摘 要：針對(duì)Mo-Al2O3復(fù)合粉體的模壓成形，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析的方法，快速優(yōu)選出其最佳成形壓力;同時(shí)探討了壓制壓力對(duì)粉體成形的影響機(jī)理。研究表明，壓力過(guò)小和壓力過(guò)大都不會(huì)使壓坯順利成形，而是存在一個(gè)最佳成形壓力，在該壓力下壓坯能獲得最好的質(zhì)量，為保證粉末冶金最終產(chǎn)品的質(zhì)量打下良好基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：粉體成形;最佳成形壓力;生坯缺陷

　　金屬鉬(Mo)是一種高溫難熔金屬，熔點(diǎn)為2 620 ℃[1]21。因其熔點(diǎn)較高，設(shè)備受限，故工業(yè)上一般不采用像鋼鐵熔煉那樣的方法來(lái)生產(chǎn)鉬材料，而是采用粉末冶金工藝來(lái)生產(chǎn)。在粉末冶金生產(chǎn)前期，首先要采用模具把還原鉬粉壓制成塊狀生坯(壓坯)，然后放入高溫爐中進(jìn)一步燒結(jié)成形，后續(xù)再進(jìn)行軋制、拉拔等加工過(guò)程，最終制成鉬板或鉬絲[1]21。通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在鉬粉壓制成形這一環(huán)節(jié)，若工藝掌握不好，往往會(huì)產(chǎn)生裂紋、密度不均等生坯缺陷，這些缺陷在后期高溫?zé)Y(jié)中并不能被消除，導(dǎo)致燒結(jié)體中存在裂紋，并進(jìn)一步導(dǎo)致后續(xù)的軋制板材分層，產(chǎn)生次品，我們稱之為“缺陷遺傳”[2-3]。因此，粉末冶金生產(chǎn)的第一步生坯壓制至關(guān)重要，其從根本上決定著最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

　　目前，純鉬生坯壓制工藝往往取自生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，其工藝設(shè)計(jì)依據(jù)或理論計(jì)算方面尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。經(jīng)驗(yàn)總結(jié)需要建立在多次試錯(cuò)的基礎(chǔ)上，周期長(zhǎng)且不易改變。對(duì)于不同物性的粉體，其壓制成形工藝是不同的;金屬M(fèi)o中添加適量的Al2O3顆粒可以通過(guò)粉末冶金的方法制成高溫抗磨復(fù)合材料，在制備前期同樣需要先將粉末壓制成形，而Mo-Al2O3復(fù)合粉具有與純Mo粉不同的物理性能，因此，壓制純Mo的生產(chǎn)工藝已不適用。在生坯成形過(guò)程中，最重要的工藝參數(shù)是壓制壓力[3]。本文針對(duì)Mo-10vol.% Al2O3復(fù)合粉的壓坯成形進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)評(píng)定壓坯質(zhì)量的方法來(lái)快速確定出其最佳的壓制成形壓力，為新材料粉體壓制成形的工藝設(shè)計(jì)提供參考。

　　1 生坯的成形壓力

　　粉體材料在模具施加的壓力作用下，粉末顆粒發(fā)生流動(dòng)、聚集，并進(jìn)一步發(fā)生變形和互相嵌合，最終由松散粉體材料變?yōu)橹旅軌K體材料[1]21，因此壓制壓力是粉末成形的關(guān)鍵因素。此外，粉末的壓制成形還與粉體自身的物性、壓制時(shí)的保壓時(shí)間、脫模速度等因素有關(guān)，但這些因素只能起到進(jìn)一步優(yōu)化作用，而不占主導(dǎo)地位[4]48。

　　壓制壓力較小時(shí)，粉體不能被壓實(shí)成塊，脫模后會(huì)造成粉裂，或強(qiáng)度太低不能被拿起。通常，壓制壓力越大，粉末愈能被壓實(shí)，愈能形成高密度塊體。但是，并不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為，壓制壓力越大越好。生產(chǎn)實(shí)踐表明，過(guò)大的壓制壓力往往會(huì)造成生坯缺陷，如出現(xiàn)與壓力方向垂直的橫向分層裂紋，嚴(yán)重時(shí)脫模后生坯直接分層開(kāi)裂，不能完整成形[5]。因此，生坯的成形壓力既不能太大，也不能太小，而是存在一個(gè)最佳成形壓力

　　2 最佳成形壓力的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　最佳壓制壓力應(yīng)能使生坯完整成形、不存在分層裂紋，同時(shí)還要求生坯具有較高的強(qiáng)度，便于周轉(zhuǎn)安放至后續(xù)工位。因此，最佳的生坯質(zhì)量必然對(duì)應(yīng)著最佳的壓制壓力。依據(jù)該思路，最佳壓制壓力的尋找就轉(zhuǎn)換為壓坯的質(zhì)量測(cè)評(píng)。

