（机械工程专业论文）汽车减震器中导向器粉末冶金制备工艺的研究.pdf

吴宝伟：汽车减震器中导向器粉末冶金制备工艺的研究 中文摘要 摘要：粉末冶金是以金属或金属粉末与非金属粉末的混合物作为原料，经过模压成形和 烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术，尤其在汽车零部件领域 得到了大量的应用。汽车导向器是用于汽车减震器中导向控制系统的零部件，对于汽车 起着导向的作用，目前国内常用的方法是采用粉末冶金，但在制造过程中仍存在大量的 问题，如混料工艺不科学，压制力计算与选取不合理，烧结时间及控制存在偏差等，都 对产品质量及零件性能造成了影响。 课题针对导向器产品制造的工艺流程，研究生产过程中所存在的问题，并提出解决 方案，进行优化实验，以提高产品质量。首先从混料的工艺制定，改良方案，使得粉末 在压制前更均匀；其次针对导向器的尺寸、形状，进行压制力的计算，对压制力进行预 试验，选取最佳压制力，使得导向器在压制后具有最佳的紧实度与强度；第三研究了导 向器烧结的不同温度区间，根据工艺要求，控制烧结时间并进行优化，提高零件烧结后 的性能、强硬度及表面质量；最后对导向器的表面精整工艺进行了讨论，主要包括精整、 复压、超声波清洗和水蒸汽处理等内容，制备了性能优良的导向器零件。 通过对导向器粉末冶金工艺的改进以及实验优化，完善了制造工艺过程中的质量控 制措施，进一步提高了导向器的质量，为企业赢得了较好的经济效益。 关键词：粉末冶金，导向器，模压成型，烧结，工艺性能 i i扬州大学工程硕士论文 a b s t r a c t p r e p a r a t i o no fp o w d e rm e t a l l u r g yi sam e t a lo rm e t a lp o w d e ra sr a wm a t e r i a l ，a f t e r f o r m i n ga n ds i n t e r i n g ，m a n u f a c t u r i n g ，m e t a l s ，c o m p o s i t e sa n dv a r i o u st y p e so fp r o d u c t s ， p r o c e s st e c h n o l o g y e s p e c i a l l yi nt h ef i e l do fa u t op a r t s ，p o w d e rm e t a l l u r g yh a sb e e nal a r g e n u m b e ro fa p p l i c a t i o n s c a rn a v i g a t i o nd e v i c e ，i su s e di na u t o m o b i l e o r i e n t e dc o n t r o ls y s t e m c o m p o n e n t sf o rt h ea u t o m o b i l e o r i e n t e dr o l ep l a y i n g ，t h ec u r r e n td o m e s t i cc o m m o n l yu s e d m e t h o di st ou s ep o w d e re x t r a c t i o n ，b u ti nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s st h e r ea r es t i l lal o to f p r o b l e m s ，s u c ha sm i x i n gp r o c e s si sn o ts c i e n t i f i c ，t os u p p r e s sf o r c ec a l c u l a t i o na n ds e l e c tt h e i r r a t i o n a l ，s i n t e r i n gt i m ea n d t h ec o n t r o lo fb i a s e da n ds oo n ，t h e q u a l i t yo fp r o d u c t sa n ds p a r e p a r t sh a d a ni m p a c to np e r f o r m a n c e t h et o p i cf o rt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e so fd i r e c t o ra n dp r o d u c tm a n u f a c t u r i n g p r o c e s s ，t r a c k i n gp r o d u c t i o n ，r e s e a r c ho nt h ep r o d u c t i o np r o c e s st h ep r o b l e m sa n dp r o p o s e s o l u t i o n s ，c o n d u c te x