粉末冶金模具设计篇1
【关键字】有限元；阀板；模具设计；粉末冶金
1引言
阀板是安装在压缩机气缸上控制气体进出的重要部件，它与气阀片一起控制着压缩机的吸气、压缩、排气、和膨胀四个过程。阀板上气阀片安装部位的尺寸形位公差，影响着压缩机工作过程的泄露量，对压缩机节能及噪音都有着重大的影响。因此为提高阀板生产精度而进行研究，对压缩机工作中节约能源、降低使用成本等都有重要的意义。粉末冶金成形技术是一种节材、省能、投资少、见效快，而且适合大批量生产的少无切削、高效金属成形工艺。
长期以来，成形工艺的模具的设计以及工艺过程分析注意的依据是积累的实际经验、行业标准和传统理论。但由于实际经验的非确定性，以及传统理论对变形条件和变形过程进行了简化，因此，对复杂的模具设计往往不容易获得满意的结果，使得调试模具的时间长，次数多。通常情况下，为了保证工艺和模具的可靠与安全，多采用保守的设计方案，造成工序的增多，模具结构尺寸的加大，甚至还达不到设计的精度要求。传统的设计方式已远远无法满足要求。随着计算机技术的飞速发展和七十年代有限元理论的发展，许多成形过程中很难求解的为题可以用有限元方法求解。通过建模和合适的边界条件的确定，有限元数值模拟技术可以很直观地得到成形过程中模具受力、模具失效情况、模具变形趋势。这些重要数据的获得，对合理的模具结构设计有着重要的指导意义。
2实例分析
以下结合实例，介绍SolidworksSimulation有限元分析在改善模具设计中的应用。如图是一款压缩机阀板的图纸。阀板粉末冶金件通过成形模具在高压下，对金属粉末进行压制，再经过烧结、整形、表面处理制成。排气阀与阀片安装面n面高度差0.05～0.10mm，阀面平行度0.02。为保证阀面线精度，成形时需控制高度差及平行度基准面n面的平行度，以确保精整时整个阀面有相同的精整余量。
成形阀面模具三维图。
由于成形模具面型高度及形状不同，导致成形各面密度不同，压制压力不同，导致成形时模具变形不一致，影响产品精度。通常情况下，需要等模具完成，成形出产品后才能对模具作进一步的改善，这样导致产品试制周期长。为了提高模具设计的准确性，缩短产品试制周期，模具设计阶段，我们可利用SolidworksSimulation进行有限元分析，优化模具设计。
3有限元分析过程
（1）首先，对模具数学模型进行简化，添加约束条件。模具面型复杂，且有限元分析中，小倒角圆角不利于分析，将小圆角、倒角简化，较小的斜面简化成直面，易于加载压力条件。
（2）根据成形产品各面的密度分布，参考赫格纳斯aHC100.29+0.6%p11压力与密度关系图，确定成形压力。
赫格纳斯aHC100.29+0.6%p11数据
假设粉料松装密度为3.0g/cm3，模具各区域面型受力如下。
区域压缩比成形密度（g/cm3）压力压强(mpa)
①2.226.65380
②2.447.3750
③1.765.26220
④1.825.47240
⑤2.1166.35320
（3）按区域添加受力条件后，模具模拟变形如下图。
可看出，由于区域③密度高，压制压力大，模冲变形大，导致产品成形出来后n面平行度大，一边高一边低，两边高度差0.03～0.04mm，这样会导致精整时各部位精整余量不一致，导致精整后该面平行度不好，难以控制阀口到n面的高度差0.05～0.10mm，必须将n面变形量差控制在0.02mm以内。
（4）改善的方法有两种，一是将面型做成斜面，补偿模具变形量：二是在模冲上增加弹性平衡孔，使得模具两侧变形量增大，从而减少n面变形差异。由于n面较平整，改斜电极是比较方便的做法，而且模具变形小的地方在两侧，若增加弹性平衡孔会导致模具易变形，所以采取将面型做成斜面的方法。成形产品n面平行度控制在0.02mm以内，精整后可保证阀口到n面高度差0.05～0.10mm。通过有限元分析，改进模具结构，控制模具压制变形，从而改善产品n面平行度，使得高度差能够满足客户要求。
4结语
随着竞争的日益加剧，低成本、高质量和高效率是制造业所追求的目标。在粉末冶金行业中，要提高竞争力，就必须提高设计效率、降低制造成本和提高产品质量，必须对生产过程中影响产品质量的各项工艺参数进行优化。由于粉末冶金压制成形过程中，模具变形是一个十分复杂的问题，传统的设计方法很难满足精度要求。运用有限元分析，不仅可以模拟模具的受力状态。更重要的是，在模具设计阶段，就可以预估成形件压制方向尺寸精度，优化模具结构，减少烧结风险，提高产品精度。随着计算机及有限元理论的不断发展和完善，基于有限元分析的优化设计方法在粉末冶金成形模具设计中的应用将越来越广泛，这是一种必然趋势。
参考文献
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[2]杜贵江,赵彦启,李荣洪.压缩机阀板精冲复合成形工艺的研究[J].压力加工,2003(03).
粉末冶金模具设计篇2
关键词：粉末冶金；发展；探究
Doi：10.16640/ki.37-1222/t.2017.06.011
1粉末冶金的起源c概述
1.1粉末冶金的起源
在1930年代，螺旋磨削后还原铁粉，因此铁粉和碳粉制成的铁基粉末冶金方法的机械零件获得快速发展。第二次世界大战后，粉末冶金技术就得到了快速发展，新的生产技术和技术设备，许多新材料和产品可以衍生出一些特殊材料的制造领域，成为现代工业的重要组成部分。
1.2粉末冶金的概述
粉末冶金是一项能将金属粉末或金属粉末（或金属粉末和非金属粉末的混合物）作为原料烧结，制造出金属材料、复合材料以及各种类型的产品技术。粉末冶金方法和生产陶瓷有相似的地方，都是粉末烧结技术的一部分，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决问题的关键性新材料，在整个工程系统领域的发展中发挥关键作用。但是从定义上说粉末冶金产品往往是远超出了材料和冶金的范围，通常跨越多个学科（材料、冶金、机械、力学等）的技术。特别是现代金属粉末3d打印技术，集机械工程、aUtoCaD、逆向工程技术，分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术共同与粉末冶金产品技术进入一个更全面的现代技术的学科。
2我国粉末冶金面临的技术难题
我国冶金技术目前的困难，是如何积极培育自己的核心竞争力的团队已成为国家和企业急需的解决问题。我们都知道汽车零部件核心技术的价值所在，高价值主要包括：发动机进排气阀，发动机连杆，传动齿轮同步器锥环和泵在主从动齿轮等等。在这些零部件中，主流技术，粉末冶金技术。如：连杆是发动机的重要部件之一，许多进口车型的绘图规则都有连杆疲劳试验载荷，而且载荷下的载荷疲劳循环次数每年超过500多万次。而国产汽车发动机连杆锻造钢连杆和连杆疲劳铸造用途大多数次大于500000周以上是比较困难的，因为汽车钢部件的连杆没有切割，微小缺陷对连杆的疲劳寿命影响较大。国外主流主要采用粉末锻造，如：别克汽车，德国的宝马，GnK公司制造的连杆甚至达到了1041mpa的抗拉强度。因此，要培养自己的核心竞争力，首先必须加强对粉末冶金技术的发展，加强国内零部件的竞争力，从技术薄弱为突破点。
3粉末冶金在我国工业家族中的布局与现状
3.1布局
根据中国粉末冶金协会的统计数据，34家企业有国内大中型粉末冶金生产（占全国64%），53家企业数量累计产量长期53家企业生产比重高达85%，大多数都是粉末冶金部件制造商有34家公司专注于进行改革发展。在过去十年中，我国受益于汽车生产的增长，汽车用粉末冶金零件的需求也呈现快速增长的局面。未来，除了汽车工业本身的成长，粉末冶金部件的需求也将从双重替代进口替代和加工零件更换中受益，粉末冶金用量将得到明显改善，保护传统粉末冶金汽车备件的需求将保持稳定增长。自2008年以来，从行业发展趋势，由于价格优势，世界粉末冶金生产焦点逐渐转向中国，日本的生产，有明显的下降。根据中国粉末冶金协会在34家粉末冶金企业生产基地，2009/2010/2011粉末冶金自行车用量分别为3.1/3.6/3.76kg/m，消费增长趋势明显，2011年略有下降，2012年并恢复到3.71kg/m的水平。行业信息网络认为，考虑到车辆节能，产品轻便和精确的吸引力，随着中国粉末冶金生产企业的未来规模大，技术加强的成本优势仍强，进口替代粉末冶金零件在需求增长的趋势下将继续发生。
