粉末冶金生产的基本工艺流程.docx
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粉末冶金生产的基本工艺流程
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金相显微镜的外形尺寸图（图）粉末冶金生产的基本工艺流程包ffi：
粉末制备、粉末混合、压制成形、烧结及后续处理等。
用简图表示于图中。
陶瓷制品的生产过程与粉末冶金有许多相似之处，其工艺过程包括粉末制备、成形和致密化三个阶段。
2.1粉末制备
2.1・1粉末制备
粉末是制造烧结零件的基木原料。
粉末
的制备方法有很多种，归纳起来可分为机械
法和物理化学法两大类。
（1）机械法机械法有机械破碎法与液
态雾化法。
机械破碎法中最常用的是球磨法。
该法
用直径10〜20mm钢球或硬质合金对金属进行
球磨，适用于制备一些脆性的金属粉末（如
铁合金粉）。
对于软金属粉，采用旋涡研磨
法。
雾化法也是目前用得比较多的一种机械
制粉方法，特别有利于制造合金粉，如低合
金钢粉、不锈钢粉等。
将熔化的金属液体通过小孔缓慢下流，用高压气体（如压缩空气）或液体（如水）喷
射，通过机械力与急冷作用使金属熔液雾化。
结果获得颗粒大小不同的金属粉末。
图7・2为粉末气体雾化示
意图。
雾化法工艺简单，可连续、大量生产，而被广泛采用。
（2）物理化学法常见的物理方法有气相与液相沉
积法。
如锌、铅的金属气体冷凝而获得低熔点金属粉末。
又如金属拨基物Fe（C0）5、Ni（C0）4等液体经180〜250°C
加热的热离解法，能够获得纯度高的超细铁与線粉末，
称为按基铁与按基線。
化学法主要有电解法与还原法。
电解法是生产工业
铜粉的主要方法，即采用硫酸铜水溶液电解析出纯高的
铜。
还原法是生产工业铁粉的主要方法，采用固体碳还
原铁磷或铁矿石粉的方法。
还原后得到得到海绵铁，经
过破碎后的铁粉在氢气气氛下退火，最后筛分便制得所
需要的铁粉。
图7・2粉末气体雾化示意图
2.1.2粉末性能
粉末的性能对其成形和烧结过程，及制品的性能都有重大影响，因而对粉末的性能必须加以了解。
粉末的性能可分为物理性能、化学性能和工艺性能。
物理性能有颗粒形状、粒度及粒度组成、密度、硬度、加工硬化性、塑性变形能力以及显微组织等；化学性能有化学成分；工艺性能有粉末的松装密度、流动性和压制性等。
通常用下述几个主要性能来评价粉末的性能。
（1）颗粒形状、粒度及粒度组成
a.颗粒形状颗粒形状是决定粉末工艺性能的主要因素。
用不同方法制造的粉末形状不同，如表7・2所示颗粒的形状如图所示。
颗粒形状对粉末的压制成形和烧结都会带来影响。
如表而光滑的粉末颗粒，其流动性好，对提高压坯的密度有利。
但形状复杂的粉末，对提高制品的压坯强度有利，同时能促进烧结的进行。
表7・2颗粒形状、松装密度与粉末生产方法的关系
粉末生产方法
粉末颗粒形状松装密度g/cm3
粉末生产方法粉末颗粒形状
松装密度g/cm3
按基铁粉
雾化铁粉
还原铁粉球形粉末球形或不规则状不规则海绵状
3.0
2.2
电解铁粉
球磨研磨铁粉旋涡研磨铁粉树枝状片状碟状
0.35
2.0〜2.11234567图7・3粉末颗粒形状
1球形2近球形3多角形4片状5树枝状6不规则形7多孔海绵状8碟状b・粒度及粒度分布粉末粒度是指颗粒的大小。
对粉末体而言，粒度是指颗粒的平均大小。
工业上制造的粉末，粒度范围一般为0.1〜400pn,粒度大小通常用目数（一英寸长度筛网上的网孔数表示）。
粒度有专门的测定方法，如筛分析法、显微镜法以及沉降法等，最常用的是筛分析法。
粒度大小直接影响制品的性能，如硬质合金、陶瓷材料等，要求粒度越细越好。
而对常用的粉末冶金制品生产，不仅要测定粉末体平均颗粒的大小，更重要的是测定大小不同的颗粒的含量，简称为粒度分布。
