摘 要：介绍了金属粉末成型工艺原理和粉末高速钢喷射成型技术的工艺过程、组织结构、工艺特点及其在新产品开发、工具、模具制造中的应用。
关键词：粉末高速钢, 喷射成型, 刀具, 模具
linianForming Technology of Pow der HSS by Spraying and Its Applications
Liu Chunlin
A bstract:The principle of metal powder forming technology,the technological process,organic feature and technological fea-tures about the forming technique of powder high speed steel by spraying are discussed.The applications of forming technique in products development,tools and dies manufacturing are also introduced.
Keywords:powder high speed steel, formin g by spraying, cutting tool, die
1 引言
近年来，工业发达国家大量采用粉末高速钢制造复杂刀具(特别是齿轮刀具和立铣刀)，使刀具工作寿命成倍提高。我国目前也已研制出多种牌号的粉末高速钢，并逐步在各个领域推广应用。
金属粉末压制成型工艺是先在金属粉末中加入一定量的粘结剂，然后将所得混合粉末放入模具内，在高温、高压下直接压制成型。金属粉末注射成型工艺的原理与塑料注射成型原理类似，其工艺设备条件也基本相同。在注射成型过程中，粉末在注塑机料筒内被加热成具有流变性的塑性物料，并在适当的注射压力下注入模具中，使之成型为工件毛坯。上述两种成型工艺的最后一道工序都是经脱脂、烧结、后处理得到成品。然而，这两种成型工艺都存在工序多、生产周期长、设备投资大、生产成本高等不足。而采用金属粉末喷射成型工艺制造的粉末高速钢工件不但在组织结构及性能上优于上述两种成型工艺(组织密度更高、组织结构更均匀)，而且由于简化了后序加工，缩短了生产周期，因此设备投资更少，生产成本更低。
2 金属粉末喷射成型工艺原理
金属粉末的喷射成型首先需将粉末加热成熔融的金属液，然后通过喷咀进行气体雾化，即用速度很高的惰性气体射流冲击金属液流，使之分散、雾化为金属液滴。由于表面张力的作用，液滴有形成光滑球形颗粒的趋势。在气体射流的作用下，液滴加速飞行并迅速冷却。当高速飞行的液滴在沉积器(或模具)内碰撞时，球形颗粒受冲击作用而变为扁平状，形成溅射片，通过沉积器(或模具)的冷却作用，沉积物中
将产生合适的温度梯度，颗粒将迅速达到凝固状态。液滴连续溅落，顺序凝固，并且在自熔性作用下聚积成形，最终得到所需尺寸和形状的刀具或模具。
金属粉末喷射成型工艺流程为：金属液雾化※液滴高速飞行※液滴与沉积器(或模具)碰撞变形及凝固成形。
3 金属粉末喷射成型的组织结构与工艺特点
(1)组织结构
喷射成型金属的组织结构具有以下特点:①组织密度高。由于喷射金属液滴依次溅落并冲击变形，顺序自熔和凝固，易于充分充填并封闭孔隙，因此材料组织孔洞很少且细小。②材料组织孔洞之间互不贯通，相对密度可高达95%～98%，高于普通粉末冶金件的密度指标。③晶粒细小均匀。由于雾化液滴直径的分布尺寸约为100μm，散热表面积大，冷却极快，因此可形成细小均匀的晶粒组织。④金属液滴与沉积器碰撞后加速凝固、沉积，最终形成微晶组织，保留了粉末高速钢的优良性能。⑤与传统压制成型工艺相比，材料微观组织更均匀，密度更高，性能更佳。
(2)工艺特点
用金属粉末喷射成型工艺制作工件的工艺流程简单，生产周期短，可直接从制粉厂购进金属粉末，省去
了配料、混粉、压制及烧结等工序。喷射成型后的制件(刀具、模具等)组织密度高，硬度在50HRC 以上，如再加以涂层处理，其效果更佳。该工艺还省
24工具技术
去了热处理工序和部分机械加工，且所需工艺装备少，投资省，能耗低，从而可大大降低生产成本。 4 金属粉末喷射成型技术的应用
(1)用于新产品开发
在新产品开发中，金属粉末喷射成型工艺除可用作模具的快速喷射成型外，还可用于制作新产品的计算机三维动态成型模型，从而使设计者可以充分表达设计构思，检验设计质量，进行功能检测和模拟装配试验，及时发现和弥补设计中的缺陷和不足。
(2)用于刀具制造
采用金属粉末喷射成型工艺制造刀具时，需先按照所需刀具形状尺寸制作模型，然后将模型放入沉积器中进行喷射成型。试验结果表明，粉末高速钢喷射成型刀具的寿命是普通高速钢刀具的2～5倍。如用 16mm 钻头钻削调质铬锰钢(330HB )时，用M2钢制造的钻头只能加工25件，而用粉末高速钢制造的钻头可加工80件。在加工硬度为250HB 的铸铁时，粉末高速钢钻头的耐用度是M2钢钻头的2～3倍。用粉
末高速钢制造的齿轮刀具和立铣刀的工作寿命也可成倍提高。
(3)用于模具制造
在模具制造中，凸模一般采用常规工艺制作，而凹模则可采用金属粉末喷射成型。喷射成型模具的结构取决于冲压件的几何形状，尤其适用于冲裁形状复杂的中小型精密零部件，所以喷射成型的模具外形尺寸不宜过大，只要具有足够强度即可。模具喷射成型原理是将制作的产品样件作为母体样板，通过将金属粉末熔滴喷射到母体样板上沉积成型制成模具。工艺方法如下：将熔融的粉末高速钢或其它合金压入喷咀喷出，与高速流动的惰性气体相遇后形成雾化熔滴，喷射并沉积到沉积器中的母体样板上，复制出母体样板的结构形状，再借助脱模剂使沉积形成的钢制模具与母体样板分离(或采用其它方法与母体样板分开)，即可制成所需模具。
喷射成型模具的制作工艺流程(见图)如下:
①从制作好的凸模上切下与凹模高度H 相一致的母体样板(或用粘结剂将石墨板制成的母体样板固定在凸模上，进行研磨);②将母体样板放在石墨板上并在周围安上事先制作好的加固环，一同放入沉积器中;
③在母体样板与加固环之间喷射已形成雾化熔滴的粉末高速钢，并沉积成型，形成优良耐久的致密
层;
图 模具喷射成型示意图
④用脱模剂使沉积形成的钢制模具与母体样板分离(或打坏除去石墨板制成的母体)，然后对凹模进行上下面研磨。
粉末高速钢喷射成型技术可快速制作出具有不同几何形状及尺寸的多种产品，制作的刀具、模具使用寿命均有不同程度的提高。该技术已被广泛应用于机械、汽车、电器元件、航空航天、军工等工业领域，具有广阔的发展前景。
参考文献
1 曾凡同.金属粉末注射成型工艺技术，机械工艺师,1998(2)2 李念辛.粉末喷射沉积技术.新技术新工艺,1996(6)3 刘春林.镍基合金喷镀模设计与制造.金属成型工艺,1999(2)
编辑：益 科
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2001年第35卷№3
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