3.2现状
根据中国研究结果，2017年我国粉末冶金产品的平均自行车用量至少为8公斤，这个差异不从国外计算粉末冶金用量（进口或部分装配件）的发动机，这部分进口替代需求构成了粉末冶金部件未来需求增长的一部分。我们保守估计，未来车辆本地化的粉末冶金的更换率约为自行车用量的7%-9%。研究及相关原材料，辅助材料，各种粉末制备，烧结设备制造设备的生产。产品包括轴承，齿轮，硬质合金刀具，模具，摩擦产品等。军事企业，采用粉末冶金技术生产铠装穿刺鱼雷，制动副坦克等飞机的重型武器装备。粉末冶金汽车零部件近年来已成为粉末冶金工业在中国最大的市场，约60%的汽车零件用于粉末冶金零件。
4粉末冶金在我国的发展前景
4.1发展
粉末冶金工业在中国已经有近十几年的快速发展，但与国外工业仍存在差距如：企业规模小，经济效益远，与国外企业长距离。各种产品交叉，企业竞争激烈。况且大多数企业缺乏技术支持，研发能力，产品规模低，难以与国外竞争。加工设备及配套设施落后。产品的出口贸易渠道常被限制。
4.2前景
随着中国加入了世界贸易组织，上述问题已显著经改善，因为加入世界贸易组织后，国际市场将逐渐使粉末冶金市场将进一步得到扩大的机会。与此同时，越来越多的企业在引入粉末冶金和相关技术水平的外国资本和技术，我国冶金项目有就是这样得到改善和发展的。依据目前的数据，我国的粉末冶金零件与各项产值超过55.1亿人民币，占全球市场份额非常的小，根据我国国粉末冶金制造业在2014年和2018年生产报告和销售记录预测出转型的升级空间等。中国粉末冶金行业中的54家企业协会统计，2013年我国粉末冶金零部件的生产总值实现了主营业务收入484.11亿元，增长40左右同比增长了2个百分点，利润为7.6亿元人民币，是去年同期的两倍左右。在生产粉末冶金零部件行业里头实现了工业产值突破了57亿多元人民币，其中新产品的产值达到了7.3亿RmB，新产品（新产品输出/工业产值）所占比例为14.4%。且行业销售产值达到57.73亿元RmB，其中出口价值8.28亿元RmB，出付价值/工业销售价值的21.62%。从生产规模和销售规模分析，根据中国粉末冶金协会的统计数据显示，2017年中国粉末冶金零部件的行业产量2.61142亿吨，增长49.31%；销售了182万吨左右，增长63.75%。先后通过引进了国外的先进技术和自主发展创新，在我国粉末冶金工业的新技术的表现和快速发展的趋势下，在各种我国的机械通用零部件行业里，粉末冶金行业是这一年增长和发展得最快的一个产业，我国家的GDp增长率是36.12%。当下全球制造业迅速转移到中国的步伐正在加速，各种汽车工业和高科技产业的快速发展都离不开粉末冶金的各项技术，因此。粉末冶金行业的发展给各种行业的发展带来了一个个有利的机会和良好的市场空间。所以，我国将粉末冶金产业列为了我国优先发展的行业，并鼓励外企和投资公司对其进行大力发展。
5结束语
粉末冶金工业是机械工业在重要零部件制造中的基础。近年来，中国自行发展通过不断引进国外先进技术和创新，粉末冶金工业和技术在中国的组合显示出了快速发展的趋势，是中国机械通用部件行业增长最快的行业之一。在中国经济的快速发展中，特别是在中国汽车工业发展势头强劲的推动下，中国粉末冶金行业增长强劲。粉末冶金汽车配件占45%以上，粉末冶金汽车配件成为中国粉末冶金行业最大的市场。
参考文献：
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[2]张福明，崔幸超，张德国，罗伯钢，魏钢，韩丽敏.首钢京唐炼钢厂新一代工艺流程与应用实践[J].炼钢，2012（02）.
[3]殷瑞钰.高效率、低成本洁净钢“制造平台”集成技术及其动态运行[J].钢铁，2012（01）.
[4]顾里云.首钢京唐钢铁公司能源管控系统建设的理论与实践[J].冶金自动化，2011（03）.
粉末冶金模具设计篇3
【关键词】高精度模具；硬质合金；压制；多孔
1引言
粉末冶金压制成型是利用重力将粉末原料填充于模具的刚性型腔中、冲头对压进行的成
型。在硬质合金粉末冶金应用领域，为减少金属制品在后续加工中的金属量损耗，应在成型中尽量控制产品毛坯的尺寸精度及密度均匀性，这就要求成型设备和成型模具都具有高精密性。在批量生产中，在压机吨位足够的前提下，应在模具设计上进行改进，以提高压制成型效率。
2硬质合金粉末多孔压制工艺对模具的要求
在硬质合金粉末压制过程中，需要考虑以下几个方面对模具的要求：
2.1模具型腔应具备高硬度、高强度
压制成型时与型腔表面及冲头成型面产生摩擦，由于硬质合金混颗粒具有高的硬度，对
模具型腔具有很大的划伤破坏，易造成模具的保废，从而使生产成本急剧增加；模具的高硬度成型面可有效的提高模具使用寿命，降低生产成本。由于在相同面积下成型型腔更多，多孔模具的模壁较一般单孔模具模壁要薄，为保证模具的使用寿命，要求模具型腔材质具有较高的强度。
2.2模具、冲头配合高精度要求
多孔模具的多型腔决定了模具的各型腔尺寸偏差会累积从而增加整体偏差，因而在成型
中对模具和冲头的配合精度要求极高，这就要求模具基本尺寸精度、形位位公差精度高，通常需要控制在0.01mm内。
2.3效率
对硬质合金小制品来说，由于单重小，单支成型成本高，因而在模具设计及成型方式上
需要采取措施来提高成型效率，降低成型成本。
成型效率。
2.4光洁度好
硬质合金颗粒硬度高，如模具成型面光洁度不好，一方面易造成成型面划伤，极大地降
低了模具使用寿命，另一方面较粗糙的表面摩擦系数大，不利于混合料的流动，造成压坯致密度的不均匀，而且在成型过程中粉末内部会产生较大的剪切力，造成裂纹。
2.5维修成本
模具成型过程中通常会出现冲头缺口现象，对单孔模具来说，拆卸下冲头进行电加工、
抛光可继续使用；对多孔模具而言，如出现一处缺口，按常规模具制备工艺，需要对冲头的所有成型面进行再加工，既增加了维修成本，又大大延长了维修周期。
3试验方案及条件
3.1模具材质
硬质合金混合粉末无论是掺胶料还是石蜡料，都具有较高的颗粒硬度，为保证模具的使用寿命及精度，模具成型部分都应该选用高硬度材料，本试验中采用含钴类硬质合金。对粉末冶金模具来说，冲头还必须有较高的压缩屈服强度、高的刚性及高疲劳强度[2]，而通常凹模的使用寿命应该比冲头长，因而在冲头与凹模的选材上，凹模的硬度应更高。
3.2设备条件
本试验中模具的制作加工除了需要常规的切削加工、磨削加工外，还需要精密电加工设备、检测设备。试验中所用的主要电加工设备为agiecharmilles慢走丝线切割机，精度达0.005mm，检测设备为Hexagon三坐标测量机，检测精度0.001mm。
4试验数据及结果
4.1模具设计
为降低维修成本、提高维修效率，冲头基体部分与成型部分不采用传统的焊接工艺，而
是采用定位装卸固定结构。相对于焊接工艺，采用定位装卸固定结构的冲头当某一成型部分出现缺口或崩断时，可直接拆卸下来用已备好的成型备件直接装上，可节省维修成本60%以上，且大大缩短了维修周期。
单孔模具冲头采用焊接工艺多孔模具冲头采用定位装卸固定结构
4.2模具合金材质的选择
多孔模具合金选材上，在保证具有需要的硬度的前提下，为避免冲头对阴模的加速磨耗，
冲头的硬度应该略小于阴模型腔硬度，且需要足够的强度，阴模选用YG6、YG11C，冲头选用YG11C、YG25C，做了两组试验。
根据以上结果分析，阴模材质采用YG11C，冲头材质采用YG25C。
4.3冲头、阴模配合间隙对压坯的影响
一般来说，在压机重复定位精度范围内，冲头、阴模配合间隙越小，有利于提高压制质量，但冲头、阴模配合精度比压机重复定位精度更高时，极易造成崩模。对多孔模具来说，冲头与阴模的配合不仅仅指单一基本尺寸间隙，还要求对称间隙，即模孔与冲头间隙的对称性。
下表为冲头与阴模不同配合间隙下的成型状况（压机重复定位精度0.005mm）。
从上表试验数据可看出：（1）配合间隙要尽量趋于对称；（2）配合间隙略低于压机重复定位精度；（3）对粉末冶金模具而言，配合间隙不能太小，因为粉末在成型过程中需要将颗粒间的空气及时迅速排出，过小的配合间隙不利于做到这一点，从而造成压坯出现裂纹。
