粉末成形

第三节 粉末成形一、粉末成形概论粉末成形法与金属的熔炼法、铸造方法有根本的不同。其工艺过程包括粉末原料的制取、成形和烧结几个主要工序。目前，粉末合金制品越来越多地取代了传统的金属制品。其优越性主要表现为：能够制造用传统成形方法无法获得的材料和制品；制得的材料具有高强度和优异的特种性能；高的经济效益。表6-3-1给出了几种成形及加工方法经济性的比较。由表可见，粉末冶金制品的材料利用率最高，而单位重量的能耗又最低。表6-3-1 几种成形、加工方法经济性比较方 法材料利用率（%）单位能耗/（J/kg）铸 造903038粉末冶金9529冷 锻8541热 锻75804649机械加工40506682典型的粉末冶金工艺过程是：原料粉末的制备；粉末物料在压模中加压成形，得到一定形状和尺寸的压坯；压坯在一定的温度下加热烧结，使制品获得最终的物理机械性能。现代粉末冶金工艺的发展已经远远超出此范畴而日趋多样化，如同时实现粉末压制和烧结的热压及热等静压法；粉末轧制；粉末锻造；多孔烧结制品的浸渍处理、熔渗处理；精整或少量切削加工处理；热处理等。粉末冶金工艺流程如图6-3-1所示。制取粉末合金的第一步就是制备原材料粉末。一般需要多种粉末混合，为保证压坯质量，还需要合适的粗细粒度搭配。另一方面，为了获得优异的力学性能，粉料的平均粒度越小越好。除此之外，粉料在成形之前还需进行诸如退火、筛分、混合、制粒、加润滑剂这样一些预处理；第二步就是成形过程，成形分为模压成形和特殊成形两大类。模压成形就是将预处理良好的粉末按一定体积或重量装入精密模具，用压力机压成所希望的形状和尺寸的压坯。由于粉末之间、粉末与模壁之间存在有摩擦，故压力分布是不均匀的，这就使得压坯的尺寸不能太大，形状亦不能很复杂。为此，人们又开发出了多种特殊成形的方法。如等静压成形、滚压成形、高图6-3-1 粉末冶金工艺流程能高速成形、无压成形、注浆成形和挤压成形等。当然，模压成形目前仍占主导地位；第三步为烧结过程，成形后的粉末毛坯还不具备应有的物理、力学性能，必须在适当的温度和气氛中加热、保温、使其发生一系列的物理和化学变化，使粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚集体，以达到所需的物理、力学性能，成为可用的制品或材料。烧结对最终产品的性能起决定性的作用，是整个生产或材料制备过程中最重要的工序。烧结温度一般约为主成分熔点的2/3。烧结时还需要用氢气等还原气体，或氮气、氩气等惰性气体保护，有时还可能直接在真空中烧结。粉末冶金工艺能够生产许多用其它方法所不能生产的材料和制品。近年来，粉末冶金材料应用很广。在普通机器制造业中常用作减摩材料、结构材料、摩擦材料及硬质合金等。在其它工业部门中，用以制造难熔金属材料（如高温合金、钨丝等）、特殊电磁性能材料（如电器触头、硬磁材料、软磁材料等）、过滤材料（如空气的过滤、水的净化、液体燃料和润滑油的过滤等）。粉末冶金法既是制取具有特殊性能的金属材料的方法，也是一种精密的无切屑或少切屑的加工方法。它可使压制品达到或非常接近于零件要求的形状、尺寸精度与表面粗糙度，使生产率和材料利用率大为提高，具有突出的经济效益。目前采用粉末冶金工艺可以制造板、带、棒、管、丝等各种型材，以及齿轮、链轮、棘轮、轴套类等各种零件；可以制造重量仅白分之几克的小制品，也可以用热等静压法制造近两吨重的大型坯料。对粉末冶金工艺的研究已成为当今世界各工业发达国家都十分重视的课题。综上所述，粉末冶金成形工艺既是制造具有特殊性能材料的技术，又是一种能降低成本、大批量制造机械零件的无切削、少切削加工工艺。但由于压制设备吨位及模具制造的限制，目前，粉末冶金法还只能生产尺寸有限和形状不很复杂的工件。