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1、第五章 粉末冶金成形,Powder Metallurgy,目 录,5.0 绪论 5.1 粉末冶金基础 5.2 粉末冶金工艺 5.3 粉末冶金零件结构的工艺性 5.4 粉末冶金材料,学习重点: 1、掌握粉末冶金的机理; 2、了解金属粉末的制备方法; 3、掌握粉末冶金的工艺过程; 4、了解粉末冶金材料的性能及应用。,5.0 绪论,什么是粉末冶金(PM)?,根据需要,采用(或添加)其它程序,制取粉末,采用成形和烧结工艺将粉末或粉末混合物制成制品的工艺技术。,合金元素粉 原料粉 润滑剂,混合,成型,压坯,烧结,产品,粉末制品生产示意图,1.粉末冶金的发展史,海绵铁粉(sponge iron) 时间:公
2、元前3000年前,最早的粉末冶金技术,生产的粉末是海绵铁粉。 生产方法:较纯的铁矿(Fe3O4)木炭还原(在木炭炉内) 海绵铁破碎成细粒清洗干净拣出脉石和渣压制烧结(或松散状态烧结)锻压产品,5.0 绪论,锻压铂(wrought platinum) 熔点:1772 时间:17501850年 生产方法:自然铂清洗干净压制成形烧结热锻 锻压铂 生产国家:西班牙、英国、前苏联 发展状况:随着科技的发展,合适的炉子和耐火材料出现。P.M生产锻压铂的工艺消失,现在采用F.M法。,钨丝(tungsten wire) 熔点:3140 时间:20世纪初开始,1913年获得专利 生产方法:WO3氢还原W粉烧结低
3、压高密度电流再烧结 密度90%的固态W 模锻 钨丝 还原反应: WO3+3H2= W+3H2O 烧结温度: 1200; 模锻温度: 2000 高熔点金属( refractory metal) Mo、Nb、Ti、Ta、Zr 时间:1940年前采用粉末冶金方法,1940年后采用真空电弧、电子束,自润滑轴承或含油轴承(self-lubricating bearing) 时间:20世纪20年代 特征:孔的体积占轴承体积的1530%,润滑剂贮存在孔内 材料:90%Cu粉,10%锡粉,无机物粉 生产方法:Cu粉+锡粉+无机物粉混合压制成轴承形状烧结多孔轴承浸渍(油) 含油轴承 与自润滑轴承相关的产品 多孔
4、过滤器、金属电刷(Cu粉和石墨粉)、摩擦材料等。,硬质合金(cemented carbides) 时间:20世纪20年代,1925年获得专利 特征:硬度高、耐磨损,作为切割工具、模具或轧辊等 材料:金属碳化物(TiC、TaC、WC)、金属粘结剂 生产方法: WC粉+Co粉混合烧结硬质合金 烧结温度:1400 ; 烧结气氛:氢气 微观结构:粘结剂基体中弥散着碳化物颗粒,结构件(structural parts) 时间:20世纪30年代后期 最早的结构件:油泵齿轮,由铁粉和石墨粉混合烧结而成,基体为共析合金钢,有25%孔,性能类似于铸铁 结构件种类:铁基零件、低碳钢、不锈钢、铜、青铜、黄铜、镍、铝
5、、钛、银等 特点:数量大、用途广,自动压制、连续烧结炉烧结 生产方法:传统方法再加工(浸渍、热锻、淬火和回火、渗碳、渗碳氮)结构件,最先进的技术热固结(hot consolidation) 热固结:压制与烧结结合起来同时进行的一种技术 时间:20世纪40年代后 热固结方法:热压、热等静压、热挤压、热锻等 热固结产品:工具钢、超合金、钛合金等 产品特征:全密产品,粉末冶金技术的新发展,(1)与其他技术交叉产生新技术 注射成形,粉末挤压,流延成形, 直接凝固注模,粉末轧制,爆炸成型,喷射成形,烧结热等静压,微波烧结,放电等离子体烧结,激光烧结 (2)向计算机控制集成自动化方向发展 (3)粉末冶金近
6、净成形技术(near net-shape)发展 如,注射成形,粉末挤压等 (4)粉末冶金快速成形技术发展 如,选择性激光烧结,喷射成形等 (5)用于各种新材料及其成形加工 如,纳米材料及其成形工艺,新型复合材料,新型功能材料。,部分粉末冶金材料、制品,金属注射成型制品,粉末锻件,(a),(b),2. 粉末冶金特点及与其他成形工艺的比较,(1)优点 1)可生产普通熔铸法难于生产的材料 多孔材料(孔隙度可控); 假合金(如Cu-W); 复合材料,如硬质合金和金属陶瓷、弥散强化材料、纤维强化材料; 特种陶瓷(结构陶瓷、功能陶瓷);,5.0 绪论,2)某些P/M材料与熔铸材料相比,性能更优越 避免成分
