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论文摘要:世界各国的企业年金营运模式,可以大致划分成直接承付模式、保险合同模式、基金会模式以及养老信托模式四大类。不同类型模式实际上正是适应了不同层次经济发展水平的客观要求,才表现出各具特色的活力。只要这些模式能够互相配合,就能够共同支律起补充养老保津的大任。因此,对企业年金运管模式优劣的最终选择权应该当之无愧地属于市场。
一、直接承付模式
直接承付模式是企业直接向本企业退休职工支付养老金。这种模式中的养老金可以由企业事先积累一笔基金支付,也可以由企业从当期利润中支付。采取直接承付模式的多是一些大型企业和行业,其目的在于更直接地控制和使用基金,因为企业年金基金的大部分将投资于本企业的股票。该种模式下,企业一般通过内部的资金管理和会计部门负责企业年金基金的管理,而象实际操作中精算、法律与投资管理等涉及到较强专业领域的工作往往委托给相应的专家或金融机构来完成。采用这种模式的企业依然可以将企业年金计划设计成DC和DB型两种。由于参加计划的人员局限于本企业,受益人相对固定,而且受益人只有达到规定的退休年龄才能领取养老金,养老基金的投资运营时间稳定。因此,从运作原理上,该模式类似于私募基金。
二、保险合同模式
保险合同模式是指企业通过与商业保险公司签定“团体保险合同”,将企业和个人资产以缴费的形式转移到保险公司,从而取得保险公司养老保障承诺的一种形式。在团体年金保险中,企业以团体投保的形式向商业保险公司购买年金保险,形式较为灵活。作为投保人的团体组织,可以是机关、企事业单位,也可以是独立核算的社会团体。被保险人往往是团体指定的在职人员,不仅包括单位正式职工,还可以包括临时工等其他人员。由于采用集体参保的方式,团体年金保险的承保成本低,较大规模的团体年金保险还可以通过参保人员和保险公司的协商机制灵活地制定合同条款。
三、基金会模式
基金会在大陆法系中的地位属于财团法人,财团法戈与社团法人相对应,指法律上为特定目的财产集合赋予民事权利能力而形成的法人,财团法人制度主要规定在民法典中。由于大陆法系与英美法系在物权概念上的分歧,后者并没有完全对等的法律概念,类似的概念是所谓的公益信托。我国民法上并无财团法人的位置,只有企业、机关、事业单位和社会团体法人四种。一般而言,财团法人比信托制度更具有组织性,尤其对规模较大、具有持久性的公益事业,更为有利。基金会的治理模式主要包括以下两个原则:一是独立运作原则,基金会的剩余索取权与控制权分离,基金会仅享有在规定范围内的剩余控制权;二是社会监督原则。
四、养老信托模式
该模式建立在金融信托法律关系基础之上,根据英美法系国家信托法有关规定,养老基金作为受托财产,具有独立性与稳定性,形成一个独立的财产实体。其独立性主要表现为三个“不可追及性”,一是信托财产与委托人其他财产相区别,委托人过失“不可追及”信托财产。一旦信托合法设立,委托人死亡或被依法解散、撤消、宜告破产时,如果委托人和受益人不是同一人,则信托继续存续,委托人是唯一受益人时,信托才终止。二是信托财产与受托人的财产相区别,受托人过失“不可追及”信托财产。受托人死亡或依法解散、撤消、被宜告破产而终止时,信托财产不属于其遗产或清算财产,不承担民事责任。三是信托财产与属于受益人的财产相区别,受益人过失“不可追及”信托财产。
五、几种模式的综合比较
面对纷繁复杂的企业年金营运模式选择,我们很难简单地得出哪种模式最优的结论。企业年金作为现代经济社会中一项重要的制度安排,并不是孤立存在于真空中的抽象的经济机制。实际上,各种企业年金营运模式都只能根植在特定的社会、经济、文化土壤,反映一定的历史文化存在,同时又与其存在紧密的关联,在关联与互动中演化出千姿百态的具体的年金计划形式。
但是,如果把这些不同的模式放在具体的尺度下考察,还是可以看到它们在这些指标下所表现出来的差异性。我们选择的尺度是:对计划受益人利益的保护;同资本市场发展的互动关系;计划运营的交易成本等。
1.对计划受益人利益的保护
比较以上几种运营模式,对企业年金计划受益人利益保护最完善的当属于养老信托模式和基金会模式。在两种模式中,都确立了企业年金基金同雇主财产以及受托人自有财产相分离的原则,企业年金基金的独立性使得其有效地隔离了破产风险。尤其在养老信托模式下,在信托法律关系发达的国家,企业年金受托人与委托人之间,年金管理机构,专业投资机构,基金托管人以及各种中介组织之间,通过信托和合同法律关系加以规范与约束,各主体之间也有相互监督的职责。 相比之下,保险合同模式和直接承付模式下,企业或雇主的行为容易损害计划受益人的利益,对计划受益人的利益保护机制相对较弱。在保险合同模式下企业以购买团体险的方式将企业资产转移到保险公司,实际上保险公司和企业之间发生的是一种交易关系,企业得到的是以合同方式为法律凭证的收益承诺,保险公司得到的是实实在在的可以运用的资产,尽管从保险公司的内部管理来看,保险公司将企业投保保费看成是必须到期偿还的一种负债,但保险公司已经取得了对这部分资产的处置权和支配权。保险公司实际上承担了账户管理、投资管理、资产保全等主要服务功能,并且完全依靠保险公司通过内控制度建设来进行风险管理,管理方容易出现道德风险和管理风险,出现违约或难以履约的可能性,最终导致计划受益人的利益得不到有效保护。直接承付模式中,由于企业年金基金无法同企业的自有资金相独立,挤占挪用基金资产就无法在制度上加以防范,同时,对基金资产的信息披露和有效监督都不够充分,其基金的安全性要更差一些。
2.同资本市场发展的互动关系
综合各个国家企业年金发展的历史,养老信托模式对资本市场的发展具有较大催生和刺激作用。首先,信托财产的权利主体与利益主体相分离,强调受益人利益的保护,有利于完善投资领域相关的法律法规,在资本市场形成一股强大的群体监督力量。其次,在信托模式中,形成了以受托人为核心,各金融机构相互制衡的治理结构,受托人可以根据金融机构的效率和业绩遴选业务“外包”对象,从而有利于建立竞争性的金融市场。第三,信托型制度可以极大地刺激新型金融产品诞生和新兴金融机构的发展。这是因为在资本市场与企业年金之间必然出现有效率的金融服务供应商,而后者必然将前二者紧密地联系在一起,使之息息相依。
3.计划运营的交易成本
毫无疑问,养老信托模式下的法律关系最为复杂,层层的委托关系下对资本市场的成熟完善程度和法律体系的完备程度要求较高,故此,该模式的交易成本是最高的。
六、中国企业年金营运模式选择
劳动社会保障部颁布的《企业年金试行办法》第十条规定“企业年金基金实行完全积累,采用个人帐户方式进行管理”。第十五条规定“建立企业年金的企业,应当确定企业年金受托人(以下简称受托人),受托管理企业年金。受托人可以是企业成立的企业年金理事会,也可以是符合国家规定的法人受托机构”。第十九条规定“受托人可以委托具有资格的企业年金帐户管理机构作为帐户管理人,负责管理企业年金帐户;可以委托具有资格的投资运营机构作为投资管理人,负责企业年金基金的投资运营。受托人应当选择具有资格的商业银行或专业托管机构作为托管人,负责托管企业年金基金。受托人与帐户管理人、投资管理人和托管人确定委托关系,应当签订书面合同”。以上三条规定实际上确定了中国企业年金的主流模式是目前世界上最为流行的养老信托模式。
关键词:金融租赁;融资租赁;巴塞尔协议Ⅲ;风险管理;盈利模式
中图分类号:F832.49 文献标识码:A 文章编号:1006-1428(2011)08-0043-05
按银监会要求,我国将从2012年1月1日开始施行新监管标准,按系统重要性银行和非系统重要性银行分类,流动性要求、资本充足率要求和损失准备要求等多项要求将分别于2013年至2016年陆续达标。这表明,金融租赁公司参与实施新监管标准已是箭在弦上,从明年(2012年)起的两到三年时间将成为各家金融租赁公司实施巴塞尔协议Ⅲ的关键阶段。
一、巴塞尔协议Ⅲ对金融租赁业的影响
驱动金融租赁业未来转型与发展的最主要的因素之一是新的监管法规标准。巴塞尔协议Ⅲ确立了微观审慎和宏观审慎相结合的金融监管新模式,大幅度提高了商业银行的资本监管要求,致力于建立全球一致的流动性监管量化标准,将对银行业的经营模式、银行体系稳健性乃至宏观经济运行产生深远影响。金融租赁公司作为商业银行的全资或合资子公司,也将受到协议多方面的影响和冲击,概括而言,包括以下多个方面。
1、金融租赁公司高杠杆扩张时代一去不返。
自2008年银监会恢复审批金融租赁公司以来,三年时间里,我国金融租赁公司的业务规模走过了几何级的扩张路径。截至2011年一季度末,金融租赁公司租赁资产规模已逾3500亿元,三年间增长10倍以上,若干企业的资本充足率已经接近监管允许的最低水平(8%),更多企业的资本充足率在10%上下徘徊。由于接近杠杆率扩张极限,在考量大单租赁业务时已现首尾不能兼顾。考察近年成立的金融租赁公司,冲业务规模、占市场份额、争行业话语权,成为部分金融租赁公司的发展模式。
