粉末冶金知识讲座（2）ppt课件

1、浙江省冶金研讨院方宁象l提纲l2.产品性能及其影响要素l2.1粉末冶金资料的根本特点与特性概述l2.1.1组织特征l2.1.1.1多孔性：开孔，闭孔、连通孔l2.1.1.2孔隙对粉末冶金资料断裂过程的影响l2.1.1.3孔隙对粉末冶金构造资料力学行为的影响：抗拉强度、弹性模量、硬度、延伸率、冲击韧性、断裂韧性、疲劳强度。l2.1.1.4孔隙在粉末冶金资料磨损过程中的作用l2.1.1.5孔隙在粉末冶金资料中的某些特殊作用：贮油、过滤、消音、止火、发泡等l2.1.1.6假合金l2.1.1.7几种典型资料的组织比较ll2.1.2成分特点l2.1.2.1几种铁基粉末冶金构造资料的成分及其在电开工具中的

2、运用：Fe-C;Fe-Cu-C-(P);Fe-Ni-Cu-C:Fe-Ni-Cu-Mo-C;Fe-Mn-Cr(V)-Mo-C;l2.1.2.2常见合金元素及其与非烧结钢的比较：Cu,P,S等l2.1.3减磨与摩擦资料l2.1.3.1减磨制品：自光滑轴承、双金属轴承和DU轴承l2.1.3.2耐磨制品：l2.2影响产品性能的要素与提高产品性能的途径l2.2.1影响要素l2.2.1.1原料粉末l2.2.1.2工艺过程l2.2.1.3工艺参数l2.3粉末冶金产品的常见质量问题及其分析l2.3.1密度问题l2.3.2内部缺陷：分层、裂纹、组织缺陷如粗大的碳化物，大量的网状渗碳体，表里组织差别等、l2.3.

3、3外观质量问题：掉边掉角、磕碰伤、光洁度等l2.3.4尺寸精度，形位公差l2.1.1组织特征组织特征l2.1.1.1多孔性：开孔，闭孔、连通孔多孔性：开孔，闭孔、连通孔l普通说来，粉末冶金资料的最根本特点是多孔性。l粉末冶金资料的孔隙度范围很广，有1%2%残留孔隙度的“致密资料，有大于15%孔隙度的多孔资料，也有高达98%孔隙度的泡沫资料。l孔隙分开孔、闭孔和连通孔三种。l开孔：资料中与外外表相通的孔隙，l闭孔：资料中与外外表不相通的孔隙，l连通孔：资料中相互连通的孔隙，可以是开孔也可以是闭孔。l当总孔隙度为20%30%时，闭孔隙度大约为1%2%，但当孔隙度为8%左右时，几乎都变成了闭孔。l与

4、传统的可锻致密资料相比，粉末冶金资料塑性变形的规律是不同的。烧结资料断裂时没有发现明显的宏观塑性变形的痕迹，只需在孔隙附近的烧结颈部分才发生明显的屈服。CSS曲线比较l从烧结资料的断裂景象看，一方面，孔隙减小资料的真实断面，是应力的集中剂，这将降低资料的临界断裂应力；另一方面，孔隙是应力的松驰剂，在裂纹进入孔隙时可松驰裂纹尖端的应力，即减小应力集中因子，从而提高断裂应力的程度。l烧结钢的断裂机理：新的微裂纹萌生于内孔隙，经过孔隙合并机理发生裂纹的扩展与长大，这种合并可以是孔隙经过粉末颗粒间的桥接发生，也可以是晶间或穿晶断裂而发生。l致密钢的断裂的普通断裂机理简述。l几乎一切的力学行为都随孔隙度

5、的降低而得到改善。l在孔隙度变化的很大范围内，强度、塑性和韧性与孔隙度存在非线性关系。l普通可锻致密资料，当强度提高时，塑性通常变坏，而对于粉末冶金资料来说，却能够出现刚好相反的关系。l除孔隙度以外，粉末冶金资料的许多力学行为还对资料中孔隙的外形非常敏感，尤其是冲击韧性。如在孔隙度一样时，采用卤化盐填料的活化烧结的铁粉压坯，其冲击韧性提高56倍。l由于资料体系的复杂性，目前关于孔隙对粉末冶金资料的定量描画还都是半阅历性质的。l抗拉强度抗拉强度lA.Salak半阅历方程：半阅历方程：ls=0exp(-K)l式中，式中，s烧结资料的抗拉强度；烧结资料的抗拉强度；l0相应可锻致密资料的抗拉强度；相应

