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1、粉末冶金成形,返回,5 粉末冶金技术的新发展,粉末冶金是以金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)为原料，通过成形、烧结或热成形制成金属制品或材料的一种冶金工艺技术。粉末冶金生产工艺与陶瓷制品的生产工艺类似，因此人们又常常称粉末冶金方法为“金属陶瓷法”。,粉末冶金材料或制品种类较多，主要有:难熔金属及其合金（如钨、钨钼合金）；组元彼此不相溶、熔点十分悬殊的特殊性能材料（如钨铜合金型电触头材料）；难熔的化合物和金属组成的各种复合材料（如硬质合金、金属陶瓷）等。,粉末冶金的特点：1）某些特殊性能材料的唯一制造方法；2）可直接制出尺寸准确，表面光洁的零件，是少甚至无切削生产工艺；3）节约材料和加工
2、工时，成本低。4）制品强度较低；5）流动性较差，形状受限制；6）压制成形的压强较高，制品尺寸较小；7）压模成本较高。,第1节 粉末冶金基础,粉末冶金的主要工序有粉末制备、粉末预处理、成形、烧结及后处理等。粉末冶金材料或制品的工艺流程如图5-1所示。,5.1.1 粉末性能和粉末制备5.1.1.1 粉末性能 固态物质按分散程度不同分成致密体、粉末体和胶体三类。致密体或常说的固体：粒径在l 以上；胶体微粒：0.1 以下；粉末体或简称粉末：介于二者之间。,金属粉末的性能对其成形和烧结过程以及制品的质量都有重大影响。金属粉末的性能可以用化学成分、物理性能和工艺性能来表征。,1.粉末的化学成分 粉末的化学
3、成分一般是指主要金属或组元的含量、杂质或夹杂物的含量以及气体的含量。金属或合金粉末中的主要金属含量都不能低于98%99%。粉末中的杂质主要指：1）与主要金属结合，形成固溶体或化合物的金属或非金属成分，如还原铁粉中的硅、锰、碳、硫、磷、氧等；2）从原料和粉末生产过程中带进的机械夹杂，如二氧化硅、三氧化二铝、硅酸盐、难熔金属或碳化物等酸不溶物。,3）粉末表面吸附的氧、水汽和其他气体（N 2、CO2）。2.粉末的物理性能 粉末的物理性能：粉末颗粒大小和粒度组成、粉末颗粒形状与结构、显微硬度、粉末比表面、粉末真密度以及粉末颗粒的晶格状态。在技术条件中，通常只规定各级粉末颗粒的百分含量粒度组成或筛分组成
4、。1）颗粒形状：主要由粉末的生产方法决定，同时也与物质的分子或原子排列的结晶几何学因素有关；决定粉末工艺性能。2）粒度组成：指不同粒度的颗粒占全部粉末的百分含量，又称粒度分布。3）粉末比表面：指每克粉末所具有的总表面积，通常用cm2/g或m2/g表示。,3.粉末的工艺性能 粉末的工艺性能用粉末的松装密度、流动性、压缩性与成形性来表征。1）松装密度是指粉末试样自然地充填规定的容器时，单位体积内粉末的质量，单位为gcm3。2）流动性是50g粉末从标准的流速漏斗流出所需的时间，单位为s50g，其倒数是单位时间内流出粉末的重量，俗称为流速。3）压缩性代表粉末在压制过程中被压紧的能力，通常以在规定单位压
5、力下粉末的压坯密度表示。4）成形性是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力，通常用粉末得以成形所需的最小单位压制力表示或用压坯强度来表示。,5.1.1.2 粉末的制备 金属粉末的制取方法可分成两大类：机械法和物理化学法。机械法是将原材料磨碎成粉而不改变原材料的化学成分的方法。如将金属切削成粉末颗粒；把金属研磨成粉末；液态金属的制粒和雾化。物理化学法是在制取粉末过程中，使原材料受到化学或物理的作用，而使其化学成分和集聚状态发生变化的工艺过程。还原金属氧化物、电解水溶液或熔盐、热离解羰基化合物、冷凝金属蒸汽、晶间腐蚀和电腐蚀法等。物理化学制粉法是以还原和离解等化学反应为基础的。工业上普遍采用的有：氧
