重理工材料成形技术基础课件第4章 粉末压制和常用复合材料成形过程

材料成形技术基础第四章粉末压制和常用复合材料成形过程第1节粉末压制成形过程第2节粉末压制产品及应用第3节粉末压制零件或制品的结构特征第4节陶瓷制品成形过程简介第5节常用复合材料成形过程简介主要内容

4.1粉末压制成形过程

粉末压制（这里主要指粉末冶金）是用金属粉末（或者金属和非金属粉末的混合物）做原料，经压制成形后烧结而制造各种类型的零件和产品的方法。

颗粒状材料兼有液体和固体的双重特性，即整体具有一定的流动性和每个颗粒本身的塑性，人们正是利用这特性来实现粉末的成形，以获得所需的产品。粉末压制的特点①能够生产出其他方法不能或很难制造的制品。可制取难熔、极硬和特殊性能的材料，例如：钨丝、硬质合金、磁性材料、高温耐热材料等；又能生产净形和近似净形加工的优质机械零件，如：多孔含油轴承、精密齿轮、摆线泵内外转子、活塞环等。②材料的利用率很高，接近100%。③虽然用其他方法也可以制造，但用粉末冶金法更为经济。④一般说来，金属粉末的价格较高，粉末冶金的设备和模具投资较大，零件几何形状受一定限制，因此粉末冶金适宜于大批量生产的零件。

4.1粉末压制成形过程

粉末压制生产技术流程原材料粉末＋添加剂→配混→压制成形→烧结→制品/其他处理加工→制品4.1.1金属粉末的制取及其特性一、金属粉末的制取矿物还原法

矿物还原法是金属矿石在一定冶金条件下被还原后，得到一定形状和大小的金属料，然后将金属料经粉碎等处理以获得粉末。

金属粉末的生产有多种方法，其中主要有：矿物还原法，雾化法，机械粉碎法等。4.1.1金属粉末的制取及其特性2)电解法

电解法是采用金属盐的水溶液电解析出或熔盐电解析出金属颗粒或海绵状金属块，再用机械法进行粉碎。3)雾化法：

雾化法是使熔化的液态金属从雾化塔上部的小孔中流出，同时喷入高压气体，在气流的机械力和急冷作用下，液态金属被雾化，冷凝成细小粒状的金属粉末，落入雾化塔下的盛粉桶中。4.1.1金属粉末的制取及其特性

机械破碎法中最常用的是钢球或硬质合金球对金属块或粒原料进行球磨，适宜于制备一些脆性的金属粉末，或者经过脆性化处理的金属粉末（如经过氢化处理变脆的钛粉）。4)机械粉碎法金属粉末的特性

金属粉末的特性对粉末的压制、烧结过程、烧结前强度及最终产品的性能都有重大影响。（1）成分

粉末的成分通常指主要金属或组分、杂质及气体的含量。金属粉末中主要金属的含量大都不低于98%～99%，完全可以满足烧结机械零件等的要求。但在制造高性能粉末冶金材料时，需要使用纯度更高的粉末。

影响金属粉末的基本性能的因素包括：成分、粒径分布、颗粒形状和大小及技术特征等。一些重要的金属粉末生产方法

金属粉末生产方法金属粉末生产方法铁还原法、水雾化法、空气雾化法、研磨法铍研磨法、还原法、电解法铜、镍电解法、雾化法、还原法银电解法、沉淀法钨、钼、钒、钴还原法硅研磨法钛、锆、钽还原法、电解法铝雾化法、研磨法铌、钍、铬、锰电解法、还原法锌、锡、铅雾化法（2）颗粒形状和大小

颗粒形状是影响粉末技术特征（如松装密度、流动性等）的因素之一。通常，粉粒以球状或粒状为好。

颗粒大小常用粒度表示。粉末粒度通常在0.1~500μm，150μm以上的定为粗粉，40~150μm定为中等粉，10~40μm的定为细粉，0.5~10μm为极细粉，0.5μm以下的为超细粉。粉末颗粒大小通常用筛号表示其范围，各种筛号表示每平方英寸（1in2=6.45×10-4m2）筛网上的网孔数。筛号与网孔大小的对应关系筛号/目32426080100150200250325400网孔大小/μm49535124617514710474614437（3）粒度分布