6、可锻致密资料的抗拉强度；lK与材质和制造工艺有关的常数；与材质和制造工艺有关的常数；l孔隙度孔隙度%l对烧结铁来说，可表示为：ls344exp(-0.043)MPal当烧结铁孔隙度为零时，抗拉强度为324Mpa，与低碳压延退火钢的接近。l弹性模量弹性模量l众所周知，结晶物质的强度取决于弹性众所周知，结晶物质的强度取决于弹性模量。弹性模量表征着点阵中原子间的模量。弹性模量表征着点阵中原子间的结合强度，是应力应变曲线弹性范围结合强度，是应力应变曲线弹性范围内直线段的斜率。内直线段的斜率。McAdam在大量实在大量实验数据根底上图验数据根底上图2.1p150，提出了烧，提出了烧结铁的弹性模量与孔隙度

7、关系的半阅历结铁的弹性模量与孔隙度关系的半阅历方程方程:llESkE013.4l式中，ES烧结资料的弹性模量；lE0相应致密资料的弹性模量；l孔隙度%lk资料或基体金属的常数l从图和公式可知，烧结资料的弹性模量因孔隙度增大而减小，也就是在给定应力下，弹性应变因孔隙度而增大是。普通，烧结多孔铁的弹性模量是很小的，孔隙度大于30%的烧结铁的弹性模量比铜的还低。l从图2.1还阐明，实验数据的离散性不大，这阐明弹性模量对烧结时间、原始粉末粒度及合金化程度等不敏感。l借改动孔隙度来控制资料的弹性模量，是粉末冶金资料的一个重要优点。l硬度硬度lSalak半阅历方程：半阅历方程：lHS=H0k1exp(-K

8、2)l对于详细的烧结铁对于详细的烧结铁lHBs=8310.127exp(-0.049)l式中，式中，HS，HBS烧结体硬度；烧结体硬度；lH0相应可锻致密资料的硬度；相应可锻致密资料的硬度；lK1,K2常数。常数。l烧结资料的硬度主要取决于孔隙度，随孔隙度增大而减小，而对孔隙外形不敏感。烧结资料的宏观硬度值反映的不是基体的真实硬度，由于丈量硬度时，压头同时压在金属基体和孔隙上，有效承载面积减小，因此我们通常称之为“表观硬度。为获得烧结资料金属基体的硬度，常采用显微硬度测定法，显微硬度与烧结资料的孔隙度几乎无关。l延伸率延伸率l延伸率是资料塑性的反映。由于烧结资延伸率是资料塑性的反映。由于烧结资

9、料的多孔性，许多烧结资料从宏观上很料的多孔性，许多烧结资料从宏观上很少表现出塑性，可以以为是脆性资料。少表现出塑性，可以以为是脆性资料。对于像烧结铁这样有塑性特征的烧结体，对于像烧结铁这样有塑性特征的烧结体，其延伸率那么同时取决于孔隙度和孔隙其延伸率那么同时取决于孔隙度和孔隙外形。它们都与工艺过程和工艺参数亲外形。它们都与工艺过程和工艺参数亲密相关密相关l冲击韧性冲击韧性l冲击韧性是资料的一种动态的机械性能，冲击韧性是资料的一种动态的机械性能，剧烈地依赖于资料的塑性，因此烧结资剧烈地依赖于资料的塑性，因此烧结资料的冲击韧性也剧烈地取决于资料的孔料的冲击韧性也剧烈地取决于资料的孔隙度和孔隙外形。

10、冲击韧性与密度的关隙度和孔隙外形。冲击韧性与密度的关系服从指数函数规律，随密度添加而增系服从指数函数规律，随密度添加而增高。高。l孔隙度为孔隙度为1520%的烧结资料其冲击韧性的烧结资料其冲击韧性值很小，比相应致密资料小几倍。值很小，比相应致密资料小几倍。l断裂韧性与疲劳强度断裂韧性与疲劳强度l断裂韧性是资料的一个新的机械性能目断裂韧性是资料的一个新的机械性能目的，是机械构造带有裂纹时的一种新的的，是机械构造带有裂纹时的一种新的断裂判据。疲劳断裂时同样涉及资料中断裂判据。疲劳断裂时同样涉及资料中裂纹的扩展在交变应力作用下裂纹的扩展在交变应力作用下l应力强度因子应力强度因子K与平面应变断裂韧度与

