（材料加工工程专业论文）不锈钢粉末的温压成形技术研究.pdf

摘要 摘要 温压技术是2 0 世纪9 0 年代开发成功的以低成本制造高密度、高性能粉末冶 金材料的一种新方法。本文首次将这一瓤技术应用于不锈钢粉末的成形，对不锈 钢粉末的温压行为和烧结行为进行了系统的研究，这对促进温压技术的进一步发 展，扩大温压技术和粉末不锈铡材料的应用范围具有重要的学术意义和实用价值。 本文旨先以试验为基础，优选出了适合于温压成形的润滑剂。该润滑剂易分 解、灰分低，并具有较宽的适合温压的温度范围，其范围为1 1 0 1 0 。然后本 文对3 0 4 l 、3 1 6 l 、4 1 0 l 、4 3 0 l 和1 7 - 4 p t ! 五种不锈钢粉末的温压行为进行了系统 的实验研究，其中包括压制压力对生坯密度与强度的影响，润滑荆含量对生坯密 度的影响，压坯弹性后效，模壁润滑等方面。实验结果表明：温压工艺可以大幅 度提高不锈钢粉末的生坯密度和生坯强度。在8 0 0m p a ，1 0 0 1 1 0 和o 7w t 润滑剂的条件下：不锈钢粉末的温压生坯密度比冷压提高了0 1 2 0 2 4g c m 3 ， 生坯强度除1 74 p h 外，比冷压提高了1 1 5 5 2 ，1 7 - 4 p h 温压生坯强度比冷压 的略低。润滑剂含量对不锈钢粉末生坯密度的影响不明显。3 1 6 l 和3 0 4 l 的温压 弹性后效比冷压的低，而4 1 0 l 、4 3 0 l 和1 7 4 p h 的温压弹性后效比的冷压高。与 常规温压相比，模壁润滑温压可以降低脱模力和0 5w t 的润滑剂含量。 最后，本文从烧结温度、烧结气氛和压制方法对烧结性能的影响等方面对五 种粉术不锈钢的烧结行为进行了研究，并对其烧结致密化机理和烧结后的显微组 织与断口形貌进行了分析。试验结果表明，在真空烧结下，3 1 6 l 和3 0 4 l 在1 3 0 0 下烧结的综合力学性能较好，而4 1 0 l 、4 3 0 l 和1 7 4 p h 在1 2 3 0 下烧结具有 较好的综合力学性能：3 1 6 l 的烧结密度可达7 7 5g c m 3 ，抗拉强度达到5 0 1 m p a ， 延伸率达4 7 4 ，硬度为h r b 6 5 ；3 0 4 l 的烧结密度为7 5 0g c m 3 ，抗拉强度为 4 7 1m p a ，延伸率达到4 7 7 ，硬度为h r b 5 4 ；4 1 0 l 的烧结密度可达7 4 5g c m 3 ， 抗拉强度为4 1 0m p a ，延伸率为2 9 5 硬度为h r b 6 5 ；4 3 0 l 的烧结密度为7 4 3 g c m 3 ，抗拉强度为4 2 2m p a ，延伸率为2 5 8 硬度为h r b 6 9 ；1 7 4 p h 的烧结 密度高达7 6 2g c m 3 ，抗拉强度达到9 5 1m p a ，延伸率为7 7 硬度达到h r b l 0 2 。 在分解氨气氛下烧结时，3 1 6 l 、3 0 4 l 、4 1 0 l 和4 3 0 l 的抗拉强度比真空烧结 的高得多，但延伸率却要低很多，而1 7 4 p h 刚好与此相反，3 1 6 l 、3 0 4 l 、4 1 0 l 、 4 3 0 l 和1 7 4 p h 的抗拉强度分别可达5 4 5m p a 、5 1 8m p a 、5 1 5m p a 、5 5 0m p a 和 5 7 3m p a 。温压与冷压相比，温压压坯在较低温度如1 1 5 0 下烧结的烧结性能高 于冷压压坯，但在高温如1 3 0 0 下烧结时，两者的烧结性能趋于一1 致。 关键词：粉末冶金；温压；不锈钢粉末；烧结 华南理工人学硕士学位 a b s t r a c t w a r m c o m p a c t i o ni s an e w p o w d e rm e t a l l u r g y ( p m ) t e c h n o l o g yd e v e l o p e d i n1 9 9 0 s ， w h i c hc a nm a k e p a r t sw i t hh i g hd e n s i t ya n dh i g hp r o p e r t i e sa tl o w c o s t i nt h i sp a p e r ， i tw a st h ef i r s tt i m et h a tw a r m c o m p a c t i o nw a sa p p l i e di ns t a i n l e s ss t e e lp o w d e r s t h e w a r mc o m p a c t i n gb e h a v i o r sa n ds i n t e r i n gb e h a v i o r so fs t a i n l e s ss t e e l p o w d e r sw a s s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d ，w h i c h h a di m p o r t a n ta c a d e m i cs i g n i