粉末冶金材料课件.ppt

1 烧结机械零件与材料 1 1烧结结构零件1 2烧结减摩零件1 3烧结摩擦零件 烧结机械零件与材料的分类 1 1烧结结构零件 粉末冶金的主战场齿轮 凸轮 连杆 1 1 1烧结铁基结构零件 1 孔隙对性能的影响承受载荷面积的减少结构缺陷与应力集中硬度与强度大体随密度而线性增大韧性在接近理论密度时急剧增加 2 提高材料的密度的方法 复压复烧 二次压制与烧结 熔浸 低熔点组元熔化后浸入到骨架中 粉末冶金热锻 热等静压 还原铁粉复压复烧后的密度与性能 浸铜烧结铁 石墨材料的性能 3 合金化的特点 金属学原理与普通钢一致合金元素选用上的差别孔隙度对合金元素的强化效果有直接影响 密度小于6 5g cm3时效果不好强化效果好的元素Cr Mn易于氧化 合金形式Cu P在烧结钢中有强化作用 4 热处理的特点 原理 工艺与普通钢基本相同孔隙度超过10 的制品不能盐浴加热孔隙使材料的导热性变差防止内部的渗碳与氮化需保护气体 防止表面氧化与脱碳淬火介质一般采用油 5 基本材料体系 Fe C体系含碳量的控制游离石墨的防止组织性能还与烧结后的冷却速度有关 Fe C体系 由铁粉与石墨粉的混合粉成形的压坯 在烧结时 石墨中的碳扩散到铁中 形成奥氏体 碳在高温形态铁中的固溶体 压坯烧结后冷却到室温时 奥氏体发生相变 化合碳含量为0 80 时 形成珠光体 铁素体与渗碳体的共晶混合物 化合碳含量低于0 80 即亚共析钢 时 形成铁素体与珠光体的混合物 化合碳含量高于0 80 即过共析钢 时 形成珠光体与渗碳体的混合物 烧结碳素钢的金相组织和常规的共析钢 亚共析钢及过共析钢是一致的 普碳钢的强度因含碳量增加而增高 碳钢的抗拉强度一直增高到共析组成 当含碳量更高时 抗拉强度大体上处于恒定状态 由铁粉与石墨粉的混合粉制成的结构零件 其材料的强度同样随着含碳量增加而增高 在化合碳含量达到共晶点之前 强度随着化合碳含丛增加而增高 化合碳含量超过共晶点之后 由于连续的 脆性的渗碳体网络出现 烧结碳钢的横向断裂强度减低 Fe Cu C与Fe Cu Mo C系 烧结铜 10 以内熔浸铜 15 25 较佳配比为C 1 5 Cu 8 时效作用比较明显对尺寸变化有很大影响Mo的主要作用是固溶强化 细化径粒Mo的扩散慢 一般采用合金粉 烧结铜铁合金与烧结铜钢 在粉末冶金铁基结构零件生产中的一种常用合金元素是铜 在常用的烧结条件下 虽然可能有些铜末熔化 但在烧结温度1095 1120 时 7 5 9 的铜可溶于奥氏体铁中 由铁粉与铜粉的混合粉压制成形的压坯 烧结后冷却到室温时 在烧结温度下以液相存在的铜将凝固 同时将铁粉颗粒铜焊在一起 在室温下 铜在纯铁体中的平衡溶解度不大于0 1 因此溶解于固溶体铁中的铜将沉淀出来 粉末冶金Cu Fe合金零件材料的强度与硬度 就是由于铜的铜焊与时效硬化作用而大大高于烧结纯铁材料 铜熔渗烧结钢结构 用铜熔渗烧结钢结构零件 可改进结构零件的密度均一性 提高结构零件材料的抗拉强度 硬度 韧性 疲劳强度及冲击性能 烧结铁结构零件 其各个截面的密度不同 熔渗铜可使各截面的密度趋于均一 也可以仅对结构零件的某一部分熔渗铜 将铜粉 