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溫壓

溫壓是，在120～150℃溫度范圍內(nèi)，將由適量的粘結(jié)劑與潤滑劑系統(tǒng)和鐵粉或低合金鋼粉組成的預(yù)混合粉壓制成形的一種壓制工藝。溫壓最初是將預(yù)混合粉與壓制的模具都加熱到上述的溫度范圍;在這些溫度下，由于鐵的壓縮屈服強(qiáng)度減低，伴隨著潤滑軟化，在接近PFD的密度情況下，在陰模內(nèi)產(chǎn)生似等靜壓，從而使生坯達(dá)到了較高密度。值得注意的是，一般添加的潤滑劑數(shù)量為0．6%;因此，可得到較高的PDF。溫粉壓制結(jié)果表明，整個零件的密度較均勻，而且，和粉末冶金壓制相關(guān)的中和區(qū)最小化。這種中和區(qū)減小是一種優(yōu)勢;因為密度的均勻性增大，意味著零件內(nèi)部的性能較均一，對低密度區(qū)和其對最終零件使用性能的影響較少。

1)溫壓對生坯與燒結(jié)件的密度和力學(xué)性能的影響:溫壓可使粉末冶金零件的生坯與燒結(jié)件的密度分別增高0.10g/cm3、0.25g/cm3。圖3示添加0.6%石墨的FD-0405擴(kuò)散合金化粉預(yù)混合粉的生坯與燒結(jié)件的密度的改進(jìn)結(jié)果。溫壓在較低壓力下，可將生坯密度增高較大;其達(dá)到了在常規(guī)壓制時，于較高壓力下達(dá)到的密度。在較高的壓制壓力下，陰模型腔中的預(yù)混合粉已接近PFD;因此，進(jìn)一步增高壓力時，生坯密度將不會再增高，實際上可能產(chǎn)生過壓，并使粉末冶金零件形成微小分層。圖4（略）匯總了用常規(guī)與溫壓壓制工藝，在410～690MPa的壓制壓力范圍內(nèi)，壓制的擴(kuò)散－粘結(jié)材料的橫向斷裂強(qiáng)度(TRS)的結(jié)果。表3中匯總了由各種預(yù)混合粉組成，溫壓的燒結(jié)件的力學(xué)性能。溫壓適用于所有的鐵與低合金鋼粉的混合粉。燒結(jié)件密度增高的多少取決于材料系統(tǒng)和隨后的零件加工處理。添加銅的預(yù)混合粉在燒結(jié)時發(fā)生脹大，這對溫壓工藝無益;因此，認(rèn)為對于含銅的預(yù)混合粉，不適于采用溫壓壓制。在Donaldson等進(jìn)行的試驗研究中［10］，將溫壓的粉末冶金零件，于871℃下進(jìn)行了預(yù)燒結(jié)，隨后在高達(dá)690MPa的壓力下，于室溫下進(jìn)行了二次壓制(整形)。二次壓制后，在1120℃或1260℃下進(jìn)行了燒結(jié)，制得的燒結(jié)件的密度達(dá)到了7.5～7.6g/cm3。當(dāng)與密度為7.4g/cm3的燒結(jié)件相比較時，這些密度較高的燒結(jié)件，橫向斷裂強(qiáng)度增高了約15%;更重要的是，沖擊能量增高了50%～80%。這些研究證明，對于溫壓零件，采用二次壓制/二次燒結(jié)(DP/DS)工藝生產(chǎn)，可顯著增高粉末冶金材料的力學(xué)性能。這類零件的綜合力學(xué)性能等同于韌性鑄鐵和切削加工的碳鋼鍛件的性能。

