材料制备技术-粉末冶金

第一节概述第二节粉体制备技术第三节成型技术,第三章粉末冶金,粉末冶金定义,制取金属粉末或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成型和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。制取金属及化合物粉末，采用成形和烧结工艺制成金属材料、复合材料、陶瓷材料及其它们的制品的技术科学。,汽车变速器系统用粉末烧结钢件:,汽车发动机用粉末烧结钢零件,金属切削刀片,硬质合金刀具：,钨基高密度合金,Nd-Fe-B、Sm-Co、铁氧体永磁,精细陶瓷制品,金属粉末和粉末冶金材料、制品的应用,常用粉末冶金材料：（1）粉末冶金减摩材料。通过在材料孔隙中浸润滑油或在材料成分中加减摩剂或固体润滑剂制得。广泛用于制造轴承、支承衬套或作端面密封等。（2）粉末冶金多孔材料。又称多孔烧结材料。材料内部孔道纵横交错、互相贯通，一般有3060的体积孔隙度，孔径1100微米。透过性能和导热、导电性能好，耐高温、低温，抗热震，抗介质腐蚀。用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。（3）粉末冶金结构材料。又称烧结结构材料。能承受拉伸、压缩、扭曲等载荷，并能在摩擦磨损条件下工作。,（4）粉末冶金工模具材料。包括硬质合金、粉末冶金高速钢等。后者组织均匀，晶粒细小，没有偏析，比熔铸高速钢韧性和耐磨性好，热处理变形小，使用寿命长。可用于制造切削刀具、模具和零件的坯件。（5）粉末冶金电磁材料。包括电工材料和磁性材料。用于制造各种转换、传递、储存能量和信息的磁性器件。（6）粉末冶金高温材料。包括粉末冶金高温合金、难熔金属和合金、金属陶瓷、弥散强化和纤维强化材料等。用于制造高温下使用的涡轮盘、喷嘴、叶片及其他耐高温零部件。,粉末冶金发展简史,约3000年前，埃及人就制得海绵铁，并锻打成铁器；3世纪，印度人用同样方法制得“德里柱”，重达6.5吨；19世纪出现Pt粉的冷压、烧结、热锻工艺；现代粉末冶金从1909年，W.D.Coolidge的电灯钨丝问世开始。,现代粉末冶金发展的三个重要标志：1909年制造电灯钨丝的技术成功（W粉成形、烧结、锻打、拉丝）；1923年硬质合金研制成功。20世纪30年代，多孔含油轴承成功；相继发展铁基机械零件向新材料、新工艺发展：20世纪40年代，金属陶瓷、弥散强化材料（如烧结铝）；60年代末70年代初，粉末高速钢、粉末高温合金，粉末锻造技术已能生产高强度零件。,与传统材料制备方法的比较,IM(IngotMetallurgy)熔铸法熔(melting)、炼(refining)、铸(casting)铸件(castings)机加工(machining)零件铸坯(ingots)塑性成形(plasticforming)热处理(heattreatment)机加工（切削(cutting)）零件挤压(extrusion)、轧制(rolling)、拉拔(drawing)、冲压(punching)、锻造(forging)PM(PowderMetallurgy)粉末冶金法制粉(powdermaking)压型(pressing)烧结(sintering),粉末冶金特点及与其他成形工艺的比较,多学科交叉的综合性技术。涉及到化工、冶金、材料制备、压力加工、热工、机械、自动控制等学科技术。（一）一般特点1优点（1）可生产普通熔铸法难于生产的材料多孔材料（孔隙度可控）；假合金（如Cu-W）；复合材料，如硬质合金和金属陶瓷、弥散强化材料、纤维强化材料；特种陶瓷（结构陶瓷、功能陶瓷）；,（2）某些P/M材料与熔铸材料相比，性能更优越避免成分偏析、晶粒细，组织均匀，性能大幅提高。如，粉末高速钢、粉末高温合金。钨、钼、钽等难熔金属采用熔铸法晶粒粗大、纯度低，工业上一般采用粉末冶金方法生产。