粉末冶金及其成型

第五章粉末冶金及其成型粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成型和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金材料具有传统熔铸工艺所无法获得的独特的化学组成和物理、力学性能第五章粉末冶金及其成型常用粉末冶金材料：（1）粉末冶金减摩材料。通过在材料孔隙中浸润滑油或在材料成分中加减摩剂或固体润滑剂制得。广泛用于制造轴承、支承衬套或作端面密封等。（2）粉末冶金多孔材料。又称多孔烧结材料。材料内部孔道纵横交错、互相贯通，一般有30％～60％的体积孔隙度，孔径1～100微米。透过性能和导热、导电性能好，耐高温、低温，抗热震，抗介质腐蚀。用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。（3）粉末冶金结构材料。又称烧结结构材料。能承受拉伸、压缩、扭曲等载荷，并能在摩擦磨损条件下工作。第五章粉末冶金及其成型（4）粉末冶金工模具材料。包括硬质合金、粉末冶金高速钢等。后者组织均匀，晶粒细小，没有偏析，比熔铸高速钢韧性和耐磨性好，热处理变形小，使用寿命长。可用于制造切削刀具、模具和零件的坯件。（5）粉末冶金电磁材料。包括电工材料和磁性材料。用于制造各种转换、传递、储存能量和信息的磁性器件。（6）粉末冶金高温材料。包括粉末冶金高温合金、难熔金属和合金、金属陶瓷、弥散强化和纤维强化材料等。用于制造高温下使用的涡轮盘、喷嘴、叶片及其他耐高温零部件。第五章粉末冶金及其成型能够大量节约材料、无切削、少切削，普通铸造合金切削量在30-50%，粉末冶金产品可少于5%。能够大量节省能源能够大量节省劳动能够制备其他方法不能制备的材料能够制备其他方法难以生产的零部件粉末冶金技术的优越性与局限性：第五章粉末冶金及其成型粉末冶金技术的主要应用：汽车动力系统：第五章粉末冶金及其成型汽车发动机用粉末烧结钢零件第五章粉末冶金及其成型汽车变速器系统用粉末烧结钢件:第五章粉末冶金及其成型齿轮保持架(Ford)温压成型连杆：不锈钢注射成形件第五章粉末冶金及其成型硬质合金刀具：第五章粉末冶金及其成型铁基结构合金的高精度﹑高质量﹑大数量产品。致密高性能材料，主要是理想的密度和牢固性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。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。.非平衡材料的合成非晶，微晶和亚稳合金。具有独特组分或不常用形状的特殊附件的工艺。粉末冶金未来Thefutureofthepowdermetllurgy5.1粉末冶金基础5.1.1金属粉末的性能1.化学成分氧化物:通常，金属粉末的氧化物含量越少越好气体杂质：氧、氢、一氧化碳及氮;真空脱气处理2、物理性能材料熔点,比热,电学,磁学,光学性质,颗粒形状、大小和粒度组成比表面积颗粒密度显微硬度球形,针形,树枝形,粒状,片形,瘤状,多角形,海绵形,不规则形颗粒形状:颗粒形状与制粉方法和制粉工艺相关球形粉末-雾化法Sphericalpowders多孔粉末-还原法Porouspowders树枝状粉末-电解法Dendritepowders片状粉末-研磨法Platepowders5.1.1金属粉末的性能松装密度流动性压缩性成形性3.