铁基粉末冶金零件的连接与焊接.pdf

第 2 9卷第 4期 2 0 1 1年 8月 粉末 冶金 技术 Po wd e r M e t a l l ur g y Te c hno l o g y Vo 1 ． 2 9，No ． 4 Au g ． 201 I 铁基粉末冶金零件 的连接与焊接 何灵敏 童郁彬 毛增 光 包崇玺 东睦新材料集团股份有 限公 司 ， 浙江宁波 3 1 5 1 9 1 摘要 铁基粉末冶金零件 的焊 接性 与材料成分 、 焊 接工艺 以及孔隙等 因素密切相 关。文章作 者根据其从 事铁基粉末 冶金 零件连接和焊接的生产与科研 的实践 经验 ， 分析和评述 了电弧 焊、 点焊 、 钎焊 、 激光焊接 、 摩 擦 焊接 以及组合烧 结的性能特点 以及在东 睦公 司的应 用。指 出 随着科技 的发展 ， 将会有更 多的新工 艺以及焊 接材料满 足各种铁基粉末冶金零件 的焊接要 求 。粉末 冶金零 件 良好 的焊接 性 ， 可 以拓宽 粉末 冶金 的应用 领 域 ， 生产更 为复杂 的零件 ， 增强粉末冶金行业 的整体竞 争优 势。 关键 词 铁 基粉末冶金零件 ； 焊接性 ； 电弧焊 ； 点焊 ； 钎焊 ； 激光焊 接 ； 摩擦焊接 ； 组合烧结 J o i n i n g a n d we l d i n g o f f e r r o u s P M p a r t s He Li ng m i n，To ng Yubi n，M a o Ze ng g uan g，Bao Ch ong x i N B T M N e w Ma t e r i a l s G r o u p C o mp a n y L i m i t e d ， N i n g b o Z h e j i a n g 3 1 5 1 9 1 ， C h i n a Abs t r a c t The we l d a b i l i t y o f f e r r o u s PM pa rts i s r e l a t e d t o ma t e r i a l c o mpo s i t i o n，p r o c e s s e s o f we l d i n g a nd p o r o s i t y e t c ．Ba s e d u p o n p r a c t i c e e x p e r i e n c e o f ma n u f a c t u r i n g a n d s t u d y i n g j o i n i n g a n d w e l d i n g o f f e r r o u s P M p a r t s ，t h e f e a t u r e s a n d [ a p p l i c a t i o n s o f me t h o d s o f j o i n i n g a n d w e l d i n g o f f e rro u s P M p a r t a r e a n a l y z e d a n d e v a l u a t e d， i n c l u d i n g a r e we l d i n g ，r e s i s t a n t p r o j e c t i o n we l d i n g ，b r a z i n g ，l a s e r w e l d i n g ，f r i c t i o n we l d i n g a n d s i n t e r j o i n i n g i n NB T M．I t i s po i n t e d o u t t h at n e w t e c hn i qu e s i mp r o v e t he we l d a bi l i t y o f f e r r o us PM p a r t s ．