,（3）对制品成型有明显优势是一种少切削、无切削工艺（近净成型nearnet-shape）；可大批量生产同一零件；形状很复杂零件（如齿轮、凸轮或多功能零件）的制造公差窄；不需或可简化机械的精加工作业；节能、省材；可制造自润滑材料。,2缺点粉末成本高；形状、尺寸受到一定限制；成形模具较贵；一般要生产量在500010000个/批，才经济。烧结零件韧性相对差（但可通过粉模锻造或复烧改善）。,与其他成型工艺比较（制造金属结构件）,1和熔铸技术比较粉末冶金优势：粉末冶金制件表面光洁度高；制造的尺寸公差很窄，尺寸精确；合金化与制取复合材料的可能性大组织均一（无偏聚、砂眼、缩孔）、力学性能可靠；在经济上，粉末冶金工艺能耗小。,铸造优势：形状不受限制；（粉末冶金注射成形形状也不受限制，但只能生产小制件）适于制造大型零件；零件生产批量小时，经济；一般说来，工、模具费用低。,2和热模锻技术比较粉末冶金优势：粉末冶金制件精度比精锻高；粉末锻造节省材料、重量控制精确、可无非边锻造，也能制造形状较复杂制件；粉末锻造只需一副成形模具和一副锻模；热锻需两副以上锻模、一副修边模。,热模锻优势：可制造大型零件；锻件力学性能比烧结粉末冶金零件高，但与粉末锻造件相当；可制造形状复杂程度较高的制品。,（1）制粉（2）物料准备（3）成形（4）烧结单元系烧结多元系烧结固相烧结液相烧结热压（热等静压）、熔浸等。（5）烧结后处理,粉末冶金一般工艺,粉末冶金生产工艺,2.1金属粉末的性能1、化学成分氧化物:通常，金属粉末的氧化物含量越少越好气体杂质：氧、氢、一氧化碳及氮;真空脱气处理2、物理性能材料熔点,比热,电学,磁学,光学性质,颗粒形状、大小和粒度组成比表面积颗粒密度显微硬度,球形,针形,树枝形,粒状,片形,瘤状,多角形,海绵形,不规则形,颗粒形状:颗粒形状与制粉方法和制粉工艺相关球形粉末-雾化法Sphericalpowders多孔粉末-还原法Porouspowders树枝状粉末-电解法Dendritepowders片状粉末-研磨法Platepowders,松装密度、流动性、压缩性、成形性,3、工艺性能,1）松装密度apparentdensity（1)Definition:单位体积内自由松装粉末体的质量g/cm3（2）意义:自动压制容积法（3）测量方法:流量法，粉末自由落下（4）影响因素:particleshape，size，andsurfaceconditions，components,松装密度测定装置,(a)装配图,(b)流速漏斗,(c)量杯,a、粒度粒度小，松装密度小还原铁粉电解铁粉b、颗粒形状形状复杂松装密度小粉末形状影响松装密度，从大到小排列球形粉类球形不规则形树枝形sphere-similarsphere-irregular-dentriticalc、表面粗糙Surfacecoarsed、粒度分布Particlesizedistribution1细分比率增加，松装密度减小;2粗粉中加入适量的细粉，松装密度增大;如球形不锈钢粉,2）流动性Flowability定义：一定量粉末(50g)流经漏斗所需的时间：sec./50gram意义：影响压制操作的自动装粉盒压件密度均匀性影响因素:颗粒间的摩擦形状复杂，表面粗糙，流动性差理论密度增加，比重大，流动性增加粒度组成，细粉增加,流动性差,同松装密度一样，流动性受颗粒间粘附作用的影响，因此，颗粒表面吸附水分、气体,加入成形剂减低粉末的流动性;,流动性采用前述测松装密度的漏斗来测定。标准漏斗（又称流速计）是用150目金刚砂粉末，在40s内流完50g来标的;采用粉末自然堆积角试验测定流动性。粉末通过一粗筛网自然流下并堆积在直径为1inch.的圆板上;当粉末堆满圆板后，以粉末锥的高度衡量流动性;粉末锥的底角称为naturalangleofrepos。锥越高或自然堆积角越大，则表示粉末的流动性越差；反之则流动性越好。