6、化物还原法、电解法、热离解法、球磨法、涡旋研磨法、雾化法。,5.1.2 粉末的成形,5.1.2.1 成形方法 成形是粉末冶金工艺的重要步骤。成形的目的是制得具有一定形状、尺寸、密度和强度的压坯。粉末冶金常用的成形方法如下所示。模压成形是最基本方法。,1.粉末预处理 预处理包括：粉末退火，筛分，混合，制粒，加润滑剂等。粉末的预先退火可使氧化物还原，降低碳和其他杂质的含量，提高粉末的纯度；同时，还能消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构。筛分的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进行分级。混合一般是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。混合可采用机械法和化学法。制粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒
7、或团粒的工序，以此来改善粉末的流动性。,5.1.2.2 压制成形,2.压制成形 压模压制是将置于压模内的松散粉末施加一定的压力后，成为具有一定尺寸、形状和一定密度、强度的压坯，如图5-2是压模示意图。粉末的压缩过程一般采用压坯密度成形压力曲线来表示，如图5-3所示。压坯密度变化分为三个阶段。滑动阶段：在压力作用下粉末颗粒发生相对位移，填充孔隙，压坯密度随压力增加而急剧增加；二是粉末体出现压缩阻力，即使再加压其孔隙度不能再减少，密度不随压力增高而明显变化；三是当压力超过粉末颗粒的临界压力时，粉末颗粒开始变形，从而使其密度又随压力增高而增加。,图5-2 模压示意图,图5-3 压坯密度与压力,压坯密
8、度分布不均匀：用石墨粉作隔层的单向压制实验，得到如图5-4所示的压坯形状，各层的厚度和形状均发生了变化，由图5-5可知在任何垂直面上，上层密度比下层密度大；在水平面上，接近上模冲的断面的密度分布是两边大，中间小；而远离上模冲的截面的密度分别是中间大，两边小。因为粉末体在压模内受力后向各个方向流动，于是引起垂直于压模壁的侧压力。侧压力引起摩擦力，会使压坯在高度方向存在明显的压力降。,a)压制前 b)压制后图5-4 用石墨粉作隔层的单向压坯,a）单向压制 b)双向压制 图5-5 压坯密度沿高度分布图,为了改善压坯密度的不均匀性，一般采取以下措施：1）减小摩擦力：模具内壁上涂抹润滑油或采用内壁更光洁
9、的模具；2）采用双向压制以改善压坯密度分布的不均匀性，如图5-5所示；3）模具设计时尽量降低高径比。,粉末的压制一般在普通机械式压力机或液压机上进行。常用的压力机吨位一般为5005000kN。如图5-6为双向压制衬套的4个工步示意图。,5.1.3 烧结 烧结是将压坯按一定的规范加热到规定温度并保温一段时间，使压坯获得一定的物理及力学性能的工序。烧结机理：粉末的表面能大，结构缺陷多，处于活性状态的原子也多，它们力图把本身的能量降低。将压坯加热到高温，为粉末原子所储存的能量释放创造了条件，由此引起粉末物质的迁移，使粉末体的接触面积增大，导致孔隙减少，密度增高，强度增加，形成了烧结。固相烧结：烧结发
10、生在低于其组成成分熔点的温度，如普通铁基粉末冶金轴承烧结。液相烧结：烧结发生在两种组成成分熔点之间。如硬质合金与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。常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛见表5-1。烧结温度过高或时间过长，都会使压坯歪曲和变形，其晶粒亦大，产生所谓“过烧”的废品；如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“欠烧”的废品。,表5-1 常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛,5.1.4 后处理,后处理的
