CN103056360B - 高性能金属粉末成形方法 - Google Patents
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Abstract
一种高性能金属粉末成形方法，包括振动工艺、压实工艺及相应振动、压实设备，其特征在于振动工艺：利用1D振动设备，将成坯原料的金属粉末加入坯模中，根据设计设置振动参数：在确定成坯产品规格、原料材质、成坯原料的金属粉末堆积高度的条件下，依据原料材质选择工艺参数，设置振动时间t、振动频率ω、振幅A，对模具中金属粉末粉体施加竖直方向的机械振动，借助于振动力使得粉体颗粒获得移动排列的外部能量，使粉体由随机松排RLP向随机密排RCP转变；压实工艺：将振动设备上完成振动后的坯模取下，安置到压实设备中，设置压制参数：确定成坯产品规格、经振动后成坯原料的金属粉末高度的条件后，设置压实参数：压制压力P、压制速度ν、保压时间t。
Description
技术领域
本发明涉及冶金工业的粉末冶金技术，一种高性能金属粉末成形方法。
背景技术
粉末冶金的应用是相当广泛的，涉及到工业制造的各个方面，粉末冶金的结构件正在代替已有的金属加工制造业各种形状的铸件、锻件、切削加工件。由于粉末冶金有很多独特的优点，特别是对节能减排的贡献突出。目前对该技术研究主要集中在如何提高压坯的堆积密度、优化烧结工艺、减少粉末压坯的缺陷、减少最后粉末冶金制品的缺陷等等。这是因为一方面粉末冶金制品的密度及密度分布的均匀性是影响其物理性能和力学性能的重要因素。另一方面压坯缺陷出现的主要原因是压坯内部的密度、应力分布不均。
为了获得较高堆积密度的粉末冶金制品，各国学者和研究机构提出了各种新的工艺和方法；例如，等静压技术使粉末在压制过程中受到均匀稳定的压力，且方便于压制复杂形状的零件，但等静压设备价格较高，且模具制造成本较高，使用寿命短，尺寸精度不高；高速压制技术[10]在压力为600-1000MPa、压制速度为2-30m/s的条件下对粉体进行高能锤击，将传统的静压转变成动压，提高粉末压坯的密度，但高速压制设备昂贵，生产成本高，对模具损耗大。Hoeganaes公司提出温压成形技术，并对温度、润滑等在温压成形工艺中的作用进行了广泛的研究，制备出具有较高密度的粉末冶金制品，但温压工艺复杂，且对粉末的预处理要求较高。
粉末的初始堆积密度ρ0(通常称之为松装密度)对最终压坯堆积密度ρ有很大的影响。但是由于种种原因，现在的粉末冶金生产过程中，粉末的松装密度ρ0通常比较低，且堆积体内的密度分布不均匀。因此，如何提高粉末冶金中粉末的松装密度，并且使其内部孔隙呈现较均匀的分布已经成为粉末冶金(简称PM)领域的一个很重要的问题。而粉末的松装密度和粉末颗粒的堆积状态及结构是密切相关的，因此有必要对粉末冶金成形过程中粉末颗粒堆积的问题进行系统深入的研究，并且找出提高粉末堆积密度ρ方法，这样对于提高粉体压坯的堆积密度有重要的意义。
直至当前绝大多数的粉末冶金成形，简称PM，工业作业时都是将粉体充填到模具后直接成形，成形前的堆积密度很低且内部分布不均匀。
发明内容
本发明的目的是提供一种高性能金属粉末成形技术，实现金属粉末经过振动、压实过程然后得到高致密度的压坯。本专利用的金属粉末是铜粉和铝粉，压制方式是常温下单轴压制。
一种高性能金属粉末成形方法，包括振动工艺、压实工艺及相应振动、压实设备，其特征在于振动工艺：利用竖直振动设备，将成坯原料的金属粉末加入坯模中，根据设计设置振动参数：在确定成坯产品规格、原料材质、成坯原料的金属粉末堆积高度的条件下，依据原料材质选择工艺参数，设置振动时间t、振动频率ω、振幅A，对模具中金属粉末粉体施加竖直方向的机械振动，借助于振动力使得粉体颗粒获得移动排列的外部能量，使粉体由随机松排RLP向随机密排RCP转变；压实工艺：将振动设备上完成振动后的坯模取下，安置到压实设备中，设置压制参数：确定成坯产品规格、经振动后成坯原料的金属粉末高度的条件后，设置压实参数：压制压力P、压制速度ν、保压时间t。