铜粉压坯或铜线段置于结构零件压坯的熔渗部位 在烧结时铜熔化后借毛细作用灌入相应部位 例如 用铜熔渗烧结钢齿轮的齿 称为局部熔渗 用局部熔渗可控制熔渗铜结构零件的密度与力学性能的变化 通过熔渗铜还能将几个零件组合成一个形状复杂的结构零件 例如汽车分动器中的行星齿轮托架 将一结构零件分成几部分分别压制成形 将各部分的压坯组装后同时进行烧结与熔渗铜 通过铜焊将各部分压坯连接成一体 形成一形状复杂的结构零件 熔渗铜时 被熔渗的零件压坯的尺寸可能发生变化 通常量胀大 这些尺寸变化可能不均一 较难控制 Fe Ni C系与Fe Ni Cu C系 Ni 稳定奥氏体 固溶强化降低各元素的扩散速度 提高淬透性需要选用细的Ni粉随Ni含量增加 强度增加 Fe Ni C系 通常 也用铁粉 镍粉及石墨粉的混合粉生产铁基粉末冶金结构零件 由铁粉与镍粉的混合粉末压制成形的压坯 烧结时镍将扩散到铁中形成固熔体 添加镍粉的颗粒大小与烧结温度决定固溶体的均一性 从而影响到对固溶体的强化作用大小 细镍粉 如羰基镍粉 和高温烧结 1315 烧结 可使固溶体较快地均一化 较难评估镍粉与石墨粉对烧结镍钢力学性能的综合影响 烧结时 镍可能扩散不充分 残留有富镍奥氏体 从烧结温度冷却时 这些富镍区可能溶解足够数量的碳形成马氏体 因此由铁粉 镍粉及石墨粉的混合粉压制 烧结生产的烧结镍钢零件 微观组织非常复杂 Fe Mn C系固溶强化 提高淬透性资源丰富 价格低易于氧化Fe Cr C系改善力学性能抗氧化性 耐腐蚀性以合金粉的形式加入 Fe P C系 形成Fe P固溶体 固溶强化缩小奥氏体区 促进扩散Fe P在1050度共晶 形成液相 促进烧结以合金形式加入 1 1 2烧结铜基结构材料 耐腐蚀性 表面光洁 无磁种类 青铜 锡青铜 铝青铜 黄铜 弥散强化铜 Cu Al2O3 等1 烧结青铜元素粉末与合金粉末烧结时的膨胀与收缩性能 膨胀与收缩 在包晶线温度以下烧结 不发生异常膨胀 超过包晶温度时 液相迅速消失 氢气自液相析出 造成气孔而出现异常膨胀 烧结温度越低 所需要的保温时间越长 烧结青铜零件的成分与性能 2 烧结黄铜 耐腐蚀性 可加工性 光洁表面耐蚀 外观好的零件 兵器 建筑 锁 螺母等Zn 10 35 一般用雾化粉末 P Pb可改善性能 但Pb有害 压制压力600 800MPa 烧结温度 固相线下100度 避免Zn的挥发 加热与冷却速度 缩短时间 干燥气氛 使用含锌填料 结构零件用烧结黄铜零件的成分与性能 特点 强度较高 重量轻 耐腐蚀 导热导电性好主要用途 汽车活塞 连杆 家庭用具 办公器械 飞机构件强化原理 与合金元素形成的金属间化合物在固溶体中的溶解度变化为基础 常用体系 Al Cu Al Cu Si Al Cu Mg等 1 1 3烧结铝基结构材料 制造工艺 原料粉末及润滑剂 雾化Al 元素粉末 容易压制 烧结时出现液相 利于烧结 压制 不大的压力下 能够达到95 的相对密度 烧结 润滑剂 湿度低 灰分少 与烧结气氛 低露点 40度以下 添加溶解度高的合金元素 烧结后处理 铝基粉末冶金结构零件 铝基粉末冶金结构零件也在大批量生产 铝粉如此之软 以致压制成形时 铝粉压坏强烈趋向于黏附在阴模 