溫壓，溫壓工藝就是采用特制的粉末加溫、粉末輸送和模具加熱系統(tǒng)，將加有特殊潤滑劑的預(yù)合金粉末和模具等加熱至130℃~150℃，并將溫度波動控制在±2.5℃以內(nèi)，然后和傳統(tǒng)粉末冶金工藝一樣進行壓制、燒結(jié)而制得粉末冶金零件的技術(shù)。被譽為進入90年代以來，粉末冶金零件生產(chǎn)技術(shù)方面最為重要的一項技術(shù)進步。
簡介
溫壓是用一次壓制-一次燒結(jié)工藝，制造材料密度不低于7.39/cm的高強度粉末冶金結(jié)構(gòu)零件的一項經(jīng)濟可行的新技術(shù)。例如，芝加哥粉末金屬制品公司用溫壓工藝為福特汽車公司生產(chǎn)了重1.1kg的自動變速器中的變扭器轂。經(jīng)過廣泛的耐久試驗證明，這種粉末冶金零件的使用性能優(yōu)于用切削加工和熱處理由鍛鋼制造的零件，同時還大大減低了零件的生產(chǎn)成本。
溫壓工藝
溫壓工藝是近年來出現(xiàn)的一種制造密度大于7.29/cm的鐵基粉末冶金制品的新工藝。下圖所示為溫壓工藝流程。其本質(zhì)上仍屬于傳統(tǒng)粉末冶金工藝的范疇，可使用傳統(tǒng)的粉末冶金成形設(shè)備和大多數(shù)普通粉末一材料系統(tǒng)，只是需要將原料粉末和模具加熱到130～150℃。為保證良好的粉末流動性與粉末充填性，必須嚴(yán)格控制整個系統(tǒng)的溫度，粉末與模具二者的溫度偏差均應(yīng)控制在±2.5℃以內(nèi)。
制造工藝的選擇在很大程度上和零件形狀密切相關(guān)。對于適于在剛性模具中壓制成形和從其中脫出的零件，當(dāng)然選擇傳統(tǒng)粉末冶金工藝最合適。當(dāng)普通粉末冶金工藝可滿足零件的設(shè)計要求時，就不需要采用其他粉末冶金工藝。若零件的形狀很復(fù)雜，用普通粉末冶金工藝難以成形，且產(chǎn)量大，特別是小型零件，一般趨向于選擇金屬注射成形工藝，現(xiàn)在用這種工藝制造的零件質(zhì)量已接近100g。對于要求材料性能高的精密零件，往往選用粉末鍛造工藝。
溫壓成形
目前，機械工業(yè)特別是汽車工業(yè)所進行的開發(fā)，主要是使部件小型化。達到這一目標(biāo)的一個措施便是采用較高強度的材料。對于常規(guī)材料來說這意味著增加合金元素，但對粉末冶金則意味著提高密度。為提高密度，過去十幾年來已開發(fā)出好幾種工藝方法，例如制造高壓縮性粉末，高溫?zé)Y(jié)，活化燒結(jié)，粉末鍛造，高壓成形，沖擊成形，熱等靜壓等。目前最具吸引力的要數(shù)各種溫壓工藝了。溫壓成形已用于生產(chǎn)高性能軟磁材料、高密度復(fù)雜形狀的燒結(jié)鋼零件，特別是鏈輪、傳動齒輪、發(fā)動機齒輪等高強度汽車零件。
不同于熱壓和加壓燒結(jié)，溫壓成形是將混合粉末和模具加熱到一定溫度（通常是200℃以下）進行壓制，所得壓坯仍進行常規(guī)燒結(jié)。采用溫壓成形不僅使生坯密度提高，而且其燒結(jié)坯的密度也提高；溫壓成形所用的壓制壓力和脫模壓力均比常規(guī)的粉末冶金成形低，從而提高了模具壽命，降低了成本；溫壓成形可降低壓坯的彈性后效，從而可減少壓坯的分層、裂紋等缺陷，提高了壓坯的質(zhì)量和成品率。
溫壓工藝的核心技術(shù)與溫壓技術(shù)的致密化機理
溫壓工藝的核心技術(shù)包括粉末原料與粉末加熱系統(tǒng)。粉末加熱系統(tǒng)相對較為容易實現(xiàn)。而溫壓粉末原料的設(shè)計與生產(chǎn)則為溫壓工藝中最關(guān)鍵的核心技術(shù)，是溫壓工藝獲得高密度鐵基粉末壓坯的技術(shù)基礎(chǔ)。溫壓粉末原料的制造技術(shù)主要包括基粉制造技術(shù)和新型聚合物潤滑劑的設(shè)計。
