关于用不同工艺制作的高密度铁基粉末冶金材料性能的研究

1、关于用不同工艺制作的高密度铁基 粉末冶金材料性能的研究 ，和 （ 公 司 ，）摘 要 ：可 能 有几种方 法可使 铁基粉末冶金零件达到 较 高 密 度 。二 次 压 制二次烧结可使密度 大 于 ，但受到成 本 与几何形状条件的限制 。对一种新方法进行 了 评 价 ，用 这 种 方 法 可 一 次 压 制 得 到 高 使 用 性 能 材 料 ，并将其和其他生产工艺进 行 了 比 较 。 比 较 是 利 用 与 基本材料进行的 。对 各 种 生 坯 与 烧 结 件 性 能 进 行 了 评 价 ，其 中 包 括 ：生 坯 强 度 ，横 向 断 裂 强 度 ，拉伸性能及冲击值 。数 据 清 楚 地 证

2、 明 ，拥 有 专 利 的 工 艺 （温 压 ）提 供 的 使 用 性 能 可 与 二 次 压 制二 次 烧 结 制 作 的 相 比 拟 。用一次压制达到了生 坯 密度 值 的 无 孔隙密度 极限的 。 关 键 词 ：；温 压 ；二 次 压 制二 次 烧 结 ；铁 基 粉 末 冶 金 零 件中 图 分 类 号 ：文 献 标 识 码 ：文 章 编 号 ：（） ， ， ， ，： ；， （） ：； 收 稿 日 期 ：作 者 简 介 ：，博 士 ，原美国海格纳士公司研发部经理 。 第 期等 ：关于用不同工艺制作的高密度铁基粉末冶金材料性能的研究 末 供 给 输 送 装 置 。 将 阴 模 、上模冲及任

3、何大的芯棒 组 件 都 要 加 热 到 和 粉 末 一 样 的 温 度 。将 加 热 的 粉 末 装 于 加 热 的 阴 模 中 ，像常规粉末冶金零件生产一样 进 行 压 制 ，以 制 造 高 密 度高使用性能零件 。与 对 压 制 过 程 进 行 过 较 详 细 的 描 述 。 已 证明温 压 工 艺能 够大 量生产高性能粉末冶金 零 件 。 这 篇 论 文将 温压 工艺得到的各种性能和 常 规 的一 次 和 二 次 压 制 工 艺 进 行 了 比 较 。 为 进 行 评 价 ，选择 了 二 种 以 高 使 用 性 能 为 基 粉 的 预 混 合 粉 组 成 。试验 试样 的制备与评定都是依

4、照 生 坯 密度 、生 坯 强 度 、烧 结 件 的 横 向 断 裂 强 度 （）、烧 结 件的拉 伸 强 度及 烧结 件的夏比冲击性能的标 准 测 试方 法 进 行 的 。另 外 ，为评定温压工艺对尺寸变化与 脱 模 特 性 的 影 响 ，收 集 了 数 据 。前 言温 压（）工 艺 是 由 一 种 专 利 预 混合 粉 与 压 制 工 艺 组 成 ，它能 用一次压制与 一 次烧结 工 艺 生 产 密 度 接 近 的 粉 末 冶 金 零 件 。 预 混 合 粉 都 是 （温 压）工 艺 的 衍 生 物，因 此 ，可 保 证 流 动 性 和 耐 偏 聚 性 良 好 。温 压 工 艺 利 用 的

5、 是 传 统 粉 末 冶 金 压 制 设 备 ，但 需 要 将 粉 末 与 模 具 加 热 到 适 当 温 度 ，以 达 到 高 的 压 制 成 形 密 度 。温 压 工 艺 图 解 示 于 图 。 压 制 之 前 ，要 将 待 压 的 粉 末 加 热 到 范 围 。 推 荐 将 粉 末 温 度 控 制 在 最 大 变 动 范 围 为 ，以 保 证 零 件 之 间 的 波 动 性 最 小 。 为了在这个温度 范 围 内 ，使 用 性 能 最 佳 化 ，温 压 工 艺 利 用 的 是 设 计 的 高 级 润 滑 剂 系 统 。试 验 程 序用 温 压 工艺 和常 规预混合粉方法制备了 二 种 预

