專(zhuān)利名稱(chēng):一種不銹鋼粉末熱壓成形方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域,特別是提供了一種316L不銹鋼粉末熱壓成形方法,為金屬粉末高密度壓制成形提供了新途徑。
背景技術(shù):
由于具有優(yōu)異的耐蝕性和良好的壓力加工性,用鑄鍛及機(jī)械加工工藝制造的致密不銹鋼零件廣泛地應(yīng)用于手表、醫(yī)療機(jī)械、家用電器、食品加工機(jī)具乃至珠寶等行業(yè)。粉末冶金技術(shù)可實(shí)現(xiàn)零件的近終形成形,減少大量的機(jī)械加工工序,降低生產(chǎn)成本。因而,人們?cè)絹?lái)越希望用混粉、精密壓制成形和燒結(jié)的工藝制備上述行業(yè)相關(guān)的粉末冶金316L不銹鋼零件,以降低器具與器械綜合生產(chǎn)成本。
粉末冶金316L不銹鋼零件能否替代致密不銹鋼零件取決于兩個(gè)主要因素它的強(qiáng)度及耐腐蝕性。通常,粉末冶金結(jié)構(gòu)零件組織內(nèi)部有一定量的殘留孔隙。這些殘留孔隙會(huì)降低零件的強(qiáng)度。粉末冶金工藝不斷發(fā)展,已有諸如溫壓、模壁潤(rùn)滑和合金化等技術(shù)可以在很大程度上消除這些殘留孔隙,增加材料的強(qiáng)度。
不銹鋼通常指含鉻量在12%-30%的鐵基耐蝕合金。由于不銹鋼具有耐腐蝕性、抗氧化性、外觀(guān)好、加工性能好,近幾十年來(lái),不銹鋼的使用范圍向輕工和家庭生活方面迅速發(fā)展。不銹鋼的價(jià)格通常都遠(yuǎn)高于鋼鐵,由于粉末冶金在生產(chǎn)零件中成本低,與鑄造方法相對(duì)照,精密度和成本這兩方面是非常有競(jìng)爭(zhēng)力的,鑄造中存在的一些問(wèn)題,如偏析、機(jī)加工量大等用粉末冶金的方法則可以避免,或者減少,因此粉末冶金不銹鋼零件是粉末冶金技術(shù)中的一個(gè)重要的正在發(fā)展的領(lǐng)域。
提高生坯密度與加速燒結(jié)致密化,是消除孔隙提高粉末不銹鋼零件的兩個(gè)重要途徑。由于不銹鋼粉末表面存在難以被還原的氧化物,如鉻的氧化物,許多工藝研究主要集中于如何在燒結(jié)過(guò)程去除氧化物,如何選擇燒結(jié)氣氛保持不銹鋼不被氧化方面,而對(duì)于如何提高不銹鋼粉末的模壓壓制性,增加其生坯密度的研究較少。
近年來(lái),靜電模壁潤(rùn)滑技術(shù)得到了較快的發(fā)展,在以下文獻(xiàn)中有記載Mongeon,Pelletier,Sylvain.Die wall Iubrication method and apparatus.Canadian Patent,01/36132.2001-0525;Pelletier Sylvain,Ziani Abdelouahab,Mongeon Paulemile.Die wall Iubrication method and apparatus.American Patent,US6299690.2001-1009。其工作原理利用摩擦起電的原理,通過(guò)摩擦槍使?jié)櫥蹘响o電荷,其后將帶電的潤(rùn)滑粉噴射在接地的模具內(nèi)壁上,由于靜電吸附力的作用,帶電潤(rùn)滑粉能夠在模具內(nèi)壁上連續(xù)的、均勻的形成了一薄潤(rùn)滑粉層,在壓制過(guò)程中,這層潤(rùn)滑粉層并起到減少金屬粉與模具內(nèi)壁間摩擦力的作用,若采用溫壓壓制,則這層潤(rùn)滑粉層的潤(rùn)滑效果表現(xiàn)的更為明顯。采用該項(xiàng)技術(shù),燒結(jié)后的樣品外表光潔度高,克服了濕法模壁潤(rùn)滑的缺陷,同時(shí)該技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,在國(guó)外已部分應(yīng)用于鐵基零件的生產(chǎn)中,據(jù)報(bào)道,純鐵粉壓坯的密度以提高到7.50g/cm3左右。但國(guó)外的這項(xiàng)技術(shù)仍存在著較大的缺陷和不足,成本較高,不利于應(yīng)用和廣泛推廣。
