粉末冶金模具设计范文第1篇

关键词：双联齿轮；粉末冶金；模具

双联齿轮就是两个齿轮连成一体，这种双联齿轮在轮系中（变速器）被称为滑移齿轮，它的作用就是改变输出轴的转速或速度。齿轮箱里，有滑移齿轮就可以有多种转速或速度，没有滑移齿轮就只有一种转速或速度。对于高强度铁基粉末冶金的双联齿轮应用更是广泛。下面我们就来探讨一下它的设计和开发问题。

一、产品分析

随着粉末冶金技术的迅速发展，使得制造高性能低成本的齿轮制品成为可能。可见采用高性能粉末冶金材料能满足齿轮的弯曲疲劳强度与接触疲劳强度的要求。双联齿轮产品见下图1。根据双联齿轮的使用情况分析其失效模式，其主要失效形式是轮齿折断和齿面磨损。解决此问题的主要措施是采用粉末冶金材料或合金钢热处理及表面处理技术，进行齿轮强度校核，分别计算齿轮的弯曲应力与接触应力，并确定高性能粉末冶金材料齿轮的许用弯曲应力与接触应力。

二、工艺设计

产品的开发工艺为：混料――压制――烧结――浸――机加工――热处理――机加工――油浸。根据工况分析此产品必须具有高强度与良好的耐磨性。

1）材料设计：根据产品的使用情况选用具有高强度的铁基粉末冶金材料Fe-1.3Cu-0.8C-1.7Ni-0.5Mo。因本产品要进行切削加工，考虑对加工刀具的磨损，加入质量分数为0.35%的MnS。铜与铁的湿润性很好有利于提高材料的密度和强度；镍主要提高材料的强度与硬度，并明显改善其冲击韧性，镍铜同时进行合金化以稳定烧结品尺寸；钼主要是提高材料的强度与淬透性，有效地减少回火脆性；硫化锰主要提高烧结品的切削加工性能。原料粉末混合后要具有良好的流动性和压制性能，以保证具有复杂结构的齿轮制品在成形时的密度分布均匀。

2）压制与烧结：采用60t的全自动成形压机进行产品的压制，必须保证压制品的密度分布均匀且分割密度小于0.1g/cm3。烧结工艺：在有快速脱脂装置的网带式烧结炉中1120度的温度，90%氮和10%氢的气氛下烧结25分钟，烧结时严格控制烧结气氛的碳势，以免脱碳影响齿轮的烧结性能。

3）表面热处理：网带炉进行渗碳热处理。具体工艺为：860度下在碳势0.8%的保护气体中奥氏体化30～60分钟，10#油中淬火至80度，冷却到室温后再在100～200度下回火1小时，以减小淬火应力、降低脆性并保持高强度。

4）后续机加工：一次机加工是根据产品图对双联齿轮的烧结体进行机加工，二次机加工主要是在热处理后加工其柱面外圆保证其装配精度。

三、成型模具设计

根据不等高粉末冶金制品模具以及齿轮模具的设计原理，结合所研制产品的结构特征采用“上二下三”模具成形方案，成形结构示意图如图2所示，压制成形状态图如图3所示。“上二下三”模具成形方案，采用两个上模冲与三个下模冲成形。

此成形方案有如下特点：

1）产品的成形性：此方案更有利于压制时粉末的移动送粉，从而获得密度分布较均匀的压制品，使大小齿轮部位具有很高的结合强度。

2）产品的机加工：此方案凹槽直接成形，大齿轮端面凸起部位便于机加工。

3）模具的结构：此方案模具结构复杂，三个下模冲成形加大了模具的磨损，影响其使用寿命以及压制品的精度。通过上述成形方案的分析可知，为了得到密度分布均匀且合理的产品和便于机加工并降低成本，可采用先进的全自动粉末冶金压机来保证具有复杂结构的制品压坯的成形。所研制的粉末冶金齿轮的精度主要由粉末冶金模具保证。粉末冶金模具的服役条件非常苛刻，阴模受到摩擦与交变拉应力作用，失效形式是磨损。模冲不仅受到摩擦作用，还承受冲击和传递很大的压应力，因此失效形式主要是崩裂、剧烈磨损以及断裂。复杂的模具结构决定必须选择较好的模具材料以满足其韧性和耐磨性要求。成形阴模采用硬质合金YG8，成形上下模冲采用进口的高速钢SKH9。

四、研制结果

齿轮材料的金相组织是：烧结态组织主要由片状珠光体、残余奥氏体、铁素体和孔隙组成；热处理态组织主要由回火马氏体和残余奥氏体组成。对此成形方案的烧结品、热处理品分别进行齿轮抗压强度测试和尺寸检验。齿轮强度测试在万能材料试验机上进行齿轮抗压试验，要求齿轮与压块以线接触形式在齿面上均匀接触，齿轮A与齿轮B分别跨14与2齿测试齿轮抗压强度。所研制的铁基粉末冶金双联齿轮装机进行. 万次负载耐久试验，齿轮齿部无明显的凹陷、擦伤和点蚀，满足使用要求。

五、结语

1）通过产品分析、材料成分设计、制备工艺确定以及成形模具设计，详述了高性能铁基粉末冶金汽车双联齿轮制品的研制过程，装机试验表明成功开发应用于汽车上铁基粉末冶金双联齿轮。

2）产品研制过程中采用自主开发的高性能低成本的铁基粉末冶金材料Fe-1.3Cu-0.8C-1.7Ni-0.5Mo-0.35MnS，产品性能测试、尺寸检测以及装机试验结果表明，所研制的齿轮达到使用要求，尺寸的稳定性可满足批量生产的需要。

参考文献

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[2] 上海市新材料协会粉末冶金分会，上海汽车股份有限公司粉末冶金厂编，张华诚主编.粉末冶金实用工艺学[M]. 冶金工业出版社， 2004

粉末冶金模具设计范文第2篇

关键词：高强度，铁基粉末冶金材料，应用

 