如果粉末的相对密度不变，颗粒密度越高，流动性越好；,流动性直接影响压制过程自动装粉和压件密度的均匀性，自动压制工艺中必须考虑的重要工艺性能-制粒工序,改善流动性;,3）压缩性Compressiveability(1)定义:粉末被压紧的能力，表示方法是：在恒定压力下（30t/inch2）粉末压坯的密度(2)意义:压坯密度，最终烧结密度和性能。(3)影响因素:a颗粒塑性，显微硬度b颗粒形貌：不规则的颗粒压缩性差c密度减少时（空隙增加）压缩性差d合金元素或非金属夹杂时，会降低粉末的压缩性,4）成型性Formationability定义:粉末压制后，压坯保持既定形状的能力用压坯强度表示意义:压坯加工能力，加工形状复杂零件的可能性影响因素:颗粒之间的啮合与间隙a不规则颗粒，颗粒间连接力强,成型性好b颗粒越小，成型性越好;与压缩性影响后果相反,必须综合考虑,2.2粉末制备方法,机械法：通过机械破碎、研磨或气流研磨方法将大块材料或粗大颗粒细化的方法。物理法：采用蒸发凝聚成粉或液体雾化的方法使材料的聚集状态发生改变，获得粉末。化学法：依靠化学反应或电化学反应过程，生成新的粉态物质。,固态三种途径：液态粉末气态,固态粉末1、金属（合金）金属粉末：机械粉碎，电化腐蚀2、金属氧化物（盐类）金属粉末：还原法3、金属非金属化合物金属化合物粉末：还原化合法金属氧化物非金属化合物,机械制粉方法的实质就是利用动能来破坏材料的内结合力，使材料分裂产生新的界面。,机械研磨法、气流研磨法,粉碎的基本形式,物料颗粒受机械力作用而被粉碎时，还会发生物质结构及表面物理化学性质的变化，这种因机械载荷作用导致颗粒晶体结构和物理化学性质的变化称为机械力化学。,滚筒式,行星式,振动式,搅动式,球磨法,在球磨过程中，球磨筒将机械能传递到筒内的球磨物料及介质上，相互间产生正向冲击力、侧向挤压力、摩擦力等，当这些复杂的外力作用到脆性粉末颗粒上时，细化过程实质上就是大颗粒的不断解理过程；如果粉末的塑性较强，则颗粒的细化过程较为复杂，存在着磨削、变形、加工硬化、断裂和冷焊等行为，不论何种性质的研磨物料，提高球磨效率的基本原则是一致的。,球磨制粉包括四个基本要素：球磨筒、磨球、研磨物料、研磨介质,滚筒式球磨,转速较低时，球料混合体与筒壁做相对滑动运动并保持一定的斜度。随转速的增加，球料混合体斜度增加，抬升高度加大，这时磨球并不脱离筒壁；转速达一临界值V临1时，磨球开始抛落下来，形成了球与筒及球与球间的碰撞；转速增加到某一值时，磨球的离心力大于其重力，这时磨球、粉料与磨筒处于相对静止状态，此时研磨作用停止，这个转速被称为临界转速V临2。,搅动球磨:,横臂均匀分布在不同高度上，并互成一定角度。球磨过程中，磨球与粉料一起呈螺旋方式上升，到了上端后在中心搅拌棒周围产生旋涡，然后沿轴线下降，如此循环往复。只要转速和装球量合适，在任何情况下磨筒底部都不会出现死角由于磨球的动能是由,转轴横臂的搅动提供的，研磨时不会存在象滚筒球磨那样有临界转速的限制，因此，磨球的动能大大增加。同时还可以采用提高搅动转速。减小磨球直径的办法来提高磨球的总撞击几率而不减小研磨球的总动能，这样才符合了提高机械球磨效率的两个基本准则。,1.动能准则：提高磨球的动能2.碰撞几率准则：提高磨球的有效碰撞几率,球磨制粉的基本原则：,气流研磨法,通过气体传输粉料的一种研磨方法。与机械研磨法不同的是，气流研磨不需要磨球及其它辅助研磨介质。研磨腔内是粉末与气体的两相混合物。根据粉料的化学性质，可采用不同的气源，如陶瓷粉多采用空气，而金属粉末则需要用惰性气体或还原性气体。由于不使用研磨球及研磨介质，所以气流研磨粉的化学纯度一般比机械研磨法的要高。,旋涡研磨,气流研磨三种类型：旋涡研磨、冷流冲击、流态化床气流磨,冷流冲击,加速效应：加速后的气体可超过音速；冷却效应：气粉混合物的温度能降到零度以下。,这两点对于颗粒的粉碎十分有利，其一是颗粒的撞击动能增大，其二是金属颗粒的冷脆性提高。