在粉末燒結(jié)鋼中,殘留孔隙降低零件的強(qiáng)度和惡化零件的耐腐蝕性。1994,在加拿大多倫多舉行的粉末冶金國(guó)際會(huì)議上,提出了溫壓工藝技術(shù),在以下文獻(xiàn)有記載Rutz H G,Harejjo F G,Luk S H.“Warm Compactioon Offers High Density at LowCost”.MPR,1994,49(9)40-47;Musella V and D’angelo M.“Process for PreheatingMetal in Preparation for Compacting Operations”.US Patent,No.4,955,798;Chagono F,Gelinas C and Trudel Y.“Development of High Density Materials for PMApplications”.Advances jn Powder Metallurgy and Particulate Materials,1994,vol.3.Edited by Lall C and Newpaver A J.MPIF,Princeton,N.J.,1994199。這一工藝不僅將鐵基生坯密度提高了0.1~0.25g/cm3,大大提高了生坯強(qiáng)度,使純鐵粉一次壓制/燒結(jié)密度達(dá)到了7.50g/cm3,而且該工藝的壓制壓力和脫模力均較傳統(tǒng)粉末冶金方法低,提高了模具壽命,降低了成本。溫壓工藝的關(guān)鍵技術(shù),包括預(yù)混和粉末的制備以及溫壓壓制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中預(yù)混合粉末的制備主要在于選擇可以在100~150℃正常使用的高溫潤(rùn)滑劑。目前高溫潤(rùn)滑劑的添加與制備工藝已經(jīng)專(zhuān)利化。溫壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是在壓制過(guò)程中,將粉末加熱、粉末傳輸和壓機(jī)的模具加熱結(jié)合在一起。一旦粉末加熱到所需的溫度,控溫的傳輸與進(jìn)料系統(tǒng)就將粉末送入模腔進(jìn)行壓制。其中粉末的加熱溫度、模具的加熱溫度以及二者的相互匹配以期獲得最高壓坯密度是需考慮的主要問(wèn)題。
基于上述考慮,本發(fā)明提出“新型模壁潤(rùn)滑裝置”技術(shù),(已申請(qǐng)專(zhuān)利保護(hù),申請(qǐng)?zhí)?3146264.2,)和溫壓技術(shù)相結(jié)合來(lái)獲得高的316L不銹鋼壓坯密度,并對(duì)采用的潤(rùn)滑粉的潤(rùn)滑特性進(jìn)行分析研究,以求取得較好潤(rùn)滑劑,從而形成一種提高316L不銹鋼壓坯密度的新方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于一種316L不銹鋼粉末的高密度成形方法,即采用復(fù)合潤(rùn)滑粉與靜電模壁潤(rùn)滑技術(shù)和溫壓技術(shù)相結(jié)合的方法壓制316L不銹鋼粉末,以此獲得高密度生坯零件,同時(shí)提高生坯零件的外觀(guān)和尺寸精度。
該發(fā)明內(nèi)容包括先對(duì)316L不銹鋼壓制粉末與模具進(jìn)行加熱,并用熱電偶分別控制316L不銹鋼壓制粉末與模具的溫度,316L不銹鋼壓制粉末加熱溫度控制在100℃~140℃,模具加熱溫度控制在100℃~160℃。使用靜電模壁潤(rùn)滑裝置對(duì)模具內(nèi)壁噴涂復(fù)合潤(rùn)滑粉,使用的復(fù)合潤(rùn)滑粉組成為25質(zhì)量%~75質(zhì)量%EBS蠟+25質(zhì)量%~75質(zhì)量%石墨或25質(zhì)量%~75質(zhì)量%W-special蠟+25質(zhì)量%~75質(zhì)量%石墨,模具引導(dǎo)線(xiàn)接地,從而使模具內(nèi)壁上帶上一層薄的、連續(xù)的、均勻的復(fù)合潤(rùn)滑粉末。復(fù)合潤(rùn)滑粉噴涂完畢后,即可把加熱后的316L不銹鋼壓制粉末倒入模具的模腔中進(jìn)行壓制。
本發(fā)明與傳統(tǒng)壓制和潤(rùn)滑技術(shù)相比存在以下的優(yōu)點(diǎn)1、在相對(duì)較低壓制壓力下能獲得較高密度生坯;2、脫模力小,且壓坯表面干凈光滑,對(duì)環(huán)境污染?。?
