粉末冶金高速压制技术的研究现状及发展
摘要：介绍一种低成本高密度粉末冶金零件成形技术一高速压制技术，通过阐述该技术的特点、原理、关键技术分析，指出其材料性能和应用前景以及高速压制技术目前存在的问题。
关键词：粉末冶金；高速压制；高密度
粉末冶金技术以其低成本、近净形等加工特点在许多领域得到广泛应用。密度对粉末冶金材料至关重要，它显著影响结构材料的力学性能，尤其是疲劳性能。因此提高材料密度是粉末冶金的主要研究内容之一。近年来粉末冶金新技术、新工艺层出不穷，温压技术、表面致密技术、高速压制技术等新技术的出现，使得粉末冶金技术不断取得突破性进展。高速压制技术(high velocity compaction，简称HVC)是瑞典Hoganas公司在2001年6月主持召开的专门会议所推介的一种新技术，它所使用的重锤能产生强烈的冲击波，能在0.02s内将能量通过压模传给粉末进行致密化，间隔0.3s的一个个附加的冲击波可将密度不断提高，使材料的性能更加优异，成本更加低廉，采用该技术可利用比传统压制小的设备生产超大零件。HVC可能是粉末冶金工业寻求低成本高密度材料加工技术的又一次新突破。
1 高速压制技术的特点
1．1高密度高性能
HVC技术通过强烈的冲击波进行压制，使P／M零件达到高密度，它不仅
可以使零件高致密化，而且可以使其密度均匀化。与传统压制相比，HVC技术可使压坯密度提高0.3 g
／cm3以上，如右图1所示。
典型的齿轮冲击试验表明其
密度变化小于0.01 g／cm3。
将高速压制与其它工艺相结
合，可使粉末压坯密度更高。
以铁基压坯为例，HVC技术
与模壁润滑相结合，压坯密度
可达7.6 g／cm3，与模壁润滑
和温压结合的压坯密度达7.7g／cm3，若采用高速复压复烧工艺，压坯密度可达7.8g／cm3，接近全致密。密度对提高材料性能的影响显而易见，如基于D.AE和Astaloy CrM的、采用HVC技术制备的材料与传统压制技术制备的材料相比，抗拉强度和屈服强度均提高20％～25％，其他各项性能指标也均有较大提高。
1.2弹性后效低
用HVC技术成形的压坯，其径向弹性后效比传统压制低。研究表明，对于水雾化普通铁基粉末ASCl00.29，高速压制成形的直径为31mm的圆柱体 生坯径向弹性后效比传统压制的减少40％[1]。弹性后效与压坯几何形状和粉末材料有关，北京科技大学王建忠等[2]发现，对于电解铜粉，多次高速压制的弹性后效比单次高速压制的小，从而减小了试样的脱模力。
1.3生产成本低
P／M零部件在小轿车中的用量不断增加，探索出一个既能提高材料性能又不增加成本的生产方法，对于汽车生产厂家尤为重要。以传统的一次压制为参考，几种粉末冶金工艺的相对生产成本如图2所示。由此可见，采用高速压制技术制备的密度、高性能P／M零部件，具有良好的性价比，在成本与性能之间找到了最佳结合点。
图2几种不同制备工艺材料密度与成本比较Ⅱ
1.4高生产率
HVC的压制速度比传统压制快500～1000倍，其压制工序与传统压制工序相同，可用于大批量生产。
1.5 低经济成形大零件
HVC可以通过连续不断的高频冲击迅速提高密度，密度和冲击能量之间的关系可以叠加，而在传统压制中采用重复压制密度提高不明显。这种快速多重压实的特点在成形大型零件时具有实用性，且可通过较小型设备生产
超大型零件，并使成本更低。。例如，HVC要获得相同的密度，用4kJ的能量冲击一次和2kJ的能量冲击两次都可以实现。多重冲击致密的优点就是可以用比传统压制小的设备制备重达5kg的零部件，如用一次冲击能量为4～6kJ的HVC机来生产某一零件，可以用2×3kJ或3×2kJ的HVC机来制造而不需要用很大的设备。多重冲击可由高速循环(冲击间隔小于0.3s)来实现。通过对重锤冲击行程的控制，冲击能量控制已实现计算机操作，可以通过任意选择的冲击能量来安排冲击次序。
2 HVC技术基本原理
高速压制生产零件的过程和传统的压制过程工序相同。混合粉末加进送料斗中，粉末通过送粉靴自动填充模腔压制成形，之后零件被顶出并转入烧结工序。所不同的是高速压制的压制速度比传统压制高500～1000倍，压机锤头速度高达2～30 rn／s，液压驱动的锤头重达5～1200kg，粉末在0．02s之内通过高能量冲击进行压制，压制时产生强烈的冲击波。通过附加间隔。0．3s的多重冲击能达到更高的密度。锤头的质量和它在冲击瞬间的速度决定了压制能量的大小和材料致密的程度。图3为HVC的基本原理示意图。
图3 HVC基本原理示意图[3]
3关键技术分析