粒度分布是指大小不同的粉粒级别的相对含量，也称为粒度组成。粉末粒度组成的范围广，则制品的密度高，性能也好，尤其对制品边角的强度尤为有利。（4）技术特征粉末的成形技术特征主要有：①松装密度：又称松装比，指单位容积自由松装粉末的质量。受粉末粒度、粒形、粒度组成及粒间孔隙大小决定。松装比的大小影响压制与烧结性能，同时对压模设计是一个十分重要的参数。②流动性：指50g粉末在粉末流动仪中自由下降至流完后所需的时间。时间愈短，流动性愈好。流动性好的粉末有利于快速连续装粉及复杂零件的均匀装粉。（4）技术特征③压制性：包括压缩性与成形性。压缩性的好坏决定压坯的强度与密度，通常用压制前后粉末体的压缩比表示。粉末压缩性主要受粉末硬度、塑性变形能力与加工硬化性决定。经退火后的粉末压缩性较好。为保证压坯品质，使其具有一定的强度，且便于生产过程中的运输，粉末需有良好的成形性。4.1.2粉末配混粉末配混是根据产品配料计算并按特定的粒度分布把各种金属粉末及添加物（如润滑剂等）进行充分地混合，此工序通过混粉机完成。为改善粉末的成形性和可塑性，在粉料中添加增塑剂（如汽油、橡胶溶液、石腊等）。1）目的：2）成形机理：

将松散的粉料通过压制或其它方法制成具有一定形状，尺寸的压坯。

装入模具型腔内的金属粉料在150～1600MN/m2成形压

力作用下,粉粒之间的原子通过固相扩散互相渗透促进粉粒的

结合。

另一方面因粉粒表面凹凸不平，受压后互相合，致使压

坯密度提高，强度增大。4.1.3压制成形

压制成形方法

压制成形的方法有很多，如钢模压制、流体等静压制、三向压制、粉末锻造、挤压、振动压制、高能率成形等。常用的有：

1）钢模压制

指在常温下，用机械式压力机或液压机，以一定的比压（压力常在150~160MPa）将钢模内的松装粉末成形为压坯的方法。这种成形技术方法应用最多且最广泛。

1）钢模压制2）流体等静压制

它是利用高压流体（液体或气体）同时从各个方向对粉末材料施加压力而成形的方法。1—工件；2—橡胶或塑料模；3—高压容器；4—高压泵3）三向压制1—侧向压力；2—轴向冲头；3—放气孔综合了单向钢模压制与等静压制的特点

这种方法得到的压坯密度和强度超过用其他成形方法得到的压坯。但它适用于成形形状规则的零件，如圆柱形、正方形、长方形、套筒等。

另外，可利用挤压与轧制直接从粉末状态生产挤压制品或轧制产品，如杆件、棒料、薄板、构件等。根据材料和性能要求的不同，可选择不同的加热及加工顺序。目前，这个生产领域发展较快。

通常一个理想的零件，其各个部位都必须具有均匀的密度分配。在粉末冶金中，粉末压制成形的主要问题是如何使成形的压坯密度均匀，它不仅标志着压制对粉末密实的有效程度，且可决定随后烧结时材料的形状。3）三向压制软、硬两种粉末在压制中压力与密度的关系

压力与密度之间的关系

1—软质材料粉末；2—硬质材料粉末

压坯的强度是一个比较重要的品质指标。压制过程中，随着压力增大，压坯强度也提高，这主要是因为一方面粉末接触表面的塑性变形导致的原子间作用力增大，另一方面是粉粒表面凹凸不平而产生的机械啮合力的结果。

