粉末压制过程中的摩擦与润滑.docx
- 文档编号:27267912
- 上传时间:2023-06-28
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:245.27KB
粉末压制过程中的摩擦与润滑.docx
《粉末压制过程中的摩擦与润滑.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《粉末压制过程中的摩擦与润滑.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
粉末压制过程中的摩擦与润滑
粉末压制过程中的摩擦与润滑
摘要:
粉末成形过程中的摩擦行为是一个十分复杂的问题,受粉末和模具材料性能、粉末形状大小、模具外表状况、粉末与模具间相对运动速度、润滑剂特性、粉末和模具温度等许多因素的影响.摩擦造成了制品密度低、分布不均匀、模具磨损,影响了制品的性能、尺寸精度及其应用范围。
特别是复杂形状、厚度尺寸较大的粉末冶金制品,摩擦的存在极易造成制品的失效。
摩擦行为的复杂性使得对其进展准确的测定和表达比拟困难,加之这方面的研究不多,造成了进一步研究的困难.综述近几年国外对粉末成形过程摩擦现象的研究进展。
关键字:
金属粉末;压制;摩擦模型;润滑
一、粉末成形简介
1、粉末成型:
通过外力,把粉末或其聚集体制作成具有一定尺寸、形状和强度的坯体或制品。
2、成型目的:
获得要求形状和尺寸,质地均匀,尽可能的致密,有一定强度的坯体。
通常又与最正确均匀化,致密化等联系在一起模压成形是最根本方法。
3、压制成型原理:
机械压力连续地或屡次地通过压头传递到在模型中的粉末体上,在高压下粉末体致密化而形成具有一定形状、尺寸和强度的坯体[1]。
4、压制机理:
a.颗粒重排:
在低压时,颗粒发生重新排列而填充气孔产生严密堆积
b.在较高压力下,引起颗粒的破碎,并通过碎粒的填充而致密。
在压力一定时,致密化能力决定于压制粉料颗粒的性质〔包括团聚体〕〔主要是物料颗粒的硬度〕。
c.塑性变形:
在高压下,通过塑性形变填充空间,这时颗粒间的点接触变成面接触。
二、粉末压制过程
2.1成形前原料准备
2.1.1退火
将金属缓慢加热到一定温度,保持足够时间,然后以适宜速度冷却(通
常是缓慢冷却,有时是控制冷却)的一种金属热处理工艺。
金属粉末退火的目的:
a.氧化物复原,降低碳和其它杂质的含量,提高粉末的纯度;
b.消除粉末的加工硬化,稳定粉末的晶体构造;
c.防止超细粉末自燃,将其外表钝化[2]。
2.1.2混合
a.混合:
将两种或两种以上不同成分的粉末混合
b.将一样成分而粒度不同的粉末混合
混合方法:
机械法〔干混、湿混〕和化学法
机械法:
干混用于生产铁基制品;湿混用于生产硬质合金。
混料设备有球磨机、V型混合器、锥形混合器、酒桶式混合器、螺旋混合器等。
湿混介质要求不与物料发生化学反响,沸点低易挥发,无毒性,来源广,本钱低,常用酒精、汽油、丙酮等[3]。
化学法:
将金属或化合物粉末与添加的金属盐溶液均匀混合,或各组元全部某种盐的溶液形式混合,然后经沉淀、枯燥和复原等处理而得到均匀布的化合物。
化学法用于制取钨-铜-镍高密度合金,铁-镍磁性材料,银-钨触头合金等混合物原料等。
2.13筛分
筛分指把不同粒度的粉末通过网筛或振动筛进展分级,使粉末能够按照粒度分成粒度范围更小的级别。
2.1.4制粒
制粒指将小颗粒粉末制成较大颗粒或团粒,目的是改善粉末的流动性。
添加剂指成形前在粉末混合料中添加改善成形过程的物质或造成一定孔隙的造孔剂。
如石蜡、合成橡胶、樟脑、塑料及硬脂酸盐等[4]。
2.1.5润滑
a.模壁和模冲润滑
在刚性模具中压制时,在模壁和模冲上涂润滑剂,目的是使压制的坯块与模具容易别离,但由于粉末体外表是粗造的,易刺穿涂在模壁上的润滑膜产生摩擦,增加压制力,损坏模具。
对润滑剂的要求:
既要附着到金属外表上,还要不渗入到金属中。