在模具设计前，必须进行粉末冶金制品的形状设计。制品压坯的形状设计是保证产品使用要求的情况下，从压制过程(装粉、压制、脱模)、模具寿命、压坯质量等方面来考虑，并对制品图线形状作适当的修正。本文是将电动工具中原有的钢制齿轮(材料为40Cr)用粉末冶金材料代替，并针对以下内容进行了二次设计：(1) 在原有钢制齿轮齿形的基础上对粉末冶金齿轮的齿形齿廓进行二次设计；(2) 对实际啮合的粉末冶金烧结齿轮的尺寸修正；(3) 粉末冶金齿轮齿面接触强度和齿根弯曲强度的理论校核。

1.齿形齿廓的选择和计算

选择齿轮材料应考虑如下要求：齿面应有足够的硬度，保证齿面抗点蚀、抗磨损、抗咬合和抗塑性变形的能力；轮齿芯部应有足够的强度和韧性，保证齿根抗弯曲能力。此外，还应具有良好的机械加工、热处理工艺性和经济性等要求。在齿轮传动机构的研究、设计和生产中，一般要满足以下两个基本要求：

1.传动平稳—在传动中保持瞬时传动比不变，冲击、振动和噪音尽量小。

2.承载能力大—在尺寸小、重量轻的前提下，要求轮齿的强度高、耐磨性好及寿命长。

由于螺旋锥齿轮与直齿锥齿轮相比，在使用上有如下优点：

1）增大了重迭系数。由于弧齿锥齿轮的齿线是曲线，在传动过程中至少有两个或两个以上的齿同时接触，重迭交替接触结果，减少了冲击，使传动平稳，降低了噪音；

2）由于螺旋角的关系，重迭系数增大，因而负荷比压降低，磨损较均匀，相应的增大了齿轮的负荷能力，增长了使用寿命；

3）可以实现大的传动比，小轮的齿数可以少至五齿；

4）可以调整刀盘半径，利用齿线曲率修正接触区；

5）可以进行齿面的研磨，以降低噪音、改善接触区和提高齿面光洁度；

6）在传动中产生的轴向推力较大，所以对轴承要求较高，在传动机构中需选用适当的轴承。

由于上述特点，所以螺旋齿锥齿轮常用于圆周速度较高，传动平稳和噪音较小的传动中。

通过和直齿锥齿轮的比较，本设计采用螺旋锥齿轮。计算采用的是等高齿锥齿轮，即从齿的大端到齿的小端齿高是一样的，这种齿轮的面角、根角和节角均相等。这样设计不仅减少了大部分的计算，而且对于模具的设计和压制来说更为有利。螺旋锥齿轮齿形参数直接影响齿轮的承载能力、轮齿刚度和传动的动态特性，各参数相互影响、相互制约，其选择的原则是：由各参数确定的齿形，应保证轮齿有较高的弯曲强度和接触强度，最好符合等强度的设计原则。轮齿在啮合时，要求传动平稳，无齿形干涉现象。齿形形状要力求简单以便于制造。

1.主、从动锥齿轮伞齿轮齿数的选择在选择齿数时，应尽量使相啮合的齿轮的齿数之间没有公约数，以便使齿轮在使用过程中各齿之间都能互相啮合，起到自动磨合的作用。同时，为了得到理想的齿面重叠系数，大小齿轮的齿数和应不小于40。

2.齿面宽F 的选择对于等高齿锥齿轮来说：在“奥利康”制等高齿锥齿轮上，由于其延伸外摆线的曲率变化比弧齿锥齿轮的圆弧齿线大，因此，齿面宽不宜过大。一般可取F=(0.25 ~ 0.30)A0，A0 为节锥距。

3.螺旋角β 的选择汽车主减速器锥齿轮的螺旋角多在βm=35~40°范围内。为了保证有较大的mF 使运转平稳、噪音低。依据经验选βm2=36°。

4.法向压力角α 的选择大压力角可以增加轮齿强度，减少齿轮不产生根切的最少齿数，但对于尺寸小的齿轮，大压力角使齿顶变尖及刀尖宽度过小，所以在轻负荷工作的齿轮中一般采用小压力角，可使齿轮运转平稳，噪音低。对于本设计中的“奥”制齿轮采用的齿面平均压力角α=17.5°。论文参考网。

5.齿顶高系数及顶隙系数齿顶高系数取ha*=1；顶隙系数C*=0.25。

2.实际啮合的粉末冶金烧结齿轮齿形的修正及校核

压坯密度对于提高和稳定烧结制品的强度与尺寸精度十分重要。为使压坯密度均匀，顺利脱模，结合齿轮设计的特点，对齿形以下几部分进行了改进：

a.为了增高齿的强度和降低噪声，同时考虑到实际当中齿形模冲加工的特点，对齿轮的齿顶和齿根的齿形进行了修正。

b.一般压制成形都是沿着压坯的轴向进行的。而制品中径向(横向)的孔、槽、健、螺纹和倒锥，通常是不能压制成形的，需要在烧结后用切削加工来完成的。论文参考网。但本齿轮的键槽是轴向的，并不影响压坯的脱模。

c.从节省原料和不影响安装的角度考虑，把原来的三个定位凹坑改成花键式，而且不影响脱模，且能节省原材料。

通过对改进后的齿形进行载荷计算和齿面接触强度的理论校核，结果说明所设计的齿形参数能够满足服役要求。

3.齿轮模拟台架试验

将上述材料的大齿轮，分别在100℃、200℃和250℃回火，硬度分别为HRC43~45、HRC38~40、HRC30~32；之后装机进行实验，对磨件为40Cr钢，硬度HRC48。台架试验记录结果：

第一套齿轮(硬度HRC43~45)：经装机试验当试验到1.5h时，出现声音异常，拆机检查，小齿轮打崩二个齿，但大齿轮完好；换上钢制的小齿轮，淬火硬度HRC42~43，经测试10h，机器正常，拆机检查，磨损正常，即进行第二个项目测试 (空载实验) 55h，拆机检查，一切磨损正常，(其中换了一个转子，碳刷3副)；之后进行模拟实验，运转到10.5h时，机器冒烟，烧机，停止测试，拆机检查发现，前轴承爆裂，定转子烧毁，大齿轮打崩一个齿，小齿轮磨损比大齿轮严重。经分析原因：大齿轮打崩是因为前轴承爆裂，而造成转子乱跳而产生的，是意外发生的现象，并非齿轮强度问题所造成的，所以其材料可以继续试验。

