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粉末冶金成形技术

第四章粉末冶金成形技术

一、粉末冶金成形定义：

用金属粉末或金属与非金属粉末的混合物作原料，采用压制、烧结及后处理等工序来制造某些金属材料、复合材料或制品的工艺技术。

粉末冶金生产工艺与陶瓷制品的生产工艺相似，因此粉末冶金成型技术又常常叫金属陶瓷法。

方法：

将均匀混合的粉末材料压制成形，借助粉末原子间的吸引力和机械啮合作用，使制品结合成为具有一定强度的整体，然后再高温烧结，进一步提高制品的强度，获得与一般合金相似的组织。

二、粉末冶金材料或制品

1.难熔金属及其合金（如钨、钨——钼合金）；

2.组元彼此不相溶，熔点十分悬殊的特殊性能材料，如钨——铜合金；

3.难溶的化合物或金属组成的复合材料（如硬质合金、金属陶瓷）

三、粉末冶金成型技术特点：

1.某些特殊性能材料的唯一成型方法；

2.可直接制出尺寸准确，表面光洁的零件，是少甚至无切削的生产工艺；

3.节约材料和加工工时；

4.制品强度较低；

5.流动性较差，形状受限；

6.压制成型的压强较高，制品尺寸较小；

7.压模成本较高。

四、粉末冶金成形过程

原始粉末+添加剂→混合→压制成型→烧结→零件成品

5、粉末冶金工艺理论基础

一）、金属粉末的性能

金属粉末的性能对其成型和烧结过程及制品质量有重要影响，分为化学成分、物理性能和工艺性能。

固态物质按分散程度不同分为致密体、粉末和胶体。

致密体：

通常所说的固体，粒径在1mm以上；

胶体微粒：

粒径在0.1μm以下；

粉末体或简称粉末：

粒径介于二者之间。

1.粉末的化学成分

主要金属或组元的含量，杂质或夹杂物的含量，气体的含量。

金属的含量一般不低于98-99%。

2.粉末的物理性能

1）颗粒形状：

球状、粒状、片状和针状。

影响粉末的流动性、松装密度等。

2）粒度：

粉末颗粒的线性尺寸，用“目”来表示，用筛分法等测量。

对压制时的比压、烧结时的收缩及烧结制品的力学性能有影响。

3）粒度分布：

按粒度不同分为若干级，每一级粉末（按质量、数量或体积）所占的百分比。

对粉末的压制和烧结有影响。

4）颗粒比表面积：

单位质量粉末的总表面积，可算出颗粒的平均尺寸。

对粉末的压制和烧结有影响。

3.粉末的工艺性能

1）流动性：

粉末的流动能力，用50g粉末在规定条件下从标准漏斗中流出所需的时间来表示,单位为s/50g。

等轴状或粗颗粒的粉末流动性好，但受颗粒粘附作用的影响。

流动性直接影响压制操作时的自动装粉和最终得到的压件密度的均匀性。

2）松装密度

在规定条件下粉末自由填充单位容积的重量，单位为g/cm3.

颗粒较粗、密度较大的粉末，松装密度大。

松装密度不同，压制成形坯料的高度或孔隙率不同。

3）压缩性

在加压条件下粉末被压缩的程度，用规定压力下粉末所能达到的压坯密度表示。

提高压制力或松装密度、减小压坯速度或粉末的强度，压缩性增大，压坯密度增加。

4）成形性

粉末被压缩成一定形状并在后续加工中保持这种形状的能力。

一定压力下获得的压坯强度越高，成形性越好。

二、粉末压制原理

1.压制的机理：

在模具或其他容器中，在外力作用下，将粉末紧实成具有预定形状和尺寸的工艺过程。

松散粉末加压→（1空隙被填满2.氧化膜被破碎3.接触面积增大4.原子产生吸引力5颗粒间机械咬合作用增强）→具有一定密度和强度的压坯

三、粉末烧结原理

烧结定义：

粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下加热并保温一定时间，使粉末颗粒间产生一系列物理、化学变化（原子扩散、固溶和化合），从而获得一定的物理及力学性能的材料或制品的工序。

