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金屬粉末壓製成形6大新技術

2022-03-10 16:36:47

1.動(dong)磁(ci)壓製(zhi)技術(shu)


原理:將粉(fen)末(mo)裝於(yu)一個(ge)導(dao)電的容器(qi)(護套(tao))內(nei),置於高強(qiang)磁場(chang)線圈的(de)中(zhong)心腔中。電容器放電在數微秒內(nei)對線圈通入高脈衝電流,線圈腔(qiang)中形(xing)成磁場,護套(tao)內(nei)產生感應電流。感(gan)應(ying)電流與施(shi)加(jia)磁場相(xiang)互作(zuo)用(yong),產生由外向內(nei)壓縮護套(tao)的磁力,因(yin)而粉末得(de)到二(er)維壓製。整(zheng)個壓(ya)製過(guo)程不足(zu)1ms。

金屬粉末

動磁壓製的優點(dian):


1.由於不使(shi)用模具(ju),成型時(shi)模壁(bi)摩(mo)擦減(jian)少(shao)到0,因而(er)可達到更(geng)高的壓製壓力(li),有利於提(ti)高產品(pin),並(bing)且生產成本(ben)低;


2.由於在任何(he)溫(wen)度(du)與(yu)氣(qi)氛中均可施壓,並適用於所有材(cai)料(liao),因而工(gong)作條件更加靈(ling)活(huo);


3. 由於這一工藝不使用潤(run)滑劑(ji)與粘(zhan)結(jie)劑,因而成型(xing)產品中不含有(you)雜質(zhi),性(xing)能較(jiao)高,而且(qie)還(hai)有利(li)於環(huan)保(bao)。


許多合金(jin)鋼粉用動磁壓製做過實(shi)驗,粉末中不(bu)添加任(ren)何潤滑劑,生坯(pi)密(mi)度均在95%以上。動磁壓製件可以(yi)在常規(gui)燒結條(tiao)件下進行(xing)燒結,其(qi)力學性能高於傳(chuan)統壓製件。動磁壓製適用於製造柱形對稱(cheng)的近終(zhong)形件(jian)、薄(bao)壁管、縱(zong)橫(heng)比(bi)高的零(ling)件和內部形狀(zhuang)複(fu)雜的零件。


動磁壓製有可能使電機(ji)設計與製造(zao)方(fang)法產生(sheng)革命(ming)性變化(hua),由粉末材料一次製成近終形定子與轉(zhuan)子,從(cong)而獲(huo)得高性能(neng)產品,大大(da)降低生產成本。


動磁壓製正(zheng)用於開發高性能粘結釹(nv)鐵(tie)硼(peng)磁體與燒(shao)結釤鈷(gu)磁體。由(you)於動磁壓製的粘結釹鐵硼磁體(ti)密度高,其磁能積(ji)可(ke)提高15%-20%。


動磁壓製的亞毫秒壓製過程有助(zhu)於保持(chi)材料的顯微結構(gou)不變,因而也(ye)提高了材料性能。對(dui)於象(xiang)W、WC與陶瓷粉末等難(nan)壓製材料,動磁壓製可達(da)到較高的密度,從而降低(di)燒結收(shou)縮率(lv)。目前(qian)許(xu)多動磁壓製的應用已接(jie)近(jin)工業化階段,一(yi)台動磁壓製係(xi)統(tong)已(yi)在運(yun)行中。


2.高速壓製


瑞(rui)典(dian)開發出(chu)粉末冶金用高速壓製法(fa)。這可能是粉末冶金工業(ye)的又一次(ci)重(zhong)大技術突破。高速壓製采(cai)用液壓衝擊機,它與傳統壓製有許多(duo)相似(shi)之處(chu),但(dan)關鍵是壓製速(su)度比傳統快500~1000倍(bei),其壓頭(tou)速度高達2~30m/s,因而適用於大批量(liang)生產。液壓驅動的重錘(5~1200kg)可產生強烈衝擊波,0.02s內將(jiang)壓製能量通(tong)過壓模傳給粉末進(jin)行致密化。重錘(chui)的質量與衝擊時的速度決定(ding)壓製能量與致密化程(cheng)度。


高速壓製的另(ling)一個特點是產生多重衝(chong)擊波(bo),間隔約0 3s的一個個附(fu)加衝擊(ji)波將密度不斷提高。這種(zhong)多重衝擊提高密度的一個優(you)點是(shi),可用比傳統壓製小的設備(bei)製造重達5kg以上的大零件。


