粉末冶金黄铜轴瓦的研制.pdf

第 2 2 卷第 6 期 2 0 1 2年 1 2月 粉 末 冶 金 工 业 P OW DER M ET ALLURGY I NDUS T RY Vo1 ．2 2 NO． 6 De c ．2 O1 2 粉末冶金黄铜轴瓦的研制 舒 惠星 ， 叶瑞芳 。 叶汉龙。 1 ．北京安泰钢研超硬材料制 品有 限责任公 司 ， 北京 昌平 1 0 2 2 0 0 ； 2 ． 华侨大 学 ， 福建 厦 门3 6 1 0 0 4 ； 3 ．福建龙溪股份 集团 股份有 限公 司 ， 福建 漳州 3 6 3 0 0 0 摘 要 通 过对 铜轴 瓦产 品 的开发 和 生产 实践 ， 研 究 了制 取 高密度 黄 铜 零件 的粉 末 台 金 工 艺 ， 给 出了该黄铜轴瓦的压制压模设计和烧结工艺制度等生产过程 ， 得到 了符合要求的制品。 关 键词 黄铜 轴 瓦； 非 圆曲线 ； 锌过 度 蒸发 中图分 类号 T F I 2 5 ． 2 1 1 文献标 识码 A 文 章编 号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 1 2 0 6 0 0 0 7 0 4 RESEARCH 0F POW DER M ETALLURGY ON BRASS BU SH I NG S HU Hui - xi ng ，YE Ru i - f a ng 2 I YE Ha n - l o ng 3 1 ． B e i j i n g G a n g Y a n d i a mo n d p r o d u c t s c o mp a n y C h a n g p i n B e ii i n g 1 0 2 2 0 0 ， C h i n a ； 2 ． Hu a q i a o u n i v e r s i t y Xi a me n F u j i a n 3 6 1 0 0 4。Ch i n a ； 3 ． F u j i a n L o n g x i B e a r i n g g r o u p C o ． 。 L TD ． ， Z h a n g z h o u F u i i a n 3 6 3 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Thr o ug h t he pr o duc t de ve l op m e nt a nd pr od uc t i o n pr a c t i c e of t he Cu be a r i n g，po w d e r me t a l l u r g y t e c h n o l o g y t o p r o d u c e h i g h d e n s i t y b r a s s p a r t s wa s i n v e s t i g a t e d ，a n d t h e p r o du c t i on t e c h no l og y o f t he br a s s bu s h i ng， p r e s s i n g mou l d d e s i gn a nd s i n t e r i n g p r oc e s s we r e g i v e n ．Th e p r o d u c t s t o me e t r e q u i r e me n t we r e o b t a i n e d ． Ke y wo r d s b r a s s b us hi n g； no n c i r c ul a r c ur v e； Zi nc e xc e s s i v e e v a p or a t i on 铜轴瓦 如图 1所示 ， 是一款用于全 自动开关 柜 的 一 个 耐 磨 零 件 ， 其 主 要 的工 况 低 速 一 2 0 r ／ mi n； 面 压力 2 0 0 0 N； 不能 含油 ； 不 能生 锈 ； 有 一 定的延 展 性 要 求 A≥ 1 5 ； 长 寿命 要 求 运 转 3 O 0 0 0 次磨损量低于 0 ． 