电磁成形在粉末冶金的应用机械工程及自动化学院
目录一、电磁成形技术以及粉末冶金的介绍.........................................-2-1、电磁成形技术介绍.................................................................-2-2、粉末冶金技术介绍.................................................................-3-二、两种技术的发展概况.................................................................-4-1、电磁成形技术在国内外的发展情况.....................................-4-2、粉末冶金的发展情况.............................................................-5-三、电磁粉末压制基本机理.............................................................-5-1、管装粉末电磁直接压制基本原理.........................................-5-2、平面线圈放电电磁间接压制基本原理.................................-6-四、电磁成形技术在粉末冶金的应用.............................................-7-五、电磁粉末压制技术的应用前景.................................................-9-1、在汽车零件制造领域的应用.................................................-9-2、在超导材料制备的应用.......................................................-10-五、将电磁成形技术用于粉末成形的展望...................................-11-参考文献...........................................................................................-12-
【摘要】成型是粉末冶金工艺中比较重要的一环，而电磁成形工艺是一种新兴的高能率成形技术，在工业生产中应用十分广泛。本文介绍了电磁成形在在粉末冶金技术上的应用，并对当前技术的发展情况进行说明。最后提出了电磁成形在粉末冶金技术上应用存在的问题及解决办法，展望了电磁成形在此领域的应用前景。
关键词：电磁成形；粉末冶金；压制工艺；复合材料；新材料前言
在科学技术飞速发展的今天，超高硬度和强度的复合材料不断涌现，粉末冶金是制取高性能结构材料、新型金属陶瓷、特种功能材料等工作材料的主要方法。为了获得好的烧结制品，必须做到压制成型过程中密度均匀分布，但因孔隙的存在，粉末冶金制品的密度、强度等物理和力学性能很难达到冶炼材料的水平，虽然通过热压、复压等工艺手段也能改善其性能，但致密效果仍较差，且加工成本也高，于是高能率、强冲击载荷的电磁成形成为粉末冶金研究的热点之一。
粉末冶金加工工艺因具有省时、低耗等优点，其应用越来越广泛。电磁成形中的电磁压制是一种利用强脉冲电磁力作用于粉末体使其致密化的高能率成型新工艺。最初，英国曼切斯特大学理工学院把电磁成型的思想引入了粉末压制中时，Clyens、Jontmson和Al—HassaniL40是采用的直接放电压制(EDC)，即不通过线圈，储能电容组直接对粉末体放电，瞬问的电能释放，使金属粉末颗粒表面的氧化层被击穿，在金属离子之间形成金属键，同时，在电磁场的“收缩效应(pincheffect)”下，粉末体梧半径方向收缩，而使之压实。并成功加工出长的棒料、条料和其它复杂形状(如弯曲棒料)的粉末制品。