在理论研究上期望在压制成形前，粉体粒子的堆积能够达到随机最密结构，因为此结构一方面在堆积密度上会有较大提高，另一方面，堆积中的孔隙分布比较均匀，不会有大的孔隙存在。虽然之前有些综述提出使用机械振动可以提高粒子的堆积密度及堆积的均匀性，但所研究的都是基本宏观粒子的范畴，即粒子的尺寸通常都是在毫米级及以上，而对微观细粒子(尺寸在微米级或以下)振动堆积致密化的研究则不多见，而且外部机械振动对提高细粉堆积密度的有效性、影响规律及其对成形后压坯结构和性能的影响也有待于系统深入的研究。因此，本发明的意义即在混料和压制成形过程的中间环节再加上一道工序，这道工序就是对初始填充到模具中的粉体施以周期性机械振动，经证实能够明显改善粉体的松装密度及堆积体内部粒子之间孔隙的大小及其分布的均匀性，在动态中消除粉体内部的“桥”和“拱”的结构、提高堆积密度，压实工艺中对粉体施加压力，形成一种颗粒之间紧密接触、颗粒形状规则且应力分布均匀的高性能压坯。本发明方法为未来高性能粉末压坯的获得创造良好条件，这对于粉末冶金的工业生产及科学研究均具有重要的意义。
图1a\1b是320μm铜粉在1030Mpa压制压力下，无振动(图1a)和有振动(图1b)压坯的端面形貌对照图；
图2a\2b是320μm铜粉在1030Mpa压制压力下，无振动(图2a)和有振动(图2b)压坯的断口形貌比较图；
图3a\3b是160μm铜粉在1030Mpa压制压力下，无振动(图3a)和有振动(图3b)压坯的端口形貌比较图；
图4a\4b是160μm铜粉在1030MP压制压力下，无振动(图4a)和有振动(图4b)压坯的断面形貌对照图；
图5a\5b是200μm铝粉在6.2Mpa压制压力下，无振动(图5a)和有振动(图5b)压坯的端口形貌比较图；
图6a\6b是200μm铝粉在6.2Mpa压制压力下，无振动(图6a)和有振动(图6b)压坯的断口形貌比较图；
图7a\7b是320μm铝粉在6.2Mpa压制压力下，无振动(图7a)和有振动(图7b)压坯的端口形貌比较图；
图8a\8b是320μm铝粉在6.2Mpa压制压力下，无振动(图8a)和有振动(图8b)压坯的断口形貌比较图。
具体实施方式
本发明高性能金属粉末成形方法，采用振动、压实设备，其特征在于振动工艺：在确定成坯产品规格、原料材质、成坯原料的金属粉末堆积高度的条件下，设置振动过程参数包括振动时间t、振动频率ω、振幅A，振动前的堆积密度可以在振动前测量得到。先试验本方法振动工艺后，才能知道振动后堆积密度的参数。对模具中金属粉末粉体施加竖直方向的机械振动；压实过程参数包括压制压力P、压制速度ν、保压时间t。
实例1：选用320μm的铜粉的振动过程步骤：将铜粉倒入烧杯中，称量烧杯和铜粉的总质量为74.0g，将铜粉缓慢倒入到内径为Φ＝20mm的模具中，将铜粉堆积的表面抚平，测出并记下未加振动的初始堆积密度，读出铜粉的初始料高为18.30mm，把模具置于振动设备上，振幅在0.15mm，0.25mm，0.35mm，0.5mm，0.7mm，1.0mm的范围内选取最佳的振幅，然后选取振动频率，在30Rad/s、60Rad/s、80Rad/s、90Rad/s、110Rad/s、120Rad/s、130Rad/s、140Rad/s、150Rad/s的范围内选取最佳的振动频率。
实例1的最佳工艺参数选择：振幅在A＝0.25-0.7mm，振动频率在ω＝80-140Rad/s，进行1D(即竖直方向)振动，振动时间t＝400s-800s。振动结束后，读取铜粉振动之后的料高为16.87mm，通过振动前后料层高度的变化，计算出振动前铜粉的堆积密度ρ1＝0.6121，振动后铜粉的堆积密度ρ2＝0.6640；经计算施加振动后铜粉的堆积密度比初始堆积密度提高了8.5％。
针对320μm铜粉这三个最佳振动条件，接着实施压实步骤：将装有铜粉的模具置于压制设备上，打开数据采集系统，设置参数在压制速度ν＝3-10mm/s、压制压力P(400MPa、740MPa、1030MPa、1250MPa)的条件下压制并保压400-800s，然后卸载、保存数据，最后在脱模设备上脱模。实例1的最佳压制参数选择：压制速度ν＝3-10mm/s、压制并保压时间400-800s、压制压力P在400MPa、740MPa、1030MPa、1250MPa中选择。
