一种粉末冶金静电模壁润滑装置

摘要

本发明提供了一种粉末冶金静电模壁润滑装置，其特征在于：由通用压缩空气气源及高压静电发生器(1)、气流控制系统(2)、蓄粉装置、喷粉系统、蓄粉筒柜(3)、输粉软管(7)、循环软管(8)、喷粉软管(9)组成，各接口由软管相连。本发明的优点在于：用电晕放电方式是该新型静电模壁润滑装置的创新点。电晕放电能使任一种润滑粉带上静电荷，这对润滑剂的选择有较大的灵活性，以及润滑粉的带电量能较好的掌控。容易维护，也能较好的控制润滑粉的出粉量。适用于粉末冶金静电模壁的润滑，也可以用于金属加工及新材料领域其他器具的润滑。

说明书

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，特别是提供了一种粉末冶金静电模壁润滑装置，适用于粉末冶金静电模壁的润滑，也可以用于金属加工及新材料领域其他器具的润滑。

背景技术

粉末冶金技术是通过混粉、精密压制成形和烧结的零件加工工艺。它可以实现结构零件尤其是铁基及烧结钢基零件的近终形成形，减少大量的机械加工工序，降低生产成本。因而，粉末冶金结构零件广泛应用于汽车、机械、仪表、家用电器、食品加工机具等行业。不断地降低相关行业的加工成本。

但是，粉末冶金结构零件组织内部总含有一定量的残留孔隙。这些残留孔隙会降低零件的强度。粉末冶金工艺不断发展，力图在精密压制成形阶段提高零件的生坯密度。1994，在加拿大多伦多举行的粉末冶金国际会议上，提出了温压工艺技术^[1-3](文献有：Rutz H G，Harejjo F G，Luk S H.“Warm Compactioon OffersHigh Density at Low Cost”.MPR，1994，49(9)：40-47；Musella V and D’angelo M.“Process for Preheating Metal in Preparation for Compacting Operations”.US Patent，No.4,955,798；Chagono F，Gelinas C and Trudel Y.“Development of High DensityMaterials for PM Applications”.Advances in Powder Metallurgy and ParticulateMaterials，1994，vol.3.Edited by Lall C and Newpaver A J.MPIF，Princeton，N.J.，1994：199)。其中预混合粉末的制备主要在于选择可以在100～150℃正常使用的高温润滑剂。并在100～150℃下进行压制。这一工艺不仅将铁基生坯密度提高了0.1～0.25g/cm³，大大提高了生坯强度，使铁粉一次压制/烧结密度达到了7.5g/cm³，而且该工艺的压制压力和脱模力，在低压制压力范围内(500～700MPa)，均较传统粉末冶金方法低，提高了模具寿命，降低了成本。

温压工艺存在的一个缺欠是，为获得更高的生坯密度使用更高压制压力时，模壁的润滑就显得不足。近年来，静电模壁润滑技术得到了较快的发展^[4-5]，在以下文献中有记载：Mongeon，Pelletier，Sylvain.Die wall lubrication method andapparatus.Canadian Patent，01/36132.2001-05-25；Pelletier Sylvain，ZianiAbdelouahab，Mongeon Paulemile.Die wall lubrication method and apparatus.American Patent，US6299690.2001-10-09；K.Dastoori，B.Makin.Adhesion measur-ements for electrostatic powder coatings using drop test rig and virtual oscilloscope.Journal of Electrostatics，2001，51-52：509-514.。其工作原理是：利用一套装置使润滑粉带上静电荷，其后将带电的润滑粉喷射在接地的模具内壁上，由于静电吸附力的作用，带电润滑粉能够在模具内壁上连续的、均匀的形成了一薄润滑粉层，在压制过程中，这层润滑粉层并起到减少金属粉与模具内壁间摩擦力的作用。如果将模壁润滑技术与温压技术相结合，在高的压制压力下粉末压坯的密度会有较大提高。

