熱處理四把火---金屬注射成型

金屬熱處理有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝，俗稱“四把火”。

一、第1把火——退火：

1、退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時(shí)間，然后進(jìn)行緩慢冷卻，目的是使金屬內(nèi)部組織達(dá)到 平衡狀態(tài)，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進(jìn)一步淬火作組織準(zhǔn)備。

2、退火的目的：

①改善或消除鋼鐵在鑄造、鍛壓、軋制和焊接過程中所造成的各種組織缺陷以及殘余應(yīng)力，防止工件變形、開裂。

②軟化工件以便進(jìn)行切削加工。

③細(xì)化晶粒，改善組織以提高工件的機(jī)械性能。

④為最終熱處理(淬火、回火)作好組織準(zhǔn)備。

二、第二把火——正火：

1、正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效 果同退火相似，只是得到的組織更細(xì)，常用于改善材料的切削性能，也有時(shí)用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。

2、正火的目的：

①可以消除鑄、鍛、焊件的過熱粗晶組織和魏氏組織，軋材中的帶狀組織;細(xì)化晶粒;并可作為淬火前的預(yù)先熱處理。

②可以消除網(wǎng)狀二次滲碳體，并使珠光體細(xì)化，不但改善機(jī)械性能，而且有利于以后的球化退火。

③可以消除晶界的游離滲碳體，以改善其深沖性能。

三、金屬熱處理的第三把火——淬火：

1、淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其它無機(jī)鹽、有機(jī)水 溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時(shí)變脆。

2、淬火的目的：

①、提高金屬成材或零件的機(jī)械性能。例如:提高工具、軸承等的硬度和耐磨性，提高彈簧的彈性極限，提高軸類零件的綜合機(jī)械性能等。

②、改善某些特殊鋼的材料性能或化學(xué)性能。如提高不銹鋼的耐蝕性，增加磁鋼的永磁性等。

四、金屬熱處理的第四把火——回火：

1、回火為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于 710℃的某一適當(dāng)溫度進(jìn)行長時(shí)間的保溫，再進(jìn)行冷卻，這種工藝稱為回火。

2、回火的目的：

①、減少內(nèi)應(yīng)力和降低脆性，淬火件存在著很大的應(yīng)力和脆性，如沒有及時(shí)回火往往會(huì)產(chǎn)生變形甚至開裂。

②、調(diào)整工件的機(jī)械性能，工件淬火后，硬度高，脆性大，為了滿足各種工件不同的性能要求，可以通過回火來調(diào)整，硬度，強(qiáng)度，塑性和韌性。

③、穩(wěn)定工件尺寸。通過回火可使金相組織趨十穩(wěn)定，以保證在以后的使用過程中不再發(fā)生變形。

④、改善某些合金鋼的切削性能。

荷蘭公司用金屬3D打印制造超級(jí)摩托車電機(jī)冷卻

荷蘭超級(jí)摩托車制造商Electric Superbike Twente與金屬3D打印公司K3D合作，為其電動(dòng)自行車的電機(jī)生產(chǎn)新的冷卻外殼。有趣的是，MIM卻影響了大行業(yè)，卡托曾經(jīng)于2012~2016采用MIM來制作的”爆品”零件，那是影響了數(shù)十億用戶啊。這是Electric Superbike Twente使用的一款3D打印金屬組件，在此前的產(chǎn)品開發(fā)中，他們意識(shí)到使用傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的電機(jī)冷卻外殼并不適合高性能摩托車，因此雙方在設(shè)計(jì)第二輛電動(dòng)摩托車后不久就開始合作。

傳統(tǒng)制造的局限性

超級(jí)摩托車團(tuán)隊(duì)的技術(shù)經(jīng)理Feitse Krekt 評論說：“首輛超級(jí)摩托車的冷卻外殼由多個(gè)部件組成，這些部件使用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法，如車削和銑削，很難生產(chǎn)。技術(shù)難點(diǎn)及改善關(guān)鍵點(diǎn)：陽極氧化的良率水平關(guān)系到最終產(chǎn)品的成本，提升氧化良率的重點(diǎn)在于適合的氧化劑用量、適合的溫度及電流密度，這需要結(jié)構(gòu)件廠商在生產(chǎn)過程中不斷探索，尋求突破。對于這些生產(chǎn)方法，需要大量的材料，因此最終產(chǎn)品變得非常沉重。而且另外一個(gè)問題是，由于車削過程，壁厚需要高于常規(guī)，我們無法盡可能高效地冷卻電動(dòng)機(jī)。所以，電機(jī)的功率低于預(yù)期，有時(shí)需要放慢速度以使電動(dòng)機(jī)不會(huì)過熱?！?