p e r i m e n t st oi m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y f i r s t ，f r o mt h em i x i n gp r o c e s st o d e v e l o p ，i m p r o v ep r o g r a m st om a k em o r eu n i f o r mp o w d e ri nt h es u p p r e s s i o no ft h ef o r m e r s e c o n d ，f o rt h ed i r e c t o ro ft h es i z e ，s h a p e ，a b i l i t yt os u p p r e s st h ec a l c u l a t i o no ft h ev a r i o u s p r e - t r i a ls u p p r e s s i o nf o r c e st os e l e c tt h eb e s ts u p p r e s s i o no ff o r c e ，m a k e st h ed i r e c t o r , a f t e r t h es u p p r e s s i o nh a st h eb e s tc o m p a c t i o na n ds t r e n g t h f o rt h ep a r t ss i n t e r i n g ，a c c o r d i n gt o p r o c e s sr e q u i r e m e n t s ，s t r i c ti m p l e m e n t a t i o no ft h ep r o c e s s ，g r a s pt h ep r e c i s es i n t e r i n gt i m e a n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs i n t e r e dp a r t s ，h a r d l i n ed e g r e e sa n dt h es u r f a c eq u a l i t y b yp o w d e rm e t a l l u r g yp r o c e s s ，i no r d e rt oi m p r o v et h ed i r e c t o ra sw e l la st h r o u g ha l a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t s ，m a k e st h ed i r e c t o ro fm a n u f a c t u r i n gi nb o t hd e v e l o p e do u to fa s o u n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s ，b u ta l s om a k e st h ed i r e c t o ro fq u a l i t yh a sb e e nf u r t h e r i m p r o v e d ，i no r d e rt og a i nam o r el u c r a t i v eb u s i n e s sp r o f i t s k e yw o r d s ：p o w d e rm e t a l l u r g y , d i r e c t o r ，s u p p r e s s i o n , s i n t e r i n g ，p r o c e s sp e r f o r m a n c e 吴宝伟：汽车减震器中导向器粉末冶金制备工艺的研究 5 7 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成 果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体己经发表的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果 由本人承担。 一签名夕，屈中 签字日期：b l 行p 年r 月夕日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家 有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权 扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 吴宝伟：汽车减震器中导向器粉末冶金制备工艺的研究 第一章绪论 1 1 粉末冶金技术及发展现状 粉末冶金技术是- f - j 比较古老的技术，我国早在春秋末期，约2 5 0 0 多年以前，就已 用块炼铁( 即海绵铁) 锻造法制造铁器了。进入1 8 世纪后，用粉末冶金方法制取了金属铂， 使这门古老的冶金技术开始进人现代科学技术发展的行列。