第六章粉末锻造

• 在模锻过程中，多孔预 成形坯受到外力和内力 的作用产生变形而致密。
对于动压设备（如摩擦压机、高能高速锤等） 来说：
由上式可知：增大锻锤质量M或提高打击 速度V，都能使作用力增大，即打击能量增大。 但是，在粉末锻造时，增大锻锤质量比增大打 击速度更易于控制。
在粉末模锻过程中，多孔预成形坯的变形和致密有 三种基本方式：单轴压缩、平面应变压缩和复压
二、粉末锻造过程的颗粒间变形
机构Байду номын сангаас
• 粉末锻造过程塑性变形和致密化的微观 机构，包括孔隙变形、晶体塑性变形、 颗粒间位移和变形，但由于基体金属晶 体的塑性变形是有限的，所以孔隙变形、 颗粒间位移和变形的影响将是主要的， 而孔隙的变形也依赖于颗粒间位移和变 形。因此，可动性的颗粒间变形机构成 为多孔坯锻造过程塑性变形和致密化的 主要机构。
镦粗：在外力作用下，使坯料高度减小，横截面增大的塑 性成形工序。
二、锻造过程多孔预成形坯的变形特性
1、质量不变 • 致密体在塑性变形过程中遵循着体积不变，而多孔体
在锻造时遵循着质量不变
2、低屈服强度和低拉伸塑性 • 多孔预成形坯的屈服强度随着预成形坯孔隙度的增大
而减小；且比致密体的屈服强度小得多 • 多孔预成形坯由于显著致密化和较小横向流动而使鼓
• 由于孔隙周围的颗粒形状和位向是不同的， 颗粒间的联结强度又很低，所以在外力作 用下，每个颗粒所处的应力状态不同，使 每个颗粒的变形和颗粒间晶界的滑移也不 同，从而引起颗粒间多种形式的相对移动、 转动和变形，造成孔隙的倒塌、闭合和拉 伸。
• 锻造初期由于多孔坯易于变形，锻件密度增加很快； 锻造后期由于部分孔隙封闭，金属流动阻力增大，锻 造压力迅速增高，若要排除锻件中的残留孔隙，则需 要非常高的锻造压力
• 阿忍等研究了铁粉预成形坯在820~1080℃锻造到一定 应变所需要的锻造压力与温度的关系，并指出：当锻 造温度低于900℃时，锻造压力随温度的升高而降低； 900℃以上时，锻造压力几乎不再降低。
• 高度缩减率为17%时，颗粒和孔隙两者都在一定 程度上被压扁
• 高度缩减率48%以上时，压扁现象进一步加剧
• 高度缩减率接近48%时，有一些小圆形内孔存在
• 高度缩减率接达70%时内孔也在不同程度上被压 扁
变形方式及应力状态的影响
孔隙只受到水静压应力状态的作 用。水静压应力状态可以使多孔 坯致密，孔隙体积可以通过弹性 变形和塑性变形方式减小。
4、变形和致密的不均匀性
• 在粉末锻造过程中，由于外摩擦的存在， 使预成形坯内的应力分布不均匀，应力 状态不同，导致预成形坯变形和致密的 不均匀性。
第三节 粉末锻造过程的断裂
一、粉末锻造过程的断裂
• 在粉末冶金锻造过程中预成形坯的横向流动， 对粉末锻件的冶金结构完整性和机械性能有很 大的影响。据研究指出热复压件比同材质的热 锻件，具有较小的冲击韧性，且随着横向流动 量的减少而降低；同时，由于横向流动而使孔 隙受到垂直压缩和剪切变形的作用，从而有利 于孔隙的闭合，降低预成形坯致密时所需的压 力。
进行锻造； • 采用大变形量锻造方式使锻造初期出现的裂纹重新
锻合起来。
粉末锻造过程的断裂极限
• 通过一系列圆柱体试样的镦粗试验，测定断 裂点的压应变（高度真实应变εh=㏑（h/h0） 和拉应变（周向真实应变ε0=㏑（D/D0 ）,从 而可以得到多孔坯断裂时表面主应变之间的 关系，叫做断裂应变迹线，也叫成形极限应 变曲线。