高速壓製適用於製造閥座、氣門導管、主軸(zhou)承(cheng)蓋、輪轂、齒(chi)輪(lun)、法蘭(lan)、連(lian)杆(gan)、軸套及軸承座(zuo)圈等(deng)產品。


與傳統壓製相比, 高速壓製的優點是:


壓製件密度提高,提高幅度在0.3g/cm3左右;


壓製件抗(kang)拉強度可提高20%~25%;


高速壓製壓坯徑向彈性後效(xiao)很小, 脫(tuo)模力較低;


高速壓製的密度較均(jun)勻(yun), 其偏(pian)差小於0.01g/cm3。


3.溫壓成型技術


溫壓技(ji)術是近幾年新發展的一項(xiang)新技術。它(ta)是在混(hun)合(he)物中添(tian)加高溫新型潤滑(hua)劑,然(ran)後將粉末和(he)模(mo)具加熱至(zhi)423K左右進行剛性模壓製,采用傳統的燒結工藝進行燒結的技術,是普通模壓技術的發展(zhan)與延(yan)伸,被(bei)國際粉末冶(ye)金界譽(yu)為 “開創(chuang)鐵基(ji)粉末冶金零部(bu)件應用新(xin)紀(ji)元”和“導致(zhi)粉末冶金技術革(ge)命”的新型成型技術。


其與傳統模壓工藝主(zhu)要(yao)區別(bie)之(zhi)處在於壓製過程中將粉末和模具加熱(re)到(dao)一定的溫度,溫度通常設定在130~150℃範圍以內,可使鐵基粉末冶金零件密度提高0.15~0.4g/cm3,粉末壓坯相對密度可達到98-99%。


在該工藝中,為了充分發揮(hui)在壓製過程中的顆(ke)粒重排(pai)和塑(su)性變形等溫壓致密化機製,往(wang)往需(xu)要優化原料粉末設(she)計(ji)(如形狀、粒(li)度組成的選(xuan)擇),通過退(tui)火或(huo)擴(kuo)散退火(huo)處理(li)以改(gai)善粉末塑性,以及(ji)往粉末中摻入高性能高溫潤滑劑(添加量通常(chang)為0.6wt%)。


特點 :


(1)密度高且分(fen)布均勻 


常規一次壓製-燒結密度一般為7.1g/cm3左(zuo)右(you),溫壓一次壓製-燒結密度可達到7.40-7.50 g/cm3,溫壓二次壓製-燒結密度可高達7.6g/cm3左(zuo)右(you)。溫壓工藝中高性能潤滑劑保證(zheng)了粉末與模壁之間(jian)具有較低的摩擦(ca)係數,使得壓坯密度分布更加均勻,采用溫壓工藝製備齒輪類(lei)零件時齒部與根(gen)部間的密度差(cha)比常規壓製工藝低0.1~0.2g/cm3。


(2)生坯強度高


常規工藝(yi)的生坯強度約(yue)為10~20MPa,溫壓壓坯的強度則為(wei)25~30MPa,提高了1.25-2倍。生坯強度的提高可以大大降低產品在轉移(yi)過程中出現(xian)的掉(diao)邊(bian)、掉角等缺(que)陷(xian),有利於製備形狀複雜(za)的零件;同時,還有望(wang)對生坯直接進行機加工,免去燒結後的機加工工序(xu),降低了(le)生產成本。這一點在溫壓-燒結連杆製備中表(biao)現得尤(you)為明(ming)顯(xian)。


(3)脫模壓力小


溫壓工藝脫模壓力(Slide pressure)約為10~20MPa,而常規工藝卻高達55~75MPa,其降低幅度超過60%。低的脫模壓力意(yi)味(wei)著(zhu)溫壓工藝易於壓製形狀複雜的鐵基P/M零件和減小模具磨(mo)損(sun)從而延長其使用壽命。


(4)表麵精(jing)度高


由於溫壓工藝使壓坯密度升(sheng)高,而且溫壓中處於粘流態(tai)的潤滑劑具有良(liang)好的“整平”作用,因此它可以使鐵基粉末冶金零件表麵精度提高2個IT等級,使納(na)米晶硬(ying)質合金粉末壓坯表麵(mian)精度提高3個IT等級。