f i c a n c ea n d p r a c t i c a l v a l u e sf o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fw a r mc o m p a c t i o na n ds t a i n l e s s s t e e lp mm a t e r i a l s a tf i r s t ，t h e o p t i m u ml u b r i c a n tf o rw a r mc o m p a c t i o nw a ss i n g l e o u tb a s e do n e x p e r i m e n ti n t h i sp a p e r w i t ht h em e r i t so fe a s yd i s s o c i a t i o na n dl i t t l e a s ha f t e r b u r n i n g ，t h i sl u b r i c a n ta l s oh a daw i d et e m p e r a t u r er a n g es u i t i n gw a r mc o m p a c t i o n ， w h i c hi s1 1 0 1 0 。c t h e n ，t h ew a r mc o m p a c t i n gb e h a v i o r so ff i v ek i n d so fs t a i n l e s s s t e e lp o w d e r ss u c ha s3 0 4 l ，3 1 6 l ，4 1 0 l ，4 3 0 la n d1 7 4 p hw a ss t u d i e d ，i n c l u d i n g e f f e c to fp r e s s u r eo ng r e e nd e n s i t ya n ds t r e n g t h ，e f f e c to fl u b r i c a n tc o n t e n to ng r e e n d e n s i t y ，s p r i n gb a c ke f f e c t ，d i ew a l ll u b r i c a t i o na n ds oo n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e d ：w a r mc o m p a c t i o nc o u l di m p r o v eg r e e nd e n s i t ya n ds t r e n g t hg r e a t l y w i t ha l u b r i c a n tc o n t e n to f0 7w t a n dw a r mc o m p a c t e da t1 0 0 1 1 0 。cu n d e rac o m p a c t p r e s s u r eo f8 0 0m p a t h eg r e e nd e n s i t i e so fw a r mc o m p a c t sw e r eo 1 2 0 2 4g c m 5 h i g h e rt h a nt h a to f c o l do n e s ，a n dt h eg r e e ns t r e n g t h so fw a r m c o m p a c t sw e r e l l 5 5 2 h i g h e rt h a nt h a to f c o l do n e s ，e x c e p tt h a tt h eg r e e ns t r e n g t ho f1 7 4 p hw a sab i t l o w e rt h a nt h a to fc o l do n e t h el u b r i c a n tc o n t e n th a dn om u c he f f e c to n g r e e nd e n s i t y t h es p r i n gb a c ke f f e c t so f3 1 6 la n d3 0 4 lw a r mc o m p a c t sw e r el o w e rt h a nt h a to f c o l do n e sw h i l et h es p r i n gb a c ke f f e c t so f4 1 0 l ，4 3 0 la n d1 7 - 4 p hw a r mc o m p a c t s w e r eh i g h e rt h a nt h a to fc o l do n e s c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lw a r m c o m p a c t i o n ， d i ew a l ll u b r i c a t e dw a r mc o m p a c t i o nc