影響高速壓制中銅粉末致密化因素分析

都志斌

（濟(jì)鋼集團(tuán)，山東 濟(jì)南 250101）

近年來金屬粉末壓制技術(shù)以其良好的性價(jià)比逐漸受到更多關(guān)注。隨著壓制過程的逐步深入，粉末變形量相應(yīng)增加，材料致密化程度提高，導(dǎo)致變形現(xiàn)象產(chǎn)生[1]。銅粉末零件在經(jīng)過致密化技術(shù)處理的脫模階段，受雙向上沖影響軸向壓力會(huì)相應(yīng)減少；零件在卸壓過程中承受載荷影響出現(xiàn)小幅度回彈現(xiàn)象,從而產(chǎn)生非均性應(yīng)力現(xiàn)象[2]。在這一過程中銅粉末內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，出現(xiàn)致密化現(xiàn)象。致密化現(xiàn)象直接影響零件的性能，為從根源上解決高速壓制過程中銅制粉末致密化問題，對(duì)銅粉末致密化影響因素進(jìn)行深入的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在諸多高速壓制中銅粉末致密化影響因素中，壓制強(qiáng)度、顆粒疲勞強(qiáng)度、以及摩擦強(qiáng)度對(duì)致密化影響最為明顯，因此主要對(duì)上述三種因素影響原因及解決方法進(jìn)行論述。

1 銅粉末冶金高速壓制技術(shù)

粉末冶金技術(shù)依賴其操作簡單，耗時(shí)少，成本低等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于機(jī)械零件加工處理等方面。在粉末冶金高速壓制過程中，金屬材料密度及介質(zhì)布情況對(duì)冶金制品的性能、外形以及加工精度等因素產(chǎn)生直接影響。通過對(duì)大量文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)查和研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的粉末高速壓制技術(shù)普遍將粉末視為連續(xù)體進(jìn)行壓制，這與金屬粉末自身的非連續(xù)特性想矛盾，易造成粉末致密化現(xiàn)象。

通過對(duì)壓制過程中微觀金屬粉末顆粒的運(yùn)動(dòng)特性和集合體宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，銅粉末致密化機(jī)理影響因素進(jìn)行探究。為了達(dá)到避免壓制零件斷裂變形的研究目標(biāo),對(duì)金屬粉抵抗徑向上的彈性應(yīng)力進(jìn)行觀察，觀察結(jié)果顯示當(dāng)金屬粉末從模腔脫出時(shí)，壓制軸會(huì)施加一個(gè)向上的下沖力，壓制模內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦，造成零件中模原定運(yùn)動(dòng)改變?yōu)橄蛳逻\(yùn)動(dòng)。導(dǎo)致粉末壓制后的稱形體條件差異過大,造成金屬粉末壓制產(chǎn)品承受壓制模雙向壓力。

在對(duì)金屬粉末尤其是銅粉末進(jìn)行壓制的過程中易出現(xiàn)粉末壓坯成形致密化現(xiàn)象，導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)與密度分布不均的問題。為解決上述問題，對(duì)不同種類不同壓制工藝下的銅粉末致密化現(xiàn)象形成原因進(jìn)行大量調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn)，銅粉末材料在高速壓制過程中常出現(xiàn)持續(xù)壓縮連續(xù)現(xiàn)象造成壓坯成形密度分布不均造成材料變形甚至開裂現(xiàn)象。因此金屬粉末經(jīng)過壓制或密度結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)，形成了較高的壓制應(yīng)力。

2 銅粉末致密化影響因素

致密化現(xiàn)象直接影響零件的性能，為了從根源上解決告訴壓制過程中銅制粉末致密化問題，對(duì)銅粉末致密化影響因素進(jìn)行深入的調(diào)查研究。銅粉末高速壓制冶金技術(shù)是當(dāng)前制備復(fù)雜形狀金屬產(chǎn)品的重要生產(chǎn)技。銅粉末金屬零件密度和硬度響度較低，在壓制過程中收受壓制強(qiáng)度、磨損強(qiáng)度以及疲勞強(qiáng)度影響較大，易造成密度結(jié)構(gòu)性能受到影響。通過詳細(xì)的調(diào)查和研究證實(shí)，銅粉末在壓制過程密度結(jié)構(gòu)影響因素及強(qiáng)度如下圖所示。