6、混 合 粉 组 成 。温 压工 艺利用的是新开发的润 滑 剂 系统 ，而 常 规 预 混 合 粉 利 用 的 是 以 作 为 泣 滑 剂 。表 中 列出 了常 用的基本材料的化学组 成 与 预混 合 粉 的 具 体 添 加 剂 。图 温 压 （）工 艺 流 程接 着 是 加 热 ，将 粉 末 装 于 贮 存 料 斗 中 ，其 将 粉表 评定的预混合粉的组成 （质 量 分 数 ）基 本 材 料预混合粉添加剂 基 粉石 墨润 滑 剂试 验 件 是 在 、 及 下压 制 的 。在 所 有 场 合 下 ，对 每 一 种 试 验 条 件 ，都 用 个 试 验 试 件 进 行 了 评 定 。 生 坯 强

7、度 、横 向 断 裂 强 度（）及 拉 伸 强 度 试 样 都 是 在 液 压 式 压 机 上 压 制 的 ，而 夏 比 冲 击 试 样 是 在 的 压 机 上 压 制 的 。 常 规 混 合 粉 都 是 于 室 温 下 ，在 二种 压 机 上 压 制 的 ，而 且 只 有 在 阴 模 温 度 稳 定 后 ，才 采集 试 样 。温 压 的 试 样 是 在 粉 末 与 阴 模 温 度 为 下 压 制 的 。除 了 一 次 压 制一 次 烧 结 的 试 样 外 ，还 用 二 次 压 制二 次 烧 结 工 艺 制备了横向断 裂 强 度与拉 伸强度 的 试 样 。在 第 一 次 压 制 后 ，温 压

8、与 用 常 规 方 法 压 制 的 材 料 都 在 的 气 氛 中 ，于 温 度下 预 烧 结 了 。 然 后 ，用 和 第 一 次 压 制 同 样 的 压 力 ，将这些试样进行第 二 次压制 。 对 于 温压 和 常 规 制 备 的 材 料 ，第 二 次 压 制 都 是 在 室 温 下 进行 的 。压 制 完 成 后 ，就 在 生 产 的烧结炉中烧结 。 基 粉 的 试 件 是 于 下 烧 结 的 ，而 基 粉 的 试 件 是 在 下 烧 结 的 。二 者 使 用 的 烧 结 气 氛 都 是 。生 坯 密 度 、生 坯尺寸 比阴模内径的胀 大 及生坯 强 度 都 是 用 生 坯 强 度 试

9、样 测 定 的 。所 有 烧 结 的 试 样 的 密 度 都 是 用 浸 入 法 测 定 的 。另 外 ，横 向 断 裂 强 度 ， 烧结件 硬 度 及烧 结件 尺寸对阴模内径的变化 都 是 用横 向 断 裂 强 度 试 样 测 定 的 。屈 服 强 度 （残 余 变 形）、极 限 抗 拉强 度及 拉伸伸长率的值都是用 未 切 削加 工 的 ，标 距 长 度 为 的 扁 平 拉 伸 试 样 ，在 应 变 速 率 为 下 测 定 的 。 无 凹 口 夏 比冲 击 值 是 用 夏 比 试 样 测 定 的 。 粉 末 冶 金 工 业第 卷表 中 列出 了二 种混合粉的生坯性能 。对 于 二种 材 料

10、 ，温 压 的 生 坯密度比常规工艺压制的试样高 （图 ）。在 给 定 的 压 制 压 力 下 ，生 坯 密 度 增 高 的 范 围 从 到 高 于 。生 坯 性 能结 果 与 讨 论（）生 坯 性 能表 压 制 压 力生 坯 密 度生 坯 强 度生 坯 胀 大脱 出 的 峰 值基 本 材 料生 产 工 艺，温 压常 规，温 压常 规压 生 坯 的 强 度 比 常 规 预 混 合 粉 生 坯 的 强 度 高 。于 压 制 压 力 下 ，温 压 的 生 坯 强 度 超 过 ，这是 该组 最高的生坯密度 。图 关于用温压与常规工艺压制的二种材料 （ 石 墨 润 滑 剂 和 石 墨 润 滑 剂 ）的

