金屬粉末軋制是粉末冶金成形工藝中的重要成形手段之一,對于制造金屬薄板、帶材,特別是高孔隙度的多孔薄帶材時,它無疑是一種zui簡捷的成形方法。金屬粉末軋制技術(shù),早在19世紀(jì)中葉就有人做過嘗試,但其真正的發(fā)展,還是從20世紀(jì)40年代才開始。采用此項成形技術(shù)逐漸能夠制造各種金屬多孔材料,金屬及合金板、帶材,復(fù)合材料、耐磨材料和摩擦材料,以及電工材料和磁性材料等。我國從20世紀(jì)60年代初開始研究和采用此項成形技術(shù),40多年來,在金屬粉末軋制設(shè)備和工藝技術(shù)方面都有不小的改進,在制造具有特殊性能的微孔薄帶材和高純度金屬板、帶材方面有一定的優(yōu)勢,并形成一定的生產(chǎn)能力。
原始狀態(tài)的金屬粉末是一種半流動的松散粒狀介質(zhì),由不連接或弱連接的一些單獨顆?；驁F粒所組成,具有一定的流動性和分散性。金屬粉末顆粒之間有空隙存在,才能保證在其壓力加工過程中,粉末顆粒有移近的可能性和壓實狀態(tài)下的相互定位。
也可以把它看成是一種在不封閉狀態(tài)下的粉末連續(xù)壓制過程（圖1）,位于漏斗中的粉末,在粉末顆粒自重和粉末顆粒與旋轉(zhuǎn)輥面間摩擦力的帶動下,不斷流向處于壓緊狀態(tài)下的輥縫之間,并被軋輥碾壓成具有一定強度的多孔板、帶材,其軋件性能與原始金屬粉末性能比較有很大的變化,由松散狀態(tài)變?yōu)榫哂幸欢箟?、抗拉、抗彎和抗剪切強度的剛性多孔體。
可有各種不同的方式方法,其區(qū)別在于軋輥軸的平面部位（垂直、水平和傾斜）,被加工件的狀態(tài)（冷軋、溫軋和熱軋）和粉末供料方式（粉末自重和強迫喂料）等。其中垂直冷軋粉末方法,應(yīng)用,主要原因是由于設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單和粉末自重喂料的良好條件。一般致密金屬軋制前后只是金屬體的形狀變化,而體積不變。但則不同,軋制前后不僅是形狀變化,體積也發(fā)生很大變化。比如原始粉末松裝密度為114ｇ/ｃｍ3的電解鎳粉末,在工作輥徑14ｍｍ的四輥軋機上進行軋制（單位軋制壓力98ｍｐａ）成形后,就可變?yōu)槊芏?6ｇ/ｃｍ3的多孔帶材。每克粉末所占的體積,由松裝狀態(tài)的088ｃｍ3減小到028ｃｍ3。由此可見,致密金屬軋制前后體積相等原理已不適用于,而代之的應(yīng)是粉末軋制前后粉末重量相等原理。
在對稱供料的垂直中,為了正確理解和敘述過程,還必須了解軋制變形區(qū)的形成和決定此變形區(qū)形成的特殊截面及相對應(yīng)的軋輥中心角。由于金屬粉末是一種半流動狀態(tài)的松散介質(zhì),所以不能象一般致密金屬軋制那樣,利用線性幾何尺寸來分析和計算變形區(qū)及整個軋制過程。所謂變形區(qū)指的是位于兩軋輥弧面和漏斗側(cè)擋板間的粉末體積（圖2中的ａｂｆｅ）,其上邊界ａｂ是粉末與軋輥表面間的接觸截面,而下邊界ｅｆ則是帶材出輥處的截面。
