鐵基粉末冶金工藝制造機夾可轉(zhuǎn)位車刀桿
粉末冶金是通過制取金屬粉末或以金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經(jīng)過成型和燒結(jié)，制成金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技 術(shù)。應(yīng)用粉末冶金工藝可以獲得具有特殊性能和一般工藝無法生產(chǎn)的材料和零件，而且材料利用率高，加工量少，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，并已廣泛應(yīng)用于機械、汽 車、冶金、輕工、儀表、電器及國防等行業(yè)及領(lǐng)域。
我院校辦廠——株洲冶金工具廠從1970年開始鐵基粉末冶金制品的生產(chǎn)，1974年正式生產(chǎn)機夾可轉(zhuǎn)位車刀和焊接車刀，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
一、鐵基粉末冶金刀桿生產(chǎn)工藝
鐵基粉末冶金刀桿屬于Fe-Cu-C系列材料，主要原材料是鋼廠軋材后留下的氧化鐵鱗。整個生產(chǎn)過程主要分為制粉、成型和機械加工三個主要階段。
制粉
水洗 將鐵鱗置于水中清洗，一般在攪拌槽或清洗槽中進(jìn)行，目的是去除可溶于水中或浮于水上的雜物；
干燥 把水洗后的鐵鱗放在干燥爐或干燥箱中，加溫到500～800℃，去除鐵鱗中的水份和可燃雜質(zhì)，促使鐵鱗進(jìn)一步氧化，增強鐵鱗的磁性，以提高磁選效果；
磁選利用氧化鐵鱗具有磁性的特點，通過多級磁選，進(jìn)一步去除雜質(zhì)，提高鐵鱗的含鐵量；
球磨過篩 此工序可使鐵鱗粒度細(xì)化，為下一道還原工序增加鐵鱗與還原劑(CO或H2)的接觸表面積，改善還原氣體在鐵鱗內(nèi)部的擴散速度。鐵鱗的顆粒度控制在40～60目之間為宜；
還原此工序的目的是把細(xì)顆粒的Fe3O4或Fe2O3中的氧分子去掉，從而產(chǎn)生海綿狀的鐵粉。目前我國制粉生產(chǎn)中常用的還原劑有木炭、焦炭和無煙煤，它們的理化性能和使用效果見下表。表常用還原劑的理化性能及使用效果還原劑水份
%揮發(fā)物
%灰份
%固定碳
%硫
%氣孔率
%還原工藝參數(shù)
溫度(℃)時間(h)
木炭3～10 10～20 0.5～2.5 70～80 70～80 1080 24
焦炭2～8 1～6 8～14 70～80 0.5～1.5 30～50 1100 30
無煙煤3～5 1～5 4.5～8 85～90.5 0.5～1.5 2～4 1100 50
由表可見，木炭的還原能力最強，焦炭次之無，無煙煤最差。因為木炭有最大的氣孔率，參加氣化反應(yīng)的面積最大，活性也最大。另外，木炭中揮發(fā)物含量較高，其主 要成分是H2和各種碳硅化合物，而H2是固碳還原過程中最好的觸媒劑。因此，用木炭作還原劑生產(chǎn)的鐵粉質(zhì)量最好，但成本較高，且木炭資源有限。
當(dāng)還原溫度高于570℃時，固體碳還原氧化物的過程分三個階段：Fe2O3—→Fe3O4—→浮斯體(Fe·Fe3O4)—→Fe，其化學(xué)反應(yīng)式為
3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2，DH298=-15050卡
Fe3O4+CO=3FeO+CO2，DH298=5030卡
FeO+CO=Fe+CO2，DH298=-3150卡
成型
壓制刀桿毛坯對還原后的海綿狀鐵切片進(jìn)行球磨，制成不同粒度的鐵粉，根據(jù)刀桿材質(zhì)的要求，適量加入某些金屬和非金屬，混合均勻形成以鐵粉為基體的金屬混合料。然后將混合料置于壓模中加壓，生產(chǎn)出刀桿毛坯。要求毛坯的壓制密度為6.8～6.9g/cm3；毛坯不能出現(xiàn)分層、裂紋和掉邊角等現(xiàn)象。