国外已出现类似的静电模壁润滑装置，其工作原理是使用专用摩擦枪，通过摩擦方式使润滑粉带上静电，具体为：润滑粉由风压送入多孔径的输粉软管中，在这一过程中，由于润滑粉与输粉软管的摩擦以及各颗粒间的相互碰撞而带上静电，然后润滑粉通过喷嘴朝模腔内喷出，由静电吸附力作用而吸附在模腔的内壁上。从而在模腔内壁上形成一层薄而均匀的润滑粉。然而，该工作原理和装置存在如下的缺点：

1、润滑粉的选择存在局限性。由于润滑粉采用与输粉软管摩擦的方式带上静电，输粉软管的材质是一定的，这势必对润滑粉提出更严格的要求。因为，通过该输粉软管摩擦后，润滑粉要能够产生足够的静电荷电量的话，在静电序列表中，它的位置则要远离输粉软管的材质为佳，这大大限制了润滑粉的选择，往往会出现有较好润滑效果的润滑粉却不能被该装置所使用。这对静电模壁润滑而言是最致命的缺点。

2、喷粉的不稳定性。由于采用多孔径输粉软管输粉，多次使用后，将在软管中沉积着润滑粉，且极不易清理，这将极大的影响输粉软管的使用寿命和该装置的喷粉量，从而影响模壁的润滑效果。

3、静电量不易控制。润滑粉荷质比(荷质比：润滑粉的静电带电量与其质量的比值)值对润滑粉在模壁上的吸附量及喷涂效果有极大的影响。由于是采用多孔径输粉软管的摩擦起电方式，润滑粉带电量的多少则不易掌控。

4、由于不存在循环通路和润滑粉的回收问题，该装置对环境和操作者的污染较大。成本高，由于输粉软管为多孔径的摩擦枪，这极大的增加了该装置的成本。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种粉末冶金静电模壁润滑装置，以降低成本、满足大批量生产的需要。

本发明设计的“新型静电模壁润滑装置”，由通用压缩空气气源及高压静电发生器(1)、气流控制系统(2)、蓄粉装置、蓄粉筒柜(3)、喷粉系统、输粉软管(7)、循环软管(8)、喷粉软管(9)组成，各接口由软管相连。其结构见图1。

新型静电润滑装置主要是通过电晕放电的方式使润滑粉带上静电，这样对润滑剂的选择更加灵活，并能更控制润滑粉带电量的多少。该装置除通用压缩空气气源之外，由高压静电发生器、气流控制系统、蓄粉装置、喷粉系统四部分组成。

高压静电发生器

高压静电发生器1提供给模靴(见图10)内的喷头(见图6-a、图6-b或图7-a、7-b)以高电压，使喷头内的电晕枪37产生电晕场，放出电荷使周围的空气电离，润滑粉通过电晕场时将带上电荷。

气流控制系统

气流控制系统(见图2)控制四支气压分别为：吹粉风压24、汽缸风压25、一次风压26和二次风压27。首先由压缩空气气源提供一干燥的总气流10，然后总气流10分为四个分支气流，分别称为：吹粉风压24、汽缸风压25、一次风压26和二次风压27。电磁阀11和节流阀17分别控制吹粉风压24的通断和气流量大小，流量计21显示吹粉风压24气流量值；电磁阀12和节流阀16、18分别控制汽缸风压25的通断和气流量大小，换向阀15控制汽缸风压25的气流换向，使汽缸能自由伸缩；电磁阀13和节流阀19分别控制一次风压26的通断和气流量大小，流量计22显示一次风压26气流量值；电磁阀14和节流阀20分别控制二次风压27的通断和气流量大小，流量计23显示二次风压27气流量值。吹粉风压24提供气流给蓄粉装置(见图3)，气流由蓄粉筒31的吹粉风压接口28进入，从而使流动床32上的润滑粉呈沸腾状态；一次风压26主要是使分流管29和引粉管30之间产生气压差，在气压差的作用，能使沸腾的润滑粉被提升到分流管29内；二次风压27使悬浮滞留在分流管29内的润滑粉沿输粉软管7送出；汽缸风压25主要是为汽缸4提供动力。