Be t t e r we l da bi l i t y c a n e x p a nd a p p l i c a t i o n do ma i n o f fi r r o us P M pa r t s，a n d e n h a nc e PM c o mp e t i t i v e a d v a n t a g es ． Ke y wo r d s f e r r o u s P M p a r t s ；we l d a b i l i t y；a r c w e l d i n g ；r e s i s t a n t p r o j e c t i o n w e l d i n g ；b r a z i n g ；l a s e r we l d i n g； f r i c t i o n we l d i n g；s i n t e r - j o i n i n g 粉末 冶金 工 艺 是无 切 削 或 少 切 削 的加 工 方 法 ， 节能 、 节材 ， 无污染 ， 适合生产批量大、 切削少的机械 零件 。因此 ， 粉末冶金零件具有生产成本低、 效率高 等特点。但是铁基粉末冶金零件受制于模具 、 粉末 以及设备 ， 一些形状复杂的零件 尚不能使用粉末 冶 金工艺生产 ， 或者生产的成本较高。另一方面 ， 焊接 是机 械零 部件 重 要 的装 配方 式 ， 如果 焊接 性不 好 ， 零 件将会难 以装配或装配后性能达不到要求 ， 使粉末 冶金零 件 的应 用 受 到 限 制 。对 于 粉末 冶 金 零 件 ， 由 于存在孔隙 ， 孔隙的数量 、 形态和分布影响材料的物 理性能如热传导率 、 热膨胀率和淬硬性等 ， 这些物理 性能直接影响材料 可焊性 ， 使焊接粉末冶金零件与 同成分 的冶铸材料相比难度加大 。在普通焊接冷却 } 何 灵敏 1 9 7 0一 ， 男 ， 高级工程师 。E m a i l h e l mp m c h i n a ． c o m 收稿 日期 2 0 1 01 1 2 6 过程 中焊 缝 收缩产 生较 大 的张 应 力 ； 在 张应 力 的作 用下 由于粉末冶金零件 的伸长率较低 ， 往往 产生裂 纹 ， 焊接强度降低 ， 甚至无法完成焊接过程 。 粉末冶金零件 的焊接性 的提高将可拓展粉末冶 金的应用范围， 增加生产形状更复杂零件的可能性。 大 多数粉 末 冶 金 零 件 可 以 通 过 焊 接 连 接 。 由于 成 本 、 劳动强度 、 设备等方 面的原 因， 不是每个 粉末冶 金零 件都 适 宜焊接 。 。 笔者将介绍 目前在东睦公司所使用的铁基粉末 冶金零件连接或焊接方式以及在新产品开发过程中 了解的焊接方式 ， 介绍其特点、 在粉末冶金零件上的 应用 以及存在的障碍， 为相关人员在设计新 产品的 焊接或连接时提供参考 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 4 粉 末冶金技术 l材 料 的 焊 接 性 1 ． 1金属 材料 的焊 接 性 焊 接 性 反 映 金 属 材 料 在 一 定 的焊 接 工 艺 条 件 下 ， 获得优 质 焊接 接 头 的难 易 程 度 。 焊接 性 包 括 两 方 面的 内容 其一 ， 接 合性 能 。金属 材料 在 一定焊 接 工 艺条件 下 ， 形 成焊 接 缺 陷 的敏 感 性 。决 定 接 合 性 能 的 因素有 l I 二 件 材料 的物 理性 能 ， 如熔 点 、 导热 率和 膨胀 率 ， 工件 和焊 接 材 料 在 焊 接 时 的 化学 性 能 和 冶 金作用等。