巴塞尔协议Ⅲ自2012年起施行,将逐步为金融租赁公司高杠杆扩张的时代划上句号。新标准实施后,正常条件下系统重要性银行和非系统重要性银行的资本充足率分别不低于11.5%和10.5%。需要与股东银行风险和财务并表的金融租赁公司,将按股东要求按此执行。举例而言,如果某一家新成立的由大型银行设立的金融租赁公司实收资本20亿元,按现行杠杆要求,理论上可扩张租赁业务,把规模做到约250亿元;而按新标准,只能扩张到约173亿元;如不补充资本金,业务规模需压缩77亿元;如维持原规模,要补充资本金9亿元。无疑,无论哪一种方案,在财务上均会对公司构成可观的压力。因此,原一部分金融租赁公司侧重外延式规模扩张、轻视内涵式提升盈利能力的增长模式在新标准下行不通了,金融租赁公司的增长方式将迎来转折。
2、租赁业“类信贷”业务模式将会无利可图。
过去两到三年中,部分金融租赁公司之所以能实现高杠杆率条件下的高速扩张,相当重要的原因在于“类信贷”租赁业务提供的支撑。根据有关数据保守估计,金融租赁公司的业务中,经营性租赁合同额约占10%,融资性租赁约占90%;在融资性租赁业务中,直租赁业务不足10%,回租赁业务占90%以上。经营租赁和直租比例远低于欧美发达国家租赁市场中的相应比例,而这些占比比较低的业务又是收益率比较高的品种。我国部分金融租赁公司的回租业务中,又有相当大的比例是由“类信贷”租赁业务构成的。即租赁交易仅构成完成融资交易所需的结构性要素,真实交易的担保手段、定价水平和风险管理均接近于抵押贷款。金融租赁业近年的高杠杆扩张,在相当大的程度上正是因袭了“类信贷”、“二银行”的业务模式。
金融租赁公司之所以能对“类信贷”租赁业务提供的高杠杆乐此不疲,部分因素在于在目前的监管规定下此类模式仍有利可图。这之中关键一点在于目前正常类资产的拨备率为1%,对金融租赁公司的定价水平压力有限。巴塞尔协议Ⅲ要求建立贷款拨备率和拨备覆盖率监管新标准:贷款拨备率(贷款损失准备占贷款的比例)不低于2.5%,拨备覆盖率(贷款损失准备占不良贷款的比例)不低于150%,并且两者将按孰高的原则执行。这意味着,如果继续侧重“类信贷”业务,维持“类信贷”租赁业务定价水平,走外延式扩张的道路,这一类金融租赁公司将会无利可图,以至进入财务亏损。
3、金融租赁公司的监管套利冲动将受更多抑制。
如以上两点分析,部分金融租赁公司一方面办理了大量的“类信贷”租赁业务,另一方面又能在银行业竞争趋于白热化的态势下,以高杠杆率基本达到市场出清的业务规模,这意味着此类金融租赁公司提供的金融产品与传统银行信贷产品之间仍存在差异化。但是,这种差异化未必是正面的,即并不意味着金融租赁公司所提供的差异化租赁业务服务全是由于其体现了融资租赁业务配置金融资源更有效率的一个侧面,如减轻信息不对称性、降低非必要交易成本、改善财务报表、提供税务优化、以融物形式达成融资等等融资租赁的优势方面。不可忽视的是,一部分由金融租赁公司提供的差异化服务源于其相对于受到更严密监管的传统商业银行更易于进行监管套利,利用交易结构绕过行业、产业、业务种类等种种政策限制。例如,对于一项水泥生产企业项目,或一项地方政府平台融资项目,或一项房地产开发企业项目,在由于监管政策限制难以从银行系统获得足够贷款的情况下,就有可能通过金融租赁公司“曲线运作”,把某种设备包装成为可以售后回租的资产,为企业提供类信贷租赁,通过监管套利获取具有较高风险的收益。今年(2011年)以来,随着中央银行对商业银行信贷投放总量和节奏的规范管理,“规模”渐渐成为资金市场上的稀缺资源,部分金融租赁公司的监管套利行为又平添了“绕规模”因素。
针对此类监管套利,巴塞尔新标准要求,监管将进一步提升现场检查能力。督促银行加强公司治理和风险管理,防止和纠正不安全、不稳健的经营行为;并建立动态调整贷款损失准备制度。监管部门将根据经济发展不同阶段、银行业金融机构贷款质量差异和盈利状况的不同,对贷款损失准备监管要求进行动态化和差异化调整。这些举措意味着未来监管当局将致力于发展对于各类违规经营行为的打击力量,通过差别化的监管手段规范金融机构的经营方式,全面提高银行业经营稳健性,金融租赁企业的监管套利冲动也将随之受到抑制。
4、金融租赁公司将更多贯彻股东银行设定的风险偏好。
要有效抑制金融租赁公司内在的监管套利冲动。
只有监管当局自身的努力仍是不足的。对此,股东银行要承担起责无旁贷的责任。当金融租赁公司从母行(以董事会决议形式)取得的经营目标仅仅是租赁业务规模、市场占有率、业务增长率、资产回报率、资本报酬率、利润总量、人均利润等指标时,金融租赁公司内部的高管层与决策部门就会以是否完成这些指标为标尺,有可能忽视子公司的风险偏好是否与集团整体保持一致,决策过程和执行过程自身是否符合风险控制机制的预设条件。因此,如果股东银行忽视风险层面的并表管理,仅仅运用下任务、定指标的手段管理,有可能助长租赁公司“类信贷”租赁或是监管套利行为。
针对此类现象,巴塞尔协议Ⅲ高度重视银行业集团层面的并表风险治理监管标准,包括集团层面的风险偏好设定、统一的风险管理政策、集团内部交易等。新标准还将强化持续监管,赋予监管人员更广泛的权力,加强对系统重要性银行决策过程、执行过程的监管,尽早识别风险并采取干预措施;丰富和扩展非现场监管体系,完善风险监管评估框架,及时预警、有效识别并快速处置风险。这一制度安排下,股东银行将会连同业务指标,把集团风险偏好贯彻到下设金融租赁公司的日常经营中。在风险并表和风险偏好层面,对下设金融租赁公司的风险状态做到了如指掌,从机制和技术层面打消或约束金融租赁公司的监管套利冲动。
5、金融租赁公司有条件或可从股东银行融资。
要让金融租赁公司充分贯彻股东银行设定的风险偏好,除了“控”之外,还要“扶”。一方面,股东银行通过组织、机制、技术等层面严格管理子公司,另一方面,须从经营上扶助租赁子公司,创造贯彻股东意志的必要条件。在监管要求上,我国金融租赁公司(即“银行系租赁公司”)与国外银行系租赁公司有一个细微但重要的差别:我国金融租赁公司不得吸收银行股东的存款。然而,从母行获取资金支持恰是国外银行系租赁公司与非银行系租赁公司相比的一个重要优势。可以有力地促进金融租赁公司的流动性风险管理水平。
巴塞尔协议Ⅲ对流动性风险管理能力高度重视,要求成员国建立多维度的流动性风险监管标准和监测指标体系,建立流动性覆盖率、净稳定融资比例、流动性比例等多个流动性风险监管和监测指标,其中流动性覆盖率、净稳定融资比例均不得低于100%。虽然是非存款机构,但这些指标的核心部分对于一家大中型的金融租赁公司同样适用。
租赁公司的租赁期限基本上都在五年以上,负债绝大部分是一年以内的短期贷款,有效的流动性风险管理是金融租赁业持续的课题。与从同业市场拆借相比,从母行获得的资金不仅仅价格更为优惠,而且价格稳定、可预期性强,可以有力分散流动性风险。从我国金融租赁公司业务经营中的资金需要及母体银行可提供的帮助来看,逐步放开要求、有条件允许符合条件的金融租赁公司试点从股东银行融资,将成为提升金融租赁公司风险偏好贯彻能力、降低行业流动性风险的一项积极举措。
6、金融租赁公司吃“监管大锅饭”的时代结束。
目前,各家金融租赁公司面对的是基本相同的监管要求:相同的资本充足率要求,相同的融资渠道要求,相同的数据上报频率和颗粒度要求,可以称之是吃“监管大锅饭”。在新标准推动下,这一状态也将一去不复返。新标准要求,监管资源作为一种宝贵的稀缺资源,要进行最优配置和使用,发挥最佳效力。
巴塞尔协议Ⅲ对金融机构的监管理念高度重视“分门别类”监管,未来的监管形式有可能如同“中医坐堂”,对各家机构真正“对症下药”。新标准的资本充足率要求设立了三个层次:系统重要性银行要面临增加的附加资本要求,中国银监会暂定其为1%。因此,将来金融租赁公司将按股东银行性质,分为“系统重要性银行下属金融租赁公司”及其他,按不同的并表要求,执行不同的资本充足率要求。新标准明确了三个最低资本充足率要求,包括核心一级资本充足率、一级资本充足率和资本充足率,分别不低于5%、6%和8%,并且引入逆周期资本监管框架,包括2,5%的留存超额资本和0到2.5%的逆周期超额资本,若出现系统性的信贷过快增长,商业银行需计提逆周期超额资本。凡此种种,监管当局都有充分的可操作空间,对不同机构施行不同要求。此外,监管当局对于其他监管核心指标的要求也会同样视各家金融租赁公司情况量体裁衣。不再一刀切,例如根据资产质量和盈利能力,适度调整贷款损失准备要求。
除监管指标不同要求外,监管当局对于数据上报的频率、范围和颗粒度等方面也都可针对金融租赁公司的不同情况提出政策和要求,把各公司划分为三六九等,根据口味轻重“分灶吃饭”。
二、金融租赁业应对新标准的策略
在巴塞尔协议Ⅲ细密绵长的药效下,金融租赁公司高杠杆时代结束、“类信贷”业务无利可图、监管套利冲动受到抑制。同时又要贯彻股东银行的风险偏好,并在“明察秋毫”的监管层和股东面前交出令人满意的答卷,应对策略何在?答案恐怕还是在于要发挥融资租赁业的行业特色与自身优势,从业务模式、市场领域、人才建设和信息系统等多个方面着力,走出一条真正有租赁业特色的发展之路。
1、内涵:业务模式从“提供资金”向“提供服务”转型。
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金融租赁作为商业银行重要的产品线,具有较高的附加值,只要业务更贴近于专业化租赁,就会有盈利空间。金融租赁公司在专业化、集约化经营方面迈出步,就可以在盈利能力和资本回报方面收获更多。随着巴塞尔协议Ⅲ在我国的稳步推进,各家金融租赁公司将从“提供资金”向“提供服务”的企业逐步转型,从而收获高于资金收益的服务收益。由于资产金融市场的多样性和复杂性。一家公司难以精通和涵盖所有市场领域,必须有所选择。因而,金融租赁公司需要在未来数年在融资租赁市场中加速明确细分市场,建立在子市场中有较强盈利能力的拳头租赁产品。
