溫壓

溫壓是用一次壓制-一次燒結工藝，製造材料密度不低於7.39/cm的高強度粉末冶金結構零件的一項經濟可行的新技術。例如，美國芝加哥粉末金屬製品公司用溫壓工藝為福特汽車公司生產了重1.1kg的自動變速器中的變扭器轂。經過廣泛的耐久試驗證明，這種粉末冶金零件的使用性能優於用切削加工和熱處理由鍛鋼製造的零件，同時還大大減低了零件的生產成本。

溫壓工藝是近年來出現的一種製造密度大於7.29/cm的鐵基粉末冶金製品的新工藝。下圖所示為溫壓工藝流程。其本質上仍屬於傳統粉末冶金工藝的範疇，可使用傳統的粉末冶金成形設備和大多數普通粉末一材料系統，只是需要將原料粉末和模具加熱到130～150℃。為保證良好的粉末流動性與粉末充填性，必須嚴格控制整個系統的溫度，粉末與模具二者的溫度偏差均應控制在±2.5℃以內。

製造工藝的選擇在很大程度上和零件形狀密切相關。對於適於在剛性模具中壓製成形和從其中脫出的零件，當然選擇傳統粉末冶金工藝最合適。當普通粉末冶金工藝可滿足零件的設計要求時，就不需要採用其他粉末冶金工藝。若零件的形狀很複雜，用普通粉末冶金工藝難以成形，且產量大，特別是小型零件，一般趨向於選擇金屬注射成形工藝，現在用這種工藝製造的零件質量已接近100g。對於要求材料性能高的精密零件，往往選用粉末鍛造工藝。

目前，機械工業特別是汽車工業所進行的開發，主要是使部件小型化。達到這一目標的一個措施便是採用較高強度的材料。對於常規材料來說這意味著增加合金元素，但對粉末冶金則意味著提高密度。為提高密度，過去十幾年來已開發出好幾種工藝方法，例如製造高壓縮性粉末，高溫燒結，活化燒結，粉末鍛造，高壓成形，衝擊成形，熱等靜壓等。目前最具吸引力的要數各種溫壓工藝了。溫壓成形已用於生產高性能軟磁材料、高密度複雜形狀的燒結鋼零件，特別是鏈輪、傳動齒輪、發動機齒輪等高強度汽車零件。

不同於熱壓和加壓燒結，溫壓成形是將混合粉末和模具加熱到一定溫度（通常是200℃以下）進行壓制，所得壓坯仍進行常規燒結。採用溫壓成形不僅使生坯密度提高，而且其燒結坯的密度也提高；溫壓成形所用的壓制壓力和脫模壓力均比常規的粉末冶金成形低，從而提高了模具壽命，降低了成本；溫壓成形可降低壓坯的彈性後效，從而可減少壓坯的分層、裂紋等缺陷，提高了壓坯的質量和成品率。

溫壓工藝的核心技術包括粉末原料與粉末加熱系統。粉末加熱系統相對較為容易實現。而溫壓粉末原料的設計與生產則為溫壓工藝中最關鍵的核心技術，是溫壓工藝獲得高密度鐵基粉末壓坯的技術基礎。溫壓粉末原料的製造技術主要包括基粉製造技術和新型聚合物潤滑劑的設計。

國際上大型金屬粉末公司如瑞典赫格納斯公司、美國赫格納斯公司和加拿大魁北克金屬粉末公司製造的商用溫壓粉末，一般都採用壓縮性能優異的部分預合金化鐵粉作基粉，這是溫壓粉末原料的基石。製備壓縮性能優異的部分預合金化粉末的關鍵在於部分預合金化工藝及合金化程度的控制。研究發現，除鐵粉本身的特性如鐵粉顆粒形貌、粒度及其合理搭配與

純度以外，鐵粉顆粒與合金元素顆粒之間的適度合金化有助於鐵粉塑性的改善，即由於未合金化區域中的間隙元素的原子（O、C、N）在擴散處理過程中發生了向合金化區域的定向遷移，導致鐵顆粒的純化和軟化，粉末壓縮性提高。

由於溫壓通常在130℃左右進行，傳統的硬脂酸鋅已處於液態，不能作為溫壓粉末的潤滑劑，而必須設計新的潤滑劑體系。嚴格地講，溫壓用潤滑劑應具備兩大功能，即潤滑功能與為確保潤滑效果最大化的黏結作用。後者能確保潤滑劑膜均勻地包覆在鐵基合金粉末顆粒表面上，使潤滑劑的減摩作用能最大程度地發揮。選擇具體潤滑劑組元時應考慮其耐壓能力，即在高壓力下應保持潤滑膜的連續性。據資料報道，聚醯胺、聚醯亞胺、聚醚亞胺、聚醚、聚碸、纖維素酯、熱塑性酚醛樹脂、聚乙二醇、聚乙烯醇、阿克蠟等及其上述物質的組合物可作為溫壓粉末中的潤滑劑。溫壓用潤滑劑的選擇應考慮以下技術要求：①熔點應高於溫壓溫度；②低的摩擦因數，即優異的潤滑效果；③潤滑作用具有明顯的溫度效應，即隨著溫度的升高，摩擦因數下降；④較寬的分解溫度範圍，避免導致燒結體膨脹與開裂；⑤潔凈環保。