在1 9 世纪后期至2 0 世纪初， 用粉末冶金方法制取了具有划时代意义的金属钨。2 0 世纪2 0 年代，美国某电器公司实 现了粉末冶金青铜含油轴承的产业化生产；3 0 年代( 1 9 3 4 年) 瑞典赫格纳斯公司开始供应 海绵状还原铁粉；4 0 年代美国某汽车公司对汽车机油泵齿轮用粉末冶金法进行批量生 产，开始在机械制造业中形成了粉末冶金产业，之后相继出现了电触头材料、青铜过滤 器等。发展成现代化的粉末冶金法已有一百多年历史【l - 3 】，因此粉末冶金又是- - i - 较年 轻的产业。粉末冶金技术由于其某些特点，因而对金属材料工业的发展起着很大的推动 作用。粉末冶金制品的产量增长十分迅速，某些工业发达的国家仅铁基粉末冶金零件一 项每年增长率约为1 5 - - , 1 7 4 巧】。 根据国家统计局统计的数据，我国汽车产量2 0 0 3 年达到4 0 0 余万辆，2 0 0 5 年达到 5 7 5 万辆，到2 0 1 0 年，将可能突破1 0 0 0 万辆。可见汽车用减震器中导向器粉末冶金零 件具有很大的市场需求量。此外，诸如家用器具、农业机械、电动工具器材等领域也广 泛应用铁基粉末冶金零件【6 1 。 我国粉末冶金工业是从2 0 世纪4 0 年代开始建立的，1 9 4 0 年，重庆已成为钨矿原料 生产钨粉的重要产地，钨粉用于炼制高速工具钢。1 9 4 8 年，大连钨钴类硬质合金投产。 1 9 5 2 年上海研制成功钨丝并组织生产，还生产了b k 类硬质合金。5 0 年代中叶上海、北 京等地研制成功了还原铁粉，并用这种粉末制成了铁基含油轴承并投入生产，此后，我 国粉末冶金企业如雨后春笋般的建立【6 8 】。 进入2 l 世纪初，我国制造业进入快速发展时期，尤以汽车工业发展势头旺盛，世 界粉末冶金零件的发展，是和汽车工业发展最为密切相关的。在发达国家，汽车工业始 终是粉末冶金零件的最大用户。如北美粉末冶金汽车零件占整个粉末冶金机械零件的 7 0 以上，日本8 0 以上，其中以轿车上的应用最为典型。 我国粉末冶金技术突飞猛进，在机械结构零件、减摩材料、硬质合金、电工合金、 磁性材料、难熔金属及其合金等方面已形成具有较大规模的产业，在工业发展及国民经 济中占有不可替代的作用。 2 扬州大学工程硕士论文 当今世界粉末冶金工业继续的发展，尤其是一些高新技术成果在粉末冶金工业中的 应用，使粉末冶金新材料、新产品不断涌现。粉末锻造、温压成形、注射成形等技术已 用于产业化，并有日益增长的趋势。粉末冶金技术的发展与粉末冶金零部件生产需要是 分不开的，同时粉末冶金产业的发展也催生了许多重要的技术革新。 2 0 世纪6 0 年代末出现的粉末锻造，是对铁基粉末冶金材料和零件制造技术的重大 突破。它将粉末冶金工艺与精密锻造相结合，使机械零件达到全致密和获得高性能成为 可能，适合制造力学性能高的铁基结构零件，因而增加了粉末冶金机械零件的品种，扩 大了应用领域。粉末锻造过程中，被加热到锻造温度的粉末导向器产生物质流动，填充 阴模模腔，可成形具有较复杂形状的零件陋16 1 。 温压技术是粉末冶金领域近几年发展起来的一项新技术，可生产出高密度、高强度， 具有非常广泛的应用前景。所谓温压技术就是采用特制的粉末加温、粉末输送和模具加 热系统，将加有特殊润滑剂的预合金粉末和模具等加热至1 3 0 - - - 1 5 0 c ，并将温度波动控 制在士2 5 ，其技术关键是温压粉末制备和温压系统。 粉末注射成形技术被誉为是粉末冶金技术的一次革命。该技术借鉴塑料注射成形， 将粉末和有机粘结剂混炼成具有一定粘度的流变体，通过注射过程在模具中成形，然后 经过脱除粘结剂、高温烧结等环节制备零部件1 7 。2 们。 激光快速成形技术是机械工程、c a d 、数控技术、激光技术以及材料科学等技术的 集成，能够将电子模型的设计迅速、自动地物化为具有一定结构和功能的原型或零件 2 1 - 2 3 1 o 1 2 粉末冶金产品的优异性能及其应用 粉末冶金技术在材料合成和零部件制备方面均具有很多优势。总结归纳粉末冶金 的主要优势2 】： l 、粉末冶金材料是具有特殊性能的材料 粉末冶金技术所以得到迅速发展是与其技术上和经济上的特点分不开的。粉末冶金 法是一种少、无切削工艺，可以减少零件加工量，节约材料并提高劳动生产率。更主要 的是通过粉末冶金法可以生产出其他工艺方法无法制造或者难以制造的各种材料与零 件，如高熔点金属材料钨、铂以及某些金属化合物的熔点拥有2 0 0 0 以上，采用通常的 熔铸工艺比较困难，而且材料的纯度与冶金质量难以得到保证；复合材料，如含有难熔 化合物的金属陶瓷材料、弥散强比型材料以及金属与非金属的复合材料等；假合金材料。 假合金指各组元在液态时基本上互不相溶，无法通过熔合法制成的合金。如电触头 吴宝伟：汽车减震器中导向器粉末冶金制备工艺的研究 合金中的铜一石墨系，只有通过粉末冶金法制成合金特殊结构材料。如含油轴承、过滤 器等多孔性材料。 2 、粉末冶金材料具有优越的性能 粉末冶金从学科来讲，属于材料科学范畴，但实际涉及的领域十分广泛，是一门跨 化工、冶金、材料、机械等多学科的综合技术，在现代工业发展和国民经济中起着不可 缺少的作用。