3、壓坯尺寸變形小,能達(dá)到較好的尺寸精度要求;4、操作簡(jiǎn)單,壓制效率高。
圖1是本發(fā)明壓制混合粉生坯密度與壓制力間的關(guān)系(例1)。橫坐標(biāo)為壓制壓力(MPa),縱坐標(biāo)為混合粉生坯密度(g/cm3)。
圖2是本發(fā)明混合粉在不同外潤(rùn)滑作用下生坯密度與壓制壓力的關(guān)系(例2)。橫坐標(biāo)為壓制壓力(MPa),縱坐標(biāo)為混合粉生坯密度(g/cm3)。
圖3是本發(fā)明在810MPa溫壓壓制下,使用復(fù)合潤(rùn)滑粉2為外潤(rùn)滑的混合粉生坯的SEM照片(例3)。
圖4是本發(fā)明圖3的局部放大圖。
具體實(shí)施例方式
采用的單質(zhì)潤(rùn)滑粉有EBS蠟(細(xì)度≤74μm)、石墨(細(xì)度≤74μm)、W-special蠟(細(xì)度≤15μm)。
原料粉末為國(guó)產(chǎn)(京元公司產(chǎn),細(xì)度≤74μm)316L不銹鋼粉末。含氧量低于0.3%,其它Cr,Ni,Mo的含量與標(biāo)準(zhǔn)316L不銹鋼成分相同,見(jiàn)表1。
表1 實(shí)驗(yàn)用316L不銹鋼粉末成分
例1316L不銹鋼粉和0.2wt%EBS蠟粉作為壓制混合粉,該混合粉搖勻0.5h。用新型靜電模壁潤(rùn)滑噴射裝置進(jìn)行模壁潤(rùn)滑,潤(rùn)滑粉為EBS蠟,靜電電壓控制在10KV以下,模具引導(dǎo)線(xiàn)接地,以利于帶電潤(rùn)滑粉在模壁上的吸附,稱(chēng)重5g混合粉,倒入直徑為φ10.55mm圓柱形模腔中,在壓制壓力550~950MPa下,分別采用室溫或溫壓壓制混合粉。在溫壓過(guò)程中,粉末與模具的溫度用熱電偶分別控制在110℃和110℃。用螺旋測(cè)微器測(cè)量壓坯尺寸(誤差0.001mm),用感量為0.0001g的電子天平稱(chēng)重,計(jì)算得到密度值。如表1所示表1 在不同壓制力下混合粉(0.2wt%EBS蠟)在EBS蠟外潤(rùn)滑和室/溫壓下的生坯密度
在壓制力為580MPa下,室溫壓制的生坯密度僅為6.52g/cm3,而采用溫壓技術(shù)生坯密度達(dá)到7.03g/cm3;在壓制力為915MPa時(shí),室溫壓制的生坯密度為6.91g/cm3,而溫壓達(dá)到7.20g/cm3。溫壓所得到生坯密度比室溫壓制高0.3~0.5g/cm3。其原因在于一方面,溫壓溫度的作用延緩鐵粉壓制過(guò)程的加工硬化程度和提高鐵粉的塑性變形能力;另一方面,潤(rùn)滑劑在最佳的溫壓溫度下呈玻璃態(tài),具有較好粘流性,有效的減小鐵粉顆粒之間及顆粒與模壁之間的摩擦,降低了脫模壓力。
圖1為該混合粉在室溫和溫壓下生坯密度與壓制力的曲線(xiàn)關(guān)系。其中,曲線(xiàn)1為溫壓混合粉生坯密度與壓制力間的關(guān)系,曲線(xiàn)2為室溫壓制下混合粉生坯密度與壓制力間的關(guān)系。由圖1示可知,在不銹鋼粉末的壓制過(guò)程中,使用過(guò)高的壓制壓力是不合適的,即便對(duì)于溫壓來(lái)說(shuō),在800MPa后生坯密度趨于平衡,不再提高;而室溫壓制時(shí),壓制壓力超過(guò)800MPa后,生坯密度僅能從6.84g/cm3提高到6.91g/cm3,提高幅度不明顯,更重要的是壓坯表面的滑痕很多,脫模力明顯增大。
