第1章绪论粉末冶金概论

1、粉末冶金粉末冶金田保红田保红2013-3-18参考书籍参考书籍:References 1、黄培云、黄培云.粉末冶金原理粉末冶金原理 (第第2版），北京：版），北京：冶金工业出版社，冶金工业出版社， 1997(需要需要PDF电子电子书的同学请给我发邮件书的同学请给我发邮件: )2、阮建明，黄培云、阮建明，黄培云. 粉末冶金原理，北京：粉末冶金原理，北京：机械工业出版社，机械工业出版社，2012材料与人类文明材料与人类文明材料是现代文明的支柱材料是现代文明的支柱v材料是人类生存的基础（材料是人类生存的基础（Basis)v材料是人类发展的标志材料是人类发展的标志 (Mark)v材料是科技创新的先导材

2、料是科技创新的先导 (Lead)商商 西周西周 半坡半坡 材料制备方法材料制备方法IM(Ingot Metallurgy) 熔铸法熔铸法 熔熔(melting)、炼、炼(refining)、铸、铸(casting) 铸件铸件(castings) 机加工机加工(machining)零件零件 铸坯铸坯(ingots)塑性成形塑性成形(plastic forming) 热处理热处理(heat treatment)机加工机加工零件零件PM(Powder Metallurgy) 粉末冶金法粉末冶金法 制粉制粉(powder making)压型压型(pressing)烧结烧结(sintering)SF(S

3、pray Forming) 喷射成型法喷射成型法材料成型方法材料成型方法 铸造铸造(pour-casting, die-casting) 例如：汽车轮毂（例如：汽车轮毂（Al、Zn）、活塞（）、活塞（Al）、手机外壳）、手机外壳（Mg）等）等塑性成形塑性成形 (plastic forming) 挤压挤压(extrusion)、轧制、轧制(rolling)、拉拔、拉拔(drawing)、 冲压冲压(punching)、锻造、锻造(forging)焊接焊接（welding)切削切削 (cutting)粉末成型粉末成型 (powder forming)复合成型复合成型（铸轧、铸挤、锻轧、挤轧等）（铸

4、轧、铸挤、锻轧、挤轧等）粉末冶金原理粉末冶金原理 30学时学时一、粉末冶金概念一、粉末冶金概念 粉末冶金是用金属粉末（或金属粉末粉末冶金是用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结制造金属材料、复合材料以及成形和烧结制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺过程。各种类型制品的工艺过程。Powder Metallurgy。 制取金属及化合物粉末，采用成形和烧结工艺制成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、金属陶瓷材料（硬质合金）及其金属材料、复合材料、金属陶瓷材料（硬质合金）及其制品的工艺技术（或技术科学

5、）。制品的工艺技术（或技术科学）。 多学科交叉的综合性技术。涉及到化工、冶金、材料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。制备、压力加工、热工、机械、自动控制等学科技术。最大可制造：最大可制造：3吨的制件（热等静压）；吨的制件（热等静压）；最小：零点零几克（最小：零点零几克（0.01克）；克）；制品最小厚度：可达制品最小厚度：可达1520m绪论（粉末冶金概论）Powder Metallurgy Processing粉末冶金工艺粉末冶金材料和制品的工艺粉末冶金材料和制品的工艺流程举例流程举例原料粉末原料粉末其它添加剂其它添加剂热压热压 松装烧

6、结松装烧结 粉浆烧注粉浆烧注混合混合压制压制等静压制等静压制 轧制轧制 挤压挤压烧结烧结烧结烧结浸透浸透 热处理热处理 电镀电镀预烧结预烧结高温烧结高温烧结 复压复压锻打锻打复烧复烧拉丝拉丝烧结烧结精整精整锻造锻造 轧制轧制 挤压挤压 烧结烧结（浸油）（浸油） 热处理热处理粉末冶金成品粉末冶金成品粉末冶金工艺过程原料粉末原料粉末其他添加剂其他添加剂混合混合松装烧结松装烧结（石膏模）（石膏模）粉末浇注粉末浇注模压成形模压成形预烧结预烧结烧结烧结二次模压二次模压二次烧结二次烧结整形整形高温烧结高温烧结锻造锻造拉丝拉丝烧结烧结锻锻 造造轧轧 制制挤挤 压压冷等静压冷等静压轧轧 制制挤挤 压压烧烧 结