溫壓的緻密化機理與普通壓制工藝基本相同，兩者之間的差異在於，溫壓時粉末顆粒重排與塑性變形進行得更加充分。因此，溫壓工藝能獲得更高的壓坯密度。一方面，在溫壓溫度下，鐵顆粒的加工硬化速度和加工硬化程度降低，鐵粉顆粒的塑性變形能力得到改善，即降低了塑性變形阻力。另一方面，潤滑劑對溫壓緻密化的貢獻主要通過兩個途徑實現。首先，優異的潤滑作用能有效地降低顆粒之間的內摩擦使顆粒重排易於進行，便於獲得緊密堆積結構；其次，潤滑劑能大幅度降低粉末顆粒與模壁之間的摩擦，減小了施加的外壓損失。溫壓過程中顆粒之間的內摩擦與模壁摩擦的降低相對地提高了作用在粉末體上的有效壓制壓力，有利於壓坯密度的提高。

溫壓工藝作為粉末冶金工業的一項重大工藝進展，具體來說，它具有以下幾個特點：

（1）生產成本低：有關資料表明，以製取相似密度的零件為例，假定一次壓制、燒結的普通粉末冶金工藝的成本為1，則粉末鍛造工藝的成本為2.0，復壓復燒工藝的成本為1.5，滲銅工藝的成本為1.4，而溫壓工藝的成本為1.25，僅略高於傳統工藝。

（2）壓坯密度高：相同壓制壓力下，溫壓工藝壓制的生坯密度比傳統方法高0.13~0.25g/cm，可達7.4g/cm，燒結密度高達7.6g/cm。

（3）壓坯強度高：與傳統模壓工藝相比，採用溫壓工藝製造的零件的疲勞強度可提高10%~40%，極限抗拉強度提高10%，燒結態極限抗拉強度≥1200MPa。表面光潔度好。

（4）壓制壓力低和脫模力低：於獲得相同密度的零件，溫壓工藝的壓制壓力至少降低140MPa，脫模力低40MPa，這都有利於提高模具壽命和製取形狀複雜、面積大的產品。

（5）壓坯密度分佈均勻且燒結性能好：溫壓工藝製取的齒輪類零件，密度均勻程度優於傳統方法製取的零件。經過燒結后，燒結收縮率小，屈服強度和衝擊韌性均高於傳統工藝。

溫壓成形技術的出現大大地擴大了粉末冶金零件的應用範圍。目前，溫壓成形已成功應用於各種形狀複雜的高密度、高強度粉末冶金零件的工業化大批量生產，新的標誌性的產品越來越多。下面主要介紹溫壓工藝的一些典型應用。

隨著汽車工業的發展，高性能發動機的出現對傳動轉矩變換器渦輪轂的性能提出了更高的要求。用傳統粉末冶金工藝生產的渦輪轂由於密度較低而使其性能滿足不了要求。因此，原來用粉末冶金工藝生產的渦輪轂後來改用鍛造生產。而溫壓成形技術的出現使得用粉末冶金方法通過一次壓制、一次燒結生產高密度、高性能、複雜形狀的零件成為可能。現在採用擴散合金化的Fe-4Ni-1.5Cu-0.5Mo材料，通過溫壓可使材料的密度達7.259/cm以上，使性能得到快速提高而重新奪回了原來失去的市場，並榮獲1997年MPIF（Metal Powder Industries Federation）年度零件設計比賽大獎。溫壓渦輪轂的拉伸強度為807MPa，硬度為HRC17，在扭矩為1210N·m時可承受100萬次以上循環。其製造工藝與原來的鍛鋼工藝相比，省略了機加工、熱處理等5道工序，降低成本30%以上，設備投資減少50%以上。美國福特公司已將該渦輪轂用於6.8L柴油發動機上，如E40D四速車、F-150卡車、Econoline貨車和大型公共交通車上的發動機。

汽車發動機連桿的工況條件非常惡劣，對材料的疲勞強度提出了很高的要求，於是粉末鍛造連桿於1967年應運而生。隨後，日本的豐田公司、美國的通用汽車公司、Ford公司、德國的Porshe公司、BMW公司、義大利的Fiat公司和英國的GKN公司等均在汽車發動機中應用了粉末鍛造連桿。

為了提高粉末壓制連桿的可靠性，法國Federl Mogul公司於1999年開始了利用溫壓工藝製造發動機連桿的研究。其溫壓一燒結連桿獲得了2000年EPMA（歐洲粉末冶金協會）的粉末冶金創新頭等獎。這種連桿的使用性能和鍛軋鋼或粉末鍛造連桿相同，但製造成本比粉末鍛造連桿降低了50%，連桿重量減輕了6.5%。其所用粉末為加拿大Quebec金屬粉末公司的4401型低合金鋼粉，溫壓壓力為1000MPa，密度達到7.4g/cm，燒結溫度為1130℃。在燒結狀態下抗拉強度為1050N/mm，屈服強度為560N/mm，抗壓屈服點為750N/mm，對稱循環拉壓疲勞強度為320MPa（r=1），其波動僅為10 MPa。

溫壓-燒結連桿的問世，不但將逐漸取代粉末鍛造連桿，還將大大擴大粉末冶金零件的應用領域。法國Federal Mogul公司已計劃從2002年起生產1500萬根溫壓連桿，連桿重量為350~600g，以適應歐洲汽車製造廠商生產的各種發動機的需要。

用溫壓工藝生產的粉末冶金零件具有低成本、高密度、性能均一和精度高等優點，因而在齒輪類的高性能零件上具有廣泛的應用前景，如汽車傳動齒輪、油泵齒輪、凸輪、鏈輪、轉向渦輪、發動機齒輪、電動工具齒輪等。美國的Hoeganaes公司與Cincinnati公司以及其餘幾家製造廠聯合，已採用溫壓工藝生產出從100g到超過1000g大小不等的、由簡單的一個台階的正齒輪到多台階的內、外齒輪與斜齒輪等各種齒輪，燒結密度可高達7.459/cm。