特别是对于许多特殊材料，诸如难熔金属材料，工具材料中的硬质合金、 金刚石和立方氮化硼等超硬材料，原子能工程材料中的核燃料元件、弥散强化型复合材 料，反应堆中结构材料、控制材料、屏蔽材料，耐热材料中的粉末镍基超合金、钴基超 合金、高温氧化物基和碳化钛的金属陶瓷，高密度钨铜合金，以假合金形式出现的高压 电触头材料、金属电热材料中的大部分，只能用粉末冶金制造。简单地说，粉末冶金材 料具有以下两方面优越的性能： ( 1 ) 高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的产品好。 ( 2 ) 难熔金属材料或产品生产一般要求依靠粉末冶金。 3 、粉末冶金材料及产品有良好的经济性 从制造机械零件方面来看，粉末冶金法制造机械零件是一种少切削、无切削工艺， 可以大量减少切削加工量而节省机床，节约金属材料，提高劳动生产率。 从冶金过程方面来看，粉末冶金温度低，重复加热次数少，材料利用率高，是一种 节能的工艺过程。 从生产规模方面来看。粉末冶金产品易于自动化、大批量生产有利于扩大生产规 模，减少投资费用，提高效益。由于用粉末冶金制造高密度、高强度、高精度和形状复 杂的结构零件，在我国还是近一二十年才发展起来的，主机企业的设计人员在选择使用 粉末冶金零件上，还有一个认识过程，因此拓宽粉末冶金零件的应用领域，开发出更多 的品种，还需要主机和零件制造商密切协作，双方从节材、降耗多项技术经济指标来评 估、比较，最终确定选用哪种制作工艺更合适、更有利。或者在这段时间内，选择这种 加工工艺合适，过了一段时间，随着某一工艺本身的技术进步，新工艺、新技术的诞生， 选择另外的加工工艺更有潜力。如图1 1 所示，为粉末冶金和其他传统机械加工工艺生 产零件的材料利用率和能耗比较。 用粉末冶金法制造机械结构零件时，比用其他加工方法的材料利用率高、能耗低( 节 能) ，切削加工的材料利用率5 0 左右，而粉末冶金的材料利用率大约是9 5 ，所以粉 末冶金是机械加工方法中比较节省成本的方法【8 】。 4 扬卅i 大学工程硕士论文 l l li 9 0 铸造 3 8 lli 9 5 粉末冶金 一 2 8 5 i 。i il 8 5 冷压成型 4 t l l l8 0 锻造 4 9 l i lf 切削加工8 2 l ii 材料利用率每千克零件的徒耗 图i - i 各种加工方法的材料利用率与能耗 1 3 导向器粉末冶金工艺流程简介 根据导向器的制造工艺，制造设备及材料，制作导向器工艺卡，以规范公认的操作， 并提供技术要求和相关参数。工艺卡内容主要概括了产品名称、产品代号、粉末牌号、 技术要求、技术参数、零件重量、制造设备、制造工时、制造工序等相关信息，为零件 的生产提供了技术保障。 导向器粉末冶金工艺流程： 一、零件工况分析及产品图确定 ( 一) 零件工况分析 ( 二) 零件产品图确定 二、原辅材料选择 ( 一) 原材料选择 ( 二) 辅( 添加剂) 料选择 三、生产工艺分析 ( 一) 导向器生产用工艺流程( 图1 2 ) ( - - ) 导向器生产主要工序 四、生产用模具及量具 ( 一) 导向器模具结构 ( 二) 压制、精整用量具 五、生产用工艺卡 导向器粉末冶金工艺流程卡，如表1 1 所示。 吴宝伟：汽车减震器中导向器粉末冶金制各工艺的研究5 表1 1 导向器工艺卡 编辑 厂名工艺卡 审核 产品名称：汽车减震器中导向器产品图号0 5 1 2 配料号0 0 1材料f 0 0 1 5 技术要求 受压面积1 7 8 c m 3 一 压 重量9 5 + 2 9 n o 设备s - 2 0 0 压机 o o ) o + n 可 o 工时4 件m i n h n寸 密度g c m 3 ，7 + 0 0 5 一 l 0 0 5 一 6 3 6 5 制 导向器密度差在0 3 9 c m 3 之内：压制压力5 0 0 6 0 0 m p a 上下段密度差郢3 模具尺寸：下一冲外径3 5 8 9 c m ，下一冲3 0 1 9 c m 网带转速 设备1 3 0 k w 网带式连续烧结炉温度l1 0 0 - a ：1 0 * c烧 14 5 0 士2 0 f f m i n 结 技术要求硬度5 0 - - 9 5 h b ，硬度差不大于2 0 个单位；k 值 4 0 0 m p a 设备t m s 一2 0 0 压机 精 工时3 件m i n 技术要求外径尺寸要求i t 8 - - 一9 级 密度6 4 6 6 9 c m 3 整 h b 4 0 工序 设备 工序设备 1 清洗4 发黑处理 2 成品检测5 包装 3 浸油 6 导向器粉末冶金生产的基本工艺流程，包括制粉、配混料、压制、烧结以及整形、 6 扬州大学工程硕士论文 浸油、复压、复烧等后续工序，用简图表示于图1 - 2 中【3 1 。 再 压 制 图1 2 粉末冶金机械零件制造工艺基本流程 粉末冶金工艺制造导向器的技术要点是成型技术和材料烧结技术。成型过程比较简 单，侧重点是使导向器如何获得良好的性能。因此，对材料成分、烧结工艺和后续处理 应予以重视。但导向器是结构零件，形状复杂、精度要求高，不仅成型技术和装备水平 要求很高，而且对材料的致密度、合金化、热处理等材料工艺提出了很高的要求。 