2、协同:依托股东银行在客户资源、管理手段上的优势。
与其他融资租赁公司相比,金融租赁公司能利用母行在客户资源、管理能力上的巨大资源。面对信用风险、流动性风险、市场风险、关联交易风险等风险因素,需达到不低于传统银行或融资租赁同业的盈利能力。金融租赁公司在市场开拓和管理手段等方面均面临诸多挑战。金融租赁公司依托并加强与母体银行的合作,符合巴塞尔协议Ⅲ的意见。在跨业监管合作方面,按照新标准,针对金融租赁公司,银监会表示将加强与中央银行的协调配合,改进对有关业务的风险评估,构建“无缝式”金融监管体系。因此,加强与母行的融合与协作,充分利用母行的资源,在风控与经营中通力合作,在不断优化自身发展的同时,融入母行发展,做出独特的贡献和有益的探索,已成为金融租赁公司借力发展的最优选择之一。
3、团队:组建复合型、专业化的金融租赁人力资源队伍。
2010年末,我国金融租赁公司有从业人员约1200人,外资和内资试点融资租赁公司有从业人员
约2000余人,两者合计仅3000余人,融资租赁市场上专业人才匮乏现象十分突出:业务所需的专业化的资产管理、风险管理和法律、会计、税务,及复合型人才不足;这在航空、船舶、机械设备等领域尤为突出。
专业化人才短缺,也加剧了金融租赁公司风险管理、资产管理和专业创新能力不足。按监管层要求,金融租赁公司要结合自身经营特点,强化风险管理基础设施,提升风险管理能力,完善风险治理组织架构,进一步明确董事会、高管层、首席风险官、风险管理部门和相关业务条线的角色和职能,而这些都离不开专业化的管理人员和执行团队来担任或承担。按新标准要求,金融租赁公司在人力资源管理方面应改进并完善激励考核机制,建立风险与收益平衡的绩效考核和薪酬制度,吸引并留住金融租赁专业人才。
4、工具:加大对核心业务系统和风险管理系统的建设投入。
巴塞尔协议Ⅲ高度重视业务系统和管理信息系统建设对于金融机构风险管理能力提升的作用。对此,监管层有明确的要求:金融机构要强化数据基础,通过新监管标准实施切实解决金融机构数据缺失、质量不高问题;积极开发并推广运用新型风险计量工具,提高风险识别能力和风险计量准确性;强化IT系统建设,为风险政策制定和实施、风险计量工具运用及优化奠定基础。
新标准要求,金融租赁公司要努力实现功能监管与机构监管相结合,采用产品分析、模型验证、压力测试、同业评估等监管手段,保证监管技术能够适应业务和组织机构日益复杂化的趋势:金融机构要制定恢复和处置计划、危机管理计划,增强自我保护能力。此外,金融租赁公司所需的多情景、多方法、多币种和多时间跨度的流动性风险监控体系也离不开核心业务系统和风险管理系统的支持。要在有限的时间内满足上述内部和外部风险管理要求,金融租赁公司加大对管理信息系统建设的投入已是势在必行。
5、视野:随中资企业走向更广阔的蓝海市场。
有数据表明,欧洲银行业比北美银行面临的资本压力更为严峻。这意味着,新标准施行后,欧美金融机构将面临或设法补充资本金,或压缩业务增长的困境,因而欧美银行系租赁公司也将会被殃及,在一段时间内面临比较困难的整体市场环境,可获得的业务机会更为有限。
从巴塞尔协议Ⅲ的要求看,我国主体银行(无论系统重要性银行或其他银行)的资本充足率基本达标,因而在补充资本金方面受到的影响相对比较小,金融租赁公司会受到的波及也就有限。可以预期,随着新标准的施行,我国金融租赁业在全球融资租赁行业的占有率将有所增长或发力上升。从国际市场看,随着越来越多的中资企业走向全球,金融租赁公司也将随之走向蓝海市场,在全球融资租赁的舞台展现中资租赁公司的特色业务。
6、紧迫:新标准要求不达标银行“退出该行业”。
1.1同步带轮结构特点
1)内部有3个均匀分布的弧形凹槽和3个定位孔;
2)形位精度要求较高,内孔的同轴度公差为0.05mm,齿形跳动度为0.1,中心孔的垂直度为0.03。综上分析,如果选择常规方法加工同步带轮,其形状以及内部微小尺寸控制难度大;如果采用粉末冶金法进行成形,零件的凹槽、定位孔及尺寸精度均可通过模具成形来保证。
1.2成形模具设计原理
粉末冶金成形工艺是由粉末冶金零件压机和粉末冶金模具通过对所需粉末进行装料、加压、脱模等主要工步来完成,并使金属粉末密实成具有一定尺寸、形状、孔隙度和强度坯块的过程。该同步带轮应采用不等高零件成形模具设计原理。
1.3成形速度相等原理
根据不等高零件成形运动规律,在不等高零件成形过程中,必须满足成形前、后粉末质量守恒定律,才能使不同高度区域密度近乎相等,在粉末成形时,零件的不同高度区都在同一时间进行粉末压缩和成形,并且各部分所用成形速率相等,所遵循的原理即为成形速率相等原理。由此可知,在压制不等高零件时,要使不同高度的各个区域遵循成形速率相等原理,从而保证零件不同高度区的平均密度相等。
2同步带轮粉末冶金模具的设计
1)齿形成形通过控制材料的流动方向,成形出理想的形状尺寸,是同步带轮成形模具中最关键的环节。由于成形过程中单位压力增大,载荷集中,因此要求模具工作部位刚性好。另外还应设置过载保护,防止毛坯的超差、材料不均匀等导致的过载。
2)同步带轮属于轴类零件,在成形过程中轴向密度差较大,因此模具应采用芯棒成形结构,以保证同步带轮轴向密度分布均匀。
3)该同步带轮有3个定位孔,应采用芯棒成形结构成形定位孔,可以延长模具使用寿命,提高装配精度。该同步带轮采用德国DORST压机进行压制,铁粉的松装密度约为3.2g/cm3,零件的毛坯密度不得小于6.6g/cm3,为了节约成本,模具配件采用已有的五档同步器齿毂模具配件,例如,垫板、压盖等。由此可知,该同步带轮成形模具的设计主要包括中模、上模冲(2个)、下模冲(3个)、芯棒(2个)的设计。
2.1成形中模的设计
中模主要用于同步带轮的齿形成形,因此采用变模数设计法提高齿形精度。材料选用45号钢,具有较高的强度和较好的切削加工性,经适当热处理后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性,中模内径尺寸公差为±0.005mm。影响中模几何尺寸的工艺主要是成形和烧结,因此成形中模设计过程中必须考虑成形回弹率δ和烧结收缩率这2个工艺参数。另外,粉末冶金工艺中的烧结收缩率及成形回弹率在径向和轴向甚至各不相同的截面位置都是各不相同的。一般情况下,收缩率和成形回弹率在轴向的值往往大于在径向的。模具的配合间隙仅在径向得到体现,方法是按制件外径或内孔的相应成形件为基准制造,与之相邻的配合件取配合间隙后,按双向公差加工制造。
2.2上模冲和下模冲的设计
根据同步带轮的结构和成形特点,上模冲主要针对产品上表面形状及轴向尺寸设计,上模冲与中模内腔上半部配合,上模冲设计为上外冲和上内冲。同步带轮内部结构主要由下模冲成形而成,内部有弧形凹槽,深度为3.1mm,圆弧半径为17.28mm,设计模具时应保证凹槽的形状及尺寸。下模冲外形与中模内腔下部配合,下模冲设计为下一冲、下二冲和下三冲,更有利于产品成形和提高产品质量。
3结论
1)在发动机同步带轮粉末冶金成形模具设计中,采用了2个成形芯棒和中模变模数设计法,有效地提高了模具装配精度、齿形精度和使用寿命。
2)根据成形模具设计图纸和模具配合原理,将加工制造的模具进行装机实验并且试生产同步带轮的成形品,经过烧结等工艺,将制造的样品经过装机实验,达到了客户在精度、性能等方面的技术指标,成功开发了某发动机同步带轮成形模具,材料利用率高达98%。
关键词:材料成型;控制工程;金属材料;加工工艺
0引言
对于我国制造业而言,材料成型与控制工程是其实现长期健康发展的根本保障,不仅如此,材料成型与控制工程也是我国机械制造业的关键环境,因此,相关企业必须对其给予高度重视。无论是电力机械制造,还是船只等交通工具制造,均离不开材料成型与控制工程,材料成型与控制技术的水平与质量将会直接决定机械制造水平与质量。因此,对材料成型与控制工程中的金属材料加工技术进行细化分析,具有非常重要的现实意义。
1金属材料选材原则
在金属复合材料成型加工过程中,将适量的增强物添加于金属复合材料中,可以在很大程度上高材料的强度,优化材料的耐磨性,但与此同时,也会在一定程度上扩大材料二次加工的难度系数,正因此,不同种类的金属复合材料,拥有不同的加工工艺以及加工方法。例如,连续纤维增强金属基复合材料构件等金属复合材料便可以通过复合成型;而部分金属复合材料却需要经过多重技术手段,才能成型,这些成型技术的实践,需要相关工作人员长期不断加以科研以及探究,才能正式投入使用,促使金属复合材料成型加工技术水平与质量实现不断发展与完善。由于成型加工过程中,如果技术手段存在细小纰漏,或是个别细节存在问题,均会给金属基复合材料结构造成一定的影响,导致其与实际需求出现差异,最终为实际工程预埋巨大的风险隐患,诱发难以估量的后果。所以,相关工作人员在对金属复合材料进行选材过程中,必须准确把握金属材料的本质以及复合材料可塑性,只有这样,才能保证其可以顺利成型,并保证使用安全。
2金属材料加工方法
2.1机械加工成型