杂质含量和粒度分布以及预合金化程度等等 • 预成形压坯的设计。锻造过程中材料的致密、变形和
断裂主要取决于预成形坯的设计，包括预成形坯的形 状、尺寸、密度和质量的设计。 • 锻模设计和寿命 • 锻造工艺条件和热处理
粉末锻造工艺影响因素
• 多孔坯的可锻性； • 锻造压力； • 锻造温度； • 锻模温度； • 润滑及冷却等。
• 由于基体金属晶体的塑性变形很小，研究粉末 锻造过程塑性变形和致密化的微观机构时，应 着重研究颗粒间变形机构和孔隙变形的规律。
一、粉末锻造过程孔隙变形的规律
孔隙的变形受到变形程度、变形方式及 应力状态的影响
变形程度影响
以还原铁粉预成形坯进行无摩擦均匀单轴压缩为 例：
• 高度缩减率小于5%时，孔隙形态几乎没有发生什 么变化
二、基本流动模型的研究
----变形分析
• 在锻造过程中，可把复杂形状的粉末锻件分 割为几个区域，每个区域都用一个特殊的塑 性流动模型来表征。对于各种轴对称锻件， 这些区域包括横向流动（垂直于冲头运动方 向）、后挤压（与冲头方向相反）和前挤压 （与冲头运动方向相同）
将各种变形模型断裂时的表面主应 变，与通过简单镦粗试验所测定的 线性断裂应变迹线进行比较，从而 可得出预成形坯的设计方法。用这 种方法可以修正预成形坯的形状和 尺寸，使材料的应变位于断裂应变 迹线之下。
第四节 粉末锻造过程的变形机构
• 由于多孔预成形坯是由基体金属和孔隙组成的 复合体，在锻造时同时产生塑性变形和致密化， 与致密金属坯锻造时塑性变形的微观机构相比， 具有不同的特点。
• 致密金属塑性变形的微观机构主要是金属晶体 的位错运动；而多孔预成形坯塑性变形和致密 化的微观机构，不仅基体金属晶体产生晶间和 晶内变形，而且与孔隙的变形有关。
第六章 粉末锻造
第一节 粉末锻造工艺
• 粉末锻造：将烧结的预成形坯，加热后在闭式模中锻 造成零件的工艺。
• 优点：兼有粉末冶金和精密模锻两者的优点，可以制 取相对密度在98%以上的粉末锻件，克服了普通粉 末冶金零件密度低的缺点；可获得较均匀的细晶粒组 织，并可显著提高强度和韧性，使粉末锻件的物理机 械性能接近、达到甚至超过普通锻件水平。
• 但是在闭式模锻过程中，预成形坯极易产生裂 纹。
多孔预成形坯的低拉伸塑性是限制粉末锻造的主要 因素。为了解决预成形坯低拉伸塑性和锻造时需要 横向流动之间的矛盾，可采取的办法：
• 改善润滑条件和合理设计预成形坯，控制变形方式， 以便增加裂纹产生前的应变量；
• 采用高温烧结方法，提高预成形坯的可锻性； • 采用无横向流动无断裂危险的热复压方式； • 利用粉末合金的微细晶粒超塑性和相变超塑性状态
• 锻模的温度、润滑及冷却状况强烈影响锻件的质量和 锻模的使用寿命。在粉末热锻低合金钢时，锻模温度 一般为200~310℃，所采用的润滑剂与精密模锻相同， 常采用胶体石墨水剂或二硫化钼油剂；且用压缩空气 来强制冷却锻模以得到均匀的润滑薄膜
第二节 粉末锻造过程的塑性理论
一、粉末锻造过程三种基本变形和致密方式
形曲率减小，导致鼓形表面的周向应力减小，但是与 致密坯相比，孔隙对拉应力更加敏感，从而使多孔预 成形坯在拉应力状态下具有低塑性的特点。
3、小的横向流动