工艺性能5.1.1金属粉末的性能3.1松装密度apparentdensity1)Definition:单位体积内自由松装粉末体的质量g/cm32）意义:自动压制容积法3）测量方法:流量法，粉末自由落下4）影响因素:particleshape，size，andsurfaceconditions，components松装密度测定装置一(a)装配图(b)流速漏斗(c)量杯a、粒度:粒度小，松装密度小还原铁粉d(um)65168g/cm30.972.193.03电解铁粉d(um)536378g/cm32.052.563.32b、颗粒形状形状复杂松装密度小粉末形状影响松装密度，从大到小排列球形粉＞类球形＞不规则形＞树枝形sphere-similarsphere-irregular-dentriticalc、表面粗糙Surfacecoarsed、粒度分布Particlesizedistribution1细分比率增加，松装密度减小;2粗粉中加入适量的细粉，松装密度增大;如球形不锈钢粉-100＋15010080604020－32520406080100d松4.54.95.24.84.64.33.2流动性Flowability定义：一定量粉末(50g)流经漏斗所需的时间：sec./50gram意义：影响压制操作的自动装粉盒压件密度均匀性影响因素:颗粒间的摩擦形状复杂，表面粗糙，流动性差理论密度增加，比重大，流动性增加粒度组成，细粉增加,流动性差5.1.1金属粉末的性能流动性采用前述测松装密度的漏斗来测定。标准漏斗（又称流速计）是用150目金刚砂粉末，在40s内流完50g来标的;采用粉末自然堆积角试验测定流动性。粉末通过一粗筛网自然流下并堆积在直径为1inch.的圆板上;当粉末堆满圆板后，以粉末锥的高度衡量流动性;粉末锥的底角称为naturalangleofrepos。锥越高或自然堆积角越大，则表示粉末的流动性越差；反之则流动性越好。如果粉末的相对密度不变，颗粒密度越高，流动性越好；5.1.1金属粉末的性能同松装密度一样，流动性受颗粒间粘附作用的影响，因此，颗粒表面吸附水分、气体,加入成形剂减低粉末的流动性;流动性直接影响压制过程自动装粉和压件密度的均匀性，自动压制工艺中必须考虑的重要工艺性能---制粒工序,改善流动性;3.3压缩性Compressiveability1)定义:粉末被压紧的能力，表示方法是：在恒定压力下（30t/inch2）粉末压坯的密度2)意义:压坯密度，最终烧结密度和性能。3)影响因素:a颗粒塑性，显微硬度b颗粒形貌：不规则的颗粒压缩性差c密度减少时（空隙增加）压缩性差d合金元素或非金属夹杂时，会降低粉末的压缩性5.1.1金属粉末的性能3.4成型性Formationability定义:粉末压制后，压坯保持既定形状的能力用压坯强度表示意义:压坯加工能力，加工形状复杂零件的可能性影响因素:颗粒之间的啮合与间隙a不规则颗粒，颗粒间连接力强,成型性好b颗粒越小，成型性越好;与压缩性影响后果相反,必须综合考虑5.1.1金属粉末的性能5.1.2粉末制备方法机械法：通过机械破碎、研磨或气流研磨方法将大块材料或粗大颗粒细化的方法。物理法：采用蒸发凝聚成粉或液体雾化的方法使材料的聚集状态发生改变，获得粉末。化学法：依靠化学反应或电化学反应过程，生成新的粉态物质。5.1.2粉末制备方法5.1.2粉末制备方法机械法5.1.2粉末制备方法滚筒式行星式振动式搅动式机械法：球磨法滚筒式球磨：振动球磨:5.1.2粉末制备方法雾化法雾化聚并凝固外力冲击相互接触冷却金属或合金先由电阻炉或感应电炉融化，再注入金属液中间包内。金属液由上方孔流出时液流与沿一定角度高速射击的气体或水相遇，然后被击碎成小液滴，随着液滴与气体或水流的混合流动，液滴的热量被雾化介质迅速带走，使液滴在很短的时间内凝固成为粉末颗粒。气雾化和水雾化的区别粉末形状：气雾化容易获得球形粉末。水雾化获得粉末表面张力较小的呈土豆状或不规则形状，只有那些表面张力较大的合金，例如镍基合金，才能得到球形合金粉末。化学成分：不论是采用水雾化还是采用气雾化，制作出的合金粉末的化学成份不会因为制作方法的不同而产生差异。金相组织：采用气雾化制作的合金粉末，合金的过冷度要比采用水雾化制作的小许多，所以相同的化学成份，采用不同的雾化方法制出的合金粉末的金相组织会不一样。