第六章-粉末锻造

第六章粉末锻造第一节粉末锻造工艺•粉末锻造：将烧结的预成形坯，加热后在闭式模中锻造成零件的工艺。•优点：兼有粉末冶金和精密模锻两者的优点，可以制取相对密度在98%以上的粉末锻件，克服了普通粉末冶金零件密度低的缺点；可获得较均匀的细晶粒组织，并可显著提高强度和韧性，使粉末锻件的物理机械性能接近、达到甚至超过普通锻件水平。•保持普通粉末冶金少、无切屑工艺的优点，通过合理设计预成形坯和实行少、无飞边锻造，具有成形精确、材料利用率高、锻造能量低、模具寿命高和成本低等特点。粉末锻造分类：•常用的粉末锻造方法有粉末热锻和粉末冷锻；•粉末热锻又分为粉末锻造、烧结锻造和锻造烧结三种粉末锻造关键技术：•粉末原料的选择。粉末锻件材质的选择、粉末类型、杂质含量和粒度分布以及预合金化程度等等•预成形压坯的设计。锻造过程中材料的致密、变形和断裂主要取决于预成形坯的设计，包括预成形坯的形状、尺寸、密度和质量的设计。•锻模设计和寿命•锻造工艺条件和热处理粉末锻造工艺影响因素•多孔坯的可锻性；•锻造压力；•锻造温度；•锻模温度；•润滑及冷却等。•锻造初期由于多孔坯易于变形，锻件密度增加很快；锻造后期由于部分孔隙封闭，金属流动阻力增大，锻造压力迅速增高，若要排除锻件中的残留孔隙，则需要非常高的锻造压力•阿忍等研究了铁粉预成形坯在820~1080℃锻造到一定应变所需要的锻造压力与温度的关系，并指出：当锻造温度低于900℃时，锻造压力随温度的升高而降低；900℃以上时，锻造压力几乎不再降低。•锻模的温度、润滑及冷却状况强烈影响锻件的质量和锻模的使用寿命。在粉末热锻低合金钢时，锻模温度一般为200~310℃，所采用的润滑剂与精密模锻相同，常采用胶体石墨水剂或二硫化钼油剂；且用压缩空气来强制冷却锻模以得到均匀的润滑薄膜第二节粉末锻造过程的塑性理论•在模锻过程中，多孔预成形坯受到外力和内力的作用产生变形而致密。一、粉末锻造过程三种基本变形和致密方式对于动压设备（如摩擦压机、高能高速锤等）来说：由上式可知：增大锻锤质量M或提高打击速度V，都能使作用力增大，即打击能量增大。但是，在粉末锻造时，增大锻锤质量比增大打击速度更易于控制。在粉末模锻过程中，多孔预成形坯的变形和致密有三种基本方式：单轴压缩、平面应变压缩和复压•单轴压缩：在无摩擦平板模镦粗时所发生的变形方式。一种无侧向约束的压缩变形。•平面应变压缩：在平板模镦粗长条预成形坯时，在长条坯的中心截面上产生平面应变压缩。是一种在一个侧向上有约束的压缩变形。•复压：是发生在热复压过程中的一种变形。在闭式模锻变形的最后阶段，当预成形坯填满模腔后所发生的变形，也属于复压。这是一种全约束的压缩变形。镦粗：在外力作用下，使坯料高度减小，横截面增大的塑性成形工序。二、锻造过程多孔预成形坯的变形特性1、质量不变•致密体在塑性变形过程中遵循着体积不变，而多孔体在锻造时遵循着质量不变2、低屈服强度和低拉伸塑性•多孔预成形坯的屈服强度随着预成形坯孔隙度的增大而减小；且比致密体的屈服强度小得多•多孔预成形坯由于显著致密化和较小横向流动而使鼓形曲率减小，导致鼓形表面的周向应力减小，但是与致密坯相比，孔隙对拉应力更加敏感，从而使多孔预成形坯在拉应力状态下具有低塑性的特点。3、小的横向流动•金属在压缩过程中的横向流动是锻造时的主要变形特性多孔预成形坯在锻造过程中同时产生变形和致密化，遵循着质量不变条件，但其体积是不断减小的。由于锻造时消耗了部分能量来减少预成形坯的孔隙，所以多孔预成形坯同致密坯相比，具有较小的横向流动，4、变形和致密的不均匀性•在粉末锻造过程中，由于外摩擦的存在，使预成形坯内的应力分布不均匀，应力状态不同，导致预成形坯变形和致密的不均匀性。第三节粉末锻造过程的断裂一、粉末锻造过程的断裂•在粉末冶金锻造过程中预成形坯的横向流动，对粉末锻件的冶金结构完整性和机械性能有很大的影响。据研究指出热复压件比同材质的热锻件，具有较小的冲击韧性，且随着横向流动量的减少而降低；同时，由于横向流动而使孔隙受到垂直压缩和剪切变形的作用，从而有利于孔隙的闭合，降低预成形坯致密时所需的压力。•但是在闭式模锻过程中，预成形坯极易产生裂纹。多孔预成形坯的低拉伸塑性是限制粉末锻造的主要因素。为了解决预成形坯低拉伸塑性和锻造时需要横向流动之间的矛盾，可采取的办法：•改善润滑条件和合理设计预成形坯，控制变形方式，以便增加裂纹产生前的应变量；•采用高温烧结方法，提高预成形坯的可锻性；•采用无横向流动无断裂危险的热复压方式；•利用粉末合金的微细晶粒超塑性和相变超塑性状态进行锻造；•采用大变形量锻造方式使锻造初期出现的裂纹重新锻合起来。