因此，超級(jí)摩托車決定聯(lián)系K3D，K3D是荷蘭一家從Additive Industries購買了metalFab1 金屬3D打印機(jī)的公司，自2016年以來已生產(chǎn)超過35,000種產(chǎn)品。

△用于生產(chǎn)冷卻外殼的metalFab1 3D金屬打印機(jī)

K3D的首席技術(shù)官Jaap Bulsink解釋說，使用K3D生產(chǎn)的部件使他們能夠享受傳統(tǒng)制造技術(shù)無法提供的設(shè)計(jì)自由，“由于采用薄壁設(shè)計(jì)，內(nèi)部通道具有zui佳的冷卻性能，只有金屬3D打印才能實(shí)現(xiàn)極佳設(shè)計(jì)自由度。發(fā)黑時(shí)所需溫度的寬容度較大，大概在135攝氏度到155攝氏度之間都可以得到不錯(cuò)的表面，只是所需時(shí)間有些長短而已。重要的是，該部件的設(shè)計(jì)重量最輕。該部件打印非常準(zhǔn)確，無需任何后處理即可直接使用?！?

這不是3D打印初次用于制造電動(dòng)摩托車。下面我們就一起來了解一下：一、保護(hù)氣氛：保護(hù)氣氛分為還原性氣氛和中性氣氛，還原性氣氛又分為氫氣和分解氨。總部位于德國的BigRep已經(jīng)制造出功能齊全的3D打印電動(dòng)摩托車，但該自行車僅用于設(shè)計(jì)目的，目前還不是一種可行的商業(yè)產(chǎn)品。另外，寶馬今年早些時(shí)候推出了3D打印概念車架，用于BMW S1000RR運(yùn)動(dòng)自行車。

電動(dòng)超級(jí)摩托車目前正在組裝，之后將于2019年5月24日在荷蘭恩斯赫德進(jìn)行測試并最終曝光。

粉末微注射成形技術(shù)

近年來，微系統(tǒng)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展非常迅速，同時(shí)也對應(yīng)用于微型工程中的三維微型復(fù)雜元器件的制造提出了更高的要求，希望微型器件在具備滿足使用要求性能的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。從某種程度上正在以驚人的速度取代CNC精加工等傳統(tǒng)成型技術(shù)，且該技術(shù)在突破核心技術(shù)攻堅(jiān)后，質(zhì)量穩(wěn)定，便于大批量生產(chǎn)，客戶滿意度高，企業(yè)回報(bào)率高。微系統(tǒng)中主要的元器件包括微型模具、用于傳感器和jia速器上的微型機(jī)械結(jié)構(gòu)、生物傳感器、微型流體元件、微型反應(yīng)器等。這些元器件形狀復(fù)雜、體積微小，采用現(xiàn)有的微型加工技術(shù)如微型切削、激光切削、硅刻蝕技術(shù)等，生產(chǎn)效率低，無法開展大規(guī)模生產(chǎn)，而近年來在粉末注射成形基礎(chǔ)上發(fā)展起來的粉末微注射成形工藝為實(shí)現(xiàn)微型元器件規(guī)模化生產(chǎn)提供了zui具潛力的制備技術(shù)。

　　粉末微注射成形技術(shù)是指針對尺寸小于1微米的零件在傳統(tǒng)粉末注射成形技術(shù)基礎(chǔ)上所開發(fā)的一種成形技術(shù)，主要應(yīng)用于連續(xù)制造具有微觀結(jié)構(gòu)表面與微型結(jié)構(gòu)的零件，其基本工藝步驟與傳統(tǒng)的粉末注射成形基本相同，所制備零件的表面質(zhì)量與孔隙度可通過選擇原始粉末與適宜的燒結(jié)條件來控制。通過熱處理可以使?jié)B碳體呈顆粒狀分布在鐵素體基體上，叫做球狀珠光體或粒狀珠光體。與傳統(tǒng)粉末注射成形不同的是，粉末微注射成形為了便于制造微小結(jié)構(gòu)，所選擇的粉末平均粒徑一般小于1~2微米;其次，由于粉末比表面積增大，需要粘度較低但有足夠強(qiáng)度的粘結(jié)劑，以利于微注射成形并避免生坯件脫模時(shí)損壞。另外，為了防止變形、裂紋及氣泡的產(chǎn)生，微注射成形技術(shù)對脫脂和燒結(jié)的工藝條件更加苛刻。

　　目前，國際上開展該技術(shù)研究的主要國家有德國、日本、新加坡、美國和英國。69%，熔點(diǎn)約為1227度，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬度很高，脆性極大，幾乎沒有塑性。其中，德國開展并取得了突出的成果。國內(nèi)的北京科技大學(xué)、中南大學(xué)以及大連理工大學(xué)也在該領(lǐng)域進(jìn)行了一系列研究工作。如北京科技大學(xué)研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、適用于傳統(tǒng)注射成形機(jī)的粉末微注射成形用模具;并以羰ji鐵粉和鐵鎳合金粉為原料，在傳統(tǒng)注射成形機(jī)上成功實(shí)現(xiàn)了粉末微注射成形齒頂圓直徑小于1毫米的微型齒輪。