11、压制压力与生坯密度的关系 注 ： 图 温压和常规工艺的生坯密度与生坯强度的 关 系 的 比 较 （）对 于 二 种 材 料 ，温 压 是 于 下 达 到 了 较高 密 度 ，而 相 应 的 常 规 预 混 合 粉 ，则 是 在 下 达 到 较 高 密 度 。在 下 ，二 种 温 压 预 混 合 粉 的 密 度 都 超 过 了 ，这 个 密 度 水 平 相 当于 接 近 这些混 合粉组成的无孔隙 密 度 的 。过 去 使 用 温 压 的 经 验 表 明 ，对 于 这 种 基 本 材 料 ，通 常 都 会 达 到 这 个 无 孔 隙 密 度 的 高 百 分 率 。温 压 工 艺 表 明 ，其 生

12、坯 强 度 明 显 高 于 常 规 工 艺制 造 的 材 料 （图 ）。 在 给定 的压 力与给定的密度 下 ，温 压 的 生 坯 强 度 都 比 常 规 压 制 的 试 样 高 得 多 。对 于 二 种 材 料 ，在 密 度 接 近 的 情 况 下 ，温图 示 生 坯 尺 寸 对 阴 模 内 径 尺 寸 的 胀 大 。 在给 定 的 密 度 下 ，温 压制造的材料的生坯胀大比用常 规 工 艺 制 作 的 材 料 略 小 。这可能是温压机理 的 一 种 征 兆 ，因 此 温 压 工 艺比常规工艺压制的材料可达到 较 高 的 密 度 。在 压 制生坯密度的 试 验 试 样 时 ，记 录 了 脱

13、模 力 的 峰 值 。这 种量 度应 该是润滑剂使用性能的 一 个 指标 。数 据 示 于 图 。 在 所 有压制压力与生坯 密 度 下 ，温 压 工 艺 的 脱 模力都比用常规工艺压制的材料 小 得 多 。这 个 结果证实了以前观察的 结 果，这 可 为粉末 冶 金 零件 生产 者提供重大利益 。 第 期等 ：关于用不同工艺制作的高密度铁基粉末冶金材料性能的研究 图 生产工艺与基本原料的化学组成对生坯尺寸和 与阴模内径尺寸相比胀大的影响 图 压制工艺对脱模峰值压力的影响 （）（）烧 结 件 密 度 与 横 向 断 裂 强 度 （）由 二 种组成不同的材料 ，利 用 下 列 不 同 的 种 生

14、 产 工 艺 制 备 了 横 向 断 裂 强 度 试 样 ：温 压 一 次 压 制一 次 烧 结 ，常 规 的 一 次 压 制一次 烧 结 ，温 压 二 次 压 制二 次 烧 结 及 常 规 的 二 次 压制二 次 烧 结 。 在 表 中 列 出 了 由 这 些 试 验 得 出 的 烧 结 件 密 度 ，和 阴 模 内 径 相 比 的 尺 寸 变 化 ，横 向 断 裂强 度 及 烧 结 件 的 硬 度 的 结 果 。表 横向断裂强度性能 烧 结 件 密 度压 制 压 力横 向 断 裂 强 度尺 寸 变 化硬 度（）基 本 材 料制 作 工 艺温 压一 次 压 制一 次 烧 结温 压二 次 压

15、制二 次 烧 结常 规一 次 压 制一 次 烧 结（于 烧 结 ）常 规二 次 压 制二 次 烧 结温 压一 次 压 制一 次 烧 结温 压二 次 压 制二 次 烧 结常 规一 次 压 制一 次 烧 结（于 烧 结 ）常 规二 次 压 制二 次 烧 结图示利用种压 制 工 艺（于 下 烧 结）得出的 组 成 的 烧 结 件 的 密 度。用 温 压 一次压制一次烧结得到的密度和用常规的二次压制二次烧结得 到 的 密 度 相 似。在 压 制 压 力 的 范 围 内，这些密度的 平 均 值 比 常 规 的 一 次 压 制 的 结 果 高 约 。二次压制 的 温 压 的 试 样，密度进一步增高，于 下

