1、粉末冶金成形體裂紋產(chǎn)生的常見原因簡 介潛在出現(xiàn)的裂紋已經(jīng)被視為具有巨大影響,并且經(jīng)常成為生產(chǎn)復(fù)雜形狀的零件時,粉末冶金技術(shù)應(yīng)用方面的限制因素.在一項行業(yè)范圍的調(diào)查中,消除或者是控制裂紋被認為是第二重要的優(yōu)先研究課題.首要課題即是整體提升機械性能.這一點值得注意,但是,對于行業(yè)被調(diào)查對象來說,提升材料性能所得到的益處僅比解決裂紋問題的重量性略高.粉末冶金零件的裂紋主要發(fā)生在燒結(jié)工序之前的成形壓制過程或加工.盡管裂紋可能要在燒結(jié)之后才會變得明顯,但是裂紋產(chǎn)生的根本原因極可能是燒結(jié)之前顆粒間粘結(jié)比較差.燒結(jié)時引起的應(yīng)力可能會“打開”裂紋,但是這極有可能已經(jīng)產(chǎn)生燒結(jié)之前的加工步聚.極少有例子表明不正確

2、的產(chǎn)品設(shè)計可能導(dǎo)致燒結(jié)時較高的應(yīng)力水平,為此應(yīng)力水平可能會超過零件的強度從而導(dǎo)致機械失效.這種情況發(fā)生相對較少,并且并非認為是本項目中研究的任何裂紋產(chǎn)生的條件.因此,本文將討論的裂紋是產(chǎn)生于燒結(jié)之前.燒結(jié)缺陷例如起泡或開裂并不認為是與裂紋這種缺陷同一等級的,所以本文并不涉及.如果粉末冶金零件在理想條件下成型,那么致密化過程將會是雙向的.對稱的和同步的.但實際上,使用常規(guī)模具系統(tǒng)要達到這種效果是幾乎不可能的.舉例來說,在脫模階段,上沖退出的同時,施加在成形體上的軸向壓力減少.所有的模具受到的是零件相對應(yīng)段相同的載荷,并且在卸壓時承受回彈,成形體受到的也是相同的載荷.回彈很小,但是不能忽略不計,并

3、且由于模具和成形體都嘗試達到平衡狀態(tài),從而產(chǎn)生的是非均一性的應(yīng)力條件.中模避免達到其非變形構(gòu)型,因為成形體這個時候還在并且正在抵抗徑向上的彈性應(yīng)力.當(dāng)產(chǎn)品從中模模腔脫出時,有必要或者由下沖施加一個向上的軸向力,或者中模向下運動,這種運動可以由一個存在于脫模開始時的徑向壓力的線性函數(shù)表示,當(dāng)成形體退出中模模腔 ,條件也是差異很大,因為僅僅存在于模腔內(nèi)的產(chǎn)品的一部分承受著徑向的壓力.最初的模具構(gòu)造和磨損也會影響壓力和應(yīng)力條件,因為雙向的,對稱的和同步的致密化過程是不可能的,所以需要注意機械失效的條件.成形體生胚強度成形的一個主要目標(biāo)是要獲得成形體設(shè)計形狀和尺寸的同時,達到合適的生胚強度,生胚強度是

4、成形體的機械強度,主要生成于粉末的互鎖,冷焊和粘結(jié).這點非常重要,因為成形體在燒結(jié)工序之前獲得尺寸和形狀的能力就取決于此.成形體生胚強度主要形成于顆粒表面不規(guī)則機械互鎖,并由成形過程中的塑性變形提升.成形體生胚強度必須在從成形壓機轉(zhuǎn)移到燒結(jié)爐的過程中具有足夠的強度以抵抗磨損和防止斷裂.這對于薄的產(chǎn)品,有薄的段的產(chǎn)品,低密度產(chǎn)品和有細邊的產(chǎn)品特別重要.對于大多數(shù)應(yīng)用來說,生胚強度值范圍在10MPA和30MPA之間才允許脫模和安全地搬運.粉末冶金零件成形過程中,由壓制力作用形成的顆粒間粘結(jié)提供生胚強度.在顆粒與顆粒之間的接觸區(qū)域發(fā)生的變形創(chuàng)造了固體結(jié)界.最初的高松裝密度和干凈的顆粒表面能夠擴大顆粒

