粉末冶金成形体裂纹产生的常见的原因.docx

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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.

图3

某些例子中,残留空气压力可能不会立即导致缺陷.就像烧结过程中温度升高,压力也是一样,残留空气相关应力也是一样,当温度达到可以去除粘合剂和润滑剂的时候,空气压力可以从打开的新的通道中释放,如果任何时候压力应力大于颗粒粘结强度,就会产生裂纹.裂纹可以有大有小,延伸到表面的可能性或有或无.尽管这可能会被当作一个烧结问题,但根源在于成形过程中的空气残留.

过多润滑剂

通常,润滑剂是在成形之前的混粉处理中统一添加分布到金属粉末中,运输条件.充填条件都可能影响这种分布.典型的润滑剂组成是介于粉末量0.5到1.5W\O之间.如果添加过多润滑剂量,裂纹会很明显出现.造成润滑剂过多的原因可能在于初始混合比率过高或者差的或不均匀的混粉,像结块,团聚.在润滑剂高度集中的区域可能不会形成正确的颗粒间粘结,因为颗粒之间的接触会受到阻碍,成形过程中,润滑剂受到的压力导致的压力条件类似于残留空气的作用.这种情况下,导致产生的是一股液压力,润滑剂会流向成形体内邻近区域,并且有些情况不会破坏颗粒间粘结（图4）.在烧结燃烧掉润滑剂过程中,黑色残留物可能会残留在裂纹表面.

污染

任何材料,不管是金属粉末,添加剂,或者杂质,只要对最终产品有负面作用,都被视作为污染.污染原因通常是较差的仓储作业.污染的存在阻碍成形过程中颗粒间接触,也阻碍必要的颗粒间粘结形成.粉末杂质对成形的影响已经有过描述.另一种污染是成形过程中不能被充分破坏的颗粒表面过多氧形成的问题.氧化层会阻碍正确的颗粒间粘结.这种缺陷不是一致的.从这种意义上说,裂纹会出现在不管污染出现的哪个位置,并且很少会在一个位置重复出现,或重复同样的几何大小或形状.

图4

颗粒间移位造成的裂纹

不充分的粉末传播

对于顶面有几何突出部分的复杂粉末冶金零件,有必要在成形之前将粉末传输到这些区域.粉末必须通过上下冲的协调动作在中模模腔内完成重新分布,同时相对其邻近特性完成正确定位.想象一下,就像粉末定位在独立的垂直圆筒内,成形过程中必须避免任何会导致邻近圆筒与相对其他圆筒移动.即使是稍微成形的粉末这程相对运动都会在运动区域创造出一个剪切力区,并且损坏颗粒间互锁,造成粘结破裂.成形过程越接近完成,这种情况越严重,通常这种类型的裂纹会出现在压制方向.如果零件是双毂设计,如图5.如果粉末没有有效传输到毂段,毂内的粉末相对于法兰的垂直运动,会如图所示导致裂纹出现.严重一点的情况,毂和法兰会在脱模的是时候分裂成不同的部分.

图5

非同步成形

整个成形体的致密化过程应该是同步的,且在一致的比率下完成.对于多模具系统,非同步成形动作会导致已经部分成形的粉末向其他已经部分成形的粉末区域移动.图6中,相对连接法兰的毂和外法兰的预成形会阻碍颗粒间形成良好互锁,并且会在后成形阶段导致形成剪切力区.典型的,这种裂纹一开始会出现在相邻模冲相遇的倒角处,继而沿着压制方向形成裂纹.这与粉末传输的区别在于粉末先在中模模腔内进行定位和正确分布.相对运动是由成形过程中相对于一开始的粉末传输和定位,缺乏移动协调.

模冲背压过高\不足

在垂直于压制方向上粉末没有良好的流动性,但是受压时会橫向移动一定角度.对于多模冲零件来说,模冲背压过高\不足会导致粉末从一个圆筒区域向另一个圆筒区域移动.如图7所示.在较早的成形阶段,颗粒间粘结较少时,粉末从高背压区流向低背压区.正因为致密化过程,低背压区没有过多的粉末,并且由于成形体密度不平衡,粉末有”被挤压”回原来的圆筒区域的趋势.裂纹会有自然弯曲的趋势,并顺着始于成形体内角的”流动线”向高背压区发展.由于流动的作用,裂纹通常是平滑的且有光洁的表面,或者由于颗粒会滑向其他颗粒,颗粒会有磨损.

图7

大密度差

一个理想的成形体整体的密度分布应该是一致的,但是实际中很难实现,通过颗粒的松散运动和塑性变形实现致密化过程.粉末开始时有相对一致的粉末充填密度.因此,最终成品的密度差某种意义上就是显示了致密化过程中相应粉末的移动.事实是零件本身密度不一致并不意味着产品就有裂纹缺陷,因为实际生产中这种产品每天都在生产.大密度差造成的裂纹极有可能是由类似于描述的非同步成形的颗粒移位造成的.密度差也能够在压力卸除时影响”回弹”或粉末的弹性回复,这种现象将在后面的章节进行讨论.

弹性应变分离造成的裂纹

模具面不正确的锥度

成形过程中,颗粒经历塑性变形和弹性变形,在脱模之前,零件受到中模模腔或模冲在径向上的限制,零件脱模过程中,它受到模具的作用越来越少,径向上的限制也被部分去除.成形体此时会”回弹”或者扩展以缓解成形过程中形成的弹性变形,当零件一开始脱出中模模腔时,生胚强度足以抑制径向扩展,当零件继续脱出的时候,应力增加到如果超过生胚强度的时候,会发生滑裂或剪切裂纹,这个过程会在开始,重复发生,直到零件完全脱出中模.裂纹是浅表面缺陷并且是垂直于压制方向,图8.当模具边缘锥度比较小而应力集中的时候,这种情况就比校普遍了,倒角和推拔帮助分散应力,将发生这种裂纹的可能性降到最小.

