第四章-粉末冶金解析

第四章粉末冶金PowderMetallurgy 粉末冶金发展 历史部分 武器 生活用具 艺术 建筑现代部分 硬质合金 高温材料 汽车部件 军事工程目前 粉末冶金最发达的国家瑞典 Sweden 硬质合金工业非常发达 建立许多子公司 其次是北美 NorthAmerican 和西欧 westernEuropean 德国的粉末冶金工业也是处于世界前列 工具钢 美国的粉末冶金公司主要产品用户是汽车制造商 汽车工业发达 带动了美国的粉末冶金工业发展 因为发达的汽车工业 大量用粉末冶金部件 日本的汽车工业的发展带动了粉末冶金工业发展 西方或日本的粉末冶金工业是由两部分构成制粉公司 制备各种粉末 制品公司 买进粉末 制备零部件 随着我国经济的快速发展 特别是汽车 摩托车 家电 电动工具 工程机械等产业的高速拉动 带动了粉末冶金零件产业的发展 使粉末冶金市场需求量不断增加 根据对34个重点企业统计 2010年粉末冶金零件的销量为137146吨 同比增长42 9 其中铁基零件销量为128185吨 同比增长41 8 铜基零件销量为8961吨 同比增长60 6 粉末冶金结构零件2009年与2010年的销售量分别为82997吨与116835吨 烧结金属含油轴承2009年与2010年的销售量分别为9829吨与12509吨 在烧结金属含油轴承中 铁基含油轴承2009年与2010年分别为6865吨与9061吨 分别占烧结金属含油轴承总销售量的70 与72 4 铜基含油轴承占烧结金属含油轴承总销售量的30 与27 6 在粉末冶金结构零件中 铜基结构零件在粉末冶金结构零件总销售量中占的百分率 2009年与2010年分别为0 88 与3 据中国汽车工业协会统计 2010年中国的汽车产量为1826 47万辆 同比增长32 44 乘用车产量1389 71万辆 同比增长32 44 位居全球第一 是粉末冶金行业的最大市场 带动了粉末冶金汽车零件产业高速发展 2010年粉末冶金汽车零件的销售量65608吨 同比增长52 4 据中国汽车工业协会摩托车分会统计 2010年中国摩托车产销2669 43万辆 同比增长4 98 和4 40 因此 摩托车零件也是中国粉末冶金行业的一个重要市场 2010年粉末冶金摩托车零件的销售量为18456吨 同比增长9 8 在中国的粉末冶金零件市场上 家电零件 特别是冰箱压缩机零件占有重要地位 2010年家电类粉末冶金零件的销售量32632吨 同比增长46 另外 2010年 电动工具的粉末冶金零件的销售量7372吨 同比增长17 3 农机零件的销售量1976吨 同比增长61 工程机械零件的销售量5431吨 同比增长77 粉末冶金技术的优越性 粉末冶金具有独特的化学组成和机械 物理性能 用传统的熔铸方法无法获得的 可直接制成多孔 半致密或全致密制品 如含油轴承 齿轮 凸轮 导杆 刀具等 是一种少无切削工艺 1 粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚 消除粗大 不均匀的铸造组织 在制备高性能稀土永磁材料 稀土储氢材料 稀土发光材料 稀土催化剂 高温超导材料 新型金属材料 如Al Li合金 耐热Al合金 超合金 粉末耐蚀不锈钢 粉末高速钢 金属间化合物高温结构材料等 具有重要的作用 2 可制备非晶 微晶 准晶 纳米晶和超饱和固溶体等高性能非平衡材料 这些材料具有优异的电学 磁 光和力学性能 3 可实现多种类型的复合 充分发挥各组元材料各自的特性 是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术 4 可生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品 如新型多孔生物材料 多孔分离膜材料 高性能结构陶瓷磨具和功能陶瓷材料等 5 可以实现近净形成形和自动化批量生产 从而 可以有效地降低生产的资源和能源消耗 6 可以充分利用矿石 尾矿 炼钢污泥 轧钢铁鳞 回收废旧金属作原料 是一种可有效进行材料再生和综合利用的新技术 铜基含油轴承 套 铁基摩擦材料 坦克 装甲车辆制动片 铁基结构零件 真空泵转子 金刚石制品 锯片 粉末冶金产品 电动工具配件 碎纸机配件 粉末冶金产品 缝纫机配件 吸尘器配件 气泵配件 按摩器配件 自行车配件 粉末冶金产品 粉末冶金产品 粉末冶金产品 