烧结目的：

通过颗粒间的冶金结合以提高其强度。

烧结原理：

（1.表面能大2.结构缺陷多3.活性状态原子多）→加热→（1.粉末物质迁移2.再结晶3.晶粒长大）→颗粒接触面积增大→压坯空隙减少，密度增大，强度增加

烧结分类

1.固相烧结：

烧结发生在低于其组成成分熔点的温度，成分不发生熔化。

2.液相烧结：

烧结发生在两种组成成分熔点之间，烧结过程中液体、固体同时存在。

如硬质合金和金属陶瓷制品的烧结。

液相烧结时，在液相表面张力的作用下，颗粒相互靠紧，故烧结速度快，制品强度高。

烧结时的影响因素：

烧结温度、烧结时间和大气环境、粉末材料、颗粒尺寸及形状、表面特性以及压制压力等。

烧结温度的影响：

1）烧结温度过高或时间过长，会使压坯歪曲或变形，其晶粒亦大，产生所谓的“过烧”的废品；

2）烧结温度过低或时间过短，则产品的结合强度等性能达不到要求，产生所谓的“欠烧”的废品。

常用材料的烧结温度和烧结气氛如课本表4.2所示

四、粉末冶金工艺流程

粉末制备、粉末预处理、成形、烧结和烧结后处理

1）、粉末的制备

主要取决于该材料的性能及制取方法的成本。

按转变的作用原理将粉末制取方法分为：

☆机械法☆物理化学法

机械法：

将原材料进行机械粉碎，而其化学成分基本不发生变化；

物理、化学法：

借助物理或化学作用改变材料的聚集状态或化学成

分来获得粉末。

1.机械法：

靠压碎、击碎和磨削等作用，将块状金属或合金粉碎成粉末的制粉方法。

1）粉碎法：

球磨法，适用脆性材料或通过脆化处理的金属粉末，是粉碎法中最常用的方法。

但对于软态金属粉，可采用漩涡研磨法，即通过螺旋桨的作用产生漩涡高速气流，使金属颗粒自行相互撞击而磨碎。

2）雾化法：

采用高速的气流或水流，使液态金属雾化、冷凝成细小粒状金属粉末。

工艺简单，可连续、大量生产而被广泛应用。

2.物理、化学方法

1）物理法：

蒸气冷凝法，将金属蒸气冷凝而制取金属粉末。

制取蒸气压较大的金属，如Zn等，要求金属具有较低的熔点和较高的挥发性。

2）化学法：

还原法、电解法

☆电解法

金属盐水溶液中电解沉积金属粉末。

制粉工艺简单，粉末纯度高，颗粒呈树枝状，其成形性和烧结性好，但生产成本比还原法和雾化法要高，因此只是特殊性能要求时采用。

2）、粉末预处理

1.退火2.筛分3混合4制粒（p244）

3）、粉末的成形

1.粉末成形过程

将松散的粉末置于压模中受一定的压力后，使其成为具有一定尺寸、形状、密度、强度的压坯。

1）粉末颗粒产生相对移动并重新排布，孔隙被填充，随着压力增大，使压坯密度急剧增大，达到最大松装密度。

2）粉末颗粒相互压紧，再继续增大压力时，压坯密度无变化；

3）随着压力继续增加，粉末颗粒发生弹、塑性变形或脆断，压坯密度进一步增大。

2.粉末成形方法

封闭钢模压制成形：

常温下将金属粉末装入钢模型腔中，通过模冲对粉末加压使之成型为压坯。

1）单向压制：

阴模和下模冲不动，上模冲单向对粉末施加压力。

模具简单，操作方便，生产率高，但由于上模冲和阴模间摩擦阻力作用，使制品上下两端密度不均匀。

压坯直径越小，高度越大，密度越不均匀。

适用于压制高度或厚度较小的制品。

2）双向压制：

阴模固定不动，上、下模冲以大小相等，方向相反的压力同时对粉末施加压力，使得制品中间密度低、两端密度高。

压坯密度较单向压制均匀，适用于压制高度或厚度较大的制品。

3）浮动模压制：

阴模由弹簧支撑。

开始下模冲固定不动，由上模冲对粉末施压，当施压一定程度时，模壁与粉末间的摩擦力增大，超过弹簧的支撑力时，阴模将与上模冲一起运动，相当于下模冲上升，实现双向压制。

压坯密度较单向压制均匀，适用于压制高度或厚度较大的制品。

4）引下法：

阴模不断被加压，与上模冲一起下将，当压制结束后，上模冲回升，阴模继续下降，直到下模冲上的压坯呈静止状态脱出。

压制形状复杂的零件和因摩擦力小而不能浮动压制的制品。

3.粉末成型中的基本问题

1）摩擦措施：

压坯从阴模中脱出时，与阴模壁的摩擦阻碍脱模。

措施：

采取一定的润滑剂混合金属粉末中，但会对压坯的性能产生影响，另一个方法是模壁润滑法。

2）压坯沿高度密度不均：

压制过程中会产生垂直压模壁的侧压力，侧压力的作用使靠近模壁的外层粉末与模壁之间产生摩擦，使接近模冲断面处压力大，远离模冲端面处压力减小，压力分布不均使压坯各个部分密度分布的不均匀。

