摘要：粉末冶金具有独特的物理、化学和机械性质，且相关性能是通过传统熔铸方式无法获取的，因此被视为研发新材料的重要途径，实现了低成本、大批量、高性能的冶金零部件制造，在性能优越性上接近粉末锻造，但经济性却更加优越。从工艺角度来说，粉末冶金技术具有学科交叉性特征，为冶金工业开辟了新的研发领域。其中，高速压制致密化是粉末冶金技术中的重要外延，可实现高效率、高密度的多重压制效果，极大地满足了中小型设备生产大型非标制品的能力。本文通过概述此技术的基本原理，探讨其应用并指明该技术存在的问题，展望未来发展趋势。
关键词：粉末冶金；致密化机制；高速压制；研究进展
立足现代冶金工业，粉末冶金技术能够实现低成本状态下生产高性能制品的需求，而高密度、高强度、高精度的粉末冶金制品研发，也一直是冶金行业的重要发展方向，因此粉末冶金技术得到了极大的重视；20世纪90年代以来，粉末冶金的致密化机制也得到了发展，包括流动温压、高压温压、动态磁力压制技术、表面致密化技术等，其中高速压制致密化机制与其他致密化途径相比较，同样实现了优势扩展，被誉为粉末冶金领域的技术新突破。
1、粉末高速压制技术的原理及应用
1.1 粉末高速压制技术的原理
粉末冶金范畴下的高速压制致密化机制并不复杂，但工艺实现难度较高。从在压制形式上判断，粉末高速压制与传统静态刚模压制存在较大相似性，压制过程如图1所示。首先，通过送粉靴将粉末填充入模腔中，在2-30m/s的条件下对粉体进行高能锤击，然后脱模后顶出零件并进行随后的烧结和热处理等工序；整个高速压制过程中，冲锤与上模冲接触时的速度比常规压制高2-3个量级，不同的速度对压坯有不同的压制效果。通常在0.02s内就可以完成1次压制，并可在0.3-1s的时间间隔内实现多次冲击压制，最高可达到5次/s的频率，多次反复冲击压制可进行高能量的累积，进而提高所制备零件的综合力学性能。高速压制技术是以低成本制备高密度材料的又一技术新突破，它实现了大批量成形金属、陶瓷粉末生产的可能性。现阶段来说，国内外对高速压制技术的研究主要集中于铁粉、钛粉、不锈钢粉、陶瓷和聚合物等的实验和模拟研究上，国内主要以此为途径研发新型材料。
图1 高速压制过程示意图
1.2 粉末高速压制技术的应用
高速压制技术在粉末冶金中的应用已经相对成熟，实现了圆柱体、棒体、环形和凸轮等单层零件制备，以及轴承盖、牙齿冒等复杂多级产品的生产。其中，瑞典HöganäsAB公司是高速压制技术的倡导者与开发者，对HVC进行的研究较多。Gustafsson等采用DistaloyAE＋0.5%石墨＋0.6%Kenolube（均为质量分数）的混合粉（DistaloyAE为预合金水雾化铁粉）为原料，混合粉理论密度为7.52g/cm3，制备出了生坯密度达7.40g/cm3的ϕ25mm×20mm的圆柱形零件，而同样条件下常规压制的压坯密度仅6.90g/cm3；WANG等以水雾化铁粉＋0.5%硬脂酸锌（质量分数）为原料，冲锤锤头质量135kg，冲击速率10.07m/s，压制出质量达130g的ϕ60mm×ϕ30mm的圆环，密度达7.196g/cm3；YAN等[4]以纯钛粉为原料，在2283J的能量下分别压制了圆环试样和圆柱试样，相对密度分别达到76.2%和96.0%；ZHANG等以Fe-2.0%Ni-1.0%Cu-0.8%Cr-0.5%C（质量分数）为原料，铁粉预先在800℃于氢气中退火，冲击速率为6.2m/s时，压坯密度为7.10g/cm3，而随冲击速率增加至9.4m/s，压坯密度高达7.61g/cm3，相对密度达到97.8%。
