粉末冶金模具设计范文

1实验部分

1．1合金成分

本文所研究的合金为粉末冶金高钒冷作模具钢，该钢具有极好的耐磨性能和强韧性。高的耐磨性能的获得是基于大量富钒MC型碳化物的形成，通过雾化制粉、热等静压的粉末冶金工艺流程避免了合金元素偏析，从而提高钢的强韧性。合金的化学成分如表1所示。合金加工成15mm×100mm的试样进行电解。

1．2夹杂物电解提取方法［7－8］

（1）电解制度

试验中所采用的电解液为：10g／L氯化钾＋50g／L柠檬酸＋5％硫酸（φ＝5％），水为溶剂；电流密度：0．025～0．05A／cm2；室温电解。

（2）阳极残渣的清洗

10g／L的柠檬酸钠溶液洗涤残渣5～6次。

（3）破坏碳化物

首先超声波粉碎残渣，随后加入150mL水和10mL硫酸，溶液于85～95℃保温20～60min，再加入饱和高锰酸钾溶液至紫红色，10min不褪色，再过量10～15mL，继续保温1～2h（中途补加饱和高锰酸钾溶液），最后加入饱和草酸溶液至透明。透明的溶液用水稀释至1000mL，放置过夜，第二天用虹吸的方法除去清液后再将残渣进行碳化物的破坏。因碳化物较多，本实验破坏碳化物环节进行了10次。

（4）提取夹杂物

碳化物破坏完全，剩余的白色粉末为合金中的稳定氧化物夹杂。用0．1μm的有机滤膜进行抽滤，得到夹杂物粉末。

1．3稳定氧化物夹杂的分析方法

电解试验分两次进行，第一次提取出来的稳定氧化物夹杂用X射线衍射进行结构分析，用扫描电镜结合能谱对夹杂物的形貌和成分进行分析。第二次电解时对电解量、电解产物进行称量，并用ICP－AES测定电解得到的稳定氧化物夹杂中各元素的含量。电解得到的稳定氧化物夹杂在进行ICP－AES分析时采用了碱熔融的方法溶解夹杂物，具体过程如下［9－10］：（1）将电解、破坏完碳化物后得到的稳定氧化物夹杂冲至带有无灰滤纸的漏斗中过滤，在漏斗中放入少量滤纸浆（采用无灰滤纸）。过滤后分别用20g／L草酸溶液、体积分数为1％的盐酸溶液清洗滤纸中的稳定氧化物夹杂，最后用水冲洗至中性；（2）用滤纸包好其中的稳定氧化物夹杂，放置于铂金坩埚中，铂金坩埚外套一个瓷坩埚放置于电炉上灰化；（3）灰化后将带瓷坩埚的铂金坩埚放于800～850℃的马弗炉中烧至无黑色（去除C）；（4）将坩埚放在干燥皿中冷却，然后加入1．5g碳酸钠与硼酸的混合物（质量比为2∶1）置于850～900℃马弗炉中至稳定氧化物夹杂完全溶解；（5）将冷却后的铂金坩埚放入玻璃烧杯，用稀盐酸将铂金坩埚中的样品溶解到烧杯中，将烧杯中的溶液移至容量瓶定容，配取标液进行成分分析。

1．4检测分析

本文对稳定氧化物夹杂的研究采用AXS－D8Discover衍射仪（布鲁克光谱仪器公司）进行夹杂物的结构分析；采用JSM－6380LV型扫描电镜（日本电子公司）进行夹杂物的形貌分析；用EDAX－2000型能谱仪（EDAX公司）进行夹杂物的种类和成分鉴定；采用IRISIntrepidⅡ型电感耦合等离子发射光谱仪（Thermo－Fisher公司）进行稳定氧化物夹杂的定量分析；最后采用TC600C型氧氮分析仪（Leco公司）对合金进行氧含量分析，进而与提取的稳定氧化物夹杂中的氧进行比较分析，并验证定量分析的准确性。