16、，密度超过了。图 示 组 成 得 到 的 烧 结 件 密 度 （于下 烧 结）。这 些 结 果 表 明 ，温 压 二 次 压制二 次 烧 结 的 烧 结件密度再一次比常规的二次压 制二 次烧结工艺高约 。 在 给 定 的 压 制 压 力 下 ，常 规 的 二 次 压 制二次烧结比温压的 一 次 压 粉 末 冶 金 工 业第 卷图 利用不同的压制工艺制作的 石 墨 润滑剂的烧结件密度 （在 气 氛 中 ，于 下 烧 结）（）制一 次 烧 结 的 密 度 约 高 。 可 是 ，温 压 二 次 压 制二 次 烧 结 比 常 规 的 二 次 压 制二 次 烧 结 得 到 的 烧 结 件 密 度 约 增

17、 高 。图 和阴模内径尺寸相比烧结件尺寸的变化 （于 （）和 于 下（）下 ，在 中 烧 结 ） 度 水 平 的 同 时 ，横 向断裂强度试样在试验时挠曲显 著 。这 暗 示 ，拉 伸 试验结果是材料使用性能的一种 较 好 的 量 度 。图 示在横向断裂强度试样上测定 的 硬 度 值 。这 些 结果一般地随从横向断裂强度值 ， 这 再 一 次 表 明 物 理 性 能 取 决 于 密 度 。图 用不同压制工艺得到的 石 墨 润滑剂的烧结件的密度 （）图 示 二 种材料的尺寸 和 阴 模内径 尺 寸相 比 的 尺 寸 变 化 。对 于 给 定 的 密 度 ，温 压 的 材 料 和 用 常 规 工

18、艺 制 作 的 材 料 相 比 ，和 阴模内径尺寸 相 比收缩 略 大 （）或 胀 大 较 小 （）。二 种 制 作 工 艺 的 尺 寸 变 化 间 的 差 异 ，可 能 和 生 坯 的 尺 寸 胀 大 （见 图 ）相 关 。 试 验 结 果 表 明 ，二 种 工 艺 制 作 的 材 料 烧 结 程 度 相 同 。图 示 由 材 料 和 图 示 由 材 料 ，用 种 制 作工艺中的每一种 工 艺 制 作 时 的 横 向 断 裂 强 度 值 。这 二 个 图 都 清 楚 表 明 了 密 度 对 强 度 的 重 要 性 。 对 于 这 二 种 材 料 ，在 每 一 种 压 制 压 力 下 ，温 压

19、 一 次 压 制一 次 烧 结 工 艺 达 到的 横 向 断 裂 强 度 值 都 比 由 预 混 合 粉 用 常 规 工 艺 制 作 的 试 样 约 增 高 。重 要 的 是 ，要 注 意 在 达 到 高 密图 用温压与常规工艺压制的 材 料的横向断裂强度 （）图 用温压与常规工艺压制的 材料的横向断裂强度 （）拉 伸 性 能 第 期等 ：关于用不同工艺制作的高密度铁基粉末冶金材料性能的研究 图 用温压与常规工艺压制的 材料的屈服强度 （ 残 余 变 形 ）。（）图 用温压与常规工艺压制的 与 材 料 的 硬 度 值对 于 二 种 材 料 ，都 测 定 了 拉 伸 性 能 ，其 中 包 括 屈

20、服 强 度 （残 余 变 形 ），极 限 抗 拉 强 度 ，伸 长 率 及 硬 度 。除 了 用 温 压 压 制 的 ，仅 只 测 定 了 一 次 压 制一 次 烧 结 的 数 据 外 ，对 于 每 一 种 材 料 与 压 制 工 艺 都 采 集 了 一 次 压 制一 次 烧 结 和 二 次 压 制二 次 烧 结 的 数 据 。试 验 结 果 列 于 表 中 。 图 图 分 别 示 组成的极限抗拉 强 度 ，屈 服 强 度 （ 残 余 变 形 ）及 伸 长 率 的 数 据 ， 而 图 图 分 别 示 组 成 的 数 据 。和 横 向 断 裂 强度的方式一样 ，强度与伸长率都 明 显 取 决 于