当前,金属材料成型与控制工程中,应用最为广泛的金属切割刀具便是金刚石刀具,以金刚石刀具对铝基复合材料进行精加工,与其他金属基复合材料,例如,钻、铣以及车等,均是现代社会中广而易见的。铝基复合材料的金刚石刀具加工形式可以细化为三种:其一,车削形式;其二,铣削形式;其三,钻削形式。其中,钻削即通过镶片麻花钻头对铝基复合材料进行加工,常见的有B4C以及SiC颗粒钻削,然后添加适量的外切削液,可以有效强化铝基复合材料。铣削即通过1.5%-2.0%(W+C)粘结剂,8.0%-8.5%PCD的端面铣刀对铝基复合材料进行加工,常见的有SiC颗粒铣削增强铝基复合材料,然后添加适量的切削液进行冷却。车削以硬合金刀具为主要的切割工具,例如,A1/SiC车削符合材料,并添加适量的乳化液对其进行冷却处理。
2.2挤压与锻模塑性成型
金属材料实际成型加工过程中,相关工作人员可以通过模具表面涂层以及添加剂等技术手段,对实践操作过程中的压力进行有效改善,降低加工操作过程中的摩擦阻力,据相关数据统计,这样可以促使加工过程中的挤压力缩减25%-35%左右,甚至更多。降低加工挤压力,可以有效弱化增强颗粒给模具造成的损伤程度,削弱金属材料塑性,有利于降低金属材料的变形阻力,提高其成型的成功率。除此之外,相关工作人员还可以增加挤压温度,以此促使金属基材料更具可塑性。在金属基材料中添加适量的增强颗粒,可以促使金属基材料的可塑性得到弱化,进而变形抗力得以大幅度提升,此时提高挤压温度,可以加快增强颗粒与金属基材料的溶合速率,优化二者的溶合效果。普遍来说,增强颗粒含量会直接影响挤压速度,由此可见,只有金属基复合材料中的增强物含量较低,才能提高挤压速度,如果金属基复合材料中的增强物含量较高,相关人员必须严格控制挤压速度。不过,挤压速度超高的话,也会导致金属材料成型后,便面出现横向裂纹。综上,相关人员在应用挤压与锻模塑性成型加工技术时,不仅要在金属复合材料表面进行涂层或是剂处理,还要对挤压温度进行严格控制,并结合实际,对挤压速度进行有效调控,只有这样,才能保证成品质量符合要求。
2.3铸造成型
复合材料生产过程中,应用最广泛的加工技术便是铸造成型技术,实际铸造过程中,金属基复合材料中添加增强颗粒后,熔体的粘度以及流动性均会显著提升,加之增强颗粒与熔体在高温下的化学反应作用,便会改变基础材料本质,此时相关工作人员必须在熔化金属基复合材料的过程中,对其熔化温度以及保温时间进行严格管控。高温时,添加的增强颗粒,尤其是碳化硅颗粒,极易产生界面反应,例如,3SiCA1-A14C3+3Si等。进而导致熔体粘度过大,难以浇筑,影响材料本质。此时相关工作热暖可以采取精炼方法,然后添加适量变质剂造渣。但这种操作方法并不适用于颗粒增强铝基复合材料。
2.4粉末冶金成型
粉末冶金成型技术是最早期的制造晶须以及颗粒符合材料零部件、金数基复合材料的手段,具有非常丰厚的实践检验,不仅如此,该技术手段还适用于尺寸较小、形状简单但是具有较高精密性要求的零部件。粉末冶金成型技术具有组织细密、增强相分布均匀、增强相可调节以及界面反应较少等特点,DWA公司现阶段,应经将粉末冶金成型技术延展到多种产品的制造工程中,例如,SiCp增强铝合金基体、管材、自行车零件、自行车支撑设备架以及自行车架等。由于粉末冶金成型技术加工的产品具有非常显著的耐磨性、比模量以及比强度,因此,也受到了航天器材、飞机以及汽车的广泛推崇。
3结语
金属材料在材料成型与控制工程中,属于加工难点,而且极具重要性,发展前景非常广阔,随着科学技术的快速发展,其将受到更多行业领域的青睐以及注重,我国必须给予高度重视,通过不断科研,促使自身的技术水平实现突破与创新,这对提高我国的国际竞争力至关重要。
参考文献:
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【关键词】矿山机械 焊接 维修与维护
中图分类号:F407.4 文献标识码:A 文章编号:
“维修”在现代工业社会中地位日趋重要。随着微型计算机技术的成熟和在工程领域的应用,对设备的可用性与可靠性提出了更高的要求。设备的维修理论和技术开始成为工业生产中的关键性技术和理论。
通过研究,人们对设备故障的观点在发生变化,相应的维修技术也取得很大的发展。状态监测技术、可靠性理论、计算机技术、专家系统等新技术和新方法不断地被应用于维修领域。维修技术和理论越来越受到广大研究人员的重视,并成为现代工业生产的关键性保障技术。
我国的矿山主要是依靠矿山设备,在我们的生产中由于设备维保存在的问题,造成很多的突发事故,造成很大的经济社会损失。一般情况下主要面临的问题有机械部件失效、液压部件失效以及箱体和其他结构件失效。
追溯机械设备维修的历史,依其在生产中的重要程度大致可分为三个阶段。第一阶段为第一次工业革命前(瓦特发明蒸汽机以前),机械设备十分简单,此时的维修为简单的事后维修,维修工作对生产的影响不大。
第二阶段为第一次工业革命开始到70年代末微型计算机技术的成熟和在工程领域的应用。此阶段以第二次世界大战为界大致分为前、后二个时期。在前期,工业机械化程度不高,因此停机时间无足轻重。大多数管理人员认为预防设备的故障并非大事。
第三阶段为70年代后期微型计算机技术的成熟到现在。随着微型计算机技术的成熟和在工程领域的应用,对机械设备的可用性与可靠性提出了更高的要求。设备的维修理论和技术开始成为工业生产中的关键性技术和理论。此时人们期望通过维修使设备具有更高的可用性、更高的安全性、更长的使用寿命、更高的成本效益和可靠性。同时,维修必须的停工时间也始终影响着生产率的提高,对采矿业、制造业和运输业等行业来说尤为重要。
提高焊接技术应用的对策:1、焊前的准备工作。了解焊件材料 ,选择与之匹配的焊条。一般情况下我们需要对焊件的化学成分、机械性能、抗裂性、耐腐蚀性及高温性能等方面加以区分,这是我们选择适合的焊条的前提条件,再根据焊接结构形状、受力情况、焊接设备和焊条售价来选用具体的型号和牌号。在这一过程中我们需要遵循的一些基本要求如下:①等强度原则。对承受一般载荷的工件进行焊接时,通常选用焊条抗拉强度与原材料相等,或稍高于原材料的焊条。除满足强度要求外,应选用塑性和韧性指标较高的焊条进行焊接修复。②同等性能原则。在特殊环境下工作,如要求耐磨、耐腐蚀、耐高温或低温等具有较高力学性能的工件,则应选用能保证熔敷金属的主要成分和性能与原材料相近或相似的焊条。如焊接不锈钢部件应选用不锈钢焊条。但是异种钢焊接时,要根据强度较低的钢材来选用相应的焊条。只有这样我们才能够很好的根据具体的情况来实现最佳的焊接效果,确保焊接效果持久,焊接机械才能确保使用安全。
2、对焊件进行焊前清理。焊缝根部焊透和接头是我们进行焊接工作的关键部分,这一部分的焊接决定了焊接的效果这就要求我们根据具体的情况采用不同的焊接技术,焊修部位需要用碳弧气刨开合适的坡口。选择坡口一般遵循以下原则:①保证工件焊透,便于焊接操作;②坡口形状容易加工;③尽可能提高焊接生产率和节省焊条,尽可能减小焊后变形。有裂纹的焊修部位要把裂纹彻底清除干净,以免留下微小裂纹引发裂纹扩展,最终导致焊件破坏。焊修和开坡口部位及焊接区周围20mm内要用手动砂轮机等工具打磨至露出金属光泽。通过以上的技术处理,就能够很好地确保焊接效果,确保机械得到良好的维护,从而保证在使用中的耐久性。
焊接中的注意事项:1、环境的影响。采矿的机械使用环境一般比较恶劣,风吹日晒雨淋造成部件的老化,其特殊的环境对焊接也提出了很高的要求:空气湿度大会使焊面含氢量增高,产生气孔缺陷的几率增大,从而降低了焊口的强度,可选用低氢型焊条,需要烘干的要严格控制烘干温度和时间以及烘干次数,尽量做到随烘随用,可以有效降低气孔、裂纹等焊接缺陷的产生;风力过大会使焊接的电弧不稳,增加焊接应力,当焊接作业环境的风力≥2m/s时 ,应正确的选择焊接材料和运枪方法,并采取防风等工艺措施,如在焊接区域做局部遮挡,采用以上的技术就能很好地解决现场环境恶劣的问题,实现我们焊接的目标,确保焊接的效果。
2、温度的影响。焊接温度也对焊接效果有着很大的影响,特别是北方冬季特别寒冷,最顶温度可以达到零下20多度,一帮情况下在这样寒冷的温度下是不能开展焊接的,比较容易出现的就是造成冷焊、虚焊;如果焊接温度过高,可能导致焊点机械强度下降,可靠性下降。实验证明,随着温度的升高,金属的机械强度明显下降,因此要实现理想的焊接,必须严格控制焊接温度。同时也要控制好焊前预热和焊后热处理的温度,焊前预热可降低温差和缓慢冷却速度,减少焊接应力。
3、矿山机械维护方法。我们当前的制度是按计划进行维保,确定良好的维保周期,它分为日检、周检、月检及大修。这样的模式在一定程度上很好的解决的当前面临的问题。但是他的缺点也是很明显的,就是不能实时掌握机械具体的情况,不仅人为地增加了设备停机次数和时间,浪费维修费用,而且不利于设备固有可靠性的发挥,从而造成在维修中被动跟着走情况。
应综合应用可靠性理论、计算机技术、状态监测、预测、管理等技术理论,针对我国的实际国情采用“针对性维修策略”,并确立其理论依据、理论要点和具体实施的方法步骤,以矿山机械设备(主要是采、掘、支机械,提升、运输机械,通风、压气和排水机械等)为对象进行了具体实施。建立了设备技术数据库,确定了各故障模式的模型及各功能部件的“针对性”维修方案。对以该策略为基础的矿山机械设备系统状态监测、预测、信息管理计算机系统进行研究,研制基于维修策略的矿山机械设备信息管理决策支持系统,对我国大型矿山机械设备维修管理、安全高效运行具有重要意义。机械加工工艺的1/15~1/20。所以,粉末冶金零件成型工艺技术对保护生产环境是非常有利的。