润滑剂:
硬脂酸、人造蜡、硬脂酸锌、硬脂酸锂
b.粉末润滑
粉末润滑指润滑剂与金属粉末混合,其优点是润滑剂不仅在模壁上,而且也在粉末颗粒之间。
粉末润滑的条件:
将润滑剂磨成细粉、润滑剂的量取决与坯块形状、润滑时间:
20~40min。
模壁润滑已取得专利,技术上是可行的;粉末润滑被广泛应用。
润滑的优点:
减少压制压力,改善坯块密度分布,提高坯块密度;缺点:
润滑剂在烧结过程中分解产生的气体从炉子的预热带逸出,使烧结时的保护气氛流速加快,使炉子的管理变得复杂[5]。
2.2压制过程金属粉末的行为
2.2.1金属粉末压制现象
压制指松散粉末在压模内经受一定的压力后,成为具有一定形状、尺寸、密度和强度的坯块。
压制过程中,粉末颗粒间发生相对移动,粉末颗粒将填充孔隙,粉末体体积减小,粉末颗粒迅速到达最严密堆积。
粉末体在压模内受力后力图向各个方向流动,产生了垂直于压模壁的压力——侧压力,侧压力使压模内靠近模壁的外层粉末与模壁之间产生摩擦力摩擦力使接近加压端面局部压力最大,远离加压端面压力逐渐降低,压力分布的不均匀使坯块各个局部密度分布不均匀[6]。
图3-2压膜示意图
1—阴模;2—上模冲;3—下模冲;4—粉末
2.2.2粉末颗粒变形的三个阶段
a.粉末的位移
当施加外力时,粉末体内的拱桥效应遭到破坏,粉末颗粒彼此填充孔隙,重新排列位置,增加接触。
b.粉末的变形
粉末体受压后体积明显减小,除第一阶段的位移外,又发生变形。
变形有弹性变形和塑性变形。
c.脆性断裂
当施加的压力超过强度极限后,粉末颗粒碎裂成更小的碎片,使粉末接触更加严密。
2.2.3外摩擦力
摩擦力:
粉末体在压制过程中,运动的粉末与模壁之间存在摩擦现象,摩擦产生的力称为摩擦力。
单向压制时,其方向与压制方向相反。
式中μ——摩擦系数。
外摩擦力〔摩擦压力损失〕:
式中P′——模底受到的力;P——压制压力;H——坯块高度;D——坯块直径[7]。
单向压制示意图密度变化
摩擦压力损失与坯块尺寸的关系:
单向压制只有一个活动模冲,通常是上模冲动,下模冲不动。
坯块高度越高,坯块上下密度差越大,原因是摩擦压力损失的存在。
为了减小坯块上下密度差,单向压制只压制比拟薄的坯块。
即
或者
压坯密度分布不均匀:
用石墨粉作隔层的单向压制实验,各层的厚度和形状均发生了变化,由图可知在任何垂直面上,上层密度比下层密度大;在水平面上,接近上模冲的断面的密度分布是两边大,中间小;而远离上模冲的截面的密度分别是中间大,两边小[8]。
因为粉末体在压模内受力后向各个方向流动,于是引起垂直于压模壁的侧压力。
侧压力引起摩擦力,会使压坯在高度方向存在明显的压力降。
为了改善压坯密度的不均匀性,一般采取以下措施:
1〕减小摩擦力:
模具内壁上涂润滑油或采用内壁更光洁的模具;
2〕采用双向压制以改善压坯密度分布的不均匀性;
3〕模具设计时尽量降低高径比。
2.3粉末压制成形中的摩擦与润滑
采用润滑剂的目的是使压制成形时压力分布均匀,并且在压制后容易脱模。
润滑剂可混合在粉末内或涂在模壁上。
压制成形中存在有几种不同类型的摩擦,它们都受到润滑剂的影响。
应认真选择润滑剂的种类及其添加数量。
粉末里混入润滑剂,会影响粉末的流动及其松装密度,同时也影响粉末混合。
粉末体中的摩擦受粉末材质种类、粉末粒度、粉末形状以及周围介质(如气体气氛)和温度的影响。
润滑剂在烧结的最初阶段被烧除[9]。
2.4粉末压制成形中出几种摩擦
a.活动模冲与模壁的摩擦
b.粉末颗粒之间的摩擦
c.粉末颗粒与模壁间的摩擦
d.粉末变形时颗粒内部的内摩擦
e.脱模时压柸与模壁间的摩擦
2.5粉末压制成形时影响压力损失酌因素
a.粉末颗粒材料与模壁材料间的摩擦系数
b.金属粉末颗粒数目,此数值是粉末粒度,粉末形状和粉末总量的函数
c.模具材料的外表光洁度
d.金届粉末颗粒的外表状态
e.所采用的压制压力
2.6金属粉末制成形中摩擦损失的测定
2.6.1润滑荆
目的:
确保粉末颗粒间以及粉末与成形模具之间的润滑作用
含量:
为总重量的0.2—1%,
效果:
改善粉末的压制性,减少脱模压力,消除坯中的物理缺陷(开裂,密度不均匀等),减少工具磨损,消除模具内的擦伤;
应用:
粒状粉末,掺有帖结荆的骚末
2.6.2粘结剂
目的:
改善粉末颗粒间的粘附,
含量:
1—6%(可包括添加的润滑剂),
效果:
增加压坯内的粘附力,消除压坯内的物理缺陷,
应用:
多孔压坯(成形压力妖),球形粉末,硬而无塑性的粉末或极细位度扮末(1—10Fa米),其它应用:
细粉末的制粒,模压或挤压增塑荆(粘结剂含量5—20%)
2.6.3混合方法
细粉添加:
干混(润滑剂),
液体添加:
在室温或高温下混合(含量较高的情况下),溶于溶液(水或有机溶剂)的添加剂,将溶剂蒸发后,粘结剂或润滑荆即混入剩余物对烧结零件的影响
剩余物碳:
影响物理、机械和化学性能,氧化物:
影响操作性能(机械加工性能以及保持尺寸的性能)在炉子冷却区冷凝的剩余物
三、粉末颗粒的受力分析
3.1粉末颗粒的受力分析
粉末压坯是由大量颗粒构成的非连续体,其受力变形过程非常复杂。
目前已有一些定性描述,如Seelig和Wulff在1946年认为,压制成形过程中,粉末颗粒在模具中的受力行为可以分为相互重叠的三个阶段[10]:
1〕粉末颗粒的重堆积或重排列〔位移或滑动〕;
2)弹性和塑性变形;
3)断裂或破碎。
也有学者将其分为粉末颗粒的重堆积、塑性变形和粉体的整体变形等三个阶段。
通常在压制过程中,与上模冲接触局部的粉末密度首先增大,然后是半成品与模壁之间的摩擦增大。
在压制初期,粉末颗粒之间由于严密化重排而导致摩擦增大;在压制后期那么是由于粉末颗粒变形引起塑性流动而导致颗粒间摩擦增大,同时颗粒水平运动引起的模冲外表与粉末颗粒之间的摩擦亦增大。
摩擦力是除压制压力外影响粉末受力的最大因素。
在室温压制过程中,由于只有很少甚至没有粉末流动,摩擦力将抵消掉一局部模冲力。
粉末压制过程中涉及的摩擦力可以归纳为五类:
1)运动模冲与模壁之间;
2)粉末颗粒之间;
3)粉末颗粒与模具之间;
4)粉末颗粒变形过程中的内摩擦力;
5)脱模时模壁与压坯之间。
压坯与模壁之间的摩擦力,除了影响模具的振动特征外,还造成压制压力在压制方向上出现明显的压力降。
使得不同区域粉末颗粒的受力行为不一样,并导致压坯密度分布的不均匀,此外还影响脱模过程,导致脱模压力。
粉末颗粒之间的摩擦力,会对粉末的受力行为,特别是第一阶段的受力行为产生不利影响,从而影响粉体的致密化过程。
以上摩擦力导致压制压力的损失,损失量的大小决定于压制压力及粉末颗粒总体接触面积〔粉末颗粒越小,总体接触面积越大〕。
这局部损失的压制力在压制小零件时可以忽略,但在压制厚粗零件时应同时在零件上、下两方向加压以补偿摩擦损失。
压制速度不仅影响颗粒的摩擦状态和加工硬化程度,而且影响到空气从粉末颗粒间孔隙中的逸出状况。
当压制速度很快时,由于粉末体受冲击变形速度很快,当其变形速度大于粉末体因受力作用所发生的加工硬化速度时,粉末体变形便不受加工硬化作用的影响,致使压坯密度和强度有较大增加总的来说,快速压制对提高压坯强度有明显的作用。
粉末压制过程中,金属粉末受力行为的各个阶段对粉体致密化过程的奉献程度是不同的。
其中,粉末颗粒重排或滑动阶段的奉献最大。
粉末颗粒的塑性变形存在于致密化的全过程,特别是在进一步提高致密度方面有很重要的作用,但是伴随塑性变形而产生的加工硬化那么会对致密化过程产生阻碍作用。
因此,但凡有利于粉末颗粒重排和塑性变形,并可降低其加工硬化率的因素,都有利于进一步提高粉体的致密化程度[10]。
此外,研究还说明,粉末整体的屈服应力与相对密度有关系,相对密度越大,变形所需要的应力也越大。
3.2外部作用力分析
在粉末压制成形过程中,影响压制过程的工艺因素很多。
除粉末本身的压缩性和成形性等工艺性能外,外部作用力是很重要的因素。
