第5章粉末冶金成形.ppt

第5章 粉末冶金成形,粉末冶金材料：用粉末冶金方法制造的材料,常用的粉末冶金材料(P36),硬质合金：以高硬度、难熔的金属碳化物（WC、TiC等）粉末为硬质 点，加入Co、Mo或Ni等作为粘结剂。用于：刃具、冷作模具、量具和不受冲击和振动的高耐磨零件。,(2)烧结减摩材料：铁+石墨、青铜+石墨 工作时要求减少摩擦的材料：含油轴承 含油轴承特别适宜：不能经常加油的场合。,(3)烧结摩擦材料：基体铁、铜+摩擦组元石棉、AL2O3+润滑剂石墨（MoS2）能满足摩擦材料的性能要求 用于：机器上的制动带和离合器片等。,(4)烧结钢：以碳钢或合金钢粉末为主并用粉末冶金法制成的材料 用于：制造电钻齿轮和油泵齿轮等,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,粉末冶金成形,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（m）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 球状、粒状、片状和针状 粒度 单个粉末颗粒的线性尺寸,用筛分法等测量 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，可算出颗粒的平均尺寸,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，用一定质量的粉末在规定条 件下从标准漏斗中流出所需的时间来表示。球形或接 近球形的颗粒及较宽的粒度分布，流动性。,松装密度：在规定条件下粉末自由填充单位容积的重量。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，松装密度,压缩性：在加压条件下粉末被压缩的程度（达到所需 密度而所需的压力/已知压力下得到的密度值)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，压缩性 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，成形性,5.1.2 粉末冶金的机理,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。,图5-1 粉末压制过程a)装粉 b)压制开始 c)压制结束1下模冲 2阴模 3上模冲,2烧结的机理 烧结：粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下的热处理。目的：通过颗粒间的冶金结合以提高其强度。,温度升高(1)水和有机物的蒸发或挥发(2)吸附气体的排除(3)应力的消除以及粉末颗粒表面氧化物的还原(4)粉末表层原子间的相互扩散和塑性流动(5)颗粒间接触面的增大，再结晶和晶粒长大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,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,a)高速气流雾化 b)离心雾化 c)旋转电极雾化,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: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）,图5-5 粉末挤压过程a)装粉 b)挤压1口模 2挤压筒 3料斗 4凸模 5制品,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.用于管材、棒材和大型制品的生产。,(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,图5-6 冷等静压制原理1软膜 2粉末,5松装烧结成形 粉末未经压制直接进行的烧结。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。还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。,5.3 粉末冶金零件结构的工艺性,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,粉末冶金材料最常用的成形方法是在刚性封闭模具中将金属粉末压缩成形。模具成本较高、粉末流动性较差且受摩擦力,压坯密度低且分布不均匀，强度不高，薄壁、细长形和沿压制方向呈变截面的制品难以成形。,不合理 合理,不合理 合理,2避免局部薄壁，以利于装粉压实和防止出现裂纹,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,不合理 合理,不合理 合理,本章小结,常用的粉末冶金材料的名称及用途（书P36）:硬质合金、烧结减摩材料、烧结摩擦材料、烧结钢,粉末冶金零件结构的工艺性：错误的图会改正（书P198）,粉末冶金工艺过程（书P193）：金属粉末的制取预处理（坯料的）成形烧结后处理等（坯料的）成形、烧结是粉末冶金制品成形的重要工序,粉末冶金制品的后处理方法（书P198）：复压、浸渍、热处理、表面处理,粉末冶金制品坯料成形方法（书P194）：模压（单向、双向、浮动）、粉末轧制、挤压成形、等静压制等,5.1.2 粉末冶金的机理,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，从而形成具有一定密度和强度的压坯。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。,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,a)高速气流雾化 b)离心雾化 c)旋转电极雾化,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）,图5-5 粉末挤压过程a)装粉 b)挤压1口模 2挤压筒 3料斗 4凸模 5制品,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.用于管材、棒材和大型制品的生产。,(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,图5-6 冷等静压制原理1软膜 2粉末,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。还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。,5.3 粉末冶金零件结构的工艺性,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,粉末冶金材料最常用的成形方法是在刚性封闭模具中将金属粉末压缩成形。模具成本较高、粉末流动性较差、且受摩擦力,压坯密度低且分布不均匀，强度不高，薄壁、细长形和沿压制方向呈变截面的制品难以成形。,不合理 合理,不合理 合理,2避免局部薄壁，以利于装粉压实和防止出现裂纹,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,5.4.1 制粉方法 1机械合金化 2超微粉制造技术,5.4 粉末冶金技术的发展趋势,5.4.2 成形和烧结技术 1注射成形 2热等静压制新技术 1）无包套热等静压制：。2）陶瓷颗粒固结法：,5.4.3 后处理技术 电火花加工、电子束加工、激光加工等特种加工方法以及离子氮化、离子注入、气相沉积、热喷涂等表面工程技术已用于粉末冶金制品的后处理，进一步提高了生产效率和制品质量。,