燒結(jié)刀桿燒結(jié)過程比較復(fù)雜，對產(chǎn)品性能起著關(guān)鍵作用。在燒結(jié)過程中將產(chǎn)生氣體脫附、潤滑劑揮發(fā)、回復(fù)再結(jié)晶、奧氏體形成、聚集再結(jié)晶、粒粘結(jié)、合金化、部 分金屬或合金熔化、孔隙集中和消除等現(xiàn)象，刀桿燒結(jié)后冷卻時又會產(chǎn)生奧氏體分解為珠光體、石墨析出、滲碳體分解和液相重結(jié)晶等過程。燒結(jié)后的刀桿的密度為6.9～7.5g/cm3，硬度大于150HB。
機械加工及熱處理。
機械加工對燒結(jié)后的刀桿毛坯進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋C械加工。主要工序有：銑削、鉆削、攻絲、鉗修等，從而保證刀桿的外觀尺寸和配合精度。
熱處理刀桿的硬度和強度對于保證刀桿使用性能有著重要影響。為保證刀桿的強度和硬度，在熱處理過程中，必須采用特定的加熱時間和溫度。熱處理后刀桿的硬度為38～42HRC，抗彎強度為1102～1190N/mm2。
表面氧化處理一般采用低溫堿性發(fā)黑，即將刀桿在一定濃度的堿和氧化劑溶液中加熱、氧化，使金屬表面生成一層帶有磁性的Fe3O4薄膜，氧化過程為：Fe—→NaFeO2—→Na2Fe2O4—→Fe3O4，其化學(xué)反應(yīng)式為
3Fe+NaNO2+5NaOH—→3Na2FeO2+NH3+H2O
6Na2FeO2+NaNO2+5H2O—→3Na2Fe2O4+NH3+7NaOH
Na2FeO2+Na2Fe2O4+2H2—→Fe3O4↓+4NaOH
表面氧化的主要目的為：①起防銹作用；②增加表面的美觀及光澤；③消除淬火過程中的應(yīng)力作用。
二、刀桿切削力的分析
目前制造刀桿通常采用鍛造或鑄造工藝，而應(yīng)用粉末冶金工藝制造的刀桿能否承受切削力的沖擊，下面進(jìn)行分析對比。
在正常工作情況下，C620車床的車刀所承受的切削力為：
主切削力Pz=200×t×s=200×5×0.3=300kg
當(dāng)吃刀深度t=5mm，進(jìn)刀量S=0.3mm/r時
徑向力Py≈0.4Pz=0.4×300kg=120kg
軸向力Px≈0.25Pz=0.25×300kg=75kg
車削總合力P=(Px2+Py2+Pz2)½=331.7kg
相應(yīng)的抗彎強度值為：sbb=3PL/2h2b=31.63N/mm2(測試中P=331.7kgf，試樣跨度L=80mm，高度h=24.8mm，寬度b=19.8mm)。
根據(jù)公式計算數(shù)據(jù)，考慮切削過程中的各種特殊情況，在制定生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)時，把強度值定為≥1050N/mm2。而我們生產(chǎn)的鐵基粉末冶金刀桿的強度值經(jīng)實測為1102～1190N/mm2。由此可見，粉末冶金工藝制造的刀桿具有足夠的安全系數(shù)和可靠的承受力。
三、結(jié)語 采用粉末冶金工藝生產(chǎn)車刀桿，同傳統(tǒng)的鍛造和精密鑄造工藝生產(chǎn)車刀桿相比，具有廣闊的發(fā)展前景和較好的經(jīng)濟(jì)效益，其優(yōu)點如下：
由 于全部采用模具壓制成型，產(chǎn)品的外形尺寸和幾何角度基本一致。只要模具制造精度高，生產(chǎn)工藝控制嚴(yán)格，許多型面和角度可免去機械加工工序，充分發(fā)揮粉末冶 金產(chǎn)品少切削或無切削的優(yōu)越性，適合于大批量生產(chǎn)。與用優(yōu)質(zhì)鋼材加工刀桿相比，可節(jié)約材料30%，降低加工成本60%，提高工效三倍；粉末冶金刀桿的主要 原材料是氧化鐵鱗，從而可節(jié)約大量的優(yōu)質(zhì)鋼材；粉末冶金刀桿彈性變形小，抗振性能強，在切削過程中，有利于降低工件表面粗糙度，提高產(chǎn)品的精度和質(zhì)量；在 熱處理過程中，刀桿變形極小，有利于保證刀桿加工后的幾何精度。
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