11、平面应变断裂韧度KICl与塑性和冲击韧性类似，断裂韧性与疲劳强度也剧烈地取决于资料的孔隙度和孔隙外形，还与资料的含氧量有很大关系。l这里我特别提一下含氧量。普通，粉末冶金资料的含氧量要高于相应的致密资料。资料中氧化物夹杂聚集在原始粉末颗粒界面上，呵斥类似孔隙的薄弱区，容易构成裂纹l原料粉末粒度、孔隙长度、孔隙曲率、孔隙间距等与疲劳强度的关系对于孔隙度大于8%的烧结钢：lcg(H4/V2)1/6l式中，g常数；lH孔隙曲率；lV孔隙度体积分数；l孔隙间距。l在铁基粉末冶金资料作为构造件运用时，大多情况下都被用作耐磨件。l除自光滑型减磨资料外，在无光滑磨损条件下，孔隙在磨损过程中的作用，至今还未得

12、出一致的结论。但有一点比较一致，即孔隙是资料磨损过程中产生磨屑的源之一。硬度较高的资料，在对偶微凸体压应力的作用下，孔隙会以边缘碎裂并在剪切应力作用下裂纹扩展而产生磨屑，对象烧结铁这类塑性较好的资料，孔隙将更容易产生犁削作用而产生磨屑，使磨损加大。同时，孔隙也起留集磨屑的作用，这使得磨耗减小。l孔隙在高温磨损条件下的作用不如室温时明显。l综上所述，孔隙对烧结膂力学行为、断裂过程及磨损过程大多是负面影响。但有的时候，孔隙的特殊功能作用却是难以替代的，例如：l贮油象含油轴承，湿式摩擦资料等。贮油象含油轴承，湿式摩擦资料等。这类产品，由于资料内部贮有油类物质这类产品，由于资料内部贮有油类物质并与外表

13、相连，任务时它们或经过泵吸并与外表相连，任务时它们或经过泵吸作用或是经过挤出使资料任务外表产生作用或是经过挤出使资料任务外表产生一层油膜，从而到达独特的自光滑和冷一层油膜，从而到达独特的自光滑和冷却作用。却作用。l过滤过滤是孔隙的又一独特功能。利用资料过滤过滤是孔隙的又一独特功能。利用资料连通开孔可对许多气态和液态物质进展过滤净连通开孔可对许多气态和液态物质进展过滤净化，或经过浸入催化剂，作为催化剂的载体，化，或经过浸入催化剂，作为催化剂的载体，使气体或液体经过时发生化学反响，到达转化使气体或液体经过时发生化学反响，到达转化或催化的作用。同时，利用粉末颗粒度选择与或催化的作用。同时，利用粉末颗

14、粒度选择与工艺过程可很容易地控制孔隙的孔径大小而到工艺过程可很容易地控制孔隙的孔径大小而到达不同的过滤精度。青铜基、钛基、不锈钢基、达不同的过滤精度。青铜基、钛基、不锈钢基、陶瓷基过滤器和催化载体在石化、酿造、化工、陶瓷基过滤器和催化载体在石化、酿造、化工、制药、食品、冶金、汽车等诸多领域获得了大制药、食品、冶金、汽车等诸多领域获得了大量的运用。量的运用。l消音止火利用资料内部孔隙对声波的消音止火利用资料内部孔隙对声波的漫反射原理而到达消音作用；漫反射原理而到达消音作用；l火焰经过孔隙被火焰经过孔隙被“淹没。淹没。l运用：如氧乙炔防回火安装，汽车尾气运用：如氧乙炔防回火安装，汽车尾气消音防火安

15、装等。消音防火安装等。l粉末冶金资料的另一组织特征是具有双相或多相从相图上看来完全不互溶的组织形状，这一特点是其它致密资料很难做到的。而在粉末冶金资料制造工艺过程中，是很容易实现的。一种方法是直接混入不互溶的组分进展压烧；另一种是先做成一多孔骨架资料，经过熔浸的方法将第二相物质渗入。这种资料严厉意义是讲也是复合资料。l最具代表性的例子：钨铜。钨熔点3400多度，比重25.3g/cm3,铜熔点1083度，比重8.92g/cm3，熔点比重相差如此大又完全不互溶的物质，用熔炼的工艺是不能够实现的。这种资料既具有很高的耐热性，优良的传导性，又具有象耐电弧烧蚀等特性，因此被广泛运用于电工触头，电子封装资

