1、粉末锻造工艺技术的发展概况第 35 卷第 5 期2007 年 9 月金属材料与冶金工程METALMATERIALSANDMETALLURGYENGINEERINGV0lI35No.5Sep2007粉末锻造工艺技术的发展概况王云坤,彭茂公(昆明冶研新材料股份有限公司,云南昆明 650031)摘要:综述了粉末锻造工艺的技术关键,锻造设备以及该技术的应用和发展方向 .关键词:粉末锻造;技术;发展;应用中图分类号:TF124.38 文献标识码:A 文章编号:10056084(2007)05005704THEGENERALIZATIONOFPOWDERFORGINGPROCESSANDTECHNOLOG
2、YWANGYun-kun,PENGMao:gong(KunmingMetallurgyResearchNewMaterialCo.Ltd,kunming650031,China)ABSTRACT:Inthispaper,summarizedthekeytechnologiesofpowderforging,assessedthecharacteristicsofpowderforgingmachine,pointedoutapplicationanddevelopmentofP/F.KEYWORDS:powderforging;technology;development;applicatio
3、n粉末锻造是将烧结的预成形坯.经加热后.在闭式模中锻造成零件的工艺.是将传统的粉末冶金和精密模锻结合起来的一种新工艺.粉末锻造为制取高密度,高强度,高韧性,高精度粉末冶金零件开辟了广阔的前景.成为现代粉末冶金技术最重要的发展方向之一“.尽管粉末冶金锻造的研究早在 2O 世纪 6o年代后期就开始了,但由于在工艺应用中存在一些技术和经济问题,所以真正应用于生产的产品并没有达到当初期望的那么多.2O 世纪 9O年代以来,随着汽车工业的发展.对汽车用高性能粉末冶金零件的需求不断增长.粉末锻造的研究与应用得到了迅速而稳定的发展.据估计2,在美国年产量可达 l2O0ot,欧洲与日本可达 3000t,而我国
4、的粉末锻造产量还相当低,为了适应我国汽车工业的发展.促进粉末冶金行业整体水平的提高,迫切需要大力发展粉末锻造工艺.1 粉末锻造的技术关键1.1 粉末原料粉末原料的选择关系到锻件的性能和成本,其内容包括粉末锻件材质,粉末类型,杂质含量,粒度分布及预合金化程度等.目前.粉末锻造的原料主要是铁粉和合金钢粉.含有少量的微量元素如 Mn,Si 的铁粉可硬化性比较低.有必要加入各种添加元素和合金化元素;低合金钢粉中可以加入 Mn,Cr,Ni,Mo 来改善性能.其中 Mn,Cr 对氧具有特收稿日期:20070712作者简介:王云坤(1976 一),女,工程师,主要从事锌,铝合金的开发工作.58 金属材料与冶
5、金工程 V01.35NO.5别强的亲和力,在制粉和预成型坯加热时易于氧化,而 Ni,Mo 虽然价格偏高,但氧化少,故通常采用 FeNiMo 系列合金粉.另外,非金属夹杂对材料性能的影响非常突出,研究表明3=:粉末锻件的疲劳寿命主要取决于夹杂之间的自由路程,所以应采用纯净度高的钢粉,雾化粉因为非金属夹杂少,合金元素含量易于控制,受到广泛应用.随着工艺水平的提高,粉末制造工艺的改善,例如底注式熔炼,大大改善了粉末清洁度,降低了非金属夹杂,氧含量与污染,提高了材料的可靠性和机械性能,使更多材料适用于粉末锻造,扩展了粉末锻造的应用领域.1.2 预成型坯的设计正确的预成形坯设计是粉末锻造成功的关键,预成
6、形设计对材料中的金属流动和应力分布有相当大的影响.这些因素也影响材料的密度,并关系到材料的强度.一般说来,为达到全密度和良好连接,必须产生足够多的金属流动.然而,增大金属的流动量时,断裂的概率也增大.因此,预成型坯的形状必须位于断裂极限和最佳性能值之间.粉末锻造用预制坯有 2 种:近似锻件形状与简单形状.简单形状预制坯只在锻压方向变形;近似锻件形状预制坯在锻压方向和与锻压方向垂直或相反的方向同时变形,其密度更易于快速提高,但较易产生裂纹.粉末锻造预成形坯必须满足以下条件:重量均等,坯体各部分的密度能均匀增大;锻造时不会产生过多的导致裂纹的张应力:其密度大小应在保证具有足够塑性,压制容易,搬运方
