顆粒成形(particulate forming)是指用壓力將金屬或合金顆粒坯料加工成形的工藝。
基本介紹
- 中文名：顆粒成形
- 外文名：particulate forming
- 作用：用壓力將金屬或合金顆粒坯料加工成形的工藝
合金熔液快速結晶時獲得的質點尺寸為0.5～10mm的鬆散物質一般稱為顆粒，質點尺寸小於0.5mm的鬆散物質屬於粉末。所有將粉末加工成緻密半成品的方法原則上都適用於顆粒，而顆粒比粉末的鬆散性更好，可以提高成形速度。在生產半成品和零件時，採用傳統的鑄錠作原始坯料，要經過許多道工序才能製成。粉末半成品有比鑄錠半成品更突出的優點，顆粒半成品則更具有代表性。新發展起來的顆粒成形工藝採用金屬液滴在高溫冷卻條件下凝固所形成的顆粒作坯料，採用擠壓或軋製成形，可以大大地簡化工序，製得的顆粒材料的組織和性能也與按傳統標準工藝製得的材料不同，零件的力學性能有明顯提高。顆粒成形是大有推廣價值的顆粒化工藝(又稱快速凝固工藝)的重要組成部分，涉及到物理化學、金相學、結晶學以及變質處理方面的許多問題。由顆粒加工成半成品的工藝參數及半成品的性能主要取決於顆粒的結合程度、組織特徵和顆粒表面上存在的氧化膜。
理論基礎 金屬顆粒因共同塑性變形而結合的特性是由顆粒生產緻密半成品的工藝基礎。當顆粒之間的原子靠得足夠近，原子間的距離小於原子間力的作用半徑時，原子就傾向於牢固結合。在塑性變形作用下，結合區段數目的增加及由擴散引起的該區段的擴展，是金屬結合的主要過程。
冷卻速度達到103K/s以上的快速凝固能使顆粒組織和性能發生極大的變化，組織的劇烈細化、固溶體過飽和程度的增大以及相成分的變化，都是對顆粒的性能和加工成半成品時的行為起決定作用的主要組織特徵。
顆粒在共同塑性變形時的優良結合是生產顆粒半成品時一個最複雜的問題，合金的性質、氧化膜的成分和厚度、表面的質量、塑性變形的溫度和速度、金屬流動的不均勻性等大量的因素都對顆粒的結合過程產生影響，只有在高的變形程度、最佳的變形溫度一速度等加工條件下才能獲得高質量的半成品。
由顆粒形成整塊金屬的過程一般認為有以下3個階段：在初期準備階段中，覆蓋於顆粒表面上的氧化膜在塑性變形的作用下開始破裂，形成純潔表面；在第二階段中，純潔表面在壓縮力的作用下逐漸靠攏，直到距離小於原子間力的作用半徑，結果產生微小的單個區段(橋)；在第三階段中，結合橋開始擴展，同時又產生新的橋，從而導致結合表面的增大，其中已形成的結合橋的區段較難變形，塑性變形主要在被橋所分開的表面上進行。增大變形程度將加快氧化膜的破壞過程和結合橋的形成過程。顆粒在低溫結合時上述結合機理是決定性的，在熱加工時擴散過程還具有重要作用。此時除了產生新的結合表面外，擴散還引起結合橋迅速擴展，在塑性變形作用下結合橋數目的增加及其由擴散引起的擴展是金屬結合的主要過程。
由於影響金屬顆粒結合的因素很多，所以在制定生產顆粒材料的工藝時，把下列要求作為以組分共同塑性變形的方式製造材料的共同要求：(1)防止形成粗大的氧化膜，或預先處理金屬的結合表面。
(2)採用大的塑性變形，保證將氧化膜破壞，在接觸區內形成初生表面，最好是在能保證獲得大剪下變形的條件下擠壓半成品。由於顆粒間移動能造成沿半成品截面的變形不均勻性，所以也必須採用大變形程度才能將顆粒加工成緻密的半成品。
