流态化粉末装填技术在粉末冶金中的应用.pdf

第6 l 卷第2 期 2 O O9 年5 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l 5 V d ．6 1 ．N o ．2 M a y20O9 流态化粉末装填技术在粉末冶金中的应用 刘 形，果世驹，杨霞，赵韵，郭林 北京科技大学材料科学与工程学院粉末冶金研究所，北京1 0 0 0 8 3 摘 要设计一种流态化装粉靴，研究流态化技术在粉末装填中的应用。通过对粉末流态化前后安息角和填充密度的分析， 得出流态化对于粉末流动性和填充特性的影响。 关键词粉末冶金；充模；流态化；流动性 中图分类号T T F l 2 4文献标识码A 文章编号l 0 0 1 0 2 1 l 2 0 0 9 0 2 一0 0 4 6 0 3 粉末冶金零件的物理性能和机械性能与制品的 密度有很大关系，提高密度和降低密度梯度都对于 产品性能得提高有重要影响⋯。由于粉末装填以 及压制过程中，粉末与模具以及粉末之间存在一定 的摩擦力，使得粉末冶金制品都会存在一定的密度 梯度。而产品的密度不均将会导致其性能的不均， 这将限制粉末冶金产品的应用范围。压制烧结过程 中的参数、粉末本身的特性以及装填情况都会影响 到最终产品的密度分布。 目前国内主要通过添加润滑剂，提高粉末流动 性的办法来改善产品密度不均的问题，而对于装填 过程中产生的密度不均，研究的还较少。国外已经 有不少相关方面的研究。如L a w r e n c e 和B e d ． d o w 【2 - 3J 研究了不同粒度的粉末在装填过程中的分 层情况。他们提出，粉末装填时较细的粉末会从运 动的粗颗粒间滤过，从而导致分层，减少装填时间和 提高粉末坠落的高度都将减少粉末的分层现象。 B o c c h i n i 【4J 研究了模具宽度对装填密度的影响，发现 装填密度会随着模具宽度的减小而降低。R i c e 和 T e n g z e l i u s 【5 j 共同研究了装填系统对装填密度的影 响，装粉靴运动速度越低，装填密度越高。另外，振 动也能提高粉末装填密度，但当振动频率过高时，粉 末出现流态化过程，从而会降低装填密度。由此可 见，粉末装填密度与粉末本身特性以及模具尺寸有 密切联系，而且装填过程对其有重要影响。 1实验方法 流态化装粉试验设备流程图如图1 所示。其中 收稿日期2 0 0 7 0 3 一0 2 作者简介刘彤 1 9 8 2 一 ，男，河北任丘市人，硬士生，主要从事 粉体流动性等方面的研究。 流态化装粉靴为试验主体设备，由有机玻璃板制成， 长1 0 0 m m ，宽6 0 m m ，高6 0 m m 。内部分为进料口， 进气口，流化区，出料口，进气口与流化区之间由气 体流化板隔开，气体流化板为高分子聚乙烯材料，开 孔率为O ．5 ％。装粉靴的上板也使用气体流化板， 进入装粉靴的气体可以从此散逸。用有机玻璃板制 得一系列固定长度 2 0 m m 和高度 7 0 m m ，但不同 宽度 1 ～2 0 m m 的矩形方盒，作为模拟模具。 1 一空气压缩机；2 一储气罐；3 一减压阍； 4 一流量计；5 一流态化装粉靴 图l 流态化装粉系统流程 F i g ．1 P o w d e rn u i d i z e df i l l i n gs r s t e m 所用粉为烈2 0 3 粉，经球磨后，加入一定粘结剂 1 ％酚醛树脂 ，经过擦筛制粒后，制得不同粒度的 粉末，作为试验用粉。粉末根据粒度不同分为1 ～4 号粉，其松装密度见表l 。 表1试验用A 1 2 0 3 粉的粒度和松装密度 T ．a b l elP a n i c l es i z ea n dl o o s ed e n s i t yo fA 1 2 C 1 3p o w d e r 2 试验结果与讨论 2 ．1 流态化对粉末安息角的影响 安息角能够反映物料的流动性，安息角小流动 万方数据 第2 期刘 彤等流态化粉末装填技术在粉末冶金中的应用4 7 性好。试验中安息角的测量用等高注入法。让物料 从锥体漏斗中自上而下落至圆盘中，当物料不再继 续堆高，而只沿料堆表面下滑时，测出料堆高度及圆 盘直径，即可得安息角。试验结果见表2 。 表2 流态化前后粉末的安息角变化 T a b i e2C h a n g eo fp o w d 盯r 签ta n g l e 从表2 可以看到，经过流态化后粉末的安息角 都有不同程度的减小，从而说明流态化提高的粉末 的流动性。这是因为在粉末发生流态化后，产生类 似流体的性质，使得流动性大幅度提高。然而，用安 息角反映粉体的流动性能，只能大致定性地表示流 动性的好坏以及用来比较同种粉体由于水分和粒径 不同等引起的流动性的差别。因此，不能仅仅通过 安息角来反映流态化对粉体流动性的影响。而且， 粉体流动性好，并不意味着填充性能好，因此还要进 一步研究流态化对粉末填充性能的影响。 2 ．2 流态化对粉末填充性能的影响 将4 种粉分别通过普通装粉靴和流态化装粉靴 填充入模拟模具中，并分别测出填充密度。图2 表 示了4 种粉的装填情况。曲线与B o c c h i n i 早期研究 结果相似，B o c c h i n i 认为曲线之所以是这种情况，是 由于接近模具表面存在边界层，模具开口越窄，装填 密度自然越低L 4 J 。 喜， 螽。 翻 警o a 一l 号粉； b 一2 号粉； c 一3 号粉； d 一4 号粉 图2 填充密度／模宽曲线 F i g ．2 C u n r eo ff i l l i n gd 鹤i t y ／耐d t ho fd i e 从图2 可以看到，粉末通过流态化装粉靴填充 入模拟模具，填充密度有一定程度的提高。可见，粉 末经过流态化后，填充性能得到一定的提高。一方 面，流态化可以提高粉末的流动性，从而使粉末在装 填过程中，更易于装填人模具中。