例2不銹鋼粉和0.2wt%W-special蠟粉作為壓制混合粉,該混合粉搖勻0.5h。用新型靜電模壁潤(rùn)滑噴射裝置(以申請(qǐng)專(zhuān)利)進(jìn)行模壁潤(rùn)滑,潤(rùn)滑粉分別采用EBS蠟、石墨、復(fù)合潤(rùn)滑粉1、復(fù)合潤(rùn)滑粉2,靜電電壓控制在10KV以下,模具引導(dǎo)線(xiàn)接地,以利于帶電潤(rùn)滑粉在模壁上的吸附,稱(chēng)重5g混合粉,倒入直徑為φ10.55mm圓柱形模腔中,在壓制壓力550~950MPa下,采用溫壓壓制混合粉。在溫壓過(guò)程中,粉末與模具的溫度用熱電偶分別控制在120℃和130℃。用螺旋測(cè)微器測(cè)量壓坯尺寸(誤差0.001mm),用感量為0.0001g的電子天平稱(chēng)重,計(jì)算得到密度值。如表2所示表2 不同外潤(rùn)滑方式下的混合粉(0.2wt%W-special蠟)生坯密度
由表2所示,采用不同的外潤(rùn)滑劑,混合粉壓制后得到的生坯密度不等,其中采用復(fù)合潤(rùn)滑粉2作為靜電模壁潤(rùn)滑的外潤(rùn)滑劑,混合粉壓制后的生坯密度相對(duì)而言最大,在580壓制力時(shí),生坯密度為7.19g/cm3,在915MPa壓制力時(shí),生坯密度達(dá)到7.38g/cm3;而石墨作為靜電模壁潤(rùn)滑的外潤(rùn)滑劑,混合粉壓制后的生坯密度相對(duì)而言較小,在580壓制力時(shí),生坯密度為6.99g/cm3,在915MPa壓制力時(shí),生坯密度為7.24g/cm3。二者間密度的差距為0.1~0.3g/cm3,其原因在于雖然石墨是較好的潤(rùn)滑劑,但較低的溫壓溫度對(duì)其潤(rùn)滑效果并沒(méi)有多大的促進(jìn)作用。得到的生坯表面光潔,脫模力小。從表2可得各潤(rùn)滑粉的總體潤(rùn)滑效果比較復(fù)合潤(rùn)滑粉2>復(fù)合潤(rùn)滑粉1>EBS蠟>石墨。由此可見(jiàn),采用靜電模壁潤(rùn)滑和溫壓技術(shù)相結(jié)合,為得到高密度的316L不銹鋼生坯,復(fù)合潤(rùn)滑粉2作為外潤(rùn)滑劑是最佳選擇。
圖2是在溫壓條件下混合粉在不同外潤(rùn)滑作用下生坯密度隨壓制壓力的曲線(xiàn)圖。其中曲線(xiàn)3為復(fù)合潤(rùn)滑粉2外潤(rùn)滑;曲線(xiàn)4為復(fù)合潤(rùn)滑粉1外潤(rùn)滑;曲線(xiàn)5為EBS蠟外潤(rùn)滑;曲線(xiàn)6為石墨外潤(rùn)滑。由圖2所示可知在此壓力范圍內(nèi),混合粉加熱120℃,模具加熱130℃,復(fù)合潤(rùn)滑粉2為外潤(rùn)滑時(shí),混合粉的生坯密度增幅最小,在壓制力800MPa后,生坯密度幾乎達(dá)飽和;而采用其它的潤(rùn)滑粉作為外潤(rùn)滑劑時(shí),混合粉的生坯密度與壓制壓力幾乎呈線(xiàn)性關(guān)系,增幅最大的是采用復(fù)合潤(rùn)滑粉1為外潤(rùn)滑劑的混合粉生坯。