4.4电加工工艺对模具精度的影响
对粉末冶金模具来说，在保证型腔硬度的前提下，型腔光洁度越高，成型质量越好，在模具加工过程中，即使前段加工不能保证很好的光洁度，通过钳工抛光也可达到光洁度要求，但对模具精度有较大影响，一般慢走丝线切割及精密火花机粗加工型腔光洁度一般可达到Ra0.8～2.5um，精修加工的型腔光洁度一般可达到Ra0.2～0.4um，精修加工增加了加工成本，但在保证尺寸精度的同时，还可节省抛光时间。下表为粗加工及精修加工条件下模具质精度。
5实践跟踪
设计并加工了该类模具8套，模具精度达到了0.005mm，利用这8套模具已进行了500万次压制。
6结论
（1）对多孔模具而言，精度保证是模具质量控制一大关键，因而，在加工过程中，需采用高精度规准工艺；
（2）在模具精度保证的前提下，为不影响模具使用寿命，成型压机精度应高于模具精度；
（3）相对于单孔模具来说，多孔模具不仅要求配合精度，而且，为保证冲头的互换性，需要保证冲头与阴模的对称配合精度；
（4）模具用合金阴模采用YG25C，冲头采用YG11C；
（5）模具阴模与冲头间的间隙不能过大，过大造成毛刺多，也不能过小，过小不利于空气的排出，容易产生压制裂纹。
参考文献：
粉末冶金模具设计篇4
姚萍屏，教授，1969年出生于湖南双峰，1988年在原中南工业大学材料科学与工程系开始大学本科生活，并到该校粉末冶金研究所从事研究生学习和助研、副教授再到现在的教授工作，秉承中大“敬业、勤奋、求实、创新”的精神，始终耕耘在高性能粉末冶金摩擦学材料领域，先后承担并完成了国家国防攻关、国家863高技术、国家自然科学基金、国家科技部创新基金、民航总局pma项目、国家铁道部引进消化吸收再创新项目、湖南省杰出青年基金和湖南省科委等20余项课题的科研任务，将粉末冶金摩擦学材料推广应用从深海、陆地、天空直至空间，构建了粉末冶金摩擦学材料的全空间应用材料体系。这期间，他还在国内外刊物发表了与摩擦学材料领域相关的研究论文50余篇，获国家授权专利8项，申请专利5项，部级鉴定项目5项。获湖南省科技进步一等奖1项，三等奖1项，有色科技进步奖三等奖1项。目前兼任湖南省摩擦学会理事长、全国青年摩擦学青年工作委员会副主任委员、中国机械工程学会高级会员、中国机械工程学会摩擦学分会常务理事、中国机械工程学会粉末冶金分会理事、中国机械工程学会摩擦耐磨减摩材料与技术专业委员会副主任委员、湖南省机械工程学会常务理事等学术职务。
勇于创新研制航空摩擦材料
自1992年参加工作以来，姚萍屏教授一直从事粉末冶金航空制动摩擦材料的研制和开发工作。针对粉末冶金航空制动摩擦材料高能制动性能稳定性不足和重载耐磨性能差的技术问题，通过对摩擦表面成膜机理、失效机制及制备工艺的深入研究，开发了陶瓷颗粒组合增摩技术、基体微合金化增强技术、金属陶瓷和基板梯度复合技术以及高性能特种粉末冶金摩擦材料制备技术等，主持完成了中国民航总局项目“新一代大型波音737飞机高性能长寿命国产粉末冶金刹车副的研制”，获得中国民航总局颁发的6项产品零部件制造人批准书。
国产粉末冶金刹车副研制成功后经推广使用，不仅保证了国内航空运输的正常进行需求，同时，由于国产刹车副价格较进口件低，同时供货周期由原来的预付款半年后提供改为3天内供货，大大降低了航空公司的资金积压、库房占用和配件供应周期，根据航空公司估计，仅采用国产刹车副，每架飞机可节约直接成本为55.5万元，因此，仅在中国大陆应用国产刹车副，将为航空公司年节约直接成本2.6529亿元。项目已在湖南博云新材料股份有限公司获得产业化推广，累计实现产值达2.1亿元，产品使用效果良好，经济效益和社会效益显著，成为博云新材这一上市公司的拳头产品之一。
喜出成果攻关铁路摩擦材料
没有制动就没有高速。针对国家高速铁路的不断提速要求，姚萍屏教授先后主持了国家863项目“高速列车用制动盘和闸片材料及其制备技术的研究”和铁道部引进消化吸收再创新项目“高速动车组摩擦材料国产化的研制”，
根据高速列车车轮与钢轨粘着促转的系统特点和高速列车制动动能大、制动压力高的技术特点，采用不同颗度粉末配比，通过开展基体的选择、新型摩擦组元及组元的探索以及摩擦组元和组元对基体综合性能的影响等方面的研究，获得了综合新型铜基体、自主开发了专有摩擦组元和组元，开发了非金属组元强化技术和梯度烧结工艺。所获得的高速动车组闸片摩擦材料的研究成果获得产业化推广。
此外，作为国内列车用粉末冶金制动闸片的技术开创者，姚萍屏教授攻克了结构设计、闸瓦材料设计、制备技术及制动闸瓦与轮对匹配设计等一系列科学问题，形成了准高速列车制动闸瓦专有技术，通过技术转让，先后培育了浙江乐清粉末冶金厂、新乡铁路摩擦材料厂和苏州华源机车车辆配件有限公司等多家单位进行市场化开发，技术成熟，能迅速投产，目前占有了全国准高速列车粉末冶金制动闸瓦的四分之三市场，形成了“中国铁路延伸到哪里，中南制动材料技术就出现在哪里”的盛况。
立足国需解决航天关键问题
空间对接技术和对接机构是我国航天载人飞行的关键技术，也是今后扩展空间应用能力的一个重要手段。姚萍屏教授承担了国家863项目“空间摩擦副的研制”，作为原创性的高技术应用项目，在姚萍屏教授的带领下，项目克服了无参照、缺平台、时间紧、要求高的困难，解决了苛刻空间条件下摩擦副材料摩擦磨损性能的高稳定性，发现并探明了摩擦材料常用二硫化钼组元在制造过程中的演变规律和对材料摩擦磨损性能的作用机理，设计并制造了模拟空间条件的摩擦磨损性能检测装置，创造性的采用高体积百分比非金属组元获得了高稳定性和抗真空粘着的空间摩擦副粉末冶金摩擦材料配方设计。首次采用一套摩擦副实现了两飞行器对接时制动耗能、可靠传扭和过载保护，解决了飞行器对接过程中的安全保证问题，发明了一种全功能（制动耗能、稳定传扭和过载保护功能）空间摩擦副。
作为空间对接结构的两大关键部件，2011年11月3日，采用姚萍屏教授团队研制的全功能空间摩擦副首次在“神舟八号”飞船与“天宫一号”目标飞行器的完美自动对接中出色完成任务，2012年6月，全功能空间摩擦副再次在在我国载人自动对接和手动对接中表现突出，再一次证明空间对接机构摩擦副具有良好的稳定性和一致性。随着我国空间事业的发展，在每一次空间对接任务中，全功能空间摩擦副都将发挥其关键作用。姚萍屏教授领导的团队使中南大学已成为世界上除俄罗斯外唯一能提供对接机构摩擦副材料的单位。
添砖加瓦推广应用风电材料
粉末冶金模具设计篇5
模具使用寿命取决于抗磨损和抗机械损伤能力，一旦磨损过度或机械损伤，须经修复才能恢复使用。目前可采用的修复技术有电镀、电弧或火焰堆焊、热喷涂(火焰、等离子)等。电镀层一般很薄，不超过0.3mm，而且与基体结合差，形状损坏部位难于修复，在堆焊、热喷涂或喷焊时，热量注入大，能量不集中，模具热影响区大，易畸变甚至开裂，喷涂层稀释率大，降低了基体和材料的性能。
利用激光熔覆的方法可实现对模具的修复。用高功率激光束以恒定功率p与热粉流同时入射到模具表面上，一部分入射光被反射，一部分光被吸收，瞬时被吸收的能量超过临界值后，金属熔化产生熔池，然后快速凝固形成冶金结合的覆层。激光束根据CaD二次开发的应用程序给定的路线，来回扫描逐线逐层地修复模具。由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的快速加热，对基体的热影响较小，引起的畸变可以忽略，特别是经过修复后的模具几乎不需再加工。
1激光修复系统
激光修复技术是集高功率激光、计算机、数控机床、CaD/Cam、先进材料、数控技术等多学科的应用技术。修复系统主要由硬件设备和制造过程软件组成。硬件设备包括激光器、数控系统及工作台、送粉装置、光路系统、水冷装置、保护气系统和在线控制所涉及的数据采集装置。软件系统包括制造零件成型软件擞据通讯和在线控制软件。激光修复过程如图2所示。Co2激光器发出的激光经CnC数控机床Z轴(垂直工作台)反射镜后，进入三维光束成形聚焦组合镜，再进入同轴送粉工作头，组合镜和工作头都固定在机床Z轴上，由数控系统统一控制。载气式送粉器将粉末均匀输送到分粉器的同轴送粉工作头。
