粉末冶金材料概述

•粉末冶金技术的特点•粉末冶金技术发展史•现代粉末冶金技术的特征与发展趋势•粉末冶金技术的主要应用•课程体系•练习粉末冶金技术与材料概述基本特点：原料、无熔化、材料生产过程采用PM技术制备材料/产品的优点：•制品的致密度可控，如多孔材料、高密度材料等；•晶粒细小、显微组织均匀、无成分偏析；•近型成形，原材料利用率高95%；•少无切削，切削加工仅40~50%；•材料组元可控，利于制备复合材料；•制备难熔金属、陶瓷材料与核材料。粉末冶金技术的特点原料粉末成形烧结金属材料、复合材料、各种类型制品•PMProductionofnotchsegmentfortrucktransmission•采用PM技术制备材料/产品的缺点：•原料粉末价格较贵；•模具成本高，靠产量规模降低费用；•烧结制品残余孔隙影响性能；•氧和杂质含量较高；•制备高纯活性金属困难；Return•公元前3000年以前，古埃及人制造铁器；公元前2300年左右出现块炼铁技术：固相碳还原铁矿石（800~1000C）。通过高温锻焊成各种器件。如公元300年左右印度的DehliPiller,重6吨；我国西汉（公元前113年）的刘胜墓出土的错金书刀等。1930年Hoganas公司开始用固相还原法生产海绵铁。•粉末冶金技术与材料发展•随后出现Au(300年)、Ag、Cu、Sn(1000年)、Pt粉及Pt块(1800年）；•1910年Coolidge发明电灯W丝，奠定了近代粉末冶金的基础；•1914年WC、MoC粉末出现（德国）；•1923年德国Krupp公司生产硬质合金，导致了金属切削技术的革命；•1956年后大量铁基、铝基零件上市；•1969年机械合金化技术出现；•20世纪80年代后，PM制品，如蜗轮引擎零件广泛应用于航空。三个重要标志•克服了难熔金属熔铸过程中产生的困难；如：1909年钨丝、1923年硬质合金•粉末冶金方法生产多孔材料的成功；如：1930年含油轴承、轴瓦•粉末冶金新工艺、新材料的发展；如：粉末注射成形、金属陶瓷Return•技术特征：•技术多样性;粉末制备、成形、烧结技术多选择•工艺复杂性;•手段先进性；压机、烧结炉等设备与最新科技结合•性能优异性；•零件复杂性；•规模扩大性；•成本低廉性。现代粉末冶金技术与发展压机：普遍采用模架系列压机和多功能压机，可一次成形形状十分复杂的粉末冶金零件；烧结方面：网带炉、步进梁炉和推杆式炉，都配有空分氮+分解氨+丁烷裂化保护气装置，炉内进行碳势控制，露点控制由微机统一管理，基本实现全自动控制；精整工艺：自动送料+定位装置Goto•粉末制备：雾化制粉、还原法、机械合金化、气相沉积、溶胶凝胶、自蔓燃反应合成、电解•成形：喷射沉积、注射成形、挤压成形、粉末锻造、粉末轧制、温压成形、冷热等静压及特种固结技术、爆炸成形•烧结技术：微波烧结、反应烧结、液相烧结、超固相线液相烧结、电火花烧结、原位成形技术多样性Return工艺复杂性原料：元素粉末、合金粉末成形：热压（热等静压、挤压...）冷压（模压、冷等静压...）烧结：真空、气氛、外场其它制备技术：复压、精整、熔浸...其它后续处理技术：热处理、机加工...Return发展趋势•辐射领域越来越广材料、应用•工艺过程的变异粉末直接成形•多学科交叉点技术手段、应用领域•特异性能、规模化、低成本1）铁基结构合金的高精度﹑高质量﹑大数量产品。2）致密高性能材料，主要是理想的密度和牢固性。3）难加工材料的制造，全密度具有统一微观结构的高性能合金。4）特殊合金，主要为包含有多相的组分，通过增强密度的工艺来制造。5）非平衡材料的合成例如非晶，微晶和亚稳合金。6）具有独特组分或不常用形状的特殊附件的工艺。发展方向举例19901991199219931994199519961997199819992000200120022003200430,00025,00020,00015,00010,0005,0000*1st=0.9087mtP/MPartsOtherUsesst*CopperandCopperbasepowderinNorthAmericaCopperandcopper-basepowderin2004increased11.3%andcopperpowderbasepartsincreased7%.InternationalironandsteelpowderMetalpowderin2004increasedby6.5%to527,918(mt),figureIronpowderincreased7%over2003to430,119mt.01000002000003000004000005000006000007000008000009000001000