摘 要: 温压是一项以较低的成本制造高性能粉末冶金零件的新型成形技术,本文综述并讨论了温压工艺的粉末原料、聚合物、温度、压力、烧结环节及致密化机理。在此基础上,介绍了温压工艺的新发展，流动温压、高压温压等,并对其应用前景进行了展望。
关键词:温压;粉末冶金零件;流动温压;高速压制
1 前言
粉末冶金是一种能制备复杂形状近净形产品的生产技术,产品性能与其密度有很大的关系。对铁基粉末冶金零件而言,密度达到7.2g/cm3后,其硬度、抗拉强度、疲劳强度、韧性等都会随密度的增加而呈几何级数增大[1]。例如,密度对烧结钢性能的影响见图1[2]。而传统一次压制/一次烧结生产的铁基粉末冶金制品,其密度一般在7.1g/cm3(相对密度约90%)以下,因此其力学性能远低于同类材料的全致密件。为了扩大粉末冶金制品的应用范围,提高粉末冶金材料的性能尤其是力学性能,各国经过多年的研究,开发出了多种不同的生产工艺,如高温烧结、渗铜技术、复压复烧、粉末锻造、热等静压、喷射沉积、温压工艺等。而其中最经济可行的为温压技术,它自从1994年美国Hoeganaes公司在加拿大多伦多举行的PM2TEC94(1994 International Conference on Powder Metallurgy & Particulate Materials)国际粉末冶金和颗粒材料会议上首次公布以来,很快被用于实际生产中,现已被认为是进入20世纪90年代以来粉末冶金零件生产技术方面最为重要的一项技术进步[3,4]。
2 温压工艺的技术环节
所谓温压就是指采用特殊的粉末加温、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加热至130~150℃,同时为保证良好的粉末流动性和粉末充填行为,将温度波动控制在2.5℃以内,然后按传统粉末压制工艺进行压制的一项新型粉末冶金生产技术。其工艺流程为:原料粉末+粘结剂y混合y预制粉料+润滑剂y混合y混合粉末y温压y压坯y烧结y后处理y粉末冶金零件制品。目前,世界上已推出的受专利保护的温压工艺有瑞典HÊgan¾s AB公司的DensmixTM、美国Hoeganaes公司的AncordenseTM和加拿大Quebec Metal Powder(QMP)的Flomet WPTM等。温压工艺的突出特点是能制备比常规压制工艺密度更高的压坯,与传统的粉末冶金压制工艺对比结果表明,温压工艺的压坯密度比传统工艺的要高0.15~0.30g/cm3[4,5]。并且,其工艺简单、成本低廉,在传统的粉末冶金设备上稍加改装即可生产出高密度、高性能且质量稳定的产品。
温压工艺的技术环节包括以下几个方面:
2.1 温压粉末
温压粉末是温压技术的核心和获得高密度铁基粉末冶金零部件的技术关键,也是国外两大粉末公司(HÊgan¾s公司、Quebec金属粉末公司)的专有技术。目前最常用的温压粉末为铁粉,而国内尚没有一种国产品牌粉末可以原封不动的以供货态用于温压工艺。国外常用的温压铁粉原料如Densemix、Flomet等均为专利保护产品,其价格为普通铁粉的2倍以上。通过研究发现,铁粉的基本特性(流动性、松装密度、成分、粒度组成等)会对温压压坯的密度产生一定影响。李明怡等[6]研究了铁粉的化学成分、粒度组成、粉末显微硬度等因素对温压压坯密度的影响。通过合理控制这些因素,用国产水雾化铁粉温压压制,可得到7.3 g/cm3的接近国外粉末的压坯密度。北科大的果世驹提出了适合温压的铁粉的基本特性[7],即:含O2< 0. 1%,含C <0.006%,含N2<0.0013%,松装密度在3.0~3.2g/cm3之间。目前,国内绝大多数厂家的水雾化铁粉的质量还达不到这个标准。另外,中南大学的曹顺华[8,9]在研究了温压的致密化机理后,对温压粉末作了如下要求:粒度组成合适,以便为粉末颗粒温压重排提供足够的空间;粉末颗粒最好为球形;较好的塑性变形能力。并通过Fe与Ni、Mo合金元素间的部分预合金化处理,外加0.6%聚合物润滑剂,生产出了具有高压缩性的、适于制造高强度铁基粉末零件的温压粉末原料。该粉末在686MPa下压制可获得7.48 g/cm3的密度,在1120℃烧结40min,烧结密度为7.5 g/cm3。压坯密度比HÊgan¾s粉末提高0.08 g/cm3,而回弹及烧结收缩率相当。除了铁粉外,铝、铜、钨等其它一些金属粉末也适用于温压工艺[10]。而据我们研究[11],温压即使对具有典型硬脆粉特性的钨基高密度合金也有效果。
