CN111421137A - 一种粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法，其具体包括如下步骤：粉末压制。将压制后的素坯在真空或者气氛保护的烧结炉中进行无压烧结，控制坯体孔隙率；将烧结后的非致密坯体放置于电热锻造模具中，其中模具凹模材料为氧化物陶瓷，合模并施加第一预设压力，在第一预设压力下保证上冲头和下冲头与坯体上面以及坯体的下面都均匀接触。向模具内通入惰性气体进行防氧化保护。通过上冲头以及下冲头向坯体内通入脉冲电流，进行加热升温；达到预设的锻造温度后增加对坯体的压力，使坯体发生塑性变形填充满型腔。填充满型腔后进一步增大压力，同时进行保温和保压。保压结束后，降低坯体电流；开模取件。

Description

一种粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法
技术领域
本发明涉及汽车零部件坯体电热锻造烧结技术领域，更为具体地是涉及一种粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法。
背景技术
传统烧结锻造是制造汽车零部件的一种常用方法，其能够起到近净成形的效果，材料利用率高。然而，传统的烧结锻造工艺中存在以下两个问题，一是成形构件锻造目的是整形，而不是发生大的塑性变形，所以零件性能为粉体烧结所能达到的指标，低于锻件性能；二是对于复杂形状构件坯体干压和锻造均需要复杂型腔，成形难度较大。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法，本发明的方法步骤为：选取待成形粉末放于金属模具内进行室温下压制。将压制后的素坯在真空或者气氛保护的烧结炉中进行无压烧结，控制坯体孔隙率在50-80%。将烧结后的非致密坯体放置于电热锻造模具中，其中模具凹模材料为氧化物陶瓷，合模并施加第一预设压力，在第一预设压力下保证上冲头和下冲头与坯体上面以及坯体的下面都均匀接触。向模具内通入惰性气体进行防氧化保护。通过上冲头以及下冲头向坯体内通入脉冲电流，进行加热升温，升温的一个目的是锻造，另一目的是烧结致密化。达到预设的锻造温度后增加对坯体的压力，使坯体发生塑性变形填充满型腔。填充满型腔后进一步增大压力，同时进行保温和保压。保压结束后，将坯体电流降至0。开模取件。本发明为电热锻造与烧结一体化绿色快速制造新方法开发了电热锻造与烧结一体化新工艺，可实现汽车零部件复杂构件的快速近净成形，可有效解决传统粉末烧结与锻造整形结合技术中构件无大塑性变形的问题，同时降低了素坯压制的难度，提高了成形效率，从而提高成形后零部件的综合力学性能。
本发明的技术方案如下：
一种粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法，电热锻造与烧结一体化的步骤为：
步骤一、装模：
选取待成形的金属粉末，将其放于金属模具凹模内；
步骤二、合模压制：
利用液压机通过凸模对凹模内的金属粉末进行压制，压制压力低于传统粉末烧结锻造中压制压力以控制坯体密度；
步骤三、素坯预烧结：
将压制后的素坯在真空或者气氛保护的烧结炉中进行无压烧结；无压烧结后的保温时间低于传统粉末烧结锻造中烧结过程保温时间以控制坯体密度低于传统素坯密度，获得较多孔隙率；
步骤四、锻造装模：
将烧结后的非致密坯体放置于电热锻造模具中，其中模具凹模材料为氧化物陶瓷，合模并施加第一预设压力保证电热锻造模具的上下冲头与非致密坯体上下面均匀接触；
步骤五、向模具内通入惰性气体进行防氧化保护；
步骤六、通过上下冲头向坯体内通入脉冲电流，进行加热升温在锻造的同时进行烧结致密化；
步骤七、达到锻造温度后增加对坯体的压力至第二预设压力，使坯体发生塑性变形填充满型腔；
步骤八、填充满型腔后进一步增大压力至第三预设压力，同时进行保温和保压；
步骤九、保压结束后，将坯体电流降至0；
步骤十、开模取件。