模具位于CnC数控工作台X-Y平面上，根据CnC指令，工作台、组合镜和送粉头按给定的CaD程序运动。同时加入激光和粉末，逐层熔敷。在温度检测和控制系统作用下，使模具恢复原始尺寸。为保证熔覆材料(金属粉末)和基体(模具)材料实现冶金结合，以及模具的尺寸精度、表面光洁度和材料性能，需将φ50mm圆形多模1kw-5kw高功率激光束变换成强度均匀分布的圆形光束，光斑尺寸可调(光路系统)，并配有水冷系统和光束头气体保护系统，同时需重点考虑同轴送粉装置和现场控制系统的设计。
1.1同轴送粉装置
稳定可靠的粉末输送系统是金属零件修复质量的重要保证。粉末输送的波动将影响修复的质量。激光修复对送粉的基本要求是连续、稳定、均匀和可控地把粉末送入激光熔池。送粉装置由送粉器和同轴送粉嘴组成。在送粉器的粉斗下部，由于平衡气压的作用形成气固两相流化，并从导管开孔，随载气输送粉末。送粉量由输送气体的压力调节，拓宽了送粉范围，实现从5g/min-150g/min均匀连续可调送粉，送粉精度高达±5。设计的载气同轴粉嘴，消除了气体压力波动引起的4路送粉不均匀，并使工作距离加大，且连续可调。
1.2模具修复过程的控制
在理论上，熔池温度场决定修复过程的宏观与微观质量，因此在激光熔覆层质量控制过程中，表征熔覆层熔池温度场的实时检测非常重要。采用红外测温技术来检测激光加工区域的温度场，结合温度场标定结果推导出实际的温度场信息，来控制激光器功率输出值以及CnC机床的运动速度，以保持熔池温度稳定，避免零件由于过热或温度不均产生裂纹气孔等缺陷。虚线范围内所示的是比色测温仪，光路系统选用单台相机，切换不同滤色片的单通道图像记录方式。滤光片及其控制保证两个滤光片(804.5nm和894.6nm)交替置于数字相机图像记录光路中，移动响应时间<10ms，由计算机控制的高精度步进电机实现准确定位。软件包括三部分：①控制滤光片转入记录光路机械控制部分;②进行实时的同步图像采集、处理以及温度场标定和计算;③用测量温度变化量所得到的过程参数，调节激光功率和机床运动速度。
1.3激光修复模具工艺参数
激光修复伴随着传热、辐射、固化、分子取相及结晶等物理和化学变化，是个多参数过程。激光功率p、扫描速度、送粉量、熔池温度等都会对其产生影响。因此必须把参数合理地组合，以确保修复工作是在涂覆特性可知的情况下进行。在激光熔敷过程中，如果不采用特殊的工艺过程对基材的热输入量进行控制，将会使熔敷层与基体结合程度不理想，或在熔层表面和熔敷层与基材的过渡区产生裂纹。因此，合理地选择工艺参数是激光熔覆技术用于模具维修的关键因素。
根据物理冶金原理，熔敷材料和基体材料必须加热到足够高的温度才能满足实现冶金反应所无原则的条件，最终形成几何外形规则的熔敷层，见图1，根据经验，应尽可能使熔敷材料加热到较低的温度，这样可以减小熔敷裂纹、畸变倾向，也可避免熔敷材料的烧损和蒸发，需控制熔化材料的熔点(取基体、粉末材料两者最高熔点)tm+(50-100)℃。参考温度场计逄，理论上p取值为1Kw-2Kw、为2mm/s-4mm/s可满足上述要求，至于熔覆层表面不平度，可通过调节送粉量实现其最小化。
2.2试验方法
试验用横流连续波5kw-Co2激光器，光束模式为多模，光斑直径为4mm，基体材料(模具)为5Crmnmo钢，试样尺寸80mm×60mm×10mm，由于ni合金粉流动性好，与基材相结合后表面光洁，价格适中，故选用了ni60镍基合金粉末材料。试验选定激光功率p为1.5kw。
3试验结果分析
3.1工艺参数对模具修复性能的影响
从熔覆层组织可以看出，激光与粉末材料相互作用充分，稀释率适中，在熔覆层内各层间组织与层内组织稍有差别，层内组织均匀细小致密，层间组织较粗大。由此可知，激光修复可以在相当宽的范围内获得组织均匀、细小致密和性能优异的修复层。测量1~3层硬度变化为85HV0.2。
试验结果表明，粉末在与激光相互作用时，如果激光功率p>5kw且扫描速度<1mm/s，基体因加热温度过高而被烧损，表面出现折皱以及气孔等质量问题。究其原因熔覆过程熔池内搅拌加剧，基体元素与金属粉末元素相互扩散严重，熔覆层开裂、变形敏感性明显上升。当激光功率p=1kw~2kw、扫描速度=2mm/s~4mm/s范围内均可得到较理想的激光熔覆层。此外，若加热温度过低无法充分熔化，难于达到修复模具的目的。扫描速度过大时出现熔覆层不连续现象，其结合强度不够。稀释率随扫描速度的增加，呈减小的趋势，而随送粉量的增大使稀释率有增加的趋势。
3.2工艺参数对模具修复宏观形貌的影响
试验表明，在p和变化不大时，激光熔覆表面宏观形貌与送粉量关系密切，在其它条件相同的情况下，随的增大，熔覆层宽度有所变化(有变小的趋势)，而熔覆层厚度明显增加，接触角加大。完全可以利用调节的方法改善熔覆层表面不平度。
粉末冶金模具设计篇6
关键词：汽车；制动；稳定性；热衰退
中图分类号：F407文献标识码：a
1概述
制动性能是车辆最为重要的主动安全性能，其稳定性与行车安全密切相关。摩擦材料对温度的敏感性是制动稳定性的主要影响因素之一。在制动过程中，整车的运动动能通过摩擦材料与制动器间的摩擦转化为其他形式的能量，其中，约90%转化为热能，表现为制动器温度的升高。随着温度的上升，摩擦材料的表面膜、机体表层发生复杂的物理和化学变化，从而导致摩擦系数发生明显变化。
摩擦材料的摩擦系数在较低的温度区间随着温度的升高而增加；但在温度持续升高时，摩擦材料发生热衰退，摩擦系数随着温度的升高而降低；而当温度降低到低温区间后，摩擦系数又会逐渐恢复。摩擦材料的这一特性使制动器的制动性能不同温度下发生明显变化。
不同的摩擦材料对温度的敏感特性不同。目前，汽车制动器所使用的摩擦材料主要有无石棉有机摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、金属陶瓷摩擦材料、新型混杂纤维摩擦材料、新型陶瓷摩擦材料等。其中，粉末冶金摩擦材料和金属陶瓷摩擦材料应用较为广泛。
粉末冶金摩擦材料是以金属及其合金为基体，添加摩擦组元和组元，用粉末冶金技术烧结形成的复合材料，具有较好的高温强度、耐热性、热稳定性和经济性；金属陶瓷摩擦材料是由金属基体、组元和陶瓷组分组成的复合材料，也是采用粉末冶金工艺制备而成，其具有较高的热容量、良好的热导性、耐高温、耐磨、摩擦系数高、寿命长等特点，在高温下仍能保持优良的性能。
本文选取了4种不同类型的汽车制动器，并通过制动器台架试验，对制动器制动性能随温度的变化规律开展研究。
2试验设备及方法
2.1试验设备
制动器惯性试验台能够利用制动器台架试验再现实车制动过程，并模拟实车制动的冷却条件，广泛应用于制动器总成性能测试。试验台由计算机、液压系统、控制系统、主轴及主轴驱动系统、惯量系统等构成。计算机控制试验台的启停并记录试验数据；液压系统为受试件提供制动压力；控制系统接收计算机控制指令并实施主轴驱动和制动控制；主轴由直流电机驱动，用于获得制动初速度；惯量系统由不同惯量的等比飞轮构成，可以模拟不同类型车辆的行驶惯量。
2.2安装方法
按照文献4规定，为被测样品的制动蹄片、制动衬片安装测温热电偶，并将被测样品安装在制动器惯性试验台上。
2.3试验方法
以65km/h的速度，3.5m/S2的减速度进行200次磨合制动（初始制动温度不超过120℃），然后进行第一次衰退试验：
初次制动初温：78～80℃；
制动初速度：最高设计车速不超过140km/h时，为80km/h；最高设计车速超过140km/h时，为100km/h；
制动压力：第1次制动减速度为4.41m/S2，后续制动与第一次制动的压力相同；
制动次数：10次；
制动周期：45s；
冷却条件：关闭送风系统
完成上述试验后，以65km/h的速度，3.5m/S2的减速度进行20次磨合，然后按照第一次衰退试验的试验条件重复试验，记为第二次衰退试验。
3试验结果分析
记录试验过程中初始制动温度、终止制动温度、平均制动力矩、制动压力、制动减速度等试验参数，并计算单位管路压力下的平均制动力矩（下文记为单位平均制动力矩）。衰退试验中，制动力矩下降和升高的程度，用衰退率来表示
3.1样品1，鼓式制动器，采用粉末冶金摩擦材料
