第三章 粉末冶金 ☆★

1、第三章 粉末冶金第一节 概述粉末冶金是以颗粒材料成形，经过烧结获得制品的。它既是冶金的方法，又是直接制造零件的方法。作为冶金方法，能够制取普通冶金方法难以获得的特殊材料，作为少切削或无切削方法，可以制造出各种精密的机械零件。粉末冶金首先要制取粉料，粉料的粒径从数百微米至数个微米不等，近年发展到数个纳米（nm）。（把1米分成10亿份，每一份就是1纳米）。颗粒的材料可以是纯金属，也可以是化合物；可以由一种组分组成，也可以由多种组分混合而成。为了获得预定形状，必须对颗粒材料预压成型。一般是通过压力机上的成型模具预压成型。颗粒材料在成型模具中预压成型时，由于颗粒对模壁的摩擦，成型坯件的各部位所受的压力

2、不同，致密度也不同。为了增加粉粒的流动性，减少压坯的不均匀性，需要在粉粒中添加润滑剂。为了便于成型，需要在粉粒中添加粘结剂。成型后的坯件必须经过烧结才能有足够的强度和致密度。为了避免烧结时产生氧化，烧结中要采用氢气、氩气或氮气等气体保护。烧结的温度低于主要成分的熔点，主要成分不发生熔化。粉末冶金的工艺流程：制粉配料预压成型预烧结烧结成型后处理。粉末冶金件的生产工艺较为复杂， 单件和小批量的生产成本较高，无法像加工金属材料那样进行方便的机械加工，一般情况下不易进行焊接和锻造。此外，粉末在模具中的流动性较差，形状复杂和壁厚过薄的零件难于成型。由于工艺的关系，不适于过大的工件，一般小于50kg。如果

3、工件过大，将会造成预压成型和烧结的困难。虽然粉末冶金件有工艺复杂，生产成本较高的问题，但是粉末冶金件的性能好，使用寿命长，并且能够解决许多常规冶金方法不能解决的问题。粉末冶金批量性生产，批量愈大，愈是经济。随着科技的发展，性能更高和成本更低的粉末冶金制品不断涌现出来，粉末冶金制品的应用将更为广泛。第二节 粉末冶金的特点与生产过程一 粉末冶金的特点1. 获得多组元材料由于粉末冶金方法预先均匀混合各种成分的细小固体颗粒，材料的成分均匀，烧结温度低于熔炼温度，基体金属不熔化，有效地防止了化学成分的偏析。利用这一特点，可以添加多种组元，获得性能比较理想的粉末冶金制品。如果以铁、铜等材料作为基体，加入氧

4、化铝等耐磨材料，可以得到熔点高和耐磨性好的耐磨材料，适合于各种制动刹车片。以钨、钼为基体，加入铜、银等导电率高的材料，可以制成耐电弧烧蚀的电触头材料，适合于各种电器开关触头。2. 获得多孔材料3.利用粉末冶金中主要成分的颗粒不熔化，不同组元的颗粒分布均匀的特点，适当控制粉末的粒度、颗粒形状和工艺，可以获得预定的内部孔隙大小，得到比较均匀的多孔材料。利用多孔材料的不同孔隙度，可以制成过滤材料，用来过滤各种流体。利用孔隙可以浸入润滑油，制造成为含油轴承。利用多孔材料可以制成各种消音、减震和隔热材料的部件。 3. 获得难熔材料和硬质合金许多难熔金属材料，如钨、钼、钽、钛以及它们的碳化物，熔点高达18

5、00以上，使用传统的冶金熔炼方法，遇到加热到高温的困难和加热炉内衬耐高温的困难。粉末冶金方法的烧结温度比较低，仅为熔化温度的2/3到3/4，是目前制作难熔材料的一种常见方法。4. 实现少切削或无切削加工利用粉末冶金可以预先配制粉末冶金颗粒材料的成分和预先成型的特点，粉末冶金制品在制成以后，除了达到预定的性能以外，制品的形状尺寸已达到或基本达到要求。与传统的冶金材料的加工相比，粉末冶金方法的生产效率高，节约材料。 但是，粉末冶金材料也有许多不足之处：（1） 制造工艺过程较为复杂，生产成本较高。（2） 某些高熔点材料的烧成温度依然太高，对生产设备的要求增高。（3） 产品的力学性能有时不够理想，如脆