國際上大型金屬粉末公司如瑞典赫格納斯公司、美國赫格納斯公司和加拿大魁北克省金屬粉末公司制造的商用溫壓粉末，一般都采用壓縮性能優(yōu)異的部分預(yù)合金化鐵粉作基粉，這是溫壓粉末原料的基石。制備壓縮性能優(yōu)異的部分預(yù)合金化粉末的關(guān)鍵在于部分預(yù)合金化工藝及合金化程度的控制。研究發(fā)現(xiàn)，除鐵粉本身的特性如鐵粉顆粒形貌、粒度及其合理搭配與
純度以外，鐵粉顆粒與合金元素顆粒之間的適度合金化有助于鐵粉塑性的改善，即由于未合金化區(qū)域中的間隙元素的原子（O、C、N）在擴散處理過程中發(fā)生了向合金化區(qū)域的定向遷移，導(dǎo)致鐵顆粒的純化和軟化，粉末壓縮性提高。
由于溫壓通常在130℃左右進行，傳統(tǒng)的硬脂酸鋅已處于液態(tài)，不能作為溫壓粉末的潤滑劑，而必須設(shè)計新的潤滑劑體系。嚴(yán)格地講，溫壓用潤滑劑應(yīng)具備兩大功能，即潤滑功能與為確保潤滑效果最大化的黏結(jié)作用。后者能確保潤滑劑膜均勻地包覆在鐵基合金粉末顆粒表面上，使?jié)櫥瑒┑臏p摩作用能最大程度地發(fā)揮。選擇具體潤滑劑組元時應(yīng)考慮其耐壓能力，即在高壓力下應(yīng)保持潤滑膜的連續(xù)性。據(jù)資料報道，聚酰胺、聚酰亞胺、聚醚多元醇亞胺、聚醚、聚砜、纖維素酯、熱塑性酚醛樹脂、聚乙二醇、聚乙烯醇、阿克蠟等及其上述物質(zhì)的組合物可作為溫壓粉末中的潤滑劑。溫壓用潤滑劑的選擇應(yīng)考慮以下技術(shù)要求：①熔點應(yīng)高于溫壓溫度；②低的摩擦因數(shù)，即優(yōu)異的潤滑效果；③潤滑作用具有明顯的溫度效應(yīng)，即隨著溫度的升高，摩擦因數(shù)下降；④較寬的分解溫度范圍，避免導(dǎo)致燒結(jié)體膨脹與開裂；⑤潔凈環(huán)保。
溫壓的致密化機理與普通壓制工藝基本相同，兩者之間的差異在于，溫壓時粉末顆粒重排與塑性變形進行得更加充分。因此，溫壓工藝能獲得更高的壓坯密度。一方面，在溫壓溫度下，鐵顆粒的加工硬化速度和加工硬化程度降低，鐵粉顆粒的塑性變形能力得到改善，即降低了塑性變形阻力。另一方面，潤滑劑對溫壓致密化的貢獻主要通過兩個途徑實現(xiàn)。首先，優(yōu)異的潤滑作用能有效地降低顆粒之間的內(nèi)摩擦使顆粒重排易于進行，便于獲得緊密堆積結(jié)構(gòu)；其次，潤滑劑能大幅度降低粉末顆粒與模壁之間的摩擦，減小了施加的外壓損失。溫壓過程中顆粒之間的內(nèi)摩擦與模壁摩擦的降低相對地提高了作用在粉末體上的有效壓制壓力，有利于壓坯密度的提高。
特點
溫壓工藝作為粉末冶金工業(yè)的一項重大工藝進展，具體來說，它具有以下幾個特點：
（1）生產(chǎn)成本低：有關(guān)資料表明，以制取相似密度的零件為例，假定一次壓制、燒結(jié)的普通粉末冶金工藝的成本為1，則粉末鍛造工藝的成本為2.0，復(fù)壓復(fù)燒工藝的成本為1.5，滲銅工藝的成本為1.4，而溫壓工藝的成本為1.25，僅略高于傳統(tǒng)工藝。
（2）壓坯密度高：相同壓制壓力下，溫壓工藝壓制的生坯密度比傳統(tǒng)方法高0.13~0.25g/cm，可達7.4g/cm，燒結(jié)密度高達7.6g/cm。
（3）壓坯強度高：與傳統(tǒng)模壓工藝相比，采用溫壓工藝制造的零件的疲勞強度可提高10%~40%，極限抗拉強度提高10%，燒結(jié)態(tài)極限抗拉強度≥1200MPa。表面光潔度好。
（4）壓制壓力低和脫模力低：于獲得相同密度的零件，溫壓工藝的壓制壓力至少降低140MPa，脫模力低40MPa，這都有利于提高模具壽命和制取形狀復(fù)雜、面積大的產(chǎn)品。
（5）壓坯密度分布均勻且燒結(jié)性能好：溫壓工藝制取的齒輪類零件，密度均勻程度優(yōu)于傳統(tǒng)方法制取的零件。經(jīng)過燒結(jié)后，燒結(jié)收縮率小，屈服強度和沖擊韌性均高于傳統(tǒng)工藝。
溫壓成形技術(shù)的典型應(yīng)用