4.1.3压制成形压坯的密度和强度大小对烧结体的品质有直接的影响，密度大，强度高，烧结体的品质也好。另外，坚固的压坯便于生产过程中的运输和半成品加工。对于某些硬质材料的粉粒，因塑性变形能力差，压制中即使增大压力也产生不了很大效果。故生产中常靠加入润滑剂（又叫成形剂）来增加压制时粉末间的黏结与压坯的强度。凡影响成形性的因素都将影响压坯的密度和强度。4.1.3压制成形4.1.4压坯烧结1）目的

压制的型坯强度很低，必须进行烧结。烧结是将型坯按一

定的规范加热到规定温度并保温一段时间，使型坯获得一定的

物理与机械性能（机械强度）的工序。2）烧结机理

粉末压坯的表面积大，表面能高，表面与内部的各种缺陷

多，处于不稳定状态。在烧结过程中，高温坯料颗粒之间易于

发生扩散、熔焊、化合、溶解和再结晶等物理化学过程。使分

散的坯料颗粒结合成为一个稳定、坚实的结晶体、即烧结体。

最终获得所需要的性能。3）烧结方法

通常在保护性气氛的高温炉或真空炉内进行烧结。A烧结规范

①烧结温度：一般为基体熔点的2/3～3/4。即Ｔ烧=(2/3～3/4)T熔。B烧结分类②保温时间：时间太短，不利于原子扩散和迁移，不利于成分，

组分均匀化；保温时间过长，易造成晶粒粗大，生产率低，

成本升高等缺点。③保护气氛：为防止粉料氧化，烧结过程一般在还原性或中性气氛下进行（如煤气，氢气等），要求高的应在真空炉内进行烧结。①固相烧结：烧结过程中各组元均不形成液相。②液相烧结：烧结时部分组元形成液相。在液相表面张力的作用

下，粉粒相互靠紧，故烧结速度快，制品强度高。4.1.4压坯烧结粉末压坯一般因孔隙度大，表面积大，在烧结中高温长时间加热下，粉粒表面容易发生氧化，造成废品。因此，烧结必须在真空或保护气氛中进行，若采用还原性气体作保护气氛则更为有利。

（1）翘曲（2）过烧（3）分解反应及多晶转变（4）黏结剂烧掉4.1.5烧结后的其他处理或加工1)渗透（又称为熔渗）把低熔点金属或合金渗入到多孔烧结制品的孔隙中去的方法称为熔渗。2）复压将烧结后的粉末压制件再放到压形模中压一次，叫做复压。3)粉末金属锻造以金属粉末为原料，先用粉末冶金法制成具有一定形状和尺寸的预成形坯，然后将预成形坯加热后置于锻模中锻成所需零件的方法。4.1.5烧结后的其他处理或加工4）精压

将零件放入模具中并加以高压的工序。目的是进一步提高制

品的密度、强度。

粉末冶金制品有一些后续工序，如含油轴承的浸油处理，以及机械加工、喷砂处理，有时还须进行一些必要的热处理等。5）其他后续处理

根据技术要求，生产粉末金属可选择下属过程①压制+烧结；②压制+烧结+复压；③压制+预烧结+精压+烧结；④压制+预烧结+精压+烧结+复压。通常情况下：①类过程的应用约占80%；但②类过程的应用也不少。而较复杂的③类和④类过程仅用于某些特殊零件。近年来，由于可压实性粉末材料及高耐磨模具材料的开发，经一次压制就可获得较高强度的零件。4.1.5烧结后的其他处理或加工4.2粉末压制产品及应用

现代汽车、飞机、工程机械、仪器仪表、航空航天、军工、核能、计算机等工业中，需要许多具有特殊性能的材料或在特殊工作条件下的零部件，粉末压制在很大程度上促进解决这些与科技发展密切相关的任务。4.2.1粉末压制机械结构零件粉末压制机械结构零件又称烧结结构件，这类制品在粉末冶金工业中产量最大、应用面最广。在现今汽车工业中广泛采用粉末压制制造零件。烧结结构件总产量的60%~70%用于汽车工业，如发动机、变速箱、转向器、启动马达、刮雨器、减震器、车门锁中都使用有烧结零件。汽车变速箱中粉末压制件