优选地，步骤一中所述的金属粉末可以是316不锈钢、304不锈钢、铁基粉末、钛合金粉末、镍铝粉末。
优选地，步骤二中的压制压力的载荷为50MPa-150MPa。
优选地，步骤三中所述的素坯预烧结：通入的惰性气体可以使氩气、氮气，保温时间30分钟-60分钟，获得较多孔隙率为50%-65%。
优选地，步骤四中所述的模具凹模材料为氧化锆、氧化铝、氧化锆与氧化铝复合陶瓷，第一预设压力为5-10MPa。
优选地，步骤六中所述的通过上下冲头向坯体内通入脉冲电流密度在5-20A/cm2，升温速率在100-200℃/S。
优选地，步骤六中所述的脉冲电流作用下升温至金属粉末熔点的50-70%。
优选地，步骤七中所述的达到锻造温度后增加对坯体的压力为材料在该温度下屈服强度的1.2-2.0倍。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法，其为一种汽车用零部件近净成形的新方法，能够应用于形状复杂的零部件的处理，例如，发动机、齿轮箱、涡轮增压器、锁止机构、转向系统与电子系统中使用的形状复杂的零件。本技术直接压制圆饼或者圆环状简单坯体，烧结后获得具有较低密度的坯体，然后对坯体进行锻造，这样锻造初期材料强度低有利于填充复杂型腔，同时坯体可以发生的塑性变形，产生锻造组织，提高产品强度。脉冲电流既可以起到加热坯体的作用，又可以促进锻造过程的致密化，是一种典型的绿色快速制造技术。
附图说明
本发明上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明的粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法的方法流程示意图；
图2是根据本发明的粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法的烧结后钛铝合金素坯材料微观形貌；
图3是根据本发明的粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法的锻造后材料微观形貌；
图4是根据本发明的粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法中烧结锻造后镍铝材料微观形貌；
图5是根据本发明的粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法的装置结构简图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提出了一种电热锻造与烧结一体化绿色快速制造，可实现汽车零部件复杂构件的快速近净成形，无需真空热压设备，同时可有效解决传统粉末烧结与锻造整形结合技术中构件无大塑性变形的问题，同时降低了素坯压制的难度，提高了成形效率，从而提高成形后零部件的综合力学性能。
如图1所示本发明的粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化新方法步骤为：
步骤一、装模：
选取待成形的金属粉末，选取待成形粉末放于金属模具内进行压制，
优选地，将所选取的金属粉末放于金属模具的凹模内；
优选地，所述金属粉末为316不锈钢、304不锈钢、铁基粉末、钛合金粉末或镍铝粉末。
步骤二、合模压制：
利用液压机通过凸模对凹模内的金属粉末进行压制，获得素胚，
优选地，将所选取的金属粉末放于金属模具的凹模内在室温下进行压制；
优选地，压制压力低于传统粉末烧结锻造中压制压力，以便控制素坯的坯体密度；
优选地，压制压力的载荷控制在50MPa-150MPa。
步骤三、素坯预烧结：
将压制后的素坯在真空或者气氛保护的烧结炉中进行无压烧结，
优选地，所述气氛保护的气体为惰性气体，例如，氩气、氮气。也就是说可以在气氛保护下进行烧结，所述气氛保护的气体是在选择气氛保护烧结的前提下，如果选择空气中烧结，则无需这两种气体；
优选地，压制后的保温时间低于传统粉末烧结锻造中烧结过程保温时间，以便控制坯体密度低于传统素坯密度，获得较多孔隙率；
