粉末冶金模压制成型中硬质合金模体非断裂失效研究

　　摘要：通过对硬质合金模体宏观失效形貌和微观失效机制进行分析，并结合压制成型工艺分析了影响硬质合金模体非断裂失效的因素。研究结果表明：粉末冶金模压制成型中硬质合金模体非断裂失效形式为模体成型区磨损;非断裂失效机制为磨料磨损和接触疲劳磨损;除模体材料、压坯形状和粉末性能外，单位压制压力是硬质合金模体非断裂失效的主要影响因素。

　　关键词：粉末冶金,压制成型,硬质合金,磨损机制,压坯形状

　　0引言

　　粉末冶金模压制成型中硬质合金模具对粉末冶金产品成型质量具有重要的影响[1]，粉末冶金模一般包括模体和上、下模冲等组件。随着市场对粉末冶金产品质量要求的提高，压制成型中硬质合金模具的质量要求也不断提高。近年来，由于模具制造水平和工艺技术的发展进步，模具制造质量不断提高，但模具在使用中常会因模具组件裂纹、磨损、塑性变形等原因不能生产合格产品，导致模具失效[2]。一般模具失效形式为：断裂、磨损和塑性变形三大类。

　　当模具组件出现大裂纹或分离为两部分或数部分如开裂、碎裂、崩刃、掉块和剥落等而丧失服役能力的失效形式称为断裂失效[3,4]。模具各组件之间或组件与粉末冶金产品之间接触并产生相对运动，因而使模具组件的接触表面发生损耗，尺寸发生变化的失效形式称为磨损失效[5]。当模具组件某部位所受的应力超过了当时温度下材料的屈服极限，导致晶格滑移、孪晶、晶界滑移等方式发生塑性变形的失效称为塑性变形失效[6]。

　　模具组件的磨损和塑性变形失效方式属于非断裂失效。模具组件中模体对粉末冶金产品质量的影响最重要且其生产成本最高，因此现主要对压制成型中模体非断裂失效及其影响因素进行研究。压制成型中模体材料应具有高耐磨性、高强度以及高的抗疲劳性能，硬质合金因具有这些性能常用来制作粉末冶金模。含Co量11%的硬质合金YG11为常见模体的材料。

　　1硬质合金模体非断裂失效形式

　　为了提高粉末冶金产品质量，防止粉末冶金产品压坯密度不均匀导致的变形，压制成型工艺一般采用双向压制。双向压制成型工艺即上、下模冲均给粉末施加压制力F1和F2，达到粉末成型的目的。对压制成型一定数量粉末冶金产品的硬质合金模体型腔进行宏观形貌观察，发现其失效部位主要是硬质合金模体的成型区。

　　硬质合金模体的成型区发生了尺寸和形貌变化。在粉末冶金双向压制成型过程中，为了将松散的粉末压制成具有一定形状和密度的压坯，上模冲和下模冲对粉末施加的压力会随着压坯密度的增大而增大;上、下模冲到达压制成型位置时压坯密度达到粉末冶金产品成型的标准密度，此时上、下模冲对压坯施加的压力最大;随后进入脱模阶段，上、下模冲对压坯施加的压力逐渐减小。

　　因此在压制成型位置时压坯被施加的压力最大，硬质合金模体失效部位为成型区。塑性变形和磨损均能使材料尺寸和形状发生改变，但两者产生原因不同：塑性变形是材料在外力作用下发生尺寸或形状的变化;磨损是材料的表层损耗，使零件发生尺寸变化。

　　塑性变形会使材料的微观晶粒形貌发生变化，其方式有晶体的滑移和孪生;磨损会使微观晶粒断裂从而脱落。碳化钨晶粒受应力作用产生裂纹而破碎，并从模体上脱落形成凹坑，说明模体没有发生塑性变形，模体因碳化钨晶粒断裂破碎脱落而失效，可以推断硬质合金模体的非断裂失效形式为磨损。

　　2硬质合金模体非断裂失效机制

　　硬质合金模体非断裂失效是磨损造成，为了研究模体失效的影响因素，先研究磨损过程中材料是如何发生损伤并从表面脱落即模体的磨损机制。磨损失效机制有五大类：粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、微动磨损、表面疲劳磨损(接触疲劳磨损)。

　　从压制成型工艺过程分析硬质合金模体失效机制，发现硬质合金模体失效部位主要是与粉末接触并且是长期反复作用的模壁。粉末成型过程中，硬质的粉末颗粒与硬质合金模体接触并产生相对运动，摩擦使模体形貌和尺寸发生变化，这符合磨料磨损即硬的磨粒或凸出物对材料表面摩擦，使材料表面发生损耗的现象，因此磨料磨损是硬质合金模体磨损失效机制之一。

　　硬质合金YG11的主要成分是WC和Co，WC[7]具有2410MPa的高抗压强度，在较高单位压制压力作用下WC晶粒不会发生塑性变形，更不会发生断裂。但是WC晶粒在长期反复的表面接触压应力下形成裂纹导致晶粒破碎。

　　Co在常温下的抗压强度为1220MPa，在高的单位压制压力作用下也不会发生塑性变形，但是在长期的表面接触压应力作用下发生塑性变形，再加上磨料反复摩擦模壁，附带WC破碎晶粒一起从模体上脱落，WC晶粒从模体上脱落形成了深色的小凹坑，这符合接触疲劳磨损即材料在表面接触压应力长期反复作用下所引起的表面疲劳现象，其损坏形式是在接触表面出现许多深浅不同的针状、痘状凹坑或较大面积的表面压破，因此接触疲劳磨损是硬质合金模体磨损失效机制之一。综上所述硬质合金模体非断裂失效由磨损造成，其磨损机制为磨料磨损和接触疲劳磨损。

　　3模体非断裂失效影响因素

　　硬质合金模体的非断裂失效机制为磨料磨损和接触疲劳磨损。根据资料记载，，根据该模型在接触压力P的作用下，单颗硬磨料(假设为圆锥体)压入较软的材料中，θ为凸出部分圆锥面与软材料平面的夹角，当磨料与金属表面相对滑动L距离后，软材料被犁出一条沟槽。

　　4结束语

　　通过对硬质合金模体宏观失效形貌和微观失效机制进行研究分析，并结合压制成型工艺分析影响硬质合金模体非断裂失效的因素。研究分析结果表明：(1)粉末冶金模压制成型中硬质合金模体非断裂失效形式为模体成型区磨损。(2)粉末冶金模压制成型中硬质合金模体非断裂失效机制为磨料磨损和接触疲劳磨损。(3)在模体材料、压坯形状和粉末性能确定的情况下，单位压制压力是硬质合金模体非断裂失效的主要影响因素。

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