11、方法按其目的不同，有以下几种：1）为提高制件的物理及力学性能，方法有：复压、复烧、浸油、热锻与热复压、热处理及化学热处理。2）为改善制件表面的耐腐蚀性，方法有：水蒸气处理、磷化处理、电镀等。3）为提高制件的形状与尺寸精度，方法有：精整、机械加工等。4）熔渗处理，它是将低熔点金属或合金渗入到多孔烧结制作的孔隙中去，以增加烧结件的密度、强度、塑性或冲击韧度。,第2节 粉末冶金模具,粉末冶金模具主要是指在粉末压制成形、烧结、后处理等工序中所用到的模具。根据用途可分为：压模、精整模、复压模、锻模、挤压模、热压模、等静压模、粉浆浇铸模、松装烧结模等。按制作材料又可分为：钢模、硬质合金模、石墨模、塑料橡皮
12、模和石膏模等。在工业生产中应用最广泛的是压制、精整、复压和锻造用的钢模及硬质合金模。本节重点介绍压模的几种常见类型。,5.2.1 单向压模,单向压模在压制过程中，相对于阴模运动的只有一个模冲，或是上模冲或是下模冲。如图5-7是压制轴套类压坯的单向手动压模，其基本组成部分有阴模、上模冲、下模冲和芯杆。一般只用来生产高度不大（高径比H/D1）、形状简单的零件。,图5-7 单向手动压模,5.2.2 双向压模,双向压制的特点是：上下模冲相对阴模都有移动，模腔内粉末体受到两个方向的压缩，或下模冲固定不动，由上模冲和阴模对着下模冲做不同距离的移动，实现双向压制。如图5-8所示为压制套类压坯的双向手动压模。
13、一般用来生产实体类压坯的高径比HD1或管套类压坯的高度与壁厚之比HT3的零件。,图5-8 双向手动压模,5.2.3 摩擦芯杆压模 摩擦芯杆压模压制特点：芯杆和上模冲同速同向对着固定的阴模和下模冲移动压缩粉末体，或者是阴模和上模冲同速同向对着固定的芯杆和下模冲运动压缩粉末体。如图5-9所示为套类零件摩擦芯杆浮动压模。一般用于压制较长的薄壁套类零件的压坯。,图5-9 摩擦芯杆浮动压模,组合压模是几种压制方式（如单向压制、双向压制和摩擦芯杆压制等）及其压模结构的综合运用。即在设计压制模具时，综合各种压模的结构特点，设计成多种形状的组合模冲来完成复杂零件的压制成形工序，并采取几种压制方式综合运用来保证
14、压坯质量；所以，组合压模是形式最多且应用最广泛的压模结构。,5.2.4 组合压模,第3节 常用粉末冶金材料简介,粉末冶金常用来制作减摩材料、结构材料、摩擦材料、硬质合金、难熔金属材料、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。,5.3.1 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、振动的高耐磨零件。1.硬质合金的性能特点 1）具有很高的常温硬度（6981HRC），高的热硬性(可达9001000)，优良的耐磨性。,2）具有高的抗压强度（可达6000 MPa），但抗弯强度较低；3）良好的耐蚀性(抗大气、酸、
15、碱等)和抗氧化性；4）线膨胀系数小。,2.切削加工用硬质合金分类、分组代号 切削加工用硬质合金按其切屑排出形式和加工对象的范围可分为三个主要类别，分别以字母P、M、K表示。P适用于加工长切屑的黑色金属，以蓝色作标志；M适于加工长切屑或短切屑的黑色金属和有色全属，以黄色作标志；K适于加工短切屑的黑色金属、有色金属及非金属材料，以红色作标志。切削加工用硬质合金用途分组代号与硬质合金牌号对照见表5-2，表5-3。,3.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、钻头等；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、冷挤模和冷镦模等；3）用
16、作量具及耐磨零件。如千分尺、块规、塞规等。,5.3.2 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(一般含油率为12%30)，故称为含油轴承。,常用的含油轴承有铁基和铜基含油轴承两类。1）铁基含油轴承是铁-石墨(0.5%)粉末冶金材料或铁-硫(0.5%1)-石墨(1%2)粉末冶金材料；铁-石墨粉末冶金材料的组织为珠光体(大于40%)十铁索体十渗碳体(小于5%)十石墨+孔隙，硬度30110HBS。铁-硫-石墨粉末冶金材料的组织除了与铁-石墨粉末冶金材料相同的组织