5.1.2粉末制备方法气雾化颗粒形貌水雾化铜粉颗粒形貌5.1.2粉末制备方法蒸汽冷凝法5.1.2粉末制备方法气相氢还原还原剂----氢气气相金属热还原还原剂----低熔点、低沸点的金属（Mg、Ca、Na…）HClMeHMeCln2气相还原法243434COFeCOOFe碳还原法被还原物料还原剂举例备注固体固体固体固体气体熔体FeO+C→Fe+COWO3+3H2→W+3H2OThO2+2Ca→Th+2CaO固体碳还原气体还原金属热还原气体气体气体固体气体熔体——WCl6+3H2→W+6HClTiCl4+2Mg→Ti+2MgCl2——气相氢还原气相金属热还原溶液溶液熔盐固体气体熔体CuSO4+Fe→Cu+FeSO4Me(NH3)nSO4+H2→Me+(NH4)2SO4+(n-2)NH3ZrCl4+KCl+Mg→Zr+产物置换溶液氢还原金属热还原5.1.3金属粉末的预处理1、退火还原氧化物消除加工硬化钝化金属，防止自燃消除杂质，提高纯度2、筛分：把颗粒大小不匀的原始粉末进行分级，使粉末能够按照粒度分成大小范围更窄的若干等级。5.1.3金属粉末的预处理3、制粒：将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末的流动性。4、混合：将两种或两种以上不同成分的粉末均匀混合的过程。有时需将成分相同而粒度不同的粉末进行混合，称为合批。（1）机械法（2）化学法：润滑剂或成形剂，造孔剂5.2粉末冶金工艺过程原料粉末其它添加剂热压松装烧结粉浆烧注混合压制等静压制轧制挤压烧结烧结浸适热处理电镀预烧结高温烧结复压锻打复烧拉丝烧缩精整锻造轧制挤压烧结（浸油）热处理粉末冶金成品5.2.1金属粉末压制成型主要功能：（1）将粉末成形为所要求的形状；（2）赋予坯体以精确的几何形状与尺寸，应考虑烧结时的尺寸变化；（3）赋予坯体要求的孔隙度和孔隙类型；（4）赋予坯体以适当的强度，以便搬运。5.2.1金属粉末压制成型封闭钢模压制成型工序组成：称粉、装粉、压制、保压及脱模。（1）称粉与装粉自动装粉方式a）落入法b）吸入法c）多余充填法5.2.1金属粉末压制成型基本压制方式a)单向压制b)双向压制c)浮动压制（2）压制5.2.1金属粉末压制成型压制过程可分为四个阶段：①粉末颗粒移动，孔隙减小，颗粒间相互挤紧；②粉末挤紧，小颗粒填入大颗粒间隙中，颗粒开始有变形；③粉末颗粒表面的凹凸部分被压紧且啮合成牢固接触状态；④粉末颗粒加工硬化到了极限状态，进一步增高压力，粉末颗粒被破坏和结晶细化。5.2.1金属粉末压制成型5.2.1金属粉末压制成型压坯密度的均匀性a.垂直截面上，上层密度大于下层密度；b.水平截面上，接近上模冲断面上，两侧大中间小；远离上模冲断面上，中间大两侧小；c.压坯底部的边缘密度低。5.2.1金属粉末压制成型影响压坯密度分布的因素a.压制压力：静压力+压力损失；b.压力损失时压坯密度分布不均的主要原因；c.高度越高，密度差越大；直径越大，密度差越小；d.改善模壁的光洁度，加润滑剂e.双向压制。5.2.1金属粉末压制成型压坯密度与影响因素的关系a.随压制压力的增高而增大；b.随粉末的粒度或松装密度的增大而增大；c.颗粒的强度和硬度降低，有利于提高压坯密度；d.降低压制速度，提高压坯密度。5.2.1金属粉末压制成型（3）脱模脱模力弹性后效5.2.2烧结定义：压坯置于基体金属熔点以下温度（约0.7~0.8T，单位K）加热保温，粉末颗粒之间产生原子扩散、固溶、化合和熔接，致使压坯收缩并强化，这一过程称为烧结。目的：依靠热激活作用，原子发生迁移，粉末颗粒形成冶金结合；提高烧结体的强度。原理：粉末在热激活状态下，表面能降低，导致空隙减小，密度增大，强度增加。影响因素：烧结温度、保温时间、加热和冷却速度5.2.2烧结水分或有机物的蒸发或挥发，吸附气体的排除，应力的消除，粉末颗粒表面氧化物的还原；原子间扩散，粘性流动和塑性流动，颗粒间的接触面增大，发生再结晶和晶粒长大等；出现液相时，还可能有固相的溶解和重结晶。5.2.3后处理1．浸渍利用烧结件多孔性的毛细现象浸入各种液体。润滑、提高强度和防腐能力、为了表面保护。2．表面冷挤压提高零件的尺寸精度和减小表面粗糙度。3．切削加工横槽、横孔，以及轴向尺寸精度高的面等。4．热处理可提高铁基制品的强度和硬度。5．表面保