电磁成形理论研究主要包括磁场力分析和磁场力作用下工件的变形分析，以及高速率条件下材料成形性的研究等。电磁成形过程涉及电动力学、电磁学、塑性动力学、热力学以及应力波理论等多学科的内容，由于多学科交叉的复杂性及多种高度非线性，使电磁成形理论研究变得非常复杂。此电磁成形工艺是一种新兴的高能率成形技术，是利用瞬间的高压脉冲磁场迫使坯料在冲击电磁力作用下，高速成形的一种成形方法。电磁成形属于高能（高速率）成形技术，高能（高速率）成形技术种类很多，但是电磁成形排除了爆炸成形的危险性，较之电液成形更方便。
-1-一、电磁成形技术以及粉末冶金的介绍1、电磁成形技术介绍
电磁成形是国外在20世纪60年代初发展起来的一种金属板材加工新工艺。它是利用金属在强脉冲磁场中受力而产生塑性变形的一种高能率的成形方法。电磁成形的理论基础是物理学中的电磁感应定律。由定律可知变化的电场周围产生变化的磁场，而随时间变化的磁场在其周围空间激发涡旋电场，所以当有导体处于此电场中时就会产生感应电流。在电磁成形过程中，磁场力是工件成形的动力。由于金属是在脉冲磁场中受力变形的，故也称为磁脉冲成形。
图1电磁成形原理图
电磁成形原理如图1所示。当高压开关闭合后，储能电容器对加工线圈放电，在加工线圈中产生一个脉冲电流，并在加工线圈周围形成脉冲磁场。加工线圈产生的脉冲磁场使金属导体内部产生感应电流，感应电流形成的磁场阻止磁力线从导体中穿过，迫使磁力线集中于加工线圈和导体之间的间隙中，金属导体因而受到一个脉冲磁场力的作用。若该力足够大，超过金属导体的屈服极限，金属导体即发生变形。
电磁成形技术由于其自身的成型特点，得到了世界各国工业领域内广泛的关注和研究，并被广泛的应用到各种技术领域内，例如电磁成形、电磁冲裁、电磁铆接、电磁连接、电磁粉末压实、电磁校形和电磁装配等技术，广泛用于航空、航天、军用、民用等工业制造部门。
-2-2、粉末冶金技术介绍
粉末冶金是用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺过程。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此也叫金属陶瓷法。粉末冶金技术是一种先进的材料制备与合成技术，在超导体、纳米材料、高级磁性材料、生物工程材料、能源材料、功能材料等领域已获得广泛的应用。
图2粉末冶金材料和制品生产工艺流程
如图2，粉末冶金生产工艺由三大步骤组成：粉末生产→粉末成型→成形坯烧结，粉末冶金方法能生产具有特殊性能的结构材料、功能材料和复合材料。粉末冶金方法能生产用普通熔炼法无法生产的具有特殊性能的材料：能控制制品的孔隙度，例如，可生产各种多孔材料、多孔含油轴承等；能利用金属和金属、金属和非金属的组合效果，生产各种特殊性能的材料，例如，铜假合金型的电触头材料、金属和非金属组成的摩擦材料等；能生产各种复合材料，如，由难熔化合物和金属组成的硬质合金和金属陶瓷、弥散强化复合材料、纤维强化复合材料等。
粉末冶金方法生产的某些材料，与普通熔炼法相比，性能优越：高合金粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的好，例如，粉末高速钢、粉末超合金可避免成分的偏析，保证合金具有均匀的组织和稳定的性能，同时，这种合金具有细晶粒组织使热加工性大为改善；生产难熔金属材料或制品，一般要依靠粉末冶金法，例
-3-如，钨、钼等难熔金属，即使用熔炼法能制造，但比粉末冶金的制品的晶粒要粗，纯度要低。
同时，粉末冶金法制造机械零件是一种少切屑、无切屑的新工艺，可以大量减少机加工量，节约金属材料，提高劳动生产率。
总之，粉末冶金法既是一种能生产具有特殊性能材料的技术，又是一种制造廉价优质机械零件的工艺。随着粉末冶金新技术、新工艺和新材料的涌现，使得一批具有高性能的粉末冶金新材料相继出现，也带动了新型能源材料的发展。