5、間粘結(jié)形成.當(dāng)壓制力達到一定值,剪切力會起到破壞表面層的作用.顆粒與顆粒之間的引力相對較小,顆粒間互鎖是控制生胚強度的主要因素.通常,顆粒粘結(jié)離不開穿過結(jié)界的原子間的力和靜電力.這些力更大,無需很多粉末,表面要干凈.因此,對于控制生胚強度,機械互鎖起到最主要的作用.不規(guī)則的顆粒形狀能夠提高顆粒間的機械互鎖,從而提高生胚強度,圓形但不規(guī)則顆粒形狀通常可以達到最優(yōu)的生胚強度.這些特性,加上低成本和高壓縮性優(yōu)點,使得單軸中模成形處理使用中,水霧化鐵粉非常受歡迎.裂紋的形成通常,一個固體受到力的作用分離或分裂成2個或更多部分,這就叫做斷裂.斷裂的原因可以是裂紋,和載荷下裂紋增長.對于粉末冶金成形體生胚

6、,裂紋的產(chǎn)生主要可以歸為以下原因之一:顆粒間互鎖破裂;沒有形成顆粒間互鎖.顆粒間互鎖破裂的主要原因是粉末顆粒的阻斷或拉伸.互鎖破裂可能是受施加的張力作用或橫向的剪切力作用或者兩種力的組合作用.破裂區(qū)域可能在比淺表面更深的地方,并且也可能是不規(guī)則的,不連續(xù)的.另一方面,如果由達到微觀應(yīng)力強度等級的外應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力造成應(yīng)力集中,會導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生.因此,當(dāng)橫斷或水平粉末顆粒裂開面的常規(guī)應(yīng)力分量達到開裂應(yīng)力時,會出現(xiàn)由外應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力作用產(chǎn)生的裂紋.當(dāng)顆粒間粘結(jié)沒有形成,究其原因在于顆粒之間的有效孔隙阻礙了粉末與粉末之間接觸,圖1顆粒間粘接沒有形成的區(qū)域是沒有生胚強度的.比起成形過程中或成形過程后材料充實的

7、區(qū)域,這種區(qū)域更易出現(xiàn)斷裂或裂紋,甚至,這種區(qū)域在燒結(jié)后可能會出現(xiàn)間隙,原因在于這種區(qū)域沒有形成能夠使顆粒擴散的晶界. 圖1裂紋產(chǎn)生的根本原因裂紋產(chǎn)生的根本原因可以分為4個基本目錄:錯誤的材料整合性,顆粒間移位,非正常塑性應(yīng)變分離和高張力剪切力.圖2所示就是這4個目錄,并且列出了條件范例和對應(yīng)的成因. 圖2錯誤的材料整合性出于各種原因,金屬粉末使用添加劑.例如,添加合適的潤滑劑進行混合會提高壓縮性,減少脫模力.但是,混合鐵粉添加過多潤滑劑會抑制顆粒間粘結(jié)形成,粘合劑,雜質(zhì)甚至殘留空氣都會對粘結(jié)形成造成負面作用.顆粒間移位顆粒間粘結(jié)最初主要由塑性形變和粉末塊體運動形成,在理想條件下,致密化過程是

8、雙向的,對稱的和同步的,并且不會發(fā)生顆粒間邊移位.致密化過程之后的移位運動會阻止顆粒間粘結(jié)形成,并且能夠 破壞已經(jīng)在成形早期形成的粘結(jié).非正常塑性應(yīng)變分離成形過程中,顆粒會發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形.另外可恢復(fù)的塑性變形也會發(fā)生.最終成形階段之后,相關(guān)的壓力會減少并最終在脫模過程中降到零.成形壓力泄掉的瞬間,壓縮應(yīng)力釋放,成形體生胚將會突然從塑性向彈性階段變化.如果內(nèi)應(yīng)力大于成形體強度極限,裂紋就會產(chǎn)生.高張力剪切力在粉末冶金生胚狀態(tài)下,如果成形體由外因或內(nèi)因作用產(chǎn)生的張力剪切力高于成形體本身的生胚強度,那么就會產(chǎn)生裂紋.材料整合原因造成的裂紋空氣殘留在粉末物質(zhì)成形過程中,粉末量大約按照2:1的比

