粉末冶金成形体裂纹产生的常见的原因

粉末冶金成形体裂纹产生的常见原因

简介

潜在出现的裂纹已经被视为具有巨大影响,并且经常成为生产复杂形状的零件时,粉末冶金技术应用方面的限制因素.在一项行业范围的调查中,消除或者是控制裂纹被认为是第二重要的优先研究课题.首要课题即是整体提升机械性能.这一点值得注意,但是,对于行业被调查对象来说,提升材料性能所得到的益处仅比解决裂纹问题的重量性略高.

粉末冶金零件的裂纹主要发生在烧结工序之前的成形压制过程或加工.尽管裂纹可能要在烧结之后才会变得明显,但是裂纹产生的根本原因极可能是烧结之前颗粒间粘结比较差.烧结时引起的应力可能会“打开”裂纹,但是这极有可能已经产生烧结之前的加工步聚.极少有例子表明不正确的产品设计可能导致烧结时较高的应力水平,为此应力水平可能会超过零件的强度从而导致机械失效.这种情况发生相对较少,并且并非认为是本项目中研究的任何裂纹产生的条件.因此,本文将讨论的裂纹是产生于烧结之前.烧结缺陷例如起泡或开裂并不认为是与裂纹这种缺陷同一等级的,所以本文并不涉及.

如果粉末冶金零件在理想条件下成型,那么致密化过程将会是双向的.对称的和同步的.但实际上,使用常规模具系统要达到这种效果是几乎不可能的.举例来说,在脱模阶段,上冲退出的同时,施加在成形体上的轴向压力减少.所有的模具受到的是零件相对应段相同的载荷,并且在卸压时承受回弹,成形体受到的也是相同的载荷.回弹很小,但是不能忽略不计,并且由于模具和成形体都尝试达到平衡状态,从而产生的是非均一性的应力条件.中模避免达到其非变形构型,因为成形体这个时候还在并且正在抵抗径向上的弹性应力.当产品从中模模腔脱出时,有必要或者由下冲施加一个向上的轴向力,或者中模向下运动,这种运动可以由一个存在于脱模开始时的径向压力的线性函数表示,当成形体退出中模模腔,条件也是差异很大,因为仅仅存在于模腔内的产品的一部分承受着径向的压力.最初的模具构造和磨损也会影响压力和应力条件,因为双向的,对称的和同步的致密化过程是不可能的,所以需要注意机械失效的条件.

成形体生胚强度

成形的一个主要目标是要获得成形体设计形状和尺寸的同时,达到合适的生胚强度,生胚强度是成形体的机械强度,主要生成于粉末的互锁,冷焊和粘结.这点非常重要,因为成形体在烧结工序之前获得尺寸和形状的能力就取决于此.成形体生胚强度主要形成于颗粒表面不规则机械互锁,并由成形过程中的塑性变形提升.成形体生胚强度必须在从成形压机转移到烧结炉的过程中具有足够的强度以抵抗磨损和防止断裂.这对于薄的产品,有薄的段的产品,低密度产品和有细边的产品特别重要.对于大多数应用来说,生胚强度值范围在10MPA和30MPA之间才允许脱模和安全地搬运.

粉末冶金零件成形过程中,由压制力作用形成的颗粒间粘结提供生胚强度.在颗粒与颗粒之间的接触区域发生的变形创造了固体结界.最初的高松装密度和干净的

颗粒表面能够扩大颗粒间粘结形成.当压制力达到一定值,剪切力会起到破坏表面层的作用.颗粒与颗粒之间的引力相对较小,颗粒间互锁是控制生胚强度的主要因素.通常,颗粒粘结离不开穿过结界的原子间的力和静电力.这些力更大,无需很多粉末,表面要干净.因此,对于控制生胚强度,机械互锁起到最主要的作用.不规则的颗粒形状能够提高颗粒间的机械互锁,从而提高生胚强度,圆形但不规则颗粒形状通常可以达到最优的生胚强度.这些特性,加上低成本和高压缩性优点,使得单轴中模成形处理使用中,水雾化铁粉非常受欢迎.

裂纹的形成

通常,一个固体受到力的作用分离或分裂成2个或更多部分,这就叫做断裂.断裂的原因可以是裂纹,和载荷下裂纹增长.对于粉末冶金成形体生胚,裂纹的产生主要可以归为以下原因之一:

颗粒间互锁破裂;

没有形成颗粒间互锁.

颗粒间互锁破裂的主要原因是粉末颗粒的阻断或拉伸.互锁破裂可能是受施加的张力作用或横向的剪切力作用或者两种力的组合作用.破裂区域可能在比浅表面更深的地方,并且也可能是不规则的,不连续的.另一方面,如果由达到微观应力强度等级的外应力或内应力造成应力集中,会导致裂纹产生.因此,当横断或水平粉末颗粒裂开面的常规应力分量达到开裂应力时,会出现由外应力或内应力作用产生的裂纹.

当颗粒间粘结没有形成,究其原因在于颗粒之间的有效孔隙阻碍了粉末与粉末之间接触,图1颗粒间粘接没有形成的区域是没有生胚强度的.比起成形过程中或成形过程后材料充实的区域,这种区域更易出现断裂或裂纹,甚至,这种区域在烧结后可能会出现间隙,原因在于这种区域没有形成能够使颗粒扩散的晶界.

图1

裂纹产生的根本原因

裂纹产生的根本原因可以分为4个基本目录:错误的材料整合性,颗粒间移位,非

正常塑性应变分离和高张力\剪切力.图2所示就是这4个目录,并且列出了条件范例和对应的成因.

图2

错误的材料整合性

出于各种原因,金属粉末使用添加剂.例如,添加合适的润滑剂进行混合会提高压缩性,减少脱模力.但是,混合铁粉添加过多润滑剂会抑制颗粒间粘结形成,粘合剂,杂质甚至残留空气都会对粘结形成造成负面作用.

颗粒间移位

颗粒间粘结最初主要由塑性形变和粉末块体运动形成,在理想条件下,致密化过程是双向的,对称的和同步的,并且不会发生颗粒间边移位.致密化过程之后的移位运动会阻止颗粒间粘结形成,并且能够破坏已经在成形早期形成的粘结.

非正常塑性应变分离

成形过程中,颗粒会发生不可恢复的塑性变形.另外可恢复的塑性变形也会发生.最终成形阶段之后,相关的压力会减少并最终在脱模过程中降到零.成形压力泄掉的瞬间,压缩应力释放,成形体生胚将会突然从塑性向弹性阶段变化.如果内应力大于成形体强度极限,裂纹就会产生.

高张力\剪切力

在粉末冶金生胚状态下,如果成形体由外因或内因作用产生的张力\剪切力高于成形体本身的生胚强度,那么就会产生裂纹.

材料整合原因造成的裂纹

空气残留在粉末物质成形过程中,粉末量大约按照2:1的比率下降.松散颗粒间的孔隙内充满的空气必须在成形过程中被挤出,并且必须在比较少的时间内完成,空气必须从粉末矩阵和设计配合间隙公差很小的模具组件中被挤出.限制气流产生的背压会在产品各段成形前阻止空气从粉末拒阵中被挤出,并把空气圈闭在成形体内部(图3).有报告显示当模具完成成形过程,残留在成形体中的最终空气压力可以达到50MPA,远大于常规粉末系统的生胚强度.对于大零件来说,这个问题更糟,原因在于成形过程中更多的空气在末矩阵中移动更多的距离.