2.2 聚合物
聚合物包括粘结剂和润滑剂。通常,用于温压的预制粉末都会先进行粘结剂处理,目的是在粉末颗粒表面上形成一层均匀的薄膜,以便让粉体在具有防止污染和分层特性的同时,具有良好的流动性和可压缩性。而润滑剂通常要具有较低的摩擦系数、高于温压温度的熔点、防止粉末氧化、分解温度较宽等特性。温压时聚合物的通常加入量为(质量分数)0.6%。常用的聚合物一般为无定形高聚物,其温度-变形曲线见图2。
从图中可以看出,随着温度升高,聚合物呈现三种不同的状态:玻璃态、高弹态和黏流态;存在两种转变:玻璃化转变(对应温度为Tg)和黏流化转变(对应温度为Tf)。在Tg上下时,聚合物的粘度相差几个数量级。并且,在不同的压力下,Tg也不同。目前对温压工艺中聚合物的作用、选择、最佳加入量、加入方式等还存在许多争论。虽然聚合物的加入能够克服摩擦而提高温压压坯密度,但它是一把双刃剑,在烧结时易留下孔洞使材料的烧结密度和力学性能降低。
近年来,人们研究发现,采用模壁润滑(Die Wall Lubrication,DWL)的外润滑温压技术比添加聚合物的内润滑温压技术效果更佳。据文献[12]报道,用非聚四氟乙烯干粉润滑剂以静电吸附的方式粘着在阴模内壁,温压的铁基零件的压坯密度已达到7.55 g/cm3。国内的李元元等[13]也研究发现,采用DWL的温压压坯密度比未用DWL的温压压坯密度有较大的提高。
2.3 温压温度
早期的温压一般是采用150℃左右的粉末温度进行温压。后来人们发现,温压温度并不是固定的,而是有一最佳温压温度(包括粉末温度和模具温度)范围。温压温度与所选的润滑剂有密切关系,一般要求将温压温度控制在聚合物的Tg以上25~85℃[14]或熔点之下5~50℃[15],并且,压制压力越大或装粉高度越高,最佳温压温度越低。加拿大QMP公司的经验是同一种材质装粉高度为1.0cm时,最佳粉末温度为140℃,装粉高度为2.5cm和3.8cm时,最佳粉末温度分别下降到100℃和90℃左右。温压温度的选择必须根据零件尺寸、模具结构以及烧结工艺等因素进行综合考虑。目前,世界上温压专利加热设备主要有美国制造的以电阻加热的EL-TEMP系统、Micro-Met系统、TPP300系统、TOPS系统以及瑞典制造的以热油加热的Linde Metal/teknik系统等。
2.4 温压压力
目前使用的温压压力一般在1000MPa以下,压速也较低。但现在有学者发现,温压压坯密度跟温压的压力大小、加压速度有很大关系[16]。在美国奥兰多举行的PM2TEC2002会议上,日本的Toyota公司披露了采用超高压(压力将近2000MPa)和模壁润滑的温压技术,制得了压坯密度高达7.84 g/cm3的铁基零件[17]。这些研究表明,压制压力的大小和压速对提高粉末冶金制品的压坯密度起着重要的作用。
2.5 烧结方式
温压压坯的烧结行为也是我们进行温压工艺需要考虑的因素。因为压坯中聚合物的存在,会导致压坯烧结密度的降低。并且烧结温度太高,可能会抵消温压带来的高压坯密度。有学者指出[18],粉末的烧结密度是温压及烧结两个过程综合作用的结果。为保证更高的烧结密度,对温压压坯应采用低温真空预烧后再高温烧结的方式。
2.6 致密化机理
早些年人们对温压的致密化机理研究不多,主要有两种观点:一是加拿大的Matin Gahne认为[19]温压改进了粉末颗粒的重排,促使小颗粒填充到大颗粒的间隙中,同时还增强了粉末颗粒的塑性变形,从而提高压坯密度;其次是比利时的Degoix C N[20]等人认为,温压时聚合物处于黏流态,提高了压制过程中粉末颗粒之间的润滑效果,减少了摩擦阻力,使有效压力提高,得以提高压坯密度。近年来,国内的许多学者在这方面作了研究,综合这些成果[21~23],较为一致的看法是,温压工艺使得粉末颗粒之间由于温度和压力的作用发生了重排列现象以及改善了粉末颗粒的塑性变形。
3 温压工艺的新发展
温压工艺自问世至今,短短的十年时间获得了快速发展。并且不断有新的改进的工艺出现,如采用模壁润滑代替部分添加润滑剂、流动温压、高压温压等,这些改进工艺的出现使得温压有了快速和长远发展的基础和条件,也大大地扩大了温压的应用范围。
3.1 流动温压