此外，粉末冶金制品的机械性能仍低于铸件与锻件。二、粉末的制取1粉末的制取可以这样说，任何材料成形工艺的成败，都取决于原材料的质量。粉末冶金的生产工艺是从制取原材料（粉末）开始的。这些粉末可以是纯金属，也可以是非金属，还可以是化合物。在某些情况下，粉末原料的质量甚至决定了粉末合金的品质。目前，纳米粉末的获得，使人类发现，纳米粉末合金的性能有飞跃性的提高。有人甚至发出感慨：21世纪是纳米材料的世纪。可以见得，粉末制备技术的革新，将会带来材料的革命。高质量的原料粉末，往往应该具备的重要特征是：粒度分布范围合理，平均粒径小；颗粒外形圆整；颗粒聚集、抱团倾向小，凝聚强度低；化学纯度和化学组成均匀性易于控制。金属粉末的制取方法可以分成三类：物理方法、化学方法和机械方法。机械法制取粉末是将原材料机械地粉碎而化学成分基本上不发生变化的工艺过程。物理法、化学法则是借助物理的或化学的作用，改变原材料的聚集状态或化学成分而获得粉末的工艺过程。表6-3-2为制取粉末的一些方法。在粉末冶金生产实践中，机械法和物理、化学法之间并没有明显的界限，而是相互补充。例如，可使用机械法去研磨化学还原法所制得的成块海绵状金属；应用还原退火法可将涡旋研磨或雾化所得粉末消除应力、脱碳以及减少氧化物。粉末的生产方法很多，从工业规模而言，应用最广泛的是还原法、雾化法、电解法和机械法；而气相沉积法和液相沉淀法在特殊应用时亦很重要。表6-3-2 粉末生产方法 （1）还原法采用化学还原反应从金属氧化物或盐类制得金属粉末的方法就是化学还原法，简称为还原法。这是应用最广的一种金属粉末制造方法，铁、镍、钴、铜、钨、钼等的粉末都可用这种方法制造。还原法是用多种方法还原各种金属化合物，以制造金属粉末的一种方法，一般是指使金属氧化物或氧化物矿石在高温下与还原剂反应的方法。制得的粉末呈多面体形，为海绵状，成形性和烧结性好。粉末的粒度可凭借原料的粒度和还原条件任意调整，易制得均质的粉末。但是，在粉末制造中缺少必要的精制处理时，在铁粉等中往往包含有未被还原的氧化物。在还原粉中生产量最大的是铁粉，目前铁粉大部分由还原法生产。一般化学还原反应式为MeO+X=Me+XO式中 Me，MeO金属和金属氧化物；X，XO还原剂和还原剂的氧化物。根据热力学原理，固体碳有较强的还原多种金属氧化物的能力。工业上生产铁粉就是采用碳还原法来进行的。图6-3-2为海绵铁粉末生产的流程图。生产时，将粉碎后的磁铁精矿粉与石灰石、无烟煤粉均匀混合。石灰石主要用于脱硫，因为焦炭中难免混入大量的硫。然后在1200左右入窑进行还原反应。待反应完成后，将海绵铁饼、残余焦炭和灰分离，并粉碎海绵铁饼，随后将粉碎后得到的铁粉在氢气气氛下退火，一方面，进一步减少氧和碳的含量；另一方面，还可去除粉碎时粉粒的加工硬化。最后，通过筛分便制得了所需要的铁粉。图6-3-2 采用铁矿石还原海绵铁粉末的生产流程工业上应用的还原剂除固体碳外，还有H2和CO也可以作为还原剂。凡是在一定的温度条件下，与氧亲和力强的金属，都有可能还原与氧亲和力较弱的金属氧化物。（2）雾化法雾化法则是一种粉末的物理制备方法。它主要利用高速的气流或水流直接击碎液体金属或合金来制取粉末。雾化法工艺简便，可连续、大量生产，而被广泛采用。图6-3-3为粉末雾化过程。熔融的金属或合金被保持在坩埚中，金属液通过坩埚底部小孔，在重力作用下垂直下落，通过雾化喷嘴。在喷嘴中通以水流或惰性气体流，在高压下以一定的角度，在距坩埚底部为F高度处汇聚，将下落的金属液流雾化，并落入淬火介质中冷却成金属粉末颗粒。该法很早就被用于制造Pb、Sn、Zn、Al、青铜、黄铜等低熔点金属与合金的粉末。