主要内容粉末冶金成型过程粉末冶金产品及应用 粉末冶金材料或制品的工艺流程 4 1粉末冶金成型过程 粉末冶金是用金属粉末 或者金属和非金属粉末的混合物 做原料 经压制成形后烧结而制造各种类型的零件和产品的方法 粉末冶金生产流程如下 一 金属粉末的制取及其特性 1 金属粉末的制取主要有四种方法 1 矿物还原法是金属矿石在一定冶金条件下被还原后 得到一定形状和大小的金属料 后将金属料经粉碎等处理以获得粉末 矿物还原法主要适用于铁粉生产 还能生产钴 钼 钙等粉末 难熔的金属化合物粉末如碳化物 硼化物 硅化物粉末 是通过金属氧化物粉末与碳 硼或硅粉末的化合作用或者化学置换的方法而获得的 碳化物粉的制取 可采用碳黑粉直接还原金属氧化物 其反应如下 MO MC泛指金属氧化物 金属碳化物 2 电解法电解法是采用金属盐的水溶液电解析出或熔盐电解析出金属颗粒或海绵状金属块 再用机械法进行粉碎 3 雾化法雾化法是将熔化的金属液通过喷射气流 空气或惰性气体 水蒸汽或水的机械力和急冷作用使金属熔液雾化 而得到金属粉末 4 机械粉碎法机械破碎法中最常用的是钢球或硬质合金球对金属块或粒原料进行球磨 适宜于制备一些脆性的金属粉末 或者经过脆性化处理的金属粉末 如经过氢化处理变脆的钛粉 2 金属粉末的特性包括 化学成分 粒径分布 颗粒形状和大小以及技术特征等 1 化学成分粉末的化学成分通常指主要金属或组分 杂质及气体的含量 金属粉末中主要金属的含量 98 99 2 颗粒形状和大小颗粒形状是影响粉末技术特征 如松装密度 流动性等 的因素之一 通常 粉粒以球状或粒状为好 颗粒大小常用粒度表示 粉末粒度通常在0 1 500 m 150 m以上的定为粗粉 40 150 m定为中等粉 10 40 m的定为细粉 0 5 10 m为极细粉 0 5 m以下的叫超细粉 3 粒度分布指大小不同的粉粒级别的相对含量 也叫粒度组成 粉末粒度组成的范围广 则制品的密度高 性能也好 尤其对制品边角的强度尤为有利 4 技术特征粉末的成形技术特征主要有 松装密度亦称松装比 指单位容积自由松装粉末的质量 例如还原铁粉的松装密度为2 3 3 0g cm3 若采用松装密度为2 3g cm3的还原铁粉压制密度为6 9g cm3的压坯 则压缩比 粉末的充填高度与压坯高度之比 为6 9 2 3 3 1 即若压坯高度为1cm时 模腔深度须大于3cm才行 流动性它是指50g粉末在粉末流动仪中自由下降至流完后所需的时间 时间愈短 流动性愈好 压制性包括压缩性与成形性 压缩性的好坏决定压坯的强度与密度 通常用压制前后粉末体的压缩比表示 成形性与粉末的物理性质有关 此外还受到粒度 粒形与粒度组成的影响 为了改善成形性 常在粉末中加入少量润滑剂如硬脂酸锌 石蜡 橡胶等 通常用压坯的抗弯强度或抗压强度作为成形性试验的指标 二 粉末配混粉末配混是根据产品配料计算并按特定粒度分布把各种金属粉末及添加物 如润滑剂等 进行充分混合 此工序通过混粉机完成 添加物的加入主要在于改善混合粉的成形技术特征 如加入润滑剂 如硬脂酸锌 质量比0 25 1 可改善混合粉的流动性 增加可压制性 压制后烧结前 润滑剂用加热方法 如硬脂酸锌在375 425 的热空气中 排除 混合粉的特性常用混匀度表示 混匀度越大 表示混合越均匀 也就越有利于制品的性能要求 三 压制成形粉末的压制成形是主要且基本的工序 包括称粉 装粉 压制 保压及脱模等 压制成形的方法有很多 如钢模压制 流体等静压制 三向压制 粉末锻造 挤压 振动压制 高能率成形等 常用的有 模压示意图 1 钢模压制指在常温下 用机械式压力机或液压机 以一定的比压 压力150 160MPa 将钢模内的松装粉末成形为压坯的方法 2 流体等静压制利用高压流体 液体或气体 同时从各个方向对粉末材料施加压力而成形的方法 3 三向压制综合单向钢模压制与等静压制的特点 得到的压坯密度和强度超过用其他成形方法得到的压坯 适用于成形形状规则的零件 如圆柱形 正方形 长方形 套筒等 利用挤压与轧制直接从粉末状态生产挤压制品或轧制产品 如杆件 棒料 薄板 构件等 四 烧结烧结是通过高温加热发生粉粒之间原子扩散等过程 使压坯中粉粒的接触面结合起来 成为坚实的整块 由于粉末冶金制品组成成分与配方的不同 烧结过程可是固相烧结或是液相烧结 如硬质合金 金属陶瓷等特殊产品的烧结 固相烧结指粉粒在高温下仍然保持固态 采用的烧结温度为 式中T烧结 烧结温度 T熔点 粉粒熔化温度 