金属粉末轧制

nieshan13

金属粉末轧制是粉末冶金成形工艺中的重要成形手段之一,对于制造金属薄板、带材,特别是高孔隙度的多孔薄带材时,它无疑是一种最简捷的成形方法。金属粉末轧制技术,早在19世纪中叶就有人做过尝试,但其真正的发展,还是从20世纪40年代才开始。采用此项成形技术逐渐能够制造各种金属多孔材料,金属及合金板、带材,复合材料、耐磨材料和摩擦材料,以及电工材料和磁性材料等。我国从20世纪60年代初开始研究和采用此项成形技术,40多年来,在金属粉末轧制设备和工艺技术方面都有不小的改进,在制造具有特殊性能的微孔薄带材和高纯度金属板、带材方面有一定的优势,并形成一定的生产能力。
原始状态的金属粉末是一种半流动的松散粒状介质,由不连接或弱连接的一些单独颗粒或团粒所组成,具有一定的流动性和分散性。金属粉末颗粒之间有空隙存在,才能保证在其压力加工过程中,粉末颗粒有移近的可能性和压实状态下的相互定位。
金属粉末轧制也可以把它看成是一种在不封闭状态下的粉末连续压制过程(图1),位于漏斗中的粉末,在粉末颗粒自重和粉末颗粒与旋转辊面间摩擦力的带动下,不断流向处于压紧状态下的辊缝之间,并被轧辊碾压成具有一定强度的多孔板、带材,其轧件性能与原始金属粉末性能比较有很大的变化,由松散状态变为具有一定抗压、抗拉、抗弯和抗剪切强度的刚性多孔体。
金属粉末轧制可有各种不同的方式方法,其区别在于轧辊轴的平面部位(垂直、水平和倾斜),被加工件的状态(冷轧、温轧和热轧)和粉末供料方式(粉末自重和强迫喂料)等。其中垂直冷轧粉末方法,应用最为广泛,主要原因是由于设备结构简单和粉末自重喂料的良好条件。一般致密金属轧制前后只是金属体的形状变化,而体积不变。但金属粉末轧制则不同,轧制前后不仅是形状变化,体积也发生很大变化。比如原始粉末松装密度为1 14ｇ/ｃｍ3的电解镍粉末,在工作辊径14ｍｍ的四辊轧机上进行轧制(单位轧制压力98ＭＰａ)成形后,就可变为密度3 6ｇ/ｃｍ3的多孔带材。每克粉末所占的体积,由松装状态的0 88ｃｍ3减小到0 28ｃｍ3。由此可见,致密金属轧制前后体积相等原理已不适用于金属粉末轧制,而代之的应是粉末轧制前后粉末重量相等原理。
在对称供料的垂直金属粉末轧制中,为了正确理解和叙述金属粉末轧制过程,还必须了解轧制变形区的形成和决定此变形区形成的特殊截面及相对应的轧辊中心角。由于金属粉末是一种半流动状态的松散介质,所以不能象一般致密金属轧制那样,利用线性几何尺寸来分析和计算变形区及整个轧制过程。所谓变形区指的是位于两轧辊弧面和漏斗侧挡板间的粉末体积(图2中的ＡＢＦＥ),其上边界ＡＢ是粉末与轧辊表面间的接触截面,而下边界ＥＦ则是带材出辊处的截面。