o u l dr e d u c et h ee j e c t i o nf o r c ea n dl u b r i c a n t c o n t e n tb y0 5w t a tl a s t ，e f f e c t so fs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，s i n t e r i n ga t m o s p h e r ea n dp r e s s i n gm e t h o d o nt h ep r o p e r t i e so ft h ef i v es i n t e r e ds t a i n l e s ss t e e lm a t e r i a l sw e r ei n v e s t i g a t e di nt h i s p a p e r t h es i n t e r i n g d e n s i f i c a t i o n m e c h a n i s m ，t h e s i n t e r e dm i c r o s t r u c t u r e sa n d f r a c t u r es u r f a c ew e r ea l s oa n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t3 1 6 la n d 3 0 4 lh a do p t i m u m c o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e sa f t e rv a c u u ms i n t e r i n ga t1 3 0 0 w h i l e 4 1 0 l ，4 3 0 la n d1 7 4 p hd i da t1 2 3 0 c ：7 7 5g c m 3s i n t e r e dd e n s i t y , 5 0 1m p a t e n s i l es t r e n g t h ，4 7 4 e l o n g a t i o na n dh r b 6 5h a r d n e s sf o r3 1 6 l ；7 5 0g c m 3 s i n t e r e dd e n s i t y , 4 7 1m p at e n s i l es t r e n g t h ，4 7 7 e l o n g a t i o na n dh r b 5 4 h a r d n e s sf o r a b s 玎u 屺t 3 0 4 l ；7 4 5g e r a 3s i n t e r e dd e n s i t y , 4 1 0m p a t e n s i l es t r e n g t h ，2 9 5 e l o n g a t i o n a n dh r b 6 5h a r d n e s sf o r4 1 0 l ；7 4 3g c m 3s i n t e r e d d e n s i t y , 4 2 2m p at e n s i l e s t r e n g t h ，2 5 8 e l o n g a t i o na n dh r b 6 9 h a r d n e s sf o r4 3 0 l , 7 6 2g c m 3s i n t e r e d d e n s i t y ，9 5 1 m p at e n s i l e s t r e n g t h ，7 7 e l o n g a t i o n a n dh r b l 0 2h a r d n e s sf o r 1 7 4 p h t h et e n s i l e s t r e n g t h s o f 3 1 6 l ，3 0 4 l ，4 1 0 la n d 4 3 0 ls i n t e r e di nd i s s o c i a t e d a m m o n i aw e r em u c h h i g h e ra n dt h ee l o n g a t i o n sw e r ef a rl o w e rt h a nt h a ts i n t e r e di n v a c u u m h o w e v e r ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o no f1 7 - 4 p hw e r ec o m p l e t e l y o p p o s i t et ot h a t a f t e rs i n t e r e di nd i s s o c i a t e da m m o n i a ，t h e t e n s i l es t r e n g t h so f3 1 6 l ， 3 0 4 l ，4 1 0 l ，4 3 0 la n d1 7 - 4 p hw e r e ，r e s p e c t i v e l y , 5 4 5m p a ，5 1 8m p a ，5 1 5m p a ，5 5 0 m p aa n d5 7 3m p a c o m p a r e dw i t hc o l dc o m p a c t s ，t h es i n t e r e dp r o p e r t i e so fw a r m c o m p a c t sw e r eh i g h e rw h e ns i n t e r i n gt e m p e r a t u r ew a sl o w ，s u c ha s1 1 5 0 。