第五章粉末冶金成形

第5章粉末冶金成形5.1粉末冶金根底

5.2粉末冶金模具5.3常用粉末冶金资料简介5.4粉末冶金制品构造工艺性前往5.5粉末冶金技术的新开展浙江科技学院粉末冶金是以金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)为原料，经过成形、烧结或热成形制成金属制品或资料的一种冶金工艺技术。粉末冶金消费工艺与陶瓷制品的消费工艺类似，因此人们又经常称粉末冶金方法为“金属陶瓷法〞。粉末冶金资料或制品种类较多，主要有:难熔金属及其合金〔如钨、钨—钼合金〕；组元彼此不相溶、熔点非常悬殊的特殊性能资料〔如钨—铜合金型电触头资料〕；难熔的化合物和金属组成的各种复合资料〔如硬质合金、金属陶瓷〕等。粉末冶金的特点：1〕某些特殊性能资料的独一制造方法；2〕可直接制出尺寸准确，外表光洁的零件，是少甚至无切削消费工艺；3〕节约资料和加工工时，本钱低。4〕制品强度较低；5〕流动性较差，外形受限制；6〕压制成形的压强较高，制品尺寸较小；7〕压模本钱较高。第1节粉末冶金根底粉末冶金的主要工序有粉末制备、粉末预处置、成形、烧结及后处置等。粉末冶金资料或制品的工艺流程如图5-1所示。5.1.1粉末性能和粉末制备5.1.1.1粉末性能固态物质按分散程度不同分成致密体、粉末体和胶体三类。致密体或常说的固体：粒径在l以上；胶体微粒：0.1以下；粉末体或简称粉末：介于二者之间。金属粉末的性能对其成形和烧结过程以及制品的质量都有艰苦影响。金属粉末的性能可以用化学成分、物理性能和工艺性能来表征。1.粉末的化学成分粉末的化学成分普通是指主要金属或组元的含量、杂质或夹杂物的含量以及气体的含量。金属或合金粉末中的主要金属含量都不能低于98%∼99%。粉末中的杂质主要指：1〕与主要金属结合，构成固溶体或化合物的金属或非金属成分，如复原铁粉中的硅、锰、碳、硫、磷、氧等；2〕从原料和粉末消费过程中带进的机械夹杂，如二氧化硅、三氧化二铝、硅酸盐、难熔金属或碳化物等酸不溶物。3〕粉末外表吸附的氧、水汽和其他气体〔N2、CO2〕。2.粉末的物理性能粉末的物理性能：粉末颗粒大小和粒度组成、粉末颗粒外形与构造、显微硬度、粉末比外表、粉末真密度以及粉末颗粒的晶格形状。在技术条件中，通常只规定各级粉末颗粒的百分含量——粒度组成或筛分组成。1〕颗粒外形：主要由粉末的消费方法决议，同时也与物质的分子或原子陈列的结晶几何学要素有关；决议粉末工艺性能。2〕粒度组成：指不同粒度的颗粒占全部粉末的百分含量，又称粒度分布。3〕粉末比外表：指每克粉末所具有的总外表积，通常用cm2/g或m2/g表示。3.粉末的工艺性能粉末的工艺性能用粉末的松装密度、流动性、紧缩性与成形性来表征。1〕松装密度是指粉末试样自然地充填规定的容器时，单位体积内粉末的质量，单位为g／cm3。2〕流动性是50g粉末从规范的流速漏斗流出所需的时间，单位为s／50g，其倒数是单位时间内流出粉末的分量，俗称为流速。3〕紧缩性代表粉末在压制过程中被压紧的才干，通常以在规定单位压力下粉末的压坯密度表示。4〕成形性是指粉末压制后，压坯坚持既定外形的才干，通常用粉末得以成形所需的最小单位压制力表示或用压坯强度来表示。5.1.1.2粉末的制备金属粉末的制取方法可分成两大类：机械法和物理化学法。机械法是将原资料磨碎成粉而不改动原资料的化学成分的方法。如将金属切削成粉末颗粒；把金属研磨成粉末；液态金属的制粒和雾化。物理化学法是在制取粉末过程中，使原资料遭到化学或物理的作用，而使其化学成分和集聚形状发生变化的工艺过程。复原金属氧化物、电解水溶液或熔盐、热离解羰基化合物、冷凝金属蒸汽、晶间腐蚀和电腐蚀法等。物理化学制粉法是以复原和离解等化学反响为根底的。工业上普遍采用的有：氧化物复原法、电解法、热离解法、球磨法、涡旋研磨法、雾化法。5.1.2粉末的成形5.1.2.1成形方法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外形、尺寸、密度和强度的压坯。粉末冶金常用的成形方法如下所示。模压成形是最根本方法。