对于导向器的粉末冶金，现阶段采用是典型的制造工艺，产品品种较多，如图1 3 所示，随着新技术的不断成熟及设备的不断更新，制造水平不断提高的前提下，将会越 来越多的采用新技术和新设备脚5 1 。 程 工 工- l 加 本 一后 是宝伟：汽车减震据中导向嚣耪束冶金制蔷i 艺的研究 ，。_ 、 j ：强二 涵妻鑫六，蔫 圈】- 3 粉末冶金零件制品 14 本文研究目的和内容 1 4 1 研究目的 粉末冶金工程是一门新的材料成型技术，近年来有了很大的发展其应用也越来越 广泛，各种工艺也日趋成熟起来。通过课题研究，了解和掌握导向器粉末冶金的理论基 础知识、粉末冶金的工艺方法及相应的测试技术，通过查阅相关的资料和参考文献，了 解国内外粉末冶金的技术水平、主要成果和经验厦发展方向，优化已有的制造工艺方案， 主要目的包括： 了解导向器粉末冶金零件制各的原理和方法，对不i q 成份粉末压制后的性能及不 同温度下烧结后的性能进行分析和比较： 熟悉导向器粉末冶金材料的发展概况，对粉末冶金材料的研究进展有一个初步认 识和了解： 熟悉导向器粉末冶金材料分析的方法，对各种设备的原理和主要功能有一个比较 全面的了解和认识： 对导向器实验测量数据进行分析与评价，发现其数据的优缺点和补偿方法； 扬州大学工程硕士论文 对导向器粉末冶金这种材料有一个比较全面的了解和接触，尤其对汽车减震器中 导向器粉末冶金零件的成型原理和工艺有比较全面的认识，拓宽知识面； 了解测量汽车减震器中导向器粉末冶金零件的测量的各种方法和手段。 1 4 2 研究内容 课题以导向器产品要求和粉末配方成份做考核标准，采用试验研究和其它工艺参数 一定的条件下，改变单一工艺所得到的产品质量规律。对单一工艺参数进行优化组合， 通过试验找出影响产品质量的主次因素以及这些因素综合作用时的数量关系，筛选出较 好的生产工艺参数，具体内容包括：粉末混粉工艺，确定模压工艺参数，进行烧结工艺 试验；对粉末冶金导向器进行表面、断面形貌观察、金相分析；对试样进行性能测试如 表面硬度和耐蚀性、抗拉强度屈服强度、孔隙度等进行测试。为了系统的描述上述内容， 现将论文分六个章节进行研究： 第一章：绪论 综述粉末冶金的发展概况，粉末冶金产品的优异性及导向器制备工艺流程 第二章：导向器的混粉设备及工艺 导向器生产工艺中金属粉末的混合工艺，金属粉末的检测，化学元素含量的 测定等 第三章：导向器的模压成形与烧结工艺 压制和烧结工艺对粉末冶金零件的质量起至关重要作用，包括压制力的计 算，烧结时间及工艺的制定 第四章：导向器表面后处理工艺 导向器表面后处理包括精整、机械加工、清洗、成品检测、浸油、发黑处理 等工序 第五章：导向器结构与性能分析 对导向器的结构及性能进行测试分析，如金相组织分析、扫描电镜观察、硬 度试验及力学性能检测等 第六章：总结与展望 总结全文内容，探索进一步提升产品质量的新途径 1 5 本章小结 粉末冶金作为机械制造业重点发展的产业之一，具有非常广阔的应用前景。课题针 对导向器的制造工艺及产品制造流程，全程跟踪产品生产，研究调查生产过程中所存在 的问题，并提出解决方案进行实验，以提高产品质量。首先从混料的工艺制定、改良方 案着手，使得粉末在压制前更均匀。其次针对导向器的尺寸、形状，进行压制力的计算， 对各压制力迸行预试验，选取最佳压制力，使得导向器在压制后具有最佳的紧实度与强 度。对于零件的烧结，根据工艺要求，准确控制烧结时间，提高零件烧结后的机械性能 及表面质量。 吴宝伟：汽车减震器中导向器粉末冶金制备工艺的研究 9 第二章导向器的混粉设备及工艺 2 1 引言 粉末是制取粉末冶金材料和制品的原料，粉末的纯度和性能对制品的成形、烧结及 产品的最终性能都有直接的影响。 自然界的物质，按物态可以分为固态、液态和气态；按分散程度把固态物质分为致 密体、粉末体和胶体。粉末体的_ 些性能介于致密体和胶体之间。通常把粒度为0 1 1 0 0 m 的粒子称为粉末颗粒。由大量粉末颗粒组成的聚合体称为粉末体，简称粉末。 在粉末中，粉末颗粒之间的接触面积是很小的，存在着大量的孔隙。粉末颗粒又可分为 单颗粒( 一次颗粒) 和团粒( 二次颗粒) ，如图2 1 所示【3 】。 ab a - 单颗粒；b 团粒； 团粒中的单颗粒；晶粒；孑l 隙 图2 - 1 粉末颗粒结构示意图 粉末中能分开并独立存在的最小实体称为单颗粒，多数场合下，颗粒与邻近的颗粒 黏附，并且有时形成链状或更复杂的形状。单颗粒以某种方式聚集就构成所谓团粒。 对导向器生产而言，混合粉的基本要求有两点：根据零件的材料牌号，所选择的原 材料及辅料( 添加剂) 应满足零件生产的质量要求；混合粉应达到最佳的混合均匀性，满 足压制成形时所需的松装度及成形性。 2 2 金属粉末 粉末的制造方法通常分为两大类，即物理化学法和机械粉碎法，工业上应用较多的 有还原法、雾化法和电解法，铁粉的制备方法和一般特征列于表2 一l 中口1 。 扬州大学工程硬论文 表2 - i 铁粉的制备方法和一般特征 粉末颗粒为不规则状，中等松装密 结构零件 铁磷还原法度纯度高、压缩性好、导向器强度 焊接便宜 较高，烧结性好。金属切割 结构零件 焊接 便宜 铁矿还原法 低、杂质含量较高，压缩性稍差。 