运用电磁压制方法压制铁基粉末制作高密度铁材料外文翻译资料

 2022-07-29 15:35:33

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运用电磁压制方法压制铁基粉末制作高密度铁材料

摘要

电磁压制被提出用于巩固在粉末冶金过程中拥有高密度铁组分产品的传统铁基粉末。可获得具有7.63g / cm 3和7.75g / cm 3（全密度：7.8g / cm 3）的生坯和烧结密度的Fe-1.5Cr-0.2Mo-0.25C（wt.％）的高密度钢组分。这种在电磁压制中不规则的致密度被认为是在极短时间内高压冲击使压实粉末中增强粒子重新排列和塑性变形互相作用运动而产生的结果。由于这种较好的致密性，这种完善的压制方法加上少量润滑剂（少于0.05wt.%）被高效地用于制造领域。并且，在电磁压制过程中模壁润滑对于保护表面损伤和促进均匀致密化是非常有效的。这些结果表现出电磁压制对于高密度铁粉末冶金部分应用的潜在性。

关键字：铁基粉末 粉末冶金 磁脉冲压实 密度 钢组件

1.引言

粉末冶金技术在汽车工业中生产像齿轮和轮子这样的结构钢部分显现出高效，高质量，高精度，低能耗和可压制出最终尺寸压坯许多优点。然而通常来讲，钢铁粉末冶金零件比起完全致密制造的表现出较低的疲劳强度和机械性能，在这些零件中仅仅减少其承载面积并增加其应力集中通常就产生相当大的内部孔隙。出于这个原因，包括加温压制，二次压制，二次烧结和热压几个过程都已经应用于钢铁冶金零件去达到更高的钢铁密度。然而，运用这些方法所能达到的密度被限制于7.3g/cm3(参考 钢零件的密度为：7.8g/cm3)。并且，所有这些方法需要更多生产成本，并且降低粉末冶金路线的成本效益。因此，这些问题产生出了发展一种能使钢铁粉末冶金过程可达到7.3g/cm3以上高密度的高新技术的强烈需求。

获得高压坯密度粉末零件高效的方法之一就是电磁压制。电磁压制是一种在极短世间内（~500mu;s）施加于每一粒被压粉末高压（高达5GPa）的一种动态压制方法。这种独特的加工特性使被压粉末的变形和重新排列增强，从而可形成优良的致密度。就能源和生产效率而言，电磁压制由于电磁压制脉冲力的持续使用，使其也无疑是有益处的。到目前为止，大多关于电磁压制的主要集中于比如微小金属和陶瓷粉末这种难压粉末方面，但是被广泛应用于钢铁粉末冶金工业的铁基粉末在电磁压制领域的信息却很少。此次研究探讨了通过电磁压制方法压制通常使用的铁基粉末（Fe–Cr–Mo–C）如何获得高密度和电磁压制过程中放电能量，微粒大小分布，润滑剂的用量的影响和模壁润滑。

2.实验过程

预合金铁基粉末由混合着0.25 wt.%碳（UF-4）和0.05-0.3 wt.%润滑剂（硬脂酸锌）的Fe-1.5Cr-0.2Mo(商品名：Astaloy CrL, Houml;ganauml;s AB, 瑞典)组成。未加工的铁基粉末（粉末1）微粒尺寸如下：18%低于45 mu;m, 75%在45and150 mu;m之间，7% 大于150 mu;m。为了研究微粒尺寸分布的影响，在直径小于45 mu;m的良好微粒中提取出来的铁基粉末也同样已准备。电磁压制实验在13-23KJ的电磁脉冲能量下单向电磁压制这些铁基粉末的机器上进行。电磁脉冲能量从一个电容为3000 mu;F的电容器中释放出来。电磁压制的详细过程见文献[7]; [8] ; [9].随后，将被电磁压制的粉末在氨分解环境中1250 °C下烧结1小时。电磁压制模孔直径为20mm，并且所混合的17g粉末被注入到每个电磁压制实验的模孔中。大多数的实验是在压制前模具使用了润滑剂（甲苯 锌硬脂酸）的模壁润滑的使用下进行。表格1总结了本研究中所使用的条件。