　　顯然，壓坯的質(zhì)量應(yīng)從兩個(gè)方面來(lái)測(cè)評(píng)：外觀和強(qiáng)度。據(jù)此，將實(shí)驗(yàn)分為兩步。第一步，外觀須完好無(wú)損。主要依靠觀察法來(lái)評(píng)測(cè)壓坯的外觀質(zhì)量，具體是：①如果脫模出來(lái)的壓坯外觀呈現(xiàn)破裂、不成形或存在宏觀裂紋，則對(duì)應(yīng)壓力明顯不合適;②如果壓坯雖然外形完好，但是強(qiáng)度太低，用手稍微觸碰即裂，則該壓力也不適用。第二步，如果壓坯未出現(xiàn)前述兩種情況，即認(rèn)為外觀質(zhì)量合格，則在此基礎(chǔ)上進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，具有最大強(qiáng)度的壓坯對(duì)應(yīng)著最佳的壓坯質(zhì)量，所采用的成形壓力即為最佳的成形壓力。

　　實(shí)驗(yàn)以Mo-10vol.% Al2O3復(fù)合粉的壓制為例，首先擬定壓力范圍，將生坯壓制出來(lái)。壓制壓力的擬定是在參考純Mo和純Al2O3單獨(dú)成形壓力數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上[6]，并從減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)、提高實(shí)驗(yàn)效率上考慮，初步設(shè)計(jì)出依次成形壓力為1、3、5、7、9、11、13、15、17、19 t。實(shí)驗(yàn)采用圓柱形壓坯，直徑為22 mm。

　　實(shí)驗(yàn)采用徑向壓縮強(qiáng)度來(lái)表征壓坯強(qiáng)度[7]。壓坯徑向壓縮強(qiáng)度的測(cè)試采用材料電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)，加載速度為2 mm/min，生坯壓縮強(qiáng)度測(cè)試如圖1所示，生坯在徑向集中載荷的作用下，沿直徑方向裂開(kāi)。因所有壓坯來(lái)自同一個(gè)模具，其形狀、大小基本相同，故選取壓坯壓裂前所能承受的最大壓力(t)來(lái)表示其徑向壓縮強(qiáng)度。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　3.1 最佳壓制壓力的選定

　　實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在成形的壓坯中，處于較低壓制壓力范圍和處于較高壓制壓力范圍下，都出現(xiàn)了生坯外觀質(zhì)量缺陷。表1列出了壓坯質(zhì)量評(píng)估情況，表中首先對(duì)壓坯的形貌進(jìn)行評(píng)估分析，外觀質(zhì)量不合格的壓坯直接被淘汰而不能進(jìn)入下一輪強(qiáng)度測(cè)試。

　　通過(guò)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，篩選結(jié)果為：壓力為11 t時(shí)對(duì)應(yīng)的壓坯外觀完好，強(qiáng)度最高。為確定在11 t附近是否還存在最佳壓力，又分別選取其臨近的10 t和12 t壓力進(jìn)行了類似的成形實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。從表2中篩選出壓力為12 t。比較11 t和12 t壓力對(duì)應(yīng)壓坯的強(qiáng)度，最后得出：對(duì)于實(shí)驗(yàn)中Mo-10vol.% Al2O3復(fù)合粉體的成形，最佳壓力應(yīng)是11 t?？紤]到本次實(shí)驗(yàn)壓坯截面積的局限性，計(jì)算出對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)為289.3 MPa，進(jìn)而將實(shí)驗(yàn)結(jié)果一般化，即Mo-10vol.% Al2O3復(fù)合粉體的最佳成形壓力(壓強(qiáng))是289.3 MPa。

　　3.2 壓坯密度的變化

　　封閉的模腔里，松散的粉末材料在壓力作用下，顆粒間距逐步減小，通過(guò)變形和互相嵌合以及分子間力的作用，最終被壓制成塊體材料。模壓成形過(guò)程也是粉末致密化的過(guò)程，壓坯的密度越高，則說(shuō)明壓坯的致密化程度也越高。壓坯致密化程度越高，對(duì)應(yīng)在后期燒結(jié)時(shí)尺寸收縮越小，且燒結(jié)后零件強(qiáng)度高[2]。因此，通過(guò)增大壓制壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)粉體致密化，是壓坯成形首選的考慮方案。事實(shí)也證明，壓制壓力越大，生坯的密度越大，致密化程度越高[2]。

　　在壓制實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)稱重、尺寸測(cè)量，計(jì)算出不同壓力下成形生坯的相對(duì)密度，并制作相對(duì)密度隨壓力變化的關(guān)系曲線，如圖2所示。從圖2可以看出，隨著壓制壓力的增加，壓坯相對(duì)密度近乎呈線性增加，壓坯向致密化方向發(fā)展。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，在最大的壓力17 t下，獲得了最高相對(duì)密度72%，即已達(dá)到實(shí)體金屬密度的72%，進(jìn)一步致密化則需要通過(guò)后期的燒結(jié)來(lái)完成[8]。

　　如果單純依據(jù)密度變化來(lái)選擇生坯最佳成形壓力，則選擇了最高壓力17 t，參考前面生坯質(zhì)量評(píng)估分析，這顯然是不合適的。因此，圖2只表明生坯密度隨壓力的變化規(guī)律，不能作為生坯成形壓力選擇的唯一依據(jù)。

