粉末冶金成形及非金属成形

第5章粉末冶金成形粉末冶金是制取金属粉末并通过成形和烧结等工艺将金属粉末（或与非金属粉末）的混合物制成制品的加工方法特点既可以制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料，又可以制造各种精密的机械零件省工省料模具和金属粉末成本较高批量小时或制品尺寸过大时不宜采用普通粉末冶金制品的密度较低且很不均匀，强度比相应的铸件或锻件约低20%～30%；一般只适用于中、小型制品的成批、大量生产。常用的粉末冶金材料硬质合金用高硬度、难熔的金属碳化物（WC、TiC等）粉末为硬质点，以Co、Mo、Ni等作为粘结剂，经过混合、压制和烧结而成的非铁合金硬度高、耐磨性好，耐热性好制造刃具及和不受冲击和振动的高耐磨零件烧结减摩材料铁与石墨或青铜与石墨粉末烧结一般用于中速，轻载荷的含油轴承烧结摩擦材料用铁、铜等作基体，加入石棉、Al2O3等摩擦组元及石墨或MoS2广泛用来制造机器上的制动带和离合器片等烧结钢以碳钢或合金钢粉末为主制成的材料。精度较高、表面光洁、有减振、消声作用用于制造电钻齿轮和油泵齿轮等(P36)5.1粉末冶金基础5.1.1粉末的化学成分及性能粉末通常指尺寸小于1mm的离散颗粒的集合体，颗粒尺寸一般以微米（μm）或纳米（nm）计量1、粉末的化学成分常用的金属粉末有铁、铜、铝等及其合金的粉末,杂质和气体的含量一般不超过1%～2%颗粒形状常见的有球状、粒状、片状和针状等粒度单个粉末颗粒的线性尺寸粒度分布按粒度不同分为若干级，每一级粉末（按质量、数量或体积）所占的百分比。比表面积单位质量粉末的总表面积2、粉末的物理性能3、粉末的工艺性能流动性：粉末的流动能力，采用球形或接近球形的颗粒及较宽的粒度分布，有利于提高粉末的流动性。松装密度：在规定条件下粉末自由填充单位容积的质量。采用密度较高的粉末、球形或接近球形的颗粒、较粗的粒度或较宽的粒度分布，均有利于提高粉末的松装密度压缩性：在加压条件下粉末被压缩的程度，提高压制压力或松装密度、减小压制速度或粉末颗粒的强度，均有利于提高粉末的压缩性，从而提高压坯的密度。成形性：粉末被压缩成一定形状并在后续加工中保持这种形状的能力，在一定压力下获得的压坯强度越高，则成形性越好。5.1.2粉末冶金的机理压制和烧结是粉末冶金的二个重要工序1．压制的机理压制是在模具或其它容器中，在外力作用下，将粉末紧实成具有预定形状和尺寸的工艺过程。压缩过程中，随着粉末的移动和变形，较大的空隙被填充，颗粒表面的氧化膜被破碎，接触面积增大，使原子间产生吸引力且颗粒间的机械楔合作用增强，从而形成具有一定密度和强度的压坯。2．烧结的机理烧结是粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下的热处理，目的在于通过颗粒间的冶金结合以提高其强度，是粉末冶金的一个关键工序水和有机物的蒸发或挥发、吸附气体的排除、应力的消除以及粉末颗粒表面氧化物的还原等，粉末表层原子间的相互扩散和塑性流动。还会产生再结晶和晶粒长大，有时还会出现固相的熔解和重结晶以上各过程往往相互重叠，相互影响5.2粉末冶金工艺金属粉末的制取→预处理→坯料的成形→烧结→后处理等5.2.1粉末的制取机械法和物理化学法两大类1．机械法用机械力将原材料粉碎而化学成分基本不发生变化的工艺过程球磨法：用于脆性材料及合金研磨法：用于金属丝或小块边角料雾化法：用于熔点较低的金属2．物理化学法借助物理或化学作用，改变物料的化学成分或聚集状态而获取粉末的方法还原法：用还原剂还原金属氧化物或盐类，使其成为金属粉末的方法，最常用，工艺简便、成本较低，适用于由金属氧化物或卤族化合物制粉。电解法：在溶液或熔盐中通入直流电，使金属离子电解析出成为金属粉末的方法。可制得高纯度粉末，但成本较高，适用于从金属盐类中制取粉末热离解法：将金属与CO、H2或Hg作用，生成化合物或汞齐（即汞合金），再加热使其分解出CO、H2或Hg，从而制得金属粉末的方法。