2结果与讨论

2．1稳定氧化物夹杂的定性分析

为了研究合金中稳定氧化物夹杂的存在状态，电解出来的稳定氧化物夹杂用X射线衍射进行种类和结构分析，分析结果如图1所示。从图1中可以看出：合金中的主要稳定氧化物夹杂为Al2O3，而且Al2O3夹杂有两种存在状态；其次合金中的稳定氧化物夹杂为硅酸盐类夹杂，衍射结果为Na2Si2O5结构；还有少量的镁尖晶石（MgAl2O4）和SiO2夹杂。稳定氧化物夹杂的结构及晶格常数如表2所示。对电解得到的稳定氧化物夹杂用扫描电镜及能谱进行分析，图2为稳定氧化物夹杂的形貌，可以看到稳定氧化物夹杂呈不规则块状，其尺寸大多在几微米到几十微米，对其进行能谱分析后发现氧化物中主要存在的元素为Na、Mg、Al、Si、Ca（如图3所示）。对图2中所观察到的区域进行面扫描，分析Na、Mg、Al、Si、Ca这几种元素的存在位置，得到的结果如图3所示，通过对图3的分析可以发现，Al元素除了单独存在形成Al2O3夹杂外，还有一小部分和Mg共存形成镁尖晶石MgAl2O4（如图3中的方形区域所示）；而对于Si元素，一部分单独与O结合形成SiO2（如图3中箭头所指部位），其它的Si元素与Na、Ca、Al、O等元素共存形成硅酸盐（如图3中的圆形区域所示）。此结果与衍射分析结果吻合。为了更清楚的了解各稳定氧化物夹杂的形状及大小，实验用扫描电镜对不同类型的稳定氧化物夹杂进行了分析，结果如图4所示。通过分析发现Al2O3夹杂在稳定氧化物夹杂中占据大多数，其形状多为带有棱角的颗粒状，尺寸分布范围较宽，从几微米到几百微米；其次是硅酸盐类夹杂，其形状有两种（不规则的块状和长条形），在电镜下观察到的尺寸多为几十微米，对于条形硅酸盐夹杂，其长度方向可达几百微米。镁尖晶石（MgAl2O4）和SiO2夹杂观察到的数量最少，镁尖晶石形状不规则，表面有较多的突起和凹坑，而氧化硅呈颗粒状。

2．2稳定氧化物夹杂的定量分析

除了合金中稳定氧化物夹杂的存在状态，生产过程中对稳定氧化物夹杂的含量也比较关心，因此有必要对粉末冶金高钒冷作模具钢中的稳定氧化物夹杂进行定量分析。本文采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP－AES）对电解得到的稳定氧化物夹杂中各氧化物形成元素进行定量分析，从而得到合金中各类稳定氧化物夹杂的含量。ICP－AES分析时重新电解试样，电解的试样量为47．5856g，电解得到的稳定氧化物夹杂为0．0136g，用碱熔融的方法溶解夹杂物并定容到50mL容量瓶后，利用ICP－AES主要分析了Al、Si、Mg、Ca、Ni、Fe、Cr、Mn这几种常见的氧化物形成元素。表3为稳定氧化物夹杂中各氧化物形成元素的质量分数（w1），可以看出稳定氧化物夹杂中Al元素含量最高，其次是Si元素，其它元素含量较少。结合前面对稳定氧化物夹杂的定性分析，由于Mg元素全部形成镁尖晶石（MgAl2O4），经计算得到镁尖晶石占总的稳定氧化物夹杂的质量分数为2．03％。Si元素一部分结合Na、Ca、Al、O等元素形成硅酸盐，另一部分单独与氧结合形成SiO2，很难对各硅酸盐进行定量计算；Al元素除了形成MgAl2O4外，还存在于硅酸盐和氧化铝中，因硅酸盐无法定量且其质量分数相对于Al2O3来说较小，本文假设剩余的Al主要以Al2O3的形式存在，经计算得出Al2O3占总的稳定氧化物夹杂的质量分数为91．51％。为了能够用ICP－AES法计算得到总的稳定氧化物夹杂占合金的质量分数，并且验证称量法得到的数据，假设所有的氧化物形成元素都与氧结合成单独的氧化物来进行计算，计算得到各稳定氧化物夹杂占总的氧化物夹杂的质量分数（w2）和各稳定氧化物夹杂占合金的质量分数（w3），结果如表4所示。表4中各稳定氧化物夹杂占合金的质量分数的加和即为合金中稳定氧化物夹杂的含量（0．0265％），此结果与采用称量法得到的稳定氧化物夹杂占合金的质量分数（0．0286％）基本吻合。ICP－AES法计算得到稳定氧化物夹杂总量偏少的原因可能是由于在计算时假设所有的氧化物形成元素都与氧结合成单独的氧化物，而未考虑与Na、K等元素结合形成硅酸盐的情况所致。本文用惰性气体－脉冲加热法测量了粉末冶金高钒冷作模具钢中的氧含量，测量得到的氧含量为0．0133％，通过氧化物定量分析结果进行计算得到合金中的氧含量为0．0125％，说明合金中的氧主要以稳定氧化物的形式存在。同时也说明采用本文的方法提取粉末冶金高钒冷作模具钢中的稳定氧化物损失较少。