二、两种技术的发展概况1、电磁成形技术在国内外的发展情况
电磁成形技术的研究始于20世纪60年代的美国。20世纪20年代，物理学家Kaptilap在脉冲磁场中做实验时发现，形成脉冲磁场的金属线圈易胀大、胀破，这一现象启发了人们对电磁成形原理的思考。1958年，美国通用电力公司在日内瓦举行的第二次国际和平原子能会议上，展出了世界上第一台电磁成形机。1962年，美国的Brower和Harrey发明了用于工业生产的电磁成形机。从此电磁成形引起各工业国的广泛关注和高度重视，电磁成形技术的研究取得了不少的应用成果，其中美国和前苏联在此领域处于领先地位。70年代初，前苏联专家研究了放电过程中毛坯变形对加工线圈和毛坯系统放电回路参数的影响，指出RLC回路只有在小变形时才能近似应用；对电磁成形和静力成形两种条件下压筋和成形半球时毛坯的极限变形程度进行了比较，指出铝合金、黄铜等电磁成形时的极限变形程度均高于静力成形时的极限变形程度，认为材料塑性提高是由于脉冲变形时变形分布更加均匀、材料强化降低等原因造成的；并于1979年研究了平板线圈的磁场分布，指出其分布的不均匀性(中心较弱，线圈1/2半径处最强)是导致毛坯中心出现冲压不足现象的主要原因。20世纪60年代中期，出现了储能为50kJ、200kJ和400kJ的电磁成形机。20世纪70年代中期已有400多台电磁成形机运行于各种生产线上。到了20世纪80年代中期电磁成形已在美国和前苏联、日本等国家得到广泛应用。1994年MakotoMarata又研究了采用电极直接接触进行管料电磁胀形的方法，通过实验分析，研究了工作条件对电流和管料变形的影响，应用有限元法对其胀形过程进行了弹塑性分析。
我国电磁成形技术的研究始于20世纪60年代，文革时期中断。20世纪70年代
-4-末期，哈尔滨工业大学开始研究电磁成形的基本理论和工艺，并在实验装置的基础上，于1986年成功研制出我国首台生产用电磁成形机。目前国内有多所高等院校和研究所开展了电磁成形技术的研究，并使之应用于实际生产。
2、粉末冶金的发展情况
国内外早前使用挤压成形技术来使粉末体成形，主要有两种方法：第一种，不加粘结剂，对粉末体直接进行挤压；第二种，将金属或合金、化合物的粉末与粘结剂混合均匀，然后再对混合料挤压。不加粘结剂的粉末挤压被广泛应用于弥散强化复合材料、铁合金、硬质合金、快速凝固粉末复合材料等制品的生产中。德国柏林工业大学的J.格罗施等人研究了纯铝粉末的直接冷挤压[2]，当挤压比达到8.35时，可以通过冷挤压直接用铝粉末制取铝材而无需烧结，其抗拉强度可以达到258Mpa，退火后也可达140Mpa左右，远远高于铝锭挤压线材的性能。
为了更进一步为物料挤压创造优良的流动条件，并做到在低温下挤压，粉末挤压领域内不断开发出挤压成形新技术。以粘结剂和粉体均匀混合物喂料为挤压对象的低温挤压成形工艺（即粉浆挤压技术）已得到了充分的发展。文献［3］评述了含粘结剂的铜、钨、硬质合金、难熔金属化合物的挤压行为。粉浆挤压的工艺重点在粘结剂的构成上，目前国内一般使用的是石蜡、甲基纤维素两个体系为主的粘结剂。例如，谢建新等人用水溶性甲基纤维素和水为粘结剂，研究了二氧化锆与不锈钢混合粉末的挤压成形特性［4］；屈树岭等人用石蜡为粘结剂研究了W-Ni-Fe合金粉末的挤压成形工艺［5］。
三、电磁粉末压制基本机理1、管装粉末电磁直接压制基本原理
C一储能电容组；K一放电开关；L一螺旋线圈
图3管装粉末电磁压制原理