由于粉末冶金工艺技术在机械行业呈现出诸多优点,所以近年来工业先进国家的粉末冶金工业发展速度明显超过传统的机械工业和冶金工业。我国通过十几年的努力,粉末冶金工业已具有一定规模,达到一定水平。当前正重点研究提高铁基材料、铜基材料、摩擦材料和复合材料等已有产品的性能,同时开发各种先进的结构材料和功能材料,如精细陶瓷、超导材料、记忆合金和超微粒材料等。努力发展快速冷凝、机械合金化及STAMP法等新材料制造技术。只要结合工矿机械产品开发,扩大应用领域,厂家与用户紧密结合,不断进行使用性能、使用条件和应用范围的研究,粉末冶金工艺技术定会获得更好的经济效益和社会效益。
结语:我们需要根据机械使用的特点,建立健全完善的维保工作。在生产实践中可避免或减少设备故障的产生,缩短处理故障时间。焊接技术是矿山机械维修中非常必要的检修手段,焊接质量的好坏直接影响设备的运行效率。
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关键词:地方性高校;金属材料工程;培养模式
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2015)37-0075-02
材料是整个人类社会的物质构造基础,材料科学归属于基础性科学,也是先进工业技术改革的推动力,它作为材料科学与工程这样一个材料大学科的重要分支之一,即金属材料工程,该本科阶段教育的目的是可以较好地教育出适应工业经济和科技发展要求的高技术工程人才,人才培养与社会发展需求之间的对接要引起注重,强调在教学过程中结合专业基本理论和实践操作能力、掌握先进知识和培养创新能力、创新和实践能力的高级应用科学和技术的专业人才。因此,当地的学院和大学金属材料工程应用型本科人才培养模式的改革具有重要的现实意义。
教育部对新建本科院校的重点应转移到提高学校的教育水平,学校应牢牢把握区域经济发展的人才培养、科学研究和社会服务等实际需要,培养应用型工程为主,多元化的人才培养规格和模式。金属材料工程应用型本科院校专业人才的培养,如何满足区域社会经济和工业技术的发展,如何培养相对具有坚实的专业理论基础和较强的创新思维和实践能力的高级工程技术人才,是国内地方高校目前各种材料专业建设面临的主要研究课题。
一、高校材料类本科专业人才培养现状
目前,我国本科教育,特别是地方高校教育普遍存在的问题是严重缺乏创新意识和创新能力,难以适应快速发展的人才市场需求。一方面,在实际教育过程中,学校注重理论教育,轻视实践操作技能培训,只满足在现有知识的记忆和再现,不能使用知识大胆创新探索。另一方面,学生毕业后进入社会,在面对不断变化的科学技术和先进的生产手段的实际工作中遇到的创新主题,从自己的知识储备的质量和能力方面,似乎严重不足。
近年来,材料科学与工程教育改革在中国发展迅速,许多高等院校材料从人才培养模式、课程体系、教学内容、实验教学体系和教学方法等许多方面进行了大胆的改革和创新。材料科学与工程一级学科,在淡化专业个性教育模式的基础上,构建“大学科”主题共用知识,培养面宽,在高质量研究型人才培养方面取得了一些好的经验和成果。对于“985工程”和“211工程”院校可能很适合,但对于生源差和科研实力不高的地方高校而言,不能盲目地复制其他重点大学的改革模式。
二、地方性高校金属材料工程专业培养模式
1.地方性高校金属材料工程专业定位。金属材料工程是工业经济发展的重要支柱,在航空航天工业、能源化工领域、国防军工方面、冶金机电行业均发挥着相当重要的推动作用。如何依托地方,为地方工业经济发展培养具有金属材料工程专业背景知识的应用型创新人才,是目前国内高校金属材料工程专业建设面临的重大课题。地方本科院校金属材料工程专业人才培养应基于地域化目标定位,结合自身资源条件和区域工业经济发展对人才的需求状况,构建金属材料工程本科专业人才的培养体系,并通过突出地方特色培养金属材料工程专业人才的核心竞争力。
根据江西省新材料产业和工程技术发展的实际需要,为江西省材料产业和工程技术发展储备工程技术人才;同时增进学校与政府、与金属材料表面技术行业、金属材料热处理行业以及相关企业之间的互动,联合培养应用型人才。此外,通过理论与实践教学相结合,以创新实验项目为载体,突出创新能力的培养;以企业工程项目为载体,培养工程应用意识,提升工程方面的素质和能力,出于这种原因,我校金属材料工程专业人才培养的主要目标定位是:具备金属材料工程领域的基础知识,了解材料科学与工程领域的相关专业知识,能在材料制备与质量检测分析、金属材料热处理、钢铁冶金与机械加工企业和相关行业工作,适应社会主义经济发展的高层次、高素质的应用型创新人才。
2.地方性高校金属材料工程培养模式。金属材料工程建设将学校的现实与当地区域经济发展相结合,坚持技术应用研究人才培养目标定位,从而有效地开展错位竞争、拓展生存和发展空间较大的专业。根据培养目标,积极探索切实可行的人才培养体系、机制和人才培养模式。人才培养模式改革是各种教学过程改革的重中之重,应该遵循高等教育的发展规律,仔细研究适应未来高等教育的科学发展趋势,根据培养高素质人才的总体要求,建立起能够充分激发在校大学生的学习主动积极性和创新创业精神,能使学生的个性得到充分发展,同时也能整体增长知识、能力和素质,具有新时代新特征的多样化应用型高层次工程人才培养模式。
结合地方经济的工业发展,九江学院的金属材料工程专业在整个教学体系中,理论主干课程包括物理化学、电工电子学、材料科学基础、金属工艺学、热处理原理、热处理工艺及设备、金属材料学、材料研究方法、材料失效分析、材料力学性能、金属材料工程专业综合实验。与此同时,开设了两个专业方向,(1)金属材料塑性成型与模具方向:金属塑性成形原理、锻造工艺及模具设计、冲压工艺及模具设计、挤压工艺及模具设计、模具CAD/CAM软件应用、模具制造工艺学、Pro/E造型及模具设计、压铸工艺及模具设计。(2)金属材料热处理与测试方向:先进材料制备技术、粉末冶金原理、无损检测、材料的腐蚀与防护、冶金质量分析、材料物理性能检测、材料表面技术工程、先进复合材料。为了配合理论教学,大量安排实践性课程与之配套,让学生能够利用理论知识解决实际工程技术问题,实践性教学课程主要包括金工实习、金属材料专业实验、热处理工艺及设备课程设计、粉末冶金原理课程设计、材料表面技术课程设计、生产实习、毕业实习、毕业论文(设计)等。
三、地方性高校金属材料工程专业培养模式改革创新
1.培养模式进行改革探索。作为地方性高校的金属材料工程本科专业,应该充分认识到地方性区域工业经济未来发展对自己学校所设置的金属材料工程本科专业人才的确实需求,根据该本科专业的定位和特色,确定专业人才培养模式。金属材料工程专业的培养模式要从我校的实际出发,根据目前九江及周边区域工业经济与本专业相关单位的现状及发展,在原有培养模式的基础上,逐渐将原有的一味培养技术应用型人才过渡到应用技术研究创新型人才的培养目标和定位,这样才能有效地开展多层次培养,避免将学生培养成一个模子技能的技术人才,根据学生的特色,因材施教,拓展专业培养的发展空间,形成专业的办学特色,形成应用技术研究创新型多层次人才的培养新模式。
2.授课体系进行改革修订。为了能更好的对金属材料工程应用型本科人才培养计划和课程进行改革,我们在现有基础之上进行了以下准备性的工作:在相关大学进行调查研究,学习专业课程体系建设的成功经验,探索课程建设的内涵和专业内容集成优化,访问有关材料企业,了解社会对金属材料工程本科专业所需要的新知识、新能力和高素质要求,对九江学院近几年毕业的金属材料工程专业的学生进行系列性的跟踪调查,了解就业单位对我们学校该专业毕业生的满意程度,以及该专业毕业生对现有的人才培养模式、课程体系、专业教学知识点的意见及建议,邀请校内外知名教学专家,召开系列专家指导会,制定该本科专业课程体系和专业教学知识点方面改革的确实可行的方案,撰写新的人才培养方案,专业教学大纲内容将随之进行整合优化。专业主干基础课程建设得以加强,并根据区域经济发展的社会需求,设置相应并可行的必修课程,同时形成金属材料热处理与测试方向、金属材料塑性成型与模具方向两个具有一定地域工业特色的专业方向,使该专业的在校大学生形成比较完整的基础性知识及社会所需要的专业性知识。
3.配套平台进行改革探索。为配合模式及课程改革,必须对教学及研究平台进行更新建设,充分并有效地发挥本专业的专业实验室设备优势。近两年,本专业在原有实验设备的基础上,通过多渠道项目经费购置了200多万元的教学兼科研实验设备,满足了本专业各种专业理论课程的配套实践性教学需要。目前,九江学院金属材料工程的专业实验室有:表面技术实验室、粉末冶金材料及工艺实验室、材料化学制备实验室、材料物性检测实验室、材料热处理实验室、金相制样及分析实验室、铸造技术实验室、材料力学性能实验室和材料微纳结构分析实验室。通过这一系列实验平台的建设,金属材料工程专业的发展将得以支撑。根据本专业的特色,在九江和周边地区与九江新联传动机械有限公司、九江森源科技有限公司、九江博德新材料研究公司、九江奥盛钢缆科技有限公司等企业进行实质性地合作,建立产学研及学生实习见习基地,并聘请企业技术骨干和学校教师联合指导毕业论文(设计)工作,学生的实践操作能力和工程技术应用能力得以较好的培养。
