铁基粉末温压成形过程的基础理论与应用研究

摘要

粉末冶金技术是现代机械制造的先进技术，温压是二十世纪九十年代以来粉末冶金领域最具创造性的一项技术进步。但由于影响温压致密化的因素较多，在一定程度上阻碍了该技术的广泛应用。而且，一般的温压研究都局限于零件性能提高等工艺方面，对其进行综合深入研究很困难，尤其是对粉末压制过程中的颗粒移动和变形过程的直接观察难以实现，对温压致密化机理的了解尚不透彻，使得温压技术难以推广。本文从粉体特性研究入手，对粉末压制过程进行了一系列动态连续测试，经过数据分析，结合细观测试，揭示了铁基粉末温压成形机理，了解了各影响因素对温压致密化的贡献，并在温压致密化机理的指导下，研制了某大功率柴油机机油泵传动齿轮和气门导管，获得如下研究成果：发明了一种直接、连续、动态测量粉末压制过程中各种力的变化的试验装置，特别是能直接测量侧压力的分布。 研究了五种含有不同润滑剂的铁基粉末在不同温度下的压制过程，定量描述了温压过程中压坯的密度随压力变化的四个阶段及其致密化的主导机制：第Ⅰ阶段，从压制开始到75MPa左右，粉末颗粒以无摩擦或少摩擦为主的运动；第Ⅱ阶段，从75MPa到350MPa左右，粉末颗粒以摩擦运动为主，并有少量的弹塑性变形；第Ⅲ阶段，从350MPa到600MPa左右，为粉末颗粒移动和颗粒被磨损的塑性变形的混合机制；第Ⅳ阶段，600MPa以上，致密化主要由金属的塑性变形造成。这四个阶段中，粉末颗粒的移动由强变弱，塑性变形由弱变强。然后推导出铁基粉末温压的压制方程，回归出方程中的系数，并从压制过程中的正压力、下作用力、摩擦力和侧压力的变化以及摩擦系数和侧压系数的变化方面诠释温压成形过程，从粉末压制过程的摩擦和塑性变形方面得到证实。 研究了五种含有不同润滑剂的铁基粉末的温压对致密化的贡献，指出这几种粉末的高效、合理的温压生产区间。一般温压温度110～150℃，最佳作用区间为第Ⅱ、Ⅲ阶段，但润滑剂不同，区间范围不同；同时对四种粉末不同条件下的模壁润滑试验数据的方差分析和各影响因素的效应分析结果表明，对密度显著影响的因素依次是内润滑剂种类、温度、内润滑剂含量、模壁润滑剂、内润滑剂与模壁润滑剂的交互、润滑方式，为实际应用提供了技术和理论指导。将温压致密化技术应用于实践，本文从粉末的粒径分布上优化级配了多种粉末堆积配比，得到高松装密度的温压混合粉H1；并利用获得的研究成果研制了高强化大功率柴油机油泵传动齿轮和气门导管零件，优化出高性能的传动齿轮材料和气门导管材料，分别经过材料性能试验、摩擦磨损试验、零部件耐久性考核试验和整机试验，满足大功率高强化柴油机的使用要求，而且总生产成本比原产品低。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2粉末冶金温压技术的研究及发展现状

1.2.1温压技术的发展

1.2.2温压技术的工艺过程

1.2.3温压工艺的关键技术

1.3温压技术的致密化机制研究进展

1.3.1温压致密化的几种主导机制

1.3.2温压技术的成形规律

1.3.3温压过程的计算机模拟

1.4粉末冶金温压技术的应用研究

1.4.1温压工艺在汽车工业中的应用

1.4.2磁性材料及零件

1.4.3电动工具零件及其它结构零件

1.5本课题的研究目的、内容及意义

1.6课题的来源

第二章铁基粉末特性及温压过程的试验研究

2.1温压粉末特性测试与分析

2.1.1典型温压铁粉的化学成分和粒径分布

2.1.2典型温压铁粉的比表面和颗粒形貌

2.1.3纯铁粉的流动性和松装密度

2.1.4含有粉末润滑剂和石墨的混合粉的流动性与松装密度

2.2温压试验装置及测试系统研制

2.2.1温压试验装置设计

2.2.2测试系统研制

2.3铁基粉末动态压制的试验研究

2.3.1试验设计的基本思想

2.3.2试验材料及试验方法

2.3.3试验结果

2.4本章小结

第三章温压致密化过程研究

3.1温压过程中密度的动态变化规律

3.1.1温压动态变化过程的描述

3.1.2压制理论分析

3.1.3温压过程的回归分析

3.2温压致密化过程中力的分析

3.2.1正压力、下作用力和摩擦力

3.2.2侧压力

3.2.3脱模压力

3.2.4弹性后效

3.3温压过程中粉末的摩擦行为

3.3.1固体润滑膜的特性研究

3.3.2温压过程的润滑理论

3.4温压过程中粉末的塑性变形

3.5本章小结

第四章影响温压致密化的各因素的效应分析

4.1温压润滑剂和温度的功效分析

4.2温压粉末模壁润滑试验研究

4.2.1试验对象的选择

4.2.2温度对四种混合粉的流动性和松装密度的影响

4.2.3各种混合粉的模壁润滑压制试验研究

4.3试验数据方差分析的数学模型

4.4影响温压致密化的各因素的方差分析

4.4.1因素效应分析

4.4.2因素的贡献率分析

4.5粉末压制过程的数值模拟

4.6本章小结

第五章粉末冶金温压技术的应用研究

5.1提高温压粉末松装密度的优化级配试验研究

5.1.1单一粒径的粉体堆积试验

5.1.2三种粒径的粉体堆积试验

5.1.3六种粒径的粉体密实堆积试验

5.2大功率柴油机高性能油泵传动齿轮研究

5.2.1机油泵传动齿轮强度计算

5.2.2齿轮材料研制

5.2.3材料摩擦磨损性能试验研究

5.2.4温压成形工艺

5.2.5温压齿轮试验研究

5.3大功率柴油机高性能气门导管研究

5.3.1气门导管使用工况分析

5.3.2导管材料研制

5.3.3气门导管温压成形和性能

5.3.4导管流体动力特性计算

5.3.5导管部件密封性试验

5.3.6整机试验

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文情况

致谢