两次衰退试验中，随着温度的升高，制动减速度与单位平均制动力矩均呈下降趋势。低于100℃时，制动器具有最佳制动性能，而10次连续制动后，温度上升至近250℃，制动效能的衰退率也高达近40%。
3.2样品2，鼓式制动器，采用金属陶瓷摩擦材料：
第一次衰退试验中，随着温度的升高，制动减速度与单位平均制动力矩均呈上升趋势，在近300℃的高温下，制动器获得最佳制动性能；而在第二次衰退试验中，最佳制动效能对应的温度区间为170℃～230℃，温度继续升高时，制动减速度和单位平均制动力矩虽然有所降低，但其稳定性较好。可见，采用了金属陶瓷摩擦材料的制动器在较高的温度下仍能获得较高制动效能。
3.3样品3，盘式制动器，采用金属陶瓷摩擦材料
两次衰退试验中，随着温度的升高，制动减速度和单位平均制动力矩有所降低，但在200℃～400℃的温度下，制动器能够获得较为稳定的制动效能。
3.4样品4，盘式制动器，采用粉末冶金摩擦材料200℃时，制动器能够获得最佳制动性能，但在第二次衰退试验中，由于持续制动，温度急剧升高至近500℃，制动效能也有较为明显的衰退，可见其制动效能的稳定性较差。
（上边1、2、3、44个样品的实验数据或者曲线对比图呢？做出来的制动效能的数据呢，这四组数据时最关键的啊）
4总结
综合本文上述分析，可得以下结论：
制动器制动性能的热稳定性与摩擦材料密切相关；采用金属陶瓷摩擦材料的制动器较采用粉末冶金摩擦材料制动器具有更好的热稳定性；
在200℃～400℃的高温区间，采用陶瓷摩擦材料的制动器仍具有较高的制动效能或是稳定的制动性能，而采用粉末冶金摩擦材料的制动器则会出现明显的热衰退现象；我国汽车行业推荐标准QC/t564-2008规定进行制动器制动效能测试时，参考试验的制动初温均为（80±2）℃，但新型制动材料往往在较高的温度区间上具有更为稳定的性能，因此，对应用了新型摩擦材料的制动器，上述制动初始温度的规定有待商榷。
随着新型摩擦材料研究的出现，相关标准的部分条款已不再广泛使用，只有不断细化、更新标准技术内容，开展标准研讨才能充分发挥其指导作用，推动制动技术向前发展。
参考文献
[1]马卫平，野南海.汽车用摩擦材料国外研究进展[J].企业技术开发，2007，（05）：31
[2]马东辉，张永振，陈跃，官宝.制动摩擦材料高速摩擦学性能的主要影响因素[J].与密封，2003，（06）：44-47.
粉末冶金模具设计篇7
关键词：特种成形技术；模具设计；教学改革
中图分类号：G642.0文献标志码：a文章编号：1674-9324（2014）50-0176-02
随着我国经济的腾飞，国内制造业获得了高速的发展。模具工业作为制造业的核心，模具设计和制造人员需求量越来越大，而这方面高端的技术人员的稀缺正在成为制约我国制造工业发展的“瓶颈”。国内理工科高校为了满足模具市场对专业人员的需求，大都开设了模具加工方向的专业理论课程和实践环节。作者所在学校在机械和材料两个学院均开有模具课程，材料学院在材料成型及控制专业还特别开设了模具方向，系统的培养专业模具设计和制造人才。“特种成形模具”是材料成型及控制专业为模具方向学生特意新开的专业课程之一。本文作者通过上一年的课程教学实践，对“特种成形模具”这门新开课的特点和教学实际情况进行了分析，针对课程存在的问题进行了探讨，并提出了相应的改革方案，以期为这门课程的后续建设和发展奠定良好的基础。
一、课程教学内容及存在的问题
1.课程性质、内容与作用。在作者所在学校，模具方向是材料成型及控制专业的专业方向之一。该方向的学生大三以前同材料成型及控制专业其他方向的学生一起共同学习材料成型方面的基础专业课，并不涉及到具体的模具设计和制造。在细分方向进行后，以前的模具方向学生主要是学习注塑模和冲压模设计与制造两个方面，对其他材料成型工艺过程涉及到的模具设计和制造并不了解。学院基于让模具方向学生能够更多的了解其他成型工艺中模具设计，特意为该方向学生开设了“特种成形模具”课程，以增加学生的专业知识面，为学生提供更广阔的就业机会。“特种成形模具”课程涉及到锻造、挤压、汽车覆盖件冲压和粉末冶金多种材料成型工艺方面的模具设计和制造知识。课程的目的是：希望通过学习，使学生掌握模锻模具、挤压模具、汽车覆盖件模具及粉末冶金模具设计的基本知识，培养学生分析解决实际工艺及模具问题和开拓创新能力，具备相关模具设计和成形工艺现场实施的初步能力。
2.课程教学存在的问题。作者通过上一年的课程教学实践，发现学生在学习“特种成形模具”这门课程过程中主要存在两方面的问题：一方面是由于“特种成形模具”这门课程涉及到的知识面比较宽广，跨度较大，包含了四种材料成型工艺方面的知识，学生对这些成型工艺不甚了解，比如材料成型专业并没有开设粉末冶金专业课，致使学生学习的难度增大，学习起来较为吃力，导致学习主动性不强。另一方面是课程的整个学习课时过少，学生要在32个课时中完成四种材料成型工艺及相关模具设计的学习，很多工艺和模具设计方面的细节知识无法通过短短的课堂讲授传递给学生。为了让学生在有限的课时内有效的完成课程学习，作者对以前的课程内容和教学方法进行了分析，并提出了相应的优化方案。
二、教学内容分析及优化
“特种成形模具”课程是一门较为特殊的模具专业课程，涉及到体积、板料，粉末三大金属塑性变形，具体包含了锻造、挤压、汽车覆盖件冲压和粉末冶金四种材料成型工艺及模具设计，是注塑模和冲压模两门课程的补充课程。经上一年的课程教学实践，作者发现由于教学内容分配的不合理，存在一些问题。作者根据学生学习课程的情况，通过对教学大纲的仔细分析，对课程的部分教学内容进行了优化，以期在规定的课时量下用更为合理的课程内容分布让学生既能学得广，又能学得深。
1.课时分配优化。原来的“特种成形模具”课程教学内容分配时主要着重在模锻成形及模具设计，共用理论课时18节，占到整个课程课时的一半以上。课程根据锻造工艺的不同，分别从锻造工艺概述、开式、闭式、精密、特种锻造五个方面介绍了锻造工艺及模具设计，除概述只占2课时外，其他部分占用课时均为4个课时。这样的课时分布存在一定的不合理性：一是锻造模具设计占用课时过多，压缩了其他成型工艺模具设计讲授课时；二是涉及到的锻造工艺过多，面面俱到，导致有些知识无法讲透，而有些知识又过于重复，致使教学资源浪费。经分析优化后，作者根据不同锻造工艺的共通点和借鉴其他人的经验，采用重点讲述典型的开式模锻工艺及其相应的模具设计，将这部分课时延长至6个课时，把其他锻造工艺压缩为2个课时，只做简单扼要的介绍。这样的调整既做到了缩减锻造工艺的课时量，又达到了“少而精”的效果。
2.课程内容优化。原课程内容在涉及到汽车覆盖件的冲压工艺及模具设计时，同样存在一些不合理。汽车覆盖件冲压模具知识是学生学习冲压模具课程后进行讲授的，两者存在一些共同点也有一定的区别。课程所用教材对一些冲压工艺及简单的冲压模具进行了介绍，而这部分内容学生在以前的课程中已经进行了较为细致的学习，再进行重复讲解就造成了教学资源浪费。而汽车覆盖件冲压又较普通的冲压工艺更为复杂，所用模具和设备也不同，如何让学生在具备了一定的冲压模具知识的前提下学好汽车覆盖件模具知识，作者对两种冲压模存在的差异进行了分析总结，并提出了相应的优化课程方案。
三、教学方法改革
针对现有教学的不足，作者希望通过以下几个方面的教学方法改革，进一步使学生在有限的时间内高效的完成理论课程学习和提升工程实践中解决实际问题的能力。
1.多种理论教学手段结合，增加学生的感官认识。“特种成形模具”课程涉及到多种成形工艺，很多学生对部分成形工艺没有大体的了解，模具设计就更无从谈起。对于学生从没有接触过的成形工艺，作者通过图片、视屏、小型实际模型等一系列教学手段结合，使学生对工艺和相关模具有个初步的感官认识，比如给学生展示拉臂锻件开式模锻的锻模小型实体模型。另外，课本上介绍的一些模具较为复杂，通过二维图片无法真实的反映出模具结构，导致学生理解起来较为吃力，作者通过动画模型使学生能够从三维立体的角度了解模具结构。比如汽车覆盖件冲压模上的废料切刀，从教材的二维图和文字介绍中很难准确的理解废料切刀的结构及其与其他模具之间的装配关系，作者采用三维设计软件模拟了汽车覆盖件冲压成形过程中废料切刀的运动过程，学生通过三维立体动画，很快的就能理解汽车覆盖件冲压模是如何运动的，废料切刀与冲压模之间的装配关系以及它又是如何完成废料的切除过程。