其二， 使用性 能。焊接接头承受载荷 的 能力， 如承受静载荷 、 冲击 载荷 和疲劳载荷等 ， 以及 焊接接头的抗低温性能 、 高温性能和抗氧化 、 抗腐蚀 性 能等 。 。 金属 材料 的可 焊性 是 ～ 成 不变 的 ， 同一 种金 属 材料 ， 采用 不 同 的焊 接方法 和 焊接 材料 ， 其 可焊性 可能有 很大 差 别 。铸 铁 焊 接 时 容 易 开 裂 ， 需 要 预先 将 焊件 加热 ， 或 采 用 特 种 焊 条 焊 接 。含 碳 量 和 合 金 元素量较高的钢材 ， 由于硬度和强度较高 ， 焊接时容 易产 生裂纹 ， 需 要 采 取 适 当 的工 艺 措施 。对 于 许 多 活 性金 属 或难 熔合 金 ， 宜采 用特 殊焊 接方 法 ， 如 电子 束 焊 或激 光焊 ， 以便 获 得优 质接 头 。工件 材 料 、 焊 接 方法和产品的使用条件 ， 都会影响工件 焊接性 。材 料 制 成优 良焊 接接 头所 需 的设 备 条 件 越 少 、 难 度 越 小 ， 则 此 材料 的焊 接 性 越 好 ； 反 之 ， 需 要 复 杂 而 昂贵 的焊 接方 法 、 特殊 的焊 接材 料 和工 艺措施 ， 则 说 明这 种材 料 的焊接 性 不佳 ’ 。 影 响金 属 材 料 可 焊性 的 主要 因素是 化 学 成 分 。 各种 化 学元 素加 入金 属材 料后 ， 对 焊缝 组织 与性 能 、 夹杂物分布 、 焊接热影响区的淬硬程度等影响不 同， 产 q 三 裂 缝 的倾 向也不 同。 1 ． 2 影 响铁 基粉 末 冶金 零件 焊接 性 的因素 1 ． 2 ． 1 化 学 成分 的影 响 凡是影 响 致密 金属 材料 焊接 性 的 因素都会 影 响 粉 末冶 金零 件 的焊 接性 。粉 末冶 金零 件 的性 能与 密 度 、 合金体系和微观结构密切相关。每个特性都起 着重要 的作用 ， 更重要 的是他们结合起来可 以改善 焊接性和其它性能 。铁基粉末冶金中常加入的合金 元 素 包括 碳 、 铜 、 磷 、 镍 、 钼 、 铬 等 。成 分 影 响 零 件 的 密度 和微 观结 构 ， 反 过来 对 焊接产 生 影 响 。2 ％ 以上 的铜 以及不 同含量 的镍 对焊 接产 生 特别 的问题 。石 墨应 尽 可能 少 ， 碳 会影 响零 件 的 硬化 能 力 。硫 、 磷 、 硼应 尽可 能少 ， 会 对焊 接产 生不 利影 响 ’ 。 。 通常 ， 雾化 铁 粉 比还 原 铁 粉 的 杂质 少 。在 性 能 可 接 受 的范围 内材料 的纯度 不是 影 响焊接 的 主要 素 。但是 酸不 溶物 、 氧化 物 以及 硅 酸 盐 会 影 响 焊接 接 头疲 劳性 能 和 使用 寿命 。从 这个 意 义上 来 说 ， 雾 化铁 粉制 造 的铁基 粉末 冶金 零件 更适 用 于熔 融焊接 和焊 接强度 较 高 的应 用 。 碳含 量对 焊接 性能 有重 要 的影 响 。通 常碳 含 量 越低 焊接 性越 好 。碳 还 有 提 高 零 件性 能 的作 用 ， 尤 其是 力学 性能 。必 须要 考虑 焊接 性 与强度 之 间 的关 系 。 在焊 接或 钎焊 时应 尽 可能避 免硫 元 素 。硫 可 能 迁移 到 晶界形 成 热裂 纹 。钎焊 时钎 料 中的锰 可能 会 与硫 反应 形成 硫化 锰 降低钎 料 的 流动性 。 如果机 加 工需 要 ， 可 以直接 加入 硫 化锰 。对 于铜 ， 在零 件 中铜 含 量最 好 不 要 超 过 4 ％ 。磷 对 焊 接 的 影 响 与硫 类 似 。低 熔点 的 F e P可 能 会促 进 热 裂纹 的 产 生 。镍 元素改善材料的韧性不会降低焊接性。 1 ． 2 ． 