6、性太大，致密度不够高等。（4） 受生产设备和工艺方法的限制，目前难以生产出较大的制品。一般情况下，工件重量从数克至数十千克。 二 粉末冶金的生产过程1. 颗粒的制备颗粒的制备是粉末冶金生产中十分重要的工序，目前的颗粒制备方法主要是利用球磨机进行球磨粉碎。球磨的作用主要是改变颗粒的尺寸大小，使颗粒由粗变细，为成型工序作准备，这一过程称为制粉。颗粒在球磨机中受到磨球的反复撞击，增加了晶格缺陷，提高了表面能，表面能的提高有利于烧结。经过长时间的球磨，细小颗粒的表面能产生变化，颗粒表面与其它成分形成化合物或固溶体，称为颗粒表面机械合金化，机械合金化改变了原来颗粒的性能。另外利用球磨粉碎过程，可以将多种

7、组分的材料一起混合球磨，起到了均匀混合粉料的作用。粉碎颗粒的大小与形状，对烧结过程和最终成品性能的影响很大。如果颗粒过于粗大或颗粒的外形呈不规则形状，造成冷压成型时粉末的流动性较差，压坯的致密性和均匀性较差，外观也不整齐，烧结后成品的力学性能也较差。细小的颗粒可以获得较为致密的压坯，烧结后成品的力学性能较高，而且外观整齐。颗粒制备的基本方法有机械、化学和物理方法，生产中采用机械粉碎方法较多。机械粉碎方法是利用球磨机中的磨球撞击颗粒材料，使被磨材料的颗粒破碎变小。机械球磨机有滚桶式、振动式、摆动式。滚桶式球磨机的装料量多，生产中经常采用。但是滚桶式球磨机的转动速度慢，效率很低，一般要进行数小时或

8、几十小时的球磨过程。摆动式球磨机的粉碎效果较好，但装料量较少，生产中不够普及。气流粉碎机是另外一种机械粉碎方法，它是利用高速气流带动颗粒，迫使颗粒受到撞击而粉碎。这种方法的效率较高，适用较大批量的生产，但设备成本也较高。一般情况下，机械粉碎方法能够粉碎的颗粒最小粒径大约在0.5m。要求粉碎的颗粒愈是细小，粉碎的时间愈长，粉碎的难度愈大。化学制粉方法有液体法和气体法。液体法是将颗粒原料溶解在其他液体中，向液体中加入沉淀剂或凝固剂，使原料以细小的颗粒的形式从液体中析出。液体法可以获得极为细小的颗粒，最细可以达到纳米级粒径。由于这种方法的生产成本较高，目前尚未用于大批量生产。气体法是原料以气体的形式

9、出现，可以由几种气体相互混合，在一定温度下，形成细小的颗粒。例如在较高温度下，由硅的蒸气和含碳的气体混合反应，可以形成碳化硅SiC颗粒，气体法能够获得纳米级粒径的颗粒材料。物理制粉方法中常见的有喷雾法。它是将原料先熔化为液体，利用压缩气体进行雾化，使材料形成细小的颗粒。目前这种方法多用于金属颗粒的制作。例如：铝颗粒、镍颗粒或镍铝合金颗粒2. 预压成形为了使颗粒材料烧结为成品，烧结前必须预压成型，目前以冷预压成型方法较为多见。冷预压成型是将配制好的粉料放入成型模中，利用模具迫使粉粒成型。为了使粉料易于挤压成型，要放入少量的增塑剂和粘结剂，以增加颗粒间的粘结能力和颗粒在模具中的流动性。常用的增塑剂