　　3.3 壓坯強(qiáng)度的變化

　　壓坯具有較高的強(qiáng)度，一方面能夠保證在后續(xù)搬運(yùn)過(guò)程中不會(huì)碎裂;另一方面，較高的強(qiáng)度意味著生坯內(nèi)部裂紋缺陷較少、致密化程度高，能保證后期燒結(jié)產(chǎn)品的質(zhì)量[1]50。壓制實(shí)驗(yàn)表明，生坯的強(qiáng)度與壓制壓力密切相關(guān)，根據(jù)表1和表2 的數(shù)據(jù)，制作出壓坯的強(qiáng)度(以承受最大載荷計(jì))隨壓制壓力變化的關(guān)系曲線，如圖3所示。

　　根據(jù)圖3并結(jié)合前述分析可知：采用較小的壓力壓制時(shí)，生坯致密化程低，則強(qiáng)度也較低;隨著壓力增加，壓坯致密化程度提高，壓坯強(qiáng)度也隨之不斷提高，直到達(dá)到某一壓力值(圖3中11 t)時(shí)，生坯獲得最大強(qiáng)度;之后，隨著壓力增大，壓坯強(qiáng)度降低。壓坯強(qiáng)度降低的原因如下：①粉末顆粒間的摩擦力因壓制壓力的增大而增大，顆粒流動(dòng)性變差，造成沿壓力方向上密度分布不均勻，進(jìn)而形成組織分層，并且壓制壓力越大，組織分層越嚴(yán)重;②壓制壓力的增大也使壓坯儲(chǔ)存了更多的彈性勢(shì)能，增加了壓坯脫模時(shí)的彈性膨脹效應(yīng)，并且壓制壓力越大，這種彈性后效越嚴(yán)重。因此，在過(guò)大的壓制壓力下，組織分層和彈性后效使壓坯脫模后產(chǎn)生與壓制方向垂直的微裂紋(橫向裂紋)，最終導(dǎo)致壓坯徑向壓縮強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)甚至造成壓坯脫模即分層開(kāi)裂。

　　4 結(jié)論

　　本文以Mo-10vol.% Al2O3復(fù)合粉體的模壓成形為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析的方法，快速確定該粉體的最佳成形壓力，研究得出如下結(jié)論。

　?、偻ㄟ^(guò)外觀形貌分析，優(yōu)選出合理的壓坯成形壓力范圍;通過(guò)進(jìn)一步的壓坯強(qiáng)度比較，最終確定最佳成形壓力。

　　②最佳成形壓力下，壓坯具有適中的密度和最高的壓縮強(qiáng)度，表面光澤瓷實(shí)。

　?、蹓号髅芏入S著壓力的增加而增加，但密度不能作為生坯成形壓力選擇的唯一依據(jù)。

　?、苓^(guò)大的壓制壓力，會(huì)導(dǎo)致壓坯產(chǎn)生橫向裂紋甚至分層開(kāi)裂，原因是壓力造成壓坯內(nèi)部組織分層嚴(yán)重，同時(shí)彈性后效增強(qiáng)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]彭志輝.稀有金屬材料加工工藝學(xué)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2002.

　　[2]師阿維.鉬板坯產(chǎn)品質(zhì)量的主要影響因素分析[J].中國(guó)鎢業(yè)，2013(2)：41-44.

　　[3]劉仁智，安耿，付靜波，等.燒結(jié)鉬板坯中裂縫的形成初探[J].中國(guó)鉬業(yè)，2009(2)：38-41.

　　[4]周航.Al2O3顆粒增強(qiáng)Mo基復(fù)合材料的制備與組織性能研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2015：48.

　　[5] Moon I H ， Kim K H . Relationship Between Compacting Pressure， Green Density， and Green Strength of Copper Powder Compacts[J]. Powder Metallurgy，1984(2)：80-84.

　　[6]O. Alm， A. Grearson， S. Norgren. Method of Making a Submicron Cemented Carbide Powder Mixture with Low Compacting Pressure and The Resulting Powder： U.S. Patent 8，425，652[P]. 2013-04-23.

　　[7]吳秋紅，趙伏軍，李夕兵，等.徑向壓縮下圓環(huán)砂巖樣的力學(xué)特性研究[J].巖土力學(xué)，2018(11)：3969-3975.

　　[8]鄒冀，張國(guó)軍，傅正義.超高溫陶瓷的無(wú)壓燒結(jié)致密化與微結(jié)構(gòu)調(diào)控[J].稀有金屬，2019(11)：1221-1235.

　　推薦閱讀：《航空史研究》以馬列主義、毛澤東思想、鄧小平理論和“三個(gè)代表”重要思想為指導(dǎo)，全面貫徹黨的教育方針和“雙百方針”，理論聯(lián)系實(shí)際，開(kāi)展教育科學(xué)研究和學(xué)科基礎(chǔ)理論研究，交流科技成果，促進(jìn)學(xué)院教學(xué)、科研工作的發(fā)展，為教育改革和社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)做出貢獻(xiàn)。