粉末冶金零件制备:生坯加工工艺
粉末冶金生坯加工在20世纪90年代末由A Šalak提出,该方法是在烧结前对压制成型的零件进行加工,此时粉末颗粒间靠冷焊和机械啮合连接,烧结后出现的高硬度的马氏体和贝氏体此时并不存在,在该情况下对其加工所造成的刀具磨损几乎可以忽略不计,同时可将加工效率提高到烧结件的3倍以上。
生坯加工工艺
利用生坯加工的方法制造汽车正时链轮沟槽。切削过程中发现,加工边缘的平均破损宽度随着生坯孔隙率的增大而增大。在对于切削质量影响程度的因素中,密度占40%,而进给率和切削速度只分别占37%和23%,证明了高密度对于生坯加工结果的重要影响。此外,试验表明,切削速度对已加工表面质量的影响较小,将切削速度从305m/min增至457m/min(高出50%)时,零件边缘的平均破损尺寸仅增加4%,因此在实际生产中可以使用较高的切削速度。在此基础上,Robert-Perron等利用正交试验方法,研究了钻头型号、转速和进给率对通孔加工质量影响。结果表明,当钻头直径为6.35mm、螺旋角为35°、顶角为118°时,在转速为7000rpm、进给率为0.0254mm/r时所加工的通孔质量最优,如图5所示,零件的平均破损为115μm,孔内粗糙度为3.7μm。将硬质合金生坯在800℃的温度下预烧40min,预烧后强度约25.6MPa。对切削参数进行研究,结果显示为保持加工稳定性,加工过程需要较低的主轴转速,但为了获得较高加工质量必须使用较高的主轴转速和较低的进给率,为此必须综合考虑各方面因素对于加工质量的影响。为了获得较高加工质量,主轴转速应取2000r/min,进给率应为0.02-0.05mm/r。
生坯强度的提高
生坯加工要求压制的生坯强度必须大于20MPa,否则,生坯在装夹时极易发生破损;此外,在进行机械加工时,零件边缘容易发生崩损。为了提高生坯强度,加拿大魁北克金属粉末公司开发了新型聚合物润滑剂,该润滑剂能够在粉末压制过程中形成连续的坚固网络,并在较低温度下经过固化后提高生坯强度。研究表明,该新型聚合物润滑剂可使生坯强度达到45MPa以上,几乎超过传统润滑剂所能达到的强度的两倍。温压工艺是提高生坯强度的另一种方法,由赫格拉斯(Höganäs)公司在1994年的国际粉末冶金和颗粒材料会议上正式公布。其工艺特点是在成形时将粉末和模具加热到90℃-150℃。通常认为,在该温度范围内粉末颗粒的屈服强度、加工硬化速率和硬化程度都会有一定下降,其塑性变形阻力和致密化阻力也同时下降,这些都有利于压制过程中粉末颗粒的塑性变形。研究表明,温压的生坯密度比常压的高出,生坯强度最多能达到常压的4倍,对于生坯加工来说,其强度已经能够满足要求。关于温压工艺的致密化机理目前尚未形成统一的认识,以果世驹教授为代表的观点认为,相对传统的压制过程,温压工艺并没有形成新的致密化机理,而其他一些学者认为温压工艺能够促进粉末颗粒的塑性变形和降低脱模力,使得粉末颗粒在压制过程中进行重排,促使小的粉末颗粒填充大的颗粒间隙,进而提高生坯密度。高速压制技术是提高生坯强度的又一种方法,是赫格拉斯公司于2001年推出的一项新技术,该技术要求上模冲以10-30m/s(常规压制速度约3m/s)的速度对中模内的粉末进行压制,较高的压制速度所带来的冲击能量以应力波的形式在粉末间传递,当应力波到达下模冲时,部分应力波会反射回来继续作用于粉末,如此反复直至应力波衰减为零。利用高速压制技术得到的生坯密度最高可达到,接近完全致密,高密度能显著提高生坯的强度,能够承受生坯加工的切削力和夹持力。
生坯加工后烧结件的力学性能
Desbiens等研究了生坯加工后烧结零件的拉伸性能和疲劳强度,将经过固化处理的方形生坯拉伸试样加工成圆形拉伸试样,烧结后对其进行拉伸试验测试。结果表明,当以1.5℃/s的速度将烧结温度从650℃冷却到350℃时,经过生坯加工的试样组织由90%的马氏体和10%的贝氏体构成,而未经过生坯加工的试样组织由70%的马氏体、20%的贝氏体以及10%的珠光体构成;相应地,经过生坯加工的试样其屈服强度和拉伸强度分别高出未经生坯加工试样的18%和9%。原因是经过生坯加工的试样从材料外部到内部的冷却速率要高于未经过生坯加工的试样。当冷却速度由较慢的1.0℃/s将温度从650℃冷却到350℃时,二者的拉伸性能并没有出现这一差异。在疲劳强度方面,经过生坯加工的试样与未经过生坯加工的试样基本一致。
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