2)增高生坯強(qiáng)度：溫壓工藝的較次要優(yōu)勢是，可增高零件壓坯的生坯強(qiáng)度。生坯強(qiáng)度的增高，是由于粉末顆粒變形較大和在溫壓中使用的獨特粘結(jié)劑與潤滑劑發(fā)生的最佳協(xié)同作用。生坯強(qiáng)度值的增高，是在密度顯著低于PFD值水平下實現(xiàn)的(見圖5)。這些數(shù)據(jù)表明，由于溫壓可增高生坯密度，其在應(yīng)用于密度較低的零件時，可減小零件的損壞或零件易碎特征部分的碎裂。由于溫壓可增高生坯強(qiáng)度，從而使著可對生坯進(jìn)行切削加工。在汽車變速器的粉末冶金換檔撥叉的大量應(yīng)用中，一直在采用生坯切削加工生產(chǎn)［13］。零件壓制成形后，于生坯狀態(tài)下進(jìn)行銑削加工，這可減小零件的整個生產(chǎn)成本。用鉬預(yù)合金化鋼粉+2%Ni+0．5%石墨+0．6%潤滑劑的預(yù)混合粉溫壓后的生坯，通過鉆削試驗，進(jìn)行了切削性研究。這項研究證明:在高速與高進(jìn)給比的切削條件下，可得到令人滿意的生坯表面粗糙度;另外，將標(biāo)準(zhǔn)鉆頭的幾何形狀從標(biāo)準(zhǔn)的90°橫刃鉆頭改變?yōu)?35°分裂點鉆頭，可改進(jìn)切削表面的粗糙度。在確定生坯切削加工參數(shù)之前，建議先進(jìn)行試驗，檢驗鉆頭的幾何形狀、切削速度及切削進(jìn)給比的效果。粉末冶金零件的生坯切削加工和燒結(jié)硬化相結(jié)合，可為零件設(shè)計者在零件設(shè)計與材料選擇上提供較大的靈活性。

溫模壓制

關(guān)于用一次壓制/一次燒結(jié)(SP/SS)得到較高生坯密度的第二個較新的方法是，僅只對模具加熱，而不對粉末進(jìn)行任何預(yù)熱，將陰模加熱到60～70℃溫度范圍之內(nèi)。和溫壓工藝一樣，為將密度比常規(guī)的預(yù)混合粉壓制增高0.05～0.15g/cm3，這種工藝也綜合有粘結(jié)劑與潤滑劑技術(shù)。和溫壓工藝一樣，除了增高生坯與燒結(jié)件密度之外，此生產(chǎn)工藝還可以減少揚(yáng)塵，改進(jìn)流動性及增大陰模的充填量。這些因素都可以增高粉末冶金零件的一致性和質(zhì)量。圖6示用常規(guī)壓制、溫壓及溫模壓制可得到的生坯密度的比較。溫模壓制的優(yōu)勢在于，可增高密度(0.05～0.15g/cm3)、附屬設(shè)備較少及可減小粉末的損耗。不足之處有:由于傳遞到粉末中的熱量有限和潤滑劑的總含量較低，零件的高度最高不大于25mm［16］;要增高密度，壓制壓力需要＞550MPa。對于溫?zé)岱勰?溫?zé)彡幠５姆椒▉碚f，這種零件高度的限制，似乎不是問題，已經(jīng)成功地生產(chǎn)出了高度高達(dá)63.5mm的零件。這兩種溫壓工藝的生坯密度增高，都是依靠對粉末進(jìn)行加熱和減小添加于預(yù)混合粉中的潤滑劑的數(shù)量。就這一點而言，減小預(yù)混合粉中潤滑劑的含量時，潤滑劑必須使著易于脫模;因此，潤滑劑都是能滿足壓制方法要求的獨特配方。

模壁潤滑

如上所述，減少添加于預(yù)混合粉中潤滑劑的數(shù)量，對增高粉末冶金零件生坯密度與燒結(jié)件密度都有重大影響。理論上，最需要添加潤滑劑的地方，是陰模模壁處。模壁潤滑不是一個新觀念，可靠的模壁潤滑系統(tǒng)，一直在被研究與開發(fā)。過去的使用水基或溶劑基系統(tǒng)的研究成果，在裝粉之前都需要一個干燥過程;靜電系統(tǒng)的開發(fā)消除了干燥過程，并使著可將內(nèi)部潤滑劑的總含量減小到0．2%～0.4%。依照圖2（略）中的結(jié)果，這使著可將生坯密度增高0.15～0.25g/cm3，同時生坯與燒結(jié)件的強(qiáng)度也相應(yīng)增高。模壁潤滑的其它優(yōu)勢還有，需要除去的內(nèi)部潤滑劑含量較少，從而燒結(jié)過程中的排放物也相應(yīng)地減少。圖7（略）示內(nèi)部潤滑劑的減少對生坯密度的影響;注意，生坯密度不可能＞7.4g/cm3。模壁潤滑要在產(chǎn)業(yè)中被接受，實質(zhì)上其噴涂技術(shù)必須可靠和能夠用傾倒法裝粉。