圖1 銅粉末壓制過程密度結(jié)構(gòu)影響因素

由于壓制過程中零件孔隙降低，增加應(yīng)力集中易導(dǎo)致承載面積受到磨損產(chǎn)生裂紋和變形現(xiàn)象，造成致密化問題。具體如下。

2.1 壓制強(qiáng)度影響

針對(duì)通信粉末性能和強(qiáng)度特征，可通過優(yōu)化材料結(jié)來彌補(bǔ)孔隙缺陷。銅制零件在高速壓制過程中一旦出現(xiàn)孔隙就會(huì)引起裂紋的產(chǎn)生，從而影響到制品的韌性、尺寸和外形。

在零件壓制過程中有效控制壓制強(qiáng)度，降低壓制過程中的燒結(jié)溫度，減少銅粉末壓制壓力強(qiáng)度，以便獲取密度和硬度最高的均勻壓坯。在雙向壓制力的作用下，銅制壓坯的雙向處應(yīng)力成對(duì)稱分布，使壓坯密度仍保持單向壓制處理過程中的相同變化特征。

2.2 顆粒疲勞強(qiáng)度影響

銅粉末在壓制過程中受到力的作用會(huì)產(chǎn)生分離或分裂形成更多部分。在壓制過程中，銅粉末受內(nèi)、外應(yīng)力影響產(chǎn)生應(yīng)力集中，顆粒常規(guī)應(yīng)力分量達(dá)到開裂集中應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致零件淺表面出現(xiàn)不規(guī)則、不連續(xù)的細(xì)小裂紋，形成斷裂現(xiàn)象。

零件斷裂原因通常是由于在高速壓制過程中，銅粉末顆粒疲勞強(qiáng)度過低，零件在卸壓過程中承受載荷影響出現(xiàn)小幅度回彈現(xiàn)象,產(chǎn)生非均性應(yīng)力現(xiàn)象。從而導(dǎo)致載荷下，金屬粉末顆粒間出現(xiàn)互鎖破裂現(xiàn)象，高強(qiáng)度壓制力作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的橫向的剪切力和施加張力，阻斷或拉伸了金屬粉末顆粒的互鎖過程，造成了銅粉末成形體生胚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)裂紋增長。

2.3 摩擦條件影響

在銅粉末高速壓制過程中強(qiáng)烈的摩擦阻力嚴(yán)重影響這壓坯密度。由于摩擦強(qiáng)度不同對(duì)銅粉末高速壓制過程中產(chǎn)生的致密化強(qiáng)度影響不同，因此利用這些規(guī)律可有效對(duì)銅粉末壓制冶金工藝的進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新。

隨著壓制過程的逐步深入，粉末變形量相應(yīng)增加，進(jìn)入性變形階段，在銅粉末壓制過程中，不同摩擦條件下冶金模塊的壓坯軸線應(yīng)力金額位移分布也各有不同，直接影響金屬壓坯高度和密度。

在摩擦阻力減小的情況下，銅粉末壓坯會(huì)在內(nèi)部生成較高的有效壓制力，降低表層應(yīng)力和梯度，避免位移現(xiàn)象產(chǎn)生，保障壓制后零件外形精確。

3 結(jié)語

銅制金屬由于起密度和硬度較低，在壓制過程中受雙向上沖影響軸向壓力減少，出現(xiàn)小幅度回彈現(xiàn)象。導(dǎo)致銅粉末內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，出現(xiàn)致密化現(xiàn)象。

致密化現(xiàn)象直接影響零件的性能，為了從根源上解決告訴壓制過程中銅制粉末致密化問題，為提高材料質(zhì)量和性能，避免裂紋現(xiàn)象產(chǎn)生。

對(duì)影響高速壓制中銅粉末致密化因素進(jìn)行調(diào)查和研究，對(duì)高速壓制技術(shù)和壓制強(qiáng)度、顆粒疲勞強(qiáng)度、以及摩擦強(qiáng)度三種主要影響因素進(jìn)行詳細(xì)的分析。