3.结果和讨论

图1(a)展示了电磁压制时不同放电能量对于不同混合粉末（A-E）压坯密度的影响。毫无疑问，在所以放电能量增加的实验条件下压坯密度都会增加，从而有利于电磁压制过程中的最大冲击压力的增加。然而，在13-17KJ这个低能量范围密度增量更明显，在17KJ以上减缓。这可以通过粉末压实的三个步骤来解释，1）压紧（重新排列）2）弹性变形和3）压实粉末的塑性变形[1]。在电磁压制的低能量范围（13-17KJ），被压粉末的压紧和弹性变化显著变化使其致密化，所以当增加放电能量时其压坯密度有所增加。然而，由于被压粉末在最终塑性变形阶段显著的应变强化使得在高于17KJ的放点能量阶段时致密化就变得困难。因此，就如图1（a）所示，在高于19KJ的放电能量时压坯密度便趋于饱和。此外，当能量超过21KJ时在其表面出现了裂纹。在高放电能量范围内，高压能量不能被轻易地释放而残留在其中仍起作用从而引起了过度的应变能，导致模具出坯产生裂纹。在我们的实验中，19 – 21KJ的放电能量是获得无裂纹的高密度压件的最佳条件，电磁压制最高的压坯密度为7.63 g/cm3并且没有后续的热致密化。

图.1.具有放电能量的电磁压制组分的密度变化：各种混合粉末（A-E）的（a）生坯密度和（b）烧结密度。

从一般的知识来看，通常使用的粉末包括微粒在不损伤压件表面的情况下是难以以高密度状态被压实的，因为在压实期间微粒间的摩擦常常会增加[1];[11]。在传统的静态过程中，由于微粒间和粉末与模壁间的高摩擦力高于800MPa的高压通常不会成功。由于这些原因，大量的润滑剂(0.3–1.0 wt.%)被频繁地使用于粉末混合物中用于减少摩擦。然而，如此高的润滑剂用量使其难以达到高密度。不管粒子大小分布，另一方面，通常使用的铁基粉末可以通过应用图1（a）所示的电磁压制方法压制成高密度。可以看出经电磁压制有微粒的粉末A的压坯密度几乎与在整个放电能量环境中没有微粒的B粉末一样。与已报告的通过去除微粒尺寸小于45 mu;m可以增强密度的结果相比，这个发现是出乎意料的[11]。被用于非常少量润滑油(0.05 wt.%)的粉末（粉末C）通过电磁压制可以被压实到高于7.6 g/cm3的高密度也是非常独特的。没有使用润滑剂的粉末E也可以被压实到密度为7.62 g/cm3。如上所述，有微粒的粉末高压静态压实将会引起微粒间和粉末与模壁间的高摩擦力，并且这样的摩擦力对于粉末致密化就像一种能量阻碍。然而电磁压制方法，一种动态压制，由于在短时间内的高压作用可以实现速度超过10–100 m/s的微粒高速运动[8];[10]。这种动能足够高可以立即克服摩擦能，从而可以有效致密。因此，通过在电磁压制中加入少量润滑剂可以制造高密度压件，即使粉末混合物中有大量的难压微粒。

图2表明了模壁润滑对于电磁压制产品表面的影响。每个图展现了压件在放电能量为21KJ的冲模中经过10次反复电磁压制后的表面。值得注意的是，没有使用模壁润滑的制件被严重损坏和划伤（图2（a）），表明在出模阶段时被压件和模壁之间有严重的摩擦。另一方面，如图2（b）所示，用了模壁润滑的制造件拥有可接受甚至完整无缺的表面。从此观察，可以得知在电磁压制过程中模壁润滑对于得到高密度钢件是极其重要的。也可以由图2（c）看出，没有预先混合润滑剂的粉末通过使用模壁润滑也可以得到表面无损伤的压件。这个结果意味着电磁压制时模壁润滑比起内部润滑法即预先在粉末中混合润滑剂更有利于防止表面损伤。

图.2.电磁压制组件的外观：（a）没有模具壁润滑（0.05wt.％预混合润滑剂），（b）具有模具壁润滑（0.05wt.％预混合润滑剂）和（c）模具壁润滑(无预混合润滑剂）。