7、结热热 压压热热 挤挤 压压热等静压热等静压后续处理（选择）：浸渍后续处理（选择）：浸渍热处理热处理 电镀电镀 机械加工机械加工粉末冶金材料、制品粉末冶金材料、制品l 粉末冶金一般粉末冶金一般工艺工艺:（1）制粉）制粉（2）粉末预处粉末预处理理（3）成形）成形（4）烧结）烧结（5）烧结后处）烧结后处理理典型的粉末冶金生产过程粉末冶金生产工艺粉末冶金生产工艺使用粉末冶金的三个主要因素Reasons for using powder metallurgyEconomicUnique特有性特有性Captive不可替代不可替代性性costproecisionproductivity(example:a

8、utomobile gears)refractoryreactive(example:tungsten lamp filaments)alloysmicrostructures(example:stainless steel filters )Ideal Applications(example:porous tantalum capacitors)粉末冶金发展简史粉末冶金发展简史约约3000年前，埃及人就制得海绵铁，并锻打成铁器；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世纪，印度人用同样方法制得“德里柱德里柱”，重达，重达6.5吨；吨； 19世纪出现世纪出现Pt

9、粉的冷压、烧结、热锻工艺；粉的冷压、烧结、热锻工艺； 现代粉末冶金从现代粉末冶金从1909年，年，W.D. Coolidge 的电灯钨丝问世的电灯钨丝问世开始。开始。 1909年制造电灯钨丝的技术成功（年制造电灯钨丝的技术成功（W粉成形、烧结、锻打、拉粉成形、烧结、锻打、拉丝）；丝）；1923年硬质合金研制成功。年硬质合金研制成功。 20世纪世纪30年代，多孔含油轴承成功；相继发展铁基机械零件年代，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：向新材料、新工艺发展：20世纪世纪40年代，金属陶瓷、弥散强化年代，金属陶瓷、弥散强化材料（如烧结铝）；材料（如烧结铝）；60年代末年代

10、末70年代初，粉末高速钢、粉末高年代初，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。温合金，粉末锻造技术已能生产高强度零件。粉末冶金材料和制品粉末冶金材料和制品出现年代出现年代钨钨1909难熔碳化物难熔碳化物19001914电触头材料电触头材料19171920WC-Co硬质合金硬质合金19231925烧结摩擦材料烧结摩擦材料1929多孔青铜轴承多孔青铜轴承19211930WC-TiC-Co硬质合金硬质合金19291932烧结磁铁烧结磁铁1936多孔铁轴承多孔铁轴承1936机械零件、合金钢机械零件机械零件、合金钢机械零件19361946烧结铝烧结铝1946金属陶瓷（金属陶瓷（TiC

11、-Ni）1949钢结硬质合金钢结硬质合金1957粉末高速钢粉末高速钢1968粉末冶金特点1优点优点（1）可生产普通熔铸法难于生产的材料）可生产普通熔铸法难于生产的材料 多孔材料（孔隙度可控）；多孔材料（孔隙度可控）； 假合金（如假合金（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；料、纤维强化材料； 特种陶瓷（结构陶瓷、功能陶瓷）；特种陶瓷（结构陶瓷、功能陶瓷）；（2）某些）某些P/M材料与熔铸材料相比，性能更优越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，性能大幅提高避免成分偏析、晶粒细，组织均匀

12、，性能大幅提高。如，粉末高速钢、粉末高温合金。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。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）对制品成型有明显优势 是一种少切削、无切削工艺（近净成型是一种少切削、无切削工艺（近净成型near net-shape）；）； 可大批量生产同一零件；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）形状很复杂零件（如齿轮、凸轮或多功能零件）的制造公差窄；的制造公差窄； 不需或可简化机械的精加工作业；不需或可简化机械

13、的精加工作业； 节能、省材；节能、省材； 可制造自润滑材料。可制造自润滑材料。2缺点缺点 粉末成本高；粉末成本高； 形状、尺寸受到一定限制；形状、尺寸受到一定限制； 成形模具较贵；一般要生产量在成形模具较贵；一般要生产量在500010000个个/批批，才经济。，才经济。 烧结零件韧性相对差（但可通过粉末模锻或复烧改烧结零件韧性相对差（但可通过粉末模锻或复烧改善）。善）。与其他成型工艺比较1和熔铸技术比较和熔铸技术比较粉末冶金优势：粉末冶金优势： 粉末冶金制件表面光洁度高；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；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合金