图8

径向扩张

这种裂纹在形状比较复杂且不同水平上橫向的断面区域有巨大的差异的产品比较常见;图9显示的是一个典型案例,由于成形体从中模脱出,在内弹性应变释放作用下,它会在橫向方向上扩张.当主体超出中模面,主体的释放力会打破下外边的颗粒内粘结,受到模具和主体的阻力.密度越高,这个问题越普遍.这种裂纹会橫向发展,有些情况可能会把零件一部分从主体上切开来.

图9

不平衡的弹性应力导致的模具变形

不同的径向位置上带孔或槽的设计的产品零件,在模具最终脱模的位置,会比较容易受影响,导至碎裂.这种状态产生是受不平衡的应力作用,通常与不均衡的密度分布或者如图10所示的弹性应变释放有关.当芯棒脱出时,不均衡的应力会导致其从高密度区域偏斜或从弹性应变释放的区域偏斜.当芯棒基本已经脱出时,使其偏斜的力已经差不多降为零.在偏斜的芯棒上残留的能量超过了成形体的生胚强度.当芯棒变直的时候,它会把孔或槽的高密度一侧打碎.

非对称几何形状

对于成功生产无裂纹产品,非对称的产品几何形状会使模具设计更复杂.如图20a所示的成形体,脱模过程中成形体会受到中模推拔施加的升力.模冲1和模冲2交叉的时候会产生一股张力.裂纹大多数会以一定的向上角度朝成形体的未受限部分发展,通过使用上冲保压可以将这种情况发生的比率降到最低.非对称孔分布会导致成形体内部应力不平衡,并可能使长薄芯棒弯曲,如图20b所示,芯棒需要回复到无变形状态,这会导致孔的外边处出现碎裂纹（通常在压力高的一侧）

推拔（斜度）或球面形状

要想生产的成形体有推拔（斜度）或球面形状,模具面表面需要易于压制方向,这些形状会导致粉末颗粒在成形过程中沿着模具面侧滑.继而产生的剪切应力和颗粒间侧滑可能会在产品表面产生层压效果,随着推拔角度增大,“层”的数量也随之增多或者层状裂纹的数量也会随之增多.如图21

产品尺寸差异

成形体大的尺寸差异（例如长而薄的形状或是一个大的面上有一个小的形状）会在成形过程中导致产品或低密度或应力集中的问题.这会使成形体生胚强度过低,从而增加了这些区域裂纹出现的可能性.图22所示的就是这种尺寸差异可能会造成的裂纹的例证.

产品自动化投放

自动化产品投放装置常用于提高产量,保证工人的安全.这种装置的夹抓力必须足以夹起产品的同时不能有产品掉落的风险,但是,力过大就会损坏产品,过大的夹抓力会对成形体加压,有可能导致裂纹产生.如图23所示,这种类型的操作裂纹在成形体内径向发展,与夹抓方向90度,薄壁的产品对于夹抓力特别敏感.

压机移出产品

从压机移出成形体最普遍的方法是使用中模送粉靴把成形体从中模往外推,然后利用一个倾斜的表面将成形体传运到一个支撑区域,然后在允许的时间内由操作工操作,送粉靴必须轻触成形体,如果送粉靴提前太快,碰撞力就会导致外表面产生裂纹,如果出口斜坡角度过大并且成形体夹取速度超过它们滑向支撑区域的速度时,另一个相似的问题就会发生.当产品成形完,新的成形体会撞上那些已经在支撑区域的产品,从而导致成形体外表面产生径向裂纹,如图24,如果产品还没有完全脱出中模或者里面的模冲正在脱出到中模模板的水平,当送粉靴发生接触的时候,成形体的下边会碎裂,与中模台或传输滑片接触的易碎的形状或薄壁也会受到影响,在传输的时候碎裂.

操作工的操作

粉末冶金成形生胚具有脆性,必须小心处置.任何上料时候产生振动的动作都可能产生张力或剪切力继而产生裂纹,对于大\重且有无支撑段的成形体和有薄段的成形体,这个问题需要特别注意,在产品进到烧结炉或烧结托盘的时候会产生问题,如果产品掉落或者没有放置到位,就有可能产生裂纹,如图25,如果一盘产品取放不正确,那么整盘产品都有可能有缺陷,这种缺陷偶尔发生因为这是人为错误导致的,这种缺陷很难被筛选出来.因为必须对成品采用100%的检查.大多数粉末冶金公司依靠操作工培训和操作工的表现来避免出现这种缺陷.

结论

避免粉末冶金零件出现裂纹就是要理解他们形成的根本原因,具备裂纹如何产生为何产生的知识.才能想出办法来确保无缺陷产生.这篇文章已经举出了粉末冶金零件出现裂纹的大部分常见原因.如果成形过程中生产操作过程中列出的4种不同状态出现,就有可能导致裂纹产生,每一种状态下可能出现的裂纹类型已经有例证展示,错误的材料整合性,成形过程中颗粒间移动,脱模过程中弹性应变释放控制不良,或是存在高张力或剪切力,所举出的例证并不能涵盖所有实际中发生的状况,但是对这些裂纹的一个整体的理解有助于正确地诊断其他一些裂纹案例产生的根本原因,粉末冶金加工是复杂的,过程也取决于产品设计者,模具设计者,过程设计者,冶金学家,调试人员和生产线工人.所有这些影响最终产品产出的人,要成功地消除裂纹,每个人包括粉末冶金零件开发和生产人员都必须了解关于裂纹形成的知识.