措施：

①减小摩擦力，在模具内壁上涂抹润滑油，或提高模具内壁的表面光洁度；②采用双向压制可改善；③设计模具时，尽量减小高径比。

四）、烧结工艺

将成型的坯体在低于其主要成分熔点的温度下加热，粉体相互结合并发生收缩与致密化，形成具有一定强度和性能的固体材料的过程。

烧结是一个自发的不可逆的过程，系统表面能降低是推动烧结进行的基本动力。

1）、烧结过程：

a.烧结初期：

坯料中颗粒重排，接触处产生键合，空隙变形、缩小（大气孔消失），固—气总表面积没有变化。

b.烧结中期：

传质开始，粒界增大，空隙进一步变形，变小，但仍然连通，形如隧道。

c.烧结后期：

传质继续进行，粒径增大，气孔变成孤立闭气孔，密度达到95%以上，制品强度高。

2）烧结方法

a.连续烧结：

待烧结材料连续地、平稳地通过烧结炉进行烧结。

生产率高，适用于大批、大量生产。

b.间歇烧结：

在炉内分批烧结零件的方式。

生产率低，适用于单件、小批生产。

c.固相烧结：

烧结速度较慢，制品强度较低。

d.液相烧结：

烧结速度较快，制品强度较高，用于具有特殊性能的制品。

3）,影响粉末制品烧结质量的因素

粉末制品的烧结质量取决于烧结温度、烧结时间和烧结气氛。

a.烧结温度和时间：

烧结温度过高或过低，时间过长或过短，都会使产品性能下降。

通常烧结温度高，保温时间短。

b.烧结气氛：

烧结时通常采用还原性气氛，以防压坯烧损并可使表面氧化物还原。

4）.烧结后处理

a.复压:

提高烧结体的精度和性能而进行的施加压力的处理方法。

b.浸渗:

利用烧结件空隙，在烧结件中浸入各种液态的过程。

浸油和塑料可改善烧结体的润滑性；浸熔融金属可改善烧结体的强度和耐磨性。

c.切削加工:

在制品上加工横槽、横孔等.

d.热处理:

进一步提高制品的强度和硬度。

e.表面保护处理提高制品的耐蚀性等性能。

五、粉末制品的结构工艺性（参照课本表4.3）

1.尽量采用形状简单、对称的形状，避免截面变化过大以及窄槽、球面等。

2.避免局部薄壁，壁厚一般不小于2mm，壁厚尽量均匀,以利于装粉压

实和防止出现裂纹。

3.避免侧壁上的径向孔和径向槽出现，这个一般是不能压制的，需要在烧结后用切削加工来完成。

4.沿压制方向的截面有变化时，只能沿压制方向逐渐缩小，而不能逐渐增大，以利压实。

5.各壁的交接处应避免尖角，采用圆角或倒角过渡。

圆角半径不小于0.5mm，球面部分应留出小块平面。

6.锥面和斜面需要一段平直带，避免模具出现易损现象。

7.与压制方向一致的内孔、外凸台等，要有一定的锥度，可以简化模冲结构，利于脱模。

8.阶梯圆柱体每级直径之差不宜大于3mm，每级长度与直径之比应在3以下。

表4.3的4.

9.粉末冶金制品上无法压制出网状花纹。

表4.3的5

10.粉末冶金制品上应避免小而薄的凸台，不利于制出工件，如表中的11.

11.壁厚应均匀，尽量采用对称结构，以利于压坯密度均匀，表中的13.

六、粉末冶金材料

粉末冶金常用制作减摩材料、结构材料、摩擦材料、硬质合金、难溶金属材料、过滤材料、金属陶瓷、无偏析高速工具钢、磁性材料、耐热材料等。

一）硬质合金

硬质合金是粉末冶金工具材料的一种，主要用于制造高速切削硬而韧材料的刀具，制造某些冷作模具、量具及不受冲击、震动的高耐磨零件。

1.硬质合金的性能特点

1）具有很高的常温硬度（69-81HRC），高的热硬性（可达900-1000℃），优良的耐磨性。

2）具有较高的抗压强度（可达6000MPa），但抗弯强度较低；

3）良好的耐蚀性（抗大气、酸、碱等）和抗氧化性；

4）线膨胀系数小。

2硬质合金的应用

1）用作刀具材料。

硬质合金作刀具材料的用量最大，如车刀、铣刀、刨刀、砖头等；

2）用作模具材料。

用硬质合金作模具主要是指冷作模，如冷拉模、冷冲模、冷挤压模和冷镦模等；

3）用作量具及耐磨零件。

如千分尺、块规、塞规等。

二）含油轴承材料

含油轴承材料是一种具有多孔性的粉末冶金材料，常用以制造轴承零件。

这种材料压制成轴承后，放在润滑油中浸润，由于粉末冶金材料的多孔性，在毛细现象作用下，可吸附大量润滑油，故称为含油轴承。

常用的含油轴承有铁基和铜基含有轴承两类

1.铁基含油轴承：

是铁-石墨（0.5-3%）粉末冶金材料，硬度为30-110HBS，或铁-硫（0.5-1%）-石墨（1-2%）粉末冶金材料，硬度为35-70HBS；

2.铜基含油轴承：

常用的是青铜粉末与石墨粉末制成的冶金材料，它具有较好的导热性、耐蚀性，但承压能力较铁基含油轴承小。

含油轴承材料一般用于制作中速、轻载荷的轴承，尤其适宜制作不能经常加油的轴承，如纺织机械、电影机械、食品机械等的轴承。

三）、铁基结构材料

铁基结构材料是以碳钢和合金钢粉末为主要原材料，采用粉末冶金方法制作结构零件。

用这类材料制作的结构零件具有制品精度高，表面粗糙值低，不需要或只需少量切削加工，节省材料，提高生产率等特点。

制品还可通过热处理方法强化和提高耐磨性。

这类材料广泛用于制作各种机械零件，如机床上的调整垫圈、调整环等，汽车制造中的油泵齿轮等。