0 5 mm 。该零件原来 是使 用铝青铜材料制造 ， 工艺流程比较复杂 下料一热挤 压成型一线切割一车端面一车外圆一车内槽一铣平 台一 去 毛刺一 抛光 ， 生 产 效 率低 ； 又 因为 材 料 的 强 度 ≥ 5 0 0 MP a 与 表 面 硬 度 HB ≥ 1 3 5 较 高 ， 很 难加工 ， 因此 挤压后外表 面的粗糙度较 高 ， 凹凸不 平 ， 有许 多纵 向拉 痕 ， 不 能满 足 表 面 粗 糙 度 的要 求 。 粉末冶金工艺是一种少无切削工艺， 适合大批量生 产复杂形状的零件 ； 同时材料 配方可根据工况要求 进 行 调整 ， 可 以获得 满 意 的结果 ； 外表 面不 经机 加 工 可以达到 1 ． 6 m 的要求 。因此确定使用粉末冶金 工 艺制 造该 铜轴 瓦 。 图 1 铜轴瓦的零件图 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 2 5 作者 简介 舒惠星 1 9 7 2 ， 男 汉 ， 江西奉新人 ， 工程师 ， 主要从事粉末冶金及超硬材料制品的研发及生产管理。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 粉末 冶金工业 第 2 2卷 1 研制过程 1 ． 1 材 料 的选择 主要 根 据 按 照 工 况 的 要 求 和材 料 特 性 。选 用 DU轴承材料是可 以获得好 的结果 ， 但是 由于形状 比较复杂 不是圆筒状 ， 生产比较困难 ， 因此不能使 用 DU轴承材料 ； 选用铁基粉末冶金材料 ， 在延展性 和耐腐蚀方面不能满足使用要求 ， 因此也不予采用 ； 选用铜基粉末冶金材料可以满足使用要求 ， 一般有 黄铜和青铜； 青铜材料的粉末冶金工艺相对成熟 ， 但 原料成本较高 ， 在现在铜价高位的情况下 ， 本项 目选 用粉末冶金黄铜材料 。黄铜具有良好 的力学性能和 耐腐 蚀性 。从 C u Z n二元合 金相 图l 】 见 图 2 可 以 知道 ； 当含锌量 3 8 以上的黄铜材料在室温是单一 的 a相组织 ， 具有面心立方结构 ， 有 良好的综合力学 性能。该 产 品须 符合 R o HS法规 ， 不 能含 铅 。因 此 ， 综上所述 ， 决定使用 1 5 0 m 一1 0 0目 筛 的 C u Z n 2 0的雾化粉末作为使用材料 ， 粉末 的特性见 表 1 。 、 赠 ＼ q I 5 L l ， ＼ y 一 6 9 7 口 ＼ f s 0 4 1 f 4 5 3 4 7 0 I 托 ￡ I ＼ L 毒 一 ￡ I 3 9 } 图 2 C u ． Z n 合金相 图 1 ． 2混粉及 压 制 混粉 使用 1 5 0 b t m ～1 0 0目 的 C u Z n 2 0雾 化 预合金粉 O ． 3 ％硬脂酸锌 O ． 2 硬脂酸锂 ， 在 V型混料器混合 4 0 mi n 。C u Z n 2 0粉末形貌见图 3 ， 粉末 为不 规则 形状 。 图 3 C u - Z n 2 0的粉末形貌 压制 该零件属于高密度零 件， 压制压 力高达 6 8 0 MP a ， 成形 密度 为 8 ． 1 g ／ c m。 。 表 1 C u Z n 2 0粉 末特性 1 ． 3 模具 设计 由于该产品的截面形状不是封闭的， 这在烧结 的时候较容易变形 ， 给后面整形工序的尺寸控制会 带来一定的影响。预定的设计方案是两个对称的产 品合为一体 如图 4 ， 但后续会增加切割 的工序和 废料 ， 会增加成本和生产周期 ， 但对产品的质量会有 好的保证 。 虽然有截面形状不是封闭的预期不 良影 响， 但 由于材料本身的强度和延展性 的原 因， 仍然按照产 品的形状成形； 但是在模具方案上采用双模成形 如 图 5 ， 主要不是考虑生产量的问题 ， 而是在成形时 使压力 中心与模具受力 中心保持一致 ， 这对产品质 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 舒 惠星等 粉末冶金 黄铜轴 瓦的研制 9 量 ， 压机和模具模架系统有利 。 