第二套齿轮(大齿轮硬度HRC38，小齿轮HRC42(材料 40Cr)：进行模拟试验运转16h时转子烧毁，拆机检查，齿轮磨损正常，换转子继续进行，运转26.5h时电机烧毁拆机检查，齿轮磨损正常。换电机继续进行，运转7.5h时电机烧毁拆机检查，齿轮磨损正常。再换电机继续进行运转12h时电机烧毁拆机检查，齿轮磨损正常。换电机继续进行，运转17h时电机烧毁，拆机检查，齿轮磨损正常。论文参考网。再换电机继续进行，运转15h电机烧毁，拆机检查，齿轮磨损正常。停止试验。

第三套齿轮(硬度HRC30~32，小齿轮HRC35，大小齿轮均为粉末冶金材料)：经装机试验，通过工况测试，磨损正常；第二个项目测试 (空载实验) 30h时，大齿轮小齿轮磨损严重，停止测试。结论：硬度太低而造成磨损。在本测试条件下，渗碳烧结齿轮材料耐磨性优于意大利和40Cr材料；在本测试条件下，改进后齿形传动平稳，降低噪音；由此可以认为，本课题研制的新材料和完成的齿轮齿形设计能满足电动工具的使用要求。

【参考文献】

[1]李华彬,何安西,曹雷,扬健,李学荣.Cu/Fe复合粉的性能及应用研究[J].四川有色金属, 2005,(01).

[2]程继贵,夏永红,王华林,徐卫兵.聚苯乙烯/铜粉温压成型的研究[J].工程塑料应用,2000,(06).

粉末冶金模具设计范文第3篇

[关键词]粉末冶金 热等静压

中图分类号：TF124.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）47-0054-02

1、概述

粉末冶金（Powder Metallurgy）是采用金属、金属间化合物、金属-非金属粉末通过成形-烧结制造工程材料、功能材料及其异型制件的工艺技术，粉末冶金能制造出传统熔铸和其它加工方法所不能制备的具有独特性能的材料和制件。而采用传统粉末冶金工艺生产的制件中存在大量的孔隙和缺陷，密度低，制件的强度比相同材料的铸件或锻件要低约20%-30%，极大限制了大规模推广和使用。热等静压是在高温高压下同时实现粉末的成型和烧结，一次制备成品。用热等静压制得的制件晶粒细小均匀，密度接近理论密度，并且组织分布均匀，且具有优异的机械性能和物理性能；克服了传统粉末冶金制件由于致密性低而导致使用上的技术障碍，使粉末冶金技术得以更加广泛的推广和应用。

2、热等静压技术及烧结致密化机理

热等静压技术是将封装包套放置到密闭的高压容器中，向包套施加各向均等静压力的同时施以高温，在高温高压作用下，使得包套软化并收缩，挤压内部粉末使其经历粒子靠近及重排、塑性变形、扩散蠕变三个阶段后，实现粉末体的烧结致密。

（1）粒子靠近及重排阶段

处理前，包套中粉末随机堆叠，存在大量孔隙，密度低。在处理时，包套在高温高压下软化收缩，粉末粒子受压力作用下发生平移或转动而相互靠近，同时某些粉末粒子被挤进临近空隙之中，而且一些较大的搭桥孔洞出现坍塌；这样一来，粒子的临近配位数明显增大，从而使得粉末体的空隙大大减少，相对密度迅速提高。

（2）塑性变形阶段

当第一阶段结束后，在高温高压继续作用下，粉末粒子接触面上的压应力增加、塑性流动的临界切应力降低，当粉末体承受的压应力超过其屈服切应力时，将以滑移方式产生塑性变形；粉末粒子发生大量塑性流动后，粉末体的相对密度迅速接近理论密度值，粉末粒子基本上连成一片整体，残留的气孔已经不再连通，而是弥散分布在粉末基体之中。

（3）扩散蠕变阶段

当塑性变形的机制不再起主要作用时，残存不规则的狭长气孔在高温高压继续作用下，将其球化成圆形，所占体积分数也将不断减小，直至消除；同时弥合界面存在着浓度梯度、温度梯度、高压所产生的压力梯度，致使在弥合界面处会进行扩散蠕变，粉末体最终得以烧结致密。

3、热等静压技术在粉末冶金领域中的应用及研究

热等静压工艺在粉末冶金成形工艺中占有十分重要的地位，在现代工业生产中得到广泛的应用。可以对难加工材料（如钛合金、高温合金、粉末钢、硬质合金、金属陶瓷等材料）成形和致密化；同时能生产基本不需要机加工的近终形部件，可提高原材料的使用率和机加工效率，常用于整体成形许多常规方法难以成形的零件，特别适合于航空航天、船舶、武器设备、核设施、发电设备等关系国计民生的重大应用领域。

3.1在粉末冶金钛及钛合金方面的应用研究

钛合金因具有高强度、高韧性、抗氧化及耐腐蚀的特性，广泛应用于航天航空、舰船和化工等领域。用热等静压技术制备的粉末钛合金，不仅简化了熔炼工艺和切削工序，而且合金组织更趋均匀，性能明显改善。钛合金的热等静压粉末冶金技术有如下优点： （1）与传统的锻材加工技术相比，二者材料性能接近，但粉末冶金技术易于制备形状复杂的部件，且所制备的部件基本为近净形，可节省大量原材料，减少机械加工，降低成本；视形状复杂程度，与传统方法相比，成本可降低20%-50%[1-3]。（2）与钛合金的铸造技术相比，二者都是近净形工艺，但粉末钛合金具有更优良的性能，热等静压固结的粉末钛合金可100 %致密，具有良好的微观结构，晶粒细小，组织均匀，无织构、偏析现象，性能可达到不低于锻件的水平[1，2]。（3）用钛合金粉末冶金技术可制备高性能钛基复合材料[3]。