实例1的结论：铜粉的粒度为320μm，未施加振动前测出铜粉初始堆积密度ρ1＝0.6120，施加振动后的铜粉振动堆积密度ρ2＝0.6640，取压制压力P＝1030MPa的条件作为示范，得到未施加振动铜粉、经压制后的堆积密度为0.9735，而施加了机械振动铜粉、经压制后的堆积密度为0.9839。实例1中320μm铜粉的振动、压制效果见图1a/1b、图2a/2b,放大倍数均为120倍。
从图1a/1b、图2a/2b四幅图中可以看出，没有振动和有振动条件下铜粉压坯端面的粒子堆积结构不同，经过振动之后，在1030Mpa压制压力下时铜粉压坯端面的形貌有以下几个特点：第一，其端面的孔隙相对较小；第二，压坯端面上的孔隙分布比较均匀；第三，铜粉颗粒发生塑性变形之后，其形状比较规则，多为规则的多边形。发生这些变化的原因是铜粉经过振动之后，铜粉内部的一些拱桥结构遭到破坏，铜粉颗粒借助于振动能量进行重排，铜粉颗粒呈现了短程的有序结构，这样一方面使得铜粉的初始堆积密度得到很大的提高，更重要的是使得铜粉内部的孔隙变得比较均匀。
实例2：选用160μm的铜粉的振动过程步骤：将铜粉倒入烧杯中，称量烧杯和铜粉的总质量为74.0g，将铜粉缓慢倒入到内径为Φ＝20mm的模具中，将铜粉堆积的表面抚平，记下未加振动的初始堆积密度，读出铜粉的初始料高为17.91mm；把模具置于振动设备上，振幅在0.15mm，0.25mm，0.35mm，0.5mm，0.7mm，1.0mm的范围内选取最佳的振幅，通过比较振幅在A＝0.50mm时为最佳的工艺参数，振动频率在30Rad/s、60Rad/s、80Rad/s、90Rad/s、110Rad/s、120Rad/s、130Rad/s、140Rad/s、150Rad/s范围内。实例2最佳的工艺参数：在振幅为A＝0.25-0.7mm，振动频率在ω＝80-140Rad/s条件下进行1D(即竖直方向)振动，振动时间t＝400-800s，振动结束后，读取铜粉振动之后的料高为16.94mm，通过振动前后料层的变化，计算出振动前铜粉的堆积密度ρ1＝0.6213，振动后铜粉的堆积密度ρ2＝0.6566；压实步骤：将装有铜粉的模具置于压制设备上，打开数据采集系统，设置压实参数在压制速度ν＝3-10mm/s、压制压力P(400MPa、740MPa、1030MPa、1250MPa任选其一)的条件下压制并保压400～800s，然后卸载、保存数据，最后在脱模设备上脱模。
实例2的结论：未施加振动的铜粉初始堆积密度ρ1＝0.6213，施加振动的铜粉初始堆积密度ρ2＝0.6566。施加振动后铜粉堆积密度提高了5.7％。取压制压力P＝1030MP的条件为实例，得到成形产品的堆积密度分别未施加振动铜粉的堆积密度为ρ3＝0.9564，施加机械振动铜粉的堆积密度为ρ4＝0.9580。
实例1～2给出铜粉在四种压制压力选择其一1030Mpa及有振动(b)和无振动(a)条件下，压坯的端口及断口形貌。从图1a\1b～4a\4b中的b图可以看出，经过振动的铜粉成形后的端面处粒子的堆积结构与无振动成形的不同，表现为前者的孔隙相对较小而且分布比较均匀，铜粉颗粒塑性变形后的形状相对规则，铜粉颗粒之间接触很紧密，压坯内部的应力分布比较均匀，铜粉颗粒基本上是规则的六边形，表明在平面上每个粒子都具有六个近邻，这是二维情况下单一尺寸粒子所对应的最密堆积结构。
实例3：选用200μm的铝粉的振动步骤：将铝粉倒入烧杯中，称量烧杯和铝粉的总质量为60.5g，将铝粉缓慢倒入到内径为Φ＝20mm的模具中，将铝粉堆积的表面抚平，记下未加振动的初始堆积密度，读出铝粉的初始料高为33.15mm；把模具置于振动设备上，振幅在0.15mm，0.25mm，0.35mm，0.5mm，0.7mm，1.0mm的范围内选取，振动频率ω在30Rad/s、60Rad/s、80Rad/s、90Rad/s、110Rad/s、120Rad/s、130Rad/s、140Rad/s、150Rad/s范围内选取。针对实例3最佳参数：在振动频率ω＝80-140Rad/s，振幅A＝0.25-0.7mm条件下进行1D(即竖直方向)振动，振动时间t＝400-800s。振动结束后，读取铝粉振动之后的料高为29.74mm，通过振动前后料层的变化，计算出振动前铝粉的堆积密度ρ1＝0.5764，振动后铝粉的堆积密度ρ2＝0.6426；压实步骤：将装有铝粉的模具置于压制设备上，打开数据采集系统，在压制速度ν＝3-10mm/s、压制压力P(3.1MPa、6.2MPa、9.3MPa、12.4MPa)的条件下压制并保压400-800s，然后卸载、保存数据，最后在脱模设备上脱模。