(3)採用使金屬容易結合的熱塑性變形，可以比冷變形減少變形力和變形程度。
成形工藝 顆粒成形工藝根據加工方式分為兩種類型：顆粒擠壓和顆粒軋制。
顆粒擠壓既是少量的試生產也是大批量生產最合適的方法。擠壓能同時壓實和變形。變形用的擠壓比可達100以上。其他任何方法都不能在一道工序中達到這樣高的變形程度，也不能創造如此有利的壓實條件。大的變形程度能夠增大顆粒間的接觸表面和有助於粉碎覆蓋在顆粒表面的氧化膜，從而提高顆粒的結合質量及擠壓半成品的質量。另外，採用擠壓還可以製造輪廓各異的型材，以及隨後可用模鍛、拉拔和軋制方式加工成半成品。
顆粒擠壓法除了可以生產標準合金的半成品外，還可以生產組分大大超過其在淬火溫度下的極限溶解度而合金化程度又複雜的合金半成品。這類合金的半成品不能用傳統的鑄錠工藝製造，因此生產半成品的擠壓方法有其獨特的意義。
顆粒擠壓的主要特點是：(1)由低塑性的高合金化合金以及其他合金顆粒擠壓成棒材時，顆粒的結合質量比擠壓塑性高的標準成分的變形合金好；(2)顆粒的結合質量同合金成分沒有直接的關係；(3)大多數擠壓棒材，甚至顆粒結合質量差的棒材，其外圍區都沒有任何分層痕跡。
顆粒擠壓法根據工序的數量分為3類：顆粒預製坯擠壓法、顆粒制坯擠壓法和顆粒直接擠壓法。
(1)顆粒預製坯擠壓法。是預先將顆粒松裝在由板材製成的杯形包套中，放入電阻爐內加熱至熱加工溫度。然後移入壓力機擠壓筒的盲孔模內壓實(預擠壓)成緻密的毛坯(預壓毛坯)。取出預壓坯車去杯形包套，再擠壓成某種截面的型材或半成品。這時的擠壓情況與由鑄錠擠壓時的相同。這種顆粒擠壓法套用得最廣泛。可以採用電阻爐或電接觸加熱以及熱氣體加熱等先進的方法來加熱顆粒。為了減少顆粒的氧化和顆粒擠壓半成品中的含氣量，可採用真空除氣和在惰性氣流中加熱之類的工序。壓實粉末材料用的方法都可以用來壓實顆粒材料。在立式液壓機上制坯，與臥式液壓機相比，具有一定的技術經濟上的優點，例如顆粒更容易倒入液壓機的擠壓筒內，顆粒不需裝入杯形包套就可以制坯，這樣就可省掉壓坯在擠壓前的車削工序。
(2)顆粒制坯擠壓法。是使用一個盲孔擠壓模，在高的單位壓力下將加熱的顆粒壓實，壓實後不必從擠壓筒中取出壓坯，而是將盲孔模換成工作模，然後把壓坯擠壓成半成品。這種方法能夠減少顆粒在高溫下的停留時間，能夠增大擠壓件壓出端密度，從而提高成品材料收得率。在需要使用不太大的變形程度和單位擠壓力時，採用制坯擠壓最合適。如果不先將壓坯壓實，則製件出口端密度較低。
(3)顆粒直接擠壓法。是將顆粒加熱至熱加工溫度，倒入壓力機的擠壓筒內，然後擠壓成指定截面的半成品。
儘管從生產工藝中省去了制坯工序，但是半成品的力學性能並沒有降低，卻在多數情況下還略有增加。由顆粒直接擠壓成半成品是最經濟的方法。顆粒直接擠壓包括半連續擠壓和連續擠壓兩種。顆料半連續擠壓是將顆粒直接裝入立式或臥式擠壓機的擠壓筒內擠出。這是最經濟合理、最有前途的一種方法。向立式擠壓筒中填裝顆粒比向臥式擠壓筒中填裝顆粒簡單得450多，但是現有的立式液壓機由於功率較小而只用來擠壓截面不太大的半成品。