金屬粉末充模模擬機(jī)理和顆粒模擬的使用

對于多相填充流，人們發(fā)現(xiàn)可以因?yàn)榧羟辛ψ饔?，或是顆粒間的相互作用而形成些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。粘結(jié)劑是MIM技術(shù)的核心，MIM與常規(guī)粉末冶金方法相比的一個(gè)重要差異即粘結(jié)劑含量高。特性使得這一現(xiàn)象尤為突出。這就帶來了一些問題，比如：流體是否均勻，流體是否是多相的且每個(gè)組分是否都起著獨(dú)立的作用來影響整個(gè)流體的流動(dòng)性。通過觀察流道橫截面上的流體可以發(fā)現(xiàn)許多有趣的現(xiàn)象。和中顯示的是橫截面的放大圖，顯示出了相的分離以及年輪一樣的結(jié)構(gòu)。上面圖片中的白色條紋是相分離的一種表征，那里是一些粘結(jié)劑中的低熔點(diǎn)組分。在這樣的地方很容易產(chǎn)生裂紋。這種結(jié)構(gòu)明顯表明流體是多相的，甚至可能是類固體的。所以實(shí)際上的MIM喂料熔體是非均質(zhì)的流體，其運(yùn)動(dòng)方式和均質(zhì)流體存在著差異。

　　在粉末-粘結(jié)劑兩相體系中，粉末顆粒和粘結(jié)劑之間存在著強(qiáng)烈的相互作用，因此顆粒附近粘結(jié)劑的運(yùn)動(dòng)將受到一定的限制?！畈牧蠈τ谙疋仭⒉讳P鋼及鎳合金之類難切削加工的材料設(shè)計(jì)的零件，MIM最有吸引力。在這個(gè)模型里，將具有不規(guī)則形狀的粉末簡化為規(guī)則球形的顆粒，每個(gè)顆粒周圍包覆著一層粘結(jié)劑，這層粘結(jié)劑隨顆粒一起運(yùn)動(dòng)，即將其看成一個(gè)復(fù)合單元。粘結(jié)劑的厚度假定是常數(shù)，以此確保系統(tǒng)質(zhì)量的恒定。盡管這些復(fù)合單元的周圍還有自由粘結(jié)劑的存在，且其粘性制約了粉末顆粒的運(yùn)動(dòng)，還是可將復(fù)合單元看成是不受外圍粘結(jié)劑介質(zhì)的影響。

　　修正顆粒模型顆粒模型較為充分地考慮了MIM喂料的獨(dú)特性，可以描述粉末的運(yùn)動(dòng)情況，因此這個(gè)模型在簡單計(jì)算每個(gè)粉末顆粒的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況方面較為精準(zhǔn)，但對于實(shí)際的三維問題，顆粒模型的微觀分析需要大量的單元，且容易造成計(jì)算的發(fā)散。綜上，單從技術(shù)領(lǐng)域來看前景一片光明，還有很大的應(yīng)用空間有待開發(fā)，從行業(yè)競爭角度，需要穩(wěn)定的行業(yè)技術(shù)人才，配套的優(yōu)質(zhì)資源，以及專業(yè)的企業(yè)管理人才，不斷技術(shù)創(chuàng)新，優(yōu)化管理制度，才能立足于行業(yè)大潮中……。很難將其應(yīng)用到諸如粉末等微細(xì)粉末的分析。所以必須對已有的顆粒模型進(jìn)行一定的修正。展示了通過這種顆粒模型模擬出來的MIM喂料充模的情況。從中可以較清楚地看出密度分布的不均勻性。

　　結(jié)論由于MIM喂料在模腔中的流動(dòng)可以看成是固-液兩相流動(dòng)，所以采用傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)模型來進(jìn)行流動(dòng)模擬存在較大的偏差。粉末冶金齒輪是各種汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中普遍使用的粉末冶金零件，雖然在大批量的情況下是非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的，不過在其他方面也有待改進(jìn)的地方。很多研究表明，MIM喂料在充模過程中將發(fā)生粉末和粘結(jié)劑分離的現(xiàn)象。通過這種方法可以直接考察粉末特性（粒度、粒徑分布、密度和形狀等）對流動(dòng)過程的影響。從而可以監(jiān)視流動(dòng)過程中粉末的運(yùn)動(dòng)、聚集以及密度變化分布情況和兩相分離等特殊現(xiàn)象。為了簡化三維問題中的計(jì)算，還在基于修正顆粒流體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上對該模型進(jìn)行了修正。