外部作用力包括压制压力〔正压力〕、侧压力、剩余侧压力以及脱模压力,它们不仅与压坯密度等性能有关,而且直接造成压机及模架系统的振动[11]。
粉末体在钢制模具中于压力下成形时,施加于粉末体上的压力主要消耗于两个方面:
1)静压力:
当压坯内各处的压力和密度均匀分布,并且不考虑粉末与模壁之间的摩擦阻力和模具变形阻力时,仅仅为了克制粉末体对压制的阻力,也就是粉末体本身变形和致密所需要的力;
2)外摩擦力:
用来克制粉末与模壁之间的摩擦所消耗的力。
四、结论
在粉末冶金过程中,粉末压制成形是仅次于粉末烧结的一个重要问题。
目前,关于粉末压制成形过程,国内外已经开展了一系列研究工作。
但限于理论研究的局限,尚不能在压坯密度等参数与压制过程的外部作用力之间建立起明确的数学关系式;同时由于压制系统及压制运动方式的复杂性,在作用力与系统的振动形式之间建立明确的数学关系式也很困难,因而不能对压坯密度与模架系统振动方式之间的关联性作出明确的数学表述。
在这种情况下,通过建立数学模型来表述压制系统的振动特征,并采用模式识别的方法在压坯密度与系统振动特征之间建立对应关系,是一条值得深入研究的解决方法。
参考文献
[1]韩风麟.粉末冶金机械零件[M].:
机械工业,2003
[2]粉末冶金模具设计编写组.粉末冶金模具设计手册[M].:
机械工业,2005
[3]费多尔钦.科现代摩擦材料[M].:
冶金工业,1983
[4]周作平,申小平.粉末冶金机械零件实用技术[M].:
化学工业2006
[5]c:
\iknow\docshare\data\cur_work\f.g.wanfangdata..\download\Periodical_fmyjclkxygc200501001.aspx李元元;肖志瑜;陈维平粉末冶金高致密化成形技术的新进展-粉末冶金材料科学与工程2005(01)
[6]c:
\iknow\docshare\data\cur_work\f.g.wanfangdata..\download\Periodical_fmyjjs200206010.aspx李元元;肖志瑜;潘国如温压技术的应用、开展及其在我国的工业化前景-粉末冶金技术2002(06)
[7]c:
\iknow\docshare\data\cur_work\d.g.wanfangdata..\ExternalResource-jxgcxb202105002^11.aspx汪俊;罗思东;李从心金属粉末零件压制过程有限元模拟的研究-中国机械工程1997(04)
[8]c:
\iknow\docshare\data\cur_work\f.g.wanfangdata..\download\Periodical_zxjx200603009.aspx王德广;邓小民高精度管材拉拔过程计算机模拟研究[期刊论文]-重型机械2006(03)
[9]c:
\iknow\docshare\data\cur_work\f.g.wanfangdata..\download\Periodical_fmyjclkxygc200501002.aspxX咏;黄伯云;龙X易从PM2004看世界粉末冶金的开展现状-粉末冶金材料科学与工程2005(01)
[10]c:
\iknow\docshare\data\cur_work\f.g.wanfangdata..\download\Periodical_zxjx200501015.aspx王德广;邓小民芯棒位置对管材内径尺寸精度影响的有限元模拟-重型机械2005(01)
[11]c:
\iknow\docshare\data\cur_work\f.g.wanfangdata..\download\Periodical_fmyjgy200302001.aspx果世驹粉末冶金温压技术的进展[期刊论文]-粉末冶金工业2003(02)
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 粉末 压制 过程 中的 摩擦 润滑