16、料，电极和航空航天领域的发汗资料等。l另外，如纤维、晶须、颗粒加强型金属基、陶瓷基、树脂基复合资料也都可以用粉末冶金工艺来制造。l烧结FC组织中的孔隙l烧结F(C)C组织与普通碳钢l粉末冶金烧结钢的渗碳体组织lllll2.1.2.1几种铁基粉末冶金构造资料的成分及其在电开工具中的运用：l2.1.2.2常见合金元素及其与非烧结钢的比较la.Fe-Cl在普通碳钢中，化合碳含量与抗拉强度亲密相关。抗拉强度因化合碳含量添加而迅速增高，不断到化合碳含量到达1.0%；之后，随着化合碳含量增高到1.6%缓慢地添加到最大值。l对于烧结铁碳合金，也有一条类似曲线。化合碳含量是经过控制添加石墨量来改动的。开场抗弯

17、强度随化合碳含量添加而迅速增高；在化合碳含量为0.85%时，即共析成分附近到达最大值；在化合碳含量0.91.0%之间急剧下降。这是由于大部分晶粒晶粒间是经过渗碳体结合，致使渗碳体呈网状，并与引起应力集中的孔隙严密相连所致。因此我们通常是在将碳含量控制在共析点程度上。l普通负荷较低的零件如垫圈、衬套、链轮等可运用这种烧结合金，对负荷较高的零件那么需求进展热处置。下表为烧结碳钢的力学性能目的及其与SAE钢的比较。lb.Fe-Cu-C-(P)也叫烧结铜钢l这是粉末冶金铁基零件中运用最普遍的。l在普通致密钢中，加铜是极少出现的。因此无法与之进展比较。l烧结铜钢在烧结形状下的强度较高，这能够是由于铜的沉

18、淀强化和淬透性增高所致。l烧结铜钢热处置时，力学性能显著增高。在淬火回火时，产生析出硬化景象。下表为一些烧结铜钢的力学性能规范：lc.烧结Fe-Ni-Cu-Mo-C合金l普通，烧结Fe-Ni-C合金时，通常添加一定量的铜，常称烧结镍钢。这类资料要控制化合碳含量有一定的困难，由于必需精细地调整烧结气氛，以免烧结时脱碳。为此，在欧洲广泛地采用了无碳烧结铁基构造零件。其中运用最多的是烧结Fe-Ni-Cu。lNi与Cu同时强化Fe时，强化作用不是累加的，而是显著高于计算值。表6-20是烧结Fe-Ni-Cu合金的Ni、Cu含量和密度与力学性能的关系。ll在上述合金中参与碳时，烧结合金或合金热处置后的抗拉

19、强度显著提高，但延伸率下降。ll典型的烧结镍钢的化学成分和机械性能规范分别示于表6-18与6-23中。l烧结镍钢中添加合金元素Mo的主要目的为了增高烧结合金的淬透性，进一步增高抗拉强度。因此烧结镍铜钼钢属于高强度热处置烧结钢。ll烧结镍铜钼钢的化学成分与力学性能示于表6-24；l热处置后它们的机械性能和热处置条件分别示于表6-25l由于锰铬钒与氧的亲和力大，以单质组元参与在通常的烧结气氛中很难合金化，普通均采用MCM或MVM母合金粉的方式参与。l这类合金的突出优点在于，它们的淬透性优于烧结烧结镍钢，在通常的烧结条件下，烧结冷却后的显微组织为马氏体构造。此外，在给定的强度范围内，每种合金元素的含

20、量仅为0.20.6%，本钱显著低于烧结镍钢。l电开工具中大量运用了上述粉末冶金铁基零件，下表列举了一些详细运用的例子。l碳碳在烧结构造零件制造中与在普通碳碳在烧结构造零件制造中与在普通炼钢中同样重要。用于提高资料强度和炼钢中同样重要。用于提高资料强度和硬度。碳能促进烧结收缩。硬度。碳能促进烧结收缩。l铜非烧结钢中很小运用铜作为合金元铜非烧结钢中很小运用铜作为合金元素。而在烧结钢中那么大量运用。铜能素。而在烧结钢中那么大量运用。铜能提高烧结体的强度，改善热处置的淬透提高烧结体的强度，改善热处置的淬透性；铜会使烧结体发生膨胀。性；铜会使烧结体发生膨胀。Kirkendulleffectl镍马氏体时效

