年中国粉末冶金零件销量中，粉末冶金汽车零件仅占17.8%，至2017年，不但中国粉末冶金零件销量增长至超2001年的4倍多，粉冶汽车零件占比也提升至53.2%。中国粉冶汽车零件的销量由2001年的近0.9万吨增长至2017年的11.0万吨，2001～2017年期间，粉末冶金汽车零件销量的平均复合年增长率达到17.2%。汽车设计中应用粉末冶金零件主要是对汽车的链轮、凸轮、带轮、阀座、连杆、齿毂等零件进行设计和制造。 2017年平均每辆在中国生产的乘用车中，使用了约4.5kg粉末冶金零件，尚有一半的制品零件是由非中国机械通用零部件工业协会粉末冶金专业协会的会员单位配套，由此可见，中国的粉末冶金行业尚有很大的发展空间[3]，见图1.1所示。 未来粉末冶金技术会朝着综合化的方向发展[1]。随着汽车市场竞争日益激烈，美国三大汽车公司为了抢占市场，降低汽车制造成本，积极将粉末冶金零件应用于车用引擎和变速器等部件中。未来，粉末冶金制品会广泛应用于汽车，也会大大减轻汽车的重量。中南大学黄伯云等[4]指出，未来粉末冶金零件的使用范围将持续增加，为了提高精密金属零件制造业产值，粉末冶金技术的使用会进一步增加。当前，中国汽车工业的高速发展已成为世界众多粉末冶金企业关注的热点[5-7]，粉末冶金由于其技术和经济上的优越性，在国民经济和国防建设中起着非常重要的作用。但国内粉末冶金行业目前仍然缺乏原创性的核心技术，与国际先进水平之间存在较大差距。主要原因在于企业自身的产品开发能力较弱，并且产业规模和装备水平需要提升，不能充分满足汽车零部件市场的需求。因此，迅速发展中国粉末冶金技术与装备，占据高端产品市场，是中国粉末冶金研究与产业的当务之急[8，9]。 快速发展的汽车工业不仅给粉末冶金技术带来了千载难逢的机遇，还带来了严峻的挑战，尤其是传统的粉末冶金技术生产出来的复杂零件，力学性能较差，难以满足日益提高的市场需求。在粉末冶金诸多影响因素中，固有孔隙影响率不容忽视，不仅显著影响了材料的力学、物理、化学和工艺性能，也加大了生产精密粉末成形制品的难度[10]。例如在压制过程中由于密度分布不均匀，导致裂纹和缺陷的产生，致使力学性能明显下降，严重时还可能会导致压坯后续的烧结失败，从而大大降低资源的利用率。 粉末混合后进行压制成形，这是粉末冶金工艺过程的第二道基本工序，能使金属粉末密实成具有一定形状、尺寸、密度和强度压坯的关键工艺过程。压制工艺过程对制品的质量影响显著，特别是力学性能。粉末冶金制品的密度大小与其性能之间成正比关系[11-13]，铜基复合粉体经过压制、烧结、复压复烧的常规粉末冶金工艺制备后，具有良好的导电性能、导热性能和高温强度；特别对于铁基制品，密度超过7.2g/cm3，则其各种力学性能，如硬度、抗拉强度、疲劳强度、韧性等都会随密度的增大呈几何级数增加[10]。以往传统的一次压制/烧结生产出的铁基制品，密度一般在7.1g/cm3以下，因此其力学性能远低于同类材料的全致密零件。而使用粉末高速压制成形技术可以生产出密度更大、性能更好的制品，且成本较低、生产效率高，从而能够实现制品的量化生产。因此，新型粉末高致密化成形技术被广泛关注与探索。 粉末冶金成形制品是金属基体和不同尺寸及分布的孔隙的复合体。由于固体孔隙的存在和分布，割裂了金属基体的连续性；同时，孔隙也是裂纹形成和扩展的源头。随着孔隙率的增加，粉末冶金制品的性能逐渐下降，特别是力学性能，影响和限制了粉末冶金制品的广泛应用。因此，要想获得高性能（特别是力学性能）粉末冶金制品，高密度是粉末冶金技术聚焦的核心。探索粉末冶金成形过程中的粉末致密化特点、密度变化与分布的规律，有利于深化对粉末高致密化成形技术的认知，更有助于获得高密度、高性能的粉末冶金零部件。 1.1　粉末冶金成形过程控制技术研究与发展 在传统的高致密化方式中，复压复烧、粉末锻造、渗铜、热等静压和热压制等技术已经相对成熟，但在实际应用中各有其优缺点。进入20世纪90年代以后，粉末冶金技术的研究取得了突破性进展，近年来更是呈现加速发展的态势，温压及流动温压、高速压制、动力磁性压制、激光烧结等新技术和新工艺相继推出[11-13]，向着高致密化、高性能化、集成化、*优化和低成本等方向快速发展，使得粉末冶金技术的推广及应用范围更加广泛，主要分为以下几种成形工艺。 1）粉末温压成形工艺 1994年，Hoeganaes公司在国际粉末冶金和颗粒材料会议上正式公布粉末温压成形（warm　compaction，WC）技术，这种新型技术使得通过粉末冶金工艺生产密度大、性能好的粉末冶金制品成为可能[14-18]。华南理工大学李元元等在国内率先开展金属粉末温压成形技术的研究和应用，中南大学、北京科技大学、合肥工业大学等单位在粉末温压成形工艺研究上，也都取得了较好的进展。合肥工业大学吴玉程等[19]采用粉末温压成形技术，先对粉末和模具表面进行聚合物处理，再持续加热到4.3～423K范围内，对粉末进行压制成形，烧结压紧并进行致密化处理。 