-5-如图3所示，当高压放电开关K闭合，储能电容组C对螺线管工作线圈放电，冲击电流i(A)在线圈周围形成一强脉冲磁场B(Wb／m2)，由于穿过金属管的磁通量发生急剧变化，金属管和粉末体内会产生感应电流J(电流密度，A／m2)，方向与线圈电流方向相反；同样，感应电流J形成磁场B’(Wb／m2)，其反向磁通阻止初始磁通穿过金属管，迫使磁感应线密集在线圈和金属管的间隙内。即BZ、BZ在线圈和金属管之问方向相同而得到加强，其它地方相互抵消。线圈及金属管合成磁场的轴向分量(BZ+BZ)作用于感应电流J，使金属管受到沿半径向内的冲击压力Pr(MPa)，而合成磁场的径向分量(BR+BR，)则产生轴向电磁力PZ(MPa)．管件质点在脉冲力PZ、PR的作用下瞬间获得高速，以惯性力冲击粉末体，完成最后粉末压实。在此过程中，如果磁场渗透过金属管，就会在粉末体内也激发出电动势，击穿粉末颗粒之间的氧化物使粉末体内也产生电流，一方面，电流的热效应和击穿氧化物所产生的热量使粉末颗粒局部融化，起到了烧结的作用；另一方面，粉末体内的电流也会使之受到电磁力的作用而使粉末压实。用这种方法压制时，由于趋肤效应，磁场较难渗透到粉末体内，所以中心部分可能压制不足，故适于加工外形复杂或中空的零件，如各种齿轮、齿环、轮毂等。
2、平面线圈放电电磁间接压制基本原理
图4
1-座套7-凹模
2-线圈8-粉末
3-驱动片9-下模板
电磁粉末压制工装图4-放大器10-螺栓
5-冲头11-导柱
6-凹模分体式嵌套12-上模板
13-螺母
间接压制简单工装图如图4，当放电回路开关闭合时，平板线圈中通过瞬间电流，与驱动片作用产生很大的电磁压力，经过放大器4传递和放大后，作用在
-6-冲头5上，使冲头压入凹模，完成粉末压制。凹模7和套模8作成一定的锥度，凹模做成两半，便于取出粉末制品。
图5电磁间接压制基本原理
其电磁压制基本原理见图5。高压开关K闭合时，储能电容对工作线圈放电并在其周围产生一脉冲磁场，该磁场的轴向分量毋因穿过驱动片平面而产生感应涡流，感应涡流产生的磁感应强度为B’。放电瞬间，在驱动片内部B与B’方向相反而相互削弱；线圈与驱动片之问则方向相同而得到加强。
四、电磁成形技术在粉末冶金的应用图6粉末压制的基本原理
粉末电磁压制是一种利用强脉冲电磁力作用于粉末体使其致密化的高能率成形新工艺，其基本原理如图6所示。金属粉末填充在一强磁场线圈中心的导体容器内，该导体容器同时也起驱动器的作用，当线圈充入强脉冲电流时，在线圈中心会产生一个强磁场，同时在驱动器上也会产生感应电流，在感应电流和磁场的相互作用下产生的电磁力压缩容器，进而压缩粉末，金属粉末在几微秒的压缩
-7-周期内获得很大的动能，在瞬时的压缩动能作用下金属粉末被压缩致密，而整个压缩过程不超过1us。
在此过程中，如果磁场渗透过金属管，就会在粉末体内也激发出电动势，击穿粉末颗粒之间的氧化物，使粉末体内也产生电流。一方面，电流的热效应和击穿氧化物所产生的热量使粉末颗粒局部融化，起到了烧结的作用；另一方面，粉末体内的电流也会使之受到电磁力的作用而使粉末压实。但用这种方法压制时，由于趋肤效应，磁场较难渗透到粉末体内，所以中心部分可能压制不足，故适于加工外形复杂或中空的零件，如各种齿轮、齿环、轮毂等，成形制品如图7所示。
图7电磁粉末压制产品
粉末冶金是制取各种高性能结构材料、功能材料的有效途径，研究开发高密度、高性能、近终成形粉末制品的集成化技术，是推动粉末材料应用与发展的关键。用强冲击压制粉末材料是获取高密度粉末冶金制品的有效方法，20世纪50年代，各国研究人员竞相研究爆炸成形，对于提高超硬粉末压制密度起了很大作用，但由于爆炸成形工艺重复性差，自动化程度低，限制了其应用。电磁压制成形也是高能率成形方法，且在成形能量与速度控制方面优于爆炸成形。1976年，Clyeds等率先将电磁成形的思想引入粉末材料压制，用放电压制法压制出棒料、条料及形状更为复杂的制件，通过筛选粉末粒度，还能成功地制造出具有尖角的棒料和条料。此后Williams.J.D还尝试过将难熔材料与低熔点金属混合压制以获得高密度的制品，随后各国学者也做过一些跟踪研究。
-8-五、电磁粉末压制技术的应用前景1、在汽车零件制造领域的应用
图8EA888发动机图9变速箱