松装烧结粉浆浇注模压成形热压成形等静压成形轧制成形离心成形挤压成形爆炸成形成形无压成形加压成形1.粉末预处置预处置包括：粉末退火，筛分，混合，制粒，加光滑剂等。粉末的预先退火可使氧化物复原，降低碳和其他杂质的含量，提高粉末的纯度；同时，还能消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体构造。筛分的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进展分级。混合普通是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。混合可采用机械法和化学法。制粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，以此来改善粉末的流动性。5.1.2.2压制成形2.压制成形压模压制是将置于压模内的松散粉末施加一定的压力后，成为具有一定尺寸、外形和一定密度、强度的压坯，如图5-2是压模表示图。粉末的紧缩过程普通采用压坯密度——成形压力曲线来表示，如图5-3所示。压坯密度变化分为三个阶段。滑动阶段：在压力作用下粉末颗粒发生相对位移，填充孔隙，压坯密度随压力添加而急剧添加；二是粉末体出现紧缩阻力，即使再加压其孔隙度不能再减少，密度不随压力增高而明显变化；三是当压力超越粉末颗粒的临界压力时，粉末颗粒开场变形，从而使其密度又随压力增高而添加。图5-2模压表示图图5-3压坯密度与压力压坯密度分布不均匀：用石墨粉作隔层的单向压制实验，得到如图5-4所示的压坯外形，各层的厚度和外形均发生了变化，由图5-5可知在任何垂直面上，上层密度比下层密度大；在程度面上，接近上模冲的断面的密度分布是两边大，中间小；而远离上模冲的截面的密度分别是中间大，两边小。由于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。a)压制前b)压制后图5-4用石墨粉作隔层的单向压坯a〕单向压制b)双向压制图5-5压坯密度沿高度分布图为了改善压坯密度的不均匀性，普通采取以下措施：1〕减小摩擦力：模具内壁上涂抹光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，如图5-5所示；3〕模具设计时尽量降低高径比。粉末的压制普通在普通机械式压力机或液压机上进展。常用的压力机吨位普通为500～5000kN。如图5-6为双向压制衬套的4个工步表示图。5.1.3烧结烧结是将压坯按一定的规范加热到规定温度并保温一段时间，使压坯获得一定的物理及力学性能的工序。烧结机理：粉末的外表能大，构造缺陷多，处于活性形状的原子也多，它们力图把本身的能量降低。将压坯加热到高温，为粉末原子所储存的能量释放发明了条件，由此引起粉末物质的迁移，使粉末体的接触面积增大，导致孔隙减少，密度增高，强度添加，构成了烧结。固相烧结：烧结发生在低于其组成成分熔点的温度，如普通铁基粉末冶金轴承烧结。液相烧结：烧结发生在两种组成成分熔点之间。如硬质合金与金属陶瓷制品的烧结。液相烧结时，在液相外表张力的作用下，颗粒相互靠紧，故烧结速度快、制品强度高。烧结时的影响要素：烧结温度、烧结时间和大气环境，粉末资料、颗粒尺寸及外形、外表特性以及压制压力等。常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛见表5-1。烧结温度过高或时间过长，都会使压坯歪曲和变形，其晶粒亦大，产生所谓“过烧〞的废品；如烧结温度过低或时间过短，那么产品的结合强度等性能达不到要求，产生所谓“欠烧〞的废品。粉冶资料铁基制品铜基制品硬质合金不锈钢磁性资料(Fe-Ni-C0)钨、铝、钒烧结温度℃1050∼2000700∼9000∼1550125012001700∼3300烧结气氛发生炉煤气，分解氨分解氨，发生炉煤气真空、氢氢氢、真空氢表5-1常用粉末冶金制品的烧结温度与烧结气氛5.1.4后处置后处置的方法按其目的不同，有以下几种：1〕为提高制件的物理及力学性能，方法有：复压、复烧、浸油、热锻与热复压、热处置及化学热处置。