作为一种新型的粉末成形技术，HVC技术已成为目前粉末冶金界的研究热点，其关键技术受到严格的保护。HVC关键技术主要包括几下几个方面：
1) 高速压制设备
高速压制关键技术之一是如何获得瞬间的冲击速度，很多研究者通过各种不同的方法来驱动冲锤产生很高的速度，如压缩空气、爆炸混合气，磁力驱动、机械弹簧掣。但爆炸成形由于生产效率低，可控制性差，并不适合工业化生产。而电磁压制是利用感应电流和磁场的相互作用产生电磁力来压缩粉末，使粉末在非常短的时间内达到致密，但由于趋肤效应，中心部分可能压制不足，故主要适合于加工外形复杂或中空的零件，例如各种齿轮、齿环、轮毂等。瑞典Hydropulsor公司利用其独创的液压阀门和控制系统，使冲击速度达到普通液压机的50倍，这一安全、高效技术的出现，极大地促进了动态压制技术的发展。目前世界上这种高速压制成形机只有7台，国内也只有南京东部希顿精密机械有限公司能制造高速压机，因此研究具有自主知识产权的高速压机很有必要。
2) 粉末及模具系统。
目前高速压制的生坯密度和性能均高于常规压制，但是在高速压制状态下，可能会造成粉末与模壁之间的焊合，使粉末压坯难于从阴模中脱出。因此，成功开发润滑系统是实现高速压制的关键技术之一。在模压过程中，致密化存在一个颗粒重排主导阶段向塑形变形主导阶段的转变[4-5]，
在高压制力下颗粒重排不占主要地位，模壁润滑能比粉末润滑更加有效地降低粉末与模壁的摩擦力。为了获得更高的压坯密度，模壁润滑技术有望在高速压制中得到应用。而且相对于不采用润滑剂或采用粉末润滑的高速压制，模壁润滑对减小压坯的脱模力显得尤为重要。另外，模具的设计和选材是HVC技术推广和应用的关键[6-7]。HVC技术与粉末冶金单向压制的模具很相似，但模具要承受剧烈的冲击波作用，因此必须设计为耐冲击震荡，且模具寿命在10万次以上。所以模具通常使用韧性很高的材料如锻造合金钢和粉末冶金合金钢。
3) 致密化机制。
果世驹教授[8]提出“热软化剪切致密化机制”，认为颗粒接合处在预压过程中形成“缺口”，当预成形的压坯进行高速压制时，“缺口”附近的颗粒表面形成高温剪切带并迅速蔓延，使颗粒容易发生塑性变形甚至局部焊合，从而达到高度致密化。同时通过实验和理论分析，以黄培云双对数压制方程为参照，推导出HVC通用的压制方程,该方程合理解释了粉末压坯的致密化行为和特征。对于铁粉，试验证明HVC方程有一定的精度，能够很好地指导速压制技术在铁粉上的应用。
4、HVC技术的应用
目前，国内对高速压制技术的研究还处于起步阶段，国外对该技术
的研究主要集中于铁粉，不锈钢粉和聚合物等。各种重要几何形状的零部件都进行过高速压制试验，用来确定高速压制的可行性范围及其局限性，并指导此领域内的发展趋势。诸如圆柱体、环形、棒体和凸轮等单
层高度的零件制造已获得成功；内、外齿轮，齿条，花键也制备出来；另外一些几何形状的零件，典型的如阀门座，带轮毂的圆筒或齿轮正在研究评估之中，且很有希望。高速压制的潜在应用不仅仅只局限在汽车工业，并且在现有的P/M领域也会有很大利用。大量抗磨，较高疲劳寿命或者高强度的零件都可以采用高速压制来生产。高速压制的能力能够满足很多工业上传动类零部件的要求。具有潜在应用前景的结构零件包括阀座、法兰、导向阀、连杆、链轮、凸轮凸角机构、轴承盖、衬套、齿轮轴、轴承座圈等。高速压制还将扩展P／M软磁复合材料的应用空间，该类零件包括磁芯和电动马达的定子与转子。目前正在继续研究生产更复杂的多级部件。图4是HVC压制的零件图。
图4 HVC技术制备的多阶和齿零件
5、结束语
HVC技术是传统粉末压制成形技术的极限式外延，为制备“三高一低”(高密度、高强度、高精度和低成本)的粉末冶金零件提供了一种新的成形方法。国外已广泛开展成形金属、陶瓷和聚合物等材料的研究，目前已进人生产应用。但HVC也存在一些问题，比如基于HVC瞬间冲击成形的特性，压制压力不适合表征其成形能力，如何评价HVC的技术优势是需进一步解决
的问题。此外，多次重复压制虽能达到更高的压坯密度，但压坯内部易出现缺陷，脱模时易分层或压坯烧结后出现肿胀等缺陷。国内对HVC技术的研究刚刚起步。充分利用国内已有的HVC试验平台，迅速开展该项目的研究，不仅具有重要的学术价值，而且能为提高我国粉末冶金零件的制造能力及其在国际市场的竞争力创造良好的条件。
参考文献
[1] SKOGLUND P．High density P／M components by high velocity compaction[J]．PM，2001，44(3)：15—17．