,夹带有粉料的高压气流通过一个称为拉瓦尔管型硬质合金喷嘴喷向空间时，气体压力急剧下降，形成绝热膨胀过程。这一过程会同时产生两种效应,流态化床气流磨,grindingVenturinozzlepusherceramicliner,可获得超细粉体，并且粉末粒度均匀；由于气体绝热膨胀造成温度下降，所以可研磨低熔点物料；粉末不与研磨系统部件发生过度的磨损，因此粉末杂质含量少；针对不同的性质的粉末，可使用空气、N2、Ar等惰性气体。,流态化床气流磨的特点：,1.动能准则：提高粉末颗粒的动能2.碰撞几率准则：提高粉末颗粒的碰撞几率,气流研磨制粉的基本原则,由于粉末颗粒的运动是从流态气体中获得的，因此，提高颗粒的动能必须要提高载流气体的速度。,两种办法来实现提高气体的入口压力气体喷嘴的气体动力学设计,通过这两种办法使喷嘴出口端的气体流速达超音速,液态粉末1、液态金属（合金）金属粉末：雾化法2、金属盐溶液金属粉末：置换法，溶液氢还原法，水溶液电解法3、金属熔盐金属粉末：熔盐沉淀法，熔盐电法,雾化法是一种典型的物理制粉方法，是通过高压雾化介质，如气体或水强烈冲击液流，或通过离心力使之破碎、冷却凝固来实现的。,雾化制粉法,外力冲击,相互接触,冷却,雾化机理,过程一：大的液珠当受到外力冲击的瞬间，破碎成数个小液滴，假设在破碎瞬间液体温度不变，则液体的能量变化可近似为液体的表面能增加。,很明显，雾化时液体吸收的能量与雾化液滴的粒径存在一个对应关系，即：吸收的能量越高则粒径越小；反之亦然。,过程二：液体颗粒破碎的同时，还可能发生颗粒间相互接触，再次成为一个较大的液体颗粒，并且液体颗粒形状向球形转化，这个过程中，体系的总表面能降低，属于自发过程。,过程三：液体颗粒冷却形成小的固体颗粒。,雾化制粉分类,双流雾化被雾化的液体流和喷射的介质流；单流雾化直接通过离心力、压力差或机械冲击力实现雾化,双流雾化法,气雾化、水雾化,（适合于金属粉末制备）,二者的区别：,粉末形状：气雾化容易获得球形粉末。水雾化获得粉末表面张力较小的呈土豆状或不规则形状，只有那些表面张力较大的合金，例如镍基合金，才能得到球形合金粉末。化学成分：不论是采用水雾化还是采用气雾化，制作出的合金粉末的化学成份不会因为制作方法的不同而产生差异。金相组织：采用气雾化制作的合金粉末，合金的过冷度要比采用水雾化制作的小许多，所以相同的化学成份，采用不同的雾化方法制出的合金粉末的金相组织会不一样。,气雾化颗粒形貌,水雾化铜粉颗粒形貌,金属液由上方孔流出时与沿一定角度高速射击的气体或水相遇，然后被击碎成小液滴，随着液滴与气体或水流的混合流动，液滴的热量被雾化介质迅速带走，使液滴在很短的时间内凝固成为粉末颗粒。,工艺原理：,雾化过程的四种情况,动能交换：雾化介质的动能转变为金属液滴的表面能；热量交换：雾化介质带走大量的液固相变潜热；流变特性变化：液态金属的粘度及表面张力随温度的降低而不断发生变化；化学反应：高比表面积颗粒（液滴或粉粒）的化学活性很强，会发生一定程度的化学反应。,气雾化的四个区域,负压紊流区高速气流的抽吸作用，在喷嘴中心孔下方形成负压紊流层；颗粒形成区在气流冲击下，金属液流分裂为许多液滴；有效雾化区气流汇集点对原始液滴产生强烈破碎作用，进一步细化；冷却凝固区细化的液滴的热量迅速传递给雾化介质，凝固为粉末颗粒。,1、能量交换准则提高单位时间、单位质量液体从系统中吸收能量的效率，以克服表面自由能的增加。2、快速凝固准则提高雾化液滴的冷却速度，防止液体微粒的再次聚集。,提高雾化制粉效率基本准则,气雾化制粉的影响因素气体动能、喷嘴结构、液流性质、喷射方式,借助离心力的作用将液态金属破碎为小液滴，然后凝固为固态粉末颗粒的方法。1974年，首先由美国提出旋转电极雾化制粉法，后来又发展了旋转锭模、旋转园盘等离心雾化方法,离心雾化法,旋转盘法,旋转盘法最早于1976的美国Pratt&Whitney飞机制造公司研制出，用来制备超合金粉末。