2〕为改善制件外表的耐腐蚀性，方法有：水蒸气处置、磷化处置、电镀等。3〕为提高制件的外形与尺寸精度，方法有：精整、机械加工等。4〕熔渗处置，它是将低熔点金属或合金渗入到多孔烧结制造的孔隙中去，以添加烧结件的密度、强度、塑性或冲击韧度。第2节粉末冶金模具粉末冶金模具主要是指在粉末压制成形、烧结、后处置等工序中所用到的模具。根据用途可分为：压模、精整模、复压模、锻模、挤压模、热压模、等静压模、粉浆浇铸模、松装烧结模等。按制造资料又可分为：钢模、硬质合金模、石墨模、塑料橡皮模和石膏模等。在工业消费中运用最广泛的是压制、精整、复压和锻造用的钢模及硬质合金模。本节重点引见压模的几种常见类型。5.2.1单向压模单向压模在压制过程中，相对于阴模运动的只需一个模冲，或是上模冲或是下模冲。如图5-7是压制轴套类压坯的单向手动压模，其根本组成部分有阴模、上模冲、下模冲和芯杆。普通只用来消费高度不大〔高径比H/D＜1〕、外形简单的零件。图5-7单向手动压模5.2.2双向压模双向压制的特点是：上下模冲相对阴模都有挪动，模腔内粉末体遭到两个方向的紧缩，或下模冲固定不动，由上模冲和阴模对着下模冲做不同间隔的挪动，实现双向压制。如图5-8所示为压制套类压坯的双向手动压模。普通用来消费实体类压坯的高径比H／D＞1或管套类压坯的高度与壁厚之比H／T＞3的零件。图5-8双向手动压模5.2.3摩擦芯杆压模摩擦芯杆压模压制特点：芯杆和上模冲同速同向对着固定的阴模和下模冲挪动紧缩粉末体，或者是阴模和上模冲同速同向对着固定的芯杆和下模冲运动紧缩粉末体。如图5-9所示为套类零件摩擦芯杆浮动压模。普通用于压制较长的薄壁套类零件的压坯。图5-9摩擦芯杆浮动压模组合压模是几种压制方式〔如单向压制、双向压制和摩擦芯杆压制等〕及其压模构造的综合运用。即在设计压制模具时，综合各种压模的构造特点，设计成多种外形的组合模冲来完成复杂零件的压制成形工序，并采取几种压制方式综合运用来保证压坯质量；所以，组合压模是方式最多且运用最广泛的压模构造。5.2.4组合压模第3节常用粉末冶金资料简介粉末冶金常用来制造减摩资料、构造资料、摩擦资料、硬质合金、难熔金属资料、过滤资料、金属陶瓷、无偏析高速工具钢、磁性资料、耐热资料等。5.3.1硬质合金硬质合金是粉末冶金工具资料的一种，主要用于制造高速切削硬而韧资料的刀具，制造某些冷作模具、量具及不受冲击、振动的高耐磨零件。1.硬质合金的性能特点1〕具有很高的常温硬度〔69～81HRC〕，高的热硬性(可达900～1000０Ｃ)，优良的耐磨性。2〕具有高的抗压强度〔可达6000MPa〕，但抗弯强度较低；3〕良好的耐蚀性(抗大气、酸、碱等)和抗氧化性；4〕线膨胀系数小。2.切削加工用硬质合金分类、分组代号切削加工用硬质合金按其切屑排出方式和加工对象的范围可分为三个主要类别，分别以字母P、M、K表示。P适用于加工长切屑的黑色金属，以蓝色作标志；M适于加工长切屑或短切屑的黑色金属和有色全属，以黄色作标志；K适于加工短切屑的黑色金属、有色金属及非金属资料，以红色作标志。切削加工用硬质合金用途分组代号与硬质合金牌号对照见表5-2，表5-3。3.硬质合金的运用1〕用作刀具资料。硬质合金作刀具资料的用量最大，如车刀、铣刀、刨刀、钻头等；2〕用作模具资料。用硬质合金作模具主要是指冷作模，如冷拉模、冷冲模、冷挤模和冷镦模等；3〕用作量具及耐磨零件。如千分尺、块规、塞规等。5.3.2含油轴承资料含油轴承资料是一种具有多孔性的粉末冶金资料，常用以制造轴承零件。这种资料压制成轴承后，放在光滑油中浸润，由于粉末冶金资料的多孔性，在毛细景象作用下，可吸附大量光滑油(普通含油率为12%～30％)，故称为含油轴承。常用的含油轴承有铁基和铜基含油轴承两类。1〕铁基含油轴承是铁-石墨(0.5%～３％)粉末冶金资料或铁-硫(0.5%～1％)-石墨(1%～2％)粉末冶金资料；铁-石墨粉末冶金资料的组织为珠光体(大于40%)十铁索体十渗碳体(小于5%)十石墨+孔隙，硬度30～110HBS。