選擇性表面致密化

增高粉末冶金零件芯部密度的好處在于:可增高齒輪的拉伸性能，改進(jìn)彎曲疲勞耐久性及增高滾動接觸疲勞(RCF)強(qiáng)度。鑒于粉末冶金零件的選擇性致密化，可改進(jìn)RCF耐久性和提高尺寸精度，因而日益受到關(guān)注。早期的試驗工作表明了這種工藝是如何適用于大量的粉末冶金零件的;這種工藝還能成形齒輪的導(dǎo)程與輪廓的拱起部位，為最終用戶提供的齒輪成品不需要進(jìn)行后續(xù)加工。重要的是，認(rèn)識到了選擇性致密化與高的芯部密度相結(jié)合，制造出的粉末冶金零件的拉伸與彎曲疲勞性能和鍛鋼零件的性能相同。采用選擇性致密化時，其RCF性能也和鍛鋼等同。這種獨特綜合性能，為用粉末冶金齒輪替代高負(fù)載汽車變速器齒輪提供了可能。表4(略)示采用高密度工藝加工的FLN2-4405的力學(xué)性能與淬火/回火處理的AISI8620鍛鋼性能的比較。AISI8620鋼表明，其疲勞與沖擊性能兩者都有明顯的方向性。#p#分頁標(biāo)題#e#

所有試驗都是用切削加工的圓形試棒進(jìn)行的。拉伸試驗的結(jié)果表明:疲勞強(qiáng)度與沖擊韌性值的變化都是縱向大與橫向小;淬火/回火的疲勞試樣的縱向比橫向的值約高35%;有凹口沖擊試樣的縱向比橫向的值大約50%;而無凹口試樣的縱向與橫向的值相差很小，只有1．5%。鑒于許多齒輪(例如，直齒輪)的負(fù)載都垂直于主工作方向，因此，材料的方向性很重要。螺旋齒輪是在兩個方向負(fù)載，其取決于齒輪的螺旋角，例如，20%螺旋齒輪的負(fù)載大部分是在橫向。在文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫中，往往引用的是縱向的力學(xué)性能，而很少列出橫向性能。粉末冶金零件材料是各向同性的，鑒于中和區(qū)的密度減小，因此，在零件的中和軸線上的性能略微減小。采用先進(jìn)的粉末冶金零件生產(chǎn)工藝時，可將中和區(qū)的密度減低顯著減小。根據(jù)表4，粉末冶金零件的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度和鍛鋼相似;但伸長率與沖擊值和鍛鋼相比，則明顯減小。實質(zhì)上，通過正確地選擇合金與生產(chǎn)工藝條件，可得到同樣的RCF性能。整篇論述主要集中于獲得較高的生坯與燒結(jié)件密度的方法上，認(rèn)為較高的燒結(jié)件密度，意味著較高的力學(xué)性能。近期，合金化的發(fā)展表明，在可比較的密度下，合金化也可以改進(jìn)粉末冶金材料的力學(xué)性能。King等的研究表明:添加鉻、硅、鉬及鎳可顯著影響粉末冶金鋼的力學(xué)性能;特別是，在同樣密度下，鉻與硅可顯著增高粉末冶金鋼的強(qiáng)度與沖擊能量。對于這些先進(jìn)的合金系統(tǒng)，可利用上述的得到較高密度的技術(shù)，并可相應(yīng)地增高零件的使用性能。另外，用燒結(jié)硬化合金工藝可生產(chǎn)具有馬氏體顯微組織的粉末冶金零件，而且，其尺寸精度是用常規(guī)鍛鋼油淬火無法達(dá)到的。

因此，粉末冶金可提供所需的力學(xué)性能、尺寸精度及可行的生產(chǎn)成本。對于進(jìn)一步增高密度，可能性是存在的。將模壁潤滑與SP/SS加熱粉末工藝相結(jié)合，可使密度達(dá)到接近7．5g/cm3;開發(fā)新潤滑劑，其在較低含量的條件下，可有效地增高PFD;將DP/DS用于密度＞7.6g/cm3的粉末冶金零件時，可使粉末冶金零件的性能增高到與粉末鍛造零件相同。

結(jié)束語

現(xiàn)在能夠生產(chǎn)無孔隙密度(PFD)為原始粉末預(yù)混合粉的98%的粉末冶金零件及芯部密度接近98%PFD的零件。這些高使用性能材料都與采用溫壓、溫陰模壓制、模壁潤滑或選擇性致密化的一次壓制/一次燒結(jié)(SP/SS)生產(chǎn)工藝相關(guān)。

本文作者：Francis J． Hanejko