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粉末冶金生产流程:FlowchartofPowderMetallurgy2009-11-24粉末冶金生产流程:FlowchartofPowderMetallurgy一、粉末的制造方法:1、气喷雾法:常用于制造铝粉、合金粉等易氧化之粉末,由于采用惰性气体,所制造的粉末之纯度高、外观为球形且堆积度高。2、水喷雾法:水喷雾法所制得粉末之形状较不规则,(麻田散铁,含碳少,硬度高)其缺点为其含氧量稍高。但其生产成本低。3、还原法:此法最普遍之金属粉末为铁粉,此种铁粉是将氧化铁FeO以氢气还原而得。由于氧化铁粉之密度较低且体积大,被还原后又会留下孔洞,所以其外形不规则且内部有孔洞,俗称海绵铁粉。4、离心法:利用水或气体之动量将金属熔液喷成粉末以外,亦可利用离心力之原理将金属熔液滴滴甩出。此法所制得之粉末虽然成本较高,但污染少、适合制作活性金属如钛等。5、机械合金法:对于有些质脆的金属若施以撞击可使之粉碎,所以只要经过连续撞击后即可得到较细且合乎规格之粉末。6、电解法:最常见的是电解铜及电解铁粉。其纯度高、压缩性佳、生胚强度好。其形状为树枝状。但制造成本太高。7、化学分解法:最常见之粉末为羫基铁粉和羫基镍粉。其粉末外形有球形、针形、链状等。球形铁粉一般使用于MIM、软磁材料、微波吸收材料等。二、粉末的特性和分析:1、粒度分析:以筛分法说明:A、简易记忆法:网目数*微米数=15000B、传统粉末冶金所使用之粉大多以:网目:50、60、70、80、100、120、140、170、200、230、270、325、400目微米:300、250、212、180、150、125、106、90、75、63、53、45、38μmC、-230+270代表粉末粒径小于230目大于270目。D、400目代表的意义是每一英吋长度上有400个孔、孔径为38微米2、典型地粉末粒子外形:A:单面的空间:针状的化学分解不规则棒状化学分解机械粉碎B:双度的空间:树枝状电解薄片状机械粉碎C:三度的空间:球面的雾化由液体猛然落下的羫基体氧Cabonyl铁不规则棒状雾化化学分解不规则雾化化学分解多孔性氧化还原有尖角机械的羫基体氧铁Cabonyl镍3、密度:与粉末冶金制程相关的密度有:A、真实密度B、视密度C、敲击密度D、成形后之生胚密度E、烧结后之密度。A、真实密度:一般粉末之表面有一层薄薄的氧化物,而内部易可能有一些封闭之气孔,特别是气喷粉或还原粉中,使的粉末本身之密度低于熔炼而得的金属。由于在粉末冶金的制程中,要计算粉末之体积比(如MIM生产过程中,需要了解金属粉和塑料之比例),或计算混合粉的理论密度,所以每种粉末的真实密度是重要数据。B、视密度:计算成形时粉末在模穴中应充填的高度。1、粉末外观密度又称为视密度,是将粉末填入已知体积后所得之密度。2、其测定是相似于当零件制造时,粉末填充到固定容积的模穴中之粉末重量。3、粉末外观密度测试提供粉末物理特性评定的准则。4、粉末外观密度高表示粉末颗粒间摩擦力小、流动性佳。使得成形时粉末容易迅速流入模具的模穴中,而使成形之生胚密度也较高。5、当粉末太细,粉末间摩擦力太大,无法通过2.54mm之孔径时,可改用CarneyFunnel(卡尼漏斗),其孔径为5.08mm。MPIF-286、为了类似工业界所使用成形机上填粉盒实际充填时之动作,在MPIF-48说明中有ArnoldApparentdensitymeter(亚诺计)设备。此视密度值高于Hall之视密度值。生胚密度ρg和外观密度ρa与生胚厚度tmm之关系:生胚密度ρg×生胚厚度tmm=外观密度ρa×机械的调整冲子上端与模面的高度。一般产业界都以2倍处理为多。C、敲击密度:1、在粉末冶金制程中,将粉末振实以提高密度。尤其在冷、热均压时,都希望粉末的敲击密度越高越好。2、因为生胚密度愈接近成品之理论密度则烧结温度可降低,烧结时间可减少且烧结时的收缩率较小、尺寸较稳定。3、由于粉末粒度太小无法使用于Hall流动计时,皆以此量测。