零件名称材料及处理零件名称材料及处理离合器导向轴承Fe-C-Pb，

Fe-Cu-C变速器键Fe-Ni，渗碳、淬火离合器分离轴承Fe-Cu，渗碳、淬火止推垫圈Fe-Cu-C离合器踏板衬套Fe-Cu-C换挡操纵零件Fe-Cu-C离合器齿轮，同步器毂Fe-Cu-Ni-C万向接头的中心球Fe-Cu，渗碳、淬火

4.2.2粉末压制轴承材料

1）多孔含油轴承材料

这是一种利用粉末压制材料制作的多孔性浸渗润滑油的减磨材料，用作轴承、衬套等。常用的有铁-石墨和青铜-石墨含油轴承材料。

含油轴承工作时，由于摩擦发热，使润滑油膨胀从合金孔隙中压到工作表面，起到润滑作用。运转停止后，轴承冷却，表面上润滑油由于毛细管现象的作用，大部分被吸回孔隙，少部分仍留在摩擦表面，使轴承再运转时避免发生干摩擦。这样就可保证轴承能在相当长的时间内，不需加油而能有效地工作。

含油轴承材料的孔隙度通常是18%~25%。孔隙度高则含油多，润滑性好，但强度较低，故适宜在低负荷、中速条件下工作；孔隙度低则含油少，强度较高，适宜于中、高负荷，低速条件下工作，有时还需补加润滑油。目前，这类材料广泛用于汽车、拖拉机、纺织机械和电动机等轴承上。

2）金属塑料减摩材料

这是一种具有良好综合性能的无油润滑减摩材料。由粉末压制多孔制品和聚四氟乙烯、二硫化钼或二硫化钨等固体润滑剂复合制成。这种材料的特点是工作时不需润滑油，有较宽的工作温度范围（-200~+280℃），能适应高空、高温、低温、振动、冲击等工作条件，还能在真空、水或其他液体中工作，故在电器、仪器仪表轴承等方面广泛使用。

使用这两类轴承可大大简化机器、仪器仪表等的结构或机构，减小其体积。4.2.3多孔性材料及摩擦材料1）多孔性材料粉末压制多孔性材料制品有过滤器、热交换器、触媒以及一些灭火装置等。过滤器是最典型的多孔性材料制品，主要用来过滤燃料油、净化空气，以及化学工业上过滤液体与气体等，所使用的主要粉料有青铜、镍、不锈钢等，通常在性能上既要求有效孔隙度高，又要求一定的力学性能与耐蚀性和热强性。多孔性材料的生产过程与多孔含油轴承材料相类似，由于性能的要求较高，因此在生产技术上有一定的难度，特别难以达到孔隙度的控制，故一般要求采用球形的雾化粉。多孔性材料还可采用纤维压制法进行制造，首先制成金属纤维，再压制、烧结。其强度与耐热性都较好。

2）摩擦材料

摩擦材料用来制作刹车片、离合器片等，用于制动与传递扭矩。因此，对材料性能的要求是摩擦系数要大，耐磨性、耐热性与热传导性要好。烧结材料结构上的多孔性特点，用其作摩擦材料制品特别有利于在高温条件下工作。粉末摩擦材料主要分为铜基与铁基两大类。通常，烧结摩擦材料的强度较低，可采用钢制或铁制衬背解决。

4.2.4硬质合金

硬质合金是将一些难熔的金属碳化物（如碳化钨、碳化钛等）和金属黏结剂（如钴、镍等）粉末混合，压制成形，并经烧结而成的一类粉末压制制品。由于高硬度的金属碳化物作为基体，软而韧的钴或镍起粘接作用，使硬质合金既有高的硬度和耐磨性，又有一定的强度和韧度。硬质合金硬度高（69~81HRC)，热硬性好(可达900~1000℃)，耐磨性好，用硬质合金制作刀具，寿命可提高5~8倍，切削速度比高速钢高十几倍。硬质合金分类（1）钨钴类（YG）

