烧结金属多孔材料的制备及加工工艺研究

烧结金属多孔材料的制备及加工工艺研究

金属多孔材料是在过滤、压碎、气氛处理等过程中产生的多孔材料。由于其具有耐高温、耐腐蚀、强度高、塑性好、能较好的承受热压力及冲击、可进行机械加工、焊接、脏化后可清洗再生、使用寿命长等诸多优点,此外,烧结金属多孔材料可通过控制粉末松压密度形成多孔结构,并且较为容易制备出通孔隙,使其具有广泛的应用领域。近年研制多孔烧结过滤材料所取得的进展是我国粉末冶金领域发展最快最有成效的领域之一,烧结金属含油轴承已经得到了广泛的应用,国外已将烧结金属透气模具钢应用到塑料模具工业中。为了将烧结金属多孔材料应用到工业领域中,如在注塑模具或吸塑模具中镶入烧结金属多孔材料,以满足模具型腔排气和吸气的要求,必须将所制备的多孔材料加工成一定的形状和尺寸。烧结金属多孔材料可进行机械加工,但与大部分的粉末烧结材料一样难以切削出高质量的表面。烧结金属多孔材料切削加工之后加工面上的孔隙结构易被堵塞,从而影响材料的透气性。文中将着重分析多种机械加工对这种材料透气性能的影响。1试样质量及压制本试验选用工业配比铁粉(雾化粉∶还原粉∶胶体石墨∶硬脂酸锌∶电解铜粉(质量比)=50∶50∶0.7∶0.65∶2.0),在每种标称压力下压制4组不同质量的试样,压力分别为40,45,50以及55MPa,试样粉重分别为100,150,200和250g,总共压制直径为8cm的圆柱试样16件,烧结在RSJ-13四段高温烧结炉进行,烧结气氛为分解氨,烧结炉烧结温度段为1100～1300℃,保温1h,全部试样如表1所示。2结果与讨论2.1铁粉球颗粒孔隙模型本试验中所制备的为松压试样,因此存在大量的孔隙,下面将参照金属的典型晶体结构建立两种孔隙的几何模型,以此来说明烧结金属多孔材料孔隙的产生原因、孔隙的面貌和孔隙的连通性。假设铁粉球颗粒大小均一,而且都是标准的球体,将堆积的几何模型简化成图1和图2两种情形。第一种模型如图1所示,假设铁粉球颗粒体心立方堆积,见图1(a),取出其中一个基本单元,见图1(b),用绘图软件去掉单元中实体部分,将实体之间的孔隙用实体表示,则孔隙的几何模型见图1(c)。通过计算易得出此模型的孔隙率为32%。第二种模型如图2所示,假设铁粉球颗粒面心立方排列,见图2(a),取出其中一个基本单元,见图2(b),用绘图软件去掉单元中实体部分,将实体之间的孔隙用实体表示,则孔隙的几何模型见图2(c)。通过计算易得出此模型的孔隙率为26%。从这两种几何模型可看出,球颗粒堆积后其内部形成大量的孔隙,这种孔隙形成了镂空的复杂几何体,并且这种几何体是一种连续的实体模型,这就说明了球颗粒堆积后其孔隙是一个连通体,一定尺寸的物质可在这种连通通道内顺利穿行。由这两种模型孔隙率的计算结果可知:均一尺寸的粉末球颗粒堆积后孔隙率与球颗粒尺寸大小无关(这与通常的认识不相符,这是由于球颗粒为同一尺寸时,球体尺寸与孔隙尺寸的比例不变,大颗粒堆积孔隙尺寸较大但孔隙数目较少,小颗粒堆积孔隙尺寸较小但孔隙数目较多,整体上颗粒堆积后的孔隙率不变),但与球颗粒的堆积方式有关。球颗粒堆积越简单、越松散,孔隙率越大;反之,球颗粒堆积越复杂、越紧密,孔隙率越小。球形粉末烧结而成的多孔材料,其颗粒最密集排列为密排六方和面心立方,反映到金相视场的平面上,则显现出3个颗粒或4个颗粒成孔的三边形或四边形结构,这种排列成孔的孔径较小且分布均匀,是较理想的结构形式。但实际上,由于“拱桥效应”,颗粒排列不会是完全的密集排列,相应还会存在5个、6个……颗粒成孔而构成的五边形、六边形、……孔隙结构,各种孔隙结构所占的比例依制备材料所用的原料粉末粒度组成及制备工艺的不同而不同。2.2机械压制压力对孔隙率的影响理论平均密度的计算公式为ρ=MV(1)ρ=ΜV(1)式中:M为试样质量;V为试样体积。孔隙率的计算公式为α=ρ0−ρρ0(2)α=ρ0-ρρ0(2)式中:ρ为理论平均密度;ρ0为理想密实密度。依据上面公式计算实验试样的孔隙率。从表1中可看出,机械压制压力越大,试样密实程度越高,孔隙率便越小,这与理论分析一致。同时可以看出同一压力下试样的孔隙率与质量没有明显的关系,由于实验采用同样的原料、设备和烧结成形温度,因此可以认为本实验中机械压制压力是影响孔隙率的惟一因素。