金属切割 粉末颗粒接近球状，松装密度较高， 高密度结构零件 比还原铁粉贵 雾化法粉末锻造零件，过滤器 流动性好，导向器强度较高 1 5 左右 焊条 电解法 粉末颗粒为树枝状或片状，松装密度 高密度结构零件比雾化法铁粉贵 较高，纯度好、压制性好 碳铁怯粉末颗粒早球状，非常细纯度根高电子材料比电解铁粉贵 导向器常用的金属粉末有铁粉、铜粉、镍粉，还有非金属的碳粉和硬脂酸锌，如图 2 - 2 所示，其中白色的粉末是硬脂酸锌，红色的粉末是铜粉，黑色的粉末是碳粉，灰色 粉末是铁粉。 削2 - 2 生产中使用的各种粉末 f 1 ) 铁粉 铁粉主要有还原铁粉和雾化铁粉两种，此外还有扩散合金粉、预合金粉等。零件生 产选用还原铁粉和雾化铁粉时，根据零件特性( 如轴承、齿轮等) ，采用不同标准的铁粉。 根据零件材质要求可添加合金元素( 铜、镍、钼等) 粉末，并混合成混合粉，一般用于低 中强度的结构零件；零件生产选用预合金粉末时因预合金粉末是通过烧结或胶粘将合 金元素( 铜、镍、钼) 粉末颗粒粘结在铁粉颗粒上，因此可大大减小合金粉末的偏聚，其 压缩性好、烧结尺寸稳定，能消除烧结前由于需要还原接触颗粒表面的氧化物层而产生 吴宝伟：汽车减震器中导向器粉末冶金制备工艺的研究 的扩散滞后，并能改善淬透性。可添加石墨、润滑剂等混合。一般用于高密度、高精度 的结构零件。导向器生产选用以铜、镍、碳为主要合金元素的扩散合金化铁粉时，也可 j n a 不同数量的合金元素粉末( 镍等) ，以提高零件的韧性与冲击性能，通常铁粉重量比 是9 7 左右。 ( 2 ) 铜粉 作为铁基结构零件生产用的铜粉，主要有电解铜粉和雾化铜粉两种。电解铜粉的纯 度较高，烧结时合金化较好，适用于零件强度较高的场合。雾化铜粉的含氧量较高，粒 度较粗，烧结后工件的尺寸变化较大，一般用于零件强度中、低等要求的场合，通常铜 粉重量比是1 5 2 5 左右。 ( 3 ) 碳粉 导向器生产用的碳粉就是石墨粉，其性能是高散性绝不粘结的微粉状的高纯胶体石 墨，粒度细小，烧结扩散性好。 ( 4 ) 镍粉 作为粉末冶金结构零件生产用的镍粉，主要有碳基镍粉和电解镍粉。碳基镍粉纯度 高、粒度细，烧结时扩散较好。电解镍粉粒度较粗含氧量较高。由于烧结时镍向铁基 体中扩散较慢，必须采用较高的温度或较长的时间，因此宜采用粒度细、纯度高的镍粉。 为了提高扩散速度及材料强度，可采用亚纳米级的镍粉，通常镍粉重量比是1 左右。 ( 5 ) 硬脂酸锌粉 粉末冶金零件在压制和脱模过程中，粉末和模具之间摩擦力非常高，必须在粉末中 加入润滑剂。加入润滑剂，不但起到润滑作用，还可减小成分偏析。硬脂酸锌是粉末压 制时润滑模壁的既经济又实用的润滑剂。其外观为白色粉末，不溶解于水能被热无机 酸分解为硬脂酸和相应的锌盐。但受潮后易结块，压坯烧结后表面会出现微小孔洞，产 生发黑，处理较麻烦，通常硬脂酸锌粉重量比例小于1 f 2 6 1 。 2 2 1 化学成分及其测定 1 、粉末的化学成分应包括主要金属或合金组元的含量及杂质的含量，以满足一般零 件的制造要求。金属或合金粉末中的合金组元含量都不能低于9 8 , - 一9 9 。粉末的杂质 主要包括： 与主要金属结合，形成固溶体和化合物的金属或非金属成分，如还原铁粉中的硅、 锰、碳、硫、磷、氧等；铁粉中含锰量较高时，使铁粉的压缩性能变差，硫、磷含量一 扬州大学i 程硕士论文 般要求越低越好，碳一般呈f e ，c 形式存在，若铁粉含碳量高则铁粉的压缩性变差。 由原料和从粉末生产过程中带进的机械夹杂，如s i o ：、a 1 ：0 ，、硅酸盐、难熔 金属或碳化物等酸不溶物；铁粉中酸不溶物应控制在o2 以下。如果铁粉中的酸不溶 物增加时，对铁粉的压缩性能，产品的成形、烧结和制品的最终性能都会带来很不利的 影响。 粉末表面吸附的气体，如氧、水汽、n ：、c o ：。由于制粉工艺不同而带进的杂质 有，水溶液电解制粉中带进的氢，气体还原粉末中溶解的碳、氮或氨，羟基粉末中溶解 的碳等。铁粉的含氧量应在o2 左右。 2 、化学成分的测定 ( 1 ) 碳硫的测定采用碳硫分析仪，设备如图2 - 3 所示。 孺 图2 - 3h v - 4 b 微机碳硫自动分析仪 碳硫分析仪是一种常用普及型计量器具，它可以对金属材料中碳和硫二个非金属元 素进行定量分析，准确测量材料中碳和硫的百分含量。原理来源于国家标准规定的气体 容量法定碳和酸碱滴定法定硫，产品测量准确度符合相关国家标准规定。 具体分析过程是载气( 氧气) 经过净化后，导入电阻炉，样品在燃烧炉高温下通过 氧气氧化，使得样品中的碳和硫氧化为c 0 2 、c o 和s 0 2 ，所生成的氧化物通过除尘和 除水净化装置后被氧气载八到硫检测池测定硫。此后，含有c 0 2 、c o 、s 0 2 和0 2 的混 合气体一并进入到加热的催化剂炉中，在催化剂炉中经过催化转换c 0 _ c 0 2 ， s o ：_ + s o ，这种混合气体进入到除硫试剂管后，导入碳检测池测定碳。残余气体由分析 器排放到室外。与此同时，碳和硫的分析结果以c 和s 的形式显示在主机的液晶显 示屏上。测定结果c 、s 都为00 2 。 吴宝伟：汽车减震器中导向器粉末冶金制备工艺的研究 ( 2 ) 锰的测定 试剂采用硫酸混酸：取浓硫酸1 5 0 m l 注入7 0 0 m l 水中，冷却后加入浓磷酸1 5 0 m l 混 匀；硝酸溶液5 m l ；硝酸银溶液2 ；过硫酸铵。 