4、工业界使用细粉如MIM和喷雾造粒常以敲击密度作为粉末规格代替视密度及粒度。D、成形后之生胚密度、E、烧结后之密度:粉末冶金产品常含有孔隙且形状复杂,不易由重量及体积直接量得其密度,由于密度直接影响了产品的特性,所以在成形后应即测量生胚之密度,以控制质量的稳定性。烧结后也同。我们对从事品管的从业人员提出以下之建议,在测量『生胚密度』、『烧结后密度』时,应遵循︰1、依ASTM、MPIF、JIS、CNS、中国国家标准中所述︰吸水性粉末生胚、烧结产品密度测试标准操作法,以润滑油渗入法做为防水处理、石蜡渗入法,其演算公式为:Db=Wa×ρ/(Wb-Ww)。2、可采用封蜡法、对于易崩解的磁性材料,最经济、最方便、最快速所测得之密度之演算公式为:Db=Wa÷。4、安息角:又称自由坡度角1、粉末间摩擦力的一种表示法。2、即为粉末开始滑落时的角度。3、粉末从漏斗自由落下在平台上后,取水平面与堆积粉末之斜面间之夹角。4、粉末之流动性越好、粉末形状越接近于球形、粉末间的摩擦力越小时此安息角越小。5、流动性:MPIF-04决定粉末流入模穴各角落之难易和速率。影响了成形压机的成形速率及压机的产能。1、粉末流动之难易影响粉末进入模穴之快慢,因而也影响成形速率和压机的产能。2、流动性越好、视密度较高、安息角越小。6、生胚强度:1、经压实之生胚若形状复杂时常因搬运、碰撞等原因造成崩角、破裂等现象。而维持原形状的能力称为成形性,由拉脱拉试验做为判定成形性之方法。2、藉由拉脱拉试验中重量的损失多寡代表生胚强度之高低。3、生胚密度愈高则生胚强度愈高。7、压缩性:1、一般使用者都希望粉末冶金机械零件具有高强度,所以对密度的要求也高。2、在同一成形压力下,所使用的粉末能达到最高之密度,此粉末能达到最高之密度之能力称为压缩性。3、压缩性的高低和粉末的化学组成及制造过程有关。4、还原铁粉之形状不规则,气孔多,视密度本就偏低所以压缩性较差。水喷雾粉较好。5、预合金粉和表面已氧化之粉,因粉末本身硬度已高所以不易压缩。6、粉末粒度分怖过窄时,由于粉末间之空隙无细粉予以充填,所以生胚密度不理想。7、混合元素粉因粒度分布经过控制,压缩性较佳,能达到高视密度。三、粉末成形前之处理:一般工厂中,在收到粉末后的第一个手续应该是粉末特性及规格的检验。为了让成形步骤更快速、更简单、或使生胚之尺寸、密度更稳定、强度更高。接着就必须做好下列的步骤:1、分级:原因:一般工厂在成形前都将细粉及粗粉除去,因为细粉常夹在冲子与中模或冲子与芯棒间的缝隙,造成卡粉导致模具表面之拉伤。而粗粉太多时则会因不易烧结或充填密度不`稳定,导致成品之尺寸或密度与规格有所偏差。对策:工业界一般都采用具两层筛网的三层式筛网机,上层之筛网可将过粗的粉筛出,中间者为所欲得的粉末,下层为过细之粉末。2、合批:原因:粉末经由长途之运送到达工厂,常因过程中之颠簸,使其细粉渐渐经由粗粉间之空隙沉到桶底,造成粒度的偏析。对策:为了使粉末之粒度分布均匀,一般可使用搅拌机重新搅拌一次。有时出清库存时为了使成品之性质稳定,也常将不同批号所残留之余粉(相同成分之粉)给予混合。3、混合:将不同成份的粉末搅拌在一起,而一般所混合之材料有润滑剂及装配合金用的石墨粉或金属粉。添加润滑剂的功能在于使粉末易于流动,提高视密度,及减少模具之磨耗。而添加石墨粉或合金粉是为了提高烧结产品之机械或物理性质。一般的结构性零件均为合金钢,因此必须在铁粉之外添加其它合金元素,如石墨粉、铜粉、镍粉、钼粉。也有使用预合金钢粉,特点:为烧结后显微组织及机械性质均匀。缺点:硬度高、压缩性差。为了改善此缺点,目前工厂都加入钼Mo、铬Cr等属于bcc相稳定元素之合金钢粉。为了减少预合金粉的各个成分的库存压力,也有使用混合粉,虽然混合粉易成形且添加量之多寡由业者自己自行调配,但其缺点为成分不均,石墨粉飞扬,造成各批次间之粉末特性有所差异。一般的混合机构有三种:a:对流b:剪断c:扩散对流模式:粉末由容器的底部经由摩擦力被带到容器之上部,当粉末超过安息角时则自然落下,然后继续循环,形成循环流。