3结论

1）用电解方法提取了粉末冶金高钒冷作模具钢中的稳定氧化物夹杂，并对其进行了定性和定量分析。其中X射线衍射结果与能谱分析结果具有较好的对应性；惰性气体－脉冲加热法测量的粉末冶金高钒冷作模具钢中的氧含量与ICP－AES的夹杂物定量分析所计算得到的合金中的氧含量具有较好的一致性。

粉末冶金模具设计范文

温压是，在120～150℃温度范围内，将由适量的粘结剂与剂系统和铁粉或低合金钢粉组成的预混合粉压制成形的一种压制工艺。温压最初是将预混合粉与压制的模具都加热到上述的温度范围;在这些温度下，由于铁的压缩屈服强度减低，伴随着软化，在接近PFD的密度情况下，在阴模内产生似等静压，从而使生坯达到了较高密度。值得注意的是，一般添加的剂数量为0．6%;因此，可得到较高的PDF。温粉压制结果表明，整个零件的密度较均匀，而且，和粉末冶金压制相关的中和区最小化。这种中和区减小是一种优势;因为密度的均匀性增大，意味着零件内部的性能较均一，对低密度区和其对最终零件使用性能的影响较少。

1)温压对生坯与烧结件的密度和力学性能的影响:温压可使粉末冶金零件的生坯与烧结件的密度分别增高0.10g/cm3、0.25g/cm3。图3示添加0.6%石墨的FD-0405扩散合金化粉预混合粉的生坯与烧结件的密度的改进结果。温压在较低压力下，可将生坯密度增高较大;其达到了在常规压制时，于较高压力下达到的密度。在较高的压制压力下，阴模型腔中的预混合粉已接近PFD;因此，进一步增高压力时，生坯密度将不会再增高，实际上可能产生过压，并使粉末冶金零件形成微小分层。图4（略）汇总了用常规与温压压制工艺，在410～690MPa的压制压力范围内，压制的扩散－粘结材料的横向断裂强度(TRS)的结果。表3中汇总了由各种预混合粉组成，温压的烧结件的力学性能。温压适用于所有的铁与低合金钢粉的混合粉。烧结件密度增高的多少取决于材料系统和随后的零件加工处理。添加铜的预混合粉在烧结时发生胀大，这对温压工艺无益;因此，认为对于含铜的预混合粉，不适于采用温压压制。在Donaldson等进行的试验研究中［10］，将温压的粉末冶金零件，于871℃下进行了预烧结，随后在高达690MPa的压力下，于室温下进行了二次压制(整形)。二次压制后，在1120℃或1260℃下进行了烧结，制得的烧结件的密度达到了7.5～7.6g/cm3。当与密度为7.4g/cm3的烧结件相比较时，这些密度较高的烧结件，横向断裂强度增高了约15%;更重要的是，冲击能量增高了50%～80%。这些研究证明，对于温压零件，采用二次压制/二次烧结(DP/DS)工艺生产，可显著增高粉末冶金材料的力学性能。这类零件的综合力学性能等同于韧性铸铁和切削加工的碳钢锻件的性能。