蓄粉装置

蓄粉装置(见图3)由四个部分组成：分流管29、引粉管30、蓄粉筒31和流化床32。润滑粉放入蓄粉筒31的流化床32上，吹粉风压24由流化床32底部的吹粉风压接口28进入，使润滑粉沸腾；引粉管30的喇叭口置于润滑粉面上，这有利于沸腾润滑粉的吸收，及喷出的润滑粉呈雾状；分流管29存在四个接口：输粉软管一接口33、一次风压接口34、二次风压接口35和引粉管接口36。其中输粉软管一接口33与输粉软管7相连，一次风压接口34与一次风压26相连，二次风压接口35与二次风压27相连，引粉管接口36与引粉管30相连。

喷粉系统

喷粉系统由五个部分组成：喷头(见图6-a、图6-b或图7-a、图7-b)、三通阀(见图8)、模靴(见图11)、汽缸4、导板5。其中，喷头(见图6-a、图6-b或图7-a、图7-b)和三通阀(见图8)放置于模靴(见图11)中，三者合为一体。模靴(见图11)上的汽缸接口49与汽缸4相连，其运行受汽缸4所控制，汽缸4固定置导板5上。喷头(见图6-a、图6-b或图7-a、图7-b)由两个部分组成：电晕枪37和喷口38。喷头(见图6-a、图6-b或图7-a、图7-b)顶部与输粉软管7相连，喷头(见图6-a、图6-b或图7-a、图7-b)中电晕枪37与高压静电发生器1以导线相连，喷头(见图6-a、图6-b或图7-a、图7-b)底部为各形状的喷口38。喷头有两种类型：顶喷喷头(见图6-a、图6-b)和侧喷喷头(见图7-a、图7-b)。顶喷喷头(见图6-a、图6-b)垂直置于模腔面上，润滑粉在气压的作用下由上往下吸附在模腔壁上；侧喷喷头(见图7-a、图7-b)即为喷头伸入模腔中，润滑粉在气压的作用下由喷头壁上的喷口38往四周喷射并吸附在模腔壁上。三通阀(见图8)主要由换向杆39、推力杆42、套筒44和弹簧四部分组成。弹簧置于套筒44内与换向杆39的输粉软管二接口45的相对端相连，其作为换向杆39换向回复力的作用。

本发明装置工作原理：

高压静电发生器1开启，使模靴6中的喷头(见图6-a、图6-b或图7-a、图7-b)内的电晕枪37产生电晕场并放出静电荷。同时，压缩空气气源给气流控制系统2提供总气流10，此时电磁阀11、电磁阀12、电磁阀13、电磁阀14开启，使该系统中产生四支气流，调节节流阀16、节流阀17、节流阀18、节流阀19、节流阀20以获得所需的各支气流量。此时，吹粉风压24作用于蓄粉筒柜2内的蓄粉装置(见图3)中，使蓄粉筒31中的润滑粉呈沸腾态，一次风压26作用于分流管29中，使分流管29与引粉管30间产生气压差，从而使处于沸腾态的润滑粉由引粉管30进入分流管29中，再在二次风压27的作用下，润滑粉沿着输粉软管7输送。同时，在汽缸风压25的作用下，汽缸4推动模靴6沿导板5上的轨道移动，汽缸4在推至模靴6内的喷头(见图6-a、图6-b或图7-a、图7-b)于模腔之前时，模靴6内的三通阀(见图8)上的推力杆42未受力，此时，换向杆39的换向口46与循环软管接口40对齐，从而使输粉软管7与循环软管8和蓄粉筒31间形成一回路，润滑粉则在这一回路中循环不断的流动。这一循环回路能够减少润滑粉对环境的污染，提高润滑粉的流动性。当模靴6内的喷头(见图6-a、图6-b或图7-a、图7-b)运动至模腔上时，模靴6停止不动，而汽缸4继续前进，推动模靴6内的三通阀(见图8)上的推力杆42沿滑道43移动，而推力杆42连接于换向杆39上的推力接口47处，从而促使换向杆39滑动，换向口46则变为与喷粉软管一接口41对齐，从而使输粉软管7与喷粉软管9之间形成一回路，润滑粉则在此回路中流动，而原先的循环回路断开。此时，润滑粉进入喷头(见图6-a、图6-b或图7-a、图7-b)中，在电晕枪37产生的电晕场作用下，润滑粉带上静电荷，在气流的作用下，带电润滑粉由喷口38喷出并吸附在模壁上。喷粉完毕后，换向阀15换向使汽缸4后撤，在三通阀(见图8)内的弹簧回复力作用下，换向杆39又回到原来的位置，即换向杆39的换向口46与循环软管接口40又重新对齐。此时，电磁阀11、电磁阀13、电磁阀14关闭。把压制粉末放进模腔内进行压制，脱模后，该装置又重复上述的操作过程。