c b u tw h e n s i n t e r e di n h i g ht e m p e r a t u r e s u c ha s1 3 0 0 ，t h es i n t e r e d p r o p e r t i e s o fw a r m c o m p a c t sa l m o s tt e n d e dt ob et h es a m e w i t hc o l dc o m p a c t s k e yw o r d s ：p o w d e rm e t a l l u r g y ，w a l mc o m p a c t i o n ，s t a i n l e s ss t e e lp o w d e r ，s i n t e r h i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：奶灸灵j日期：弘炜g 月步日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 伞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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：弘垆年月歹日 日期：知形年莎月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 材料科学是现代科学和技术发展的基础。当今世界正处于商新技术革命的时 代，能否研究与开发出高性能或特种功能、又具有较高实用价值的新材料已成为 决定高新技术革命成败的关键因素之一。从人类科技发展史中可以看到，近代世 界所经历的两次工业革命都是阻新材料的发现和应用为先导的。钢铁t 业的发展， 为1 8 世纪以蒸汽机的发明和应用为代表的第一次世界革命奠定了物质基础。本世 纪中叶以来，以电子技术，特别是微电子技术的发明和应用为代表的第二次世界 革命，硅单晶材料则起着先导和核心作用，加之随后的激光材料和光导纤维的问 世，使人类社会进入了“信息时代”。因此，可以预料，谁掌握了新材料，谁就掌 握了2 1 世纪高新技术竞争的主动权【1 】! 粉术冶金技术作为一门重要的材料制备技术，被称为是解决高科技新材料问 题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。由于采用现代粉末冶金技术 可以制取一系列具有特殊性质的优质材料，因而现代粉末冶金常被划入高技术领 域，在国外被称为“a d v a n c e dm e t a l l u r g y ”【2 1 。同时，粉末冶金也是一种先进的产 品成形与制造技术，其产品在国民经济的许多领域有着广泛的应用。 二十世纪下半叶，伴随着新技术革命高潮的到来，粉术冶金取得了令人瞩目 的进展，一系列新技术和新工艺相继涌现，如快速凝固、机械合金化、超微细粉 末的制备、粉末热等静压、粉末锻造、粉末轧制、粉末挤压、粉末注射成形、自 蔓延烧结、超固相线烧结、瞬间液相烧结、反应烧结等。新技术和新工艺的应用 使得具有高性能的粉末冶金材料相继产生，如粉末高温合金、粉末工具钢、粉术 不锈钢、粉末热锻钢、粉末快冷合金、弥散强化合金、高性能复合材料、磁性材 料和特种陶瓷等。这些新技术和新工艺对粉末冶金材料和制品的发展起了突破性 的作用，使得粉末冶金零件的应用面在深度和广度方面取得了长足的发展。 在1 9 9 4 年的国际粉末冶金和颗粒材料会议( p m 2 t e c 9 4 ) 上，h o e g a n a e s 公 司首次公布了温压技术，立刻引起了轰动，并在1 9 9 5 年获得了欧洲粉末冶金协会 颁发的粉末冶金工艺技术新发展功勋奖m j 。温压技术是在传统模压工艺的基础上 发展起来的，是用一次压制、烧结工艺，制造高密度、高强度粉末冶金结构零件 的一项经济可行的新技术。该工艺最显著的优点是能够以较低的成本制造密度高 性能的粉末冶金零件，为零部件在性能和成本之间找到了一个理想的结合点。 温压工艺作为粉末冶金技术的最新发展，现已被认为是二十世纪九十年代以 来，粉末冶金领域最具创造性的一项技术进步。目前，国外利用温压工艺已成功 华南理工大学硕士学位论史 制造出形状复杂的高密度、高强度的粉末冶金零件，并不断扩大其在汽车、机械 工业行业中的应用，其应用前景非常广阔。 但到f 1 前为止，温压工艺主要应用于铁粉及部分预合金粉。将温压工艺应用 于不锈钢粉末的研究还未见正式报道。