7、便的原则下来确定,通常相对密度可取 75%85%.1.3 加热加热是粉末锻造的一个关键环节,必须保证预制坯在加热中无氧化,无脱碳或渗碳,加热应均匀,温度合适.为了保证加热质量,加热时通常采取保护气氛(分解氨,氢气,煤气,氮气等)或者喷涂一层石墨基或非石墨基的保护层.加热速度不宜过快或过慢,否则会造成加热不均匀或内部组织晶粒粗大等后果.一般在炉温升到规定温度后,应按截面尺寸以 O.51mm/rnin 的加热速度确定保温时间,加热温度应保证预制坯在锻造时具有良好的塑性,一般按锻造温度再增加 50100来确定加热温度.粉末锻造有两种主要加热方式:感应加热与炉子加热.感应加热能够自动地快速装料,适用于
8、形状对称的简单零件,诸如自动变速器的轴套和定子的离合器环:而炉子加热能够较好的控制温度,使用可控气氛保护零件,适应性较强,适合非对称形状的复杂零件,例如发动机连杆和变速装置的同步环.2 粉末锻造设备的特性粉末冶金锻造设备的选择在整个工艺中至关重要,关系到锻造的成败.目前,尚无通用的方法来选择粉锻设备,只能综合考虑以下几方面的特性进行选择.2.1 设备冲击力与冲击能粉末锻造为了获得期望的形状和满足工件高密度的要求,必须要有足够的打击能量,否则锻件的尖角部位会出现充不满或微裂纹,导致锻造失败.因此,锻造设备的选择首先必须要全面分析锻造工艺及设备的力与能的特性,使所选设备的力与能特性符合工艺要求.设
9、备产生的打击能量一部分用于坯件的变形,另一部分用于克服预成形坯与模具之间的摩擦力.为了获得最优的锻造性能,改变预成形坯的形状是有利的,有时甚至是必需的.锻件的高密度与颗粒间的结合要求一个巨大的流体静应力分量,在锻造具有优良机加工性能的全致密工件时,该应力具有相当重要的作用.在致密化的最后阶段(相对密度O.9),所需压力近似为:P/tri=(2/3)1n1/(1 一 D)式中 P 为流体静应力 ;,为屈服应力;D 为相对密度.锻造设备的大小受能量的限制,并且锻锤是根据打击能量分级的,打击能决定于锻锤的质量与速度,通常打击能层在锻造时转换为坯件变形能,机床与锻锤部件的弹性变形能 E以及锻锤运行的动
10、能 E.即:层=+Eo+E,其中层近似为 O.O5 层,可见损失的打击能大部分转换为机床的弹性变形能.2007 年第 5 期王云坤等:粉末锻造工艺技术的发展概况 59设备的冲击力依赖于层,和机床的刚性,件,压力保持时间愈短的设备愈有优势.附图显示了力与能的关系_5.2.3 自动化生产的适用性冲击力模具填充/变形鲢/一一,:/wa|卜_-工件变形_.11.- 一附图力与能的关系在同样的锻造条件下,对同样的预成形坯,P 恤随冲击能增大而增大;而在同样的冲击能下,W 的增大引起 P 呲急速下降.一般来说,在同样的能量等级上,锻锤具有较大的冲击力,而在同样的冲击力上,压力机具有较大的能量.2.2 锻造
11、打击速度与压力保持时间在粉末锻造时,粉末颗粒的塑性变形会引起预成型坯的压缩.其塑性随着打击速度的提高而增加;在同样的变形程度下,锻件的密度随着打击速度的增加而提高,而且变形程度愈大,其密度增大愈快_6.如果预成形坯表面因锻造时间过长而产生过冷,则粉末的屈服应力将急速上升,抑制颗粒的变形,导致锻造失败.粉末锻件表面区域的孔隙度受变形率以及预成形坯与相对较冷的模具问的接触时间所影响;同时,压力保持时间也是决定锻件致密度的一个重要因素.不同的锻造设备在锻锤速度上有很大区别.从而造成在同种工艺条件下锻造同种预成型坯时坯件变形率的不同.附表列出了 4 种设备在锻造同种预成型坯时坯件变形率与设备压力保持时
12、间的比较.从附表可看出,设备的保压时间减小,坯件变形率增加;对锻件近表面区域的致密锻锤更有优势;对细而薄的粉末冶金锻附表不同设备锻造同种坯件的变形率与压力保持时间要实现粉末预成形坯的自动锻造,锻造设备必须具有精确的锻锤导向机构,部件脱模装置,精确的打击能控制以及高的产量等特点.提高产量可从以下几方面来考虑:选择打击速度大的设备,尽量缩短锻造设备与加热设备之间的运输距离与时间,选择每次打击时预成形坯与机床的接触时间短的设备.2.4 环境保护在目前全世界提倡环保的大环境下,设备的环保问题变得越来越重要,粉末锻造工艺所选的设备要能够尽量降低噪声.与传统锻造相比,粉锻设备在降低噪声方面,其解决方案更可
13、行.粉末锻造为对中打击,能减小结构件上的声音激发力;在自动粉末锻造时将操作者与设备分离.可通过声音屏障来减少噪声.3 应用与发展由于经济上的优势和材料的有效利用,粉末锻件的应用一直在扩大.目前,生产的粉末锻造零件主要用于汽车中的变速器,发动机与差速器.工业上生产和使用的一些粉末锻件有:发动机连杆和阀座,变速器的定子凸轮,锥形滚柱轴承的圈,各种齿轮,变扭器的离合器毂等等.经过近 40 年的持续发展.粉末锻造已经发展成为一项先进的金属加工工艺,增加了许多新的应用.其发展已经趋向于在零件的最初设计状态就越来越多地选用粉末锻造工艺_7.形成这种趋势的主要原因为:(1)在长期的高压疲劳应用中,其使用记录
