粉末冶金温压技术的发展（上）

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　　自1994年钢铁粉末冶金温压工艺在国际上取得突破以来，国内除宁波东睦，扬州保来得粉末冶金有限公司少数厂家引进温压生产线以为，大多数企业处于观望状态。有限的几个大专院校，科研院所对该技术进行了消化，吸收和试图国产化的研究。国家863计划、95攻关等项目也对此有不同强度的支持。
/ ?% s+ t: E# G1 M3 G- \; r　　可以确定的是，新技术通过一次压制，一次烧结的较低成本工艺使零件密度提高0.15～0.25g/cm3。问题是这个密度的提高究竟给我们提示了什么？温压技术对粉末冶金铁基结构零件的发展前景？经过6年的实践，国际上有什么新进展，我们到底对温压技术有一个怎样的基本认识，温压技术的控制因素--温压技术的“瓶颈”问题什么，产业化的困难及具有操作性的对策，这些都需要认真思考。
+ F/ U9 Q; U( u" F3 I" B7 U  T' l( l6 H　　6年来的总体工作表明，温压技术的实施和实现产业化取决于两个系统工程的成功实施；即开拓市场需求的系统工程和技术系统工程的合理操作。系统中的各个环节相互制约，需要通盘考虑。如果某一个环节出现问题，都不会得到好的高密度温压产品，更不要说温压技术实现产业化了。
1 R, g7 m' I% J: t$ |4 Q　　1开拓市场需求的系统工程与标志性产品
　　温压技术产业化所需要的第一个系统工程是需求的系统工程即：“企业需求--市场需求的推动--市场需求--再到企业需求”。
　　企业对发展的迫切需求是温压技术诞生的原动力。从温压技术发展史看，在粉末冶金铁基结构零件生产技术方面，第一个取得专利的企业是美国Hoeganaes公司。该公司为瑞典在美国的分公司，高质量的还原铁粉是早期的主打产品。温压技术能从该公司诞生，而不是从高水平的压件公司诞生，其关键原因是该公司长期以来不断追求发展，不断研究提高粉末质量的途径，在部分预合金铁粉、无偏析(包复)混合粉开发成功以后，就为温压技术的出现奠定了基础。
　　实际上，单就在100～300℃温度下压制混合粉末的这一个技术操作而言，早在80年代中期，美国通用汽车公司就已开始了系统的研究。施压的对象是铁粉、润滑剂与聚合物的混合物。其作法是将有机润滑剂，聚合物均匀的包复在铁粉颗粒表面，压制或注射成形后不烧结，压坯由相互绝缘的铁粉组成以便用铁合金颗粒铁芯替代交叠层变压器用硅钢片铁芯。后来的研究导致了1991年以后粘结永磁Nd-Fe-B材料的净形零件的产业化。
5 q' M) {: _' ?　　由文献上看，当时美国通用汽车公司提供的数据已包含了少量包复的有机润滑剂可以提高压坯的整体密度的内容。但那时没有谁往铁基结构件上联想，即便考虑到了，也没有大批量合适的生产原料。
( a$ ?( g# y/ A( j　　80年代末至90年代初，美国Hoeganaes公司开发的部分预合金铁粉，无偏析(包复)混合物不仅满足了高质量中密度铁基结构件的需要，而且也为温压技术的研究开发与成功提供了条件。可以说，没有企业对发展(包括技术与产品)实质上的需求，就没有温压技术的诞生。
　　新技术问世后，市场需求的推动是极为重要的。其目的是让温压铁基结构件逐步扩大它的市场占有份额。为此，温压技术必须解决这样几个问题：①温压与室温压制相比压坯密度提高0.15～0.25g/cm3，如果高密度在烧结后能保持下来，则对铁基结构零件性能的影响。②是否有室温一次压制工艺不能制造的，新而多的标志性产品。③温压工艺的适用性和局限性有多大。
　　仅就疲劳性能来说明密度的提高对性能的影响。高性能粉末冶金铁基零件的标志之一是它的疲劳性能要高。比如，全致密合金钢(0.6C1.5Cu0.5Mo1.75Ni余Fe)的疲劳强度为460MPa(2*108次循环)，而密度为6.9g/cm3的材料强度仅为130MPa(2*108次循环)。如果材料的密度提高到7.19g/cm3(0.5C1.5Cu0.55Mo2.0Ni余Fe)疲劳强度则可提高到368MPa。密度提高到7.28g/cm3，需加入合金元素Cu，Mo，Ni，或用0.4C和Fe，疲劳强度可以达到449MPa(1*107次循环)，接近致密钢材的疲劳强度。使性能大幅度的提高这是粉末冶金铁基结构零件的开发者和生产者梦寐以求的。
　　温压技术正在制造出室温一次压制工艺不可能制造出来的，新的越来越多的标志性产品。