这种方法获得的粉末平均粒度同园盘转速有关，转速越高，则平均粒度越小，细粉收得率越高。,旋转锭模（坩埚）法,旋转轮法,旋转杯,旋转网,气相沉积制粉是通过某种形式的能量输入，使气相物质发生气固相变或气相化学反应，生成金属或陶瓷粉体。,物理气相沉积法化学气相沉积法,气态粉末1、金属蒸汽金属粉末：蒸汽冷凝法2、气态金属羰基物金属粉末：羰基物热离解法3、气态金属卤化物金属粉末：气相氢还原法4、气态金属卤化物金属化合物粉末：化学气相沉积法,蒸汽冷凝法,物理气相沉积法,1.均相形核；2.晶粒生长；3.团聚,制粉过程包括三个步骤：,一、化学气相沉积的反应类型,分解反应,化学气相沉积法,化合反应,二、化学气相沉积制粉原理,1.化学反应；2.均相形核；3.晶粒生长；4.团聚,制粉过程包括四个步骤：,化合反应,由上式可知，化学气相沉积反应的控制因素包括：1）反应温度、2）气相反应物浓度、3）气相生成物浓度,1.化学反应,对一个确定的化学反应，判断其能否进行的热力学判据为：,分解反应,气相反应发生后的瞬间，在反应区内形成了产物蒸气，当反应进行到一定程度时，产物蒸气浓度达到过饱和状态，这时产物晶核就会形成。由于体系中无晶种或晶核生成基底，因此反应产物晶核的形成是个均匀形核过程。假设晶核为球形，半径为r，则形成一个晶核，体系自由能的变化为：,2.均匀形核,为固气相的体积自由能差为晶核的表面能,临界形核半径,对应大小的晶核则被称为临界晶核,温度越高，过饱和度越大，则临界晶核尺寸越小，晶核形成能越低，对晶体生成越有利。,均相晶核形成之后，稳定存在的晶核便开始晶粒生长过程。小晶粒通过对气相产物分子的吸附或重构，使自身不断长大。理论和实践都表明：晶粒生长过程主要受产物分子从反应体系中向晶粒表面的扩散迁移速率所控制。,3.晶粒生长,颗粒之间由于存在着较弱的吸附力作用，主要包括范德华力、静电引力等，颗粒之间会发生聚集，颗粒越小，则聚集效果越明显，这一现象被称为团聚。对于超微粉末，团聚是一个普遍存在并不容忽视的问题，在实际使用超微粉末时，如果不能有效地解决团聚问题，则粉末就可能失去其特有的性质。,4.团聚,三、化学气相沉积类型,热分解法,热分解法中最为典型的就是羰基物热分解，它是一种由金属羰基化合物加热分解制取粉末的方法，整个过程的关键环节就是制备金属羰基化合物,第一步：合成羰基镍,第二步：羰基镍热分解,气相氢还原还原剂-氢气气相金属热还原还原剂-低熔点、低沸点的金属（Mg、Ca、Na）两类反应的反应物均选用低沸点的金属卤化物且以氯化物为主,气相还原法,复合反应法,复合反应法是一种重要的制取无机化合物，包括碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等方法，这种方法既可制备各种陶瓷粉体也可进行陶瓷薄膜的沉积。所用的原料是金属卤化物(以氯化物为主)，在一定温度下，以气态参与化学反应。,1.碳化物反应通式,2.氮化物反应通式,3.硼化物反应通式,4.硅化物反应通式,一些碳化物、氮化物、硅化物、硼化物的沉积条件,化学还原法,一、还原制粉的基本原理,依据热力学原理确定反应能否发生氧位图,氧化物的G0T图,二、典型还原制粉类型,氢还原法,碳还原法,还原化合法,电化学制粉法,一、电化学制粉分类,水溶液电解有机电解质电解熔盐电解液体金属阴极电解,！,二、电化学制粉原理,以铜电解制粉为例,电化学体系,阳极：Cu（纯）,阴极：Cu粉,电解液：CuSO4、H2SO4、H2O,电化学反应,阴极反应：,阳极反应：,三、电化学制粉的影响因素,电流密度、电解液温度、搅拌、刷粉周期,粉末制备新技术,在此法中,稳定的平头火焰是由低压燃料/氧气混合气的燃烧产生的。化学母体与燃料一起导入燃烧室,在火焰的热区进行快速热分解。由于燃烧室表面温度分布良好,气相逗留时间短以及化学母体浓度均匀,并在很窄的热区进行热分解,因而能生产出粒度分布集中的高质量的纳米粉。,1.