本文从具体研究课题出发，对不锈钢粉末 的温压行为和烧结行为等进行了系统的研究，这对于促进温压技术的发展，扩火 温压技术和粉末不锈钢材料的应用范围具有重要的实际意义。 1 2 温压技术及其应用 1 2 1 温压工艺的发展 粉术冶金技术起源于远古。但在十九世纪随着熔炼技术和机械加工工业的发 展，经典的粉末冶金工艺逐渐被熔铸法取代。到了二十世纪初，用粉术冶金法制 造电灯钨丝获得成功，从而使粉末冶金的传统工艺又获得了新生。随后，又用粉 末冶金法牛产出许多难熔金属材料如钨、铝、钽、铌等。二十世纪二十年代，又 用这一工艺技术成功制造了硬质合金。现代粉末冶金工艺正是由于难熔金属和硬 质合金的生产，才奠定了它存材料领域不可代替的地位。到了三十年代，采用粉 术冶金工艺制造多孔含油轴承获得成功，大大扩大了粉末冶金制品的应用范引”。 随着工业技术的发展，粉末冶金制品进一步向高密度、高强度和复杂形状的 结构零件的方向发展，从而使粉末冶金工艺成为高效益的少无切削的新兴工艺， 并得到了迅速的发展。 二十世纪下半叶，粉末冶金工艺不断向高水平新领域方面开拓。热等静压、 粉末锻造等新工艺开始出现，金属陶瓷、弥敬强化材料、纤维强化材料和粉末高 速钢等新型材料相继问世，所有这些，都更加显示了粉末冶金工艺的广阔美好的 发展前景。 到了二十世纪9 0 年代，粉末冶金技术取得了进步一步的突破，这就是温压技 术的发展。温压工艺自1 9 9 4 年被公布以来，发展才十来年，但温压工艺发展之快， 令人刮目。温压工艺现已被认为是进入九十年代以来粉末冶金领域最为重要的一 项技术进步。其实温压技术最早由意大利的n u o v am e r i s i n t e r 公司的两位工程师 m a r i o d a n g e l o 和v i n c e n z o 进行研究。早在1 9 8 4 年起，他们就对各种铁基粉末 进行了温压实验研究，结果发现预热的混合粉末的压缩性有显著的提高。美国 h o e g n n a e s 公司得知这一信息后也进行了研究，并在1 9 9 4 年的巴黎国际粉末冶金 和颗粒材料会议( p m 2 t e c 9 4 ) 上公布了其研究成功的a n c o r d e n s e 温压专利技术。 但温压工艺真正引起人们的兴趣和关注开始于1 9 9 5 年西雅图的p m 2 t e c 会议【6 】。 从此，各国纷纷投入研究，有关温压的研究文献大量涌现。 所谓温压技术就是采用特制的粉术加热、粉末输送和模具加热系统，将加有 第一章绪论 特殊润滑剂的金属粉末和模具加热至一定温度，然后和传统粉术冶金工艺一样进 行一次压制和一次烧结而制得粉末冶金制品的工艺。 最近，德国f r a u n h o f e r 研究所在温压工艺的基础卜，开发出种称为“流动 温压工艺”( w a r mf l o wc o m p a c t i o np r o c e s s ) 的技术”。流动温压工艺是以温 压工艺为基础并结合了金属注射成形工艺( m i m ) 的优点而发展起来的。它既克 服了传统粉末冶金技术在成形方而的不足，又避免了注射成形技术的高成本。该 工艺通过加入适量较微细的粉末、加大润滑剂的含虽以提高粉末的流动性、填充 能力和成形性，从而可以制造带有垂直于压制方向上的凹槽、孔和螺丝孔等制件。 制造此类粉末冶会件过去一直被认为是非常困难甚至是不可能的，利用程控压机 复杂和精准的动作也只能牛产出较为简单的此类零件。1 。该工艺不但适用于铁基 材料，还适用于诸如钛、w cc o 等其他材料。 由此可见，温压工艺具有非常广阔的发展前景。目前，温压技术还远远没有 发挥出其潜在的和应有的贡献，其发展前途是不可低估的。 1 2 2 温压工艺的特点 传统一次压制烧结生产的铁基粉末冶金制品的密度一般在7 1g c m 3 ( 相 对密度约9 0 ) 以下，其力学性能远低于同类材料的全致密件。生产高密度、高 性能粉末冶金件一直是粉末冶金行业追求的目标之一。在众多的高密度粉末冶金 生产方法中，温压是最为经济的一种新工艺。 温压工艺是在传统粉末冶金工艺的基础上改进而来。工艺过程是将混有专用 聚合物润滑剂( 和粘结剂) 的粉末加热至一定温度，然后在同样加热到一定温度 的模具里压制成形。与传统工艺相比，温压成形的压坯密度约有0 1 5 0 3g c m 3 的增幅，这对于提高粉末冶金制品的性能，特别是力学性能具有重要作用”。 温压工艺的特色是工艺简单、成本低廉，在传统的粉末冶金设备上稍加改装，经 一次温压压制烧结即可生产出高密度、高性能且质量稳定的产品，其密度可达 7 4 5g c m “”1 ，经复压复烧更可高达7 6 5 g c m “”3 。 温压工艺作为粉末冶金工业中最为重要的一项工艺进展，它具有如下特点： 1 ) 高密度。温压工艺压制的生坯密度比传统方法高0 1 5 ，0 3 0g c m 3 ，可达 7 5 9 c m 3 ，烧结密度高达7 6 4 9 c m 引“1 。 2 ) 高生坯强度。生坯强度为2 0 一3 5 m p a ，比传统方法提高5 0 一i 0 0 。不仅降 低生坯搬运过程中的破损率而且能对生坯进行机加工，表面光洁度好“”3 。 3 ) 低成本。