用于能与CO、H2或Hg作用生成化合物或汞齐的金属。5.2.2粉末的预处理1．分级将粉末按粒度分成若干级的过程。使配料时易于控制粉末的粒度和粒度分布，以适应成形工艺的要求。2．混合将两种或两种以上不同成分的粉末均匀掺合的过程通过混合可获得所需的组分。为提高粉料的成形性能，常需加入某些添加剂，如用于提高压坯强度或防止粉末成分偏析的增塑剂，用于减少颗粒间及压坯与模壁间摩擦的润滑剂。3．制粒为改善粉末流动性而使较细颗粒团聚成粗粉团粒的工艺。5.2.3成形将粉末转变成具有所需形状的凝聚体的过程1．模压：通过模冲加压使刚性封闭模中的粉末密实成形单向压制：模具简单，操作方便，生产效率高，但制品密度不均匀，适于压制高度或厚度较小的制品。双向压制：压坯密度较单向压制均匀，适于压制高度或厚度较大的制品浮动模压制：浮动模压制压坯密度较均匀，适于压制高度或厚度较大的制品。2．粉末轧制将粉末引入一对旋转轧辊之间使其压实成连续带坯的方法。适用于生产多孔材料、摩擦材料、复合材料和硬质合金等的板材及带材。3．挤压成形将置于挤压筒内的粉末、压坯或烧结体通过模孔压出的成形方法设备简单、生产率高，可以获得沿长度方向密度均匀的制品。用于生产截面较简单的条、棒和螺旋形条、棒（如麻花钻）4．等静压制对粉末（或压坯）表面或对装粉末（或压坯）的软膜表面施以各向大致相等的压力的压制方法(1)冷等静压制：在室温下的等静压制，压力传递媒介通常为液体冷等静压制压坯密度较高，较均匀，力学性能较好，形状可较复杂，尺寸可较大(2)热等静压制：高温下的等静压制同时进行压制和烧结，压制压力和烧结温度均低于冷等静压制，能耗较低，生产效率较高；制品密度高且均匀，晶粒细小，力学性能较高，形状和尺寸不受限制；但投资大。用于粉末高速钢，难熔金属，高温合金和金属陶瓷等制品的生产5．松装烧结成形粉末未经压制有直接进行的烧结。可用于多孔材料的生产6．粉浆浇注将粉末中加入悬浮剂、水等并调成粉浆，再注入石膏模内，利用石膏模吸取水分使之干燥后成形。粉浆浇注设备简单、成本低，但生产效率低，适于成形形状复杂的大型制品用于生产硬质合金、高温合金等制品。7．爆炸成形借助爆炸波的高能量使粉末固结的成形方法。可加工普通压制和烧结工艺难以成形的材料，如难熔金属、高合金材料等，且成形密度接近于理论密度。可压制普通压力机无法压制的大型压坯。5.2.4烧结按一定的规范加热到规定高温并保温一段时间，使压坯获得一定物理与力学性能的工序。1．连续烧结和间歇烧结(1)连续烧结：待烧结材料连续地或平稳、分段地通过具有脱腊、预热、烧结或冷却区段的烧结炉进行烧结的方式。生产效率高，适用于大批、大量生产(2)间歇烧结：在炉内分批烧结零件的方式。通过对炉温控制进行所需的预热，加热及冷却循环生产效率较低，适用于单件、小批生产2．固相烧结和液相烧结(1)固相烧结：烧结速度较慢，制品强度较低(2)液相烧结：烧结速度较快，制品强度较高，用于具有特殊性能的制品如硬质合金、金属陶瓷等3．影响粉末制品烧结质量的因素粉末制品的烧结质量取决于烧结温度、烧结时间和烧结气氛等因素。(1)烧结温度和时间：烧结温度过高或或过低，时间过长或过短，都会使产品性能下降(2)烧结气氛：烧结时通常采用还原性气氛，以防压坯烧损并可使表面氧化物还原。对于活性金属或难熔金属还可采用真空烧结。5.2.5后处理根据产品的具体要求，可对烧结后的压坯进一步处理。常用的后处理方法复压、浸渍、热处理、表面处理等。还可通过锻压、焊接、切削加工、特种加工等方法进一步改变烧结体的形状或提高精度，以满足零件的最终要求。1．尽量采用简单、对称的形状，避免截面变化过大以及窄槽、球面等，以利于制模和压实，2．避免局部薄壁，以利于装粉压实和防止出现裂纹5.3粉末冶金零件结构的工艺性3．避免侧壁上的沟槽和凹孔，以利于压实或减少余块4．避免沿压制方向截面积渐增，以利压实。各壁的交接处应采用圆角过渡，以利于压实及避免应力集中1.5非金属材料1.5.1高分子材料(P37)机械工程材料中常用的高分子材料有塑料、橡胶、合成纤维、涂料和胶粘剂等1．