粉末軋制變形區(qū),可簡單地化分為兩個部分。以ｃｄ截面為界,其上部ａｂｄｃ為供料區(qū),粉末與輥面接觸弧所對應(yīng)的軋輥中心角α叫做咬入角,而ｈ則稱為咬入（或供產(chǎn)）厚度。在供料區(qū)內(nèi),從粉末與輥面接觸點ａ（或ｂ）開始,由于粉末顆粒向下錯動和相互移近,粉末體已有些緊固,但整體仍為松散狀。不過此時的粉末體密度已大于漏斗中的粉末松裝密度,故又稱此為搖實密度。在供料區(qū)內(nèi),咬入角α（或咬入厚度ｈ）的變化都會引起帶材厚度和密度的變化。而超過界線ａｂ,α和ｈ的變化對帶材性能則無任何影響,所以稱ｈ為臨界供料厚度,α為臨界供料角;ｃｄ截面下部,即ｃｄｆｅ為壓實區(qū),ｃｅ弧所對應(yīng)的軋輥中心角αｐ稱為壓制角。壓實區(qū)的金屬粉末已變成連續(xù)的有一定強度的多孔體,從ｃ（或ｄ）點開始,帶材密度不斷增大,到出輥截面ｅｆ時,帶材密度達到zui高值。
對于自重喂料的垂直冷軋金屬粉末而言,壓制角一般為7°～8°,而臨界咬入角則有一定的波動范圍,40°～50°,主要是由于粉末品種和軋制條件不同所致。比如平均粒度為25μｍ,松裝密度為14ｇ/ｃｍ3的電解鎳粉末,在小四輥（工作輥直徑20ｍｍ）軋機上進行軋制,通過試驗確定的臨界咬入角為42°,而鐵粉則為48°。
根據(jù)粉末軋制前后粉末重量相等原理,可以認為,在粉末軋制過程中,單位時間內(nèi)通過供料截面而流向變形區(qū)的粉末重量與單位時間出輥帶材的重量相等,即:
ｈｂγ0ｖ1=ｈｂγｖ2（1）
式中?。?mdash;——供料厚度,ｃｍ
ｈ———帶材厚度,ｃｍ
ｂ———供料寬度,ｃｍ
ｂ———帶材寬度,ｃｍ
γ0———粉末松裝密度,ｇ/ｃｍ3
γ———帶材密度,ｇ/ｃｍ3
ｖ1———通過供料截面的粉末流動速度,ｃｍ/ｓ
ｖ2———軋制速度,ｃｍ/ｓ
如果認為ｂ=ｂ,且ｖ2/ｖ1=λ（延伸系數(shù)）,那么由上式可得出帶材密度和厚度與輥徑、咬入角、軋制速度及粉末松裝密度之間的關(guān)系:
γ=γ0λ（1+ｒα2ｈ）（2）
式中?。?mdash;——工作輥半徑
原始粉末性能及其軋制工藝條件是影響粉末軋制帶材性能的主要因素。粉末性能包括粉末松裝密度和流動性,以及與此有關(guān)的粉末壓實性和成形性。像粉末粒度的大小及組成,顆粒形狀和表面狀態(tài)以及化學(xué)成分等,對上述粉末的工藝性能及在軋制中的表現(xiàn)行為都有直接的影響。更好地掌握這些粉末工藝性能對選擇*軋制工藝條件和獲得理想的軋件性能具有重要的實際意義。
粉末軋制工藝條件有輥徑、咬入角（或咬入厚度）、輥縫、軋制速度、輥面狀態(tài)和帶材寬度以及環(huán)境氣氛等。本文只扼要地介紹了粉末軋制帶材厚度和密度的影響（圖3-6）。圖3中的試驗原料為電解鎳粉末,輥徑27ｍｍ,輥面光潔度0.2,軋制速度08～10ｍ/ｍｉｎ。圖4的試驗條件是:原料為電解鎳粉末,平均粒度13μｍ,粉末松裝密度12ｇ/ｃｍ3,軋輥直徑為12、16、20和27ｍｍ,軋制速度15ｍ/ｍｉｎ。圖5的咬入角變化是通過咬入（或供料）厚度變化來控制的。咬入厚度的變化是指在小于臨界供料厚度和大于壓制角對應(yīng)的截面厚度范圍內(nèi)進行的。試驗原料鐵粉,軋輥直徑158ｍｍ,軋制速度為5ｍ/ｍｉｎ。圖6中的試驗原料為電解鎳粉末,平均粒度25μｍ,粉末松裝密度14ｇ/ｃｍ3,工作輥直徑25ｍｍ,軋制速度15ｍ/ｍｉｎ。
結(jié)論:原理是軋制前后粉末重量相等,其變形區(qū)可簡單地化分為供料區(qū)和壓實區(qū)。影響軋件性能的主要因素有原料性能和軋制工藝條件。
參考文獻
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