2、粉末冶金高速压制的致密化机制分析
形式上看，高速压制和传统压制在操作方面并没有太多差异，但粉末致密化机理却截然不同，尚不能从理论角度针对高速压制的致密化机理进行解释，相关研究结论主要集中在能量转化、应力波传播和温度效应等方面。国内专家提出的“热软化剪切致密化机制”理论认可较为广泛，这一观点认为，高速压制过程中粉末颗粒间的摩擦、绝热剪切、空气被压缩所产生的热量使得颗粒边缘软化，从而使粉末颗粒容易进行重新分布。也有专家提出，粉末预压（第1次压制）时粉末颗粒发生重排及弹性变形，颗粒间由点接触变为面接触。进行第2次压制则粉末间的接触力超过了其屈服强度，粉末颗粒发生塑性变形，导致压坯致密度提高。在反复告诉冲压且冲击总能量相同的情况下，2次压制的压坯密度要高于1次压制和3次压制的压坯密度，该理论实验结果如图2所示。
图2 冲击能量与压坯密度关系图
图3 压制速率与生胚密度关系曲线
此外，我国专家在理论研究方面取得了较为丰硕的成果，如郑洲顺等构建了粉末高应变率和加工硬化的本构关系，建立了压坯内应力波传播的数学模型，认为应力波的传播使粉末应力突跃到峰值，且应力峰值从压坯上层到下层呈指数下降，从而使得铁粉压坯垂直方向的致密度从上层到底层逐步递减，与实验结果吻合。易明军等研究了力与应力波对高速压制压坯质量的影响，认为应力波的存在是高速压制与常规模压的主要区别之一，应力波为锯齿波形，其持续时间受冲击速率的影响，冲击速率越大，应力波波长越短。基于实证分析，笔者通过对相关实验数据的整理分析发现，在高速压制过程中，铁粉的生坯密度随压制速率的增加呈现3个不同的阶段。（1）当压制速率小于8.0m/s时，铁粉压坯密度随压制速率的增加而迅速增加，此时金属粉末重排且发生弹性形变，生坯密度6.77g/cm3增加到7.02g/cm3；（2）压制速率从8.0m/s提高到9.5m/s时，在应力波的作用下，金属粉末发生塑性变形，密度进一步增大，但增加速率变缓，仅从7.02g/cm3增加到7.09g/cm3；（3）压制速率继续提高至10.0m/s时，生坯密度达到7.18g/cm3，相关实验结果如下图3所示；另外，压坯密度呈现“上部高下部低”和“边缘高中心低”的分布趋势，这主要是由于在应力波的作用下，压坯的上部较下部具有更大的变形所致，压坯边缘的高密度则是由于粉末颗粒和模具间的摩擦所致。
结束语
整体而言，随着现代科学技术的不断发展，粉末冶金高速压制的优势也越发突出，利用这一技术不仅可以低成本大批量制备高性能的粉末冶金零部件，同时零件的密度、性能等接近粉末锻造水平，而成本却远低于粉末锻造。结合国内来看，目前仍需将理论模拟与具体实验相结合，跳出单纯地理论研究拘囿、提升这一技术的产业化发展，尤其是重点研究粉末颗粒的微观行为，如粉末塑性变形、粉末碎裂等，以及粉末颗粒界面的显微组织形成与演变，粉末颗粒边界的扩散、焊合过程，孔隙形状的演变等现象，以期进一步掌握粉末高速压制的致密化机理。
参考文献：
[1]张惠斌,沈玮俊,庄启明,张乾坤,陈豫章,贺跃辉.新型高性能粉末冶金高速钢及其近净成形制备技术[J].精密成形工程,2017,9(02):14-19.
[2]杨霞.粉末冶金高速压制致密化机制的研究进展[J].粉末冶金工业,2016,26(05):57-61.
论文作者:周媛
论文发表刊物:《基层建设》2018年第12期
论文发表时间:2018/6/13
标签：粉末论文; 致密论文; 粉末冶金论文; 密度论文; 速率论文; 技术论文; 应力论文; 《基层建设》2018年第12期论文;