[2] 王建忠，曲选辉，尹海清，等．电解铜粉高速压制成形．中
国有色金属学报，2008，18(8)：1498—1503．
[3] SkogIund P.High-deisity PM components by high velocity compaction．HOganas AB，HOganas ,Sweden，2002
[4] SIMCHI A．Effects of lubrication procedure 011 theconsolidation，sintering and microstructural features of powdercompacts[J]．Materials and Design,2003，24(8)：585—594
[5] BABAKHANI A，HAERIAN A，GHAMBARI M．On thecombined effect of lubrication and compaction temperature onproperties of iron—based P／M parts[J]．Materials Science andEngineering，2006，437(2)：360-365．
[6] GEND H，STERl(ENBURG D．Hjgll一density multilevel PMcomponents by high velocity compaction：HERBERT D，RAIMUND R：Euro PM2004 Conference Proceedings．Shrewsbury UK：EPMA，2004：541—546．
[7] CHRISTER A．High velocity compaction(Hvc)of stainlesssteel gas atomized powder：HERBERT D，RAIMUND R．EuroPM2004 Conference Proceedings．Shrewsbury UK：EPMA，2004：533-564．
[8] 果世驹，迟悦，孟 飞，等．粉末冶金高速压制成形的压制方程．粉末冶金材料科学与工程，
2006，1 l(1)：24—27．
粉末冶金高速压制技术的研究现状及发展
摘要：介绍一种低成本高密度粉末冶金零件成形技术一高速压制技术，通过阐述该技术的特点、原理、关键技术分析，指出其材料性能和应用前景以及高速压制技术目前存在的问题。
关键词：粉末冶金；高速压制；高密度
粉末冶金技术以其低成本、近净形等加工特点在许多领域得到广泛应用。密度对粉末冶金材料至关重要，它显著影响结构材料的力学性能，尤其是疲劳性能。因此提高材料密度是粉末冶金的主要研究内容之一。近年来粉末冶金新技术、新工艺层出不穷，温压技术、表面致密技术、高速压制技术等新技术的出现，使得粉末冶金技术不断取得突破性进展。高速压制技术(high velocity compaction，简称HVC)是瑞典Hoganas公司在2001年6月主持召开的专门会议所推介的一种新技术，它所使用的重锤能产生强烈的冲击波，能在0.02s内将能量通过压模传给粉末进行致密化，间隔0.3s的一个个附加的冲击波可将密度不断提高，使材料的性能更加优异，成本更加低廉，采用该技术可利用比传统压制小的设备生产超大零件。HVC可能是粉末冶金工业寻求低成本高密度材料加工技术的又一次新突破。
1 高速压制技术的特点
1．1高密度高性能
HVC技术通过强烈的冲击波进行压制，使P／M零件达到高密度，它不仅
可以使零件高致密化，而且可以使其密度均匀化。与传统压制相比，HVC技术可使压坯密度提高0.3 g
／cm3以上，如右图1所示。
典型的齿轮冲击试验表明其
密度变化小于0.01 g／cm3。
将高速压制与其它工艺相结
合，可使粉末压坯密度更高。
以铁基压坯为例，HVC技术
与模壁润滑相结合，压坯密度
可达7.6 g／cm3，与模壁润滑
和温压结合的压坯密度达7.7g／cm3，若采用高速复压复烧工艺，压坯密度可达7.8g／cm3，接近全致密。密度对提高材料性能的影响显而易见，如基于D.AE和Astaloy CrM的、采用HVC技术制备的材料与传统压制技术制备的材料相比，抗拉强度和屈服强度均提高20％～25％，其他各项性能指标也均有较大提高。
1.2弹性后效低