燃烧火焰-化学气相法生产纳米粉末,该法生产的纳米粉末成本十分低廉，按年产100吨纳米粉估算,每公斤纳米粉的成本不会高于50美元。,目前，该法已用于生产SiO2、TiO2、Al2O3、SnO2、V2O5、ZrO2等氧化物纳米粉。,2.激光生产纳米粉末,采用普通搅拌器、激光与便宜的反应材料,可快速、便宜、干净地生产1100nm的银粉与镍粉。,例如,将硝酸银溶液与一种还原剂导入搅拌器中,用激光短时照射混合物,同时进行搅拌。当激光脉冲射到液体时，形成极小的“热点”,使硝酸银与还原剂发生反应,生成极小的银颗粒。通过改变激光强度、搅拌器转速与反应成分,可控制银粉粒度,在一定程度上也可控制颗粒形状。,该法生产速度为0.5-30g/min,比其他纳米粉末制备方法生产率高。本方法所用反应材料不污染环境，而以前生产银粉所用的联氨是一种致癌物。用这种方法生产的银粉可用于制造焊料、牙科填料、电路板、高速摄影胶片等。,3.电爆炸金属丝制取纳米粉,大功率电脉冲施于氩气保护的金属丝上,并受到大功率脉冲产生的特殊场约束。柱形等离子体被加热到15000以上高温,因而电阻剧增,引起特殊场崩溃。金属蒸气的高压引起爆炸,产生冲击波,形成的金属气溶胶快速绝热冷却,制得纳米粉。,此法可生产铝、镍、银、铜、锌、铂、钼、钛、锆、铟、钨及其合金粉，用于推进剂、炸药、烟火、金属与陶瓷的粘结、助烧结剂、催化剂、合成有机金属化合物等。,4.声化学制取纳米金属粉,美国科学家采用声化学技术制取纳米金属粉。声化学是研究液体中高强度超声波产生的小气泡的形成、长大与内向破裂等现象的学科。,这些超声波气泡的破裂,产生很强的局部加热而在冷液中形成“热点”,瞬时温度约为5000,压力约1GPa,持续时间约10亿分之一秒。粗略而形象地说,上述这些数据相当于太阳的表面温度,大洋底部的压力,闪电的时间。当气泡破裂时,气泡内所含金属的易挥发化合物分解成单个金属原子,而后聚集为原子簇。这些原子簇含有几百个原子,直径约为23nm。,2.3成型技术,成形是粉末冶金工艺的重要步骤。成形的目的是制得具有一定形状、尺寸、密度和强度的压坯。模压成形是最基本方法。,1.粉末预处理预处理包括：粉末退火，筛分，混合，制粒，加润滑剂等。,1）退火还原氧化物消除加工硬化钝化金属，防止自燃消除杂质，提高纯度,2）筛分：把颗粒大小不匀的原始粉末进行分级，使粉末能够按照粒度分成大小范围更窄的若干等级。3）制粒：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。4）混合：将两种或两种以上不同成分的粉末均匀混合的过程。有时需将成分相同而粒度不同的粉末进行混合，称为合批。（1）机械法（2）化学法：润滑剂或成形剂，造孔剂,封闭钢模压制成型工序组成：称粉、装粉、压制、保压及脱模。（1）称粉与装粉,自动装粉方式a）落入法b）吸入法c）多余充填法,基本压制方式a)单向压制b)双向压制c)浮动压制,（2）压制,压制过程可分为四个阶段：粉末颗粒移动，孔隙减小，颗粒间相互挤紧；粉末挤紧，小颗粒填入大颗粒间隙中，颗粒开始有变形；粉末颗粒表面的凹凸部分被压紧且啮合成牢固接触状态；粉末颗粒加工硬化到了极限状态，进一步增高压力，粉末颗粒被破坏和结晶细化。,压坯密度的均匀性a.垂直截面上，上层密度大于下层密度；b.水平截面上，接近上模冲断面上，两侧大中间小；远离上模冲断面上，中间大两侧小；c.压坯底部的边缘密度低。,a)压制前b)压制后用石墨粉作隔层的单向压坯,a）单向压制b)双向压制压坯密度沿高度分布图,压坯密度分布不均匀是因为粉末体在压模内受力后向各个方向流动，于是引起垂直于压模壁的侧压力。侧压力引起摩擦力，会使压坯在高度方向存在明显的压力降。,改善措施：1）减小摩擦力：模具内壁上涂润滑油或采用内壁更光洁的模具；2）采用双向压制以改善压坯密度分布的不均匀性；3）模具设计时尽量降低高径比。,压坯密度与影响因素的关系a.随压制压力的增高而增大；b.