在汽车制造领域，对近终成形零部件有很大的需求。在许多汽车零部件中，如高性能的传动齿轮等都是用铸造和精密锻造工艺加工而成，其制造费用大大高于其他冲压零件和粉末冶金制件。粉末冶金是制取各种高性能结构材料、功能材料的有效途径，研究开发高密度、高性能、近终成形粉末制品的集成化技术是推动粉末材料应用与发展的关键。用强冲击力压制粉末材料是获取高密度粉末制品的有效方法。
粉末材料在电磁压制后经过常压烧结，即可获得较高的力学性能，如4405钢经电磁压制，烧结后硬度可达到50HRC。其断裂强度、延展性、硬度等机械性能都比普通压制烧结后的高，几乎能与可锻铸铁相比较。
电磁压制工艺很适合于压制圆柱类的对称几何形状、且具有一定性能要求的粉末近终制品。其中典型应用就是压制汽车传动环形齿轮，相比传统的铸造或机加工方法，它具有节省材料、减少加工费用、提高零件性能的优点。由于压实后具有高密度，因此，烧结后收缩率小，能够减小尺寸误差。
电磁压制的其他应用还有压制具有大的长径比和密度要求高的电子点火系统的点火装置，另外发动机转子和定子通过电磁压制也可获得较高密度和机械性能，并能节约材料。
据资料介绍：发达国家汽车制造业粉末冶金制品的用量占其粉末冶金制品总
-9-产量的绝大多数，如美国占90%，欧洲为80%，而我国目前尚不足40%。欧洲平均每辆汽车的粉末冶金制品使用量是14kg，日本为16kg，美国已达到19.5kg以上，预计未来可能达到22kg。而我国目前平均每辆汽车粉末冶金制品的用量却只有4kg多点（按2010乘用车产量1826万辆计算为4.15kg/辆）。
2、在超导材料制备的应用
超导性是1911年在氦汽液化成为可能后的超低温实验中发现的。目前已发现多种超导材料。超导体可使电流处于无电阻流动。将在电能及电磁工艺领域带来很好的应用前景。已在医学上的磁性共振成像（MRI）、生物及化学上的核磁共振光谱（NMR）、核融解动力工艺和基础高能物理粒子加速器的磁体上得到应用。高温超导材料制品的成形工艺多为模压法，而得到的制品含有大量气孔，制品的磁化率低，制造周期长。如何制成具有低孔隙度的高温超导制品，并保证其具有良好的机械性能和相当高的磁化率，是超导研究中一个很重要的问题。
1-塑料片4-YbC0粉末
2-银粉5-钢栓
3-银管（ф12／10mm）6-开关
7-螺线管
图10电磁压制超导粉末示意图
A.G.Mamalis将电磁成形技术应用于超导材料的成形过程。他将超导氧化物Yba2Cu307粉末置于银管和钢制心轴之间（图10），外置螺线管线圈进行电磁压
-10-制。在此过程中，银管和银粉都相当于传力工具，因为陶瓷粉末本身不导电。使用电磁成形设备压制得到接近理论密度82%的超导块体，同时也使其内部显微结构发生变化，新增的晶界会增加电流的传输，从而提高临界电流密度。这些超导块体可以用于同步电机、浮力齿轮、调速齿轮、限流器等。
五、将电磁成形技术用于粉末成形的展望综上所述，粉末冶金加工工艺因具有省时、低耗等优点，其应用越来越广泛。但因孔隙的存在，粉末冶金制品的密度、强度等物理和力学性能很难达到冶炼材料的水平，虽然通过热压、复压等工艺手段也能改善其性能，但致密效果仍较差，且加工成本也高。通过将电磁成形技术用于粉末材料成形能够很好的解决这个疑难，因此，这项技术有着广阔的应用前景。
电磁粉末压制用于粉末冶金是一种探索，它可使粉末成型设备向小型化、低成本化方向转变、且其易控制、操作安全的优点将使其在成型高密度、高性能近净成型零件的集成化生产上得到大力发展。1995年美国即开始研究一种称为“动态磁力压制”的新的粉末压制技术，该技术采用脉冲调制电磁场施加的压力来固结粉末。如果这一工艺能成功地用于工业生产，那将是低成本制造高密度粉末冶金零件的新途径。可以预见，电磁成形作为一种特点鲜明的加工技术，将会得到越来越广泛的应用。将该技术应用于粉末制品的成形对制品的性能提高有很大好处。
-11-参考文献
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Word版本恕不给
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