流动性提高了，粉 末与模具以及粉末之间的摩擦力减少，从而更易于 填充入模具。另一方面，粉末经过流态化后，粉末表 面会短暂包覆一层气膜，阻止了粉末之间由于相互 吸附作用而造成的拱桥效应，提高了粉末的填充密 度。另外，在粉末的装填过程中，总会有部分气体会 被填入的粉末封闭在密闭的模具中，特别是窄模腔 模具，这在一定程度上降低了粉末的填充密度。当 流化后的粉末填入模具时，由于粉末之间气膜的存 在，使得被封闭在模具中的气体易于从粉末间的空 隙逃逸出去，从而使填充密度得到提高。 值得注意的是，粉末的填充密度与流态化状态 有很大关系。试验证明，通入的气体量过大或过小， 都不利于粉末填充密度的提高。当通入气体量过小 时，粉末无法充分的流态化，或者只是出现少量的鼓 泡，此时粉末流动性提高不大，填充密度没有明显变 化。而通入气体量过大时，虽然粉末剧烈沸腾，充分 流态化，但大量气体涌人装粉靴中，很难完全从上部 流化板处完全逸出。部分气体会随粉末一起从出料 口中排出，这部分气体形成的正压力，阻碍了模具中 气体的逃逸，使得一部分气体被封闭在模具中，不利 于粉末填充密度的提高。 从图2 还可以看出，粉末流态化对于窄模腔模 具的填充密度的提高尤其明显，特别是对于3 号和 4 号粉[ 如图2 c 和图2 d ] 。这是因为较细粉在 填充窄模腔模具时，细粉间空隙很小；而且由于细粉 间还存在明显的相互吸附作用，使得模具内的气体 很难逃逸，从而降低了填充密度。粉末流态化后，气 膜的存在使得粉末间的吸附作用变小，空隙变大，从 而利于气体逃逸。 3结论 利用自行设计的流态化装粉靴系统，研究了流 态化对粉末流动性和填充特性的影响。研究表明。 流态化技术可以在一定程度上提高粉末流动性和填 充特性，特别是对于窄模腔模具，效果更明显。 万方数据 4 8有色金属第6 1 卷 参考文献 [ I ] 王盘鑫．粉末冶金学[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 6 7 7 9 6 ． [ 2 ] L a w r e n c eLR ，B e d d o wJK ．P o w d e rs e g r e g a t i o nd u n n gd i e 肌i n g [ J ] ．P o w d e rT e c h o k 曙y ，1 9 6 9 ，2 5 2 5 3 2 5 9 ． 【3 ] L a w r e n c eLR ，B e d d o wJK ．S b m ee f f e c t so f 、，i b 豫t i o nu p o np o w d e rs e g r e g a t i o nd u r i r l gd i ef i H i n g [ J 】．P o w d e rT ∞hn o 崦y ， 1 9 6 9 ，2 2 1 2 5 1 3 0 ． [ 4 ] B 0 c c h i n iGF ．I n n u e n c eo fs m a nd i ew i d t ho nf i l l i n ga n dc o m p a c t i n gd e n s i t i 器[ J ] ．P o w d e rM e t a l l u r g y ，1 9 8 7 ，3 0 4 2 6 l 一2 6 6 ． [ 5 ] R i c eER ，T e n g z e l i u sJ ．D i ef i l l i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm e t a lp o w d e 飓[ J ] ．P 明以e rM e t a l l u r g y ，1 9 8 6 ，2 9 3 1 8 3 1 9 4 ． A p p n c a t i o no fF 1 u i d i z a t i o nT e c h n o l o g yt oD i eF i I I i n gi nP o w d e rM e t a u r g y L ，UT 0 馏，G U O 勖i 和，y A №‰，Z 枞0h 咒，G U O L i 冗 J 挖s 斑封￡Po ，尸孤t M 妨A 锄口比“r 秽，L k i t 们岫0 ，S f 锄凹口以孔曲加￡唧，脚i 增，聊i 增1 0 0 0 8 3 ，C I l i 触 A b s t r a c t T h ea p p l i c a t i o no ff I u i d i z a t i o nt e c h n o l o g yt od i ef i l l i n gi np o w d e rm e t a l l u r g yi si n V e s t i g a t e db yu s i n gan u i d i z e df i l l i n gs h o ed e v e l o p e df o re x p e r i m e n t ．F r o mt h er e S e a r c ho fr e p 0 6 ea n g l ea n df i l l i n gd e n s i t ya f t e rp o w d e r f l u i d i z e d ，t h ei n f l u e n c e so ff l u i d i z a t i o nt op o w d e rf l o w a b i l i t ya n dd i ef i l l i n gc h a r a c t e r i s t i c sa r ed e s c r i b e d ． K e y w o r d s p o w d e rm e t a l l u r g y ；d i ef i l i n g ；f l u i d i z a t i o n ；f l o w a b i l i t y 万方数据