粉末的粒度分布对成形、烧结有一定的影响。
如粉末粒度分布得当，粉末颗粒间的孔隙就小，成形密度高，烧结容易进行。
（2）松装密度、流动性和压制性
a.松装密度松装密度亦称松装比，是指单位容积自由松装粉末的质量，常用g/cm3表示。
粉末的松装密度是一个综合性能，它受粉末粒度、粒度组成、颗粒形状及颗粒内的孔隙等因素的影响。
松装密度用粉末流动仪进行测量。
b.流动性粉末流动性是指单位质量的粉末自由下落到流完的时间，常用s/50g表示。
粉末流动性反映的是粉末充填一定形状容器的能力，对实现自动压制和对于压制形状复杂的制品的均匀装粉很重要。
粉末的流动性也是一个综合性能，主要取决于粉末之间的摩擦系数，即与粉末形状、粒度、粒度组成及表面吸水和气体量等有关。
流动性也用粉末流动仪进行测量。
c.压制性粉末压制性包折压缩性和成形性。
粉末压缩性是指粉末在压制过程中的压缩能力。
一般是用一定压力（如4OOMPa）下压制的压坯密度（g/cm3）来表示。
它的好坏决定压坯的强度和密度。
粉末的压缩性主要由粉末的硬度、塑性变形能力与加工硬化性能决定，并在相当大的程度上与颗粒的大小及形状有关。
粉末成形性是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力。
一般用给予压坯适当强度（仅只搬运不破碎或不会发生变形的强度）所需之压力来表示。
粉末的成形性直接反映的是压坯强度，因而也可用压坯的抗压强度或抗弯强度定量地表示。
粉末的成形性主要与颗粒形状、粒度及粒度组成等物理性质有关。
（3）化学成分粉末的化学成分应包括•主要金属或合金组元的含量及杂质的含量。
为满足一般制品的制造要求，金属或合金粉末中的合金组元的含量都不能低于98〜99%,在制造磁性合金和某些特殊用途的合金材料时其纯度要求更高。
粉末的杂质主要是指与主要金属结合的Si、Mn、C、S、P、0等一些元素；SiO2、A12O3＞硅酸盐、难熔金属或碳化物等酸不熔物；粉末表面吸附的氧、水气、N2、CO2等气体。
粉末的朵质对后续工艺过程及最终制品质量都会有较显著的影响。
因而必须严格控制。
如铁粉要求酸不溶物在0.2%以下，氢还原减重在0.2%以下。
2.2粉末混合
粉末混合是指将两种或两种以上组份的粉末混合均匀的过程。
混合的质量不仅影响成形过程和压坯质量，而且会严重影响烧结过程的进行和最终制品的质量。
混合主要分为机械法和化学法两种。
其中广泛应用的是机械法。
机械法又分为干混和湿混。
铁基制品生产中常采用干混；制备硬质合金混合料常采用湿混，如在混料时加入一定比例硬质合金球于汽油中进行充分湿磨。
化学法混料是将金属或化合物粉末与添加金属的盐溶液均匀混合；或者是各组元全部以某种盐的溶液形式混合，然后经沉淀、干燥和还原等处理而得到均匀分布的混合物，如用来制取钩•铜•镰高密度合金，
铁•線磁性材料，银•钩触头合金等混合物原料。
为了改善粉料的压制性能、使产品密度分布均匀、减少压模磨损和有利于脱模，常加入少量的润滑剂，如铁基制品需加入适量的硬脂酸锌，其技术要求见表7・4。
在烧结过程中硬脂酸锌发生分解、挥发便在制品的相应部位留下所需的孔隙并使产品最终孔隙互相连通，还将起到造孔的目的。
表硬脂酸锌的技术要求
金属锌含量
水份
游离酸
熔点
粒度
外观
10.2-11.2%
<0.2%
<0.5%
>120°C
■200目
白色
用于粉末混合的常用混料机类型见图7・4所示。
装粉量、粉末比重差别、混合制度、混料机的结构及转数、混合时间和混合介质都将影响混合的均匀度。
混料应保证特定材料组合的化学成分、工艺性能及混合均匀度等技术要求。
偏心转动六角型混料机水平旋转混料机偏心转动混料机
图7-4各种混料机的外形示意图
陶瓷粉料为有机化合物，且颗粒极细，需要进行塑化和造粒处理，才能用于成形。
所谓塑化是指在物料中加入塑化剂使物料具有可塑性的过程。