航天材料及工艺研究所王亮等人研究了热等静压技术制备Ti-6Al-4V 粉末钛合金材料；温度为900℃，氩气压力大于110MPa，保持时间为1h的工艺，制备的粉末钛合金性能已全面超过TC4锻棒的性能标准。抗拉强度最大为1040MPa，屈服强度最大为981MPa，延伸率最大为15.4%，断面收缩率最大为39.6%[4]。航天材料及工艺研究所郎泽保等人研究了热等静压技术制备Ti-Al系金属间化合物材料；温度为900-1000℃，氩气压力大于100MPa，保持时间为3-5h，制备的Ti3Al基合金（ Ti-23Al-17Nb）具有良好的综合性能，其抗拉强度达到815MPa，并且在900℃具备了良好的力学性能和出色的高温抗氧化性能[5]。北京航空材料研究院刘娜等人研究了热等静压技术制备粉末冶金TiAl合金的热变形行为；制备的粉末冶金TiAl合金的最终氧含量为720ppm，致密度为99.6%，具有良好的热加工性，在温度≥1050℃和应变速率≤0.1s-1 的范围下加工可以保证变形不开裂[6]。中国科学院金属研究所徐磊等人研究了热等静压技术制备粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn合金；温度为940℃，氩气压力为150MPa，保持时间为30min，合金性能已接近锻造合金的水平，粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn合金晶粒细小均匀，无孔隙缺陷[7]。中国科学院金属研究所王刚等人采用热等静压技术Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2W-0.15B 合金板材；温度为1260℃，氩气压力为150MPa，保持时间为4h，获得显微组织细小均匀、无宏观偏析和热加工性能得到改善的轧制坯，细小均匀的组织有利于降低韧性-脆性转变温度，从而降低板材的轧制温度；简化了采用铸态TiAl 基合金所需要的均匀化和锻造等加工步骤，节约成本和能源[8]。

3.2 在粉末高温合金方面的应用研究

作为高性能航空发动机的涡、压气机盘、鼓筒轴和环形件等热端转动部件的材料及其制造技术始终受到国内外航空工程界的特别关注。随着合金化程度的提高，合金的宏观组织偏析愈加严重，工艺性能恶化，传统工艺制造的高温合金在高推比发动机上的应用受到制约；一般说来，当合金中A1+Ti≥9%时是很难进行锻造的，用锻造方法生产强度更高的高温合金已不现实。粉末高温合金具有组织均匀、晶粒细小、屈服强度高、疲劳性能好等优点，已得到广泛应用。热等静压是粉末高温合金成形不可缺少的工序，是航空发动机用粉末涡研制中的一道关键工艺，对盘件最后的组织、性能具有重要的影响。

北京航空材料研究院王旭青等人研究了采用热等静压制备FGH96粉末高温合金时，热等静压温度对对其显微组织的影响；采用了四种温度分别为1150℃、1170℃、1190℃、1210℃，氩气压力为130MPa，保持时间为3h的工艺，经过实验，提高热等静压温度可以促进FGH96合金消除残余枝晶，促进再结晶及再结晶晶粒长大。到1190℃时，枝晶完全消除，再结晶组织较为均匀；可以促进一次γ′相溶解和二次γ′相形核和长大，获得良好的综合性能[9]。北京航空材料研究院何峰等人研究了热等静压技术制备粉末Udimet720合金；温度为1130℃，氩气压力为103MPa，保持时间为4h，合金的性能与变形（挤压加锻造）合金的相当，可用于发动机涡[10]。航天材料及工艺研究所常健等人研究了热等静压技术制备粉末镍基高温合FGH4586；温度为1200℃，氩气压力为140MPa，保持时间为3h，合金完全致密，密度达到8.38g/cm3，能够使碳化物在合金晶内和晶界均匀析出，获得均匀的组织和较佳综合力学性能[11]。钢铁研究总院国为民等人研究了热等静压技术制备FGH95合金；温度为1130℃，氩气压力为103MPa，保持时间为4h的工艺，合金具有良好的综合力学性能，其中拉伸、蠕变、持久和疲劳等主要力学性能指标都达到或超过了A 级技术标准的要求。抗拉强度最大为1673MPa，蠕变最小为0.037%，持久最长为140h，疲劳大于5000次[12]。

3.3 在粉末钢方面的应用研究

热等静压制备粉末冶金钢在国外已经非常广泛，已经有大量专业制备粉末钢的国际知名的企业，如奥地利的Bohler、美国的Carpenter、法国Erasteel以及瑞典的Uddeholm等，产品涉及到工具钢、模具钢、双相不锈钢等多种牌号，每年有2万吨左右的产量。而国内发展较慢，只有少数专业机构在对其进行研究和小批量的生产。

钢铁研究总院况春江等人研究了热等静压技术制备粉末高氮无镍不锈钢；温度为1150℃，氩气压力为130MPa，保持时间为3h的工艺，所得制件抗拉强度高于850 MPa，屈服强度在500到580 MPa之间，延伸率为40%-50%，显示出优异的耐蚀性能，性能远高于304和316L不锈钢[13]。安泰科技股份有限公司卢广锋等人研究了热等静压技术制备粉末高速钢T15合金材料；温度为1100-1150℃，压力为110MPa，保持时间为3h的工艺，制得无疏松、孔洞等缺陷，碳化物均匀细小，致密度达到100%的坯料；通过有效工艺控制，获得了氧含量小于150×10-6，晶粒度大于1l级，碳化物尺寸2-4μm，硬度67 HRC，抗弯强度4400 MPa的性能[14]。安泰科技股份有限公司李小明等人通过气雾化制粉-热等静压工艺成功制备了含钒9.75%冷作模具钢；温度大于1100℃，压力大于110MPa，保持时间为3h的工艺，制备的样品相对密度达到100%[15]。上海日硝保温瓶胆有限公司王恩权等人研究热等静压技术制备AISI304不锈钢；温度为1100℃，压力为196MPa，保持时间为1h的工艺，制备的样品具备良好塑性，伸长率达到了75%-85%[16]。