溫壓技術研(yan)究和開發的核心(xin):


預(yu)合金化粉末的製造技術;


新型聚合物潤滑劑的設計;


石墨粉末有效添加技術;


無偏析粉末的製造技術;


溫壓係統製備技術。


溫壓技術主要適合生產鐵基合金零件。同(tong)時人們正在嚐試用這種技術製備銅(tong)基合金等多種材料零件。由於溫壓零件的密度得到了較好的提高,從而大大提高了鐵基等粉末冶金製品的可靠(kao)性,因此(ci)溫壓技術在汽(qi)車製造 機械(xie)製造、武(wu)器製造等領域(yu)存在著廣闊(kuo)的應用前景。


4.流動溫壓技術


流動溫壓技術以溫壓技術為基礎(chu),並結合了金屬(shu)注射成形的優點,通過加入適量的微細粉末和加大潤滑劑的含量而大大提高了混合粉末的流動性、填(tian)充能力和成形性, 這(zhe)一工藝是利用調(diao)節(jie)粉末的填充(chong)密度與潤滑劑含(han)量來提高粉末材料的成形性。它是介(jie)於金屬注射(she)成形與傳統模壓之間的一種成形工藝。


流動溫壓技術的關鍵是提高混合粉末的流動性,主要通過兩種方法來(lai)實現:


一種方法是:向粉末中加入精細粉末。這種精細(xi)粉末能夠(gou)填充在大顆粒之間的間隙中,從而提高了混合粉末的鬆(song)裝(zhuang)密度。


第(di)二種方法是:比傳統粉末冶金工藝加入更多的粘結劑和潤滑劑,但其加入(ru)量要比粉末注射成形少得多。粘結劑或潤滑劑的加入量達到優化後(hou),混合粉末在壓製中就(jiu)轉變(bian)成一種填充性很高的液流體。


將上述兩(liang)種方法結合起(qi)來,混合粉末在壓製溫度下就可轉變成為流動性很(hen)好(hao)的黏(nian)流體,它既(ji)具有液(ye)體的所(suo)有優點,又(you)具有很高的黏度。混合粉末的流變行為使得粉末在壓製過程中可以流向各個角落(luo)而不產生裂(lie)紋。


流動溫壓工藝主要特點如(ru)下(xia):


  (1)可成形零件的複雜幾何形狀。國(guo)外已利用常規溫壓工藝成功(gong)製備出了一些形狀較複雜的粉末冶金零件,如汽車(che)傳動轉矩變換(huan)器渦(wo)輪轂、連杆和齒輪類零件等。


 (2)密度高、性能均一。流動溫壓工藝由於鬆裝密度較高,經(jing)溫壓後的半(ban)成品密度可以達到很高的值。由於流動溫壓工藝中粉末的良好流動性,由此得到的材料密度也更加均勻。


(3)適應性較好。流動溫壓工藝已經用於低合金鋼粉、不鏽(xiu)鋼(gang)316L粉、純(chun)Ti粉和WC-Co硬質合金粉末。原則(ze)上它可適(shi)用於所有的粉末體係,條件是該(gai)粉末體係須(xu)具有足夠好的燒結性能,以便達到所要求(qiu)的密度和性能。


(4)簡化了工藝,降(jiang)低了成本。


5.注射成形技術


金屬粉末注射成形技術是隨著高分子材料的應用而發展起來的一種新型固(gu)結金屬粉、金屬陶(tao)瓷粉和陶瓷粉的特(te)殊(shu)成形方法。它是使用大量熱塑性粘結劑與粉料一起注入成形模中,施於低而均勻的等靜壓力,使之固結成形,然後脫粘結劑燒結。


這種技術能夠製造用常規模壓粉末的技術無法製造的複雜形狀結構(如帶有螺紋(wen)、垂直(zhi)或高叉(cha)孔銳(rui)角(jiao)、多台(tai)階(jie)、壁、翼等)製品,具有更高的材質密度(93%~100%的理論(lun)密度)和強韌(ren)性,並具有材質各向同性等特性。目前該項技術成為粉末冶金領(ling)域活力的新技術 並已進入工業化生產階段(duan)。