9、率下降.松散顆粒間的孔隙內(nèi)充滿的空氣必須在成形過程中被擠出,并且必須在比較少的時間內(nèi)完成,空氣必須從粉末矩陣和設(shè)計配合間隙公差很小的模具組件中被擠出.限制氣流產(chǎn)生的背壓會在產(chǎn)品各段成形前阻止空氣從粉末拒陣中被擠出,并把空氣圈閉在成形體內(nèi)部(圖3).有報告顯示當(dāng)模具完成成形過程,殘留在成形體中的最終空氣壓力可以達到50MPA,遠大于常 規(guī)粉末系統(tǒng)的生胚強度.對于大零件來說,這個問題更糟,原因在于成形過程中更多的空氣在末矩陣中移動更多的距離.圖3某些例子中,殘留空氣壓力可能不會立即導(dǎo)致缺陷.就像燒結(jié)過程中溫度升高,壓力也是一樣,殘留空氣相關(guān)應(yīng)力也是一樣,當(dāng)溫度達到可以去除粘合劑和潤滑劑的時候,空氣

10、壓力可以從打開的新的通道中釋放,如果任何時候壓力應(yīng)力大于顆粒粘結(jié)強度,就會產(chǎn)生裂紋.裂紋可以有大有小,延伸到表面的可能性或有或無.盡管這可能會被當(dāng)作一個燒結(jié)問題,但根源在于成形過程中的空氣殘留.過多潤滑劑通常,潤滑劑是在成形之前的混粉處理中統(tǒng)一添加分布到金屬粉末中,運輸條件.充填條件都可能影響這種分布.典型的潤滑劑組成是介于粉末量0.5到1.5WO之間.如果添加過多潤滑劑量,裂紋會很明顯出現(xiàn).造成潤滑劑過多的原因可能在于初始混合比率過高或者差的或不均勻的混粉,像結(jié)塊,團聚.在潤滑劑高度集中的區(qū)域可能不會形成正確的顆粒間粘結(jié),因為顆粒之間的接觸會受到阻礙,成形過程中,潤滑劑受到的壓力導(dǎo)致的壓力條

11、件類似于殘留空氣的作用.這種情況下,導(dǎo)致產(chǎn)生的是一股液壓力,潤滑劑會流向成形體內(nèi)鄰近區(qū)域,并且有些情況不會破壞顆粒間粘結(jié)(圖4).在燒結(jié)燃燒掉潤滑劑過程中,黑色殘留物可能會殘留在裂紋表面.污染任何材料,不管是金屬粉末,添加劑,或者雜質(zhì),只要對最終產(chǎn)品有負面作用,都被視作為污染.污染原因通常是較差的倉儲作業(yè).污染的存在阻礙成形過程中顆粒間接觸,也阻礙必要的顆粒間粘結(jié)形成.粉末雜質(zhì)對成形的影響已經(jīng)有過描述.另一種污染是成形過程中不能被充分破壞的顆粒表面過多氧形成的問題.氧化層會阻礙正確的顆粒間粘結(jié).這種缺陷不是一致的.從這種意義上說,裂紋會出現(xiàn)在不管污染出現(xiàn)的哪個位置,并且很少會在一個位置重復(fù)出現(xiàn)

12、,或重復(fù)同樣的幾何大小或形狀.圖4顆粒間移位造成的裂紋不充分的粉末傳播對于頂面有幾何突出部分的復(fù)雜粉末冶金零件,有必要在成形之前將粉末傳輸?shù)竭@些區(qū)域.粉末必須通過上下沖的協(xié)調(diào)動作在中模模腔內(nèi)完成重新分布,同時相對其鄰近特性完成正確定位.想象一下,就像粉末定位在獨立的垂直圓筒內(nèi),成形過程中必須避免任何會導(dǎo)致鄰近圓筒與相對其他圓筒移動.即使是稍微成形的粉末這程相對運動都會在運動區(qū)域創(chuàng)造出一個剪切力區(qū),并且損壞顆粒間互鎖,造成粘結(jié)破裂.成形過程越接近完成,這種情況越嚴重,通常這種類型的裂紋會出現(xiàn)在壓制方向.如果零件是雙轂設(shè)計,如圖5.如果粉末沒有有效傳輸?shù)捷灦?轂內(nèi)的粉末相對于法蘭的垂直運動,會如圖