塑化剂是指使坯料具有可塑能力的物质，根据其在陶瓷成型中的不同作用，可分为黏结剂、增塑剂和溶剂三类。
黏结剂（通常有聚乙烯醇、聚乙二醇及石蜡等）使常温下粉料颗粒黏合在一起，使坯料具有成型性能并有一定强度，高温时氧化、分解和挥发。
增塑剂（通常有甘油、草酸等）溶于有机黏合剂中，在粉料间形成液态层，提高坯料的可塑性。
溶剂（通常有水、无水洒精、丙酮、苯、乙酸乙酯等）能溶解黏结剂和增塑剂并能和物料构成可塑物质的液体。
所谓造粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的过程，常用来改善细粉的充填性。
将陶瓷粉料造粒的常用方法分为这样三类：
普通造粒法一将加入适量粘结剂的混料在滚筒、圆盘和擦筛机上制成粒；
压块造粒法一将加入适量粘结剂的混料在较低的压力下预压成块，然后粉碎过筛；
喷雾造粒法一将加入粘结剂的液体料在干热气氛中雾化转化为干燥粉体。
7.2.3压制成形
压制成形是指将松散的粉末体密实成具有一定形状、尺寸、密度和强度的压坯的工艺过程。
压制成形方法有很多，如模压成形、等静压成形、粉末连续成形、粉末注射成形和粉浆浇注成形等，而模压成形是最广泛使用的粉末成形技术。
模压成形通常在机械式压机或油压机上，于室温及一定压力下进行的。
粉末冶金的压制压力一般为140〜840MP3,陶瓷材料的压制压力一般为40〜100MP3。
它是将一定量的粉末混合物装于精密压模内，在模冲压力的作用下，对粉末体加压、保压，随后卸压，再将压坯从阴模中脱出的工艺过程，如图7-5所示。
上模冲
阴模
下模冲
3松装b压缩C脱模
图7・5压制过程示意图
2.3.1装粉一般采用容积法，即将粉末装入具有规定容积的阴模型腔中。
常用装粉方法有下列三种:
（1）落入法（7・63）送粉器移到阴模与芯棒形成的型腔上，粉末自由落入型腔中。
（2）吸入法（7・6b）下模冲位于顶出压坯的位置，送粉器移型腔上，下模冲下降（或阴模一芯棒升起）复位时，将粉末吸入型腔中。
（3）过量装粉法（7・6c）芯棒下降到下模冲的位置，粉末落入阴模型腔中后，芯棒升起将多余的粉末顶
出，
并被送粉器刮走。
这种方法适用于成形薄壁零件压坯时。
a落入法b吸入法c过量装粉法
图7・6自动装粉方法
以上各种填料方法的目的只有一个，就是将压坯要求的粉料均匀而准确地装入料腔。
2.3.2压制
（1）受力情况
用图7・7所示的一简单立方体，作为粉末体在压模中受力的
示意图。
a.压制压力（F总）：
施加于上模冲使粉末体成形的力。
压制压力主要消耗有两部分：
使粉末体致密所需
的净压力（F1）和用
来克服粉末颗粒与模壁之间的摩擦力（F2）即：
F总二F1+F2图7・7压坯受力示意
图
b.侧压力（P侧）：
粉末体在压模内受压时，压坯会向周围膨胀，模壁就会给压坯一个等量、反向的作用力。
由于粉末颗粒之间和粉末体与阴模壁之间的摩擦等因素的影响，从而粉末对压模侧而的压力始终小于压制压力。
如压制铁粉时，P侧与F总成正比例关系（P侧二0・38〜0.41F总）。
c.外摩擦力：
粉末在压模中受压向下运动时，由于侧压力的存在，粉末与模壁之间产生摩擦力，其大小等于摩擦系数与侧压力的乘积。
（2）粉末的运动和变形
粉末体在压模内受力后，由松装变成致密状态，形成具有一定的形状和强度的压坯。
这是由于粉末颗粒受不平衡力作用后产生运动（位移）和变形的结果。
a.粉末的位移粉末体在压模中自由松装时，由于粉体颗粒的摩擦力和机械咬合，使颗粒相互搭接，造成比颗粒大很多倍的孔隙，这种现象称为“拱桥效应”，如图7・8所示。
粉末体在受力后，粉末体内的“拱桥遭到破坏，粉末颗粒重新排列位置，彼此填充孔隙，增加接触，粉末体的孔隙度大大降低。
粉末颗粒的位移情况，可用如图7・9所示的模型图较形象地表示出来。