为克服这种趋向 必须在铝粉中加人大量润滑剂 使用较粗的铝粉颗粒 也能减小这种黏附倾向 铝基台金结构零件压坯是由元素铝粉 铜粉 镁粉 硅粉及外加1 5 质量分数 润滑剂的混合粉压制成形的 压制时 采用低压制压力 以便压坯具有足够高的开孔孔隙度 从而烧结时使润滑剂能迅速排出 烧结温度位于600 附近 烧结时铝与铜 镁及硅反应形成液相 铝粉颗粒表面的氧化物层相当薄 因此液相得以在金属粉末颗粒之间铺展和很好地接触 最好的烧结气氛是 40 左右的低露点 高纯氮气 往往在烧结后随即进行热处理 以通过时效硬化强化台金 1 3烧结摩擦材料 1 3 1概述1 3 2材料组成及摩擦条件对性能的影响1 3 3烧结摩擦材料的性能与制造工艺1 3 4发展方向 烧结金属摩擦材料是以金属及其合金为基体 添加摩擦组元和润滑组元 用粉末冶金技术制成的复合材料 是摩擦式离合器与制动器的关键组件 它具有足够的强度 合适而稳定的摩擦系数 工作平稳可靠 耐磨及污染少等优点 是现代摩擦材料家族中应用面最大 量最大的材料 1 3 1概述 是用于干摩擦式离合器和制动器的关键材料 基本要求 足够的摩擦系数 高温高压下的稳定性 耐磨性 强度 导热性 耐腐蚀 不黏结 抗咬合等 通常所用的摩擦材料 铸铁 钢 青铜 石棉 树脂等摩擦系数小 工作温度低 抗咬合性能差 烧结摩擦材料的特征 摩擦系数大 且范围宽 0 35 0 5 700 800 C 石棉 树脂为0 3 且250 C就下降 500 C为0 15导热性好 42W mK 石棉 树脂0 42 强度高 1 1 5MPa 石棉 树脂0 3 调整材料成分的范围大 加入不同的润滑剂与摩擦剂 使用寿命长 为石棉 树脂材料的5 10倍 历史 用粉末冶金技术制造烧结金属摩擦材料已有70年的历史 1929年美国开始了这项工作的研究 30年代末期首先将该材料用在了D 7 D 8铲运机中的离合器片上 发展到现在 所有载荷量高的飞机 包括米格 伊尔 波音707 747和三叉戟等 其制动器摩擦衬材料都采用了烧结金属摩擦材料 在我国 特别是在1965年以后 烧结金属摩擦材料的科研 生产得到迅速发展 迄今 我国已有十多个具有一定生产规模的生产企业 年产铜基和铁基摩擦制品约850万件 广泛应用于飞机 船舶 工程机械 农业机械 重型车辆等领域 基本满足了国内主机配套和引进设备摩擦片的备件供应和使用要求 烧结摩擦材料的分类 干摩擦传动装置 轻负荷 农业机械 金属切削 飞机控制 修路拖拉机 和中等负荷 压印机 冲压机 工业运输工具 的传动装置 干摩擦制动器 中等负荷 自动压机 压印机 冲压机 和重负荷 飞机 制动器 油中工作的离合器 中等负荷 轻型自动传动装置 金属切削机床 拖拉机 控制离合器和重负荷 拖拉机动力传递装置 的离合器 液体润滑制动器 中等负荷和重负荷 农用栽种汽车 的制动器 1 3 2材料组成及摩擦条件对性能的影响 烧结摩擦材料是一种包含多种金属与非金属元素的复合材料 烧结摩擦材料的三组元 基体组元 润滑组元 摩擦组元 基体组元 作用 很大程度上决定材料的强度 耐热性 耐磨性 分类 铁基 熔点高 强度大 易于对偶材料形成黏附 可加入合金元素改善性能 硬度 强度 