假如一次压制、烧结的普通粉末冶金工艺的成本为1 0 、则粉末 锻造的成本为2 o ，复压复烧的成本为i 5 ，渗铜工艺的成本为1 4 ，而温压丁岂 的成本仅为1 2 5 1 3 1 。 4 ) 压制压力低和脱模力小。对于给定的压制密度，温压的压制压力至少可以 华南理工大学硕上学位论文 降低1 4 0 m p a ，脱模力降低4 0 m p a ，从而有利于提高模具寿命，降低润滑剂含量 和压制较大面积的零部件【16 1 。 5 ) 高的烧结性能。在相同的压制力下，温压材料烧结后的屈服强度比传统工 艺的平均高1 1 ，极限拉伸强度平均高1 3 5 ，冲击韧性高3 3 f 1 8 】。 1 2 3 温压工艺的关键技术 1 2 3 1 粉末用于温压的混合粉末不仅要求在加热、传送及压制过程中具有良 好的压缩性、流动性和始终如一的松装密度，而且要求制成的各个零件之间性能 要一致。温压所获得的材料密度除与润滑剂有关外，还取决于铁粉的压缩性和混 合粉末的配方。特别是混合粉配方决定了无孔隙密度( p f d ) 。p f d 是铁粉和加入混 合粉添加荆的函数，温压可使生坯密度达到p f d 的9 8 “，现有的温压技术都受 专利保护，计有美国l l o e g a n a e s 公司的a n c o r d e n s e 粉末，瑞典h o g a n n a e sa b 公司的d e n s m i x 粉末“。”1 和加拿大q u e b e cm e t a lp o w d e r 公司的f l o m e tw p “粉 末1 2 ”等。国内中南工业大学曹顺华在铁粉的部分预合金化技术基础上研究了低成 本的温压粉末制造技术”1 2 “。 另据报道，瑞典的专利粉末d e n s m i x 无论在1 3 0 下保温还是在粉末加热到 1 3 0 再冷却到室温，再升温这样循环作用下，粉末的松装密度、流动性及在6 0 0 m p a 下压制的生坯密度都相当稳定，并分别保持在3 1 3 3 15g c m 3 ，2 6 2 2 6 5 s 5 0 9 ，7 2 9 7 3 0g c m5 的范围。 结合我国国情，开发具有自主知识产权、成本相对较低、以元素粉末为丰体 及特殊混制工艺相结合的温压粉末是温压推广应用的关键之一。 1 2 3 2 润滑剂传统工艺中使用的市售润滑剂在粉末升温到1 2 0 - - 1 5 0 时，粉 末的流动性便会恶化，甚至不能流动。为了利用升温压制的有利作用，必须采用 一些新型的润滑剂，使混合粉末在高温下操作性能最佳化。润滑剂的选用原则应 当满足如下要求：( 1 ) 玻璃化温度在1 3 0 1 5 0 左右：( 2 ) 低的摩擦因数，特别是 随着温度的升高，摩擦因数进一步降低，这样就有利于金属粉末和模具壁、粉末颗 粒之间的摩擦阻力达到最小，从而减少压制力和脱模力：( 3 ) 易溶于挥发性溶剂中， 便于粉末干燥和使粉末颗粒表面均匀地包覆一层薄的润滑剂膜；( 4 ) 能阻止或减缓 合金粉末氧化，因为铁粉等会属粉末在温度超过9 0 。c 以后氧化速度明显加快”。 据文献 2 4 报道，添有润滑剂的混合粉在1 5 0 保温工作后，氧含量仅由0 4 7 0 增至0 4 7 7 ；( 5 ) 较宽的分解温度范围，裂解时应比较缓和、平稳，避免急剧产 生大量气体，导致在粉冶零件中产生新孔洞；( 6 ) 润滑荆热分解后，不污染环境， 对人体无害。能基本符合上述原则的润滑剂大致有：聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚亚 胺、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚醚、醋酸乙烯酯、聚氨基甲酸酯、聚砜、纤 维素酯、热塑性酚醛树脂、聚乙二醇、聚乙烯醇、阿克蜡、甘油等及其上述物质 第一章绪论 问的化合物”。温压用润滑剂的加入量比传统工艺用润滑剂少，一般含量为0 ，6 w t ”。据资料 3 0 报道，润滑剂含量每降低0 1w t ，还具有使密度提高0 0 5 g c m 3 的益处。国内北京科技大学的果世驹曾对兀粘结剂铁粉、含细磷铁粉、温压 粘结剂玻璃化温度调整等内容进行了早期实验研究“3 。“”i 。华南理工大学的张 双益、项品峰也对润滑剂的优选进行了早期的探索性试验。“1 。 润滑剂的加入方式主要有干混和湿混两种。文献 3 6 报道了将聚四氟乙烯 ( p t f e ) 分别干混、湿混( 酒精作悬浮剂) 进行温压实验的结果，发现温压工艺并不 能提高生坯或烧结件密度，而且硬度、冲击韧性均有定程度的下降，生坯脱模 力高。文献 3 4 认为干混性能稍高，但最佳压制温度范围略高。 1 2 3 3 温压温度温压工艺与常规粉末压制的最大不同点在于温压是在1 3 0 左右的温度下，对混有特殊润滑剂的合金粉末进行压制。现有的文献大部分认为 温压温度范围适宜在1 3 0 1 5 0 “”3 ，作业温度波动控制在2 5 ，但也有报 告认为温压可加热到2 5 0 “”。加拿大魁北克粉末公司曾发现温度每升高1 0 0 ， 压坯密度增大0 0 8g c m 3 。