14、化与制取复合材料的可能性大 组织均一（无偏聚、砂眼、缩孔）组织均一（无偏聚、砂眼、缩孔）、力学性能可靠；、力学性能可靠； 在经济上，粉末冶金工艺能耗小。在经济上，粉末冶金工艺能耗小。铸造优势：铸造优势： 形状不受限制；（粉形状不受限制；（粉末冶金注射成形形状也不末冶金注射成形形状也不受限制，但只能生产小制受限制，但只能生产小制件）件） 适于制造大型零件；适于制造大型零件； 零件生产批量小时，零件生产批量小时，经济；经济； 一般说来，工、模具一般说来，工、模具费用低。费用低。2和热模锻技术比较和热模锻技术比较粉末冶金优势：粉末冶金优势： 粉末冶金制件精度比精锻高；粉末冶金制件精度比精锻高； 粉末

15、锻造节省材料、重量控制粉末锻造节省材料、重量控制精确、可无非边锻造，也能制造精确、可无非边锻造，也能制造形状较复杂制件；形状较复杂制件； 粉末锻造只需一副成形模具和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锻模；热锻需两副以上锻模、一副修边模。、一副修边模。热模锻优势：热模锻优势： 可制造大型零件；可制造大型零件； 锻件力学性能比烧结粉锻件力学性能比烧结粉末冶金零件高，但与粉末末冶金零件高，但与粉末锻造件相当；锻造件相当； 可制造形状复杂程度较可制造形状复杂程度较高的制品。高的制品。粉末冶金技术的新发展（1）与其他技术交叉产生新技术）与其他技术交叉产生新技术 注射成形，粉末挤压

16、，流延成形，注射成形，粉末挤压，流延成形， 直接凝固注模，粉末轧制直接凝固注模，粉末轧制，爆炸成型，喷射成形，烧结热等静压，微波烧结，放电等离子体，爆炸成型，喷射成形，烧结热等静压，微波烧结，放电等离子体烧结，激光烧结烧结，激光烧结（2）向计算机控制集成自动化方向发展）向计算机控制集成自动化方向发展（3）粉末冶金近净成形技术（）粉末冶金近净成形技术（near net-shape）发展）发展 如，注射成形，粉末挤压等如，注射成形，粉末挤压等（4）粉末冶金快速成形技术发展）粉末冶金快速成形技术发展 如，选择性激光烧结，喷射成形等如，选择性激光烧结，喷射成形等（5）用于各种新材料及其成形加工）用于各

17、种新材料及其成形加工 如，纳米材料及其成形工艺，新型复合材料，新型功能材料。如，纳米材料及其成形工艺，新型复合材料，新型功能材料。粉末冶金的应用 机械材料和零件：机械材料和零件：结构零件、减摩材料、摩擦材结构零件、减摩材料、摩擦材料料 多孔材料及制品：多孔材料及制品：金属过滤器、泡沫金属等金属过滤器、泡沫金属等 硬质工具材料：硬质工具材料：硬质合金、复合工具材料等硬质合金、复合工具材料等 电接触材料：电接触材料：电触头合金、电刷材料等电触头合金、电刷材料等 粉末磁性材料：粉末磁性材料：烧结软烧结软/ /硬磁体等硬磁体等 耐热材料：耐热材料：难溶金属及其合金、高温合金、氧化难溶金属及其合金、高温

18、合金、氧化物弥散强化材料、金属陶瓷等物弥散强化材料、金属陶瓷等 原子能工程材料：原子能工程材料：核燃料、屏蔽材料等核燃料、屏蔽材料等铜基含油轴承(套) 铁基摩擦材料铁基摩擦材料 - 坦克、装甲车辆制动片坦克、装甲车辆制动片 铁基结构零件铁基结构零件 - 真空泵转子真空泵转子 金刚石制品金刚石制品 - - 锯片锯片 粉末冶金产品粉末冶金产品电动工具配件电动工具配件 碎纸机配件碎纸机配件粉末冶金产品粉末冶金产品缝纫机配件缝纫机配件吸尘器配件吸尘器配件气泵配件气泵配件按摩器配件按摩器配件自行车配件自行车配件粉末冶金产品粉末冶金产品汽车零部件汽车零部件粉末冶金产品粉末冶金产品粉末冶金产品粉末冶金产品粉