2 烧 结 后处 理工 序 的影 响 热处 理 、 蒸 汽 处 理或 渗 铜 粉末 冶金 零 件 小 推荐 熔 融 焊接 电弧 焊 、 激 光焊 接 等 。 。 蒸汽 处 理 的 氧化 物 会 污 染焊 接 界 面 ， 使 焊 接性 能不稳 定 以及 产生 裂纹 。焊 接渗 铜零 件时 游 离铜 可 能熔化并迁移到奥 氏体晶界 ， 导致热裂或液化裂纹 ． ． 热处 理零 件焊 接 时可能 会 导致焊 接 裂纹 。 1 ． 2 ． 3 孔 隙 的影 响 对 于粉 末 冶 金 零件 ， 影 响焊 接 或 连接 最 主要 的 因素 是孔 隙 。孔 隙 的 比例 或相对 密 度导致 粉末 冶 金 零件 具 有一些 特 殊 的性 能 。 热导率 热导率与孔隙数量相关 ， 大量的孔 隙， 改变了热传导机制 ， 最终影响焊接参数。 淬 透性 与 热导率 相关 。孔隙 是绝 热体 ， 减缓 r 热传 导 ， 使相 同化学 成 分 的 粉 末 冶金 零 件 比铸 轧 零 件 的淬 透性 低 。焊 接时在 热 影响 区零件 的颗粒 重新 熔 化使 密度 提 高 ， 这 会 改善 局 部 区域 的淬 透 性 。 L } j 于冷却 时熔 化 区域 收缩 ， 将会 导致 产 生较大 的应 力 ， 产生裂纹的敏感性增加。 热 膨胀 系数 热膨胀 系数 没有 与孔 隙直接 相 关 ， 但 是增 加 了裂 纹 敏感 性 。与 铸 轧材 料 类 似 ， 粉 末 冶 金材料升温或降温 相同温度 体积膨胀 相 同。但 是 焊接 后产 品存在 较大 的 密度差 导致 收缩 或膨 胀不 同 ， 增 加 了在焊 接 界面产 生 裂纹 的 可能性 ．． 由于孔 隙 中的 氧化 物 或 杂 质 的分 解 或 逃逸 ， 町 能引起 焊 接性 能发 生 变 化 ， 例 如 孔 隙 中的 加 工 液在 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷第 4期 何灵敏等 铁 基粉末冶金零件 的连接 与焊接 2 8 7 接连接 。如果零 件 复杂 或者 尺 寸精 度较 高 时需 要 使 用钎焊 夹具 。钎 焊零件可 以热处理 和蒸 汽处理 。 钎焊一般采用板料搭接和套管嵌接的形式。这 样可以通过增加焊件之 间的结合面 ， 来弥补钎料强 度的不足， 保证接头的承载能力。这种接头形式还 便于控制接头的间隙， 适 当的间隙可 以使钎料在接 头 中均 匀分 布 ， 达到最 佳 的钎焊 效果 。 烧 结钎 焊 最 主要 的应 用 是 制 造 汽 车齿 轮 支架 。 东 睦公 司成 功 开 发 了 一 个 烧 结 钎 焊 皮 带 轮 见 图 5 。该零件以前 的信号块采用 点焊方式 与基体带 轮连接 ， 由于焊接 问题 ， 信号块会脱落 ； 东 睦公 司采 用烧结钎焊方式进行连接 ， 结合较好 ， 焊缝处充满 了 钎 料 见图 6 。 图 5 东睦公司烧结钎焊的零件 F i g ． 5 P M p a r t s i n t e r j o i n t e d a t NB T M 图 6烧结钎焊焊缝 金相图 F i g ． 6 Me t a l l c g r a p h o f w e l d i n g s e a m b y s i n t e r - j o i n t 2 ． 4 摩擦 焊 接 摩擦 焊 接时 一个 零件 静止 不动 ， 另一 个 旋转 ， 同 时施加轴向力。焊接与以下因素相关 旋转速度 ， 轴 向力 ， 焊接时间和锻压力 。摩擦 焊接 可以高度 自动 化 ， 焊接参数完全可以通 过计算机控制。