具体分析方法是称取0 5 9 试样于2 5 0 m l 锥形瓶中，加入磷硫混酸2 0 m l ，低温加热 至试样完全溶解，加入硝酸溶液5 r n l ，煮沸除尽氮的氧化物，冷却加水至5 0 m l ，加硝酸 银溶液( 2 ) 5 m l 、过硫酸铵( 固体) 2 5 9 ，加热至小气泡消失。冷却后移入1 0 0 m l 量 瓶中，以水稀释至刻度，摇匀。用2 c m 比色皿，在波长5 4 0 n m 处，或用绿色滤光片测 定吸光度。 ( 3 ) 硅的测定 试剂选用硝酸溶液密度为1 4 2 ，过硫酸溶液1 5 ，过氧化氢溶液1 0 ，碱性钼酸铵 溶液5 ，1 0 0 m l 的5 钼酸铵溶液中，含无水碳酸钠1 9 9 ，草酸溶液l ，硫酸亚铁铵 溶液1 2 ，硝酸银- 硫磷混酸溶液中硝酸银0 3 9 ，加水4 0 0 m l ，加入硫酸1 0 0 m l ，冷却后 加入磷酸5 0 m l ，摇匀，亚硝酸钠溶液2 。 实验采用的分析方法是称取3 0 0 9 试样于1 5 0 m l 锥形瓶中，加硝酸溶液1 0 m l ，低温 加热溶解后，加过硫酸溶液( 1 5 ) 5 m l ，煮沸冒大气泡，加过氧化氢溶液( 1 0 ) 5 m l 再煮沸至冒大气泡，取下加入碱性钼酸溶液5 m l ，置于沸水中煮沸2 0 s ，取下加草酸溶 液5 0 m l ，摇匀，立即加入硫酸亚铁铵溶液2 5 m l ，摇匀。取l c m 比色皿两只，一只滴入 1 5 过硫酸溶液2 滴，倾入钼蓝溶液作参比液；另一只倾入钼蓝试液，于分光计上，在 波长6 8 0 n m 处，测其吸光度。 ( 4 ) 磷的测定 主要试剂有高氯酸：7 0 ，盐酸密度为1 1 9 9 c m 3 ，过氧化氢3 0 ，酸溶液2 5 ， 酚酞指示剂0 1 ，氢氧化钠溶液适当浓度调节酸度，硝酸密度为1 4 2g c m 3 ，混合还原 剂钼酸铵溶液1 6 。 实验分析方法是称取0 0 5 9 试样于1 5 0 m l 锥形瓶中，加高氯酸l m l 、浓硫酸2 m l ，滴 加过氧化氢2 m l ，待试样剧烈作用完毕后，在电炉上加热至高氯酸冒烟后，准确地加入 酒石酸溶液5 m l 、酚酞试剂5 滴，低价氢氧化钠溶液中和至酱红色并过量5 滴，加入硝 酸1 0 m l ，摇匀至清亮，加混合还原剂1 0 m l ，摇匀，放置l m i n ，然后加铝酸铵溶液1 0 m l 摇匀，放置3 - 5 m i n ，于分光计上，在7 0 0 n m 波长处，以水为参比，用2 c m 比色皿，测 定吸光度。 h c i i 智能可见光光度计如图2 4 所示，主要用于s i 、m n 、p 的测量，实验方法是 扬州大学工程硕士论文 按复位键：按上档键、校准键，显示a d j u s t , 接着显示1 0 0 ；按上档、标样键显示s t a n ； 按浓度键，显示l 时输入浓度值，按输入键；拉拉杆，显示t ，按上档回归显示r 值； 按上档试样后，拉拉杆到出现试样值；打印试样，等试样全部做完，按上档试样，上 当列表就可以了。 耐国 图2 - 4h c i i 型高速数显自动分析仪 3 、金属粉末中酸不溶物的测定 所谓酸不溶物指不溶于酸的二氧化硅、硅酸盐、碳化物、氧化铝、黏土或其他难熔 氧化物、耐火材料等。粉末中酸不溶物的存在对金属粉末制品是有害的。因此，金属粉 末中的酸不溶物含量愈低愈好。 称取试样5 9 ，称量精确至0 0 0 0 8 9 ，置于5 0 0 m l 烧杯中，小心加入1 0 0 m l 盐酸( 1 ：1 ) ， 用表面皿盖住烧杯( 若想除去盐酸不溶物中的碳化物，可在盐酸中；b n a 2 0 m l 硝酸) 。加 热溶解煮沸，并保持煮沸约l m i n ，然后加水代1 5 0 m l ，再煮沸l m i n 后冷却，并静止沉 淀5 m i n 。将静止沉淀的溶液以中速滤纸过滤，用热盐酸( 1 ：2 5 ) 交替洗涤残渣及滤纸，至 洗净氯离子( 以硝酸钙检查1 。称量经灼烧至恒重的坩埚，精确至00 0 0 1 9 ，把带有残渣的 滤纸放在坩蜗内。将坩埚置于加热板上干燥并烧焦滤纸。再将坩埚放在马弗炉中在9 0 0 1 0 0 0 c 灼烧，冷却后称量直到两次称重相差不太于00 0 0 1 9 为止，由称量结果计算酸不 溶物的百分含量。 酸不溶物的含量= 竺 ：竺1 0 0( 2 1 ) m l 式中m ，一试样重量( g ) m ：一经灼烧趸恒重坩埚的重量( g ) m ，一带有残渣的坩埚重量( g ) ，精确至00 0 0 1 9 粉末化学成分的测定结果如表2 - 2 所示。 f 吴宝伟：汽车减震器中导向器粉末冶金制备工艺的研究 表2 2 粉末化学成分的测定结果 化学分析( ) 其它元素含量 总铁量 m ns icsp 酸性不溶物 9 8 9 40 2 5o 10 0 2o 0 20 0 20 0 3 2 2 2 粉末性能 ( 1 ) 粉末颗粒形状 一般来说，由气态、液态转变成粉末时，粉末颗粒形状容易趋于球形，由固态转变成 粉末时，粉末颗粒形状则趋于不规则形状，或者经特殊加工后可呈片状，粉末的形状一 般用光学显微镜观察，常见的粉末颗粒形状如图2 5 所示【3 1 ，图a 是圆形颗粒，图b 是 椭圆形颗粒，图c 是棱形颗粒，图d 是长条形颗粒，图e 和f 是多边形颗粒，图g 是复 合颗粒，图h 是三角形颗粒，圆形和椭圆形颗粒的压制性能较好。 