金属粉末高速冲击压实温升主导因素

发布时间：2020-06-26 03:54

【摘要】：粉末冶金产品由于其具有独特的化学组成、机械性能、物理性能,以及其经济性和环保性,正被广泛的应用于汽车行业、金属行业、航天事业,以及军工制造中。传统的粉末冶金加工工艺都离不开烧结这一环节,通过烧结使得金属粉末压坯从由粉末颗粒组成转变为一个金属体。但是烧结过程必然伴随着粘结剂的挥发,以及压坯的热变形。其中粘结剂挥发会影响到压坯成型的致密性,在压坯中形成气孔,而且挥发出来的气体也会增加环境负担。故而,对于金属粉末压制一次成型工艺的探索就受到越来越多人的重视。金属粉末高速压制(HVC),通过冲头高速的冲击金属粉末颗粒来达到压制目的的一种新型粉末压制技术。伴随着压制速度的升高,压制过程中产生的热量扩散时间就越短,即金属颗粒之间的接触面温度也就越高,这使金属粉末压制烧结一次成型成为了可能。本文致力于研究金属粉末颗粒在高速压制下的温升问题,探索在不同压制速度下温升的规律以及其主导因素。以非线性有限元软件Marc为分析工具,分别选择铁粉、铜粉、Ti6A l4V粉末为分析研究的材料。通过对比用于研究粉末压制的巴尔申压制方程、北川公夫方程、黄培云压制方程以及Johnson-cook本构方程,最终选用更适合高速压制的Johnson-cook本构方程。针对在大变形仿真时出现的穿透问题,重新定义了金属颗粒间的接触理念,提出接触容差要小于等于步长位移量的观点,成功解决了这个问题。建立了整排9和密排9的有限元几何模型,通过对比计算分析这两个模型的受力及变形情况,发现密排9模型跟符合实际。研究了金属颗粒接触界面的摩擦模型,对比修正的库伦摩擦模型以及剪切摩擦模型的优缺点,针对金属粉末高速压制时颗粒界面摩擦的多变性和不连续性的特点,提出修正的库伦摩擦模型更适宜。根据能量守恒定律,本文主要针对颗粒摩擦做工和塑性变形两个方面开展温升的研究,通过数值仿真分析了三种金属粉末在不同压制速度区间粉末颗粒温升情况。发现当速度小于5m/s时,由于速度过小摩擦力做功不明显,这时温升是以塑性变形为主的。当速度在5m/s~60m/s之间,随着压制速度的增大,摩擦做功急剧上升,此时摩擦温升在总体温升中占比也越来越大。当速度超过60m/s,塑性变形的温升再次占据了主导因素,其原因是较高的压制速度导致了近似绝热压缩的现象出现。通过金属材料热-机耦合本构关系的求解推导,得到了在高速压制下该本构中影响温升的主导参数为材料的屈服强度。同时通过MARC对材料屈服强度以及与其对应的一次成形所需的压制速度(烧结压制速度)的探索发现,要实现压制烧结同步完成,金属颗粒接触面的温度应该高于该种金属的熔点。研究结果表明,烧结压制速度随着材料的屈服强度的升高先是急剧下降,当屈服强度超过400MPa后,烧结压制速度的变化趋于平缓。同时对比各种材料的计算结果曲线可知,由于铜粉和铁粉的屈服强度较低,其烧结压制速度在100m/s以上,这一速度一般无法用常规设备获得,故而在传统粉末冶金制造技术中很难实现牙花子烧结的一次成型。材料屈服强度在大于400MPa的金属粉末则可以采用电磁脉冲高速压制技术,通过调节加载电压来实现压制速度的变化,从而实现烧结压制一次成形。以上这些研究,为进一步研制金属粉末高速压制设备提供了参考。
【学位授予单位】：宁波大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TF124

【参考文献】