铁-硫-石墨粉末冶金资料的组织除了与铁-石墨粉末冶金资料一样的组织以外还有硫化物，可进一步改善摩擦条件，硬度为35～70HBS。2〕铜基含油轴承常用的是青铜粉末与石墨粉末制成的冶金资料，它具有较好的热导性、耐蚀性．抗咬合性，但承压才干较铁基含油轴承小。含油轴承资料普通用于制造中速、轻载荷的轴承，尤其适宜制造不能经常加油的轴承，如纺织机械、电影机械、食品机械、家用电器(如电风扇、电唱机)等的轴承，在汽车、迁延机．机床．电机中也得到广泛运用。5.3.3铁基构造资料铁基构造资料是以碳钢或合金钢粉末为主要原资料，采用粉末冶金方法制造构造零件。用这类资料制造的构造零件具有制品精度较高、外表粗糙度值低，不需或只需少量切削加工，节省资料，提高消费率等特点。制品还可经过热处置方法强化和提高耐磨性。这类资料广泛用于制造各种机械零件，如机床上的调整垫圈、调整环．法兰盘、偏心轮，汽车制造中的油泵齿轮．差速器齿轮、止推环以及迁延机上的传动齿轮、活塞环等。第4节粉末冶金制品构造工艺性思索粉末冶金零件构造工艺性时，总的原那么是零件应尽量平整简单，即不带倒角、尖角、凸起、凹槽以及难于直接压制或脱模出的内、外螺纹、倒锥度、与压制方向垂直的孔、槽等。普通需求从压制困难性、脱模困难性、粉末均匀填充困难性和压模强度、寿命等诸方面思索。5.4.1思索压制困难性及简化模具零件的内、外螺纹、倒锥度、与压制方向垂直的孔、槽等均不能直接压制出。图5-10a中与压制方向垂直的退刀槽需改为图5-10b的构造；图5-11a所示零件，应在模具上做出垫块〔图5-11b〕5.4.2思索脱模困难性在压制过程中，由于压制压力较大而阴模会发生弹性膨胀；当压力去除后，压坯妨碍阴模弹性收缩，压坯受径向压力。压坯脱出阴模的部分，由于本身弹性后效作用而向外膨胀。这使得在脱模过程中，压坯遭到方向相反的切应力作用，如图5-12所示。在压坯脱模过程中，压坯上的一些薄弱部位有能够在上述切应力作用下发生毁坏。所以零件在构造上应尽能够防止薄壁、深而窄的槽、锐边、小而薄的凸台等外形。如图5-13a所示构造宜改成图5-13b。图5-14a脱模不便，改成图5-14b构造为妥。图5-12压坯脱模过程中的切应力5.4.3思索粉末均匀填充及压坯密度密度均匀是压坯质量的一个重要目的。在压制薄壁或截面上厚度差别较大的压坯时，装粉不易均匀，薄壁和尖角处难于充填粉末，引起压坯密度很不均匀，烧结时易发生变形或开裂。压坯的最小壁厚取决于零件尺寸。普通偏心孔零件最薄处壁厚t≥1mm〔图5-15a所示〕。设计圆柱体空心件最小壁厚规定为1.2mm；实践设计中，壁厚t与高度H有关，普通取H/t＜20〔图5-15b〕。零件构造带有尖角时，不利于装粉、密度不易均匀、且模具制造困难、寿命低，宜将尖角改为圆弧。5.4.4思索压模强度及寿命主要应思索压模构造上一些薄弱部位易在压制高压下损坏。例如，机械加工中极易加工的倒角，在粉末冶金压制时，成了模具的薄弱部位〔尖角〕而极易在压制时损坏〔图5-16a所示〕，宜改成图5-16b所示构造。a)b)图5-16倒角构造的改良第5节粉末冶金技术的新开展5.5.1粉末制备1.快速冷凝技术2.机械合金化3.自蔓延高温合成SHS4.气体雾化制粉5.5.2成形1.粉末注射成形2.放射堆积3.大气压力固结4.温压技术5.流动温压工艺5.5.3烧结1.电场活化烧结2.等离子体活化烧结3.微波烧结4.低温烧结思索题：1.何谓粉末冶金？粉末冶金的主要工序有哪些？2.粉末冶金模具主要有哪几种类型？3.常见粉末冶金资料有哪些？并指出以下牌号的含义：YG6XYT14YW1前往文档原料粉末其他添加剂混合松装烧结〔石膏模〕粉末浇注模压成形预烧结烧结二次模压二次烧结整形高温烧结锻造拉丝烧结锻造轧制挤压冷等静压轧制挤压烧结热压热挤压热等静压后续处置〔选择〕：浸渍热处置电镀机械加工粉末冶金资料、制品图5-1粉末冶金资料或制品的工艺流程前往文档a)单向压制b)双向压制图5-5压坯密度沿高度方向的分布图前往文档a)填充粉料b)双向压坯c)上冲模复位d)顶出坯块图5-6双向压制粉末冶金坯块工步表示图前往文档类别合金牌号化学成分〔%〕WCTiCTaC(NbC)Co其它钨钴类合金