& {! t* W, L/ J% p　　例如，德国Sinterstahl GmbH公司用温压技术生产复杂的摩擦传动用同步齿环，在美国新奥尔兰举行的PM2TEC 2001国际会议上获奖。该零件的齿部密度超过7.3g/cm3，环体密度超过7.1g/cm3，生坯强度达到28MPa。采用了扩散合金化的烧结硬压粉末，最低抗拉强度为850MPa。由于使用了温压技术和采用粉末冶金零件，使得综合成本降低了38%。
' ]. @8 B+ l  Y* `! p) W9 m' w1 n　　美国Chicago Powdered Metal公司从1995年已开始用温压技术生产电力机车发动机齿鼓零件。该零件重达1.1kg，密度7.3g/cm3，是Ford Motor Co公司采用的第一个温压零件。Chicago Powdered Metal公司认为，温压技术的产业化将为粉末金属的应用开拓了一个新时代。
　　瑞典Hogannas AB公司温压Ni-Cu-Mo钢粉，为重载车辆(如公共汽车和大卡车)制造变速箱用零件，零件的密度为7.25～7.35g/cm3。详细地研究了密度，组织，热处理特点。跑车试验证明，温压烧结钢的零件不仅能够满足重载车辆的使用要求，而且会使零件的成本降低。
  d# Q& B, c' O5 @  m! \　　在我国，也不断出现温压新产品。195年北京科技大学与武汉钢铁(集团)粉末冶金公司合作通过国家95攻关，于1997年成功的利用全部国产设备，国产原料，自行设计的温压模具一次压制软磁产品，重量为950g，磁轭的生坯密度达到7.37g/cm3、烧结密度7.41g/cm3。磁性能Hc=84.4A/m，Umax=5 850，Bmax=1.50T，代替了原复压复烧工艺。
　　华南理工大学于2001年研制成功两种有代表性的温压新产品，高性能斜齿轮和薄壁气门导筒。
　　斜齿轮参数为：法向模数mn=5.5，齿数z=10，an=25o，螺旋角β=8.1o，齿宽B=32mm。采用了有模壁润滑的温压技术。无模壁润滑的温压技术的零件密度为7.2g/cm3，而有模壁润滑的温压技术的零件密度达到7.28g/cm3。
( U+ L6 C3 I$ q0 V9 g　　壁厚为2mm的薄壁气门导筒的材质是高含量陶瓷颗粒增强的铁基粉末冶金复合材料。采用两次装粉，即导筒的筒身和筒底是两种不同的粉末，依次装粉。温压技术的采用，不仅保证零件有高于98%相对密度，而且减少了层次开裂等压制缺陷。
& e3 Q( K9 ~$ H% `8 S　　2技术系统工程
8 L2 m! u0 Q  z- R/ @5 Z/ {' l　　目前，温压技术已从只涉及压制的温压发展到同时考虑压制、烧结及后处理的温压。压制过程从粉末内润滑，发展到同时使用有效的模壁润滑。最佳温压温度的确定，从试验探索到定量的预测分析。温压的对象也从铁和钢粉发展到不锈钢粉、复合材料粉等。符合中国国情的温压压机改造成功并已定型制造。以下就这几方面的进展作一简要介绍。
　　2.1只涉及压制的ANCORDENSE温压系统
- |0 n  r  f5 V　　美国Hoeganaes公司宣称的低成本，高密度的ANCORDENSE温压工艺一开始就被强调为只涉及压制的一个系统。其基本思路是：用特定的钢铁粉末，用特定的润滑剂，用特定的混合技术，用特定的温压工装和特定的温压温度才能压制出特定的高于7.30g/cm3(压制压力为690MPa)的铁基零件。每一个特定是该系统的一个环节，缺一不可。购买这样一套系统的模具和操作工艺，1996年的价格是4～5万美元。附加条件是必须使用售货方的粉末，并承诺不得将模具结构和工艺扩散给第三方。
　　2.2改进的“设计—温压—烧结—后处理”全过程工艺系统
　　温压只是铁基粉末冶金零件生产过程中的一道工序。它的成功并不一定代表最终零件生产的成功。必须把温压放在零件生产的全过程中加以考虑。经过5年的实践，北京科技大学逐渐形成了一个以“设计—温压—烧结—后处理”逐道工序构成，前后统筹考虑的“温压—烧结”分析和实施系统。
　　2.2.1设计环节
　　从零件的几何尺寸考虑，是否所有的铁基粉末冶金零件都可以用温压工艺来提高其生坯密度？从零件的化学成分考虑，是否通常Fe-Cu-C，Fe-P-C，Fe-Ni-Mo-Cu-C的化学成分构成都适用于温压？
+ ?- _+ r7 f  r+ o6 L　　通过建立温压生坯密度预测方程和引入温压侧压系数，建立了零件的几何尺寸，特别是高径比的不同，对温压效果的影响。唯象理论的分析表明，大的高径比的零件并不适用于温压工艺。在相同的温压制度下，大的高径比零件的生坯密度低于小的高径比(如圆盘零件)0.2g/cm3Z左右，温压失去有效性。
1 H6 i7 @8 G, L# }6 e文章关键词： 粉末冶金 温压