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粉末冶金是通过制取金属粉末或以金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料，经过成型和烧结，制成金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。应用粉末冶金工艺可以获得具有特殊性能和一般工艺无法生产的材料和零件，而且材料利用率高，加工量少，具有可观的经济效益，并已广泛应用于机械、汽车、冶金、轻工、仪表、电器及国防等行业及领域。
我院校办厂——株洲冶金工具厂从1970年开始铁基粉末冶金制品的生产，1974年正式生产机夹可转位车刀和焊接车刀，取得了较好的经济效益。
一、铁基粉末冶金刀杆生产工艺
铁基粉末冶金刀杆属于Fe-Cu-C系列材料，主要原材料是钢厂轧材后留下的氧化铁鳞。整个生产过程主要分为制粉、成型和机械加工三个主要阶段。
1. 制粉
1. 水洗 将铁鳞置于水中清洗，一般在搅拌槽或清洗槽中进行，目的是去除可溶于水中或浮于水上的杂物；
2. 干燥 把水洗后的铁鳞放在干燥炉或干燥箱中，加温到500～800℃，去除铁鳞中的水份和可燃杂质，促使铁鳞进一步氧化，增强铁鳞的磁性，以提高磁选效果；
3. 磁选 利用氧化铁鳞具有磁性的特点，通过多级磁选，进一步去除杂质，提高铁鳞的含铁量；
4. 球磨过筛 此工序可使铁鳞粒度细化，为下一道还原工序增加铁鳞与还原剂(CO或H2)的接触表面积，改善还原气体在铁鳞内部的扩散速度。铁鳞的颗粒度控制在40～60目之间为宜；
5. 还原 此工序的目的是把细颗粒的Fe3O4或Fe2O3中的氧分子去掉，从而产生海绵状的铁粉。目前我国制粉生产中常用的还原剂有木炭、焦炭和无烟煤，它们的理化性能和使用效果见下表。
表 常用还原剂的理化性能及使用效果 还原剂 水份
% 挥发物
% 灰份
% 固定碳
% 硫
% 气孔率
% 还原工艺参数
温度(℃) 时间(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
无烟煤 3～5 1～5 4.5～8 85～90.5 0.5～1.5 2～4 1100 50
由表可见，木炭的还原能力最强，焦炭次之无，无烟煤最差。因为木炭有最大的气孔率，参加气化反应的面积最大，活性也最大。另外，木炭中挥发物含量较高，其主要成分是H2和各种碳硅化合物，而H2是固碳还原过程中最好的触媒剂。因此，用木炭作还原剂生产的铁粉质量最好，但成本较高，且木炭资源有限。
当还原温度高于570℃时，固体碳还原氧化物的过程分三个阶段：Fe2O3—→Fe3O4—→浮斯体(Fe·Fe3O4)—→Fe，其化学反应式为
3Fe2O3+CO= 2Fe3O4+CO2，DH298=-15050卡
Fe3O4+CO=3FeO+CO2，DH298=5030卡
FeO+CO=Fe+CO2，DH298=-3150卡
2. 成型
1. 压制刀杆毛坯 对还原后的海绵状铁切片进行球磨，制成不同粒度的铁粉，根据刀杆材质的要求，适量加入某些金属和非金属，混合均匀形成以铁粉为基体的金属混合料。然后将混合料置于压模中加压，生产出刀杆毛坯。要求毛坯的压制密度为6.8～6.9g/cm3；毛坯不能出现分层、裂纹和掉边角等现象。
2. 烧结 刀杆烧结过程比较复杂，对产品性能起着关键作用。在烧结过程中将产生气体脱附、润滑剂挥发、回复再结晶、奥氏体形成、聚集再结晶、粒粘结、合金化、部分金属或合金熔化、孔隙集中和消除等现象，刀杆烧结后冷却时又会产生奥氏体分解为珠光体、石墨析出、渗碳体分解和液相重结晶等过程。烧结后的刀杆的密度为6.9～7.5g/cm3，硬度大于150HB。
3. 机械加工及热处理
1. 机械加工 对烧结后的刀杆毛坯进行适当的机械加工。主要工序有：铣削、钻削、攻丝、钳修等，从而保证刀杆的外观尺寸和配合精度。
2. 热处理 刀杆的硬度和强度对于保证刀杆使用性能有着重要影响。为保证刀杆的强度和硬度，在热处理过程中，必须采用特定的加热时间和温度。热处理后刀杆的硬度为38～42HRC，抗弯强度为1102～1190N/mm2。
3. 表面氧化处理 一般采用低温碱性发黑，即将刀杆在一定浓度的碱和氧化剂溶液中加热、氧化，使金属表面生成一层带有磁性的Fe3O4薄膜，氧化过程为：Fe—→NaFeO2—→Na2Fe2O4—→Fe3O4，其化学反应式为
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为：①起防锈作用；②增加表面的美观及光泽；③消除淬火过程中的应力作用。
二、刀杆切削力的分析
目前制造刀杆通常采用锻造或铸造工艺，而应用粉末冶金工艺制造的刀杆能否承受切削力的冲击，下面进行分析对比。
在正常工作情况下，C620车床的车刀所承受的切削力为：
主切削力 Pz=200×t×s=200×5×0.3=300kg
当吃刀深度t=5mm，进刀量S=0.3mm/r时
径向力 Py≈0.4Pz=0.4×300kg=120kg
轴向力 Px≈0.25Pz=0.25×300kg=75kg
车削总合力 P=(Px2+Py2+Pz2)½=331.7kg
相应的抗弯强度值为：sbb=3PL/2h2b=31.63N/mm2(测试中P=331.7kgf，试样跨度L=80mm，高度h=24.8mm，宽度b=19.8mm)。
根据公式计算数据，考虑切削过程中的各种特殊情况，在制定生产标准时，把强度值定为≥1050N/mm2。而我们生产的铁基粉末冶金刀杆的强度值经实测为1102～1190N/mm2。由此可见，粉末冶金工艺制造的刀杆具有足够的安全系数和可靠的承受力。
三、结语
采用粉末冶金工艺生产车刀杆，同传统的锻造和精密铸造工艺生产车刀杆相比，具有广阔的发展前景和较好的经济效益，其优点如下：
1. 由于全部采用模具压制成型，产品的外形尺寸和几何角度基本一致。只要模具制造精度高，生产工艺控制严格，许多型面和角度可免去机械加工工序，充分发挥粉末冶金产品少切削或无切削的优越性，适合于大批量生产。与用优质钢材加工刀杆相比，可节约材料30%，降低加工成本60%，提高工效三倍；
2. 粉末冶金刀杆的主要原材料是氧化铁鳞，从而可节约大量的优质钢材；
3. 粉末冶金刀杆弹性变形小，抗振性能强，在切削过程中，有利于降低工件表面粗糙度，提高产品的精度和质量；
4. 在热处理过程中，刀杆变形极小，有利于保证刀杆加工后的几何精度。
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