21、钢和不锈钢中大量运用镍马氏体时效钢和不锈钢中大量运用镍，在烧结镍钢中普通含镍镍，在烧结镍钢中普通含镍15%。参与。参与镍可提高资料的强韧性，促进烧结收缩。镍可提高资料的强韧性，促进烧结收缩。合金化时间较长，常与铜一同运用。合金化时间较长，常与铜一同运用。l钼与非烧结钢类似，钼主要是为了增钼与非烧结钢类似，钼主要是为了增高淬透性，同时也对烧结钢在烧结形状高淬透性，同时也对烧结钢在烧结形状的机械性能有良好影响。的机械性能有良好影响。l锰、铬、钒是非烧结钢中常见的合金锰、铬、钒是非烧结钢中常见的合金元素，主要是提高淬透性和合金的抗氧元素，主要是提高淬透性和合金的抗氧化性。在烧结钢中也类似。化性。在烧

22、结钢中也类似。l磷在非烧结钢中，除铜磷钢之类钢种磷在非烧结钢中，除铜磷钢之类钢种外，磷是有害元素。外，磷是有害元素。l在烧结钢磷是最有效的强化元素之在烧结钢磷是最有效的强化元素之一。它剧烈地促进烧结收缩。一。它剧烈地促进烧结收缩。l硫在普通钢中也被看成是有害元素。硫在普通钢中也被看成是有害元素。在烧结钢中却能改善资料的延伸率、切在烧结钢中却能改善资料的延伸率、切削加工性能、减摩性能及封锁资料中孔削加工性能、减摩性能及封锁资料中孔隙。硫的参与会促进烧结膨胀。隙。硫的参与会促进烧结膨胀。l粉末冶金产品性能与其它资料产品一样，不外乎资料本身的根本理化性能、机械力学性能和产品的一些特殊性能如：电磁性能

23、、摩擦磨损性能、耐蚀性、几何外形、尺寸精度等等。影响产品性能的要素大体上可以归纳为以下三种：原料粉末及配方、工艺过程、工艺参数。l成分即配方对资料性能的影响我们前面已作引见，这里不再赘述。同样的成分，不同的原料粉末特性，采取不同的工艺和不同的工艺参数，产品的性能会有宏大差别。l金属粉末的性能对其成形和烧结过程，以及粉末冶金零件的性能都有艰苦影响l。l金属粉末的根本性能大体上可分为：纯度或化学成分、物理性能及工艺性能。l化学成分普通是批主要金属或组份、化学成分普通是批主要金属或组份、杂质或夹杂及气体的含量。杂质或夹杂及气体的含量。l物理性能包括颗粒外形、颗粒大小物理性能包括颗粒外形、颗粒大小粒度

24、与粒度组成粒度分布。粒度与粒度组成粒度分布。la.颗粒外形与制粉方法和工艺参数有关，它是决议粉末工艺性能的要素之一。有球形、树枝状、针状、海绵状、粒状、片状、不规那么状等la.颗粒大小粒度指用普通分别颗粒大小粒度指用普通分别方法不易分开的粉末的最小单位，有一方法不易分开的粉末的最小单位，有一次颗粒和二次颗粒之分。单位：微米，次颗粒和二次颗粒之分。单位：微米，平均粒度。它对其压制成形时的比压、平均粒度。它对其压制成形时的比压、烧结时的收缩及烧结零件的机械性能都烧结时的收缩及烧结零件的机械性能都有艰苦影响。有艰苦影响。la.粒度组成粒度分布指大小不同的颗粒级的相对含量，通常用各级颗粒大小的分量百分数的分布曲线来表示。它对粉末充填密度等工艺性能影响很大。l工艺性能粉末工艺性能包括粉末的松工艺性能粉末工艺性能包括粉末的松装密度、流动性、紧缩性和成形性等，装密度、流动性、紧缩性和成形性等，它们都是金属粉末的重要特性，都有相它们都是金属粉末的重要特性，都有相应的测试规范。应的测试规范。la.松装密度指粉末在规定的条件下，自在流入一