剪断模式:则多在接近筒壁、筒底处,此因粉末被压缩而向下滑动。扩散模式:则为容器在水平方向的两端之粉末逐渐互相渗透之混合模式。常见的混合机器有V型、双锥型、滚筒型。在容器内粉末之充填量一般占全部体积之20~30%,而且转速不可太快,不然粉末将因离心力大于重力,使粉末贴住筒壁而无混合之效果。为了达到最加混合效果,应使粉末在到达高处并在落下时能被甩到最远处。4、球磨:粉末间有时由于湿气产生的毛细力,或由于静电、凡得瓦尔力、磁力等会使得粉末产生凝聚甚至结块的现象,若要使这些粉末达到原有粉末之粒度或表面积之规格。,必须将这些已结块或凝聚之粉打散。有时不良的生胚或造粒粉要回收时亦常需要将之打散才可再使用。将粉末和钢珠置入滚筒内,以干式法或(加入水或庚烷等液体之湿式法),在筒内靠钢球之撞击力将粉末打散,亦可添加一些有极性的高分子于液体中使各单一粉末间有排斥力,以防止再次凝聚。5、造粒:当粉末粒径微细时,由于粉末间之摩擦力大,使得其流动性相当差,不易填入模穴中,且因视密度非常低,不易压成高密度的生胚,无法用于工业界的快速成形机,所以一般常须先经造粒以改善粉末之特性。造粒的外观则以实心,球形粉为佳。喷雾造粒首先将细粉与水及黏结剂如聚乙烯醇、阿拉伯胶、甲基纤维素等混合搅拌成泥浆状,然后由喷嘴高速喷出,此喷出的雾状液滴受到迎面来的热空气或热氮气吹袭,使得其中之水分蒸发只剩下黏结剂,此时细粉间即靠这些黏结剂结合。一般最常用的黏结剂是聚乙烯醇,此材料为聚合物,含有亲水性之OH基。称为完全碱化型。但也有一些聚乙烯醇中之OH基被疏水性之醋酸基取代成为部分碱化型。一般由于分子量及官能基之不同,碱化程度将对雾化粉产生很大的影响,当分子量大,碱化程度高亦即OH基多时,其泥浆黏度、粉体硬度、强度、抗吸湿性等将提高。所以可依造粒粉之粒度要求,选用不同的聚乙烯醇。此外也添加其它添加剂,以改变粉末之性质。若雾化后之粉若硬度太高,造成模具磨耗过快或成形密度太低的话,可以在搅拌过程中加入微量的塑化剂。可使粉末稍为软化,易于成形。所以粉末中残留些微量水分是有其必要,但其含量须谨慎控制。在磁性材料方面一般水份含量约<2%为主要的考虑。造粒完成后,需经过粒度分析、流动性、安息角的检验之外,还需作残留水分及外观的检验。水分过多时流动性不佳,原粉易生锈,而过少时成形性较差。6、添加润滑剂:目前常用之润滑剂有白蜡、硬脂酸锌、硬脂酸锂。其目的:A:改善粉末之流动度,使生胚密度更为均匀,并使充填模穴之时间缩短,提高成形机之生产效率。B:增加粉末之视密度,降低模穴之充填高度,减少模具之厚度,节省成本。C:改善粉末之压缩性以提高生胚密度。D:降低脱模力,减少模具之磨耗。由于润滑剂大多为碳氢化合物,必须在烧结前给予去除,此称为脱脂。脱脂过程及润滑油之选择对成品均有相当大之影响。润滑剂有白蜡、硬脂酸锌、硬脂酸锂之特性:种类熔点℃残留物残留物之量残留物之熔点白蜡140无0%硬脂酸锌130氧化锌14%1975℃硬脂酸锂220氧化锂5%1700℃残留物之形成是由于原润滑剂中所含的金属原子,此润滑剂再受热而挥发或分解时,其中所含的金属原子有的将以细粉之方式随气体排出、有的将直接沉积在炉口或烟囱中温度较低处,而部分之金属原子则在脱脂过程中与润滑剂中之氧原子或与气氛中的微量氧分子或水分子反应而生成氧化物。其中硬脂酸锌将产生氧化锌残留物。硬脂酸锂有抢氧之功能,使铜及不锈钢中之其它元素不易与氧结合形成氧化物,也使氧不易溶于金属中,具有清洁的功能。残留物造成的缺失:1、氧化锌及锌常如钟乳石般悬挂在连续式烧结炉中脱脂区炉膛之顶部,会妨碍烧结体的进入,必须每一段时间以机械方式予以刮除,或将烧结炉降温藉其与炉膛间热膨胀系数之差异让其自行掉落。2、镀锌钢板及锌压铸工厂常在生产过程中产生锌气体及锌的细微粉末而造成环境的污染。使用硬脂酸锌应特别留意锌的排放所造成污染的问题。白蜡则无残留物且其脱脂效率高,较不易在胚体
本文标题:粉末冶金生产流程1
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