随粉末的粒度或松装密度的增大而增大；c.颗粒的强度和硬度降低，有利于提高压坯密度；d.降低压制速度，提高压坯密度。,a)填充粉料b)双向压坯c)上冲模复位d)顶出坯块,传统压制技术的局限1、模具要求高，占用生产成本比例大；2、所加工部件尺寸受到限制；3、部件密度分布不均匀；4、脱模困难，工序长，生产效率低。,双向压制粉末冶金坯块工步示意图,等静压成形借助高压泵的作用把流体介质（气体或液体）压入耐高压的钢体密封容器内，高压流体的等静压压力直接作用于弹性模套内的粉末上，使粉体各个方向同时均衡受压，而获得密度分布均匀以及强度较高的压坯。,其他成型技术,爆炸成形利用炸药爆炸时产生的瞬间高冲击波压力，作用于粉体进行成形的工艺。可加工普通压制和烧结工艺难以成形的材料，如难熔金属、高合金材料等，还可压制普通压力无法压制的大型压坯。,粉末轧制,1.动磁压制技术,原理:将粉末装于一个导电的容器(护套)内,置于高强磁场线圈的中心腔中。电容器放电在数微秒内对线圈通入高脉冲电流,线圈腔中形成磁场,护套内产生感应电流。感应电流与施加磁场相互作用,产生由外向内压缩护套的磁力,因而粉末得到二维压制。整个压制过程不足1ms。,粉末冶金成型新技术,动磁压制的优点:由于不使用模具,成型时模壁摩擦减少到0，因而可达到更高的压制压力,有利于提高产品，并且生产成本低；由于在任何温度与气氛中均可施压,并适用于所有材料,因而工作条件更加灵活；由于这一工艺不使用润滑剂与粘结剂,因而成型产品中不含有杂质，性能较高，而且还有利于环保。,2.高速压制,瑞典开发出粉末冶金用高速压制法。这可能是粉末冶金工业的又一次重大技术突破。高速压制采用液压冲击机,它与传统压制有许多相似之处,但关键是压制速度比传统快5001000倍,其压头速度高达230m/s,因而适用于大批量生产。液压驱动的重锤(51200kg)可产生强烈冲击波,0.02s内将压制能量通过压模传给粉末进行致密化。重锤的质量与冲击时的速度决定压制能量与致密化程度。,高速压制的另一个特点是产生多重冲击波，间隔约03s的一个个附加冲击波将密度不断提高。这种多重冲击提高密度的一个优点是,可用比传统压制小的设备制造重达5kg以上的大零件。,与传统压制相比,高速压制的优点是：压制件密度提高，提高幅度在0.3g/cm3左右；压制件抗拉强度可提高20%25%；高速压制压坯径向弹性后效很小,脱模力较低；高速压制的密度较均匀,其偏差小于0.01g/cm3。,3.温压成型技术,温压技术是近几年新发展的一项新技术。它是在混合物中添加高温新型润滑剂，然后将粉末和模具加热至423K左右进行刚性模压制，最后采用传统的烧结工艺进行烧结的技术，是普通模压技术的发展与延伸，被国际粉末冶金界誉为“开创铁基粉末冶金零部件应用新纪元”和“导致粉末冶金技术革命”的新型成型技术。,其与传统模压工艺主要区别之处在于压制过程中将粉末和模具加热到一定的温度，温度通常设定在130150范围以内，可使铁基粉末冶金零件密度提高0.150.4g/cm3，粉末压坯相对密度可达到98-99%。在该工艺中，为了充分发挥在压制过程中的颗粒重排和塑性变形等温压致密化机制，往往需要优化原料粉末设计（如形状、粒度组成的选择），通过退火或扩散退火处理以改善粉末塑性，以及往粉末中掺入高性能高温润滑剂（添加量通常为0.6wt%）。,特点：（1）密度高且分布均匀常规一次压制-烧结最高密度一般为7.1g/cm3左右，温压一次压制-烧结密度可达到7.40-7.50g/cm3，温压二次压制-烧结密度可高达7.6g/cm3左右。温压工艺中高性能润滑剂保证了粉末与模壁之间具有较低的摩擦系数，使得压坯密度分布更加均匀，采用温压工艺制备齿轮类零件时齿部与根部间的密度差比常规压制工艺低0.10.2g/cm3。,（2）生坯强度高常规工艺的生坯强度约为1020MPa，温压压坯的强度则为2530MPa，提高了1.25-2倍。