2)增高生坯强度：温压工艺的较次要优势是，可增高零件压坯的生坯强度。生坯强度的增高，是由于粉末颗粒变形较大和在温压中使用的独特粘结剂与剂发生的最佳协同作用。生坯强度值的增高，是在密度显著低于PFD值水平下实现的(见图5)。这些数据表明，由于温压可增高生坯密度，其在应用于密度较低的零件时，可减小零件的损坏或零件易碎特征部分的碎裂。由于温压可增高生坯强度，从而使着可对生坯进行切削加工。在汽车变速器的粉末冶金换档拨叉的大量应用中，一直在采用生坯切削加工生产［13］。零件压制成形后，于生坯状态下进行铣削加工，这可减小零件的整个生产成本。用钼预合金化钢粉+2%Ni+0．5%石墨+0．6%剂的预混合粉温压后的生坯，通过钻削试验，进行了切削性研究。这项研究证明:在高速与高进给比的切削条件下，可得到令人满意的生坯表面粗糙度;另外，将标准钻头的几何形状从标准的90°横刃钻头改变为135°分裂点钻头，可改进切削表面的粗糙度。在确定生坯切削加工参数之前，建议先进行试验，检验钻头的几何形状、切削速度及切削进给比的效果。粉末冶金零件的生坯切削加工和烧结硬化相结合，可为零件设计者在零件设计与材料选择上提供较大的灵活性。

温模压制

关于用一次压制/一次烧结(SP/SS)得到较高生坯密度的第二个较新的方法是，仅只对模具加热，而不对粉末进行任何预热，将阴模加热到60～70℃温度范围之内。和温压工艺一样，为将密度比常规的预混合粉压制增高0.05～0.15g/cm3，这种工艺也综合有粘结剂与剂技术。和温压工艺一样，除了增高生坯与烧结件密度之外，此生产工艺还可以减少扬尘，改进流动性及增大阴模的充填量。这些因素都可以增高粉末冶金零件的一致性和质量。图6示用常规压制、温压及温模压制可得到的生坯密度的比较。温模压制的优势在于，可增高密度(0.05～0.15g/cm3)、附属设备较少及可减小粉末的损耗。不足之处有:由于传递到粉末中的热量有限和剂的总含量较低，零件的高度最高不大于25mm［16］;要增高密度，压制压力需要＞550MPa。对于温热粉末/温热阴模的方法来说，这种零件高度的限制，似乎不是问题，已经成功地生产出了高度高达63.5mm的零件。这两种温压工艺的生坯密度增高，都是依靠对粉末进行加热和减小添加于预混合粉中的剂的数量。就这一点而言，减小预混合粉中剂的含量时，剂必须使着易于脱模;因此，剂都是能满足压制方法要求的独特配方。

模壁

如上所述，减少添加于预混合粉中剂的数量，对增高粉末冶金零件生坯密度与烧结件密度都有重大影响。理论上，最需要添加剂的地方，是阴模模壁处。模壁不是一个新观念，可靠的模壁系统，一直在被研究与开发。过去的使用水基或溶剂基系统的研究成果，在装粉之前都需要一个干燥过程;静电系统的开发消除了干燥过程，并使着可将内部剂的总含量减小到0．2%～0.4%。依照图2（略）中的结果，这使着可将生坯密度增高0.15～0.25g/cm3，同时生坯与烧结件的强度也相应增高。模壁的其它优势还有，需要除去的内部剂含量较少，从而烧结过程中的排放物也相应地减少。图7（略）示内部剂的减少对生坯密度的影响;注意，生坯密度不可能＞7.4g/cm3。模壁要在产业中被接受，实质上其喷涂技术必须可靠和能够用倾倒法装粉。

选择性表面致密化

增高粉末冶金零件芯部密度的好处在于:可增高齿轮的拉伸性能，改进弯曲疲劳耐久性及增高滚动接触疲劳(RCF)强度。鉴于粉末冶金零件的选择性致密化，可改进RCF耐久性和提高尺寸精度，因而日益受到关注。早期的试验工作表明了这种工艺是如何适用于大量的粉末冶金零件的;这种工艺还能成形齿轮的导程与轮廓的拱起部位，为最终用户提供的齿轮成品不需要进行后续加工。重要的是，认识到了选择性致密化与高的芯部密度相结合，制造出的粉末冶金零件的拉伸与弯曲疲劳性能和锻钢零件的性能相同。采用选择性致密化时，其RCF性能也和锻钢等同。这种独特综合性能，为用粉末冶金齿轮替代高负载汽车变速器齿轮提供了可能。表4(略)示采用高密度工艺加工的FLN2-4405的力学性能与淬火/回火处理的AISI8620锻钢性能的比较。AISI8620钢表明，其疲劳与冲击性能两者都有明显的方向性。#p#分页标题#e#

