5粉末冶金

5.1 粉末冶金基础,5.2 粉末冶金工艺,5.3 粉末冶金零件结构的工艺性,5.4 粉末冶金材料,第5章 粉末冶金成形,绪论,绪 论,粉末冶金是制取金属粉末并通过成形和烧结等工艺将金属粉末或与非金属粉末的混合物制成制品的加工方法。 1粉末冶金工艺可获得熔点、密度相差悬殊的多种金属、金属与陶瓷、金属与塑料等多相不均质的特殊功能复合材料和制品。 2提高材料性能。用特殊方法制取的细小金属或合金粉末，凝固速度极快、晶粒细小均匀，保证了材料的组织均匀，性能稳定，以及良好的冷、热加工性能，且粉末颗粒不受合金元素和含量的限制，可提高强化相含量，从而发展新的材料体系。 3利用各种成形工艺，可以将粉末原料直接成形为少余量、无余量的毛坯或净形零件，大量减少机加工量。提高材料利用率，降低成本。,5.1.1 粉末的化学成分及性能,5.1.2 粉末冶金的机理,5.1 粉末冶金技术,5.1.1粉末的化学成分及性能,常用的金属粉末有铁、铜、铝等及其合金的粉末，要求其杂质和气体含量不超过1%2%，否则会影响制品的质量。 粉末的性能包括物理性能和工艺性能。,1.粉末的物理性能, 粒度及粒度分布 粉料中能分开并独立存在的最小实体为单颗粒。实际的粉末往往是团聚了的颗粒，即二次颗粒。如图5.1.1所示 颗粒形状 即粉末颗粒的外观几何形状。常见的有球状、柱状、针状、板状和片状等，可以通过显微镜的观察确定。 比表面积 即单位质量粉末的总表面积，可通过实际测定。,c,c,c,图5.1.1 聚集颗粒示意图 a)一次颗粒；b)二次颗粒；c)晶粒,2.粉末的工艺性能,填充特性 指在没有外界条件下，粉末自由堆积时的松紧程度。常以松装密度或堆积密度表示。 流动性 指粉末的流动能力，常用50克粉末从标准漏斗流出所需的时间表示。 压缩性 表示粉末在压制过程中被压紧的能力，用规定的单位压力下所达到的压坯密度表示，在标准模具中,规定的润滑条件下测定。 成形性 指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力，用粉末能够成形的最小单位压制压力表示，或用压坯的强度来衡量。,5.1.2 粉末冶金的机理,压制的机理 压制就是在外力作用下，将模具或其它容器中的粉末紧密压实成预定形状和尺寸压坯的工艺过程。如图5.1.2所示 烧结的机理 烧结是粉末或压坯在低于其主要组分熔点温度以下的热处理过程，目的是通过颗粒间的冶金结合以提高其强度。如图5.1.3所示,5.2.1 粉末制备,5.2.2 粉末的预处理,5.2.3 成形,5.2.4 烧结,5.2.5 后处理,5.2粉末冶金工艺,粉末冶金工艺过程包括金属粉末的制取和预处理、坯料的成形、烧结和后处理等工序。,5.2.1 粉末制备,金属粉末的制备方法分为两大类：机械法（如二流雾化法制取金属粉末和离心雾化法制取金属粉末）和物理化学法以及较先进的机械合金化法，汞齐法、蒸发法、超声粉碎法等超微粉末制造技术。制备方法决定着粉末的颗粒大小、形状、松装密度、化学成分、压制性、烧结性等。,二流雾化法制取金属粉末示意图,离心雾化法制取金属粉末示意图,5.2.2 粉末的预处理,粉末的预处理包括粉末退火、分级、混合、制粒、加润滑剂等。 粉末退火可以使氧化物还原，降低碳和其它杂质的含量，提高粉末的纯度；还能消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构。 分级是将粉末按粒度大小分成若干级的过程。 混合即将两种或两种以上不同成分的粉末均匀化的过程。 制粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末的流动性。