近来，随着雾化技术的进展，对于像18-8不锈钢、低合金钢、镍合金等的粉末，也已采用雾化法制造。雾化粉末的颗粒形状因雾化条件而异。金属熔液的温度越高，球化的倾向越显著。依据雾化的金属，加入微量的P、S、O等，以改变金属液滴的表面张力，也可以制成球形颗粒粉。图6-3-3 雾化法制取粉末的过程示意图1坩埚 2金属液 3惰性气体 4喷嘴 5淬火介质雾化法是一种生产效率较高、成本较低和易于制得高纯度粉末的重要工业方法。其缺点是合金粉末易产生成分偏析以及难以制得小于300目的细粉。作为示例，纯铁粉末也可以采用雾化法来生产。生产过程是这样的，将生铁和废钢按一定比例配制成含碳量为3.2%3.4%的成分，在感应电炉中熔化成铁液，然后浇注于保温坩埚中，在铁液下落时，使用压力约为6.8个大气压的高压空气雾化液流。随后液流即被水槽收集，再通过干燥过筛，形成了粉末的中间产品。因为铁液在雾化的同时，又与氧气发生了剧烈反应，产生了大量的CO，故这一阶段形成的粉末多为空心球状颗粒。下一步就需要将粉末盛于封闭容器中，在950下和CO还原气氛中保温，进行脱氧、脱碳，最后再进一步粉碎、过筛，就制得了合格的铁粉，其生产流程示意图如图6-3-4。这种工艺与还原法相比，具有生产率高、非金属杂质小的优点。图6-3-4 雾化法制备铁粉的工艺流程（3）电解法电解法是又一种制取金属粉末的方法，它的基本原理和电镀相同。Fe、Ni、Cr、Cu、Zn等的粉末，都可用电解法制造。但就粉末冶金用的粉末来说，铁粉和铜粉是主要的。电解铁粉与铜粉都是用电解金属盐的水溶液制造的。它们有时直接呈粉状析出，有时需将电解析出物进一步机械粉碎，以制成粉末。电解粉末纯度高，颗粒呈树枝状或针状，其压制性和烧结性都很好，但生产率低，成本高。纯铜粉大多是用该法制成。电解铁粉由于价格高，仅用于要求纯度高或制造高密度零件的场合。以铜粉制备为例，水溶液一般为硫酸铜和少许硫酸，阳极为铜板，在溶液中通入直流电后，带有大量正负离子的水溶液就会发生离子迁移。在阳极，铜将失去电子变成离子进入溶液，OH-失去电子变成水和氧气：CuCu2+2e2OH2eH2O+O2而在阴极，铜离子得到电子析出铜，氢离子得到电子放出氢气：Cu2+2eCu2H+2eH2铜离子在阴极析出可以有两种形式，即电镀层和铜粉。一般电解液中铜离子浓度较低、电流密度较强时易得到铜粉。析出的铜粉不能直接使用，还需要经过洗涤、过滤、干燥、研磨、筛分才能使用。根据电解法的原理可知，经此法制得的粉料纯度高。另外粉料粒形多呈树枝状，故压制性能也较好。但其成本较高，因制备过程控制较为复杂、耗电量大。（4）机械粉碎法固态金属的机械粉碎既是一种独立的制粉方法，又常作为某些制粉方法不可缺少的补充工序。例如，研磨电解制得的硬脆阴极沉积物，研磨还原制得的海绵状金属块等。因此，机械粉碎法在粉末生产中占有重要地位。机械粉碎是靠压碎、击碎和磨削等作用，将块状金属和合金机械地粉碎成粉末的。根据物料粉碎的最终程度，基本可以分为粗碎和细碎两类；根据粉碎的作用机构，以压碎作用为主的有碾碎、辊轧以及颚式破碎等；以击碎作用为主的有锤磨等；属于击碎和磨削等多方面作用的有球磨、棒磨等。虽然所有的金属和合金都可以被机械地粉碎，但实践证明，机械研磨比较适用于脆性材料。研磨塑性金属和合金制取粉末的有旋涡研磨、冷气流粉碎等。2粉末的性能粉末的性能可大体分为五类：（1）几何尺寸 颗粒形状、粒度、粒度分布及比表面。（2）物理性能 颗粒密度、颗粒内空隙、显微组织、硬度、加工硬化性、塑性变形能、表面状态及表面张力等。（3）机械性能 松装密度、振实密度、流动性、压制性及成形性等。（4）化学性能 纯度及氢中失重等。（5）特殊性能 电磁性能、摩擦特性、导热性、耐热性、抗氧化性及耐腐蚀性等。