用HVC技术成形的压坯，其径向弹性后效比传统压制低。研究表明，对于水雾化普通铁基粉末ASCl00.29，高速压制成形的直径为31mm的圆柱体 生坯径向弹性后效比传统压制的减少40％[1]。弹性后效与压坯几何形状和粉末材料有关，北京科技大学王建忠等[2]发现，对于电解铜粉，多次高速压制的弹性后效比单次高速压制的小，从而减小了试样的脱模力。
1.3生产成本低
P／M零部件在小轿车中的用量不断增加，探索出一个既能提高材料性能又不增加成本的生产方法，对于汽车生产厂家尤为重要。以传统的一次压制为参考，几种粉末冶金工艺的相对生产成本如图2所示。由此可见，采用高速压制技术制备的密度、高性能P／M零部件，具有良好的性价比，在成本与性能之间找到了最佳结合点。
图2几种不同制备工艺材料密度与成本比较Ⅱ
1.4高生产率
HVC的压制速度比传统压制快500～1000倍，其压制工序与传统压制工序相同，可用于大批量生产。
1.5 低经济成形大零件
HVC可以通过连续不断的高频冲击迅速提高密度，密度和冲击能量之间的关系可以叠加，而在传统压制中采用重复压制密度提高不明显。这种快速多重压实的特点在成形大型零件时具有实用性，且可通过较小型设备生产
超大型零件，并使成本更低。。例如，HVC要获得相同的密度，用4kJ的能量冲击一次和2kJ的能量冲击两次都可以实现。多重冲击致密的优点就是可以用比传统压制小的设备制备重达5kg的零部件，如用一次冲击能量为4～6kJ的HVC机来生产某一零件，可以用2×3kJ或3×2kJ的HVC机来制造而不需要用很大的设备。多重冲击可由高速循环(冲击间隔小于0.3s)来实现。通过对重锤冲击行程的控制，冲击能量控制已实现计算机操作，可以通过任意选择的冲击能量来安排冲击次序。
2 HVC技术基本原理
高速压制生产零件的过程和传统的压制过程工序相同。混合粉末加进送料斗中，粉末通过送粉靴自动填充模腔压制成形，之后零件被顶出并转入烧结工序。所不同的是高速压制的压制速度比传统压制高500～1000倍，压机锤头速度高达2～30 rn／s，液压驱动的锤头重达5～1200kg，粉末在0．02s之内通过高能量冲击进行压制，压制时产生强烈的冲击波。通过附加间隔。0．3s的多重冲击能达到更高的密度。锤头的质量和它在冲击瞬间的速度决定了压制能量的大小和材料致密的程度。图3为HVC的基本原理示意图。
图3 HVC基本原理示意图[3]
3关键技术分析
作为一种新型的粉末成形技术，HVC技术已成为目前粉末冶金界的研究热点，其关键技术受到严格的保护。HVC关键技术主要包括几下几个方面：
1) 高速压制设备
高速压制关键技术之一是如何获得瞬间的冲击速度，很多研究者通过各种不同的方法来驱动冲锤产生很高的速度，如压缩空气、爆炸混合气，磁力驱动、机械弹簧掣。但爆炸成形由于生产效率低，可控制性差，并不适合工业化生产。而电磁压制是利用感应电流和磁场的相互作用产生电磁力来压缩粉末，使粉末在非常短的时间内达到致密，但由于趋肤效应，中心部分可能压制不足，故主要适合于加工外形复杂或中空的零件，例如各种齿轮、齿环、轮毂等。瑞典Hydropulsor公司利用其独创的液压阀门和控制系统，使冲击速度达到普通液压机的50倍，这一安全、高效技术的出现，极大地促进了动态压制技术的发展。目前世界上这种高速压制成形机只有7台，国内也只有南京东部希顿精密机械有限公司能制造高速压机，因此研究具有自主知识产权的高速压机很有必要。
2) 粉末及模具系统。
目前高速压制的生坯密度和性能均高于常规压制，但是在高速压制状态下，可能会造成粉末与模壁之间的焊合，使粉末压坯难于从阴模中脱出。因此，成功开发润滑系统是实现高速压制的关键技术之一。在模压过程中，致密化存在一个颗粒重排主导阶段向塑形变形主导阶段的转变[4-5]，
在高压制力下颗粒重排不占主要地位，模壁润滑能比粉末润滑更加有效地降低粉末与模壁的摩擦力。为了获得更高的压坯密度，模壁润滑技术有望在高速压制中得到应用。而且相对于不采用润滑剂或采用粉末润滑的高速压制，模壁润滑对减小压坯的脱模力显得尤为重要。另外，模具的设计和选材是HVC技术推广和应用的关键[6-7]。HVC技术与粉末冶金单向压制的模具很相似，但模具要承受剧烈的冲击波作用，因此必须设计为耐冲击震荡，且模具寿命在10万次以上。所以模具通常使用韧性很高的材料如锻造合金钢和粉末冶金合金钢。
3) 致密化机制。
果世驹教授[8]提出“热软化剪切致密化机制”，认为颗粒接合处在预压过程中形成“缺口”，当预成形的压坯进行高速压制时，“缺口”附近的颗粒表面形成高温剪切带并迅速蔓延，使颗粒容易发生塑性变形甚至局部焊合，从而达到高度致密化。同时通过实验和理论分析，以黄培云双对数压制方程为参照，推导出HVC通用的压制方程,该方程合理解释了粉末压坯的致密化行为和特征。对于铁粉，试验证明HVC方程有一定的精度，能够很好地指导速压制技术在铁粉上的应用。