产 品外形 曲 线 由 圆弧 和直 线 组 成 是 非 圆 曲 线 ， 其设计方法 与圆形曲线不同。 ． √ ’ “ - - ．-Z 3 ／ I 图 4 成 形毛坯方案 1 图 5成 形 毛 坯 方 粟 2 以下简要叙述铜轴瓦的模具设计 1 整个外形曲线 由 8条直线和 4段圆弧组成 见图 6 ， 其 中圆弧 4 5是 偏 离 中心 的， 其 它 圆弧 6 7 、 2 3 与中心重合 符合一般设计 。又 由于图形 是关于 Y轴对称的， 只需研究 圆弧 4 5和直线 1 2和 3 4即可 。 图 6 铜 轴瓦外形 曲线示意图 2 圆弧 4 5的极坐 标方 程为 fP a r 一 n r c o s 9 0 i ’ C O S 一 *c 。 s 声 ’ 声E 1， 1 8 0一 1 3 直 线 3 4的极 坐 标方程 为 fP R ／ c o s { 一 1 E 0 ， 声 2一 声 1 2 4 引 用非 圆 曲线设计 公 式 ] fD P A R 。 一 A p P lD ￡ 一s 一F e s i n a 3 式 中 p 是 成形 曲线点 的极径 ； t - s 是产 品的工艺变化参数 ； F 。 是单边法向的整形余量 ； a成 形 曲线点 的压力 角 ； 是单边径 向的整形余量 ； △ p 是单边径向的工艺变化量 。 5 现在 的三维 软件如 P RO ／ E已经可以方便 按照各种曲线方程来绘制 图形 。 1 ． 4烧 结 使用专用的 8 ” 铜基粉末 冶金 网带烧结炉 ， 可以 同时 进行 预烧 和烧 结 。 烧结是整个零件制造过程最 为关键 的一道工 序。主要是要考虑在高温烧结时锌 的蒸汽压较高， 当锌扩散到颗粒表 面时， 锌会损失 到气氛 中去_ 3 ] 。 同时又是在网带炉烧结 ， 保护气氛的流量较大 ， 这样 会使锌含量过度蒸发从而改变化学成分 ， 造成表面 颜色有很大差异和表面粗糙度较大， 不能满足客户 的使用要求。但是也不能在保护气氛流量较小的情 况下烧结 ， 否则会造成润滑剂 的不能有效烧除， 影响 零件 的力 学性 能 。 烧结工艺参数 预烧最高温度为 6 0 0 C， 时间为 3 0 mi n ； 烧结温度为 8 6 0 ℃ ， 时间为 3 0 mi n 。 烧结使用氮基气氛 N 8 H。 ， 流量约1 2 m3 ／ h ， 由于烧结锌容易挥发， 因此采用加盖的烧结盒阻挡气 流冲刷作用。 1 ． 5烧 结后 处 理 整形一烧结后产品变形较大， 整形量较大 ； 机加 工一主要车槽和钻孔 、 去毛刺 ； 清洗一主要是清洗和 烘干； 涂油一主要在表面涂油。 2 试验结果 成 品 的力 学 性能见 表 2 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 粉末冶金工业 第 2 2卷 表 2 成 品的力学性能 经装机测试 ， 运转 4 3 7 0 0次磨 损 0 ． 0 5 mm， 超 出客户的要求 ； 同时降低成本 3 0 9 ／ 6 。 3 结 论 1 零件 的设计 必须根据使用 工况从材料、 工 艺 、 模具等方面确认最佳方案 。 2 铜轴瓦的形状属于非圆曲线 ， 粉末冶金模具 设计 可 以采用 非 圆 } H j 线 设计公 式 。 3 铜轴瓦是典型的高密度黄铜零件 ； 黄铜零件 在烧结时必须兼顾润滑剂的有效烧除和控制锌的过 度蒸发 。 4 所制取的粉末冶金黄铜轴瓦 ， 完全满足用户 提出的使用要求 。 参考 文献 [ 1 ] 虞觉奇． 二元合金状态图集 [ M] ． 上海 上海科学技 术 出版社 ， 1 9 8 7 3 5 3 ． [ 2 ] 叶汉龙 ． 非圆曲线的粉末冶金成形模具设计 E J ] ． 粉末 冶金技术 ， 2 0 0 1 ， 1 9 5 2 7 6 2 7 8 ． E 3 ] 美国金属学会． 