图1（b）显示的是用有低润滑剂（C-E）压件电磁压制热致密化后的烧结密度。一般来说传统的粉末冶金钢密度是低于7.3 g/cm3[4];[5];然而，通过电磁压制（图1（b）中C在21KJ条件下）的应用将其密度增加到7.75 g/cm3是极有可能的。即使是在13KJ的低放电能量水平，高于7.3 g/cm3密度的钢零件也可轻易获得。电磁压制过程中，冲击压力由压紧冲压机产生并且产生的动力波由微粒传递。[6];[7];[8]。冲击波有效地使粒子震动，增强粉末在第一步粉末压实步骤中的重新排列。此外，电磁压制的粉末巩固太快从而被压颗粒间摩擦产生的热量不能从粉末中释放出来。电磁压制过程中的绝热升温导致粉末的屈服强度降低，因此在最后的粉末压紧步骤塑性变形更容易发生。由于电磁压制的这些相互运动作用，铁基粉末可以被高密度的巩固，并且成品钢压件的内部孔隙可以随着放电能量的增加使密度增加而有效地减少（对比图3（a）和（b））。最后，结构钢粉末冶金部分的综合力学性能可通过电磁压制改善。

图.3.通过电磁压制方法制备的钢组分中的孔结构，其密度分别为（a）7.37g / cm 3在13kJ下，（b）7.75g / cm 3在21kJ下。

图4（a）展示了在1250 °C下烧结1小时的电磁压制钢零件的典型显微结构。该结构由先共析铁素体（亮）和共析珠光体（暗）两种著名的微量成分组成，此后本研究立足于Fe–Fe3C相图亚共析区。烧结缓慢冷却后无贝氏体或马氏体被发现。值得注意的是在烧结过程中预混合碳充分地分散在了预合金Fe–Cr–Mo粉末中并且没有游离的碳存在于最后的钢件中。

图.4.密度为7.75g / cm3的电磁压制钢组分的（a）组织和（b）硬度分布（单位：HRB）。

在图4（b）标记的数字表示了图2（b）中电磁压制钢零件的硬度分布（单位：HRB）。由于硬度分布与构件中的密度分布密切相关，小的硬度变化表明在图2（b）的钢零件通过电磁压制被压得很均匀。通常，粉末和模壁之间的摩擦会导致在加载方向和垂直于轴线的压件截面密度分布不均匀。然而，这种均匀的缺乏可以通过电磁压制被减少，因为这个过程可以在极短的时间内将高冲击能量均匀地由表面转移到底面[8];[13]。同时还发现在减少粉末与模壁摩擦方面模壁润滑有很大的作用，从而促进均匀粉末致密化。

4.结论

在此次研究中，混有0.25 wt.%碳的Fe–1.5Cr–0.2Mo (wt.%)粉末通过电磁压制被成功地压制。即使在粉末混合物中有一定量的难压颗粒，用有少量润滑剂（少于0.05 wt.%）的完整压件也被有效地制造出来。电磁压制件的压坯密度随着放电能量的增加而增加，即电磁压制冲击压力，达到7.63 g/cm3的最高值。这种高密度是电磁压制互相运动作用的结果。电磁压制中的动能足够高可以立即克服摩擦能量的阻碍，从而促进了微粒重新排列和压实粉末的塑性变形。烧结成形后电磁压制零件的最终密度可以高达7.75 g/cm3，比起传统压制过程要高得多（通常少于7.3 g/cm3）。在烧结成形过程中，预混合碳充分混合在了预合金Fe–Cr–Mo粉末中，因此典型的铁素体–珠光体钢结构是在电磁压制过程中最后形成的。此外，模壁润滑被发现在电磁压制时可有效促进均匀致密化和防止表面损伤。结果显示电磁压制被用于有效制造高密度钢粉末冶金零件是有很大潜力的。

致谢

这项研究由知识经济部的工业战略技术发展计划资助支持，和韩国教育科学技术部韩国原子能研究所（KAERI）研发计划项目资助。

参考文献

[1]R.M. German,Powder Metallurgy Science,second ed.Metal Powder Industries Federation, New Jersey. 1994.

[2]S.S. Yilmaz, R. Varol.The effect of surface hardening treatments on the mechanical properties of iron based P/M specimens,Powder Technology, 204 (2010) 236–240.

[3]E. Salahinejad, M.J. Hadianfard, M. Ghaffari, S.B. Mashhadi, A.K. Okyay, Liquid-phase sintering of medical-grade P558 stainless steel using a new biocompatible eutectic additive,Materials Letters, 74 (2012) 209–212.

[4]M.M. Rahman, S.S.M. Nor, H.Y. Rahman, Investigation on the effect of lubrication and

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