摩擦系数等 铜基 耐腐蚀 与对偶材料配合好 Cu50 90 强化合金元素 Sn Al Zn Ni等 润滑组元 作用 改善抗卡性 提高耐磨性 分类 低熔点金属 铅 铋 锑等 石墨硫化物 二硫化钼 二硫化钨 硫化亚铜 金属 Cu Ni Fe Co 磷化物 滑石等 低熔点金属润滑原理 熔化形成润滑膜 降低温度 使滑动平稳 提高抗卡能力 石墨的润滑原理 层状结构 层间距离远大于层面的距离 微粒对金属 合金 的黏附作用 润滑与存在状态有很大关系 硫化物 也是层状结构 可提高综合性能 摩擦组元 作用 增大摩擦系数 消除迁移来的金属 减少对偶面的磨损 应该满足的要求 高的熔点与解离热 从室温到烧结温度不发生晶型转变 不与其它成分急烧结气氛发生反应 具有足够的强度与硬度 对基体有良好的润湿性 摩擦组元的主要例 铁 用于铜基 4 10 使摩擦系数与磨损量降低 石棉与其它矿物 摩擦系数与耐磨性提高 但力学性能稍下降 莫来石能够提高材料的力学性能 可综合使用 氧化物 二氧化硅 提高与稳定摩擦系数 2 4 SiC B4C 提高摩擦系数与稳定摩擦 摩擦组元的含量 0 5 10 润滑工作条件 表面温度不高的干润滑 10 15 干摩擦的中等负荷制动装置 15 25 最高可达40 高负荷制动装置 摩擦条件对性能的影响 压力 温度 速度 对偶材料摩擦系数随压力增大 温度升高及滑动速度的增大而增大 磨损随压力增大及温度升高而增大 制造方法 目前 国内外烧结金属摩擦材料的生产仍主要沿用1937年美国S K Wellman及其同事们创造的钟罩炉加压烧结法 压烧法 该方法的基本工序是 钢背板加工 去油 电镀铜层 或铜 锡层 配方料混合 压制成薄片 与钢背板烧结成一体 加工沟槽及平面 由于传统的压烧法存在着能耗大 生产效率相对低 原材料粉末利用率低 成本高等缺点 因此 一些国家对传统工艺作了一些改进 同时十分注重新工艺的研究 在改善或保证产品性能前提下探索和寻求提高经济效益的途径 制造工艺 制造工艺的注意事项 钢背 20号钢 Cu基 合金钢 Fe基 去油 酸洗 镀铜 镀锡 钝化处理 混合 加润滑剂 防止偏析 改善环境 直接混合与顺序混合 Sn SiO2 Pb Fe Cu 石墨 Cu基 时间从不足1 几十小时 压制 单独压制与直接压制 压力Cu基150 300MPa Fe基300 600MPa 压力烧结 加压时机要合适 过早破裂 过晚不能发挥作用 熔点温度的40 50 温度Cu基750 850 Fe基1030 1100 烧结后处理 螺纹 钻孔 磨平面 加工内外周 浸油 新的制造工艺 其中最令人瞩目的是喷撒工艺 Sprinklingpowderprocedure 它以生产的高效率和显著的经济效益独具优势 喷撒工艺法以工业规模生产烧结金属摩擦材料始于70年代 美国的威尔曼 西德的奥林豪斯和尤里特 奥地利的米巴等企业拥有这项技术 80年代中期 杭州粉末冶金研究所从奥地利米巴公司引进了该技术 喷撒工艺的基本流程是 钢背板在溶剂 如四氯化碳中脱脂处理 或钢背板电镀 在钢背板上喷撒上混合材料 预烧 压沟槽 终烧 精整 喷撒工艺的优点 1 实现了无加压连续烧结 耗能低 2 采用松散烧结 