所有试验都是用切削加工的圆形试棒进行的。拉伸试验的结果表明:疲劳强度与冲击韧性值的变化都是纵向大与横向小;淬火/回火的疲劳试样的纵向比横向的值约高35%;有凹口冲击试样的纵向比横向的值大约50%;而无凹口试样的纵向与横向的值相差很小，只有1．5%。鉴于许多齿轮(例如，直齿轮)的负载都垂直于主工作方向，因此，材料的方向性很重要。螺旋齿轮是在两个方向负载，其取决于齿轮的螺旋角，例如，20%螺旋齿轮的负载大部分是在横向。在文献数据库中，往往引用的是纵向的力学性能，而很少列出横向性能。粉末冶金零件材料是各向同性的，鉴于中和区的密度减小，因此，在零件的中和轴线上的性能略微减小。采用先进的粉末冶金零件生产工艺时，可将中和区的密度减低显著减小。根据表4，粉末冶金零件的屈服强度与抗拉强度和锻钢相似;但伸长率与冲击值和锻钢相比，则明显减小。实质上，通过正确地选择合金与生产工艺条件，可得到同样的RCF性能。整篇论述主要集中于获得较高的生坯与烧结件密度的方法上，认为较高的烧结件密度，意味着较高的力学性能。近期，合金化的发展表明，在可比较的密度下，合金化也可以改进粉末冶金材料的力学性能。King等的研究表明:添加铬、硅、钼及镍可显著影响粉末冶金钢的力学性能;特别是，在同样密度下，铬与硅可显著增高粉末冶金钢的强度与冲击能量。对于这些先进的合金系统，可利用上述的得到较高密度的技术，并可相应地增高零件的使用性能。另外，用烧结硬化合金工艺可生产具有马氏体显微组织的粉末冶金零件，而且，其尺寸精度是用常规锻钢油淬火无法达到的。

因此，粉末冶金可提供所需的力学性能、尺寸精度及可行的生产成本。对于进一步增高密度，可能性是存在的。将模壁与SP/SS加热粉末工艺相结合，可使密度达到接近7．5g/cm3;开发新剂，其在较低含量的条件下，可有效地增高PFD;将DP/DS用于密度＞7.6g/cm3的粉末冶金零件时，可使粉末冶金零件的性能增高到与粉末锻造零件相同。

结束语

粉末冶金模具设计范文篇3

关键词：材料成型；控制工程；金属材料加工

1材料成型与控制工程概念阐释

材料成型与控制工程是一个实用性学科，该学科剖析各种类型材料的宏观结构、微观结构、表面形态转换，深入研究材料热加工方法和塑性成形方法。材料成型与控制技术一般应用在机械制造行业、建筑行业以及设备加工行业，技术水平直接决定了这些行业产品制造质量、产品制造效率，关系到制造行业的利润，对于我国工业发展起到关键性基础作用。一般来说，产品设计必须应用材料成型与控制工程理论内涵以及具体的加工工艺，确定材料的性质、特点以及加工成品的功能，合理规划设计材料加工。金属材料是目前工业生产中较为常见的材料，材料成型与控制工程以分析金属材料性质、特点为主，充分考虑到材料成型与控制工程理论内容以及金属材料加工方法，探究材料成型与制造的关键技术，并利用领先的加工技术，实现制造技术的革新，确立我国工业制造的领先优势。加工金属材料时，需要应用到多种工艺技术，例如冲压、挤压、锻造、铸造以及焊接等工艺，这些工艺对技术水平提出了较高要求，每个技术环节出现差错都极易导致成型产品出现瑕疵，成型产品质量难以达标，其使用性能不能达到相关要求。因此，使用、加工金属材料之前，应仔细分析材料的物理性质、化学构成，并对材料进行测试，使其达到加工成型相关要求，结合此种材料的工作环境特点准备复合材料。