臥式液壓機的套用範圍比較廣，可以產生6～250MN或更大的壓力，能夠擠壓各種橫截面的半成品。可以利用螺旋送料裝置、渦輪送料裝置以及其他的方法向擠壓筒中填裝顆粒。顆粒連續擠壓則是將冷顆粒倒入旋轉壓力機的料斗中，然後由螺桿把顆粒送往擠壓模中擠出。顆粒在順著擠壓筒壁往前移動時被加熱，結果使出口處半成品溫度能達到300℃以上。連續擠壓具有極大的作用，目前採用這種方法製造電纜套以及截面不太大的鋁和低合金化鋁合金的半成品。20世紀80年代以來，康弗姆(CON—F()RM)連續擠壓技術的發展十分迅速，它可以用顆粒料或桿坯進行擠壓，顆粒經過漏斗進入輪槽後通過特製的擠壓靴來成型。(見連續擠壓)顆粒軋制按工序的數量分為制坯軋制和連續軋制兩種類型。
(1)顆粒制坯軋制。是對顆粒預擠壓成的毛坯(條材)進行軋制，製成板材半成品。雖然最後製成的板材有很高的力學性能，但是勞動強度大，產品的數量和尺寸受壓力機功率的限制。
(2)顆粒連續軋制。是將顆粒經烘乾和篩選分類等準備工序後加熱到熱加工溫度，然後裝入供料裝置(料斗)內，顆粒在自重作用下落到軋輥之間的空隙里，在垂直或水平方向進行軋制。顆粒在軋輥間變形的過程中被壓實而直接軋成帶材，其密度接近於理論密度。熱軋帶材的力學性能低於用鑄錠軋制的帶材，但是前者可以繞成卷和切去邊緣再進行冷軋，以提高密度和力學性能。連續軋制是近年來特別注意研究的新工藝。
顆粒連續軋製法軋成的板材半成品，同傳統的鑄錠方法相比，具有顯著的優越性：(1)顆粒軋制工藝不僅適用於標準成分的鋁合金，而且也能製得力學性能高的半成品，尤其是在軋制高合金化合金時，更能發揮出它的優點。
(2)顆粒軋制工藝適用於各種難變形合金板材半成品的生產，用普通工藝加工這些半成品是相當困難的。
(3)顆粒軋制還很容易獲得由不同成分的顆粒混合而成的複雜組分，並能連續生產雙金屬或包金屬的帶材。顆粒連續軋制工藝是製造新型合金板材半成品的一種合理方法，而這種板材半成品用鑄錠法是不能製得的。這類合金有由過渡族元素合金化的純鋁基合金，及含有主要合金元素和過渡族元素的複雜合金化合金。後者所含過渡族元素的數量大大超過其在淬火加熱溫度下的溶解度。
(4)顆粒連續軋制的產量高，帶材的長度(每卷的尺寸)只取決於卷取機的能力，而帶材的寬度取決於軋輥輥身的長度。如果採用大直徑軋輥還可以消除對帶材厚度的限制。
顆粒連續軋制工藝的技術經濟特點是：工藝循環周期短，勞動強度小，金屬利用率高。採用顆粒連續軋制工藝生產板材半成品，可以去掉傳統方法中大量的工藝程式，省去鑄造、均勻化(見錠坯均勻化)、切割、矯直和銑面(見錠坯鏡面)用的設備以及大功率熱軋機和輥道等生產設備，這樣就可以大大降低基本建設投資、減少生產面積和降低生產成本。
發展方向 顆粒成形套用於鋁基、銅基、鎳基以及其他金屬基合金的綜合性開發研究包括：
(1)改善現有標準成分合金的性能；
(3)用過渡族元素(含量大大超過其在鋁中的極限平衡溶解度)進行合金化以提高高強度鋁合金的力學性能；
(4)用數量較多的過渡族元素進行合金化以提高鋁合金的熱彈性；
(5)改善雜質含量較高的合金的性能；
(6)鋁—過渡族元素系彌散強化熱強合金的研究；
(7)鋁—快凝時無過飽和傾向的過渡族元素系熱強合金的研究；