对粉末冶金来说，主要性能是颗粒形状、粒度、粒度分布、松装密度、压制性、成形性、流动性及化学成分等。3粉末的预处理与混合（1）粉末的预处理即使在同一条件下制造的同一种粉末，其纯度和粒度分布也是有差别的，因此，在使用前须将其混合均匀。另外，原料粉末在运输和存放中会生成大量锈块或凝结成块状，一般要用筛子将这些块状物筛出。当对粒度分布有要求时，需将粉末过筛后按所要求的粒度分布来进行混合。为了去除粉末表面的氧化物和吸附的气体，消除粉末颗粒的加工硬化，必须进行还原退火处理。例如，将铜粉在氢中于300左右还原退火，将铁粉在氢中于600900还原退火，这时粉末颗粒表面因还原而呈现活化状态，并使细颗粒变粗，从而改善粉末的压制性。氢中处理时，还有脱氧、脱碳、脱磷、脱硫等反应，提高了粉末的纯度。（2）粉末的混合相同化学组成的粉末的混合叫做和批。两种以上的化学组元相混合，叫做混合。混合的目的是使性能不同的组元形成均匀的混合物，以利压制和烧结时状态均匀一致。混合时，除基本原料粉末外，其它添加组元有以下三类：）合金组元如铁基粉末中加入碳、铜、钼、锰、硅等粉末。）游离组元如摩擦材料中加入的SiO2、Al2O3及石棉等粉末。）工艺性组元如作为润滑剂的硬脂酸锌、石蜡、机油等；作为粘结剂的汽油橡胶溶液、石蜡及树脂等；作为造孔用的氯化铵等。混合好的粉末通常需要过筛，以除去较大的夹杂和润滑剂的快状凝聚物。混好的粉末尽可能及时使用，否则应密封贮存起来，运输时应减少振动，防止混合料发生偏析。三、粉末成形粉末成形是粉末冶金的第二个阶段。它是将松散的粉末制成具有一定形状、尺寸、密度和强度的坯块这样一个工艺过程。粉末经过成形工序得到具有既定形状与强度的粉末体，叫做压坯。粉末成形可以用普通模压法或用特殊成形方法成形。前者是将金属粉末或混合粉末装在压模内，通过压机使其成形。特殊成形是指各种非模压成形。1普通模压法成形模压法成形是最广泛使用的粉末成形技术。它是指在常温下将混合均匀的粉末按一定的量装入封闭的模具中，再用压力机以一定的单位压力压制成坯块的方法。图6-3-5是压制模具示意图。这种成形过程通常由以下工步组成：称粉、装粉、压制、保压及脱模。图6-3-5 压制模具示意图1凹模 2上凸模 3下凸模 4粉末（1）称粉与装粉称粉就是称量成形一个压坯所需的粉料的重量或容量。采用非自动压模和小批量生产时，多用重量法；大量生产和自动化压制成形时，一般采用容量法，且是用压模型腔来进行定量。但是，在生产贵金属制品时，称量的精度很重要，甚至大量生产时都采用重量法。（2）压制方法压制是按一定的单位压力，将装在型腔中的粉料，集聚成达到一定密度、形状和尺寸要求的压坯的工步。在封闭钢模中冷压成形时，其压制方式最基本的有三种，如图6-3-6所示。其它压制方式或是基本方式的组合或是用不同结构来实现。 a) b) c)图6-3-6 三种基本压制方式a）单向压制 b）双向压制 c）浮动压制1）单向压制 单向压制时凹模和下凸模不动，由上凸模单向加压。在这种情况下，因摩擦力的作用使制品上下两端密度不均匀。即压坯直径越大或高度越小，压坯的密度差越小。单向压制的优点是模具简单，操作方便，生产效率高。缺点是只适于压制高度小的制品。2）双向压制 双向压制时，凹模固定不动，上下凸模以大小相等方向相反的压力同时加压。这种压坯中间密度低，二端密度高而且相等。正如两个条件相同的单向压坯，从尾部连接起来一样。所以，双向压制的压坯，允许高度比单向压坯高一倍，适于压制较长的制品。双向压制的另一种方式是，在单向压制结束后，在密度低的一端再进行一次反向单向压制，以改善压坯密度的均匀性。这种方式又称为后压。