液相烧结的烧结温度超过了其中某种组成粉粒的熔点 高温下出现固 液相共存状态 烧结体将更为致密坚实 进一步保证了烧结体品质 实际上在烧结温度下并不允许液相处于完全自由流动状态 如钨钴硬质合金的烧结温度随钴含量不同在1380 1490 之间 当出现液相烧结时 若液相相对量较大 则往往采用下限烧结温度 延长保温时间以防烧结时液相从表面渗出 五 烧结后的其他处理或加工要求较高粉末冶金制品 烧结后还需要进行其他处理与加工 1 渗透 又叫熔渗 把低熔点金属或合金渗入到多孔烧结制品的孔隙中去的方法称为熔渗 渗透法获得的制品密度高 组织均匀细致 制品的强度一般 塑性与抗冲击能力都有较大幅度增加 但此过程费用较贵 过程时间长 2 复压将烧结后的粉末压制件再放到压形模中压一次 叫做复压 复压可起一定的校形作用 3 粉末金属锻造先用粉末冶金法制成具有一定形状和尺寸预成形坯 然后将预成形坯加热后置于锻模中锻成所需零件的方法 4 精压对于某些制品 为了严格保证其尺寸精度 及进一步提高密度 常在烧结后进行锻造或冲压整形的工序 5 其他后续处理粉末冶金制品有一些后续工序 如含油轴承的浸油处理 以及机械加工 喷砂处理 有时还须进行一些必要的热处理等 根据技术要求 生产粉末金属零件可选择下述过程 压制 烧结 压制 烧结 复压 压制 预烧结 精压 烧结 压制 预烧结 精压 烧结 复压 通常情况下 类过程的应用约占80 类过程的应用也不少 较复杂的 类和 类过程仅用于某些特殊零件 近年来 由于可压实性粉末材料及高耐磨模具材料的开发 经一次压制就可获得较高强度零件 4 2粉末冶金产品及应用 现代汽车 飞机 工程机械 仪器仪表 航空航天 军工 核能 计算机等工业中 需要许多具有特殊性能的材料或在特殊工作条件下的零部件 粉末冶金在很大程度上促进解决这些与科技发展密切相关的任务 一 粉末冶金机械结构零件粉末冶金机械结构零件又称烧结结构件 这类制品在粉末冶金工业中产量最大 应用面最广 汽车工业中广泛采用粉末冶金制造零件 烧结结构件总产量的60 70 如发动机 变速箱 转向器 起动马达 减震器 车门锁等 此外 摩托车上也有许多烧结零件 电动工具 办公机械 缝纫机 自行车 家用电器 液压元件 纺织机械 机床 船舶等行业也广泛采用烧结零件 二 粉末冶金轴承材料多孔含油轴承材料利用粉末冶金材料制作的多孔性浸渗润滑油的减磨材料 用作轴承 衬套等 常用的有铁 石墨和青铜 石墨含油轴承材料 含油轴承工作时 由于摩擦发热 使润滑油膨胀从合金孔隙中压到工作表面 起到润滑作用 运转停止后 轴承冷却 表面上润滑油由于毛细管现象的作用 大部分被吸回孔隙 少部分仍留在摩擦表面 使轴承再运转时避免发生干摩擦 三 多孔性材料及摩擦材料 1 多孔性材料粉末冶金多孔性材料制品有过滤器 热交换器 触媒以及一些灭火装置等 过滤器主要用来过滤燃料油 净化空气 以及化学工业上过滤液体与气体等 2 摩擦材料摩擦材料用来制作刹车片 离合器片等 用于制动与传递扭矩 因此对材料性能的要求是摩擦系数要大 耐磨性 耐热性与热传导性要好 四 硬质合金硬质合金是将难熔金属碳化物和金属粘结剂 钴 镍 粉末混合 压制成形 经烧结而成的一类粉末压制制品 金属碳化物作为基体 软而韧的钴或镍起粘结作用 1 钨钴类 YG 钨钴类硬质合金有较好强度和韧度 适宜制作切削脆性材料刀具 如切削铸铁 脆性有色合金等 2 钨钴钛类 YT 钨钴钛类硬质合金含有比碳化钨更硬的碳化钛 因而硬度高 热硬性也较好 加工钢材时刀具表面会形成一层氧化钛薄膜 使切屑不易粘附 故适宜制作切削高韧度钢材的刀具 同样含钴量较高 如YT5 含钴9 的牌号用作粗加工 3 钨钽类 YW 组成为碳化钨 碳化钛 碳化钽 TaC 和钴 抗弯强度高 主要有YW1 84 WC 6 TiC 4 TaC 6 Co YW2 82 WC 6 TiC 4 TaC 8 Co 两种 这类硬质合金制作的刀具用于加工不锈钢 耐热钢 高锰钢等难加工的材料 常用硬质合金的牌号及化学成分 注 摘自YB849 硬质合金牌号 五 钢结硬质合金及高速钢 1 钢结硬质合金是一种新型工模具材料 主要特点 合金的基本组成是碳化物加合金钢 是通过钢来胶结碳化物 或者是大量的一次碳化物分布在钢基体上的金属基复合材料 钢的组成物在显微组织中占有一定比例 合金具有一定锻造 焊接 热处理及机加工等性能 可通过热处理调整力学性能 力学性能上保持合金钢和硬质合金的基本特性 2