钨钴类主要成分为碳化钨（WC）和钴（Co)。常用牌号有YG3，YG6，YG8等。YG是“硬钴”两字的汉语拼音字首，后面数字表示钴的含量，如YG6表示含钴6%，含碳化钨94%的钨钴类硬质合金。

钨钴类硬质合金有较好的强度和韧度，适宜制作切削脆性材料的刀具，如切削铸铁、脆性有色合金、电木等。含钴愈高，强度和韧度愈好，而硬度、耐磨性降低。因此，含钴量较多的牌号一般多用作粗加工，而含钴量较少的牌号多用于作精加工。（2）钨钴钛类（YT）

钨钴钛类主要成分为碳化物、碳化钛（TiC）和钴。常用牌号有YT5，YT10，YT15等。YT是“硬钛”两字的汉语拼音字首，后面数字表示碳化钛的含量，如TY10表示含碳化钛10%，其余为碳化钨和钴的钨钴钛类硬质合金。

钨钴钛类硬质合金含有比碳化钨更硬的碳化钛，因而硬度高，热硬性也较好，加工钢材时刀具表面会形成一层氧化钛薄膜，使切屑不易黏附，故适宜制作切削高韧度钢材的刀具。同样，含钴量较高（如YT5，含钴9%）的牌号用作粗加工。（3）钨钽类（YW）

钨钽类主要成分为碳化钨、碳化钛、碳化钽（TaC)和钴。其特点是抗弯强度高。牌号主要有YW1（84%WC，6%TiC，4%TaC，6%Co)和YW2(82%WC，6%TiC，4%TaC，8%Co)两种。这类硬质合金制作的刀具用于加工不锈钢、耐热钢、高锰钢等难加工的材料。

4.2.5粉末压制钢结硬质合金及高速钢

1）钢结硬质合金

钢结硬质合金具备下面几个主要特点：①合金的基本组成是碳化物加合金钢。从结构上看是通过钢来胶结碳化物，或者是大量的一次碳化物分布在钢基体上的金属基复合材料。②由于钢的组成物在显微组织中占有一定的比例，因此钢结硬质合金具有一定的锻造、焊接、热处理及机械加工等技术性能，尤其是通过不同的热处理可使同一成分的合金在一定范围内表现出不同的力学性能。③在力学性能上不仅保持了合金钢和硬质合金的基本特性，且还有不同程度的发展。

2）粉末压制高速钢

高速钢是一种用量较大的工具钢。高速钢的含碳量尤其是合金元素含量较高，属于莱氏体钢，在铸态的显微组织中出现大量骨骼状碳化物，其分布极不均匀且粗大。即使经过热轧或锻造后，碳化物的偏析及不均匀度仍然较严重，这对高速钢的使用性能与技术性能带来不良影响。如热变形塑性差，热处理变形较大，淬火开裂的敏感性强，磨削性能差，切削刃抗弯强度低及易于剥落崩裂等，故影响刀具的品质和使用寿命。2）粉末压制高速钢

目前，国内外所生产的粉末高速钢牌号主要有两种：W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V。通过粉末压制过程生产的粉末高速钢坯料可进行锻造，以改变外形尺寸并适当地提高密度。其热处理技术参数与成分相同的普通高速钢基本上相同，只是粉末压制高速钢组织中的碳化物分布比较均匀和细致，在加热过程中容易固溶于奥氏体，淬火加热温度可稍低些。

4.2.6耐热材料及其他材料

1）难熔金属耐热材料难熔金属是指熔点超过2000℃以上的金属，如钨（熔点为3380℃)，钼（2600℃)，钽（2980℃)，铌(2468℃)等。这些金属常用还原法或从其他冶金方法得到金属粉末，并与合金通过粉末冶金制成的耐热材料广泛应用导弹和宇宙飞行器的结构件，以及燃烧室构件、加热元件、热电偶丝等。2）耐热合金材料以钴镍铁等为基的耐热合金材料由于机加工比较困难，金属消耗量大，也常采用粉末冶金法制造。粉末冶金得到的耐热合金材料的组织细致均匀，尤其高温蠕变强度与抗拉强度比铸造材料要高得多。通过粉末冶金还能获得在特殊条件或核能工业中所使用的材料，如弥散强化型材料（有金属陶瓷材料、弥散型合金材料等）、原子能工程材料等。