4、HVC技术的应用
目前，国内对高速压制技术的研究还处于起步阶段，国外对该技术
的研究主要集中于铁粉，不锈钢粉和聚合物等。各种重要几何形状的零部件都进行过高速压制试验，用来确定高速压制的可行性范围及其局限性，并指导此领域内的发展趋势。诸如圆柱体、环形、棒体和凸轮等单
层高度的零件制造已获得成功；内、外齿轮，齿条，花键也制备出来；另外一些几何形状的零件，典型的如阀门座，带轮毂的圆筒或齿轮正在研究评估之中，且很有希望。高速压制的潜在应用不仅仅只局限在汽车工业，并且在现有的P/M领域也会有很大利用。大量抗磨，较高疲劳寿命或者高强度的零件都可以采用高速压制来生产。高速压制的能力能够满足很多工业上传动类零部件的要求。具有潜在应用前景的结构零件包括阀座、法兰、导向阀、连杆、链轮、凸轮凸角机构、轴承盖、衬套、齿轮轴、轴承座圈等。高速压制还将扩展P／M软磁复合材料的应用空间，该类零件包括磁芯和电动马达的定子与转子。目前正在继续研究生产更复杂的多级部件。图4是HVC压制的零件图。
图4 HVC技术制备的多阶和齿零件
5、结束语
HVC技术是传统粉末压制成形技术的极限式外延，为制备“三高一低”(高密度、高强度、高精度和低成本)的粉末冶金零件提供了一种新的成形方法。国外已广泛开展成形金属、陶瓷和聚合物等材料的研究，目前已进人生产应用。但HVC也存在一些问题，比如基于HVC瞬间冲击成形的特性，压制压力不适合表征其成形能力，如何评价HVC的技术优势是需进一步解决
的问题。此外，多次重复压制虽能达到更高的压坯密度，但压坯内部易出现缺陷，脱模时易分层或压坯烧结后出现肿胀等缺陷。国内对HVC技术的研究刚刚起步。充分利用国内已有的HVC试验平台，迅速开展该项目的研究，不仅具有重要的学术价值，而且能为提高我国粉末冶金零件的制造能力及其在国际市场的竞争力创造良好的条件。
参考文献
[1] SKOGLUND P．High density P／M components by high velocity compaction[J]．PM，2001，44(3)：15—17．
[2] 王建忠，曲选辉，尹海清，等．电解铜粉高速压制成形．中
国有色金属学报，2008，18(8)：1498—1503．
[3] SkogIund P.High-deisity PM components by high velocity compaction．HOganas AB，HOganas ,Sweden，2002
[4] SIMCHI A．Effects of lubrication procedure 011 theconsolidation，sintering and microstructural features of powdercompacts[J]．Materials and Design,2003，24(8)：585—594
[5] BABAKHANI A，HAERIAN A，GHAMBARI M．On thecombined effect of lubrication and compaction temperature onproperties of iron—based P／M parts[J]．Materials Science andEngineering，2006，437(2)：360-365．
[6] GEND H，STERl(ENBURG D．Hjgll一density multilevel PMcomponents by high velocity compaction：HERBERT D，RAIMUND R：Euro PM2004 Conference Proceedings．Shrewsbury UK：EPMA，2004：541—546．
[7] CHRISTER A．High velocity compaction(Hvc)of stainlesssteel gas atomized powder：HERBERT D，RAIMUND R．EuroPM2004 Conference Proceedings．Shrewsbury UK：EPMA，2004：533-564．
[8] 果世驹，迟悦，孟 飞，等．粉末冶金高速压制成形的压制方程．粉末冶金材料科学与工程，
2006，1 l(1)：24—27．