3）浮动压制 下凸模固定不动，凹模用弹簧、气缸、油缸等支撑，受力后可以浮动。当上凸模加压时，由于侧压力而使粉末与凹模璧之间产生摩擦力FS，当凹模所受摩擦力大于浮动压力Pf时，弹簧压缩，凹模与下凸模产生相对运动，等于下凸模反向压制。此时，上凸模与凹模没有相对运动。当凹模下降，压坯下部进一步压缩时，在压坯外径处产生阻止凹模下降的摩擦力FX。当FX=FS时，凹模浮动停止。上凸模又单向加压，与凹模产生相对运动。如此循环，直到上凸模不再增加压力时为止。此时，低密度带在压坯的中部，其密度分布与双向压制相同。浮动压制是最常见的一种形式。不同的压制方式，压坯密度不均匀程度有差别。但无论哪一种方式，不仅密度沿高度分布不均匀，而且沿压坯断面的分布也是不均匀的。造成压坯密度分布不均匀的原因是粉末颗粒与模腔壁在压制过程中产生的摩擦。压坯密度的均匀性是其质量的重要保证，烧结后制品的强度、硬度及各部分性能的同一性，皆取决于密度分布的均匀程度。此外，压坯密度分布不均匀，在烧结时，将使制品中产生很大的应力，从而导致收缩的不均匀、翘曲，甚至产生裂纹。因此，压制成形时，应力求使压坯密度分布均匀。影响压坯密度分布均匀程度的因素较多，其中，压坯的侧正面积比、压制方式和摩擦系数是起决定性作用的。总而言之，使用润滑剂以减小模壁摩擦；增大压制压力；采用双向压制工艺；运用浮模原理；减小坯件高度与直径比；利用预压工艺，都可以均匀化坯件内部的密度分布。（3）压制过程模压成形期间，粉末发生两个基本变化。一是沿压力方向发生整体运动；二是在压力作用下发生变形与断裂。这两个基本变化都有助于增加坯件的密度、减少孔隙度。粉末装在模腔中，形成许多大小不一的拱洞。加压时，粉末颗粒产生移动，拱洞被破坏，孔隙减少，随之粉粒从弹性变形转为塑性变形，颗粒间从点接触转为面接触。由于颗粒间的机械啮合和接触面增加，原子间的引力使粉末体形成具有一定强度的压坯。压制过程大体上可分为四个阶段：1）粉末颗粒移动，拱洞破坏，颗粒相互挤紧，压制压力大部分耗费于颗粒间的摩擦。2）粉末挤紧，小颗粒填入大颗粒间隙中，颗粒开始有变形，粉粒移动速度减慢。这时，压制压力主要耗费于颗粒与模壁之间的摩擦。3）粉末颗粒表面的凹凸部分被压紧且啮合成牢固接触状态。这时，压制压力主要耗费于粉末颗粒的变形。其中大部分用于粉粒的塑性变形上。4）粉末颗粒加工硬化到了极限状态，进一步增高压力时，粉末颗粒被破坏和结晶细化。这时，压制压力主要消耗于颗粒的变形与破坏（包括模具的变形）。实际上这四个阶段并无严格的分界，而且依据粉末的性能、压制方式及其它条件等有差异。压制压力到规定值后予以保压，可以提高压坯的密度。但较长时间的保压将使生产效率大大降低，故对于一般小型压坯不采用保压；对于大型致密压坯，可适当考虑保压，例如30s以内。研究发现，增加压力和粉末尺寸（或自由堆积密度）有助于增加坯件密度，减小粉末硬度、强度和降低模压速度，也有利于增加坯件密度。图6-3-7示意地说明了这些因素对坯件密度的影响。图6-3-7 坯件密度与模压压力、模压速度及粉末特性间的关系1低硬度粉末、粗粉、低模压速度 2高硬度粉末、细粉、高模压速度（4）脱模压坯从模具型腔中脱出是压制工序中重要的一步。压坯从模腔中脱出后，会产生弹性恢复而胀大，这种胀大现象，叫做回弹或弹性后效，可用回弹率来表示，即线性相对伸长的百分率。回弹率的大小与模具尺寸计算有直接的关系。2特殊成形方法粉末成形的传统方法是钢模压成形。但压机能力和压模的设计是限制压坯尺寸和形状的重要因素。所以传统的粉末冶金零件的尺寸较小，单重较轻，形状也较简单。随着科学技术的发展，人们对粉末冶金材料性能以及制品形状和尺寸都提出了更高的要求。所以，近些年以来，人们广泛地研究了各种非钢模成形法。