实例3的结论：未施加振动的铝粉初始堆积密度ρ1＝0.5764，施加振动的铝粉初始堆积密度ρ2＝0.6426。施加振动后铝粉的孔隙率减少11.4％。取压制压力P＝6.2MPa的条件作为实例，得到未施加振动铝粉的堆积密度为0.5764，施加机械振动铝粉的堆积密度为0.6426。实例3中200μm铝粉的压制效果见图5a/5b、图6a/6b。
实例4对于粒度为320μm铝粉，未加振动铝粉的初始堆积密度为ρ1＝0.6098，施加振动的铝粉堆积密度ρ2＝0.6566，经计算施加振动后铝粉初始堆积密度提高了7.7％，在压制压力P＝6.2Mpa的条件下，在压制速度ν＝3-10mm/s、压制压力P＝3.1MPa、6.2MPa、9.3MPa、12.4MPa任选其一的条件下压制并保压400-800s，振动铝粉、经压制后的堆积密度为0.9685，施加机械振动、铝粉经压制后的堆积密度为0.9789。图7a\7b为铝粉在6.2MPa压制压力下时压坯端面的形貌，图8a\8b为铝粉在6.2MPa压制压力下时压坯断面的形貌，图7a、8a为没有施加振动，图7b、8b施加了机械振动，其标尺是320μm，放大倍数均为120倍。
从图5a/5b～8a\8b中的下图可以看出，经过振动的铝粉成形后的端面处粒子的堆积结构与无振动成形的不同，表现为前者的孔隙相对较小而且分布比较均匀，铝粉颗粒塑性变形后的形状相对规则，铝粉颗粒之间接触很紧密，压坯内部的应力分布比较均匀，铝粉颗粒基本上是规则的图形，这是二维情况下单一尺寸粒子所对应的最密堆积结构。
从图1a\1b～8a\8b中可以看出，没有振动和有振动条件下铜粉、铝粉压坯断面的粒子堆积结构不同，经过振动之后的铜粉、铝粉的压坯有以下几个特点：第一，其端面的孔隙相对较小；第二，压坯端面上的孔隙分布比较均匀；第三，铜粉、铝粉颗粒发生塑性变形之后，其形状比较规则，多为规则的多边形。发生这些变化的原因是铜粉经过振动之后，铜粉、铝粉内部的一些拱桥结构遭到破坏，铜粉、铝粉颗粒借助于振动能量进行重排，铜粉、铝粉颗粒呈现了短程的有序结构，这样一方面使得铜粉、铝粉的初始堆积密度得到很大的提高，更重要的是使得铜粉、铝粉内部的孔隙变得比较均匀，这样在压制的时候铜粉的变形较为一致，从而减小了铜粉、铝粉压坯的内部的应力分布不均的现象，进而减少压坯缺陷产生。
Claims (1)
1.高性能金属粉末成形方法，包括振动工艺、压实工艺及相应振动、压实设备，其特征在于振动工艺：利用竖直振动设备，将成坯原料的金属粉末加入坯模中，根据设计设置振动参数：在确定成坯产品规格、原料材质、成坯原料的金属粉末堆积高度的条件下，依据原料材质铜粉、铝粉选择工艺参数，设置振动时间t、振动频率ω、振幅A；对模具中金属粉末粉体施加竖直方向的机械振动，借助于振动力使得粉体颗粒获得移动排列的外部能量，使粉体由随机松排RLP向随机密排RCP转变；压实工艺：将振动设备上完成振动后的坯模取下，安置到压实设备中，设置压制参数：确定成坯产品规格、经振动后成坯原料的金属粉末高度的条件后，设置压实参数：压制压力P、压制速度ν、保压时间t；针对原料材质具体设置：铜粉、铝粉的最佳振动参数选择范围都是：振动时间t＝400-800s，振幅A＝0.25-0.7mm，振动频率ω＝80-140Rad/s；
铜粉的压实工艺：将装有金属粉末铜粉的模具置于压制设备上，打开数据采集系统，在压制速度ν＝3-10mm/s、压制压力P＝400MPa、740MPa、1030MPa、1250MPa选择其一的条件下压制并保压400-800s，然后卸载、保存数据，最后在脱模设备上脱模；
铝粉的压实工艺：将装有金属粉末铝粉的模具置于压制设备上，打开数据采集系统，在压制速度ν＝3-10mm/s、压制压力P＝3.1MPa、6.2MPa、9.3MPa、12.4MPa任选其一的条件下压制并保压400-800s，然后卸载、保存数据，最后在脱模设备上脱模。
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