3.4 在WC-Co硬质合金的应用研究

硬质合金是以高硬度、耐高温、耐磨的碳化钨为主要成分，用抗机械冲击和热冲击好的金属作粘结剂，经粉末冶金方法烧结而成的一种多相复合材料。传统的制备工艺是低压烧结方法，但碳化物颗粒易长大，且内部存在孔隙和缺陷。近年来热等静压应用于WC-Co硬质合金的制备中，可有效降低烧结温度，致使碳化物颗粒细小，同时对大尺寸硬质合金制件的制备中大大降低了制件内部缺陷和孔隙，近年来研究也非常活跃。

辽宁科技大学齐志宇等人采用高压热等静压法对超细 WC-10Co复合粉烧结体进行烧结实验研究。实验结果表明 ，在1360℃的温度，压力140MPa，其抗弯强度较真空烧结的提高19.95 %，致密度最高达到了97.92% ，同时细化了碳化物晶粒，提高了合金的机械性能[17]。钢铁研究总院陈飞雄等人研究了热等静压法制取大尺寸复合硬质合金轧辊，温度为1200℃， 压力为100 MPa， 保持时间为2h的工艺，所制备的复合辊中硬质合金层致密度达到100%，无明显孔洞和缺陷，且硬质合金外层与铁基复合材料内层获得良好的冶金结合，结合强度达900MPa[18]。安泰科技股份有限公司贾佐诚等人研究了热等静压技术制备WC-15Co、WC-22Co 硬质合金；温度1350℃，保温30 min ，氩气气氛，压力5MPa ，保压60min的工艺，所得制品几乎没有孔隙，相对密度接近100%，抗弯强度分别为3200 MPa、3300 MPa，比传统工艺分别提高了7%、30%[19]。

3.5 在其它粉末冶金材料方面的应用研究

除了上述方面的应用，热等静压技术还在粉末冶金工艺制备的难熔金属、金属铍、高性能陶瓷和金属陶瓷复合材料等方面也得到广泛应用。

北京航空航天大学机械工程及自动化学院郎利辉等人研究了热等静压技术制备高比重合金（93W-4.45Ni-2.2Fe-0.35Co-0.05Mn ）合金；温度为1300℃，压力为140MPa，保持时间为4h的工艺，所得的材料力学性能最优， 屈服强度提高16.5%， 抗拉强度提高16.1%， 断裂应力提高85.3%，同时，延伸率和断面收缩率分别提高了46.7%和43.7%[20]。热等静压成形法是近年刚新起的一种制备钒及钒合金的粉末冶金方法，制备的产品具有组织成分均匀、性能稳定、近净成形等优点，是制备钒的理想工艺之一，中国工程物理研究院鲜晓斌等人研究了热等静压技术制备纯钒材料；温度为1100-1350℃，压力为150±10MPa，保持时间为2h的工艺，结果表明：热等静压温度在1250℃以上可以实现全致密，采用1250℃温度处理的材料综合性能最佳，抗拉、屈服强度为701MPa、634MPa，延伸率为22.4%[21]。H.V.A tkinson利用直接热等静压工艺成功制备出15vol%SiC增强A357铝合金复合材料，通过热等静压可以显著减少该类制品的气孔率，同时其弯曲强度也得到提高[22]。热等静压技术用于陶瓷材料的生产，改善了成型和烧结条件，使材料的孔隙度明显降低，从而提高了材料的性能，并为制造陶瓷材料提供了有效方法。如SeanE.Landwehr等人研究热等静压制备的ZrC-Mo金属陶瓷复合材料的显微结构和机械性能，在1800℃，200MPa和1h的条件下，密度可以达98%以上，具有较高的硬度、弹性模量、抗弯强度、断裂韧性[23]。

4 结语及展望

随着近年来热等静压技术的飞速发展，热等静压技术成为高性能粉末冶金材料制备的一项新技术。但在将来还亟待对以下问题进行研究和探索：（1）加强对不同粉末材料热等静压数据的积累，建立热等静压粉末冶金材料数据库。（2）从理论上确定粉体材料性能在热等静压条件下与成分、组织结构的新关系。这些新关系的确立具有重大理论价值与实际应用价值。（3）加快热等静压近终成形技术的研究，将计算机模拟引入到热等静压粉末冶金材料尺寸的精确控制，真正实现复杂材料的热等静压近终成形。（4）将喷射成型、注射成型等其他粉末冶金技术与热等静压技术相结合，开发更多高性能、低成本粉末冶金材料及制品。

参考文献：

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粉末冶金模具设计范文第4篇

1研制工艺

1.1材料配比与混合

球铰原用材料为耐磨青铜棒材经机械加工而成，成本高且浪费大，更重要的是困扰企业的难题—“烧盘”现象无法根治，由于该件工作条件较为苛刻，在新材料选材时选择强度较高、硬度和耐磨性较好且成本较低的铁基粉末冶金材料。经多次试验，选定Fe-P-C-Cu系，P是一个显著的强化元素，P的加入有效提高材料强度和尺寸稳定性，Fe-P-C系性能较广泛应用的Fe-2%~3％Cu-C合金优越，而微量Cu对轴向承压变形的改善显著［2］。

混合料的配比（质量分数）为：余量Fe-0.8%~1.2％Cu-0.4%~1.2％C＜3％添加剂，其中Fe粉为雾化铁粉，粒径小于178μm；Cu粉为电解粉，粒径小于74μm；C粉为鳞片石墨，均符合相关国标的技术要求。添加剂为质量分数0.8%硬脂酸锌，质量分数0.5%硫磺粉＜150μm；机油按粉料0.65mL/kg加入；混料采用V型混料机，时间2.5h。柱塞泵球铰质量要求较高，在保证高强度和耐磨性的同时，要求有良好的抗咬合性和一定的尺寸精度，为了保证各类指标的稳定性，配料时应严格控制各成分的加入及均匀性，加入机油湿混，避免铜成分偏析和粉粒大小的分层现象及添加剂硬脂酸锌和硫造成的团聚现象［3］，粉料混好后应过筛，粒径小于178μm。