19、末锻件粉末锻件(a)(b)热等静压制品热等静压制品金属注射成型制品金属注射成型制品硬硬质质合合金金钻钻头、头、棒棒硬质合金轧辊等硬质合金轧辊等金金属属切切削削刀刀片片硬质合金、硬质合金、CBN、金属陶瓷、金属陶瓷金刚石、金刚石、CBN制制品品钨钨基基高高密密度度合合金金Nd-Fe-B、Sm-Co、铁氧体永磁、铁氧体永磁软磁铁氧体软磁铁氧体精细陶瓷制品精细陶瓷制品PTC 压敏 1 1）铁基结构合金的高精度）铁基结构合金的高精度high precisehigh precise高质量高质量high qualityhigh quality大大数量产品。数量产品。2 2）致密高性能材料，主要是理想的密度

20、和牢固性）致密高性能材料，主要是理想的密度和牢固性full density and full density and reliabilityreliability。3 3）难加工材料的制造，）难加工材料的制造，difficulty to process materialsdifficulty to process materials全密度全密度具有统一微观结构的高性能合金。具有统一微观结构的高性能合金。4 4）特殊合金，主要为包含有多相的组分）特殊合金，主要为包含有多相的组分multi-composites multi-composites containing mixed phasecont

21、aining mixed phase，通过增强密度的工艺来制造。，通过增强密度的工艺来制造。These These will often be fabricated by enhanced densification.will often be fabricated by enhanced densification.5 5）非平衡）非平衡nonequilibriumnonequilibrium材料的合成例如材料的合成例如such s amorphoussuch s amorphous非晶，非晶，micro-crystalline, or metastable alloysmicro-crys

22、talline, or metastable alloys微晶和亚稳合金。微晶和亚稳合金。6 6）具有独特组分或不常用形状的特殊附件的工艺。）具有独特组分或不常用形状的特殊附件的工艺。 粉末冶金未来粉末冶金未来 The future of the powder metllurgy 2003 2004Iron & SteelStainless SteelCopper & Copper BaseAluminumMolybdenumTungstenTungsten CarbideNickelTin(E) Estimate (R) Revised *1st=0.9078mt442,79

23、9 8,900 (E)22,632 50,000 (E)2,500 (E)3,000 (E)5,263 (R)10,057 (R)935546,086 st* 473,804 9,350 (E)25,204 50,000 (E)2,600 (E)3,500 (E)5,891 (R)10,110 (R)1,077 581,536 st* 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 200430,00025,00020,00015,00010,0005,0000*1 st =0.9087 mtP/M P

24、arts Other Uses st*Copper and Copper base powder in North AmericaCopper and copper-base powder in 2004 increased 11.3% and copper powder base parts increased 7%. International iron and steel powder Metal powder in 2004 increased by 6.5% to 527,918(mt), figure Iron powder increased 7% over 2003 to 43

25、0,119mt. *Reflects P/M grade powders only includes stainless steels after 1996St*1st=0.9078Sourse:MPIF,JPMA,EPMAInternational copper and copper base powders in 2004*st*reflects P/M grade powders only*1st=0.9078source:MPIF,JPMA,EPMAP/M parts content in a typical vehicleNorth AmericaJapanEurope19807.7

26、kg(17lb)3.03kg(6.7lb)2.5kg(5.5lb)19858.6kg(19lb)3.78kg(8.3lb)19878.8kg(19.5lb)4.3kg(9.5lb)3.2kg(7lb)199010.9kg(24lb)5.55kg(12.21lb)4.1kg(9lb)199412.2kg(27lb)6.64kg(14.6lb)5.7kg(12.5lb)199512.7kg(28lb)6.7kg(14.8lb)6.1kg(13.46lb)199714kg(31lb)6.52kg(14.41lb)199814.9kg(33lb)6.65kg(14.6lb)7.02kg(15.5lb)

27、199915.6kg(34.5lb)7.17kg(15.8lb)7.4kg(16.3lb)200016.3kg(36lb)8.2kg(18lb)200117kg(37.5lb)7.3kg(16lb)8.1kg(17.8lb)200217.7kg(39lb)7.6kg(16.7lb)8.3kg(18.3lb)200318.4kg(40.5lb)8.0kg(17.6lb)8.7kg(19lb)200419.5kg(43lb)9.0kg(19.8lb)North America copper and copper base powder1990 1991 1992 1993 1994 1995 19

28、96 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 200430,00025,00020,00015,00010,0005,0000*1 st =0.9087 mtP/M Parts Other Uses st*Stainless steel powder increased 5% to an estimated 8,488 mt（metric ton公吨公吨). Tungsten powder increased 16% to 3,177 mt and tungsten carbide powder increased almost 12%.Although there are about 10 companies making aluminum P/M parts, two players dominated the market in North America.European iron and steel powder in 2004 fared better than North America, increasing b