第四章-粉末冶金

第四章粉末冶金PowderMetallurgy，粉末冶金的发展，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，汽车零部件，军事工程现在，粉末冶金最发达的国家瑞典(Sweden )，硬质合金工业非常发达，成立了许多子公司，接着是北美德国的粉末冶金工业也是世界领先的工具钢。 美国粉末冶金公司的主要产品用户是汽车制造商，汽车工业发达，带动了美国粉末冶金工业的发展。 为了发达的汽车工业，大量使用粉末冶金零件。 日本汽车工业的发展促进了粉末冶金工业的发展。 西方和日本的粉末冶金工业由两个部分组成制粉公司：产品公司：采购粉末制造部件：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、建筑机械等产业的快速牵引着粉末冶金部件产业的发展，增加了粉末冶金市场的需求量。 据34家重点企业统计，2010年粉末冶金零部件销售量为137146吨，比上年增长42.9%。 其中铁基部件销售量为128185吨，比上年同期增长41.8%，铜基部件销售量为8961吨，比上年同期增长60.6%。 粉末冶金结构零件2009年和2010年销量分别为82997吨和116835吨，烧结金属含油轴承2009年和2010年销量分别为9829吨和12509吨。 烧结金属含油轴承中，铁基含油轴承2009年和2010年分别为6865吨和9061吨，占烧结金属含油轴承总销售量的70%和72.4%，铜基含油轴承占烧结金属含油轴承总销售量的30%和27.6%。 在粉末冶金结构部件中，铜基结构部件在粉末冶金结构部件总销售量中所占的比例在2009年和2010年分别为0.88%和3%。 据中国汽车工业协会统计，2010年中国汽车产量为1826.47万辆，比上年增加32.44%。 轿车产量为1389.71万辆，比上年增加32.44%。 位居世界第一，是粉末冶金行业的最大市场，迅速发展粉末冶金汽车零部件产业。 2010年粉末冶金汽车零部件销量为65608吨，比上年增加52.4%。 据中国汽车工业协会摩托车分会统计，2010年中国摩托车产销达2669.43万辆，比上年增长4.98%，增长4.40%，摩托车零部件也是中国粉末冶金行业的重要市场。 2010年粉末冶金摩托车零部件销量为18456吨，比上年增加9.8%。 在我国粉末冶金部件市场，家电部件尤其是冰箱压缩机部件占据重要地位，2010年家电类粉末冶金部件销售量为32632吨，比上年增长46%。 另外，2010年，电动工具粉末冶金部件销售量为7372吨，比上年增加17.3%农机部件销售量为1976吨，比上年增加61%的工程机械部件销售量为5431吨，比上年增加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，是传统熔铸方法所不能得到的直接多孔、半致密或全致密的产品，如含油轴承、齿轮、凸轮、导轨、刀具等，是少量的无切削技术。 1 )粉末冶金技术能够最大限度地减少合金成分的偏重，去除粗大不均匀的铸造组织。 在制造高性能稀土类永久磁铁材料、稀土类储氢材料、稀土类发光材料、稀土类催化剂、高温超导材料、新金属材料(例如Al-Li合金、耐热Al合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温构造材料等)方面具有重要作用. 2 )可制备非晶质、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等高性能的非平衡材料，这些材料具有优良的电、磁、光、力学性能。 3 )实现多种复合，充分发挥各组元素材料的特性，是一项低成本生产高性能金属基团和陶瓷复合材料的技术。4 )能够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产品，如新型多孔生物材料、多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷砂轮和功能陶瓷材料等。 5 )基本实现网络形成和批量生产自动化，有效减少生产资源和能耗。 6 )充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、钢鳞，以废金属为原料回收，是有效进行材料再生和综合利用的新技术。 铜基含油轴承(套管)、铁基摩擦材料-坦克、装甲车辆制动片、铁基结构部件-真空泵转子、金刚石制品-刀片、粉末冶金制品、电动工具部件、碎纸机部件、粉末冶金制品、缝纫机部件、吸尘器部件、气泵部件、按摩部件、自行车部件、粉末冶金制品、 粉末冶金制品主要内容是粉末冶金成形过程中的粉末冶金制品和应用，粉末冶金材料和制品的工艺流程，4.1粉末冶金成形过程，粉末冶金是以金属粉末(或金属和非金属粉末的混合物)为原料，冲压成形后烧结制造各种类型的部件和制品的方法。 