,5.2.3 成 形,成形是将粉末转变成具有所需形状的凝聚体的过程。通过成形，松散的粉末被压实成具有一定形状、尺寸和强度的坯件。压制过程中松散的粉末通过位移和变形而密实，随着压力的增加压坯的密度及密度分布、压坯的强度等发生变化。常用的成形方法有模压、等静压、轧制、粉浆浇注、挤压、松装烧结成形和爆炸成形等。,1.模 压,即粉末料在压模内压制。制作压坯时压力的大小依粉末种类、形状及各种条件而有很大差异，室温压制时一般需要约1吨/厘米2以上，压制压力过大时，影响加压工具；且易使坯体发生层状裂纹、伤痕和缺陷等。 常用的模压方法有单向压制、双向压制、浮动模压制等。,图5.2.4 常用的模压方法 a）单向压制 b）双向压制 c）浮动模压制 1、8固定模冲 2、6固定阴模 3粉末 4、5、7、10运动模冲 9浮动阴模,2.等 静 压 制,压力直接作用在粉末体或弹性模套上，使粉末体在同一时间内各个方向上均衡受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯的过程。按其特性分为冷等静压制和热等静压制两大类。 冷等静压制为在室温下等静压制，液体为压力传递媒介 。 热等静压制为把粉末压坯或装入特制容器内的粉末体置入热等静压机高压容器中，施以高温和高压，使这些粉末体被压制和烧结成致密的零件或材料的过程。,3.粉 末 轧 制,粉末轧制是将金属粉末通过一个特制的漏斗喂入转动的轧辊缝中，可轧出具有一定厚度、长度连续、强度适宜的板带坯料。适用于生产多孔材料、摩擦材料、复合材料和硬质合金等的板材及带材。,4.粉 浆 浇 注,是金属粉末在不施加外力的情况下成形的，即将粉末加水或其它液体及悬浮剂调制成粉浆，再注入石膏模内，利用石膏模吸取水分使之干燥后成形。,5.挤 压 成 形,将置于挤压筒内的粉末、压坯或烧结体通过规定的模孔压出。按照挤压条件不同，分为冷挤压和热挤压。 冷挤压是把金属粉末与一定量的有机粘结剂混合，在较低温度下（40200）挤压成坯块； 热挤压是指金属粉末压坯或粉末装入包套内加热到较高温度下压挤，热挤压法能够制取形状复杂、性能优良的制品和材料。挤压成形设备简单，生产率高，可获得长度方向密度均匀的制品。,6.松装烧结成形,粉末未经压制而直接进行烧结，如将粉末装入模具中振实，再连同模具一起入炉烧结成形，用于多孔材料的生产；或将粉末均匀松装于芯板上，再连同芯板一起入炉烧结成形，再经复压或轧制达到所需密度，用于制动摩擦片及双金属材料的生产。,7.爆 炸 成 形,借助于爆炸波的高能量使粉末固结的成形方法。 爆炸成形的特点是爆炸时产生压力很高，施于粉末体上的压力速度极快。如炸药爆炸后，在几微秒时间内产生的冲击压力可达106MPa（相当于107个大气压），比压力机上压制粉末的单位压力要高几百倍至几千倍。爆炸成形压制压坯的相对密度极高，强度极佳。,5.2.4 烧 结,烧结是粉末或粉末压坯,在适当的温度和气氛中受热所发生的现象或过程。 常用的烧结方法按原料组成不同分为单元系烧结、多元系固相烧结及多元系液相烧结;按进料方式不同分为连续烧结和间歇烧结等。 影响烧结体性能主要是:粉末体的性状、成形条件和烧结的条件。烧结条件的因素包括加热速度、烧结温度和时间、冷却速度、烧结气氛及烧结加压状况等。,5.2.5 后 处 理,常用的后处理方法有复压、浸渍、热处理、表面处理和切削加工等。 复压 为提高烧结体物理和力学性能而进行的施加压力处理，包括精整和整形等。 浸渍 用非金属物质（如油、石蜡和树脂等）填充烧结体孔隙的方法。常用的浸渍方法有浸油、浸塑料、浸熔融金属等。 热处理 对烧结体加热到一定温度，再通过控制冷却方法等处理，以改善制品性能的方法。常用的热处理方法有淬火、化学热处理、热机械处理等。 