13、所示導(dǎo)致裂紋出現(xiàn).嚴重一點的情況,轂和法蘭會在脫模的是時候分裂成不同的部分.圖5非同步成形整個成形體的致密化過程應(yīng)該是同步的,且在一致的比率下完成.對于多模具系統(tǒng),非同步成形動作會導(dǎo)致已經(jīng)部分成形的粉末向其他已經(jīng)部分成形的粉末區(qū)域移動.圖6中,相對連接法蘭的轂和外法蘭的預(yù)成形會阻礙顆粒間形成良好互鎖,并且會在后成形階段導(dǎo)致形成剪切力區(qū).典型的,這種裂紋一開始會出現(xiàn)在相鄰模沖相遇的倒角處,繼而沿著壓制方向形成裂紋.這與粉末傳輸?shù)膮^(qū)別在于粉末先在中模模腔內(nèi)進行定位和正確分布.相對運動 是由成形過程中相對于一開始的粉末傳輸和定位,缺乏移動協(xié)調(diào).模沖背壓過高不足在垂直于壓制方向上粉末沒有良好的流動性,

14、但是受壓時會橫向移動一定角度.對于多模沖零件來說,模沖背壓過高不足會導(dǎo)致粉末從一個圓筒區(qū)域向另一個圓筒區(qū)域移動.如圖7所示.在較早的成形階段,顆粒間粘結(jié)較少時,粉末從高背壓區(qū)流向低背壓區(qū).正因為致密化過程,低背壓區(qū)沒有過多的粉末,并且由于成形體密度不平衡,粉末有”被擠壓”回原來的圓筒區(qū)域的趨勢.裂紋會有自然彎曲的趨勢,并順著始于成形體內(nèi)角的”流動線”向高背壓區(qū)發(fā)展.由于流動的作用,裂紋通常是平滑的且有光潔的表面,或者由于顆粒會滑向其他顆粒,顆粒會有磨損.圖7大密度差一個理想的成形體整體的密度分布應(yīng)該是一致的,但是實際中很難實現(xiàn),通過顆粒的松散運動和塑性變形實現(xiàn)致密化過程.粉末開始時有相對一致的

15、粉末充填密度.因此,最終成品的密度差某種意義上就是顯示了致密化過程中相應(yīng)粉末的移動.事實是零件本身密度不一致并不意味著產(chǎn)品就有裂紋缺陷,因為實際生產(chǎn)中這種產(chǎn)品每天都在生產(chǎn).大密度差造成的裂紋極有可能是由類似于描述的非同步成形的顆粒移位造成的.密度差也能夠在壓力卸除時影響”回彈”或粉末的彈性回復(fù),這種現(xiàn)象將在后面的章節(jié)進行討論.彈性應(yīng)變分離造成的裂紋模具面不正確的錐度成形過程中,顆粒經(jīng)歷塑性變形和彈性變形,在脫模之前,零件受到中模模腔或模沖在徑向上的限制,零件脫模過程中,它受到模具的作用越來越少,徑向上的限制也被部分去除.成形體此時會”回彈”或者擴展以緩解成形過程中形成的彈性變形,當(dāng)零件一開始脫

16、出中模模腔時,生胚強度足以抑制徑向擴展,當(dāng)零件繼續(xù)脫出的時候,應(yīng)力增加到如果超過生胚強度的時候,會發(fā)生滑裂或剪切裂紋,這個過程會在開始,重復(fù)發(fā)生,直到零件完全脫出中模.裂紋是淺表面缺陷并且是垂直于壓制方向,圖8.當(dāng)模具邊緣錐度比較小而應(yīng)力集中的時候,這種情況就比校普遍了,倒角和推拔幫助分散應(yīng)力,將發(fā)生這種裂紋的可能性降到最小.圖8徑向擴張這種裂紋在形狀比較復(fù)雜且不同水平上橫向的斷面區(qū)域有巨大的差異的產(chǎn)品比較常見;圖 9顯示的是一個典型案例,由于成形體從中模脫出,在內(nèi)彈性應(yīng)變釋放作用下,它會在橫向方向上擴張.當(dāng)主體超出中模面,主體的釋放力會打破下外邊的顆粒內(nèi)粘結(jié),受到模具和主體的阻力.密度越高,