优选地，素坯预烧结后保温时间为30分钟-60分钟，以便获得较多孔隙率50%-65%。
步骤四、锻造装模：
将烧结后的非致密坯体放置于电热锻造模具中，合模并施加第一预设压力，所述第一预设压力保证锻造模具的上冲头与非致密坯体的上表面均匀接触，锻造模具的下冲头与非致密坯体的下表面均匀接触，即锻造模具的上下冲头与步骤三中预烧结后的非致密坯体的上下面均匀接触，
优选地，模具凹模材料为氧化物陶瓷，更进一步地，所述模具凹模材料为氧化锆、氧化铝、氧化锆与氧化铝复合陶；
优选地，所述第一预设压力在5MPa-10MPa。
步骤五、向模具内通入惰性气体进行防氧化保护，
优选地，所述惰性气体可以是氩气和/或氮气。
步骤六、通过电热锻造模具的上冲头和下冲头向非致密坯体内通入脉冲电流进行加热升温；在锻造的同时，进行烧结致密化，
优选地，在脉冲电流作用下升温至金属粉末熔点的50%-70%；
优选地，脉冲电流密度为5A/cm2-20A/cm2，电压为1V-12V，升温速率在100℃/S-200℃/S。
步骤七、达到预设的锻造温度后增加对坯体的压力至第二预设压力，使坯体发生塑性变形填充满型腔，
优选地，第二预设压力为所选用的材料在该温度下屈服强度的1.2倍-2.0倍。
步骤八、填充满型腔后进一步增大压力至第三预设压力至材料烧结温度下屈服强度的1.5倍-3.0倍，烧结温度在1000℃-1500℃，保压时间30秒-120秒，保证最终材料致密度达到99.5%以上，同时进行保温和保压。
步骤九、保压结束后，将坯体电流降至0。
步骤十、开模取件。
本发明提出了一种电热锻造与烧结一体化绿色快速制造，可实现汽车零部件复杂构件的快速近净成形，无需真空热压设备，同时可有效解决传统粉末烧结与锻造整形结合技术中构件无大塑性变形的问题，同时降低了素坯压制的难度，提高了成形效率，从而提高成形后零部件的综合力学性能。
如图5所示，电热锻造坯体3置于上压头1和下压头2之间，上压头1和下压头2的外侧设置陶瓷外套4，其中P2为模具座支撑力，P3为下压头压力。以下为根据本发明的具体实施例。
实例一：
本实施方式的一种粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化新方法的步骤为：
步骤一、装模：金属粉末为316不锈钢；
步骤二、合模压制：利用液压机通过凸模对凹模内的金属粉末进行压制，低于传统粉末烧结锻造中压制压力，载荷控制在50-100Mpa；
步骤三、素坯预烧结：将压制后的素坯放在烧结炉中，通入氩气、氮气等惰性气体，保温时间30-40分钟，获得较多孔隙率30-50%；
步骤四、锻造装模：将烧结后的非致密坯体放置于电热锻造模具中，模具凹模材料为氧化铝陶瓷，合模并施加一定的压力在5-8Mpa；
步骤五、向模具内通入惰性气体进行防氧化保护，氩气、氮气等惰性气体；
步骤六、通过上下冲头向坯体内通入脉冲电流，脉冲电流密度在5-10A/cm2，电压1-6V，升温速率在100-150℃/S，脉冲电流作用下升温至金属粉末熔点的50-60%；
步骤七、达到锻造温度后增加对坯体的压力，使坯体发生塑性变形填充满型腔，压力为材料在该温度下屈服强度的1.2-1.5倍；
步骤八、填充满型腔后进一步增大压力，具体地，填充满型腔后进一步增大压力至第三预设压力至材料烧结温度下屈服强度的1.5-3.0倍，烧结温度在1000-1500℃，保压时间30-120秒，保证最终材料致密度达到99.5%以上，同时进行保温和保压；
步骤九、保压结束后，将坯体电流降至0；
步骤十、开模取件。
实例二：
本实施方式的一种粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化新方法的步骤为：
步骤一、装模：金属粉末为TiAl合金粉末；
步骤二、合模压制：利用液压机通过凸模对凹模内的金属粉末进行压制，低于传统粉末烧结锻造中压制压力，载荷控制在60-120Mpa；