金屬粉末注(zhu)射成型技術製作的產品有齒輪汽車部件、通信器械元件(如手(shou)機的情(qing)報通信器械和計算機的 OA 器件)、電動工具、門鎖、樂器、醫療器件和縫(feng)紉機元(yuan)件、工業設備元件和磁性元件、槍(qiang)支(zhi)瞄準(zhun)器支架、手槍退子鉤和撞針(zhen)、窗戶鎖(suo)扇形塊、紡織機的三角塊(kuai)、眼(yan)鏡(jing)框(kuang)架的柔(rou)性鉸鏈、眼鏡腳、手表表殼等。產品都有一個明顯的特點:其結構小而複雜,密度和精度高等。製作材料除(chu)鐵 鎳(nie)合金外,還有鈦(tai)及鈦合金、鋁(lv)及鋁合金、超硬合金和重合金等 。


微注射成型


傳統粉末注射成形技術, 可製得0 1~1mm尺寸的部件, 已製得小20mg的零件。但隨著微型係統的發展, 包括微(wei)觀(guan)光學(xue), 小侵(qin)害(hai)外科及微觀射流技術等, 需要形狀複雜、尺(chi)寸(cun)在微米(mi)範(fan)圍內的金屬與陶瓷零件。微注射成形適用於大規模製造微型結構件。


德(de)國在10年前就開始研究微注射成形技術, 不過所用的原(yuan)料為熱塑性塑料,小件尺寸已達0.2μm。德(de)國在此研究的基礎上, 現正研究微金屬注射成形與微陶恣注射成形技術。所用粉末為平均粒度1 5μm的羰基鐵粉, 4~5μm的不鏽鋼粉和0.6μm的氧化鋁粉。所用粘結劑有自(zi)混聚(ju)烯(xi)烴/蠟(la)化合物(wu)與常態聚醛(quan)基化合物。研究中的脫粘結劑方法有加熱去(qu)除有機物法, 聚醛基化合物催化脫粘結劑法及超臨(lin)界(jie)二氧(yang)化碳脫粘結劑法。


所製的產品複壓後密度達98%,線性收縮15%~22%。微陶瓷(ci)注射成形結構件尺寸達10μm,微注射陶瓷齒輪重量僅為0 5mg,微金屬注射成形件尺寸為50μm。微注射成形用於微型泵、微型齒輪、微型渦輪、損傷外科用的微型導管等。


6.快速原型製作技術


選擇(ze)激光燒結法是用激(ji)光束(shu)一層一層(ceng)地燒結生產塑料原型。現在可選用多種粉末, 包括金屬粉末與陶瓷粉末。金屬粉末選擇激光(guang)燒結, 旨在直接生產功能部件。這使工業界對它產生了極(ji)大興(xing)趣, 因為它在產品開發過程中, 節省時間並降低成本。


多相噴射固結法是一種新的自由成形技術。可用於製造生物醫學零件, 如像矯形植入物、牙齒矯(jiao)正與修複材料、一般修複外科用部件等。多相噴射固結法, 根據(ju)CT掃瞄(miao)得到的假(jia)體的三維描述, 就可以製造出通常外(wai)科(ke)所需零件,而無(wu)需開刀(dao)去實際(ji)測量。將金屬粉或陶瓷粉與粘結劑混合, 形成均勻混合料。多相噴射固結法就是將這些混合料按(an)技術要求進行噴射,一層一層地(di)形成一個零件。在部件形成之後, 其中的粘結相用化學法或者(zhe)加熱去除, 而後燒結到密度。


三維印(yin)刷法是美(mei)國麻省理工學院(yuan)發明的。該法是根據印刷技術,通過計算機輔助設計, 將粘結劑精確(que)沉積到一層金屬粉末上。這樣反複逐層印刷, 直至達到的幾(ji)何形狀。由此便得到一個生坯件。生坯件經燒結並在爐中熔滲, 可達到全(quan)密度。


三(san)維印刷(shua)法不同於原型製做的選擇激光燒結法。後者一次隻能製做(zuo)一個零件, 而前者可同時生產幾個形狀不同的零件。三維(wei)印刷法有兩個優點: 一,它能製造任何形狀的零件,包括(kuo)有空(kong)腔、內通孔、有錐度或泡(pao)沫(mo)狀表麵的零件。第二,生產速度快。采用耗時費錢(qian)的傳統原型製作法, 一個零件原型要數周或數月(yue)才(cai)能製成, 而用三維印刷法, 幾天(tian)便可完成。


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