17、這個問題越普遍.這種裂紋會橫向發(fā)展,有些情況可能會把零件一部分從主體上切開來.圖9不平衡的彈性應(yīng)力導(dǎo)致的模具變形不同的徑向位置上帶孔或槽的設(shè)計的產(chǎn)品零件,在模具最終脫模的位置,會比較容易受影響,導(dǎo)至碎裂.這種狀態(tài)產(chǎn)生是受不平衡的應(yīng)力作用,通常與不均衡的密度分布或者如圖10所示的彈性應(yīng)變釋放有關(guān).當(dāng)芯棒脫出時,不均衡的應(yīng)力會導(dǎo)致其從高密度區(qū)域偏斜或從彈性應(yīng)變釋放的區(qū)域偏斜.當(dāng)芯棒基本已經(jīng)脫出時,使其偏斜的力已經(jīng)差不多降為零.在偏斜的芯棒上殘留 的能量超過了成形體的生胚強度.當(dāng)芯棒變直的時候,它會把孔或槽的高密度一側(cè)打碎.非對稱幾何形狀對于成功生產(chǎn)無裂紋產(chǎn)品,非對稱的產(chǎn)品幾何形狀會使模具設(shè)計更復(fù)雜

18、.如圖20a所示的成形體,脫模過程中成形體會受到中模推拔施加的升力.模沖1和模沖2交叉的時候會產(chǎn)生一股張力.裂紋大多數(shù)會以一定的向上角度朝成形體的未受限部分發(fā)展,通過使用上沖保壓可以將這種情況發(fā)生的比率降到最低.非對稱孔分布會導(dǎo)致成形體內(nèi)部應(yīng)力不平衡,并可能使長薄芯棒彎曲,如圖20b所示,芯棒需要回復(fù)到無變形狀態(tài),這會導(dǎo)致孔的外邊處出現(xiàn)碎裂紋(通常在壓力高的一側(cè))推拔(斜度)或球面形狀要想生產(chǎn)的成形體有推拔(斜度)或球面形狀,模具面表面需要易于壓制方向,這些形狀會導(dǎo)致粉末顆粒在成形過程中沿著模具面?zhèn)然?繼而產(chǎn)生的剪切應(yīng)力和顆粒間側(cè)滑可能會在產(chǎn)品表面產(chǎn)生層壓效果,隨著推拔角度增大,“層”的數(shù)量也

19、隨之增多或者層狀裂紋的數(shù)量也會隨之增多.如圖21產(chǎn)品尺寸差異成形體大的尺寸差異(例如長而薄的形狀或是一個大的面上有一個小的形狀)會在成形過程中導(dǎo)致產(chǎn)品或低密度或應(yīng)力集中的問題.這會使成形體生胚強度過低,從而增加了這些區(qū)域裂紋出現(xiàn)的可能性.圖22所示的就是這種尺寸差異可能會造成的裂紋的例證.產(chǎn)品自動化投放自動化產(chǎn)品投放裝置常用于提高產(chǎn)量,保證工人的安全.這種裝置的夾抓力必須足以夾起產(chǎn)品的同時不能有產(chǎn)品掉落的風(fēng)險,但是,力過大就會損壞產(chǎn)品,過大的夾抓力會對成形體加壓,有可能導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生.如圖23所示,這種類型的操作裂紋在成形體內(nèi)徑向發(fā)展,與夾抓方向 90度,薄壁的產(chǎn)品對于夾抓力特別敏感.壓機移出產(chǎn)品從壓機移出成形體最普遍的方法是使用中模送粉靴把成形體從中模往外推,然后利用一個傾斜的表面將成形體傳運到一個支撐區(qū)域,然后在允許的時間內(nèi)由操作工操作,送粉靴必須輕觸成形體,如果送粉靴提前太快,碰撞力就會導(dǎo)致外表面產(chǎn)生裂紋,如果出口斜坡角度過大并且成形體夾取速度超過它們滑向支撐區(qū)域的速度時,另一個相似的問題就會發(fā)生.當(dāng)產(chǎn)品成形完,新的成形體會撞上那些已經(jīng)在支撐區(qū)域的產(chǎn)品,從而導(dǎo)致成形體外表面產(chǎn)生徑向裂紋,如圖24,如果產(chǎn)品還沒有完全脫出中模或者里面的模沖正在脫出到中模模板的水平,當(dāng)送粉靴發(fā)生接觸的時候,成