例3不銹鋼粉和0.2wt%W-special蠟粉作為壓制混合粉,該混合粉搖勻0.5h。用新型靜電模壁潤(rùn)滑噴射裝置(以申請(qǐng)專(zhuān)利)進(jìn)行模壁潤(rùn)滑,潤(rùn)滑粉分別采用復(fù)合潤(rùn)滑粉1、復(fù)合潤(rùn)滑粉2,靜電電壓控制在10KV以下,模具引導(dǎo)線(xiàn)接地,以利于帶電潤(rùn)滑粉在模壁上的吸附,稱(chēng)重5g混合粉,倒入直徑為φ10.55mm圓柱形模腔中,在壓制壓力550~950MPa下,采用溫壓壓制混合粉。在溫壓過(guò)程中,溫度用熱電偶控制,混合粉加熱至120℃,模具分別加熱至130℃、140℃和150℃。用螺旋測(cè)微器測(cè)量壓坯尺寸(誤差0.001mm),用感量為0.0001g的電子天平稱(chēng)重,計(jì)算得到密度值。如表3所示表3 不同模具加熱溫度下的混合粉(0.2wt%W-special蠟)的生坯密度
由表2所示,隨著模具加熱溫度的上升,得到的混合粉生坯密度逐漸增大。在800MPa的壓制壓力下,復(fù)合潤(rùn)滑粉1為外潤(rùn)滑時(shí),模具加熱溫度由130℃~150℃時(shí),混合粉的生坯密度由7.24g/cm3~7.30g/cm3,增幅達(dá)0.6g/cm3;而復(fù)合潤(rùn)滑粉2為外潤(rùn)滑時(shí),混合粉的生坯密度由7.35g/cm3~7.43g/cm3,增幅達(dá)0.8g/cm3。據(jù)此可知,復(fù)合潤(rùn)滑粉2隨溫壓溫度的上升,表現(xiàn)出較好的模壁潤(rùn)滑效果。其原因在于溫壓用W-special蠟粉的熔點(diǎn)較高,可以適當(dāng)提高粉末的加熱溫度而不損失粉末的流動(dòng)性。同時(shí),生坯外表面光亮沒(méi)有劃痕。
圖3是使用復(fù)合潤(rùn)滑粉2溫壓(粉末120℃,模具150℃,800MPa)的混合粉生坯的SEM照片。圖3是低倍SEM照片,從照片上樣品相當(dāng)致密。該樣品局部放大的細(xì)節(jié)如圖4所示??梢钥吹椒勰╊w粒變形較大,顆粒緊密接觸。在顆粒內(nèi)出現(xiàn)了大量的微細(xì)亞晶結(jié)構(gòu),尺寸為2~3μm或更小。其中,必定存在大量的位錯(cuò)。這表明,在使用復(fù)合模壁潤(rùn)滑劑溫壓獲得高密度壓坯的致密化主要機(jī)理是溫壓的塑性變形機(jī)理。另一方面,顆粒內(nèi)出現(xiàn)了大量的微細(xì)亞晶結(jié)構(gòu)的壓坯儲(chǔ)存了較高的應(yīng)變能。這個(gè)應(yīng)變能將在而后的燒結(jié)過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)闊Y(jié)驅(qū)動(dòng)力,活化燒結(jié)過(guò)程。由此表明,溫壓和靜電模壁潤(rùn)滑的綜合作用可以大幅度地提高316L粉末壓坯的生坯密度。
例4壓制混合粉有316L不銹鋼粉和0.2wt%EBS、316L不銹鋼粉和0.2wt%EBS以及0.6wt%Fe-Mo-b(粗)、316L不銹鋼粉和0.2wt%EBS以及0.6wt%Fe-Mo-b(細(xì))、316L不銹鋼粉和0.2wt%EBS以及0.6wt%Cu-P?;旌戏蹞u勻0.5h。用新型靜電模壁潤(rùn)滑噴射裝置(以申請(qǐng)專(zhuān)利)進(jìn)行模壁潤(rùn)滑,采用EBS蠟外潤(rùn)滑,靜電電壓控制在10KV以下,模具引導(dǎo)線(xiàn)接地,以利于帶電潤(rùn)滑粉在模壁上的吸附,稱(chēng)重5g混合粉,倒入直徑為φ10.55mm圓柱形模腔中,在壓制壓力550~950MPa下,采用溫壓壓制混合粉。在溫壓過(guò)程中,粉末與模具的溫度用熱電偶分別控制在110℃和110℃。用螺旋測(cè)微器測(cè)量壓坯尺寸(誤差0.001mm),用感量為0.0001g的電子天平稱(chēng)重,計(jì)算得到密度值。如表4所示表4 在915MPa室/溫壓壓制下?lián)接杏操|(zhì)合金粉的混合粉(0.2wt%EBS蠟)生坯密度