op p a b cd oo 瓣甾 ) 图2 - 5 粉末颗粒形状 粉末的颗粒形状，对粉末的压制成形和制品的烧结都会带来影响。表面光滑的粉末 颗粒，其流动性好，对提高导向器的密度有利。在相同压力下，用相同成分的粉末进行 压制时，球形粉末所获得的导向器密度高，多角形粉末次之，树枝状和针状粉末较差， 生产中使用的铁粉末大部分是不规则形状。 ( 2 ) 粉末粒度和粒度组成 粉末粒度是指颗粒的大小，对于粉末体而言，粒度是指颗粒的平均大小，粉末冶金 用铁粉颗粒的大小可粗略地按表2 3 来分级，导向器生产中的粉末一般选用中等粉可以 满足客户需求。 1 6 扬州大学工程硕士论文 表2 3 粉末冶金用铁粉颗粒级别 级别 颗粒大t j , l m a 粗粉 1 5 0 5 0 0 中等粉 4 0 1 5 0 细粉 10 - - - 4 0 极细粉 0 5 1 0 超细粉小于o 5 ( 3 ) 松装密度 粉末在松散状态下落入一个已知体积的容器中，测得的单位容积质量叫粉末松装密 度。粉末的松装密度是设计成形模具的一个重要参数。同时粉末的松装密度对粉末的压 制成形、烧结过程及产品的性能都有重要的影响。铁粉的松装密度能稳定在一个较高的 水平上，波动范围不应太宽。粉末的松装密度是一个综合性能，它受粉末粒度、粒皮组 成、颗粒形状、颗粒内孔隙等因素的影响。 ( 4 ) 振实密度 松装粉末受到机械振动( 或叩击) 时，粉的松装状态被振实，由于机械振动( 或叩击) 时，颗粒发生移动，使小颗粒移动到大颗粒问的间隙中，故粉末的密度增加，最后变成 一个常数，这个随机械振动而不再升高的密度叫做粉末的振实密度。 ( 5 ) 流动性 粉末体具有充填容器的流动性质，粉末流动性就是粉末充填一定形状容器的能力。 粉末的流动性对实现自动压制很重要。如果铁粉的流动性很差，在压制复杂形状机械零 件时将带来困难。粉末的流动性也是一个综合性能。粉末流动性首先取决于粉末颗粒间 的摩擦，粉末越细、颗粒形状越复杂，由于颗粒之间的摩擦面积增大，粉末的流动性就 越差，反之亦然。 ( 6 ) 压缩性 粉末的压缩性是指粉末在压制过程中的压缩能力。在标准的模具中，用规定的润滑、 加压方式和单位压力下粉末所能达到的导向器密度称为压缩性，其单位为g c m 3 。影响 粉末压缩性的主要因素是粉末颗粒的塑性，粉末的塑性愈好，愈能在较低的压制压力下， 或在一定的压力下，得到高密度的导向器。 是宝伟：汽车减l 器中导向器粉末措盘制軎i 芑的研究 23 粉末混合设备 粉末混合是将两种或两种以上不同化学成分的粉末进行混合。混合而成的粉末，称 为混合粉。它的质量将直接影响粉末冶金零件的内在质量，因此，粉末混合既是压制工 序生产前的原材料准备又是粉末冶金零件生产的第一道工序，是确保零件材质的关键 工序，导向器生产中采用双锥形混料设备如图2 _ 6 所示，其结构如图2 - 7 所示，由两个 圆锥和一个短圆筒组成，工作时两圆锥绕直圆筒的轴线回转，为便于混合后出粉，圆锥 顶角通常为6 0 。，混料机的容量为2 0 0 3 0 0 0 k g ，转速为1 7 r m i n 左右。 图2 - 6 导向器生产用双锥形混粉设备 愚 - r * * * 雉芏三讲 r - i 什弋一一 目i _ 上 k 7 口_ _ f 旷 i 牛 f e 三二二二二二二二= 二爿 图2 - 7 双锥形混料机结构示意圈 24 粉末混合工艺 ( 1 ) 粉末混合应具备以下生产条件 合适的混料机形式： 混料机的容积、简体材料( 如用不锈钢) 及筒内表面质量( 应 1 8 扬州大学工程硕士论文 光滑) 等，应符合铁、铜、不锈钢等粉末混合的要求；粉末与混料机简体有互相合适 的容积比；混料机应有合适的转速；混合时间应选择合理；混合场地应干净，不 允许粉末飞扬，应有除尘装置；原辅材料存放场地应干燥，要保持合适的温度及湿度。 ( 2 ) 配料的重量计算 碳( 石墨) 是最常用的添加剂之一。对含碳量要求较高的零件，混料时要根据原材料( 铁 粉等) 的含氧量等来计算石墨的添加量，石墨添加量可按下式进行计算。 g 屯+ 字q ( 2 - 2 ) 式中g 一石墨添加量( ) c 总产品要求的总碳量( ) d 。一铁粉中氧含量( ) k 一氧碳比，即铁粉中所含的氧在烧结时消耗的碳含量( ) ，k 值为1 5 4 c ，一铁粉中的碳含量( ) ( 3 ) 配料的称重 原料( 铁粉等) 用的称量器具选0 2 5 0 0 k g 磅秤，称量误差0 2 堙为宜，添加剂( 辅料) 用的称量器具选o 0 i o - - 3 0 k g 电子天平。称量误差0 0 1 k g 为宜，各种添加剂( 辅料) 按 需称量后，应存放在有标记( 色) 的干净容器内密封备用。 ( 4 ) 混合的方法 混料机内先加入1 2 所需原料( 铁粉等) 量，然后加入所需的各添加剂( 辅料) 量，最后 加入其余原料( 铁粉等) 量，混料机转速为1 0 一2 5 r m i n ，混合时间为1 一5 h 。 ( 5 ) 原材料粉 铁、铜基结构零件生产所用的原材料分别是铁粉和铜粉，根据导向器不同要求的特 性采用不同标准的铁粉和铜粉。 ( 6 ) 添加剂 添