粉末冶金的生产工艺如下：一、金属粉末的制备及其特性(1)金属粉末的制备主要有四种方法。 1 )矿物还原法是金属矿石在一定的冶金条件下还原后，得到一定形状和大小的金属材料，通过粉碎金属材料等得到粉末。 矿物还原法主要适用于铁粉生产，也可生产钴、钼、钙等粉末。 难以熔融的金属化合物粉末，例如碳化物、硼化物、硅化物粉末，通过金属氧化物粉末和碳、硼或硅粉末的化合作用或化学取代的方法而得到。 碳化物粉的制造可以使用炭黑粉直接还原金属氧化物，其反应通常指金属氧化物、金属碳化物，2 )电解法电解法使用金属盐的水溶液电解析出金属粒子和海绵状金属块，用机械法粉碎。 (3)雾化法雾化法将熔融的金属液通过喷射气流(空气或惰性气体)、水蒸气或水的机械力和急冷作用雾化金属熔液，得到金属粉末。 4 )机械粉碎法机械粉碎法中最常用的是钢球或硬质合金球对金属块或颗粒原料进行球磨，制造脆性的金属粉末或经过脆性化处理的金属粉末(例如经过氢化处理变脆的钛粉)。 (2)金属粉末特性有化学成分、粒径分布、粒子的形状和大小、技术特征等. 1 )化学成分粉末的化学成分通常是指主要的金属或成分、杂质或气体的含量。 金属粉末中主要金属的含量为98%-99% . 2 )粒子的形状和大小粒子的形状是影响粉末技术特征(例如体积密度、流动性等)的要素之一。 粉粒通常优选球状或粒状。 粒子的大小多用粒度来表示。 粉末粒度通常为0.1-500m、150m以上称为粗粉、40-150m称为中粉、10-40m称为微粉、0.5-10m称为极微粉、0.5m以下称为超微粉. 3 )粒度分布是指大小不同的粉粒水平的相对含量，也称为粒度组成。 粉末粒度组成范围广，产品密度高，性能好，特别有利于产品角部的强度。 4 )技术特征粉末的成形技术特征是：松密度也称为松密度，是指每单位容积的松散粉末的质量。 例如，使用还原铁粉的体积密度为2.3-3.0g/cm3、体积密度为2.3g/cm3的还原铁粉压制密度为6.9g/cm3的压粉体时，压缩比(粉末的填充高度与压粉体的高度之比)为6.9:2.3=3:1，即压粉体的高度为1cm的情况下，型腔流动性是指从50g粉末用粉体流动计自由流下到流动结束的时间。 时间越短，流动性越好。 冲压性有压缩性和成形性。 压缩性的好坏决定压粉体的强度和密度，通常用压制前后粉体的压缩比来表示。 成型性与粉末的物理性质有关，并受粒度、粒形、粒度组成的影响。为了改善成形性，往往在粉末中加入少量硬脂酸锌、石蜡、橡胶等润滑剂。 成形性试验的指标一般是压粉体的弯曲强度和抗压强度。 二、粉末配合粉末配合根据产品原料计算，以特定的粒度分布充分混合各种金属粉末和添加物(例如润滑剂等)，该工序由混合机完成。 添加物的添加主要是改善混合粉成型工艺特点。 加入润滑剂(例如硬脂酸锌、质量比0.25%-1% )可改善混合粉的流动性，提高冲压性。 压制后烧结前，润滑剂用加热方法(硬脂酸锌在375-425热风中)除去。 混合粉的特性常用混炼度来表示。 混炼度越大，对表示混合均匀的产品性能要求越有利。 三、冲压成形粉末冲压成形是主要的基本工序。 包括加粉、加粉、冲压、保压、脱模等。 冲压成形的方法有很多。 例如钢模压机、流体等静压机、三向压机、粉末锻造、压机、振动压机、高能率成形等。 常用的方法是： (1)压力机的形象，(1)钢模压力机是在常温下，使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粉体的方法。 (2)使用流体等静压高压流体(液体或气体)从各个方向对粉末材料施加压力进行成形的方法。 (3)三向冲压综合了单向钢模压机和等静压机的特点，得到的压坯密度和强度超过其他成形方法得到的压坯，适用于成形形状规律的零件，如圆柱形、正方形、长方形、套筒等。 利用挤压和压延直接从粉末状态生产挤压制品和压延制品。 例如棒材、棒材、薄板、部件等。 四、烧结烧结在高温加热下产生粉粒间的原子扩散等过程，使压粉体中粉粒的接触面结合，形成坚固的块体。 根据粉末冶金制品的组成和配方，烧结过程为固相烧结或液相烧结(硬质合金、金属陶瓷等特殊制品的烧结)。 固相烧结是指粉粒即使在高温下也保持固体，烧结温度：式中t烧结-烧结温度； t熔点-粉粒融化温度。 液相烧结的烧结温度超过其中某些组成的粉粒熔点，在高温下出现固液相共存状态，烧结体更致密、坚固，进一步保证了烧结体的质量。 实际上烧结温度不允许液相完全自由流动的状态。 