该装置各步骤的运作和配合均由PLC控制，因此该装置容易实现自动化，提高生产率。

本发明的优点在于：

1、用电晕放电方式是该新型静电模壁润滑装置的创新点。电晕放电能使任一种润滑粉带上静电荷，这对润滑剂的选择有较大的灵活性，以及润滑粉的带电量能较好的掌控。

2、循环通路机构是该新型静电模壁润滑装置的另一优点。循环通路的存在主要是为解决润滑粉对环境污染和润滑粉的充分利用。

3、由于采用单孔的输粉软管，因此，该发明不存在润滑粉对输粉软管的阻塞问题，较易维护。同时，通过对气流量的控制，也能较好的控制润滑粉的出粉量。

附图说明

图1是本发明新型模壁静电润滑装置总图。其中高压静电发生器1、气流控制系统2、蓄粉筒柜3、汽缸4、导板5、模靴6、输粉软管7、循环软管8、喷粉软管9。

图2是气流控制系统简图。其中总气流10、电磁阀11、电磁阀12、电磁阀13、电磁阀14、换向阀15、节流阀16、节流阀17、节流阀18、节流阀19、节流阀20、流量计21、流量计22、流量计23、吹粉风压24、汽缸风压25、一次风压26、二次风压27。

图3是本发明的蓄粉装置图。其中吹粉风压接口28、分流管29、引粉管30、蓄粉筒31、流动床32。

图4是本发明的引粉管图。该装置置于蓄粉筒31中，并与分流管29接口相连。

图5是本发明的分流管图。其中输粉软管一接口33、一次风压接口34、二次风压接口35、引粉管接口36。

图6-a为喷头的主视图，图6-b为喷头的喷口图。其中电晕枪37、喷口38。

图7-a为侧喷喷头的主视图，图7-b为侧喷喷头的喷口图。其中电晕枪37、喷口38

图8是本发明的三通阀图。其中换向杆39、循环软管接口40、喷粉软管一接口41、推力杆42、滑道43、套筒44。

图9是本发明的套筒图。

图10是本发明的换向杆图。其中输粉软管二接口45、换向口46、推力杆接口47

图11是本发明的模靴图。其中喷粉软管二接口48、汽缸接口49。

图12是用本发明装置使EBS腊润滑粉带上静电荷后，测得其荷质比值。横坐标为电压值(KV)，纵坐标为EBS蜡粉荷质比值(μc/g)。

具体实施方式

由于316L不锈钢粉在压制过程中有极大的粘性，颗粒与模具内壁间易产生极大的摩擦力，影响压制品的压制密度。利用新型静电模壁润滑装置和温压技术，以及结合如下的固体润滑剂来压制316L不锈钢粉，可得到高密度的316L不锈钢生坯密度。