4.2.6耐热材料及其他材料

4.3粉末压制零件或制品的结构特征（1）．压制件的形状

（2）．压制件的密度①长径比L/D<2,不能超过3。②沿压制方向截面应均匀一致。③阶梯圆柱形制件每级直径之差不宜大于3，每级的长径比应小于3。

压制件的形状必须有利于脱模，防止锐棱、尖角、倒锥、阶梯、螺纹、筋、垂直于压制方向的孔、槽等结构，对制件的成形及脱模有重要影响。①压制件应能顺利地从压模中取出

图4.6受脱模限制的形状示例(a)不合理；(b)较合理②应避免压制件出现窄尖部分

图4.7受装粉和压模强度和寿命限制的形状示例

(a)不合理；(b)较合理③零件的壁厚应尽量均匀，台肩尽可能少，高（长）、宽（直径）比不超过2.5压制件的最小壁厚与粉末密度的均匀性、模具强度和烧结变形有关。一般压制件的壁厚不应小于2mm。图4.8受密度不均匀限制的形状示例(a)不合理；(b)较合理④制品的尺寸精度及表面粗糙度

确定压制件的尺寸精度时应考虑其使用性和经济性及工艺性。

压制件的径向尺寸精度一般容易达到，而轴向尺寸精度的控制比较困难。烧结压制件的径向尺寸精度整形后压制件的径向尺寸精度压制件侧面的平行度公差压制件端面的平行度公差压制件垂直度公差压制件的表面粗糙度

压制件的表面粗糙度主要取决于模具相应表面的模壁粗糙度，模具型面的粗糙度取决于加工方法，如研磨后可达Ra0.1～0.05

m。

压制件的表面粗糙度Ra一般为1.6～0.4

m，不应低于Ra3.2

m。4.4陶瓷制品成形过程简介陶瓷制品是人类最早使用的制品，它的生产已经有许多个世纪了。早期的陶瓷器是由黏土、长石、石英等天然原料制成的。当时，人们发现了黏土加水后具有相当的可塑性，而且能模压成形，成形后的器件在太阳下晒干，再置于炉中煅烧便硬固。这些制品通常称为传统陶瓷（又称普通陶瓷），现在一般也把其归属为硅酸盐产品。20世纪初期，科学家和工程师已进一步认识了陶瓷材料及其生产技术，并且发现了天然矿物能够提纯或人工合成新组成的原料，可以获得极好的性能。这些精制陶瓷或新型陶瓷通常称为现代陶瓷（又称工业陶瓷），它们是制造业人员最愿意了解的，故此主要介绍现代陶瓷及其生产技术。4.5常用复合材料成形过程简介①熔体抽丝法：将所制取材料（如玻璃）熔化成液体，然后从液体中以极快的速度抽出细丝。此法主要应用于制取玻璃、氧化铝等纤维。②热分解法：将人造或天然纤维在200~300℃的空气中预氧化，然后在1000~2000℃的氮气中碳化，可制得碳纤维。若将碳纤维在2500~3000℃氩气中石墨化后可得到石墨纤维。此法主要用于获得碳或石墨纤维。③拔丝法：将冶炼或粉末压制生产的金属坯料，在高温且有保护气氛中反复拉拔成细丝。此法主要应用于获得金属细丝。④气相沉积法：主要应用于制取硼、碳化硼、碳化硅等纤维。例如，将三氯化硼气体与氢气按一定比例混合，加热到2000℃以上，使硼沉积在极细的钨丝上，得到硼纤维。4.5.1纤维制取方法4.5.2纤维复合材料成形方法1）固态法固态法即为纤维复合材料中的基体与