流动温压是德国的Fraunhofer应用材料研究所开发出来的。该研究所从1996年4月开始对温压技术进行基础性研究,其中包括对温压压制过程的计算机模拟和温压件烧结机制的研究[24]。流动温压[25]是以温压工艺为基础并结合金属注射成形工艺的优点而发展起来的。该工艺的显著特点是将粗粉(粒度为100Lm左右)和一定比例(一般占(质量分数)10%~20%)的细粉(粒度为0.5~20Lm)以及热塑性润滑剂进行混合,然后按普通温压工艺进行压制,最后烧结制得成品,其关键技术是提高混合粉末的流动性。该工艺制品具有性能均一、高密度、低成本等特点[26]。利用该工艺可成形形状非常复杂的零件,如垂直于压制方向上的凹槽、孔以及螺纹孔等。Fraunhofer研究人员还发现,流动温压工艺几乎适用于所有的粉末体系,但最适合于成形低合金钢、Ti以及WC-Co等硬质合金粉末。
3.2 高压温压
在PM2TEC2002国际会议上,日本的丰田汽车中心研发室的研究人员披露了利用温压、模壁润滑和高压制压力,制得近乎全致密的铁基粉末压坯[17]。他们发现,采用水中弥散分布的无污染硬脂酸锂(粒度为10Lm)作为润滑剂,它能在压坯表面形成1Lm厚均匀的化学吸附润滑膜层,通过机械化学反应,可在高压下压制。他们比较了两种粉末的高压温压压制,ASC100.29铁粉在1176MPa、150℃温压,可得到7.74 g/cm3的压坯密度(同样压力下,室温压制时压坯密度只有7.3 g/cm3),弹性后效<0.1%(而室温时为0.35%)。并且脱模压力随压力的增大而降低(1176MPa压力下时脱模压力只有10MPa左右),这与室温压制时相反。用压缩性更好的ABC100.30铁粉于模壁润滑、1960MPa、150℃时温压,其压坯密度高达7.85 g/cm3(相对密度为99.9%),压坯强度达到180MPa左右。而同样压力下室温压制密度也只有7.3 g/cm3左右。这说明压制压力对温压的效果有很大影响。压制压力越大,温压效果越好。
4 应用及展望
目前,在国外温压工艺已经实现了工业化生产。表1列出了至2001年初,世界部分地区温压工艺的工业应用情况[27]。而国内目前只有宁波东睦新材料股份有限公司和扬州保来得工业有限公司引进了温压工艺生产线。温压工艺正在制造出室温一次压制工艺不可能制造出来的越来越多的标志性产品。例如,德国Sinterstahl Gmbh公司用温压生产出了复杂的摩擦传动用同步齿环,并在美国新奥尔兰举行的PM2TEC2001国际会议上获奖。该零件采用扩散合金化的烧结硬化粉末,齿部密度超过7.3 g/cm3,环体密度超过7. 1 g/cm3,压坯强度达到28MPa,而其成本降低了38%[28]。日本日立粉末金属公司采用温压工艺生产的粉末冶金小节锥半角斜伞齿轮,成功地取代了过去以机加工锻钢坯的昂贵生产工艺,并获得了日本粉末冶金协会颁发的1999年度新设计奖[29]。法国Federal Mogul公司为汽车工业制造了使用性能与锻造以及粉末锻造相近但成本较低的温压连杆,表明温压工艺有了重大突破[30]。日本日产汽车公司用粉末冶金温压工艺开发出了汽车发动机链轮,并确定了批量生产的技术因素[31]。
粉末冶金行业的发展与汽车制造业密切相关,据统计铁基粉末制品市场份额的约70%在汽车制造业。在北美,家用轿车上粉末冶金制品的用量2002年已达17.7kg/辆(1997年仅为7kg/辆),2003年达到18.4kg/辆[32]。而据对我国粉末冶金零件市场的预测[33],在2000年生产规模的基础上,到2005年,摩托车、汽车行业将分别有40%、70%的增幅,达到1300万、300万辆左右。而且,在近年来新上市的汽车中,粉末冶金零件的种类和重量也在逐渐增多。例如,前几年才投放市场的上海通用生产的别克(Buick)轿车[34],每辆使用粉末冶金零件达35种,1 2 .5kg,用量是普通桑塔纳轿车的4倍(每辆用粉末冶金零件仅15种3kg)。因此,随着我国汽车工业的快速发展,粉末冶金技术必将发挥越来越重要的作用。而大力发展和推广温压工艺这种低投入、低成本的高密度粉末冶金生产技术,能为我国粉末冶金工业在新世纪里跻身国际粉末冶金市场打下坚实的基础。
参考文献略
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