• 金属在压缩过程中的横向流动是锻造时 的主要变形特性多孔预成形坯在锻造过 程中同时产生变形和致密化，遵循着质 量不变条件，但其体积是不断减小的。 由于锻造时消耗了部分能量来减少预成 形坯的孔隙，所以多孔预成形坯同致密 坯相比，具有较小的横向流动，
• 为了研究外摩擦和高径比对表面拉应力和断裂 的影响，库恩等对烧结铝合金圆柱体预成形坯 进行了镦粗试验。推导出预成形坯的高径比和 断裂时锻件的高径比的关系。并假设裂纹即将 产生的时刻就是预成形坯到达模壁的时刻，这 样产生裂纹时的高径比就是复压阶段开始的高 径比。
• 通常在设计与锻件形状相似的预成形坯 时，为了防止任何两个部分之间金属发 生折叠和断裂，预成形坯各部分的金属 量的分配，不要使金属过多地从一个部 分流到另一个部分。应该指出，预成形 坯的设计除了考虑锻件性能要求、材料 的流动和断裂以外，还应考虑锻模使用 寿命问题。
孔隙同时受到水静压应力和切应力 的作用，在变形过程中，孔隙体积 不仅受到水静压缩，而且由于剪切 变形使孔隙闭合和拉长
• 因此，采取不同的锻造方式，孔隙变形的方式 是不同的，锻件的残留孔隙度和孔隙形态也不 同。
• 热复压时，由于材料几乎不产生横向流动，只 靠轴向压应力将孔隙压扁；镦粗时，由于材料 产生横向流动，使孔隙同时受到轴向压缩和剪 切变形的作用，这种剪切变形作用容易使孔隙 拉长和闭合，并降低多孔坯致密化所需要的力。 热复压时由于没有材料的横向流动和孔隙剪切 变形的作用，锻件中长轴与压缩方向大致平行 的圆柱形残留孔隙比热镦粗多
• 保持普通粉末冶金少、无切屑工艺的优点，通过合理 设计预成形坯和实行少、无飞边锻造，具有成形精确、 材料利用率高、锻造能量低、模具寿命高和成本低等 特点。
粉末锻造分类： • 常用的粉末锻造方法有粉末热锻和粉末冷锻； • 粉末热锻又分为粉末锻造、烧结锻造和锻造烧结三种
粉末锻造关键技术：
• 粉末原料的选择。粉末锻件材质的选择、粉末类型、
• 注意：在上面的分析中只考虑了表面断 裂问题，没有研究锻造时由于预成形坯 的低拉伸塑性，或者由于剪切变形所造 成的内部断裂问题，而且也没有涉及锻 模的磨损问题。锻模的磨损是一个重要 的经济因素，因此设计时必须考虑材料 流动对锻模磨损的影响。
形状
三、预成形坯设计
尺寸
• 预成形坯的设计不仅要考虑材料的流动和致密 化，而且还要考虑锻造过程中的断裂问题。
• 由图可知所有试验材料的断裂应变迹线都 是一条斜率为1/2的直线，且平行于均匀压 缩（无摩擦）的应变迹线。这说明各种材 料断裂时鼓形表面的总应变关系相同。
• 在均匀压缩中，圆柱体表面不形成鼓形， 其周向应力为零，所以不会产生断裂。而 偏离此条件时则可能产生断裂。各条断裂 应变迹线与纵坐标轴的截距，表示在平面 应变条件下断裂前的应变。烧结坯由于存 在孔隙，断裂应变迹线的纵截距比致密坯 低得多，且室温下的断裂应变迹线比高温 下低。
• 单轴压缩：在无摩擦平板模镦粗时所发生的变形方
式。一种无侧向约束的压缩变形。
• 平面应变压缩：在平板模镦粗长条预成形坯时，在
长条坯的中心截面上产生平面应变压缩。是一种在 一个侧向上有约束的压缩变形。
• 复压：是发生在热复压过程中的一种变形。在闭式
模锻变形的最后阶段，当预成形坯填满模腔后所发 生的变形，也属于复压。这是一种全约束的压缩变 形。