关键词:高密度合金烧结性能
1 绪论
凭借高密度、高强度的优点,钨基高密度合金在现代工业中得到广泛应用,并且在国防工业中占据着主导性地位。随着工业化进行的不断加快,人们对钨基高密度合金的性能提出更高要求。提高钨基高密度合金的综合性能被东欧各国专家学者的普遍关注,通过对钨基高密度合金的应用背景进行研究分析,在对钨基高密度合金研究现状的基础上,阐述了本文写作的目的、意义和内容。
2 研究现状
对钨基高密度合金进行烧结,传统的烧结工艺为液相烧结。通过采用液相烧结对钨基高密度合金进行烧结时,由于烧结温度比较高,导致晶粒长大,并且在烧结时固/液密度存在很大的差别,在重力的影响喜爱引发黏性流动,导致钨晶粒出现聚集,进一步发生严重的坍塌变形。进行钨基高密度合金烧结时,对性能、组织的均匀性都有较高的要求。
3 实验方法
3.1 合金原料。制备钨基高密度合金的原料,其部分性能指标如下表3-1所示。
■
3.2 制作钨基高密度合金。钨基高密度合金的制备工艺如下:
3.2.1 设计合金成分和配料。根据相应的研究内容对合金成分进行设计。
3.2.2 混料。合金混料的化学成分配比根据实验设计进行,参照表3-1的原料进行配比后,在钢质V型混料机中进行混料,混料用球为硬质合金球,球料比为1:1,球磨时间为8小时。
3.2.3 捏合:将混好的料放入捏合机,捏合温度为100-120℃,捏合时间为30分钟。
3.2.4 降温过筛:将捏合完的料置于温度为25℃的空调房内,温度达到室温后,过40目筛。
3.2.5 成形:本实验采用普通模压成形,压制方式为单向阴模浮动压制。
3.2.6 脱脂:脱脂在氮气罩式脱脂炉内进行。
3.2.7 烧结:烧结工艺根据实验内容不同而进行选择。
3.2.8 监测、分析。
4 性能检测
4.1 抗拉强度检测。在LJ-3000A型机械式拉力试验机上测量抗拉强度,拉伸速率为1mm/min,相应的应变速率为1.1×10-3s-1。抗拉强度σb为:σb=■
式中:F为断裂载荷,S为试样截面积。
4.2 伸长率检测。合金延性通过以抗拉试样测试的方式进行。其室温伸长率σ为:σ=■×100%
式中:l为试样断后长度,l■为试样断前长度。
4.3 冲击韧性检测。对冲击性能的测量是在通过摆锤式冲击实验机上进行的。采用10×10×55无缺口试样对冲击性能进行测试。冲击韧性αk为:αk=■
式中:AK为冲击功,SN试样截面积。
4.4 观察扫描电镜。借助JSM-5600LV型和KYKY-2800型扫描显微镜对拉伸试样及冲击试样断口进行分析。
5 烧结方式对W-Ni-Fe系合金力学性能的影响
5.1 实验方案 根据表5-1所示,进行对实验所用原料钨粉、镍粉、铁粉的设计。W-Ni-Fe系高密度合金分别采用氢气烧结和真空烧结的方法进行制备,氢气烧结采用双温区的钼丝推杆炉,一区850℃、二区1500℃,推舟速度45min/舟,真空烧结时升温速率为8℃/min升到1200℃
保温40min,再以5℃/min升到1500℃保温60min,随炉冷却,真空度为0.01Pa。
■
5.2 实验结果
5.2.1 合金显微组织及断口形貌。不同气氛中烧结的95W-3.5Ni-1.5Fe合金拉伸断口形貌如图5-2所示。由图可以看出,氢气烧结态合金的断口呈现出典型的沿晶断裂形貌,断裂方式以钨-钨断裂和钨-粘结相断裂为主要形式,另外,钨-粘结相界面处有少量微孔。
5.2.2 检测合金力学性能。在表5-3中分列了氢气烧结、真空烧结态合金力学性能的检测结果,可以看出真空烧结态合金的力学性能优于氢气烧结态合金,其抗拉强度和伸长率都较氢气烧结态合金均有不同程度的提高,但冲击韧性略低于氢气烧结态合金。
6 结论
6.1 真空烧结和氢气烧结都属于液相烧结,进行烧结时遵守“扩散-溶解-析出”的机制。
6.2 通过真空进行烧结,一方面消除氢脆的影响;另一方面有效地改善了液相对固相颗粒的润湿作用。同氢气烧结相比,在一定程度上提高了合金密度和力学性能。
6.3 同氢气烧结态合金相比,真空烧结态合金的抗拉强度得到了有效的提高,但是伸长率变化不明显,冲击韧性略有降低。
参考文献:
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关键词:Sm2Fe17Nx;稀土永磁材料;粘结剂
中图分类号:TM27 文献标识码:A
一、稀土永磁材料发展历程回顾
稀土永磁材料是以稀土金属元素与过渡族金属所形成的金属间化合物为基体的永磁材料,通常称为稀土金属间化合物永磁,简称为稀土永磁。到目前为止,稀土永磁材料经历了三个发展阶段,第四代稀土永磁正在酝酿之中。
20世纪50年代,随着粉末冶金和液相烧结工艺开发与研究的深入,高性能烧结SmCo5永磁体的生产迈入了产业化阶段,第一代稀土永磁材料走向实际应用。随着社会的进步,人们不断的探寻高性能的稀土永磁材料以满足工业日益发展的需求。1977年,Ojima等人用粉末冶金法制出了(BH)max=30MGOe的Sm2(Co,Cu,Fe,Zr)17永磁体,使之成为第二代实用稀土永磁材料的典型代表。高性能Sm-CO永磁体的出现极大地推动了仪器仪表工业和其它现代技术的发展,但由于第一、第二代稀土永磁材料的主要成分为金属Co,这种材料价格昂贵,且又是战略物资,因此,第一和第二代稀土永磁的工业化生产和市场扩展都受到了限制。
20世纪70年代,Clark等人发现将TbFe2化合物做成非晶态并退火后其矫顽力可大大提高,这启示人们将R-Fe化合物做成非晶态,然后通过热处理析出非平衡的新相来实现磁硬化。80年代初,科学家先后采用快速凝固技术系统地研究了Nd-Fe二元系合金的磁特性。后来又向合金加入B元素,其目的是获得非晶态的Nd-Fe合金,却意外地发现这种三元合金具有较高的矫顽力,且居里温度Tc也高,这一发现引发了稀土永磁材料研究的热潮。
与钐钴合金不同,Nd-Fe-B永磁材料用丰富廉价的铁取代了紧缺昂贵的钴,大大减少了对Co的依赖,大幅度地降低了成本。更重要的是它具有磁性能高,机械力学性能好,性价比高(为Sm-Co永磁材料的140%)等优点,因而在当今磁性材料领域成为一枝独秀,成为第三代永磁材料。
从物理特性上看,Nd-Fe-B永磁体有其固有的弱点,特别是居里温度不高,矫顽力的温度系数大难以应用于高温领域,另外还存在温度稳定性和化学稳定性较差等问题。因此,自20世纪90年代以来,磁学工作者在不断改进Nd-Fe-B系稀土永磁材料性能的同时,也在探索其它新型的铁基稀土永磁材料,主要侧重在以下几个方面:
①R2(Fe,M)17Ny、R2(Fe,M)17Cy等间隙稀土化合物的研究。
②3:29型R3(FeM)29(Ti,V,Mo等)化合物及其氮化物的磁性能研究。
③具有ThMn12型结构的R(Fe,M)12(M=Ti,V,Mo,si)化碳、氮化合物以及1:7型的碳、氮化合物的结构与磁性研究。
④高性能的纳米复合永磁材料研究。
二、Sm-Fe-N稀土永磁材料发现
由于在R-Fe二元系中,R2Fe17化合物的Ms点普遍较高,稳定性好,并且富铁,因而长期以来,一直为永磁材料工作者所关注。但遗憾的是在二元R2Fe17化合物中,Fe-Fe原子间距过短,他们具有反铁磁交换作用,从而导致R2Fe17化合物的Tc不高(110~119℃),并且多数是易基面,各向异性场低。因此二元的R2Fe17化合物一直未能成为有实用意义的永磁体。
随着时间的推移,情况发生了变化。先是发现稀土金属化合物能吸收大量的氢,吸氢使其磁性能发生显著的变化;接着又发现用少量的磁性或非磁性元素如Al等部分替代R2Fe17中的铁,也可提高2:17化合物的Tc;后来又发现将C原子引入到Sm2Fe17化合物中,不会改变合金的晶体结构,但使其Tc和Ms均提高,并且将该化合物的易基面转化为易C轴,随C含量的提高其HA提高,室温HA可以达到1.53T。
在这些研究的启迪下,人们开始考虑能否将Sm2Fe17化合物进行改进,使之成为具有永磁特征的材料。
在上述基础上,1990年,作为欧共体"稀土永磁开发与研究计划"首席科学家Coey采用气固反应法成功地合成了一系列R2Fe17Nx化合物,并对它们的结构和磁性能作了详细研究,发现Sm2Fe17Nx化合物具有优异的内禀磁性能,可作为永磁材料,从而宣告了SmFeN稀土永磁材料的诞生。
Sm2Fe17Nx化合物具有优异的内禀磁性能。它的Js可达1.54T,(BH)max可达472.0kJ/m3,完全可以和Nd-Fe-B相媲美;同时它的各向异性场约为Nd-Fe-B永磁体的3倍;居里温度比Nd-Fe-B永磁体高160℃,也正因为如此,Sm2Fe17Nx稀土永磁材料成为了当今永磁材料研究领域的热点之一。
自Coey等人发现Sm2Fe17Nx系稀土永磁材料以来,世界各地迅速掀起了研究Sm2Fe17Nx系永磁材料的热潮,当时世界上有上百个试验室投入了这方面的研究。但随后的一系列试验证明这种永磁材料在产业化道路上并不成功,出现了研究时冷时热的局面。
近几年来,随着汽车工业以及电子电器小型化、轻量化的快速发展,人们对永磁体提出了更高的环境使用温度和磁性能要求,Sm2Fe17Nx系稀土永磁材料作为一种兼有良好温度稳定性和优异磁性能的永磁材料,其潜在应用价值再度引起人们的重视,Sm2Fe17Nx系永磁材料也迎来了新的研究和开发热潮。