1.2粉末的压型

装粉。为提高压型质量和效率，采用容量法刮料式装粉，其优点是装粉速度快，压件一致性好。压型压力为400MPa，密度为6.4g/cm3。

整型与精整。为了节约原材料和提高后加工效率，成型内孔只留精整量，一次精整到尺寸无切削工艺，并使小端面球面成型，以保证球面的密度，留少量加工量。此时保证所成型球面密度值得研究，大量试验及参考文献［4］证明，压制时成型球面在上是确保球面密度的关键。整型工艺以FTQ-40球铰产品为例：烧结后毛坯放在整型座上，整芯置于马蹄铁上，便于脱模操作，整芯中间30mm为整型尺寸，为毛坯整型留量而设定，考虑到整型回弹等因素，整芯尺寸比工件最终尺寸公差大0.07mm，整芯两端带稍：下端为导向部分，利于整型定位，上端为脱模部分，利于整型移出模后，整芯自动脱模，简化了整型模具和整型工序，因而大大提高生产效率，是传统外箍内胀工艺效率的3~4倍。

1.3粉末的烧结

烧结设备采用半自动推杆式烧结炉，将粉末压坯装在铁皮舟中送入炉内，且每舟装入质量严格控制并无规则装入，以便毛坯之间有足够空隙实现均匀烧结。烧结气氛采用吸热性煤气保护，组成（体积分数）：20%N2+40%H2+20%CO及少量的H2O、CO2与CH4。露点范围为-5～15℃。烧结工艺：加热温度为（1080±5）℃；保温时间为45min。

1.4后加工工艺

由于球铰球面要求非常高，用粉末冶金工艺无法达到设计要求，因而采用基本成形留加工余量、对工件毛坯进行机械加工的方法。采用成形刀加工球面，优点是操作简单、效率高，但问题较多，其中关键问题：1）由于该材料为耐磨材料，对刀具磨损严重，需经常换刀，尺寸精度无法控制；2）由于成形刀工作时为线接触，切削力非常大，导致“打嘟噜”现象，不但对刀具消耗非常大，并导致大批废品；3）成形刀因加工过程中切削阻力大，刀具发颤，使工件表面粗糙度差，造成后续球面精磨加工无法保证。通过不断摸索和大量试验，最终确定用改造的单板机数控车床对球面进行加工，方法是内胀胎定位、编程控制走刀，产品图见图2。首先进刀车小端面并退刀车小端球面，其次根据球心至大端面距离，进刀至大端面位置车大端面并车大端球面，程序控制，一气呵成，使加工质量大幅提高：1）尺寸一致性非常好，为后续精磨打下良好基础；2）表面粗糙度很好，精磨量缩小，有效提高后加工效率和质量；3）两端面及球面一次装卡完成，形位公差保证良好；4）刀具磨损小，减少换刀次数，提高工作效率；5）废品率几乎为零。精磨加工采用厂家自制专用磨床加工，用专用工装需要良好的一致性，本研制工件良好的满足了加工要求。另外，制件的防锈与包装不可忽视，除操作避免汗渍接触工件外，工件经检验合格后，应立即浸油并在油内加入成分石墨和防锈成分亚硝酸钠，油温为80~100℃，工件浸煮15min后控油，用牛皮纸包裹放入塑料袋内封口装进包装纸箱，入库并防潮。

2试验结果

2.1检验结果

柱塞泵粉末冶金球铰（见图2）的材质、尺寸精度和力学性能等进行了系统检验，化学成分（质量分数）：C为0.49％，Cu为1.08％，Fe为94.95％。物理及力学性能：密度≥6.6g/cm3，硬度≥90HB，压溃强度≥300MPa。尺寸精度：准28尺寸偏差标准要求f7（-0.020-0.041）mm，实测（-0.023～-0.020）mm；准14尺寸偏差标准要求H9（+0.0430）mm，实测（0.030～0.035）mm；球中心距标准要求（6±0.15）mm，实测（-0.07～+0.09）mm；大端与准14的垂直度准，标准要求0.05mm，实测（0.02～0.03）mm；外圆与内孔准14的同心度标准要求0.08mm，实测（0.02～0.03）mm；准28球的圆度标准要求0.02mm，实测0.01～0.02mm；粗糙度标准要求Ra0.8μm，实测Ra0.8μm。球铰的防锈：标准要求球铰成品应渗渍油。并允许加入无害于柱塞泵性能的防锈剂，实测合格。球铰的外观质量：标准要求不允许有裂纹、夹杂及锈蚀等缺陷，实测合格。柱塞泵粉末冶金球铰经检验，各项技术指标符合Q／JYY032—2001《柱塞泵粉末冶金球铰技术条件》的要求，为合格产品。

2.2台架强化试验

将样件安装在两台XB-F40泵试验机上，条件：1）在P=25MPa下，运转1.5h；2）在P=20MPa下，冲击试验200次，运转正常，试验完毕拆检零件，铰副摩擦、磨损痕迹正常。

2.3装机可靠性、耐欠性试验

在XB-F40泵上装试件数件，已经历两年半超过5000h未发生任何异常现象，经批量使用，本粉末冶金球铰各项性能指标达到要求，与原用青铜合金QSn6-6-3材料相比，抗咬合等指标均有所提高，根除过去存在的“烧盘”现象。

3结论

1）用粉末冶金方法生产柱塞泵球铰在XB-F40泵上试用获得成功，完全可以替代原用青铜合金材料球铰。

2）本研究Fe-P-C-Cu系粉末冶金球铰材料，力学性能良好，特别是抗咬合性能突出，可有效解决“烧盘”问题。

粉末冶金模具设计范文第5篇

摘 要：文章针对粉末冶金进行分析，并对难熔金属金属、钛基合金、氧化物弥散强化合金、超高温合金以及喷涂合金粉末等多种带有明显特征的航空发动机的粉末冶金技术。在这其中，对钛基合金粉末与高温合金粉末以及喷涂合金粉末的制造预备的关键进行重点的研究和探析。还对喷射成形和热等静压以及注射成形以及迅速成形的工艺特征与发展状态。最重要的是对粉末冶金技术在航空发动机的使用进行全方位多角度的研究与探析，并做以简单的论述，为相关人员提供参考意见。