17、以外还有硫化物，可进一步改善摩擦条件，硬度为3570 HBS。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，它具有较好的热导性、耐蚀性抗咬合性，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、家用电器(如电风扇、电唱机)等的轴承，在汽车、拖拉机机床电机中也得到广泛应用。,5.3.3 铁基结构材料,铁基结构材料是以碳钢或合金钢粉末为主要原材料，采用粉末冶金方法制造结构零件。用这类材料制造的结构零件具有制品精度较高、表面粗糙度值低，不需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
18、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、调整环法兰盘、偏心轮，汽车制造中的油泵齿轮差速器齿轮、止推环以及拖拉机上的传动齿轮、活塞环等。,第4节 粉末冶金制品结构工艺性,考虑粉末冶金零件结构工艺性时，总的原则是零件应尽量平整简单，即不带倒角、尖角、凸起、凹槽以及难于直接压制或脱模出的内、外螺纹、倒锥度、与压制方向垂直的孔、槽等。一般需要从压制困难性、脱模困难性、粉末均匀填充困难性和压模强度、寿命等诸方面考虑。,5.4.1 考虑压制困难性及简化模具,零件的内、外螺纹、倒锥度、与压制方向垂直的孔、槽等均不能直接压制出。图5-10a中与压制方向垂直的退刀槽需改为图
19、5-10b的结构；图5-11a所示零件，应在模具上做出垫块（图5-11b）,5.4.2 考虑脱模困难性,在压制过程中，由于压制压力较大而阴模会发生弹性膨胀；当压力去除后，压坯阻碍阴模弹性收缩，压坯受径向压力。压坯脱出阴模的部分，由于本身弹性后效作用而向外膨胀。这使得在脱模过程中，压坯受到方向相反的切应力作用，如图5-12所示。,在压坯脱模过程中，压坯上的一些薄弱部位有可能在上述切应力作用下发生毁坏。所以零件在结构上应尽可能避免薄壁、深而窄的槽、锐边、小而薄的凸台等形状。如图5-13a所示结构宜改成图5-13b。图5-14a脱模不便，改成图5-14b结构为妥。,图5-12 压坯脱模过程中的切应力
20、,5.4.3 考虑粉末均匀填充及压坯密度,密度均匀是压坯质量的一个重要指标。在压制薄壁或截面上厚度差异较大的压坯时，装粉不易均匀，薄壁和尖角处难于充填粉末，引起压坯密度很不均匀，烧结时易发生变形或开裂。压坯的最小壁厚取决于零件尺寸。一般偏心孔零件最薄处壁厚t1mm（图5-15a所示）。设计圆柱体空心件最小壁厚规定为1.2mm；实际设计中，壁厚t与高度H有关，一般取H/t20（图5-15b）。零件结构带有尖角时，不利于装粉、密度不易均匀、且模具制造困难、寿命低，宜将尖角改为圆弧。,5.4.4 考虑压模强度及寿命 主要应考虑压模结构上一些薄弱部位易在压制高压下损坏。例如，机械加工中极易加工的倒角，
21、在粉末冶金压制时，成了模具的薄弱部位（尖角）而极易在压制时损坏（图5-16a所示），宜改成图5-16b所示结构。,a),b),图5-16 倒角结构的改进,第5节 粉末冶金技术的新发展,5.5.1 粉末制备1.快速冷凝技术2.机械合金化 3.自蔓延高温合成 SHS4.气体雾化制粉5.5.2 成形1.粉末注射成形2.喷射沉积3.大气压力固结,4.温压技术5.流动温压工艺5.5.3 烧结1.电场活化烧结2.等离子体活化烧结3.微波烧结4.低温烧结,思考题：1.何谓粉末冶金？粉末冶金的主要工序有哪些？2.粉末冶金模具主要有哪几种类型？3.常见粉末冶金材料有哪些？并指出下列牌号的含义：YG6X YT14 YW1,