粉末轧制变形区,可简单地化分为两个部分。以ＣＤ截面为界,其上部ＡＢＤＣ为供料区,粉末与辊面接触弧所对应的轧辊中心角α叫做咬入角,而Ｈ则称为咬入(或供产)厚度。在供料区内,从粉末与辊面接触点Ａ(或Ｂ)开始,由于粉末颗粒向下错动和相互移近,粉末体已有些紧固,但整体仍为松散状。不过此时的粉末体密度已大于漏斗中的粉末松装密度,故又称此为摇实密度。在供料区内,咬入角α(或咬入厚度Ｈ)的变化都会引起带材厚度和密度的变化。而超过界线ＡＢ,α和Ｈ的变化对带材性能则无任何影响,所以称Ｈ为临界供料厚度,α为临界供料角;ＣＤ截面下部,即ＣＤＦＥ为压实区,ＣＥ弧所对应的轧辊中心角αｐ称为压制角。压实区的金属粉末已变成连续的有一定强度的多孔体,从Ｃ(或Ｄ)点开始,带材密度不断增大,到出辊截面ＥＦ时,带材密度达到最高值。
对于自重喂料的垂直冷轧金属粉末而言,压制角一般为7°～8°,而临界咬入角则有一定的波动范围,40°～50°,主要是由于粉末品种和轧制条件不同所致。比如平均粒度为25μｍ,松装密度为1 4ｇ/ｃｍ3的电解镍粉末,在小四辊(工作辊直径20ｍｍ)轧机上进行轧制,通过试验确定的临界咬入角为42°,而铁粉则为48°。
根据粉末轧制前后粉末重量相等原理,可以认为,在粉末轧制过程中,单位时间内通过供料截面而流向变形区的粉末重量与单位时间出辊带材的重量相等,即:
ＨＢγ0ｖ1=ｈｂγｖ2(1)
式中　Ｈ———供料厚度,ｃｍ
ｈ———带材厚度,ｃｍ
Ｂ———供料宽度,ｃｍ
ｂ———带材宽度,ｃｍ
γ0———粉末松装密度,ｇ/ｃｍ3
γ———带材密度,ｇ/ｃｍ3
ｖ1———通过供料截面的粉末流动速度,ｃｍ/ｓ
ｖ2———轧制速度,ｃｍ/ｓ
如果认为Ｂ=ｂ,且ｖ2/ｖ1=λ(延伸系数),那么由上式可得出带材密度和厚度与辊径、咬入角、轧制速度及粉末松装密度之间的关系:
γ=γ0λ(1+Ｒα2ｈ)(2)
式中　Ｒ———工作辊半径
原始粉末性能及其轧制工艺条件是影响粉末轧制带材性能的主要因素。粉末性能包括粉末松装密度和流动性,以及与此有关的粉末压实性和成形性。像粉末粒度的大小及组成,颗粒形状和表面状态以及化学成分等,对上述粉末的工艺性能及在轧制中的表现行为都有直接的影响。更好地掌握这些粉末工艺性能对选择最佳轧制工艺条件和获得理想的轧件性能具有重要的实际意义。
粉末轧制工艺条件有辊径、咬入角(或咬入厚度)、辊缝、轧制速度、辊面状态和带材宽度以及环境气氛等。本文只扼要地介绍了粉末轧制带材厚度和密度的影响(图3-6)。图3中的试验原料为电解镍粉末,辊径27ｍｍ,辊面光洁度0.2 ,轧制速度0 8～1 0ｍ/ｍｉｎ。图4的试验条件是:原料为电解镍粉末,平均粒度13μｍ,粉末松装密度1 2ｇ/ｃｍ3,轧辊直径为12、16、20和27ｍｍ,轧制速度1 5ｍ/ｍｉｎ。图5的咬入角变化是通过咬入(或供料)厚度变化来控制的。咬入厚度的变化是指在小于临界供料厚度和大于压制角对应的截面厚度范围内进行的。试验原料铁粉,轧辊直径158ｍｍ,轧制速度为5ｍ/ｍｉｎ。图6中的试验原料为电解镍粉末,平均粒度25μｍ,粉末松装密度1 4ｇ/ｃｍ3,工作辊直径25ｍｍ,轧制速度1 5ｍ/ｍｉｎ。
结论:金属粉末轧制原理是轧制前后粉末重量相等,其变形区可简单地化分为供料区和压实区。影响轧件性能的主要因素有原料性能和轧制工艺条件。