三、 国外Sm-Fe-N稀土永磁材料产业化进展
目前,欧洲和日本在Sm2Fe17Nx系稀土永磁材料的生产和研究方面处于世界领先地位。
在"稀土永磁开发与研究计划"的支撑下,欧洲以Coey教授为代表的磁材领域的科技工作者在Sm2Fe17Nx的微观结构、磁性形成机理,氮化机理,温度特性等基础领域做了大量的研究工作,为Sm2Fe17Nx系稀土永磁材料的诞生、发展做出了不可磨灭的贡献,但遗憾的是他们在Sm2Fe17Nx系稀土永磁材料产业化方面最终未能有所突破。
日本在Sm2Fe17Nx系稀土永磁材料研究方面虽然起步比欧洲晚,但是有多家在磁材领域技术力量雄厚的公司和单位,如日本的广岛大学、日亚化学工业公司、日立金属公司、东芝公司、住友金属矿山公司、大同电子公司、TDK公司等一直在进行Sm2Fe17Nx系永磁材料的研究,在制备工艺、热稳定性、抗氧化、磁性能研究及产业化等方面研究成果显著,现在己能规模化生产高性能的各向同性和各向异性的Sm2Fe17Nx稀土永磁粉及其粘结磁体产品。2000年,日本日亚化学工业公司从一开始就考虑其回收,同时利用现有的生产铁氧体的设备采用还原扩散法生产出了Sm2Fe17Nx稀土永磁粉,该磁粉经注射成型为粘结磁体,其最大磁能积(BH)m已达到103kJ/m3以上,而且热稳定性及耐腐蚀性能好并已经产业化,目前正在进一步提高其磁性能,力争其最大磁能积(BH)max达到119kJ/m3,。东芝公司采用熔体快淬的法制备(Sm0.7Zr0.3)(Fe0.8Co0.2)9B0.1的非晶带,经晶化热处理后可获得微细、均质的晶粒,破碎后氮化获得(Sm0.7Zr0.3)(Fe0.8Co0.2)9B0.1Nx磁粉,目前该公司已经批量生产(BH)max为123kJ/m3的Sm-Fe-N磁粉产品。2002年秋大同电子公司批量购买东芝公司的快淬磁粉并将其制备成各向同性粘结磁体产品,2001年已经形成了年产70吨各向同性Sm2Fe17Nx磁体的生产规模。日立公司研究了多种添加元素对于改善Sm-Fe-N系化合物性能效果,并详细研究了利用氢处理使晶粒细化效果,发现通过复合添加微量Ti和B并控制氢反应条件,能有效地抑制α-Fe的形成,并获得均匀微细的组织,经过粉碎成75μm以下的颗粒,然后在氮气氛中623~773K数小时氮化处理即可获得磁特性优良且稳定的可靠的Sm-Fe-Ti-B-N磁粉。
此外,日本TDK株式会社在双相纳米晶复合永磁材料的研制也取得了一定进展。该公司最近推出的Sm2Fe17Nx/α-Fe各向同性复合磁体为纳米双晶磁体,其磁性(剩磁,矫顽力、最大磁能积)可达到:Br=0.99T、HcJ=656 kA/m、(BH)max=140kJ/m3。该磁粉可以重现的(BH)max达到96 kJ/m3,用这种磁体粉末制作的粘结磁体的(BH)max可达70kJ/m3。
在合金的氮化研究方面,国外的学者采取了多种先进方法进行了积极探索。韩国学者用Sm2Fe17合金作为靶采用从阴极真空溅射法研究了氮气压力、流速、热处理温度等对氮化后合金显微结构和磁性能影响,发现热处理温度在530℃,氮气速率为20%时Sm2Fe17Nx的矫顽力达l000Oe,饱和磁化强度达6500G;巴西科学家则在流动的N2/H2复合气体气氛中等离子体渗氮,增加复合气体中玩浓度能够减少富氮相Sm2Fe17N8和Sm2Fe17N11的量,增加Sm2Fe17N3和α-Fe的含量,当H2含量为70%时Sm2Fe17N3相的含量达到最大值。
四、国内Sm-Fe-N稀土永磁材料产业化进展
在Sm2Fe17Nx稀土永磁材料在日本实现产业化的同时,国内不少有远见和研发实力很强的高校和科研单位,如北京大学、北京科技大学、河北工业大学、四川大学、钢铁研究总院、中科院物理所、中科院金属所、浙江大学等也开始着手进行了这方面的研究。
北京科技大学周寿增等采用HDDR法获得了高矫顽力的各向同性Sm2Fe17Nx永磁粉末,并研究了该法工艺与Sm2Fe17Nx永磁性能之间的关系,发现原始粉末颗粒尺寸、氢处理温度与时间以及氮化温度与时间对Sm2Fe17Nx磁粉性能均有较大的影响,当原始颗粒尺寸大于10μm时Br和Hcj均有急剧下降,抽氢时间小于1小时,合金再化合不完全,磁粉矫顽力较低;他们还研究了Cr、Ga、Co等微量合金元素的单一添加对合金性能的影响,发现Cr、Ga可显著提高磁粉的矫顽力,而Co则使HCj降低。
另外,北科大胡国辉等采用Sm2O3和Ca、Fe作为原料,1100℃氧化还原4~7h,然后水洗得到了单相的Sm2Fe17化合物,并采用NH3+H2混合气体进行渗氮处理制备Sm-Fe-N合金粉末,并研究了破碎及球磨过程对磁性能的影响,指出该过程对晶粒的损伤和α-Fe的生成是降低矫顽力的主要因素,但这方面的工艺还需要进一步研究。
此外,北科大的邱晓峰等利用低温液氮球磨技术制备了Sm-Fe合金粉体,采用XRD、HRTEM和惰性气脉冲-红外-热导等方法对Sm2Fe17合金粉体在液氮球磨过程中的组织演变进行了研究。结果表明,液氮球磨可加速细化Sm-F合金粉体。随着球磨时间的延长,Sm2Fe17相向非晶态转变,降低球磨转速可以延缓非晶的形成过程。液氮球磨过程可实现同步氮化,缩短Sm-Fe-N磁性材料的制备工艺流程,有望为制备具有高磁性能的Sm2Fe17Nx纳米晶复合永磁材料提供新的途径。
河北工业大学崔春翔教授等也采用HDDR的方法,并系统研究了微量添加元素Zr、Nb、Ti等对工艺和合金磁性能的影响,指出Nb,Zr和Ti能有效降低合金中α-Fe的含量,其中Zr含量为1%at时铸态组织中基本不含α-Fe,获得了良好组织的母合金;随后采用常规氮化方法发现对于直径为20μm的颗粒,500℃下氮化6小时效果最佳,温度过高或时间过长,Sm2Fe17N3合金会的分解。
中科院沈阳金属研究所对HDDR过程的组成结构的变化以及合金元素Ti对结构与磁体性能的影响进行了比较的系统的研究时,制备出了磁性能可达Br=0.81T,HcJ=1670kA/m,(BH)max=103.5kJ/m3的Sm2Fe17Nx稀土永磁粉末。
总的来说,我国在Sm2Fe17Nx稀土永磁材料的研究方面主要集中在采用HDDR法、传统粉末冶金法以及还原扩散法等与常规的氮化工艺结合制备Sm2Fe17Nx磁粉以及微量的一元合金元素的添加等方面,其研究开发都只停留在实验室的水平,与国外相比有很大差距,尤其是产业化开发方面还是空白,还有较长的路要走。
五、Sm-Fe-N稀土永磁材料产业化主要症结
尽管Sm2Fe17Nx系永磁材料的研究取得了长足的进展,并且和第三代永磁体Nd-Fe-B相比,还有很大的挖掘潜力,但迄今为止,Sm2Fe17Nx系永磁材料并未能真正成为有实用意义的第四代永磁材料。在当今的永磁领域,仍然是Nd-Fe-B雄霸天下,这说明在Sm2Fe17Nx系永磁材料的研究和开发中还存在着一些问题,主要表现在以下几个方面:
(1)由于Sm高温容易挥发,Sm2Fe17的固熔区太窄,Sm-Fe母合金的熔炼过程中难以获得接近正分成分的Sm2Fe17合金。Sm含量过少,得到的合金含大量的α-Fe,甚至不能形成Sm2Fe17相;Sm含量过多,合金则会形成大量富衫相,这些相的形成均会降低磁体性能。
(2)难于获得成分均匀,相组成单一Sm2Fe17相合金。Sm2Fe17相合金是通过包晶反应而生成的,在凝固过程中不可避免地存在或多或少的α-Fe、富衫相等杂相,为了消除铸态组织中的杂相,往往通过长时间的均匀化退火工艺来获得相组成单一Sm2Fe17相合金。这个过程既费时又耗能,导致整个生产过程成本增加,致使Sm2Fe17Nx磁性材料的工业化大生产受阻。
(3)Sm2Fe17Nx的高温分解问题还未解决。Sm2Fe17Nx属于亚稳相,在温度高于600℃时将发生分解,且不可逆,即温度降低也不能再恢复成Sm2Fe17Nx。因此不能用一般的粉末烧结法制备Sm2Fe17Nx磁体,只能采用先制备出Sm2Fe17Nx粉末,然后制作粘结磁体,而粘结磁体的磁性能普遍低于烧结磁体的磁性能,所以如何在工艺上有所突破,制备出能在高温下工作的Sm2Fe17Nx块状磁体,是充分发挥Sm2Fe17Nx永磁体的内察磁性能以及能否与Nd-Fe-B磁体竞争的关键。
(4)Sm2Fe17合金氮化反应动力学很差。Sm2Fe17氮化不同于普通的钢铁氮化,要求所有的Sm2Fe17晶粒必须充分氮化,否则未氮化的Sm2Fe17会作为软磁相而严重影响Sm2Fe17Nx的永磁性能。另外根据微磁学理论,高内禀矫顽力必须在晶粒度接近理论单畴粒子尺寸(0.3μm左右)时才能得到,虽然通过气流磨制粉技术等技术能获得如此细的粉末,但粉末过细,氧含量增加会恶化磁粉性能。
(5)替代元素的作用尚未形成统一的认识。自Sm-Fe-N发明至尽,人们在研究了ⅣB,ⅤB,ⅥB,ⅦB,ⅧB族元素如Ti,V,Cr,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta、Mn,Co,Ni以及ⅠB族的Cu和Pr、Ce、Gd等合金元素的添加对SmFe合金结构以及性能的影响,在某些方面己经得到了广泛的认同,但是仍有不少方面尚存在分歧,尤其是添加合金元素采用不同制备方法得到的SmFeN化合物的结构与性能的影响方面尚无统一结论,有待进一步研究。