所选用的单质润滑粉有：

EBS蜡粉(细度：≤74μm)；硬脂酸锌(5～10μm)；W-Special蜡(细度：≤15μm)；石墨(细度：≤74μm)。

所配置的复合润滑粉有：

25～75％EBS蜡+25～75％石墨；25％～75％EBS蜡+25％～75％硬脂酸锌；25～75％石墨+25～75％W-special蜡。

(以上百分数均为质量百分比)

例1：测定该新型静电模壁润滑装置通过电晕放电方式能够使各润滑粉带上所需的荷电量。设定该装置以12KV电压为例，每次喷粉时间不超过1秒，喷粉风压在0.6MPa左右，输粉软管长为1m，用数字测荷仪测出润滑粉的带电量，用电子分析天平(精度：0.0001g)测出润滑粉质量，求出润滑粉的荷质比，其结果如下表所示：

                               表1在电压12KV下各润滑粉的荷质比值

  润滑粉  EBS蜡  w-special    蜡  硬脂酸    锌  复合润  滑粉一  复合润  滑粉二  复合润  滑粉三  复合润  滑粉四  复合润  滑粉五  荷质比  (μc/g)  0.166  0.090  -1.733  -0.077    -0.095   0.651   0.532  0.555

其中：复合润滑粉一：25％EBS蜡+75％石墨；复合润滑粉二：50％EBS蜡+50％石墨；复合润滑粉三：25％EBS蜡+75％硬脂酸锌；复合润滑粉四：50％EBS蜡+50％硬脂酸锌；复合润滑粉五：75％EBS蜡+25％硬脂酸锌。

由表1可看出，硬脂酸锌、复合润滑粉三、复合润滑粉四、复合润滑粉五都能达到较好的荷质比值(＞0.2μc/g)，而其它的润滑粉相对而言较差些，但随着电压的逐渐加大，各润滑粉也都能表现出较好的电荷特性，以EBS蜡为例(如图12)。

例2：用该新型静电模壁润滑设备在模具内壁喷涂上润滑粉，在室/温压下，采用外润滑或内外润滑相结合的方式压制316L不锈钢粉(细度：≤74μm)，压制压力在680MPa，用千分尺法测压坯密度。各实验结果如下表所示：

                                 表2 316L不锈钢粉在680MPa压制力下的压坯密度

润滑方式内润滑                       0.2％W-special蜡        0.2％EBS蜡    无外润滑       复合润滑粉六    复合润滑粉二  EBS蜡    石墨         EBS蜡    EBS蜡压制粉加热温度    (℃)  120  120  120  120  120    120    120    室温    110    室温    模具加热温度    (℃)  130  140  150  140  150    130    130    室温    110    室温    生坯密度    (g/cm³)  7.35  7.35  7.32  7.16  7.10    7.13    7.13    6.72    7.10    6.56

其中：复合润滑粉六：50％石墨+50％W-special蜡。

由表2所示，不同压制条件下的316L不锈钢粉在680MPa压制力下的压坯密度，从中可知：温压与室温压制相比较而言，温压更能使316L不锈钢粉压坯密度达到更大值。其原因主要在于：一方面温压使金属粉的塑性变形能力提高，另一方面更主要的是在温压下，吸附在模壁上的固体润滑粉呈软化状态，有利于提高润滑粉的润滑性能，从而减少金属粉与模壁间的摩擦阻力。由此可见，采用静电模壁润滑和温压技术相结合的方式，能够提高压坯密度和减少压坯脱模小，且压坯外表面也较光滑。从表2所示，在温压下，采用(50％石墨+50％W-special蜡)型复合润滑粉外润滑和0.2％W-special蜡内润滑的润滑方式，316L不锈钢粉能够获得最大的压坯密度，在这一实验过程压坯脱模容易，压坯表面呈现光亮。