粉末锻造过程的断裂极限•通过一系列圆柱体试样的镦粗试验，测定断裂点的压应变（高度真实应变εh=㏑（h/h0）和拉应变（周向真实应变ε0=㏑（D/D0）,从而可以得到多孔坯断裂时表面主应变之间的关系，叫做断裂应变迹线，也叫成形极限应变曲线。•由图可知所有试验材料的断裂应变迹线都是一条斜率为1/2的直线，且平行于均匀压缩（无摩擦）的应变迹线。这说明各种材料断裂时鼓形表面的总应变关系相同。•在均匀压缩中，圆柱体表面不形成鼓形，其周向应力为零，所以不会产生断裂。而偏离此条件时则可能产生断裂。各条断裂应变迹线与纵坐标轴的截距，表示在平面应变条件下断裂前的应变。烧结坯由于存在孔隙，断裂应变迹线的纵截距比致密坯低得多，且室温下的断裂应变迹线比高温下低。二、基本流动模型的研究----变形分析•在锻造过程中，可把复杂形状的粉末锻件分割为几个区域，每个区域都用一个特殊的塑性流动模型来表征。对于各种轴对称锻件，这些区域包括横向流动（垂直于冲头运动方向）、后挤压（与冲头方向相反）和前挤压（与冲头运动方向相同）将各种变形模型断裂时的表面主应变，与通过简单镦粗试验所测定的线性断裂应变迹线进行比较，从而可得出预成形坯的设计方法。用这种方法可以修正预成形坯的形状和尺寸，使材料的应变位于断裂应变迹线之下。•注意：在上面的分析中只考虑了表面断裂问题，没有研究锻造时由于预成形坯的低拉伸塑性，或者由于剪切变形所造成的内部断裂问题，而且也没有涉及锻模的磨损问题。锻模的磨损是一个重要的经济因素，因此设计时必须考虑材料流动对锻模磨损的影响。三、预成形坯设计•预成形坯的设计不仅要考虑材料的流动和致密化，而且还要考虑锻造过程中的断裂问题。•为了研究外摩擦和高径比对表面拉应力和断裂的影响，库恩等对烧结铝合金圆柱体预成形坯进行了镦粗试验。推导出预成形坯的高径比和断裂时锻件的高径比的关系。并假设裂纹即将产生的时刻就是预成形坯到达模壁的时刻，这样产生裂纹时的高径比就是复压阶段开始的高径比。形状尺寸•通常在设计与锻件形状相似的预成形坯时，为了防止任何两个部分之间金属发生折叠和断裂，预成形坯各部分的金属量的分配，不要使金属过多地从一个部分流到另一个部分。应该指出，预成形坯的设计除了考虑锻件性能要求、材料的流动和断裂以外，还应考虑锻模使用寿命问题。第四节粉末锻造过程的变形机构•由于多孔预成形坯是由基体金属和孔隙组成的复合体，在锻造时同时产生塑性变形和致密化，与致密金属坯锻造时塑性变形的微观机构相比，具有不同的特点。•致密金属塑性变形的微观机构主要是金属晶体的位错运动；而多孔预成形坯塑性变形和致密化的微观机构，不仅基体金属晶体产生晶间和晶内变形，而且与孔隙的变形有关。•由于基体金属晶体的塑性变形很小，研究粉末锻造过程塑性变形和致密化的微观机构时，应着重研究颗粒间变形机构和孔隙变形的规律。一、粉末锻造过程孔隙变形的规律孔隙的变形受到变形程度、变形方式及应力状态的影响变形程度影响以还原铁粉预成形坯进行无摩擦均匀单轴压缩为例：•高度缩减率小于5%时，孔隙形态几乎没有发生什么变化•高度缩减率为17%时，颗粒和孔隙两者都在一定程度上被压扁•高度缩减率48%以上时，压扁现象进一步加剧•高度缩减率接近48%时，有一些小圆形内孔存在•高度缩减率接达70%时内孔也在不同程度上被压扁变形方式及应力状态的影响孔隙只受到水静压应力状态的作用。水静压应力状态可以使多孔坯致密，孔隙体积可以通过弹性变形和塑性变形方式减小。孔隙同时受到水静压应力和切应力的作用，在变形过程中，孔隙体积不仅受到水静压缩，而且由于剪切变形使孔隙闭合和拉长•因此，采取不同的锻造方式，孔隙变形的方式是不同的，锻件的残留孔隙度和孔隙形态也不同。•热复压时，由于材料几乎不产生横向流动，只靠轴向压应力将孔隙压扁；镦粗时，由于材料产生横向流动，使孔隙同时受到轴向压缩和剪切变形的作用，这种剪切变形作用容易使孔隙拉长和闭合，并降低多孔坯致密化所需要的力。热复压时由于没有材料的横向流动和孔隙剪切变形的作用，锻件中长轴与压缩方向大致平行的圆柱形残留孔隙比热镦粗多二、粉末锻造过程的颗粒间变形机构•粉末锻造过程塑性变形和致密化的微观机构，包括孔隙变形、晶体塑性变形、颗粒间位移和变形，但由于基体金属晶体的塑性变形是有限的，所以孔隙变形、颗粒间位移和变形的影响将是主要的，而孔隙的变形也依赖于颗粒间位移和变形。因此，可动性的颗粒间变形机构成为多孔坯锻造过程塑性变形和致密化的主要机构。•由于孔隙周围的颗粒形状和位向是不同的，颗粒间的联结强度又很低，所以在外力作用下，每个颗粒所处的应力状态不同，使每个颗粒的变形和颗粒间晶界的滑移也不同，从而引起颗粒间多种形式的相对移动、转动和变形，造成孔隙的倒塌、闭合和拉伸。