粉末冶金 E M] ． 金属手册 ， 第九版 第七卷 5 1 5 5 1 8 ． 国 外 信 ， 电 MI M零件 的典型应用实例1 9 9 7 2 0 l 1 获 奖零件简介 连载五 中图分类号 TF 1 2 5 文献标识码 D 针推进器与末端 吊钩 生产厂商 S mi t h Me t a l P r o d u c t s ； 获奖年份 2 0 0 1 ； 奖项 大奖； 类别 MI M。这 些零件是用 MI M 工艺， 由 1 7 4 P H不锈钢粉 制作的， 最终密度为 7 ． 6 8 ～7 ． 7 2 g ／ c m。 。末端 吊钩的硬度为 3 5 43 8 HR C， 伸长率为 1 0 ， 拉伸屈服强度为 1 1 0 0 MP a 。针驱动器的硬度为 3 8 4 2 HR C， 伸长率为 8 ， 拉伸屈服强度为 1 0 7 0 MP a 。这些 MI M 零件用于微创 内窥镜的 D a v i n c i 机械手外科手术装置。由于动力控 制的活接头可使器械端部像人手腕一样灵巧， 故用这种高精度机械手装置可实施复杂 的外科手术。在一般 腹腔外科手术时， 用针驱动器缝合切开的伤 口。用户将坯件 的二个半边夹紧使之相联接， 然后切削加工成要 求 的形状。将驱动电缆通过针枢轴 的孔插入 。末端 吊钩是 以未 进行 光饰 的最终形状交 付客户 的。和用 C NC机床切削加工 ， 由棒料制作的零件相 比， MI M 零件可减少生产成本 9 0 ％。 活体组织检查仪 生产 厂商 F l o Me t L L C； 获奖年份 2 0 0 1 ； 奖项 优秀 ； 类别 MI M。这些获奖零件是 活体检查仪 的 1 1 个零件 ， 这些零件都是用 MI M 工艺 ， 由 3 1 6 L双相不锈钢制作的， 密度不低于 7 ． 5 2 g ／ c ms ， 极 限抗拉强度 5 0 3 MP a ， 屈服强度 2 9 6 MP a ， 伸长率 4 O ％及硬度为 7 O ～8 0 HR B。这些零件是用一个模型底 板和每 2 个零件 的 5个可拆卸模件 ， 再加上安放这 l 1 个零件的全部模型成形的， 仅只需要外加杆件 ， 螺钉及 弹簧 。这种仪器借助超声 制导程序 ， 用 一只手容易操作 。和切削加工 的零件相 比， MI M 零件 可减低 成本 5 0 ％以上 。 内窥镜 Me t z e b a u m 剪刀 生产厂商 F l o mt L L C； 获奖年份 2 0 0 0 ； 奖项 优秀 ； 类别 MI M。这种由剪刀 刀片 ， 吊钩及致动器组成的可随意使用装置用于内窥镜 Me t z e b a u m外科手术剪刀。在进行微创心脏外科手 术， 一般外科手术及整复与修复外科手术时， 这种剪刀可用于切割 ， 烧灼及凝结 。这些零件都是 由 MI M 工 艺 ， 用 1 7 4 P H 不锈钢粉制作的， 密度不低于 7 ． 5 g ／ c m。 ， 屈服强度不小于 9 6 6 MP a ， 极限抗拉强度不小于 1 0 6 9 MP a 。 成形一烧结的刀片是平直的， 然后 ， 客户需要将之用肘杆压机成形为所要求 的曲度 。致动器与 吊钩都需要进行一次精整 ， 以调整支架 的宽度。刀片的成对弯曲与刃磨都是 由客户进行的。吊钩上 的二个 螺绞是成形 的。以前这些零件都是由 3 0 3不锈钢， 用切削加工制造的。 枪保险枪机零件 生产厂商 P o wd e r Me t a l P r o d u c t s Di v ． R e mi n g t o n A r ms ； 获奖年份 2 0 0 0 ； 奖项 优 秀； 类别 MI M。这些获奖零件都是客户制造的所有型号的猎枪与枪械 中新的一体化保险装 置用 的保险按 钮与枪机转向器 。这种新保险按钮替代了外部枪机 ， 诸如 C a b l e 或护 弓枪机 。为了锁定枪械， 使用者将一个 下 转第 2 4页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m