壓制混合粉中存在硬質(zhì)粉末,可能降低生坯密度。采用靜電模壁潤(rùn)滑和溫壓技術(shù)相結(jié)合能夠一定程度上提高混合粉的生坯密度。如表4所示,在915MPa的室溫壓制下,添加硬質(zhì)粉末混合粉的生坯密度比無(wú)硬質(zhì)粉末混合粉的生坯密度高,如有6wt%Fe-Mo-B(粗)的混合粉生坯密度為7.09g/cm3,比無(wú)硬質(zhì)粉末的混合粉生坯密度高0.18g/cm3;而采用溫壓壓制,則摻有硬質(zhì)粉的混合粉生坯密度比·室溫壓制的高,最大幅度達(dá)到0.14g/cm3,除摻有6wt%Fe-Mo-B(粗)的混合粉生坯密度相對(duì)而言來(lái)得大外,其余均比未摻有硬質(zhì)粉的混合粉生坯密度小。但總的來(lái)說(shuō),采用靜電模壁潤(rùn)滑與溫壓技術(shù)相結(jié)合,可以提高摻有硬質(zhì)粉末的混合粉生坯密度。
權(quán)利要求
1.一種316L不銹鋼粉末熱壓成形方法,其特征在于先對(duì)316L不銹鋼壓制粉末與模具進(jìn)行加熱,并用熱電偶分別控制316L不銹鋼壓制粉末與模具的溫度,316L不銹鋼壓制粉末加熱溫度控制在100℃~140℃,模具加熱溫度控制在100℃~160℃;使用靜電模壁潤(rùn)滑裝置對(duì)模具內(nèi)壁噴涂復(fù)合潤(rùn)滑粉,使用的復(fù)合潤(rùn)滑粉組成為25質(zhì)量%~75質(zhì)量%EBS蠟+25質(zhì)量%~75質(zhì)量%石墨或25質(zhì)量%~75質(zhì)量%W-special蠟+25%~75%石墨,模具引導(dǎo)線(xiàn)接地,復(fù)合潤(rùn)滑粉噴涂完畢后,把加熱后的316L不銹鋼壓制粉末倒入模具的模腔中進(jìn)行壓制成形。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種316L不銹鋼粉末熱壓成形方法,先對(duì)316L不銹鋼壓制粉末與模具進(jìn)行加熱,并用熱電偶分別控制316L不銹鋼壓制粉末與模具的溫度,316L不銹鋼壓制粉末加熱溫度控制在100℃~140℃,模具加熱溫度控制在100℃~160℃;使用靜電模壁潤(rùn)滑裝置對(duì)模具內(nèi)壁噴涂復(fù)合潤(rùn)滑粉,使用的復(fù)合潤(rùn)滑粉組成為25%~75%EBS蠟+25%~75%石墨或25%~75%W-special蠟+25%~75%石墨,模具引導(dǎo)線(xiàn)接地,復(fù)合潤(rùn)滑粉噴涂完畢后,把加熱后的316L不銹鋼壓制粉末倒入模具的模腔中進(jìn)行壓制成形。其優(yōu)點(diǎn)在于能獲得較高密度生坯,達(dá)到較好的尺寸精度要求,操作簡(jiǎn)單,壓制效率高。
文檔編號(hào)C22C33/02GK1472027SQ03146328
公開(kāi)日2004年2月4日 申請(qǐng)日期2003年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月9日
發(fā)明者果世駒, 陳邦峰, 楊霞, 胡學(xué)晟, 魏延平 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)