2.介绍最新研究成果，激发学生学习热情。纯粹的理论教学，涉及到大量的计算公式和设计原则，理论性较强。而这些知识有没有用，有用又用在何处，大部分学生都不是太清楚，致使学生在学习理论知识时往往缺乏学习热情。作者通过查阅文献、与相关企业的技术人员交流、参加学术会议等各种渠道了解到国内外最新的研究和技术创新成果，并把这些信息传达给学生，极大的激发了学生的学习热情。比如在讲授热模锻压力机时，给学生介绍了德阳二重与国内高校联合自主研发的8.5万吨模锻压力机从设计到建造成功用时10年终于在2013年初正式进入工业化生产，创下了多项“世界第一”，为我国的大飞机实现自主制造提供了必要支撑，学生听完介绍后很是激动，当堂课程听得聚精会神，课后还积极与作者讨论课堂知识在实际生产中的运用。由此可见，在课堂上引入最新的研究成果，对提升学生的学习热情有很大的帮助。
3.互动式教学，培养学生的自主学习能力。国内的教学模式从小学到大学大都是采用“填鸭式”的，将知识一股脑的灌输给学生，而学生也很大程度上都是被动学习。很多高校的学生的学习目的不明确，仅仅是为了应付考试，上课时也是“人在曹营心在汉”，在课堂上做“白日梦”，一问三不知。针对课堂上的这种现象，作者通过在课堂上引入互动式教学环节，比如采用提问的方式，一方面提高学生的注意力；另一方面让学生不是被动的听课，还要主动的思考。还有一些课程内容让学生自己上来讲授，学生就需要课前备课，对讲授内容要进行梳理、总结。学生通过自学、自讲的方式能够更为深刻的理解课本中的理论知识，起到了培养学生自主学习能力的效果。
4.科研与理论知识结合，提升学生的工程实践能力。学生通过大量的理论学习后，缺乏相应的工程实践机会，使得理论与实践脱节。虽然在课程中安排有4个课时的实验课，但仍不足以满足学生的实践机会。作者认为，将学生的实践环节与学院教师的科研项目结合起来，让学生将理论知识运用到实践中去，能极大的提高学生在工程实践中解决实际问题的能力。比如让部分学生参与到作者在研的液态挤压项目和制备烧结铝合金含油轴承项目中来，能使学生对挤压模具和粉末冶金模具的设计和制作的理解更为深刻。又比如作者所在科研团队正与汽车零部件企业联合开发粉末锻造零件，涉及到粉末冶金模具和后续的精密模锻模具设计、加工、调整优化以及不同工序压力机的选型，如果学生能参与到该项目中来，必然能极大的将理论知识与生产实践有机的结合起来，提升自己的工程实践能力。
“特种成形模具”是一门涉及到多种成形工艺中模具设计和制造的“特殊”课程。作者通过在以往的该课程的理论教学实践过程中获得的经验，对该课程内容和结构进行了深入细致的分析，期望通过调整课程课时分布、优化课程内容、改进教学方法等一系列措施，使学生能够高质、高效的学习完成该课程的学习，获得较强解决实际工程问题的能力，为以后的职业道路提供帮助。
参考文献：
[1]谭平宇，陈京生.模具人才培养现状分析和对策研究[J].模具工业，2010，36（10）.
粉末冶金模具设计篇8
【关键词】金属基复合材料性能关键技术
一、背景
20世纪60年代，美国航天飞机主舱体的主龙骨的支柱就采用了硼纤维增强铝基复合材料；20世纪80年代初期，逐渐强化对碳纤维增强铝基复合材料制备工艺技术研究力度，如压铸、半固态复合铸造以及喷射沉积和原位金属直接氧化法、反应生成法。80年中期开始加强对金属基复合材料界面稳定性研究。
二、金属基复合材料特征性能内容
高强度、高模量、低密度的增强纤维的加入，使mmC的比强度和比模量成倍地提高；良好的高温稳定性和热冲击性。金属基体的高温性能比聚合物高很多，加上增强材料主要为无机物，在高温下具有很高的强度和模量，因此mmC比基体金属具有更高的高温性能；热膨胀系数小、尺寸稳定性好；良好的导热性；不吸潮、不老化、气密性好。
三、mmC的制备工艺和制备方法研究
金属基复合材料的制备工艺研究主要包含以下几个方面：金属基体和增强物的结合方式和结合性；增强物在金属基体中的混合分布情况；降低成本，复合材料硬度、稳定性的提升；避免连续性纤维在制作中的出现伤损状况。
目前制备方法有固态法，液态法，喷涂喷射沉积，原位复合等。
（一）固态法。固态法指在制备过程中把纤维、颗粒等与金属基体按照原始设计要求，通过低温、高压条件将二者复合粘结，最终形成金属基复合材料。该制备方法整个工艺保持在低温环境下、且金属材料和纤维、颗粒等增强物状态呈现为固态、界面反应不严重。固态法制备工艺包含以下两个方面：
1.扩散结合。扩散结合是指金属材料在一定温度和压强下，把新鲜清洁表面的金属和增强材料，通过表面原子的互相扩散而连接在一起的固态化焊接技术。如图
2.粉末冶金。粉末冶金（powdermetallurgy）适应范围广，对于长纤维、短纤维、颗粒性金属基增强材料的制备都适合，粉末冶金制作工艺是将金属材料和增强物（颗粒、纤维等）按照一定要求混合，并经过压制、烧结及后期一系列处理工艺制成金属基复合材料。在制备过程中，为提升该方法产品的压制性和烧制收缩率，可根据实际需要加入液相烧结组元，通过这种工艺制备的金属基复合材料可有效增强其室、常温条件下材料的硬度、耐磨度的部分。[1]粉末冶金法工艺过程如下图
（二）液态法。液态法包含压铸、半固态的符合铸造、搅拌法和无压渗透法等，根据其内容划分又称之为“熔铸法”。这些方法的共同持点是金属基体在制备复合材料时均处于液态。这种方法优点显著，成本低、基础设施要求不高，且只需要一次性即可完成，它的这些优势决定其可批量大规模进行生产。其中日本松下润二采用离心铸造法制造出alSi基石墨增强复合材料[2]。
（三）喷涂与喷射沉积。喷涂沉积主要应用于纤维增强金属基复合材料的预制层的制备，亦可以作为获取层状复合材料坯料的方法。该工艺主要用作颗粒型金属复合材料的制作，其最大的优势在于对增强材料、金属润湿要求不高，接触时间较短且界面反应量少。
（四）原位复合。解决了增强材料与金属基体之间的相容性问题、即增强材料与金属基体的润湿性要求。解决了高温下的界面反应等。例如：
四、技术关键以及难点
主要是加工温度高，性能波动，成本高以及制造工艺中的金属基复合材料中的金属与增强物的相容性。
五、应用前景
金属基复合材料独特优势，决定其必然在将来得到广泛利用，并得到规模生产，且伴随着科技发展，其成本亦会变得越来越低。当前就工艺技术而言，铸造法和原位复合法得到广泛应用，前者工艺流程简易、且成本廉价，而后者具备优良工艺特征，具备极强发展前景。若将来可综合二者，金属基复合材料将会取得更为显著的成果。
参考文献：
粉末冶金模具设计篇9
高炉渣综合利用情况
从国内外高炉渣的处理方法看，分为水淬渣和干渣，其中水渣作为一种有利用价值的资源和产品，已广泛应用于建材行业，因此水渣处理工艺也因此被国内钢铁企业普遍采用。根据水渣的脱水方式，水渣处理工艺又分为转鼓脱水法（图拉法）、渣池过滤法（底滤法）、脱水槽式（拉萨法）、提升脱水式（明特克法）。干渣的产生不仅会造成环境污染，而且破碎后用于路基垫层、筑路骨料、建筑用砂石料等，产品附加值低。目前国内大中型钢铁企业很少采用干渣处理方法，仅在水渣系统有故障或有特殊情况时采用，但在西部地区部分钢厂中，干渣仍占有一定的比例。
水淬渣具有良好的潜在水硬性，可作为优质的水泥原料，或可直接替代部分水泥用于混凝土生产。通过添加一定量的水渣微粉，可使其强度、抗硫酸盐侵蚀、抗氯离子侵蚀、黏聚性和抗离析等性能有所提高。近几年随着高炉渣综合利用的深度开发和技术的成熟，大部分钢铁企业建立了高炉水渣制水渣微粉生产线，据不完全统计，截止到2011年底，国内共有210余条矿渣细磨生产线，矿渣粉产能约1.4亿吨/年，消耗了国内65%以上高炉水渣，生产的矿渣粉产品现应用于世博会场馆、国家体育馆、京沪高铁、宁杭城际铁路、广深港沿江高速公路等重点工程中。但仍有一部分钢铁企业将水淬渣直接卖给水泥厂作混合材，水泥厂一般将水淬渣与熟料、石膏等共同粉磨，由于水淬渣易磨性较熟料差，难以磨细至理想的细度，致使水淬渣的活性不能充分发挥，限制了水淬渣在水泥中的掺量，不利于水淬渣的大量利用。