21、 密 度 。图 用温压与常规工艺压制的 材料的拉伸伸长率 图 用温压与常规工艺压制的 材料的极限抗拉强度 （）图 用温压与常规工艺压制的 材料的极限抗拉强度 （）用 温 压 工 艺 ，由 组 成 得 到 的 屈 服 强 度 与 极 限 抗 拉 强 度 ，在 给 定 的 密 度 下 ，都 比 常 规 的 预 混 合 粉 有 所 改 进 。 在 给 定 的 压 制 压 力 下 ，评 价 一 次 压 制一 次 烧 结 工 艺 时 ，温 压 工 艺 比 常 规 工 艺 的 极 限 抗 拉 强 度 平 均 增 高 ，而 屈 服 强 度 增 高。考 察 二 次 压 制二 次 烧 结 时 ，用 温 压 制

22、备 的 试件 的 屈 服 强 度 与 抗 拉 强 度 ，分别比常规工艺增高了 与 。尽 管 用 常 规 工 艺 二 次 压 制二 次 烧 结 制 备 的 材 料 ，其 烧结件的密度比温压工艺或多或 少 的 高 一 些 ，但 在 同 样 的 压 制 压 力 下 ，强 度 值 接 近 相同 。伸 长 率（图 ）的 值 表 明 ，其 强 烈 地 取 决 于 烧 结 件 密 度 。在 这 些 数 据 中 ，值 得 注 意 的 是 ，用 温 压 二 次压 制二 次 烧 结 工 艺 的 伸 长 率 达 到 了 接 近 。在 评 定 化 学 组 成 （图 图 粉 末 冶 金 工 业第 卷）时 ，趋 势 相

23、似 。 用 温 压 一 次 压 制一 次 烧 结 比 用常 规 一 次 压 制一 次烧结工艺制 作 的 试件的 屈服强 度 与 极 限 抗 拉 强 度 分 别 增 高 了 与 。在 给 定 的 压 制 压 力 下 ，温 压 一 次 压 制一 次 烧 结 和 常规 的 二 次 压 制二 次 烧 结 试 件 相 比 ，仅 只 屈 服 强 度 与 抗 拉 强 度 略 低 一 些 。可 是 ，温 压 一 次 压 制一 次 烧 结 表 明 ，其 伸 长 率 要 高 得 多 。图 用温压与常规工艺压制的 材料的屈服强度 （ 残 余 变 形 ）（）图用温压与常规工艺一次压 制一 次 烧 结 的 材料的夏比冲

24、击值 图 用温压与常规工艺压制的 材料的拉伸伸长率 图 用温压与常规工艺一次压 制一 次 烧 结 的 材料的夏比冲击值 表 拉 伸 性 能屈 服 强 度（残余变形）极 限 抗 拉强 度压 制 压 力烧 结 温 度烧 结 件 密 度伸 长 率硬 度（）基 本 材 料制 作 工 艺温压一次压制一次烧结温压二次压制二次烧结常规一次压制一次烧结常规二次压制二次烧结 温压一次压制一次烧结常规一次压制一次烧结常规二次压制二次烧结 第 期等 ：关于用不同工艺制作的高密度铁基粉末冶金材料性能的研究 表 冲 击 性 能压 制 压 力烧 结 温 度烧 结 件 密 度冲 击 能 量硬 度（）基 本 材 料压 制 工 艺温 压一 次 压 制一 次 烧 结常 规一 次 压 制一 次 烧 结温 压一 次 压 制一 次 烧 结常 规一 次 压 制一 次 烧 结（）冲 击 性 能仅只用一次压制一次烧结的试 件进行了冲击试 验，试验 结 果 列 于 表 。 基 材 料 的 冲 击值 与 烧 结 件 密 度 的 曲 线 图 示 于 图 ，而 基材料的冲击值与烧结件密度的关系的曲线图 示于图。如同所预期的，这二个曲线图都表明，冲击能是每一种化学组成的密度的函数，而和压制工艺无关。温压工艺制作的材料密度较高，从 而 冲 击 性 能 明显增高。用温压制作的 混合粉材料， 在烧结 件 密 度 下，最 高 值 达 到 了 。