这些成形方法按其工作原理和特点分为等静压成形、连续成形、无压成形、注射成形、高能成形等，统称特殊成形。现简述其中一些成形方法。（1）等静压成形这种方法是借助高压泵的作用把流体介质（气体或液体）压入耐高压的钢质密封容器内（如图6-3-8所示），高压流体的静压力直接作用在弹性模套内的粉末上；粉末体在同一时间内在各个方向上均衡地受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯。称为等静压制，简称等静压。等静压可分为冷等静压和热等静压两种。1）冷等静压 通常是将粉末密封在软包套内，然后放到高压容器内的液体介质中，通过对液体施加压力使粉末体各向均匀受压，从而获得所需要的压坯。液体介质可以是油、水或甘油。包套材料为橡胶之类的弹塑性材料。金属粉末可直接装套或模压后装套。由于粉末在包套内各向均匀受压,所以可获得密度较均匀的压坯,因而烧结时不易变形和开裂。其缺点是压坯尺寸精度差，还要进行机械加工。冷等静压已广泛用于硬质合金、难熔金属及其他各种粉末材料的成形。图6-3-8 等静压制原理图1排气阀 2压紧螺母 3盖顶 4密封圈 5高压容器 6橡皮塞 7模套 8压制料 9压力介质入口2）热等静压 这是50年代出现的新技术。将金属粉末装入高温下易于变形的包套内，然后置于可密闭的缸体中（内壁配有加热体的高压容器），关严缸体后用压缩机打入气体并通电加热。随着温度升高，缸内气体压力增大。粉末在这种各向均匀的压力和温度的作用下成为具有一定形状的制品。加压介质一般用氩气。常用的包套材料为金属（低碳钢、不锈钢、钛），还可用玻璃和陶瓷。由于温度和等静压力的同时作用，可使许多种难以成形的材料达到或接近理论密度，并且晶粒细小，结构均匀，各向同性和具有优异的性能。热等静压法最适宜于生产硬质合金、粉末高温合金、粉末高速钢和金属铍等材料和制品；也可对熔铸制品进行二次处理，消除气孔和微裂纹；还可用来制造不同材质紧密粘接的多层或复合材料与制品。（2）金属粉末轧制将金属粉末喂入一对转动的轧辊辊缝中，由于摩擦力的作用，粉末被轧辊连续压缩成形的方法。它是生产板带状粉末冶金材料的主要工艺。一般包括粉末直接轧制、粉末粘接轧制和粉末热轧等。粉末轧制的特点是：能生产特殊结构和性能的材料，成材率高，工序少，设备投资小，生产成本低。这些坯料预烧结、烧结，又经轧制加工以及热处理等工序，就可制成有一定孔隙度的，或致密的粉末冶金板带材（如图6-3-9所示）。图6-3-9 粉末轧制工艺示意图1粉末 2轧辊 3轧坯 4烧结 5精轧 6退火 7成品粉末轧制法与模压法相比，优点是制品的长度原则上不受限制；轧制制品密度比较均匀。但是，粉末轧制法生产的带材厚度受轧辊直径的限制（一般不超过10 mm），宽度也受到轧辊宽度的限制。粉末轧制法只能制取形状较简单的板带材。（3）粉末挤压粉末挤压的优点在于挤压件长度尺寸不受限制，产品密度均匀，生产可连续进行、效率高、灵活性大，设备简单、操作方便。粉末挤压又分为金属粉末直接挤压和装包套后热挤压两种。1）直接挤压 将塑性良好的有机物和金属粉末混合后，置入挤压模具内，在外力作用下使增塑粉末通过一定几何形状的挤压嘴挤出，成为各种管材、棒材及其他异形的半成品。影响挤压过程的主要因素是增塑剂的含量、预压压力、挤压温度和挤压速度。2）包套挤压 热挤压能把热压和热塑性加工结合在一起，从而获得全致密的优质材料；但为了防止粉末或压坯氧化，需要将它们装入包套内进行热挤压。包套的材质必须满足下列要求：包套材料在挤压温度下的刚性应尽量接近被挤压粉末，不与粉末发生反应，并可通过酸洗或机械加工的方法去除掉。采用这种工艺方法，可以获得气孔率接近零的制品，其效果可以同热等静压相比。