温压工艺出现后，因其高技术含量，具有广泛的应用价值和较高的技术价值，受到国内外生产厂家的热切关注。在其首次提出后很短的一段时间内，就约有36种温压产品迅速面市，国外多家公司也利用温压技术开发出高密度、高强度的斜齿轮，其中日本粉末金属厂家就利用温压技术，成功制造出较为价廉物美的小节锥半角斜伞齿轮。美国FederalMogul公司利用温压技术加工出性能卓越、成本低廉的连杆，已成功应用于汽车工业。瑞典在该领域也取得了重大突破，其中HoganasAB与ScaniaCV公司联合开发出的大型零件摩擦锥环（LatchCone），在重型卡车变速器中已得到应用，结束了用精密锻造或粉末锻造方法生产该零件的历史[20-22]。通过采用温压工艺，齿轮的内部组织更为致密，将齿强提高约30%，从而省去了采用滚压工艺提高齿轮局部致密性这一工艺。国内对温压成形技术的研究是从基础理论，粉末材料成分、工艺技术、加热设备等同时开始研究的，包括不锈钢、铁基复合材料及高合金钢材料体系，传统温压、低温温压和模壁润滑温压等工艺以及装备和数值模拟。研究粉末温压成形工艺，有利于温压技术在国内的推广应用，综合提高粉末制品质量，降低产品成本，提高市场竞争力。 2）流动温压成形技术 在温压工艺基础上，流动温压成形（warm　flow　compaction，WFC）技术是结合金属注射成形技术优点而提出来的一种新型成形技术，2000年，由德国Fraunhofer先进材料与制造研究所首次报道。通过提高混合粉末的流动、填充能力和成形速度，在较低温度时（353～403K），就可在传统压机上实现复杂零件的加工及精密成形，既克服了传统方式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。例如可加工出垂直于压制方向的凹槽类结构，可实现传统压制不便的孔和螺纹孔等零件的加工等。总之，流动温压技术更适合生产形状复杂的零件，压坯致密度高，适用于各种类型材料的加工，可操作性强，产品造价低，是一项极具潜力和广阔应用前景的新技术。 传统技术是将适量的润滑剂加入粉末的混合料中以减小摩擦，但因混进的润滑剂密度低，该工艺降低了成品的密度和性能，缩短了烧结炉的寿命同时还造成了环境污染。为了消除这种弊端，研究人员提出了模壁润滑技术，与其他成形技术相结合和改进，通过对模壁进行润滑来得到高性能成品。St-Laurent将模壁润滑与温压技术相结合，制备出密度大于7.4g/cm3的钢铁粉末生坯，技术应用成果显著。而后日本丰田汽车又通过将高压制应力加载的温压成形和模壁润滑相结合，成功地生产出了接近全致密的铁基粉末压坯。 3）高速压制技术 2001年，瑞典提出的一种先进的成形技术，兼有动态压制的高冲击能量和传统压制的高速平稳性等多重特征，在粉末冶金技术低成本、高密度的目标方面又实现了一次重大突破。高速压制技术（high　velocity　compaction，HVC）与传统压制相比，在压制压力为600～2000MPa、压制速度为2～30m/s的条件下，对粉体进行高能锤击，其主要特点是速度要快得多，因此在大批量生产零部件方面，高速压制技术优势明显。高速压制的过程如图1.2所示，冲锤与上模冲接触时的速度比传统压制高2～3个数量级，调整速度可以获得生坯不同压制效果。 在压制过程中，可以产生间隔0.3s的多重附加冲击波，使得压坯的致密性持续提高。当粉末在2～30m/s速度下进行高能锤击（重5～1200kg）压制时，粉末的烧结密度可达到7.8g/cm3以上，并可压制成形出5～10kg重的零件。高速压制还具有巨大的压制压力，能够使粉末颗粒间结合紧密，减少压坯空隙，提高压坯强度，粉末冶金零件抗拉强度和屈服强度比常规粉末压制技术提高了20%～50%；与静态压制相比，其弹性后效较低。采用高速压制成形技术得到的制品，几何尺寸固定，不易变形，密度大，压坯开裂现象少。如果将高速压制和温压技术两者在一定范畴内有机结合且提升性能，也将为粉冶技术的创新与发展提供一个新的契机。 4）金属注射成形技术（metal　injection　molding，MIM） 随着高分子材料的应用而发展起来的金属陶瓷粉和陶瓷粉的特殊成形方法，将微细金属或陶瓷粉末与大量热塑性黏结剂混合均匀，注入成形模中，施加低而均匀的等静压力成形，获得的成形坯经过脱脂处理后，接着脱黏结剂烧结，经过一系列的处理得到粉末冶金制品[23]。这些制品具有复杂的形状（如带有螺纹、垂直或高叉孔锐角、多台阶、壁、翼等），密度和力学性能分布均匀，材料利用率高和自动化程度高等一系列优点。粉末注射成形工艺过程如图1.3所示。 粉末注射成形工艺方法具有以下特点：①零件制品密度高且分布均匀，相对密度可达95%以上，具有优异的力学性能；②制品具有高的尺寸精度（0.3%）和表面粗糙度（Ra1～5）；③能够成形三维形状复杂的零部件制品，制造常规工艺不能成形的复杂形状零件；④材料适应性广，利用率高达95%以上，有利于实现材料的近净成形；⑤自动化程度高，适合规模化生产，进一步降低成本。 据统计，粉末冶金注射65%