步骤三、素坯预烧结：将压制后的素坯放在烧结炉中，通入氩气、氮气等惰性气体，保温时间40-60分钟，获得较多孔隙率30-50%；
步骤四、锻造装模：将烧结后的非致密坯体放置于电热锻造模具中，模具凹模材料为氧化锆与氧化铝复合陶瓷，合模并施加一定的压力在6-10Mpa；
步骤五、向模具内通入惰性气体进行防氧化保护，氩气、氮气等惰性气体；
步骤六、通过上下冲头向坯体内通入脉冲电流，脉冲电流密度在6-15A/cm2，电压5-10V，升温速率在120-180℃/S，脉冲电流作用下升温至金属粉末熔点的55-65%；
步骤七、达到锻造温度后增加对坯体的压力，使坯体发生塑性变形填充满型腔，压力为材料在该温度下屈服强度的1.2-1.8倍；
步骤八、填充满型腔后进一步增大压力，具体地，填充满型腔后进一步增大压力至第三预设压力至材料烧结温度下屈服强度的1.5-3.0倍，烧结温度在1000-1500℃，保压时间30-120秒，保证最终材料致密度达到99.5%以上，同时进行保温和保压；
步骤九、保压结束后，将坯体电流降至0；
步骤十、开模取件。
烧结后钛铝合金素坯的微观形貌如图2所示，锻造后材料的微观形貌如图3所示，从图3可以看出电热锻造后材料气孔率明显减少。
实例三：
本实施方式的一种粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化新方法的步骤为：
步骤一、装模：金属粉末为Fe-2%Ni粉末；
步骤二、合模压制：利用液压机通过凸模对凹模内的金属粉末进行压制，低于传统粉末烧结锻造中压制压力，载荷控制在50-80Mpa；
步骤三、素坯预烧结：将压制后的素坯放在烧结炉中，通入氩气、氮气等惰性气体，保温时间30分钟至45分钟，获得较多孔隙率50%至65%；
步骤四、锻造装模：将烧结后的非致密坯体放置于电热锻造模具中，模具凹模材料为氧化锆陶瓷，合模并施加一定的压力在6MPa至12Mpa；
步骤五、向模具内通入惰性气体进行防氧化保护，氩气、氮气等惰性气体；
步骤六、通过上下冲头向坯体内通入脉冲电流，脉冲电流密度在6A/cm2-8A/cm2，电压5V-12V，升温速率在120℃/S-200℃/S，脉冲电流作用下升温至金属粉末熔点的50%-60%；
步骤七、达到锻造温度后增加对坯体的压力，使坯体发生塑性变形填充满型腔，压力为材料在该温度下屈服强度的1.2倍-1.6倍；
步骤八、填充满型腔后进一步增大压力，具体地，填充满型腔后进一步增大压力至第三预设压力至材料烧结温度下屈服强度的1.5倍-3.0倍，烧结温度在1000℃-1500℃，保压时间30秒-120秒，保证最终材料致密度达到99.5%以上，同时进行保温和保压；
步骤九、保压结束后，将坯体电流降至0；
步骤十、开模取件。
实例四：
本实施方式的一种粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化新方法的步骤为：
步骤一、装模：金属粉末为镍铝合金粉末；
步骤二、合模压制：利用液压机通过凸模对凹模内的金属粉末进行压制，低于传统粉末烧结锻造中压制压力，载荷控制在50-80Mpa；
步骤三、素坯预烧结：将压制后的素坯放在烧结炉中，通入氩气、氮气等惰性气体，保温时间30-45分钟，获得较多孔隙率40-50%；
步骤四、锻造装模：将烧结后的非致密坯体放置于电热锻造模具中，模具凹模材料为氧化锆陶瓷，合模并施加一定的压力在6-15Mpa；
步骤五、向模具内通入惰性气体进行防氧化保护，氩气、氮气等惰性气体；
步骤六、通过上下冲头向坯体内通入脉冲电流，脉冲电流密度在7-10A/cm2，电压6-11V，升温速率在120-200℃/S，脉冲电流作用下升温至金属粉末熔点的60-65%；
步骤七、达到锻造温度后增加对坯体的压力，使坯体发生塑性变形填充满型腔，压力为材料在该温度下屈服强度的1.2-1.6倍；
步骤八、填充满型腔后进一步增大压力，同时进行保温和保压；
步骤九、保压结束后，将坯体电流降至0；
步骤十、开模取件。