关键词：粉末冶金技术 航空发动机 应用

中图分类号：V263 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）03（a）-0010-03

粉末冶金技术的特点是对性能高的材料进行制造的技术，并且对航空发动机有直接和紧密的联系。粉末冶金技术不但可以制作配备出没有宏观偏差、晶粒细微、组织非常均衡、各向同性、热加工性能过硬的复合材料与合金材料，大大提升了粉末冶金材料的疲劳能力与屈服能力，还可以实现零部件的最终成型。粉末冶金技术在航空的发动机的重要热端零件与别的航空发动机零件的全新材料的优质制造设备科学技术。航空飞机的心脏是航空发动机，而航空发动机性能的好坏会直接影响到飞机的众多指标和安全性质。伴随我国航空发动机转向多元化、多性能以及大型化的角度扩展以及在涡轮之前燃气的不断提升，零部件承受更大的负荷压力，工作的状况也越来越恶化，与此同时，对航空发动机的重要部件的功能的标准提出了更为严峻的要求。另外，涡与涡轮叶片的重要部件可以承担的压缩比与燃烧的温度更能够提升航空发动机的燃油的经济特征，降低排放与延长航空发电机的使用年限。根据以上的陈述，性能较强的航空发动机的发展壮大与粉末冶金技术的提升存在紧密的联系。文章主要是针对在航空发电机中应用众多形式不同的粉末冶金材料和粉末冶金设备、粉末成形以及粉末的增强重要技术进行的分析，使粉末冶金技术可以在航空的发动机中得到有效的应用。以下是具体的论述。

1 在航空发动机中使用的粉末冶金材料具体种类

1.1 P/M钛基合金

钛基合金的优势是耐腐蚀性强、强度较高以及热强的性能强。其最主要应用在对航空发动机的压气机的中压气机中的机盘、机叶、风扇以及连接环与导航仪。钛合金取代钢或者是高温合金能够显著降低发动机的所承受的重量，提升发动机的推重比重。以上零部件的标准是在高温的状况下呈现非常强的强度与高温的蠕变抵抗力，持久的强度与稳定组织性。P/M钛合金的伸拉所具备的性能可以大大超出熔断材的质量。但是在P/M钛合金中出现的杂质所含的数量以及钛合金的孔隙，这些都会使钛合金出现疲劳性的减少。在提升密集度与精华工艺程序是P/M钛合金当前最应该解决的状况。

钛合金金属间的化合物的复合材料主要是由氧化物、碳化物以及二硼化钛等颗粒当成提升相，其主要的特点是抗氧化的能力非常强、抗蠕变的特性也非常强、密度较低。温度可以到达816 ℃～982 ℃之间。促使钛合金能够在航空发动机应用的位置是从风扇与风压机变换到涡轮长中，并且合适于制造预备的高压压气的发电机的机片以及低压涡轮的发电机的也变。钛铝合金的基复合的材质是使用粉末冶金、高温组合、热压以及静压、放电等离子体的烧结和喷射堆积、冲击波的固组成法等方式的制作设备。但是钛铝合金的基复合的材质会增大热加工的难度性，整体的功能性也要大力提升，在当前的航空发电技术中还没有应用此项技术。

1.2 喷涂合金粉末

热喷涂粉末会应用在航空发电机的抗高温烧浊涂层、封闭涂层、热障涂层抗磨抗损中，涂层技术对于航空发电机的重要部位进行高温的防护，以及封严耐磨、高温零件的阻燃和防止磨损的状况中，存在非常重要的价值。涂层不仅可以提升发动机重点零件在高温的影响下抵抗侵蚀的重要性，以及在炎热的状况下出现抵抗零件疲劳的能力，以此增加航空发电机的使用年限。热喷粉末的成分具体是指：氧化物陶瓷粉末、合金粉末、金属陶瓷粉末以及纯金属粉末。在美国的飞机的发电机中使用的热喷技术所需的零件数目大概是7 000件除外。热喷涂粉末和别的冶金所需要的粉末有很多不一样的地方，它对粉末的要求非常高，具体体现在粉末的颗粒形状要小而精、要具备高度的球形、良好的流动、颗粒的分布范围要小、所含的气体和杂质量一定要低、松装的密集程度要符合规定的标准。

1.3 氧化物弥漫强化合金

镍基氧化物弥散强化合金可以当成涡轮喷气发动机器中的涡轮叶片和导向叶片，这种粉末不仅可以在高温的状况下得到有效的使用，还可以忍受带来的负重疲劳、气体的蠕变以及气体受到的气势。镍基ODS合金能够抵挡强度较大的蠕变性质，其最重要的原因是氧化物存在的弥漫强化的作用和增强晶状物的移动与滑动。具有代表性的镍基ODS合金主要有3种，分别是MA754、MA600以及MA760。镍基ODS合金主要是运用热挤压制作方式以及机械合金的制作方式，主要有3个关键的步骤，分别是热挤压和热轧制、机械合金化以及进行热处理。只有提升氧化物弥散强化合金的氧化颗粒形状才能更好地提升科学技术水平，增添Hf匀速可以促使氧化物的颗粒的尺寸由原来的30 nm减少到5～10 nm（见图1），与此同时，也为氧化物的根本体积面的掌控创造了全新的方式，在强化晶界降低晶界逃离规定范围的方向开展工作，并且对柱状的晶粒所具有的力学性质存在的各异性提供解决方案，尤其是占据横向方位的晶界的蠕变的村若星的状况是增大镍基ODS合金使用的重点。