当然，粉末体在受压状态时所发生的位移情况要复朵得多，可能同时发生几种位移，而且，位移总是伴随着变形而发生的。
图7・9粉末位移的几种形式
a粉末颗粒的接近b粉末颗粒的分离c粉末颗粒的滑动
图7・8“拱桥效应”示意图d粉末颗粒的转动e粉末颗粒历粉碎而产生的移动
b.粉末的变形粉末颗粒受力后，相互接触的颗粒运动受阻相互挤压而产生变形，粉末颗粒也如所有固体物质受力变形一样，出现弹性变形、塑性变形和脆性断裂三种情况。
粉末的受力情况虽属于三向受力的应力状态，但是造成粉末运动和变形的不平衡力，只有沿压制方向的正压力起作用，压坯受侧压力较正压力小得多。
摩擦力与粉末运动方向相反，影响粉末运动速度，而对粉末运动方向不起作用。
因此粉末运动及变形的最大特征是：
①粉末主要沿压制方向作直线运动，少量的横向移动。
②压坯中的孔隙都在横向被压扁。
（3）密度的分布及强度的大小
a.压坯密度图7・10表示了不同粉末的压力与密度之间的关系。
施加压力后，“拱桥"破坏、颗粒位移、填充空隙、并达到最大充填密度，压坯密度迅速增加；当压力继续增大，粉末体表现出一定的压缩阻力，在此阶段，随压力增大，密度并未提高；在压力超过粉末材料的临界应力值（屈服强度或强度极限）时，粉末颗粒变形增大或出现断裂（如脆性粉末），由于位移和变形同时作用，压坯密度又随之缓慢增大。
压制时，由于摩擦力的作用，造成模冲施加在粉末体上的应力传递不均匀，因而压坯密度呈不均匀分布图7・11所示为单向压制的银粉压坯的实际密度分布情况。
b.压坯强度是指粉末压坯的力学强度。
它取决于压制压力与金属粉末的种类，即影响压坯强度的因素有：
压坯密度、粉末颗粒表而的粗糙度、表而积、表而的氧化与污染、粉末的松装密度、添加剂的加入量等。
压坯的密度与强度大小对烧结体的质量有直接影响，密度大且均匀分布，强度高，则烧结体的质量也高。
图7-10密度与压制力的关系图7-11单向压制的镰粉压坯的实际密
度（g/cm3）分布状态
（单位压力630Mpa;i®度/直径=0.87）
（4）压制方式根据粉末体在压制时的受力情况、粉末的运动、密度的分布及强度的大小等规律，用于压制成形的方式主要有下述四种。
a.单向压制在压制过程中，阴模与芯棒不动，仅只上模冲从一个方向施压的方法。
所得压坯的密度分布不均匀（上大下小），它适用于压制无台阶类厚度较小的零件（图7-12a）。
b.双向压制在压制过程中，阴模固定不动，上下模冲从两个方向同时施压的方法。
所得压坯的密度分布较单向压制均匀，上下密度较高且基本相等，密度最低层位于压坯中间，它适用于压制无台阶类厚度较大的零件
（图7-12b）。
c.浮动压制在压制过程中，阴模为弹簧支承，下模冲固定不动。
上模冲施压，随着粉末被压缩，阴模壁与粉末间的摩擦逐渐增大至大于弹簧支撑力时，阴模即与上模冲一起下降，相当于下模冲的上升，如同双向压制。
与双向压制相比，其整体密度提高，且密度最低层分布较长，生坯强度增加（图7-12c）o
d.拉下模压制阴模的运动是靠压机而不是靠摩擦力起作用，适用于摩擦力小而不能浮动的一些制品。
阴模的拉下式类似于阴模强制压下，且阴模向下的运动距离（即改变上模冲与阴模之间的相对运动）可根据每个制品的需要精确地控制。
从而将压坯中间的低密度层减低到最小，且中间低密度层可调到所要求的合适位置
（图7-12d）。
图7-12四种基本压制方式
3单向压制b双向压制c浮动压制d拉下模压制
由此可看出，应针对不同形状和要求的压坯，选择合适的压制方式。
2.3.B保压及脱模
（1）保压指粉末体在承受最大压制压力下停留一段时间，从而使①压力传递充分，进而有利于压坯中各部分的密度均匀化；②粉末间孔隙中的空气有足够的时间逸出；③给粉末颗粒的相互啮合与变形以充分的时间。
实现压坯的密度和强度的提高。
这对于使用压缩性和成形性差的原料粉压制、形状复朵或体积较大的压坯尤其重要。