溫壓成形技術(shù)的出現(xiàn)大大地擴大了粉末冶金零件的應(yīng)用范圍。目前，溫壓成形已成功應(yīng)用于各種形狀復(fù)雜的高密度、高強度粉末冶金零件的工業(yè)化大批量生產(chǎn)，新的標(biāo)志性的產(chǎn)品越來越多。下面主要介紹溫壓工藝的一些典型應(yīng)用。
汽車傳動轉(zhuǎn)矩變換器渦輪轂
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，高性能發(fā)動機的出現(xiàn)對傳動轉(zhuǎn)矩變換器渦輪轂的性能提出了更高的要求。用傳統(tǒng)粉末冶金工藝生產(chǎn)的渦輪轂由于密度較低而使其性能滿足不了要求。因此，原來用粉末冶金工藝生產(chǎn)的渦輪轂后來改用鍛造生產(chǎn)。而溫壓成形技術(shù)的出現(xiàn)使得用粉末冶金方法通過一次壓制、一次燒結(jié)生產(chǎn)高密度、高性能、復(fù)雜形狀的零件成為可能。現(xiàn)在采用擴散合金化的Fe-4Ni-1.5Cu-0.5Mo材料，通過溫壓可使材料的密度達7.259/cm以上，使性能得到快速提高而重新奪回了原來失去的市場，并榮獲1997年MPIF（Metal Powder Industries Federation）年度零件設(shè)計比賽大獎。溫壓渦輪轂的拉伸強度為807MPa，硬度為HRC17，在扭矩為1210N·m時可承受100萬次以上循環(huán)。其制造工藝與原來的鍛鋼工藝相比，省略了機加工、熱處理等5道工序，降低成本30%以上，設(shè)備投資減少50%以上。福特汽車公司已將該渦輪轂用于6.8L柴油發(fā)動機上，如E40D四速車、F-150卡車、Econoline貨車和大型公共交通車上的發(fā)動機。
溫壓連桿
汽車發(fā)動機連桿的工況條件非常惡劣，對材料的疲勞強度提出了很高的要求，于是粉末鍛造連桿于1967年應(yīng)運而生。隨后，日本的豐田汽車、美國的通用汽車公司、Ford公司、德國的Porshe公司、BMW公司、意大利的Fiat公司和英國的GKN公司等均在汽車發(fā)動機中應(yīng)用了粉末鍛造連桿。
為了提高粉末壓制連桿的可靠性，法國Federl Mogul公司于1999年開始了利用溫壓工藝制造發(fā)動機連桿的研究。其溫壓一燒結(jié)連桿獲得了2000年EPMA（歐洲粉末冶金協(xié)會）的粉末冶金創(chuàng)新頭等獎。這種連桿的使用性能和鍛軋鋼或粉末鍛造連桿相同，但制造成本比粉末鍛造連桿降低了50%，連桿重量減輕了6.5%。其所用粉末為加拿大Quebec金屬粉末公司的4401型低合金鋼粉，溫壓壓力為1000MPa，密度達到7.4g/cm，燒結(jié)溫度為1130℃。在燒結(jié)狀態(tài)下抗拉強度為1050N/mm，屈服強度為560N/mm，抗壓屈服點為750N/mm，對稱循環(huán)拉壓疲勞強度為320MPa（r=1），其波動僅為10 MPa。
溫壓-燒結(jié)連桿的問世，不但將逐漸取代粉末鍛造連桿，還將大大擴大粉末冶金零件的應(yīng)用領(lǐng)域。法國Federal Mogul公司已計劃從2002年起生產(chǎn)1500萬根溫壓連桿，連桿重量為350~600g，以適應(yīng)歐洲汽車制造廠商生產(chǎn)的各種發(fā)動機的需要。
齒輪類零件
用溫壓工藝生產(chǎn)的粉末冶金零件具有低成本、高密度、性能均一和精度高等優(yōu)點，因而在齒輪類的高性能零件上具有廣泛的應(yīng)用前景，如汽車傳動齒輪、油泵齒輪、凸輪、鏈輪、轉(zhuǎn)向渦輪、發(fā)動機齒輪、電動工具齒輪等。美國的Hoeganaes公司與Cincinnati公司以及其余幾家制造廠聯(lián)合，已采用溫壓工藝生產(chǎn)出從100g到超過1000g大小不等的、由簡單的一個臺階的正齒輪到多臺階的內(nèi)、外齒輪與斜齒輪等各種齒輪，燒結(jié)密度可高達7.459/cm。
參考資料 >