1.4 难熔金属

铌合金、钨合金、钼合金以及钽合金都是难熔的金属。钼铜合金可以当成固体火箭发动机的帮衬材料，Ta-10W-2.5H合金主要应用于液体火箭喷管中的喷嘴，Ta-10W合金在火箭发动机中的喷管的阿波罗以及燃气的扰流片的实验燃烧的实验室中。在这些难熔的金属中，密度系数最小的是铌合金，并且强度呈现1 100 ℃～1650 ℃中，仍然具有较强的焊接能力和对室内温度有效控制的能力，还能在薄板的制作以及制成外形非常繁琐的发动机的零件。钨合金可以打造成不需要进行冷却工作的火箭喷管、喷气叶片、热然器的反射器、用于离子火箭发射需要的离子环以及燃气舵。钨取代钼当成固体火箭发动机的喉管和喉衬，进口套管，可以把材料的运用所需的温度在1 760 ℃的基础上提升到3 320 ℃之上。如，美国的联合飞机企业就把钨铜两种材料进行融合，以此当成火箭发动机中的喷管隔板，钨铜融合的材质完全可以承受超出钨的熔点值3 400 ℃。在当前的粉末冶金技术的发展中，难熔金属的高温氧化与高温形成的强度，以及高温材料的重量化是面临的最根本的挑战。

2 粉末冶金的工艺

2.1 镍基高温合金粉末

进行镍基合金粉末要具备含氧量低、制作预备的颗粒的形状要小还要具备较强的纯度的特点，是依据制作预备较强性质功能的粉末的涡的主要技术。当今存在两种方式都是十分重要的，一种是氨气雾化法制成AA粉；另一种是等离子旋转电极法的制粉。如，俄罗斯主要选用是等离子旋转电极法制粉，而等离子旋转电极法制粉的主要特点是夹杂物的尺寸过大、而等离子旋转电极法制粉的颗粒的形状又非常的大。在进行高温后的合金粉末正迈进无污染、没有陶瓷的状况下迈进。粉末的颗粒的径长的分类会阻碍粉末中不是金属融合的尺寸，还会合理科学提升声涡的使用年限和可靠性质，降低出现疲劳寿命的机率。另外，在针对粉末开展颗粒界面韧化与热处理强韧化的处理工作以及进行真空脱皮工作，可以提升材料的塑性与强度。

为解决VIM惰性气雾化德体系中存在的熔化金属和陶瓷资料从而出现的“陶瓷状况”。在最近几年中，我国已经研发了众多的制粉措施和纯净熔炼技术（见图2）。在ELGA的工艺施工中，预合金棒是电极，在电极逐渐旋转到达环形感应线圈的中间位置时，电极会发生熔化的变化，熔滴在准确进入惰性的气体中开展雾化工作。PIGA法主要是根据等离子弧在水冷的铜坩埚中开展熔炼工作，水冷铜坩埚的最底层要和感应器的加热漏嘴相互连接，没有陶瓷漏嘴系统要把熔化掉的金属溶液倒入气体的雾化喷嘴中开展雾化工作。在进行冷壁坩埚熔炼的气体雾化体系中，坩埚要具备一个最底端的浇筑体系，并且冷坩埚的底端浇注的方位和冷壁感应领导体系的相互连接，这个体系也可以使用在活性的金属中。如，在进行碳合金或者是TiAL的金属上的化合物熔炼工作中，在电渣进行重新的熔炉冷璧感应的导向工作中，要对电极的格式以及雾化的材料进行整体的创新，在电源头和熔渣的接触面积的开展熔化工作时，要把熔炼的金属溶液贯穿于具有活性性质的熔渣层，然后在融入到铜金属制成的水冷坩埚中。

2.2 喷涂粉末

不一样的制作设备的工艺会促使粉末的颗粒形状、颗粒分布、颗粒状态以及颗粒的化学成分都会发生非常大地改变，这也会对涂层的能力产生一定的影响。制作设备使用道德喷涂粉末常用的方式主要有机械研磨、气体雾化、制造喷雾干燥颗粒以及水雾化。伴随科学技术的不断发展，喷涂的合金粉也研究出了全新的技术。

首先是等离子体球化的问题上，等离子体球化指的是运用等离子弧促使形态不一的原始粉末进行快速地加工并且使之熔化，使熔化的颗粒在基础的作用下产生非常高的球状度的液体，在非常高的温度中使滴液得到快速地凝固，以此使球状粉末得到有效保存。这也是一项制备非常的密实、解决纯度较高的热喷涂抹粉末的方式，图3是运用气流磨分级和分散以及与等离子球化星湖融合的工艺，制成的球状的钨粉。

2.3 纳米粉体进行再次的造粒

纳米粉体是热障涂层的主要原材料。主要优势是有较强的抗热震能力和较强的隔热性能。可是纳米粉末不可以进行直接喷涂工作，必须借助喷雾干燥剂和之后的处理制作而成微米级别的团聚体的粉末。纳米粉体二次造粒的主要步骤是：第一，运用球磨混合一级超声把纳米结构所具有的信息，合理有序地分布在液体的介质中，并且要添加有机的粘合剂；第二，要把所得到的溶液使用喷雾干燥剂制成纳米结构的聚集体；第三，要把纳米结构团聚集在一起，使之能够快速去除水分，还要去除吸附在化学附氧，为更好地推进一些烧结或者是加热内部整合的温度，以此获得纳米结构的喷涂的粉末数据，使之可以在以往的热喷涂喷枪上得到有效的应用。

2.4 喷射成形

喷射成形的技术主要是把液态金属的快速凝固与熔滴动态致密固化相互融合，并且这也是流程在快完成阶段而飞速凝固的固体材料的全新技术。喷射成形的优势是较高的整体致密度、较低的氧含量以及组织细小匀称。可以提升完善高温合金中的热加工的塑性，提升材料的整体力学的功能和能力，合理改善合金的加工，使之更加与预制设备的高温合金性融合，还能够节省众多和压制相关联的工艺环节。

3 结语

总而言之，要把粉末冶金技术科学、合理、有效地应用在我国的发动机中，并且使其发挥最大限度的价值和重要意义。促进我国航天发动机得到更好地发展，为我国的航天事业奉献更多的力量。

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