表2反映了孔隙率在不同压力下的平均值,显然,压力越大,平均孔隙率越小。对试样孔隙率检验的结果也较好地与上面分析相吻合。实验中放电线切割制作尺寸为10mm×10mm×8mm试样,依据GB/T5164-1985,利用渗油法,试样4-4的孔隙率检验结果为21.1%,这一结果与试样4-4的计算值23.4%,以及与平均孔隙率值24.3%是较为接近的。2.3表面形貌以下分析放电线切割、水切割和磨削加工对材料加工表面孔隙结构和透气性的影响。图3是试样经冲击断裂之后断口的形貌照片,图中烧结金属多孔材料内部的形貌得到最为真实的反映,从中可以直接观察得到粉末原料的颗粒,以及颗粒之间的孔隙结构。此照片同时验证了2.1节中球颗粒堆积的几何模型。图4是试样经放电线切割之后截面的形貌照片,此图与图3所显示的断口形貌有很大差异:多孔材料的孔隙结构被破坏,截面孔隙被部分堵塞,粉末原料颗粒已经很难直接观察得到,孔隙数量减少,尺寸减小。照片中还可以清晰地看到球形颗粒群,这些颗粒是由于放电线切割加工时放电电流使材料瞬间高温熔融、冷凝而形成的,它们大部分堆积于材料截面低凹处,而材料的孔隙主要分布于这些区域,因此试样的截面孔隙被部分堵塞。图5是试样经水切割之后整个截面的照片。截面可分成外观形貌不同的两个区域:ac之间为1区,表面光滑平坦;cb之间为2区,表面呈条纹状。两区之间有明显的分界线(如图中假设的黑长线)。切缝截面的这些特征,是由水切割的特点决定的,当高速水束射向试样表面时,其所携带的沙砾初始功率密度很高,试样上表面ac之间的金属切断后形成了较光滑平坦的切面即图5所示1区;而在cb之间的2区,水束发散,所携带的砂砾能量降低,切割材料后形成了条纹,切缝的宽度也较1区大。图6是试样经水切割之后局部截面的形貌照片,与图4相同的是:切割后多孔材料的孔隙结构也被破坏,截面孔隙被部分堵塞。但与图4不同的是:水切割为一种冷切割(水不光是沙砾载体,也是传热介质),不会产生放电线切割时的高温熔融、冷凝而堵塞孔隙的现象。水切割时其所携带的高速砂砾在材料表面产生了摩擦效应,使切割面上的材料发生塑性变形,因此截面的孔隙结构产生变化,呈现出大量的切割条纹(如图5照片中的宏观条纹和图6照片中的微观条纹),试样截面上的孔隙也因此被部分堵塞。图7是试样经细砂纸水环境磨削并抛光之后的截面照片。图中可以看到有很多不规则的黑色区域,这些区域大部分是材料的孔隙。与图3中照片显示的多孔材料空间孔隙结构不同,图7中显示的是平面孔隙区域。再比较图4,6,7可发现,利用细砂纸水环境磨削对多孔材料进行加工,材料截面上的孔隙不会被大量堵塞,因此可以认为这种机械加工方法能有效地避免多孔材料经过机械加工后表面的孔隙易堵塞的现象。可以解释为:在这种加工条件下,材料的加工表面有水介质冷却,不会产生放电线切割时的高温熔融现象;细砂纸磨削速度慢,不会产生水切割时高速沙砾的摩擦效应。因此这种机械加工方法可有效地保证多孔材料孔隙结构的连通性。为检测用不同方法进行机械加工之后试样截面上孔隙的堵塞程度(即材料孔隙结构的连通性),设计了如图8测试透气性的实验装置:气室A和B,试样切片将两气室分隔开。A气室接抽气机,气室壁为刚性的致密材料;B气室为一可自由收缩的密封容器,其内的气压始终自动保持和大气压相当。当抽气机工作时,气室B的容积慢慢减小,其内的气体流入气室A,这就可以证明试样的透气性,气室B排气的速度反映透气性能的好坏。实验中先测试了同等压力制备出的3件直径为8cm的试样:试样①(厚度8mm),无任何加工处理,表面形貌类似于图3;试样②(厚度1mm),放电线切割加工,表面形貌类似于图4;试样③(厚度0.7mm),放电线切割后又利用砂轮磨削加工,表面形貌类似于图6。测试结果显示,图8中装置排完B气室的空气分别用时8,38和52s,可见这3种试样透气性能依次降低,反映了加工表面孔隙被堵塞的程度。材料烧结成形后表面没经过任何机械加工的试样,透气性最好,经过线切割和高速磨削加工的试样透气性降低,但孔隙仍是三维连通的。通过透气性实验可以看出:对烧结金属多孔材料进行机械加工,材料表面的孔隙易被堵塞,材料内部的孔隙保持着三维相通的结构,使材料整体仍具有一定的透气性。3烧结金属多孔材料的孔隙结构(1)制备了高孔隙率的烧结金属多孔材料,其孔隙率与成形时的机械压力大小有