塑料塑料是以高聚物为主要成分，并在加工为成品的某阶段可流动成形的材料(1)塑料的分类：按用途和受热时的性能进行分类。1）按用途分类：①通用塑料：力学性能和使用温度较低的塑料（PE、PP等）约占塑料总产量的70%②工程塑料：力学性能和使用温度较高的塑料（ABS、强度较高，刚性较大，韧性也较好，价格PA等）较高，常用于制造机械零件和工程构件。2）按受热时的性能分类：按受热时的性能不同分类①热塑性塑料：在整个特征温度范围内，能反复加热（ABS、PA等）软化和反复冷却硬化，且在软化状态通过流动能反复模塑为制品力学性能较好，加工成形方便，耐热性较差②热固性塑料：固化时，能变成基本不溶、不熔的（PF等）产物。有较高的耐热性，受压时亦不易变形,但力学性能较差。(2)工程塑料的性能特点和应用：工程塑料密度小，比强度（强度/密度）高，耐磨性、减振性较好，易于成形；强度、硬度较低，导热性、耐热性较差，且易老化。工程塑料可用于替代金属制造工程构件和机械零件丙、丁、苯树脂(ABS)硬度高，耐冲击，表面可电镀，但耐候性和耐热性差水表外壳、电话机外壳、泵叶轮、汽车挡泥板、小汽车车身聚丙烯（PP）最轻的塑料，力学性能较高，密度小，耐腐蚀性化工容器、管道、法兰接头、汽车零件、仪表罩壳尼龙（PA）韧性好，耐磨、耐油、吸水性大，影响尺寸稳定性轴承、密封圈、轴瓦、石墨填充轴承聚甲醛（POM）耐磨、耐疲劳，抗冲击，摩擦系数低，吸水率小，但成形收缩率较大大型轴承、齿轮、蜗轮、轴套。阀杆、螺母等。酚醛（PF）强度和刚性好，耐磨性良好，易于成形仪表外壳、灯头、插座聚四氟乙烯（F-4）摩擦系数最低，不吸水，耐腐蚀，有“塑料王”之称。加工成形性不好;耐沸腾盐酸、硫酸、硝酸及王水。只有熔融碱金属、气态氟才能腐蚀之无油润滑活塞环，密封圈;输送酚的离心泵端面密封圈;硝铵捕集回流管子法兰，化工用阀隔膜聚苯醚（PPO）强度高，耐热性好，收缩率低高温下工作的齿轮、轴承、外科医疗器械6.2塑料成形6.2.1物料聚合物塑料的主要成分，决定了塑料的基本性能添加剂增塑剂提高加工性、柔韧性和延展性常用邻苯二甲酯、磷酸酯和氯化石蜡等交联剂显著提高制品的强度和耐热耐磨性能。主要是有机过氧化物，如双苯、过氧化异丙苯等。填料改善强度、耐久性、工作性能或其它性能，或降低成本的相对惰性的固体材料常用品种有碳酸钙、陶土、滑石粉和炭黑等6.2.2塑料成形工艺过程(1)原料准备：(2)配混料：一种或几种聚合物与其它组分如填料、增塑剂、催化剂和着色剂等的均匀掺混料(3)塑炼：使物料在熔融状态下进一步混合渗透并去除水分和挥发物(4)粉碎或切粒：塑炼好的物料需经粉碎或切成粒状，以便于成形加工时机械化输送和加料操作。图6-7密闭式塑炼机工作原理图6-8切碎机结构2、塑料成形方法：(1)挤出成形：用于生产具有一定断面形状的连续材料，如管材、板材和中空制品等还常用于物料的塑炼和着色等。生产效率高、工艺适应性强、设备结构简单，但制品断面形状较简单且精度较低。适用于几乎各类热塑性塑料和部分热固性塑料。(2)注塑成形：注塑成形适用于几乎所有品种的热塑性塑料和大部分热固性塑料。制品外形可较复杂、精度和生产效率较高。目前注塑制品产量约占塑料制品总产量的20%～30%。(3)压塑成形：模具结构简单，制品性能较均匀，并可成形流动性很差的物料及大面积的薄壁制品。压塑成形多用于热固性塑料，几乎所有的热固性塑料都适于压塑成形生产效率低、劳动强度大，制品精度难以控制且模具易于磨损,能耗较大。(4)压延成形：使加热塑化的物料通过一系列相向旋转的辊筒之间，受挤压和延展作用成为平面状连续材料的成形方法。生产效率高、产品质量好，且可直接制出各种花纹和图案。设备庞杂、维修复杂，制品宽度受限制。压延成形可用于各类热塑性塑料，主要产品有薄膜、片材和人造革等(5)其它成形方法1）注坯吹塑成形2）反应注塑成形用于各类热塑性塑料的瓶体生产主要用于热固性塑料的薄壁和大型件的成形，如浴盆、家具、座椅等。3、塑料的二次加工通过二次加工，可进一步提高制品的精度、表面质量和使用性能；单