这种方法的缺点是只能获得性状极为简单的形材，如圆、椭圆、矩形等。（4）粉浆浇注粉浆浇注是金属粉末在不施加外压力的情况下而实现成形的过程。其方法是将成形材料首先与水或其它液体调成悬浮液浆，并注入能够吸收液体的石膏模内；然后再从石膏模中取出干涸的坯块，并进行烘干（图6-3-10）。这种方法是从陶瓷技术引入的。对于压制性差的脆性粉末，如碳化物、硅花物、氮化物、铬和硅等粉末，粉浆浇注是特别有效的成形方法。同时，用粉浆浇注可以不使用压力机和钢制模具，对于制造较大而复杂的粉末冶金部件成本可以降低，而且所用设备简单。虽然粉浆浇注法具有上述优点，但是，粉浆浇注的生产周期长，生产率低。 a) b) c) d)图6-3-10 粉浆浇注工艺原理图a)组合石膏模 b)粉浆浇注入模 c)吸收粉浆水分 d)成型注件（5）其他方法： 松装烧结。用于制造各种多孔材料和制品，如过滤器等。高能高速成形和爆炸成形。可制造大型、复杂形状制品，如涡轮叶片等。近年来用于成形激冷凝固粉末引起了普遍的重视。软模成形。可成形诸如球体、圆锥体、多台阶体等各种普通压制方法难以成形的压坯。楔形压制。适用于制造环形长制品和较厚的带材。放电成形。用于中、小型而且形状复杂的制品成形。四、粉末烧结1烧结过程烧结是粉末冶金制品制备的第三个阶段。它是一种使成形的粉末坯件达到强化和致密化的高温处理工艺。在烧结过程中，粉末体经历了一系列的物理变化。图6-3-11给出了松散的球形铜粉粒在烧结过程中的行为。粉末的等温烧结过程大致可以划分为三个阶段。图6-3-11 三个球形颗粒烧结模型的示意a）初始点接触 b）烧结颈长大 c）孔隙球化（1）粘结阶段烧结初期，颗粒间的原始接触点或面转变成晶体结合，即通过成核、结晶长大等原子迁移过程形成烧结颈。在这一阶段中，颗粒内的晶粒不发生变化，颗粒外形也基本未变，整个烧结体不发生收缩，密度增加也极微，但是烧结体的强度和导电性由于颗粒结合面增大而有明显增加。（2）烧结颈长大阶段原子向颗粒结合面的大量迁移使烧结颈扩大，颗粒间距离缩小，形成连续的孔隙网络。同时由于晶粒长大，晶界越过孔隙移动，而被晶界扫过的地方，孔隙大量消失。烧结体收缩，密度和强度增加是这个阶段的主要特点。（3）闭孔隙球化和缩小阶段当烧结体密度达到90%以后，多数孔隙被完全分隔，闭孔数量大为增加，孔隙形状趋近球形并不断缩小。在这个阶段，整个烧结体仍可缓慢收缩，但主要是靠小孔的消失和孔隙数量的减少来实现。这一阶段可以延续很长时间，但是仍残留少量的隔离小孔隙不能消除。那么，烧结体在烧结过程中为什么会发生这些变化呢？即烧结的驱动力是什么呢？从热力学理论上来分析，细小的粉末颗粒存在大量的表面，有非常高的表面自由能，因而是不稳定的体系。在高温下，为烧结体系降低其表面能，从而减小体系的吉布斯自由能建立了必要条件，烧结体系，有自动降低其吉布斯自由能的趋势，这就是烧结过程的驱动力。包括以下几个方面：1）由于颗粒结合面（烧结颈）的增大和颗粒表面的平直化，粉末体的总比表面积和总表面自由能减小。2）粉末体内孔隙的总体积和总表面积减小。3）粉末颗粒内晶格畸变的消除。烧结过程中，颗粒粘结面上发生的量与质的变化以及烧结体内孔隙的球化与缩小等过程都是以物质的迁移为前提的。烧结机构就是研究烧结过程中各种可能的物质迁移方式及速率的。烧结过程中物质迁移的各种可能的机构有：粘性流动，表面扩散，体积扩散，晶界扩散，蒸发与凝聚，塑性流动。2烧结方法烧结方法大致可以分成两类。在烧结过程中有明显液相出现的方法被称为液相烧结；而烧结过程中无明显液相出现的方法被称为固相烧结。在固相烧结中，按烧结体系组元的多少，可进一步分为单元系烧结和多元系固相烧结。