温压温度的确定通常与所加的润滑剂的特性有密切关 系，要求所选的润滑剂在温压温度具有最佳的润滑效果，一般将温压温度控制在 聚合物润滑剂的玻璃化温度之上2 5 8 5 “”或溶点之下5 5 0 o “，此时润滑剂 处于粘流态，既有一定的粘结性，也有一定的润滑性，可在粉体表面铺展和流动， 有利于进步改善润滑剂的分布，从而提高润滑的效果。若温度过高，形成的润 滑膜易被破坏和失效。文献 4 0 4 2 认为铁粉在1 0 0 时具有最佳的致密化效果。 此外，温压温度还与压制力和装粉高度有关，文献 2 0 报道，压制力越大和 装粉高度越高，最佳温压温度越低，随高度出0 5c m 升高到1 9c m ，最佳温压 温度由1 5 0 降低到9 3 1 1 0 。 1 2 3 4 温压系统温压系统是指粉末加热及输送系统与模具加热装置，它必须 灵敏而精确地控温并易于附加在现有的粉末冶金设备上，以降低投资成本。国际 上现有的产业化的温压设备主要有美国h o e g a n a e sc o r p 和c i n c i n n a t ii n c o r p 公司 共同开发的专利e l t e m p 温压系统“；美国h o e g a n a e sc o r p 与美国微波材料技 术公司开发的m i c r o m e t 温压加热系统“；a b b o t tf u r n a c ec o m p a n y 生产的 t p p 3 0 0 型加热系统；g a s b a r r ep r o d u c t si n c o r p 生产的t o p s 系统；以及由瑞典 h o e g a n a e s 和l 1 n d em e t a l t e k n i k 公司合作生产的l i n d em e t a l t e k n i k 系统“。 国内目前还没有厂家生产。 1 2 。4 温压工艺的致密化机理 温压成形工艺与常规粉末压制的最大不同点在于温压是在1 3 01 5 0 。c 温度 下对混有特殊润滑剂的混合粉进行压制，而常规粉末压制成形是在室温下进行的。 由于温压技术是国外粉末公司开发的新技术，出于严格保密的需要，围内外高等 毕南理工大学硕士学位论文 研究机构尚无机会进行较系统的致密化机理研究，有关这方面的详细报道较少， 至今尚无定论。通常认为，在温压成形温度( 1 3 0 1 5 0 ) 范围内，铁粉颗粒的 屈服强度、加工硬化速率和程度降低，塑性变形能力提高，从而提高了粉末的生 坯密度”。4 “。为此，大部分研究人员采取提高铁粉塑性变形能力的措施，诸如降 低铁粉中的氧、碳、氮及杂质的含量，以获得最大程度的致密化效果。 比利时的d e g o i xcn 和加拿大的s t l a u r e n ts 等认为“”1 ，聚合物润滑剂 的加入，在温压时处于粘流念，改变了粉术的表面性能，从而提高了压制过程巾 粉末颗粒之间的润滑效果，减少了摩擦阻力，使压制时粉末颗粒能更好地传递压 力，冈而有利于密度的提高，且降低了脱摸力。文献 4 7 ，4 8 曾简单报道过加拿大 的m a t i ng a g n e 采用扫描电镜、高分辨探针、二次离子质谱仪等对粉末颗粒在室 温和1 5 0 的压制行为进行微观研究后认为，温压一方面改进了粉末颗粒的重排， 促使小粉末填充到大粉末颗粒的间隙中，同时还增强了粉末颗粒的塑性变形，从 而提高生坯密度；而生坯强度的提高主要是由于温压过程中粉末颗粒上包覆的润 滑剂薄膜很薄，火部分润滑剂存在于孑l 洞中，从而促进了粉末颗粒之间的金属接 触和冶金结合作用。国内果世驹从温压过程与传统压制过程生坯密度随压制压力 的变化曲线基本上是平行走向认为，温压过程中未出现新的致密化机制”“；曹顺 华在实验研究中发现，在压制过程中，当压机以恒定的加载速度压制时，粉未压 机的压力指针从低压到高压均出现了一系列“平台”的停滞现象，认为在温压过 程中，颗粒重排是温压的主导致密化机制“。张双益、项品峰等认为，聚合物润 滑剂改善了温压成形过程的润滑效果，并明显提高铁粉的塑性变形程度，从而提 高生坯的密度”“。 1 2 5 温压技术的应用 温压工艺的出现，使得以经济可行的方法生产高性能粉术冶金零件成为可能， 并大人地扩大了粉末冶金零件的应用范围。目前，温压工艺已经成功应用于工业 生产，并成功制造出了各种形状复杂的高密度、高强度粉末冶金零件。下面主要 介绍一下温压工艺的具体应用。 1 2 。4 1 汽车传动转矩变换器涡轮毂“7 “。”3随着汽车工业的发展，高性能发动 机的出现对传动转矩变换器涡轮毂的性能提出了更高的要求。用传统粉末冶金工 艺生产的涡轮毂由于密度较低而使其性能满足不了要求。因此，原来用粉末冶金 工艺生产的涡轮毂后来改用锻造生产。而温压技术的出现使得用粉末冶金方法通 过一次压制、一次烧结生产高密度、高性能、复杂形状的零件成为可能。现在采 用扩散合金化的f e 一4 n i 1 5 c u0 5 m o 材料，通过温压技术可使材料的密度达7 2 5 g c m 。以上，使涡轮毂的性能提高很多。其拉伸强度为8 0 7m p a ，硬度为h r c l 7 ， 在扭矩为1 2 1 0n 玎】时可承受1 0 0 万次以上循环。其制造工艺与原来的锻钢工艺相 第一章绪论 比，省略了机加工、热处理等5 道工序，降低成本3 0 以上，设备投资减少5 0 以上。