图4为烧结锻造后镍铝材料的微观形貌，从图中可以看出电热锻造后，材料几乎没有微观气孔。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连通，也可以通过中间媒介间接连通，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“至少三个”的含义是两个或两个以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法，其特征在于，电热锻造与烧结一体化的步骤为：
步骤一、装模：
选取待成形的金属粉末，将其放于金属模具凹模内；
步骤二、合模压制：
利用液压机通过凸模对凹模内的金属粉末进行压制，压制压力低于传统粉末烧结锻造中压制压力以控制坯体密度；
步骤三、素坯预烧结：
将压制后的素坯在真空或者气氛保护的烧结炉中进行无压烧结；无压烧结后的保温时间低于传统粉末烧结锻造中烧结过程保温时间以控制坯体密度低于传统素坯密度，获得较多孔隙率；
步骤四、锻造装模：
将烧结后的非致密坯体放置于电热锻造模具中，其中模具凹模材料为氧化物陶瓷，合模并施加第一预设压力保证电热锻造模具的上下冲头与非致密坯体上下面均匀接触；
步骤五、向模具内通入惰性气体进行防氧化保护；
步骤六、通过上下冲头向坯体内通入脉冲电流，进行加热升温在锻造的同时进行烧结致密化；
步骤七、达到锻造温度后增加对坯体的压力至第二预设压力，使坯体发生塑性变形填充满型腔；
步骤八、填充满型腔后进一步增大压力至第三预设压力，同时进行保温和保压；
步骤九、保压结束后，将坯体电流降至0；
步骤十、开模取件。
2.如权利要求1所述的粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法，其特征在于，步骤一中所述的金属粉末可以是316不锈钢、304不锈钢、铁基粉末、钛合金粉末、镍铝粉末。
3.如权利要求1所述的粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法，其特征在于，步骤二中的压制压力的载荷为50MPa-150MPa。
4.如权利要求1所述的粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法，其特征在于，步骤三中所述的素坯预烧结：通入的惰性气体可以使氩气、氮气，保温时间30分钟-60分钟，获得较多孔隙率为50%-65%。
5.如权利要求1所述的粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法，其特征在于，步骤四中所述的模具凹模材料为氧化锆、氧化铝、氧化锆与氧化铝复合陶瓷，第一预设压力为5-10MPa。
6.如权利要求1所述的粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法，其特征在于，步骤六中所述的通过上下冲头向坯体内通入脉冲电流密度在5-20A/cm2，升温速率在100-200℃/S。
7.如权利要求1所述的粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法，其特征在于，步骤六中所述的脉冲电流作用下升温至金属粉末熔点的50-70%。
8.如权利要求1所述的粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法，其特征在于，步骤七中所述的达到锻造温度后增加对坯体的压力为材料在该温度下屈服强度的1.2-2.0倍。
9.如权利要求1所述的粉末烧结零件坯体电热锻造烧结一体化方法，其特征在于，填充满型腔后进一步增大压力至第三预设压力至材料烧结温度下屈服强度的1.5-3.0倍，烧结温度在1000-1500℃，保压时间30-120秒，保证最终材料致密度达到99.5%以上，同时进行保温和保压。
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