单元系烧结是指纯金属或化合物在其熔点以下进行的固相烧结过程，在整个过程中不出现新的组成物和新相，也不发生凝聚态的改变。而多元系固相烧结则是指由两种或两种以上组元构成的烧结体系，在低熔点组分熔点以下进行的固相烧结过程。若根据烧结时有无化学反应，所施加压力高低来分类，烧结过程还可分为反应烧结、常压烧结、热压烧结和热等静压烧结等。（1）反应烧结 是利用固气、固液化学反应，在原料合成同时进行烧结的方法。如利用C（S）+Si（l、g）-SiC高温反应，合成极细的SiC粉结晶体；利用Si（s）+N2（g）Si3N4（s）反应直接合成具有所需形状、尺寸和一定密度的坯件。反应烧结的特点是烧结时无收缩；晶界处低熔点组分不发生软化，从而高温性能不会降低；但坯体中气孔率较高，还会残存部分反应物。在粉末冶金领域，反应烧结属于活化烧结的一部分，它还可以使烧结温度降低，烧结过程加快，或使烧结体的密度及性能提高。（2）常压烧结 是将预压成形粉末在大气压力下或在较低的气体压力下进行烧结的方法。这种方法具有制作复杂形状制品、生产组织容易等优点，但制品气孔率高、收缩率大、机械强度低。常压烧结时，烧结体中有相当多的液相存在，也可归属于液相烧结方法。在粉末冶金中，液相烧结的要求源于致力于获得高密度、低气孔率的烧结材料，因为有液相参与的烧结，在烧结收缩压力作用下，液相将渗入孔隙，使气孔率得到降低。（3）热压烧结（简称热压） 是利用耐高温模具，在加热的同时加压的烧结方法。这种方法可以将常压下难以烧结的粉末进行烧结；可以在较低的温度下烧结出接近理论密度的烧结体；可以在短时间内达到致密化，烧结体的强度也较高。热压烧结时，驱动力除表面张力外，又加上了外压的作用。在外压下，粉粒间接触部位产生塑性流动或蠕变，使颗粒间距缩短，缩颈长大的动力学过程进行得更为方便。在热压烧结的基础上，又发展出了热等静压方法。该法是以气体为压力介质，将粉料一边进行各向同性压缩，一边加热的烧结方法。目前，采用热等静压法，工业上已进入烧结超硬合金和氧化铝系工具的阶段。需要指出的一点是，有时成形和烧结是同时进行和完成的，如热压烧结、热等静压烧结等。3后处理为进一步提高烧结制品的使用性能、尺寸和形状精度，烧结后还需对制品进行整形、机械加工、热处理等后续工序。金属粉末压坯烧结后进行的处理，叫做后处理。后处理种类很多，由产品要求来决定。（1）浸渍 是利用烧结件的多孔性的毛细现象，浸入各种液体。如为了润滑目的，可浸润滑油、聚四氟乙烯溶液、铅溶液等；为了提高强度和防腐能力，可浸铜溶液；为了表面保护可浸树脂或清漆等。（2）表面冷挤压 为了提高零件的尺寸精度和表面质量，可采用整形；为了提高零件的密度，可采用复压；为了改变零件的形状或表面形状，可采用精压。此外，对于零件上的横槽、横孔以及高的轴向尺寸精度面需进行切削加工后处理，以及为提高铁基制品的强度和硬度可进行热处理等。五、粉末成形技术的发展随着粉末合金应用领域的拓广，对材料本身的要求也越来越高。由此发展出一些非常有应用前景的成形技术，如粉末锻造、电火花烧结、喷射成形和激光快速成形等。下面分别给予简要介绍。1粉末锻造粉末锻造是将粉末冶金和精密模锻结合在一起的工艺。典型的粉末锻造工艺过程如图6-3-12所示。由图还可以看出，粉末锻造工艺还可以进一步分为粉末冷锻、锻造烧结、烧结锻造和粉末锻造。粉末锻造的优点是能源消耗低，材料利用率高，制品尺寸精度高，力学性能好，内部组织无偏析，且各向同性。与普通模锻相比，其优点示于表6-3-3。粉末锻造的产品已广泛应用于汽车工业和运输机械行业。图6-3-12 粉末锻造工艺流程表6-3-3 粉末锻造与普通模锻件特性对比 2电火花烧结电火花烧结是将金属等粉末装入石墨或其它导电材料制成的模具内，利