(6)磁体性能不稳定、重复性差,磁性能和理论值之间存在着较大的差距。制备Sm2Fe17Nx粘结磁体,需要经历一系列严格而复杂的工序,由于Sm2Fe17Nx的磁性能对工艺参数极为敏感,故重复性较差;此外,受制备手段、理论研究等多种因素的限制,生产的Sm2Fe17Nx磁粉的磁性能远远低于理论值。
六、高性能Sm-Fe-N稀土永磁材料产业化发展趋势
Sm2Fe17Nx内禀磁性能几乎可以与第三代永磁体Nd-Fe-B相媲美,并且具有居里温度高(Tc=470℃)、温度稳定性好的显著优势,完全具备了成为新型永磁材料的条件。但Sm2Fe17Nx的最大缺点是该化合物属于亚稳相,在温度高于650℃时完全分解成α-Fe和SmN,因而不能制备出致密的高性能烧结磁体,只能用来制作粘结磁体。如将以同种磁粉制成的烧结磁体的(BH)max作为100%,那么压缩成型工艺制成的粘结磁体为60%,而注射成型磁体仅为35%。所以,能否制备出大块的烧结Sm2Fe17Nx磁体,是其产业化关键。
虽然Sm2Fe17Nx远没有达到商品化的程度,但短短几年,发展极为迅速,很有可能成为继Nd-Fe-B之后的又一代新型永磁体。特别是由于Nd-Fe-B磁体的急速发展和市场上需求量的猛增,钕资源正面临枯竭,所以发展能够取代Nd-Fe-B的新型永磁体已势在必行,同时为了满足日益增长的对高温工作环境的需要,Sm2Fe17Nx的实用开发已经提上日程。
从商品化生产看,Sm2Fe17Nx永磁体的制备方法和工艺研究受到Sm2Fe17Nx是热力学亚稳相的严重阻碍,一旦能够开发出合适条件的制备工艺,那么就有充分开发其内禀磁性能的可能性,从而大大加快其商品化进程。为加速Sm2Fe17Nx的商品化进程,今后的研究重点和要求为:
(1)优化现有磁粉加工工艺
永磁体在实际应用中,是各种形状的永磁元件。其特点是批量大、尺寸精度高,要求采用全自动成型。因此解决磁粉工艺问题是其实用化的基本条件。
目前制备Sm2Fe17Nx磁粉及其纳米复合磁粉的制备方法主要有:机械合金化法、粉末破碎法、熔体快淬法、氢化歧化(HDDR)法等。
其中,机械合金化法可以制得高矫顽力的各向同性Sm2Fe17Nx磁粉,该法不需要大型的设备,是一种简单的磁粉制造方法,但由于长时间的球磨,机械合金化法极易造成粉末氧化,从而降低磁粉的磁性能,再加上周期长、能耗大等缺点,限制其在生产中的推广应用。
熔体快淬法制备的Sm2Fe17Nx化合物粉末组织和成分均匀,晶粒细小,工艺简单,有利于工业化大生产,但由于此工艺条件要求苛刻,大规模生产有一定困难,如何有效地控制其工艺参数尚需进一步深入探讨。
还原扩散法利用还原剂还原稀土氧化物,使之成为稀土金属,再通过稀土金属与过渡族金属的互扩散直接得到稀土永磁粉末。此法制备Sm2Fe17Nx化合物粉末的优点是原料成本低,缺点是实施起来比较困难。目前日本用此法已经获得了巨大成功并实现了产业化,但在国内进展缓慢。
HDDR工艺由于具有设备简单,均匀性好,含氧量低,收得率高,不仅能制备各向同性而且能制备各向异性磁体等特点,是目前具有良好应用开发前景的新型的磁粉制备工艺。但是由于该过程涉及的反应众多,过程和机理复杂,尤其是Sm2Fe17合金在HDDR过程中微观结构演化过程和机理,以及晶粒细化机理尚不完全清楚,所以HDDR法制备Sm2Fe17Nx的工艺还有待进一步研究。
虽然实验室制备的Sm2Fe17Nx永磁性能已经获得了很大的提高,但重复性差,批量生产性能不稳定是目前Sm2Fe17Nx商品化的关键症结。第三代永磁体Nd-Fe-B之所以能够在永磁材料领域占据统治地位,与其工艺成熟不无关系。Sm2Fe17Nx的产业化化应该以现有工艺为基础上,开发出出能够生产性能优良、价格适中、重复性好的最佳工艺路线。
(2)努力开发新的粘结剂和成型方法
粘结永磁体的生产工艺可分四种:压延成型、注射成型、挤压成型和模压成型。由于Sm2Fe17Nx在较高温度下会发生分解,所以只能制作粘结磁体。最初人们用有机物如尼龙、环氧树脂作粘结剂,由于这些粘结剂只能使用在200℃以下,不能充分发挥Sm2Fe17Nx高温性能好的优点,所以如何在工艺上有所突破,能否开发新型的粘结剂,是Sm2Fe17Nx磁体与Nd-Fe-B磁体竞争的关键。
近年来,一些低熔点金属开始受到广泛的关注,人们用低熔点金属Zn、Sn等做粘结剂,但由于低熔点金属如Zn作为粘结剂,会降低饱和磁化强度,进而导致(BH)max较低。可见,要使Sm2Fe17Nx的性能得到充分发挥,寻找良好的粘结剂至关重要。
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[关键词]现代模具设计制造CAD/CAE/CAM
一、前言
我国的模具工业的发展,日益受到人们的重视和关注,在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中,60%~80%的零部件都要依靠模具成形(型)。用模具生产制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和代消耗,是其它加工制造方法所不能比拟的。近几年,我国模具工业一直以每年15%左右的增长速度发展,2003年,我国模具总产值超过400亿元人民币。
二、现代模具的设计
将客户提供的图纸或计算机文件资料输入电脑,使用CAD/CAE进行设计并做模拟实验,得出所需要的计算机文件,在此设计过程中,系统可进行图纸编辑。设计完成的模具零部件可使用电脑系统的实体成型功能将其显示出来,以便观察设计的正确性及可能需要进行优化处理,之后还可以借助系统功能进行强度、模温、塑料流动状态等模拟测试。如果发现设计有误可重新修改设计。
模具CAD/CAE/CAM技术是改造传统模具生产方式的关键技术,能显著缩短模具设计与制造周期,降低生产成本,提高产品质量。它使技术人员能借助于计算机对产品、模具结构、成形(型)工艺、数控加工及成本等进行设计和优化。
目前,世界上大型的CAD/CAE/CAM软件系统有英国Delcam公司的系列化软件;以色列Cimatron公司的Cimatron系统;澳大利亚Modflow公司的软件MPA、MPX、MPI;美国PTC公司CAD/CAE/CAM集成软件系统Pro/E;美国EDS公司的UG;美国Solidworks公司的Solidworks软件;C-mold公司的注塑模CAE软件C-mold;近年来,我国自主开发的有上海交大的冲裁模CAD/CAM系统;北京北航海尔软件有限公司的CAXA系列软件;吉林金网格模具工程研究中心的冲压CAD/CAE/CAM系统;华中科技大学研制的软件HSC3D4.5F;郑州工业大学Z-mold软件等。
三、现代模具的制造
1.CAD/CAE/CAM计算机辅助设计、模拟、制造一体化
CAD/CAE/CAM一体化集成技术是现代模具制造中最先进最合理的生产方式。使用计算机辅助设计、辅助工程与制造系统,按设计好的模具零件分别编制该零件的数控加工程序是从设计到制造的一个必然过程,该过程都是从CAD/CAE/CAM系统内进行的,其加工程序直接由联机电缆输入加工机台,在编制程序时可利用系统中的加工模拟功能,将零件刀具、刀柄、夹具,平台及刀具移动速度、路径等显示出来,以检查程序编制的正确性。总之在CAD/CAE/CAM系统内编制和模拟加工程序可以充分了解发现的问题,从而在加工之前,将整套加工程序作好完善修改工作,这对于高效、准确的加工模具零件有着相当重要的意义。
2.先进设备在现代模具制造中的作用
现代模具制造的必然趋势,就是机械加工尽可能地取代人工加工,尤其现在数控车床、多轴联动机床、数控模具雕刻机、电火花加工机床、数控精密磨床、三坐标测量机、扫描仪等现代设备在工厂中的广泛使用,而且这些设备大部分所用的程序基本上都是应用CAD/CAE/CAM系统产生的,操作人员工作按照规定的程序装夹工件,配备刀具和操作,机台就能自动地完成加工任务,并将理想的模具零件制造出来或为下一加工工序完成规定的部分。3.模具材料及表面处理技术
因选材和用材不当,致使模具过早失效,大约占失效模具的45%以上。在整个模具价格构成中,材料所占比重不大,一般在20%~30%,因此,选用优质钢材和应用表面处理技术来提高模具的寿命就显得十分必要。对于模具钢来说,要采用电渣重熔工艺,如采用粉末冶金工艺制造的粉末高速钢等。模具钢品种规格多样化、产品精细化、制品化,尽量缩短供货时间亦是重要发展趋势。
模具热处理的主要趋势是:由渗入单一元素向多元素共渗、复合渗(如TD法)发展;由一般扩散向CVD、PVD、PCVD、离子渗入、离子注入等方向发展;另外,目前对激光强化、辉光离子氮化技术及电镀(刷镀)防腐强化等技术也日益受到重视。
四、逆向工程
逆向工程即先对制件(所加工的产品)进行扫描生成多种格式的CAD数据,再在另外的CAD/CAE/CAM软件中进行改型设计,该技术是现代模具制造中最流行的模具制造技术。英国雷尼绍公司专门为模具制造开发生产的扫描系统,就可以成功地应用于模具制造的逆向工程中,它不仅可以改善数控机床的性能,扩大数控机床的功能,而且还能提高数控机床的效率。雷尼绍公司的Retroscan、Renscan200、Cyclone高速扫描机已被青岛海尔、济南轻骑、国家模具中心等单位开始使用。