此外，高炉渣还可以生产一些用量相对不大，但极具经济价值的特殊用途产品，如生产矿渣棉、微晶玻璃、耐火材料等。
钢渣综合利用情况
钢铁企业一般都采用“破碎—筛分—磁选—磁选后废钢回收”处理钢渣。钢铁企业磁选后的钢铁尾渣除少量用于返回烧结和炼钢外，其余主要用于直接生产道路工程、钢渣砖制备、钢渣水泥、水泥和混凝土掺合料等，或外销于建材企业用于以上材料的生产。
1.返回烧结和炼钢，作为熔剂
目前钢铁企业利用钢渣中的残钢、氧化铁、氧化镁、氧化钙、氧化锰等有益成分，作为烧结矿的增强剂和代替熔剂，降低熔剂和固体燃料消耗，同时提高烧结矿的产量和强度，或作为转炉炼钢熔剂，可提高炉龄，促进化渣，缩短冶炼时间，降低造渣剂消耗。但钢渣中较高的硫或磷含量会产生富集作用，影响了大宗冶炼回用，消耗钢渣尾渣总量最高占总产生量的10%。
2.作为建筑原料或制备建材制品
钢渣尾渣可作为筑路渣、钢渣砂替代砂或石子用于道路基层、垫层、面层材料，降低成本。另外，钢渣经稳定化处理后可与粉煤灰或炉渣按一定比例配合、磨细、成型、养护，生产出不同规格的钢渣砖、免烧砖、砌块、路缘石等各种建材制品。如宝钢、宣钢、武钢、西宁特钢、陕西龙钢等钢铁企业均已建立混凝土砌块和透水砖、花砖、彩色地砖生产线，其中宝钢生产的碾压型整铺透水透气混凝土和机压型混凝土透水砖制品已应用于世博园区中心广场、世博公园等重大地面工程的铺设。
随着钢渣处理及应用技术的发展，武钢、马钢、日照钢铁、天津钢管、萍钢、陕西龙钢、唐山新宝泰、太钢、唐钢等钢铁企业已相继建成或在建共40余条钢渣粉生产线，年处理钢渣尾渣约1800万吨，通过将钢渣磨细可以激发钢渣的活性，代替水泥用于混凝土建筑工程，可降低混凝土水化热而产生的裂缝，提高混凝土的后期强度以及耐磨性、抗冻性、耐腐蚀性能。钢渣粉成本比水泥低30%，降低工程造价，为钢渣制备优质沥青混凝土耐磨集料开辟了道路，日益成为钢渣利用的一个重要的突破口，预计“十二五”期间将有较大的发展空间。为了进一步延伸循环经济产业链，钢铁行业联合建筑行业，相继成功开发了低热钢渣水泥、钢渣道路水泥、钢渣砌筑水泥等水泥品种。
含铁尘泥利用情况
含铁尘泥含铁较高，具有良好的经济价值。目前，大部分钢铁企业将粒度较大的含铁尘泥作为原料的一部分直接配入烧结混合料，过细的含铁除尘灰经造球后再作为烧结配料。此外，首钢、沙钢、本钢、宁波钢铁等企业建成污泥除尘灰制球生产线，将回收的各种含铁尘泥经沉淀烘干制球后作为转炉冶炼辅料，在转炉冶炼初期替代石灰石、烧结矿，起到一定的造渣剂、助熔剂的作用。太钢则以固体废弃物为“新矿山”资源，建立国内首套全功能冶金除尘灰资源化装置，通过富氧竖炉对红泥、冶金除尘灰、废钢、钢渣等固体废弃物进行冶炼，生产出铁水直接供给炼铁炼钢工序，排出的水渣进入太钢高炉矿渣超细粉装置加工成水泥原料，生成的煤气进入公司煤气管网统一调配使用，实现了废水、废气和废弃物的全部循环利用。
对于含铁品位较高的氧化铁皮（粉），除应用烧结、炼钢外，钢铁企业充分挖掘资源特性，生产铁氧体预烧料、氧化铁红、磁性材料、还原铁粉和粉末冶金产品等高附加值产品，实现铁素的价值提升。宝钢利用氧化铁皮还原的氧化铁红，再添加一定量镀锌废渣和锰元素，开发出二十多种锰锌铁氧体低损耗软磁材料品种，随着宝钢氧化铁鳞的产生量逐年增多，又相继成功开发了永磁材料，进一步丰富了产品种类，极大地推动了磁性材料行业的发展。马钢采用杂质低的优质铁鳞作为原料，建成了万吨级的还原铁粉生产线，不仅为粉末冶金行业提供了优质原料，同时提高了氧化铁皮的利用附加值，莱钢依托氧化铁皮等钢铁副产品，自主研发并掌握了轿车用高性能水雾化钢铁粉末规模化生产技术，形成年产8000吨和一条年产4万吨水雾化钢铁粉末生产线，用于轿车用正时带轮、发动机进排气阀座、油泵转子等粉末冶金结构零件，改变了国内水雾化钢铁粉末完全依赖进口的局面。
冶炼渣综合利用技术进展
针对钢铁渣尚未解决的关键环节，目前国内正在研究一批新的利用技术，经过初步的工业试验或产业化示范，其技术的先进性和经济可行性得到了初步证实，包括产业化推广类技术和重大关键研发类技术两大类。
1.产业化推广类技术
（1）钢渣处理技术
矿渣已成为我国水泥混凝土行业宝贵资源，应用比较广泛，但钢渣在水泥工业中的研究与应用较为缓慢。一方面落后的钢渣处理工艺造成渣铁包裹严重，Feo及金属Fe含量高，制备水泥生料时会使粉磨电耗升高，成本增加；另一方面落后的钢渣处理工艺使钢渣中的f-Cao、f-mno消解不完全，会引起水泥安定性不良。因此，钢渣处理工艺是钢渣实现资源化的前提与条件，钢渣处理工艺的好坏钢渣高价值资源化利用关系影响较大。
钢渣余热自解热闷技术是中冶建筑研究总院有限公司研发成功的钢渣热闷处理技术，2009年被国家环保部列入《国家先进污染防治示范技术名录》，并在鞍钢鲅鱼圈钢铁分公司、本溪钢铁公司、唐山国丰钢铁公司、首钢京唐钢铁公司、新余钢铁公司、九江钢铁公司、韶关钢铁公司、天铁资源公司、日照钢铁公司等近20个企业推广应用。
滚筒渣处理技术是将高温熔态冶金渣在一个转动的密闭容器中进行处理，在工艺介质和冷却水的共同作用下，高温渣被急速冷却和碎化，并被排出。所形成的滚筒渣粒度小而均匀，小于70毫米的粒渣所占比例大于80%。成品渣中性能较稳定，渣钢分离效果好，可以直接进行磁选。目前该工艺已在宝钢、马钢、宣钢、方大特钢等企业得到推广和应用外，已经输出到印度JSw和韩国浦项制铁集团等国际大型钢铁企业。
⑵钢渣棒磨技术与宽带新型磁选提纯技术装备
热闷处理后的钢渣通过宽带磁选机，同收钢渣中的废钢；再采用棒磨机剥离提纯，然后经双辊磁选机磁选，回收铁品位达90%以上，可直接代替部分废钢作为废钢冷料。通过优化工艺，钢渣中的金属铁回收率达98%。
⑶矿渣、钢渣复合微粉生产技术
符合国家标准《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》和《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》的钢渣粉产品已推广应用。由于矿渣粉的碱度低，大掺量时会出现钢筋锈蚀和碳化起砂等现象，因此需掺入碱性钢渣粉以改善矿渣粉的缺点，又可发挥钢渣粉后期强度高、耐磨性好等特点。因此，钢铁渣复合粉是混凝土最佳掺合料。
将粒化高炉矿渣和钢渣分别磨细至400平方米/千克比表面积以上，并根据渣粉性质，按科学比例配制成钢铁渣复合粉作混凝土掺合料，可等量取代10%～40%，的水泥。钢铁渣复合粉配制混凝土可提高混凝土后期强度，改善其工作性和提高其耐久性。
⑷钢铁渣生产水泥技术
钢铁渣粉可与硅酸盐水泥熟料按一定比例配制成钢渣硅酸盐水泥、低热钢渣水泥、钢渣道路水泥等水泥品种。目前我国已有“钢渣硅酸盐水泥”、“低热钢渣矿渣水泥”、“钢渣道路水泥”、“钢渣砌筑水泥”的标准和产品，并在工程中应用，但规模不大，应大力推广。
2.重大关键工程技术
⑴钢渣余热利用及回收技术
我国钢铁工业产生冶金渣温度高达1400～1500℃，余热品质较高，极具开发利用价值，但是据统计我国钢铁工业熔渣的余热回收率不足2%。随着能源、环保瓶颈问题的日益加剧，近年来，国内的有关单位及科研院校都在积极地进行着高温冶金渣显热利用方面的研究，已成为我国钢铁行业未来几年内重要的节能环保技术之一。其中，首钢、宝钢、中冶建筑研究总院和中国京冶工程技术有限公司等单位分别开展了此方面的基础研究工作，有些技术已完成了中试，并即将进行工业化建设。
利用钢渣余热回收与封闭式连续处理及稳定化技术，首钢现已在北京地区建设一条1万吨级的钢渣余热回收处理试验线，试验结果表明，该技术能够同时实现钢渣余热回收、渣钢分离、钢渣稳定化处理以及钢渣尾渣混凝土制品制备，有效解决现有处理技术中作业周期长、处理效果差等系列问题，实现钢渣处理的自动化、机械化、装备化、密闭化、连续化，为后续该技术的产业化实施奠定了坚实的技术基础。
熔融高炉渣直接生产矿棉也是钢铁渣余热利用技术。目前我国每年需求岩矿棉一百万吨左右，今后我国城镇化进程的加快，整个建筑外墙保温市场前景广阔，并且随着国家对建筑节能和建筑防火问题越来越重视，具备防火吸音功能的低成本无机矿物纤维棉越来越受到重视。
⑵钢渣尾渣制备农业用肥料技术