粉末还原充分 可获得高孔隙度的摩擦衬层 对提高摩擦系数极为有利 3 用功能覆盖和冷压方法替代切削加工制取油槽 经济而有高效 4 采用精整平面取代切削加工 材料利用率高 产品厚度和平行度精度高 5 可以根据要求制取摩擦衬层极薄的摩擦片 0 2 0 35mm 而用其它工艺则难以达到 已有的数据表明 喷撒工艺法较压烧法可节约铜 锡 铅等有色金属粉末约45 节电约75 节省工时约40 投入应用和有前途的主要有 冲切法 一种工艺是先冲后烧 混好的配方粉料从料斗经溜槽进入下面有带状输送带的定量斗 自动送入压力机压实成薄片 然后冲切成所需形状 烧结后即为成品 该工艺连续加压 不需压模 粉层密度 强度均匀一致 粉层厚度调节方便 等离子喷涂法 该法适用于喷涂耐高温的摩擦材料 如Co Mg Ti W Cr以及碳化物 氧化物的混合物 保护气氛为含20 氢气和80 氩气的混合气体 喷涂温度高达1500 2000 喷涂速度500 1000g h 所得喷涂层硬度1000HV 该法特别适用于制取电磁离合器与制动装置摩擦片 对于需要轻的摩擦组件 往往以铝来替代钢 但铝不耐磨 在其表面喷涂一层金属陶瓷耐磨层 可获得陶瓷硬而耐磨与金属延展性好及耐冲击二者相结合的优点 电解沉积充填法 先在金属或石墨处理过的多孔材料上用电解沉积法形成金属骨架 多孔材料一般用凝聚纤维 如海绵 泡沫材料 金属骨架形成后 多孔材料可以留在内部 也可以通过加热熔化或烧除 再用摩擦材料填充金属骨架间隙 填充的摩擦材料可以是金属 也可用热固性树脂 电阻烧结法 将钢背板镀上一层焊料 Cu Cu Sn Cu Zn Sn或Ni 再将已压制成形的摩擦衬放置到钢背板预定的位置上 送入加压机 一边加压 一边输入大电流 1例为52kA 另1例为4kA 维持十几秒钟 就烧结好了 此法的优点是钢背板不受高温影响 花键与齿形部位强度不会降低 感应加热冲击法 将摩擦材料衬的预烧结坯放入承受盘中 在保护气氛中感应加热 温度控制在916 以上 时间一般不少于5min 从感应器中取出后即行单向冲击 使摩擦层与承受盘形成键接 气相沉积法 一般的TiC材料摩擦系数值很小 但用气相沉积法制取 摩擦系数就很大 可达0 4 且耐高温 在试验台上试温 温升至1090 材料还无衰退迹象 载体用石墨而不用钢 石墨和TiC都很轻 适用于飞机 把用石墨制成的的载体置入一容器中 加热温度高达1050 气氛为碳氢化合物 可用甲烷 与TiCl 其中TiCl含量不能少于0 5 体积分数 甲烷与TiCl以1m min的速度进行环流 到一定时间即成 北京摩擦材料厂 长春摩擦材料厂 杭州前进齿轮厂 1 3 4发展方向 现代科学技术和工业的迅速发展对摩擦材料提出了越来越高的要求 为了适应这种需要 机理研究和基础试验工作一直没有停顿过 对新型摩擦材料的研究也将是今后摩擦材料发展的重点 主要是发展性能优异 造价低廉的新型材料 摩擦磨损理论与表面破坏机理的研究 摩擦与磨损是摩擦学研究的两个中心问题 学派甚多 当前较为广泛流行的摩擦理论是分子 机械理论 近年来 对摩擦过程中摩擦表面的破坏也颇有研究 证明磨损的产生是氧化 磨粒磨损 转化反应和层面疲劳的综合作用 只是在一定条件下