表面处理 常用的表面处理方法有蒸汽处理、电镀、浸锌等。,5.3粉末冶金零件结构的工艺性,粉末冶金材料常用的成形方法是在刚性封闭模具中将金属粉末压缩成形，由于粉末流动性较差，又受到摩擦力的影响，压坯密度一般较低且分布不均匀，强度不高，薄壁、细长形和沿压制方向呈变截面的制品还难以成形。因此，采用压制成形的零件结构的设计应注意下列问题: 尽量采用简单、对称的形状，避免截面变化过大以及窄槽、球面等，以利于制模和压实。图5.3.1 避免局部薄壁，以便装粉压实和防止出现裂纹。图5.3.2 避免侧壁上的沟槽和凹孔，以利于压实或减少余块。 避免沿压制方向截面积渐增，以利于压实。,5.4 粉末冶金材料,粉末冶金材料有工具材料及机械零件和结构材料。 工具材料大致有硬质合金、粉末高速钢、超硬材料 、陶瓷工具材料及复合材料等。 机械零件和结构材料有粉末减摩材料，包括多孔减摩材料和致密减摩材料；粉末冶金铁基零件及粉末冶金非铁金属零件等。,1.硬 质 合 金,硬质合金由硬质基体（质量分数为70%97% ）和粘结金属两部分组成。硬质基体是难熔金属的碳化物，如碳化钨及碳化钛等；粘结金属为铁族金属及合金，以钴为主。 作用：主要用作切削刀具、金属成形工具、矿山工具、表面耐磨材料及高刚性结构部件。 类型：含钨硬质合金，钢结硬质合金，涂层硬质合金，细晶粒硬质合金等。 牌号：钨钴类硬质合金为“YG+数字” ；钨钛钴类硬质合金为“YT+数字”；钨钛钽（铌）类硬质合金又称为通用硬质合金或万能硬质合金为“YW+顺序号” 。,2.粉末高速钢,粉末高速钢可减少或消除偏析，获得均匀分布的细小碳化物，具有较大的抗弯强度和冲击强度；韧性提高50%，磨削性也大大提高；热处理时畸变量约为熔炼高速钢的十分之一，工具寿命提高12倍。 常用高速钢牌号为W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2，含有0.7%0.9%C，及10%的钨、铬、钼、钒等合金元素。碳保证高速钢具有高硬度和高耐磨性，钨和钼提高钢的热硬性，铬提高钢的淬透性，而钒则提高钢的耐磨性。,3.铁和铁合金的粉末冶金,类型：有铁基材料、铁镍合金、铁铜合金及铁合金和钢。 特点：粉末冶金铁基结构零件具有精度较高，表面粗糙值小，不需或只需少量切削加工，节省材料，生产率高，制品多孔，可浸润滑油，减摩、减振、消声等特点。 用途：广泛用于制造机械零件，如机床上的调整垫圈、调整环、端盖、滑块、底座、偏心轮，汽车中的油泵齿轮、活塞环，拖拉机上的传动齿轮、活塞环，以及接头、隔套、油泵转子、挡套、滚子等。 粉末冶金铁基结构材料的牌号用“粉”、“铁”、“构”三字的汉语拼音字首“FTG”，加化合碳含量的万分数、主加合金元素的符号及其含量的百分数、辅加合金元素的符号及其含量的百分数和抗拉强度组成。,4.摩擦材料和减摩材料,粉末冶金摩擦材料根据基体金属不同分为铁基材料和铜基材料，其辅助组元为润滑组元和摩擦组元。其牌号由“粉摩”两字的汉语拼音字首“FM”，加基体金属骨架组元序号（铜基为1，铁基为2）、顺序号和工作条件汉语拼音字首“S”或“G”组成。 粉末冶金减摩材料分为铁基材料和铜基材料，具有多孔性，主要用来制造滑动轴承。轴承放在润滑油中因毛细现象可吸附润滑油（一般含油率12%30%），故称含油轴承。工作时，使润滑油被抽到工作表面。停止工作时，润滑油又渗入孔隙中，故含油轴承可自动润滑。牌号由粉末冶金滑动轴承的“粉”、“轴”两字汉语拼音字首“FZ”，加上基体主加组元序号（铁基为1，铜基为2）、辅加组元序号和含油密度组成。,5.粉末冶金非铁金属机械零件,铜基材料具有耐腐蚀的特点，有一定的强度和韧性，较容易进行加工，采用一般