美国福特公司已将该涡轮毂用于6 8 升柴油发动机上，如e 4 0 d 网速车、 f1 5 0 卡车、e c o n o li n e 货车和大型公共交通车上的发动机。 12 4 2 温压连杆汽车发动机连杆的工况条件非常恶劣，对材料的疲劳强度提 出了很高的要求，因此粉末锻造连杆于1 9 6 7 年应运而生。随后，同本的丰田公司、 美国的通用汽车公司、f o r d 公司、德国的p o r s h e 公司、b m w 公司、意大利的f i a t 公司和英国的g k n 公司等均在汽车发动机中应用了粉末锻造连杆。 为了提高粉末压制连杆的可靠性，法国f e d e r m o g u l 公司于1 9 9 9 年开始了 利用温压工艺制造发动机连杆的研究。其温压一烧结连杆获得了2 0 0 0 年e p m a ( 欧 洲粉末冶金协会) 的粉末冶金创新头等奖。这种连杆的使用性能和锻轧车| 】4 或粉末 锻造连杆相同，但制造成本比粉术锻造连杆降低了5 0 ，连杆重量减轻了6 5 。 其所用粉末为加拿大q u e b e c 金属粉末公司的4 4 0 l 型低合金钢粉，温雎压力为 1 0 0 0m p a ，密度达到7 4g c m 3 ，烧结温度为1 1 3 0 。在烧结状态f 抗拉强度为 1 0 5 0n m m 2 ，屈服强度为5 6 0n m m 2 ，抗压屈服点为7 5 0n m m 2 ，对称循环拉压疲劳 强度为3 2 0m p a ( r = 1 ) ，其波动仅为1 0m p a 。温压一烧结连杆的问世，不但将逐渐 取代粉末锻造连杆，还将大大扩大粉末冶金零件的应用领域“”5 8 1 。 1 2 4 3 齿轮类零件用温压工艺生产的粉末冶金零件具有低成本、高密度、性 能均一和精度高等优点，因而在齿轮类的高性能零件上具有广泛的应用前景，如 汽车传动齿轮、油泵齿轮、凸轮、同步器毂、转向涡轮、发动机齿轮、变速箱用 螺旋齿轮等。美国的h o e g a n a e s 公司与c i 1 c i n n a t i 公司以及其余几家制造厂联合， 已采用温压工艺生产出从1 0 0g 到超过1 0 0 0g 大小不等的、由一个台阶的正齿轮 到多台阶的内、外齿轮与斜齿轮等各种齿轮，烧结密度可高达7 4 5g e m “。 美国的p e n n s y l v a n i ap r e s s e dm e t a l s 公司采用温压技术生产的正齿轮的断 齿载荷比用传统工艺的提高5 0 以上，生产的2 2 。外螺旋齿轮，整体烧结密度达 7 4 1 g a m 3 ，齿部密度为7 3 5g c m 3 ；生产的2 7 9 。螺旋角斜齿轮的整体密度为 7 0 3 - - 7 ，4 0 g c m 3 ，齿轮整体密度达6 9 1 7 4 0g a m 3 ，齿的密度达6 9 1 7 1 9 g e m 3 孤。 同本日立粉末金属公司采用温压技术生产的小节锥半角齿轮，获得了1 9 9 9 年度日本粉末冶金协会颁发的新设计奖”“。这种齿轮过去需锻造后经机加工生 产，成本很高，采用温压技术生产后，既提高齿的强度，又简化了操作，降低了 成本。 12 4 4 角度磨头的棘轮副及其它结构零件“”由台湾p o r i t e 公司采用温压工 艺为r o b e r tb o s c h 电动工具公司制造的角度磨头棘轮副，由棘轮、止推环、法兰 盘组成。棘轮密度达7 0g e m 3 以上，拉伸强度为7 5 8m p a ，冲击强度为2 2j ， 疲劳强度为3 0 3m p a ；法兰盘和l 上推环密度超过7 1 9g c m 3 ，拉伸强度为1 1 0 3m p a ， 华南理t 大学坝上学位论文 冲击强度2 4j ，疲劳强度4 1 4m p a 。该零件需经后续加j ：，包括热处理、棘轮和 l e 推环的少量机加工，但与原加工工艺相比，仍节约成本接近5 0 ，并具有非常 高的精度。因此，该零件荣获1 9 9 7 年m p i f 的海外粉冶零件大奖。 1 2 4 5 其它零件瑞典h o e g a n a e sa b 与s c a n i 3c v 公司采用温压工艺共同丌 发出一种用于重型卡车变速器的大型零件l a t c hc o n e “；据文献 6 3 ，6 4 介绍， 温压工艺由于提高了材料的密度而明显改进了磁性能，也被成功地应用于制备粉 末冶金磁性材料上，如制造汽车整体线圈与电子线路点火装置、电灯镇流器、变 压器铁芯、低频滤波器与扼流圈铁芯以及电动机中的硅钢片的代替品等。 温压工艺自其问世之日起就获得很大的商业成功。目前，约近17 0 个零件已 进入商业化生产。表卜l 列出至2 0 0 1 年年初为止，温压技术在世界各地的工业应 用情况”。在国内，引进温压工艺的粉末冶金零件生产厂有宁波东睦粉术冶金公 司和扬州保来得工业有限公司。两家工厂都是从国外引进技术、生产线与购买专 用温压粉术进行生产。 表1 1 至2 0 0 1 年年初为止温压工艺在世界各地的工业应用情况“5 温压技术是粉末冶金领域近几年来发展起来的一项新技术，它通过一次压制， 一次烧结就可生产出高密度、高性能的复杂形状的粉末冶金零件，具有。阔的应 用前景。 1 3 不锈钢的粉末冶金技术 1 3 1 不锈钢及其分类 不锈钢的发明可以说是世界冶金史上的