14、证明粉末锻件的性能是可靠的.(2)净成型或近净成型能力,独有的冶金特性以及结合了热处理的工艺,降低了总制造成本.(3)与常规的加工方法相比,粉末锻造避免了大量的资本投入.(4)粉末锻造材料性能和工艺参数获得了广泛的认可.目前,粉末锻造已经演变成了一种与其它制造工艺相结合的复杂加工工艺技术,例如:60 金属材料与冶金工程 V01.35NO.5利用严格受控的烧结渗碳和锻造淬火技术与热变形工艺相结合制造高硬度的产品;与热处理技术相结合.可以制备张应力为 8962060MPa的粉末锻造材料.这要求对工艺参数和材料性能之间的关系具有充分的认识;并且广泛地利用先进的产品设计,工艺控制和检验,可靠性检验技术
15、.先进 CAD 方法在工艺中的应用引,使得技术人员能在很短的时间里设计出最优的预成形坯,在考虑生产线的产量,零件期望的性能,最终成本的情况下,得出生产一个零件的可行性以及所需的设备,坯件的应力情况.利用有限元模型识别并减少坯件的高应力区:预先选择工艺参数如工件淬火时油的流量.并可以将这些计算值与实际值相比较,例如计算应力与光电或热分析仪所测应力的比较,设计出最优的工艺路线.粉末锻造未来的发展趋势主要是工艺和应用的扩展.高冲击力/高速度锻造的发展,将使更小零件的粉末锻造成为可能;与目前的技术相比,高温烧结能进一步降低氧化.获得更高的硬度和抗冲击强度,能制造出具有独特性能和低成本的零件.参考文献:
16、1黄培云.粉末冶金原理 M.北京:冶金工业出版社.1988.2ApplicationofPowderforgingtoAutomotivePartsJ.MetalPowderReport1984,39(11):629-637.3梁华.粉末锻造的现状 J.粉末冶金技术,1992,10(2):142145.4PeterWI.ac,HowardAKuhn.韩凤麟译.粉末冶金锻造M. 北京:机械工业出版社,1994.560-571.5AlfredAHendrickson,PaulMMachmeier.ImpactForgingofPowderPrcforms:CurrentAssessmentJ.In
17、t.JournalofPowderMetallurgy.1992,(3):289299.6洪慎章,张奕 ,等.锻造速度对粉末冶金烧结体塑性变形及性能的影响J.粉末冶金技术,1997,15(3):174177.7JuergenHBadendieck,MichaelMarra.P/MForging:AnAdvancingProcessJ.InternationalJournalofPowderMetallurgy.1992,(3):257-258.8ComputerAidedDesignServiceforPowderForgingJ.MetalPowderReport1984.39(1O):60
18、0.现代铸铁杂志征订启事.址现代铸铁杂志创刊于 1981 年,现由一汽铸造有限公司主管,中国机械工程学会与无锡一汽铸造有限公司联合主办,国内外公开发行,是中国期刊网,中国学术期刊(光盘版) 全文收录期刊,中国引文数据库来源期刊,中国核心期刊(遴选)数据库收录期刊及中国期刊全文数据库,中国期刊综合评价数据库等数十家数据库刊源期刊.现代铸铁主要内容为有关铸铁(兼顾铸钢)的材料研究,工艺试验,车间技术改造,计算机应用,国内外情况介绍,以及设备,仪器,环保,检测,管理等方面的经验交流.侧重报道国内外铸铁领域的先进科技成果,应用技术,生产及管理经验和信息动态.适合国内外各大专院校教师与学生,各科研院所和企事业单位的工程技术人员,各类铸造企业及相关行业的管理人员.企业营销人员,政府相关管理部门工作人员,各类技术工人阅读.现代铸铁为标准大 16 开 64 页,全年六期,双月末 25 日发行.每册定价 10 元,全年 60元.读者可在全国各地邮局直接订阅,邮发代号:28 178;错过邮局订阅时间者也可向编辑部订阅.地址:(214o24) 江苏无锡市中南路徐来桥 88 号电话/传真:(0510)85405970Email:xdzt_yyjfawfc.corn 或 xdzt-yyj126.corn