例如，以6吨/厘米2的压力压制铁粉时，不保压时，压坯密度为5.65克/厘米3；经0.5分钟保压后其密度为5.75克/厘米3；经3分钟保压后其密度为6.14克/厘米3,即压坯密度提高了8.7%。
（2）脱模就是将压制成形的压坯从阴模中顺利脱出。
常用的脱模方式有：
顶岀式：
下模冲作相对于阴模腔
向上的相对运动，从而将压坯顶出模腔。
见图7-12Co
拉下式：
下模冲不动，阴模腔作向下的相对运动，从而将压坯顶出阴模。
见图7-12do
2.4烧结
烧结是粉末或粉末压坯，在适当的温度和气氛条件下加热所发生的现象或过程。
烧结的结果是颗粒之间由机械啮合转变成原子间的晶体结合，烧结体强度增加，而且在多数情况下，密度也提高。
那么是什么力使得坯件密度和强度得到提高？
烧结过程中发生了哪些变化呢？
2.4.1烧结的推动力
（1）表而能由于粉末高度分散，且粉末颗粒表面凹凸不平，故粉末体与致密金属和烧结后的制品比较，具有很大的比表面，因而有很大的表面能。
（2）畸变能粉末在制造过程中，其颗粒内部晶格发生畸变，产生各种缺陷。
另外，在压制过程中，粉末颗粒产生很大的变形，晶格严重歪扭，因而粉末压坯储存了大量的畸变能。
上述两方面的能量使得压坯内粉末颗粒的原子处于不稳定状态。
烧结时，处于不稳定状态的原子将趋向于降低能量。
从压坯的整体来看，粉末颗粒的相互结合必是能量降低的一种自发过程。
2.4.2烧结的基本过程
在烧结温度作用下，具有很大能量的原子将引起物质迁移，主要的迁移形式有：
扩散和流动。
从而使粉末体经历了图示意的变化过程。
（1）粘接阶段烧结初期，由于在高温下粉末颗粒表面原子的扩散，在两个颗粒之间形成粘结而，并且随着粘接面扩大，颗粒间形成烧结颈，颗粒间形成晶体结合。
在这个阶段烧结件几乎不发生收缩，密度增加极微。
（2）烧结颈长大阶段随烧结过程的继续，原子向颗粒结合面大量迁移，使烧结颈长大并形成连续的孔隙网络。
晶界移动，晶粒长大，使孔隙互相并吞、集中，总孔隙体积减小，烧结体收缩，密度增加，强度也大大提高。
（3）封闭孔隙球化和缩小阶段当烧结体的孔隙度低于10%后，多数孔隙被完全分离，形成许多封闭孔隙，趋于球化并不断缩小，甚至消失，烧结体仍缓慢收缩，在烧结未期，烧结基木停止。
烧结时，上述三个步骤往往互相联系和重叠，不能严格划分。
图7-13烧结过程接触面和孔隙形状变化模型
a颗粒间原始接触及粘结开始b烧结颈长大c封闭孔隙球化和缩小
2.4.3烧结类型
按烧结方式可分为常压烧结和施压烧结二大类。
常压烧结是将压坯在大气压下或在较低的气体压力下进行烧结的方法。
常压烧结时，不产生液相的烧结称为固相烧结。
有液相参与的烧结又称为液相烧结。
液相烧结过程中，液相将渗入孔隙，同时加快收缩，使烧结体的密度增加。
根据施压方式的不同，施压烧结又可分为热压烧结、粉末热锻和热等静压等。
热压是指对石墨模具中的松散粉末或对粉末压坯加热的同时对其施加单轴压力的烧结过程，以提高烧结密度，如粉末冶金摩擦片、双金属减磨材料；A12O3.BeO、SiO、BN、A1N等功能陶瓷均可用热压烧结，其烧结温度可降低100〜150°C左右。
粉末热锻一般是先对压坯预烧结，然后在适当的高温下再实施锻造。
热等静压是指对装于包套之中的松散粉末加热的同时对其施加各向同性的等静压力的烧结过程。
解决了普通热压缺少横向压力和压力不均匀所造成的制品密度不均的问题。
2.5后续处理
某些烧结零件烧结后就可以使用了。
但是，许多零件需要进行补充加工，以使烧结零件具有规定的形状、尺寸精度及使用性能。
通常的后续处理包括精整（整形、校准、复压）、热处理、蒸汽氧化处理、车、铳、磨、钻、攻丝、滚光、浸油或浸树脂、电镀、渗金属等。
几乎所有适合于金属锻件的加工工艺都适用于粉末冶金制品。
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