2材料成型与控制工程中加工金属材料的具体方式

2.1机械加工成型方法概述。机械加工成型作为金属材料加工过程中使用最为频繁的一种方式，这种方法的优势在于加工简便，设备资源较为丰富，加工金属材料的范围涉及到多个种类，加工精度高，能够加工几乎所有的金属材料。机械加工设备由普通机床逐步升级到数控机床，早期车、铣、刨、磨加工工序是单一的、独立的，现如今已经形成具备综合加工能力的加工中心，提高了加工效率和加工精准性。机械加工金属材料需要结合产品的材料性质、形状特点，分析选择对应的加工工艺，确定工艺路线，选择钻、车、铣等加工方法以及相应的加工刀具。通常在对硬度较低的金属材料进行机械加工时，钻、铣等加工方式需要应用高速某材料刀具，车削加工应用硬质合金类刀具，此类刀具表面适合涂层使用；在机械加工高硬度金属材料时，适合选择金刚石、立方氮化硼、陶瓷等材料制作的刀具，加工时使用切削液，能够降低加工金属材料表面和刀具的摩擦力，并将加工时产生的热量带走，确保材料加工质量达标。在机械加工特殊金属材料时，适合选择线切割、雕刻、电火花等加工方式，对于表面质量有较高要求的，应采取磨削加工方式，并根据具体情况实施抛光处理。2.2粉末冶金成型方法概述。粉末冶金技术是一种传统的材料成型与控制工程加工成型技术，该种技术在促进我国工业发展起到了积极的作用。粉末冶金成型技术最初应用在复合材料零件的制作过程中，利用压力成型的工艺完成加工、成型，适合应用在尺寸小、形状单一的零件制造中。该技术具有较强的适应性，能够应用于多种材料，工艺流程并不复杂，使用时突出增强相分布均匀、组织细密、界面反应少的特点。伴随科技的进步、加工制造技术的突破，该种技术也得到了发展和改进，现如今该技术主要应用于汽车、军事领域产品制造中，例如预制破片、刹车片等。应用粉末冶金成型技术生产、制造的金属产品具有较强耐磨性、较大强度，应用在特种工程领域中能够体现出较高的应用价值，例如含油材料制品。粉末冶金成型技术根据成型方式划分成三类：传统压制成型方式，注射成型方式，3D打印成型方式。粉末冶金成型技术在应用过程中必须将成型方法与金属材料的物质性质、化学性质、产品特点、产品要求相一致，以此来提高产品质量、产品精度、生产效率。2.3粉末冶金成型技术分析概述。粉末冶金工艺流程包括配料环节、混料环节、成型环节、脱脂环节、烧结环节、后处理环节。汽车以及机械设备使用的齿轮具体以压制成型的加工工艺为主，这种工艺具有较高的生产效率，且材料成本低廉，产量大，适合规模生产。轻武器零件类似扳机等，具有较高的机械性能要求和尺寸精度要求，同时该产品形状复杂；医疗器械例如止血钳等产品要求较高的机械性能和表面质量标准；电子零件例如手机按键，具有较高的尺寸精度要求和质量要求，这些产品都应选择注射成型工艺加工，待烧结后制品无成分偏析，精度准确、机械性能好、组织致密、表面质量好，密度为7.6g/cm3~7.8g/cm3，后期能够采用整形、热处理、表面处理、机械加工工艺进行加工。现如今，应用粉末冶金成型技术能够体现出性能良好、效率高、生产成本低的优势。2.4冲压、挤压、塑性成型方法概述。冲压、挤压、塑性成型方法的应用范围最广。技术人员仅需要结合基础材料成型特点，利用模具表面涂层以及润滑技术，优化加工过程中的应力状态，从而减少材料加工成型中的摩擦阻力，释放材料压力，提高产品质量。冲压、挤压、塑性成型过程在加工复合材料时，应结合增强材料比例、材料尺寸、材料强度、材料种类、材料质量选取适当的冲压、挤压、模锻及其他塑形方式，进而制造高质量金属材料制品。塑性成型过程中如果被加工金属强度低，应提高加工速度。上述内容重点阐释了应用冲压、挤压、塑性成型方法时应重视模具的设计、制造、润滑方法、润滑条件。2.5铸造成型方法概述。铸造成型加工方法包括熔模法、压力法、反重力法、消失模法，离心法等，通常应用在低精度要求大批量产品成型，这些产品都需要后续机械加工操作。

3结语