生坯强度的提高可以大大降低产品在转移过程中出现的掉边、掉角等缺陷，有利于制备形状复杂的零件；同时，还有望对生坯直接进行机加工，免去烧结后的机加工工序，降低了生产成本。这一点在温压-烧结连杆制备中表现得尤为明显。,（3）脱模压力小温压工艺脱模压力(Slidepressure)约为1020MPa，而常规工艺却高达5575MPa，其降低幅度超过60%。低的脱模压力意味着温压工艺易于压制形状复杂的铁基P/M零件和减小模具磨损从而延长其使用寿命。,（4）表面精度高由于温压工艺使压坯密度升高，而且温压中处于粘流态的润滑剂具有良好的“整平”作用，因此它可以使铁基粉末冶金零件表面精度提高2个IT等级，使纳米晶硬质合金粉末压坯表面精度提高3个IT等级。,4.流动温压技术,流动温压技术以温压技术为基础,并结合了金属注射成形的优点,通过加入适量的微细粉末和加大润滑剂的含量而大大提高了混合粉末的流动性、填充能力和成形性,这一工艺是利用调节粉末的填充密度与润滑剂含量来提高粉末材料的成形性。它是介于金属注射成形与传统模压之间的一种成形工艺。,流动温压技术的关键是提高混合粉末的流动性，主要通过两种方法来实现：第一种方法是:向粉末中加入精细粉末。这种精细粉末能够填充在大颗粒之间的间隙中,从而提高了混合粉末的松装密度。第二种方法是:比传统粉末冶金工艺加入更多的粘结剂和润滑剂,但其加入量要比粉末注射成形少得多。粘结剂或润滑剂的加入量达到最优化后,混合粉末在压制中就转变成一种填充性很高的液流体。,将上述两种方法结合起来,混合粉末在压制温度下就可转变成为流动性很好的黏流体,它既具有液体的所有优点,又具有很高的黏度。混合粉末的流变行为使得粉末在压制过程中可以流向各个角落而不产生裂纹。,流动温压工艺主要特点:(1)可成形零件的复杂几何形状。国外已利用常规温压工艺成功制备出了一些形状较复杂的粉末冶金零件,如汽车传动转矩变换器涡轮毂、连杆和齿轮类零件等。(2)密度高、性能均一。流动温压工艺由于松装密度较高,经温压后的半成品密度可以达到很高的值。由于流动温压工艺中粉末的良好流动性,由此得到的材料密度也更加均匀。,(3)适应性较好。流动温压工艺已经用于低合金钢粉、不锈钢316L粉、纯Ti粉和WC-Co硬质合金粉末。原则上它可适用于所有的粉末体系，唯一的条件是该粉末体系须具有足够好的烧结性能,以便达到所要求的密度和性能。(4)简化了工艺,降低了成本。,4.冷成形工艺,美国开发出一种能在室温下生产全致密零件而无需后续烧结的粉末冶金工艺。此工艺称之为“冷成形粉末冶金”。它采用特殊配制的活化溶液与革新的进料靴技术,在压力下精确地将粉末注入模中。加压输送的进料靴使粉末填充更加均匀,而活性溶液则防止形成氧化物,从而大大促进了冷焊效应。采用这一工艺可制得全致密的接近最终形状的零件，而压制后无需烧结及机加工。此工艺采用包覆粉末。但许多市售的金属或非金属粉末也可使用。目前该工艺的开发工作主要集中于生产热操作零件，但这一工艺也适用于生产结构件及其他用途的零件,5.粉浆浇注成型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。,6.注射成形技术,金属粉末注射成形技术是随着高分子材料的应用而发展起来的一种新型固结金属粉、金属陶瓷粉和陶瓷粉的特殊成形方法。它是使用大量热塑性粘结剂与粉料一起注入成形模中，施于低而均匀的等静压力，使之固结成形，然后脱粘结剂烧结。,这种技术能够制造用常规模压粉末的技术无法制造的复杂形状结构（如带有螺纹、垂直或高叉孔锐角、多台阶、壁、翼等）制品，具有更高的材质密度（93%100%的理论密度）和强韧性，并具有材质各向同性等特性。目前该项技术成为粉末冶金领域最具活力的新技术并已进入工业化生产阶段。,特点：把粉料与热塑性树脂等有机物混练后的混合料，在注射机上于一定温度和压力下高速注入模具，迅速冷凝后脱模取出坯体。可制作各种形状复杂的零件，材料利用率高。特别适合大批量生产体积小带有