摩擦焊接 的优点 是 焊接 接头 质量 好且稳 定 焊接 过程 不发 生 熔 化 ， 属 固相热 压 焊 ， 接 头 为 锻造 组 织 ， 因此 焊 缝 不 会出现气孑 L 、 偏析和夹杂 、 裂纹等铸造组织的结晶缺 陷， 焊接接头强度远大于熔焊 、 钎焊 的强度 ， 达到甚 至超过母材的强度。焊接效率高 对焊件准备通常 要求不高 ， 焊接设备 容易 自动化 ， 可在 流水 线上生 产 ， 每件焊 接 时间 以秒计 ， 一 般只 需零 点几 秒至几 十 秒 。节能 、 节材 、 低耗 。所 需 功率仅 及传 统 焊接工 艺 的 1 ／ 1 5～1 ／ 5 ， 不 需 焊 条 、 焊 剂 、 钎 料 、 保 护气 体 ， 不 需填加金属 ， 也不需消耗 电极。焊接性好 ， 特别适合 异 种 材料 的焊 接 。焊 接 过 程 不 产 生 烟 尘 或 有 害 气 体， 不产生飞溅 ， 没有孤光和火花 ， 没有放射线 。 摩 擦 焊接 在粉末 冶 金 中应 用 的主要 障 碍就 是零 件 的形状 。通 常焊 接 截 面 要 求 圆形 或 接 近 圆形 ， 适 用于 管 、 棒 或 盘状零 件 。除此 之 外 ， 材 料必 须具有 干 摩擦特性 ， 在孔隙中不能含有游离石墨， 否则石墨会 作为润滑剂， 减少摩擦力 。 对于铁碳及铁碳铜的粉末冶金材料， 完全适用 于摩擦焊接。我们曾做过铁碳铜粉末冶金零件之间 以及 粉末 冶金 零件 与 钢 材 之 间 的摩 擦 焊 接 试 验 ， 焊 接结果较好 见 图 7 a 。与其它工 艺相 比， 焊接 区硬度较低 ， 焊接件的扭矩较高。 摩擦焊接之后需要机加工去除在加压时多余的材 料 ， 增加了工序。但是 ， 摩擦焊接的接头强度非常高， 几乎看不出焊接的界限。粉末冶金零件的部分孔隙在 高压高温下被压缩， 使接头的密度提高 见图7 b 。 2 ． 5激光 焊接 激 光焊接是将高强度 的激光 束辐射至金属表 面， 通过激光与金属的相互作用 ， 使金属熔化形成焊 接。激光焊接具有溶池净化效应 ， 能纯净焊缝金属 ， 适用于相同或不同材质 、 厚度的金属间的焊接 ， 对高 熔点 、 高反射率 、 高导热率和物理特性相差很大的金 属焊接特别有利。激光功率可控 ， 易于实现 自动化 ； 激光束功率密度很高， 焊缝熔深大， 速度快 ， 效率高 ； 激 光 焊缝 窄 ， 热影 响 区很 小 ， 工 件 变形 很 小 ， 可实 现 精密焊接 ； 激光焊缝组织均匀 ， 晶粒很小 ， 气孔少 ， 夹 杂缺陷少 ， 在力学性能、 抗蚀性能和电磁学性能上优 于常 规焊 接方 法 ’ 。 激光 焊接 技术 目前 在粉 末冶 金材 料领 域 的研究 和应 用还 十分 有 限 ， 主要 是 因 为粉 末 冶 金 零件 存 在 孔隙 ， 从而使焊缝外观、 焊接质量受到影 响； 焊接工 艺及 材料 的选 取也 比一 般 的冶铸 材料 难度 大 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷第 4期 李浩然等 羰基镍生产技 术的发展现状 2 9 5 5 结束语 1 羰 基 法 精 炼 镍 是 一 种 工 艺 简 单 、 能 耗 低 、 提 取率高的工艺、 由于羰基法制备 的镍产 品具有特殊 结构状态 ， 并具 优良的物理和化学特性 ， 所以它是 许多领域尤其是高技术产业 的重要原料 ， 其市场前 景 十分广 阔 。 2 与国外先进水平 比， 我国羰基镍工业还存 在 一 定差距 ， 例如高压合成的一氧化碳的再循环利用 、 羰基 镍 热分 解尾 气 的 回 收利 用 、 镍 与 一 氧 化 碳 的 转 动釜合成等 ， 这些都有待于建设新 的羰基镍工厂时 根 据实 际情 况给 予采 用 。 参考文献 [ 1 ]Mo n 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