10、有聚乙烯醇等，粘结剂有石蜡等。冷压成型后的坯件强度较低，必须经过烧结才能有较高的机械强度和某些特殊性能。如果对预压中的坯件在加压成型的同时进行加热烧结，这称之为热压成型。热压成型后的制品已经完成了烧结工序，不再需要进行烧结。热压成型产品的致密度较高，力学性能较好。相对于冷压成型方法，热压成型受到模具的限制，还不适于大批量生产，生产成本较高。4. 坯件的预烧5.为了把冷预压成型坯件中的增塑剂、粘结剂和其他易挥发物质去除掉，一般要对坯件进行预烧。预烧温度从几十度至近千度不等，具体与颗粒的熔点、抗氧化能力及所含易挥发物的挥发温度有关，大多数金属颗粒材料的预烧温度为数百度。预烧温度愈高，挥发物的去除愈

11、彻底。预烧的加热速度必须非常缓慢的，使挥发物能够逐渐挥发，以免瞬时产生大量的气体，造成坯件开裂。坯件的预烧能够减少在烧结中的开裂。4. 烧结5.烧结是将预烧后的坯件加热到高温，使坯件内部发生一系列的物理变化和化学变化，获得致密的、坚硬的和体积稳定的制品过程。（1） 粉末冶金材料的烧结现象未经烧结坯件的气孔率很高，可达百分之几或百分之几十，粉末颗粒之间的接触面积较小。通过烧结，随着时间的延长，材料的质点通过扩散产生迁移，颗粒之间的相互接触点逐渐增大，颗粒之间形成颈状部位，随时间的延长颈状部位逐步增大，颗粒之间的孔隙减少，相互连成整体，坯体变得致密。烧结可以分为固相烧结和液相烧结。在烧结温度下高纯

12、物质的颗粒之间一般无液相出现，称为固相烧结。例如硬质合金刀头的烧结，一般是通过固相烧结来完成的。有些材料在烧结中颗粒之间有液相出现，称为液相烧结。某些多组分的颗粒粉料，若含有熔点相对较低的组元，易于出现液相烧结。 在烧结中坯件的体积产生收缩，致密度增加。一般情况下，坯件烧结后可以达到理论密度的90% 98%，但是很难达到理论上的完全致密度。坯体烧结后可以用收缩率、气孔率、体积密度或理论密度的比值来衡量烧结后制品的质量。（2） 烧结的动力烧结的推动力主要来自颗粒的表面能，表面能愈高，愈有利于烧结。颗粒制备过程中，例如机械粉碎方法，颗粒受到撞击后表面的晶格产生缺陷，可以引起表面能的增加。5. 后处

13、理为了进一步提高粉末冶金制品的力学性能和表面质量，往往要进行后处理。常见的后处理工作有表面处理、热处理、特殊处理等。（1） 表面处理有些粉末冶金制品的表面要求光洁、耐磨、耐腐蚀、美观等，必须进行一定的表面处理。 封孔处理封孔处理可以封闭粉末冶金制品的表面的孔隙，减少材料的氧化和腐蚀等。常见的封孔方法有浸涂树脂法、电镀法、化学钝化法等。 滚筒处理当粉末冶金制品的表面要求较高时，必须进行滚筒研磨，清除表面毛刺和烧结中造成的表面污染，提高表面质量。 （2） 热处理为了使烧结件达到规定的性能，某些制品要使用退火、正火、淬火、回火等热处理方法。特别是钢结粉末冶金制品（以碳钢粉末或合金钢粉末为主要原料），退火可以使其软化，利于机械加工；淬火可以达到很高的硬度，增加耐磨性和使用寿命。（3） 浸渍处理粉末冶金的含油轴承必须浸油处理，使其孔隙中进入润滑油，才能达到制品的特有性能。第三节 粉末冶金的应用第四节粉末冶金通常采用耐磨、耐高温和硬度高的颗粒材料，因此粉