钢渣中含有大量的硅、钙、铁、锰、磷等对农作物有益的元素，并且钢渣内大部分有害元素含量符合农业有关标准要求，对于改良土壤，满足农作物营养需求等方面十分有益。德国、日本等国在钢渣改良土壤方面研究与应用较多，利用渣中Cao缓慢中和改良酸性土壤。国内钢铁企业及科研院所一直以来积极研究开发钢渣在农业领域利用技术，提高钢渣产品的附加值。太钢在不锈钢渣毒害性、钢渣有害元素分离净化、肥料各种微量元素的稳定性、钢渣肥在农业种植实验效果等研究的基础上，于2011年开建不锈钢尾渣湿选处理、不锈钢尾渣干燥及肥料生产线，年产土壤调理剂、草坪肥、复合肥等钢渣肥料50万吨，应用于农业和高尔夫球场草坪，国内首次实现了钢渣生产肥料技术装备的产业化，对于钢铁工业实现钢渣高附加值利用起到示范和引领作用。
3.重大关键设备
近几年来，通过不断创新和引进、消化吸收国外的先进技术，钢铁渣综合利用技术装备水平不断提高。
⑴inBa法高炉设备
高炉渣水力冲渣设备是在国外inBa法的基础上，我国自行创新研发的工艺设备，是无污染、冲渣质量好、蒸汽回收的生产技术装备，达到了国际先进水平。
⑵钢渣热闷设备
我国自行研发的钢渣余热自解热闷处理设备，主要用于消解钢渣中游离氧化钙、游离氧化镁使其稳定化。该设备适应液态钢渣直接热闷处理短流程工艺，自动化控制水平高，安全可靠，无废水排放，实现了节能降耗，达到国际先进水平。
⑶立磨粉磨粒化高炉矿渣粉磨设备
在引进、消化、创新的基础上，我国自行设计制造了粒化高炉矿渣粉磨设备——立式辊磨，并在国内推广应用，其吨产品电耗、设备生产能力和运转率均达到国际先进水平。
⑷卧式辊磨粉磨钢渣粉设备
在引进国外卧式辊磨设备基础上，消化、创新、设计制造了钢渣节能粉磨设备——钢渣粉卧式辊磨，加大了国内制造部件数量，降低了设备价格，满足了国内钢渣粉生产需要。
粉末冶金模具设计篇10
0引言
激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，是指激光表面熔敷技术是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法[1~3]。如对60#钢进行碳钨激光熔覆后，硬度最高达2200HV以上，耐磨损性能为基体60#钢的20倍左右。在Q235钢表面激光熔覆CoCrSiB合金后，将其耐磨性与火焰喷涂的耐蚀性进行了对比，发现前者的耐蚀性明显高于后者[4]。
激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术，它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本，节约贵重稀有金属材料，因此，世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视[1-2、5-7]。
1 激光熔覆技术的设备及工艺特点
目前应用于激光熔覆的激光器主要有输出功率为1~10kw的Co2激光器和500w左右的YaG激光器。对于连续Co2激光熔覆，国内外学者已做了大量研究[1]。近年来高功率YaG激光器的研制发展迅速，主要用于有色合金表面改性。据文献报道，采用Co2激光进行铝合金激光熔覆，铝合金基体在Co2激光辐照条件下容易变形，甚至塌陷[1]。YaG激光器输出波长为1.06μm，较Co2激光波长小1个数量级，因而更适合此类金属的激光熔覆。
同步注粉式激光表面熔覆处理示意图[8]
激光熔覆按送粉工艺的不同可分为两类:粉末预置法和同步送粉法。两种方法效果相似，同步送粉法具有易实现自动化控制，激光能量吸收率高，无内部气孔，尤其熔覆金属陶瓷，可以显著提高熔覆层的抗开裂性能，使硬质陶瓷相可以在熔覆层内均匀分布等优点。
激光熔覆具有以下特点[2、9]：
(1)冷却速度快(高达106K/s)，属于快速凝固过程，容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相、非晶态等。
(2)涂层稀释率低(一般小于5%)，与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整，可以获得低稀释率的良好涂层，并且涂层成分和稀释度可控;
(3)热输入和畸变较小，尤其是采用高功率密度快速熔覆时，变形可降低到零件的装配公差内。
(4)粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金;
(5)熔覆层的厚度范围大，单道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0mm，
(6)能进行选区熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能价格比;
(7)光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷;
(8)工艺过程易于实现自动化。
很适合油田常见易损件的磨损修复。
2 激光熔覆技术的发展现状
激光熔覆技术是—种涉及光、机、电、计算机、材料、物理、化学等多门学科的跨学科高新技术。它由上个世纪60年代提出，并于1976年诞生了第一项论述高能激光熔覆的专利。进入80年代，激光熔覆技术得到了迅速的发展，近年来结合CaD技术兴起的快速原型加工技术，为激光熔覆技术又添了新的活力。
目前已成功开展了在不锈钢、模具钢、可锻铸铁、灰口铸铁、铜合金、钛合金、铝合金及特殊合金表面钴基、镍基、铁基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。激光熔覆铁基合金粉末适用于要求局部耐磨而且容易变形的零件。镍基合金粉末适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件。钴基合金粉末适用于要求耐磨、耐蚀及抗热疲劳的零件。陶瓷涂层在高温下有较高的强度，热稳定性好，化学稳定性高，适用于要求耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，纯的镍基、钴基和铁基合金粉末已经满足不了使用工况的要求，因此在合金表面激光熔覆金属陶瓷复合涂层已经成为国内外学者研究的热点，目前已经进行了钢、钛合金及铝合金表面激光熔覆多种陶瓷或金属陶瓷涂层的研究[1、10]。
3 激光熔覆存在的问题
评价激光熔覆层质量的优劣，主要从两个方面来考虑。一是宏观上，考察熔覆道形状、表面不平度、裂纹、气孔及稀释率等;二是微观上，考察是否形成良好的组织，能否提供所要求的性能。此外，还应测定表面熔覆层化学元素的种类和分布，注意分析过渡层的情况是否为冶金结合，必要时要进行质量寿命检测。
目前研究工作的重点是熔覆设备的研制与开发、熔池动力学、合金成分的设计、裂纹的形成、扩展和控制方法、以及熔覆层与基体之间的结合力等。
目前激光熔敷技术进一步应用面临的主要问题是:
①激光熔覆技术在国内尚未完全实现产业化的主要原因是熔覆层质量的不稳定性。激光熔覆过程中，加热和冷却的速度极快，最高速度可达1012℃/s。由于熔覆层和基体材料的温度梯度和热膨胀系数的差异，可能在熔覆层中产生多种缺陷，主要包括气孔、裂纹、变形和表面不平度[1]。
②光熔敷过程的检测和实施自动化控制。
③激光熔覆层的开裂敏感性，仍然是困扰国内外研究者的一个难题，也是工程应用及产业化的障碍[1、11]。目前，虽然已经对裂纹的形成扩进行了研究[1]，但控制方法方面还不成熟。
4激光熔覆技术的应用和发展前景展望
进入20世纪80年代以来，激光熔敷技术得到了迅速的发展，目前已成为国内外激光表面改性研究的热点。激光熔敷技术具有很大的技术经济效益，广泛应用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海[12]与航天和石油化工等领域。
目前激光熔覆技术已经取得一定的成果，正处于逐步走向工业化应用的起步阶段。今后的发展前景主要有以下几个方面:
(1)激光熔覆的基础理论研究。
(2)熔覆材料的设计与开发。
(3)激光熔覆设备的改进与研制。
(4)理论模型的建立。
(5)激光熔覆的快速成型技术。