000199419961998200020022004Europe**JapanNorthAmerican**ReflectsP/Mgradepowdersonlyincludesstainlesssteelsafter1996St**1st=0.9078Sourse:MPIF,JPMA,EPMAInternationalcopperandcopperbasepowdersin2004010000200003000040000500006000019941995199619971998199920002001200220032004Europe**JapanNorthAmerican*st**reflectsP/Mgradepowdersonly*1st=0.9078source:MPIF,JPMA,EPMAP/MpartscontentinatypicalvehicleNorthAmericaJapanEurope19807.7kg(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)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)NorthAmericacopperandcopperbasepowder19901991199219931994199519961997199819992000200120022003200430,00025,00020,00015,00010,0005,0000*1st=0.9087mtP/MPartsOtherUsesst*粉末冶金材料的主要应用•粉末冶金零件市场汽车工业是粉末冶金零件的最大应用市场Automobileindustry•典型的汽车用粉末冶金零部件•MainBearingCapSet•VALVESEATANDVALVEGUIDE•CONNECTINGRODS–ConnectingRod(fracturesplit)FordMotorCompanyhasalreadyusedmorethan25millionPowderForged(PF)connectingrods；Totalcostsavingsofover20%arereportedPMConnectingrodusedinBMWengines•OILPUMPGEARS•SYNCHRONISATIONSYSTEM•ROCKERARMSMechanicalindustry•2000、2005及2010年国内粉末冶金零件的总需求量,单位/吨项目2000年2005年2010年汽车130002100039000摩托车140002000035000家用运输车130001430014700压缩机1405020030洗衣机13001500电风扇24002400电动工具60008000拖拉机69708713合计6811294179•国外市场–世界粉末冶金零件总产量约为60万吨，我国约占4%，世界上超过1万吨/年的粉末冶金厂家约为12个。•国内与国外差距–产品水平低•在产品精度方面，少数企业尺寸精度可达IS07—8级，形位公差可达8—9级，与国外水平相比低1—2级，但一般企业约相差2—3级。产品质量不够稳定，产品内在重量和外观质量均有较大的差距–工艺装备落后•多数企业仍采用性能较差的设备、能耗大、效率低、炉温均匀性差，质量不稳定；国内还没有形成一个专业生产粉末冶金模具、模架的企业企业技术经济效益与国外同类企业相比差距较大日本住友电工（株）650人，年产粉末冶金零件24000吨，年销售额近2亿美元，人均年销售额255.4万元人民币；台湾保来得公司530人，年销售额6210万美元，人均年销售额97.25万元人民币。宁波粉末冶金厂400人，年销售额1.2亿元，人均年销售额30万元；扬州保来得公司300人，年销售额1.8亿元，人均年销售额60万元；国内一般粉末冶金厂人均年销售2万元。•发展趋势•辐射领域越来越广材料、应用•工艺过程的变异粉末直接成形•多学科交叉点技术手段、应用领域•朝特异性能、规模化、低成本方向发展Return•粉末冶金材料的孔隙特征•孔隙对粉末冶金材料性能的影响•提高粉末冶金材料致密度的途径•粉末冶金材料的强韧化•粉末冶金结构材料•高性能粉末冶金材料及其制备工艺课程结构与内容•粉末制备技术•雾化制粉*•还原法•机械合金化*•气相沉积•溶胶凝胶*•自蔓燃反应合成*•纳米材料与纳米结构?•粉末成形技术•喷射沉积*•注射成形•挤压成形•粉末锻造•粉末轧制*•温压成形*•冷热等静压及特种固结技术•爆炸成形*•粉末烧结技术•微波烧结*•反应烧结•液相烧结•超固相线液相烧结*•电火花烧结*•快速原位成形*