例如钨钴硬质合金的烧结温度根据钴含量在1380-1490之间。 发生液相烧结时，液相相对量大时，采用下限烧结温度，延长保温时间，多防止烧结时液相从表面渗出。 五、烧结后的其他处理和加工要求较高的粉末冶金制品，烧结后需要其他处理和加工。 (1)渗透(也称熔渗)使低熔点金属或合金渗透到多孔质烧结体的空隙中的方法称为熔渗。 渗透法得到的产品密度高，组织均匀，产品强度一般，塑性和抗冲击能力大幅增加，但该工艺费用高，工艺时间长。 (2)将复压烧结的粉末压制部件放入压制模具中压制一次称为复压。 复压起到一定的校形作用。 (3)粉末金属锻造首先用粉末冶金法制作具有一定形状和尺寸的预成形件，然后加热预成形件后，放入模具锻造成所需部件的方法。 (4)精压对某些产品，为严格保证其尺寸精度，进一步提高密度，常在烧结后进行锻造或冲压整形工序。 (5)其他后续处理粉末冶金制品有含油轴承的含油处理、机械加工、喷砂处理等后续工序，有时需要进行必要的热处理。 根据技术要求，生产粉末金属零件可以选择以下工艺：冲压烧结； 冲压烧结复压冲压前烧结精烧结； 预烧精压烧结复压。 通常类工艺的应用约占80%类工艺的应用也不少。复杂的类和类进程仅用于特定的特殊部件。 近年来，通过压实性粉末材料及高耐磨性模具材料的开发，一次冲压就可以得到高强度的部件。 4.2粉末冶金产品与应用，现代汽车、飞机、工程机械、仪表、航天、军工、核能、计算机等工业需要大量具有特殊性能的材料和特殊工作条件下的部件，粉末冶金大大促进了这些科技发展和密切相关任务的解决。 一、粉末冶金机械构件粉末冶金机械构件又称烧结构件，此类产品在粉末冶金工业中产量最大，应用面最广。 汽车工业广泛应用粉末冶金制造零件。 烧结构造物的总产量的6070%是发动机、变速器、转向装置、起动马达、减震器、门锁等。 另外，摩托车上也有很多烧结零件。 电动工具、办公机械、缝纫机、自行车、家电设备、液压设备、纺织机械、机床、船舶等行业也广泛采用烧结零件。 二、粉末冶金轴承材料的多孔含油轴承材料利用粉末冶金材料制成的多孔性浸渍润滑油的减摩材料，用于轴承、衬套等。 常用的是铁-石墨和青铜-石墨含油轴承材料。 含油轴承工作时，润滑油因摩擦发热而膨胀，从合金的空隙压入工作面，发挥润滑作用。 运转停止后，轴承被冷却，表面的润滑油由于毛细管现象的作用，大部分被吸入空隙，一部分残留在摩擦表面，使轴承再运转时不发生干燥摩擦。 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、催化剂及灭火装置等。 过滤器主要用于燃料油的过滤、空气的净化、化工中的液体和气体的过滤等。 (2)摩擦材料摩擦材料制作制动片、离合器片等，用于制动和扭矩传递。 因此，对材料性能的要求摩擦系数大，耐磨性、耐热性、热传导性好。 四、硬质合金硬质合金是将高熔点金属碳化物和金属粘合剂(钴、镍)粉末混合、冲压成形、烧结而成的一种粉末冲压制品。 金属碳化物作为基质，柔软而坚韧的钴和镍具有粘接作用。 1 )钨钴类(YG )钨钴类硬质合金具有较强的强度和韧性，适用于切削脆性材料的工具。 例如，切削铸铁、脆性有色合金等。 2 )钨钴钛类(YT )钨钴钛类硬质合金由于含有比碳化钨硬的钛，因此硬度高，热固化性好，在加工钢材时在工具表面形成氧化钛薄膜，切屑难以附着，因此切削高韧性钢材而制作工具钴含量同样高(例如YT5，钴含量9% )的品种被用于粗加工。 3 )钨钽类(YW )由钨、碳化钛、碳化钽(TaC )和钴组成。 弯曲强度高。 主要有YW1(84%WC、6%TiC、4%TaC、6%Co )、YW2(82%WC、6%TiC、4%TaC、8%Co )两种。 这种硬质合金制工具用于不锈钢、耐热钢、高锰钢等难加工材料的加工。 常用硬质合金牌号和化学成分，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的模具材料。 主要特点：合金的基本组成是碳化物和合金钢。 是通过钢使碳化物粘着、大量一次碳化物分布在钢基体上的金属系复合材料。 钢组合物在显微组织中占一定比例，合金具有一定的锻造、焊接、热处理和机械加工等性能，可通过热处理调节力学性能。 力学保持合金钢和硬质合金的基本特性。 (2)粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢的牌号主要有W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V两种。 高速钢含碳量和合金元素含量高，铸态显微组织出现大量骨架状碳化物，分布极不均匀粗大，经过热轧和锻造碳化物偏析和不均匀性仍然严重，对高速钢的使用性能