7、偏析、晶粒细,组织均匀,性能大幅提高。如,粉末高速钢、粉末高温合金。 钨、钼、钽等难熔金属采用熔铸法晶粒粗大、纯度低,工业上一般采用粉末冶金方法生产。,3)对制品成型有明显优势 是一种少切削、无切削工艺(近净成型near net-shape); 可大批量生产同一零件; 形状很复杂零件(如齿轮、凸轮或多功能零件)的制造公差窄; 不需或可简化机械的精加工作业; 节能、省材; 可制造自润滑材料。,(2)缺点 粉末成本高; 形状、尺寸受到一定限制; 成形模具较贵;一般要生产量在500010000个/批,才经济。 烧结零件韧性相对差(但可通过粉模锻造或复烧改善)。,(3)粉末冶金与熔化冶金的区别,Pow
8、der metallurgy :P.M; Fusion metallurgy : F.M 产品成分、结构不同 P.M最终产品成分未变,只是粉末固结在一起; F.M最终产品组织结构发生变化,例:开始是两种金属,最后是合金。 产品性能不同 P.M可生产特殊性能产品,例:高熔点金属、多孔材料、摩擦材料、磁性或电性能材料; F.M只能生产普通产品。,生产工艺不同 P.M工艺 a.传统方法:金属化学法、物理法、机械法不同形状、粒度的粉末混合压制烧结制品后处理 b. 先进技术:热固结压制和烧结同时进行(热压、热挤压、热等静压、锻压等) F.M工艺 金属熔炼成锭轧制、拉伸、挤压、锻压、机加工线材、棒材、型材
9、等不同形状、不同性能的产品,齿轮的粉末生产工艺,齿轮的机加工生产工艺,粉末,成形,烧结,精整,高频淬火,成品,冶炼,铸造,锻打,切割,退火,机加工,淬火,磨加工,成品,铸造 粉末冶金 冷成形 锻造 机械加工,90,95,85,80,50,75 50 25 0(%) 材料利用率,38,28.5,41,49,82,0 25 50 75 100(MJ) 每kg零件的能耗,各种方法材料利用率与能耗,5.1.1 粉末的化学成分及性能,5.1.2 粉末冶金的机理,5.1 粉末冶金基础,5.1.1粉末的化学成分及性能,1、粉末的化学成分 粉末尺寸小于1mm的离散颗粒的集合体。 常用的金属粉末有铁、铜、铝等及
10、其合金的粉末,要求其杂质和气体含量不超过1%2%,否则会影响制品的质量。 粉末的性能包括物理性能和工艺性能。,2、粉末的物理性能, 粒度及粒度分布 粉料中能分开并独立存在的最小实体为单颗粒。实际的粉末往往是团聚了的颗粒,即二次颗粒。如图5.1.1所示,c,c,c,图5.1.1 聚集颗粒示意图 a)一次颗粒;b)二次颗粒;c)晶粒,粒度粉末颗粒的尺寸大小; 粒度分布不同尺寸颗粒所占的百分比;, 颗粒形状粉末颗粒的外观几何形状。常见的有球状、柱状、针状、板状和片状等,可以通过显微镜的观察确定。 比表面积单位质量粉末的总表面积,可通过实际测定。,3、粉末的工艺性能,(1)填充特性 指在没有外界条件下
11、,粉末自由堆积时的松紧程度。常以松装密度或堆积密度表示。与颗粒大小、形状及表面性质有关。 (2)流动性 指粉末的流动能力,常用50克粉末从标准漏斗流出所需的时间表示。受颗粒粘附作用的影响。 (3)压缩性 表示粉末在压制过程中被压紧的能力,用规定的单位压力下所达到的压坯密度表示,在标准模具中,规定的润滑条件下测定。 影响因素有颗粒的塑性或显微硬度及形状和结构。 (4)成形性 指粉末压制后,压坯保持既定形状的能力,用粉末能够成形的最小单位压制压力表示,或用压坯的强度来衡量。 受颗粒形状和结构的影响。,5.1.2 粉末冶金的机理,1、压制的机理 压制就是在外力作用下,将模具或其它容器中的粉末紧密压实
12、成预定形状和尺寸压坯的工艺过程。如图5.1.2所示,颗粒表面氧化膜破碎接触面积增大原子间产生吸引力,2、烧结的机理 烧结是粉末或压坯在低于其主要组分熔点温度以下的热处理过程,目的是通过颗粒间的冶金结合以提高其强度。如图5.1.3所示,图5.1.3 烧结过程中显微组织的变化 1、2 粉末颗粒;3晶粒,5.2.1 粉末制备,5.2.2 粉末的预处理,5.2.3 成形,5.2.4 烧结,5.2.5 后处理,5.2 粉末冶金工艺,粉末冶金工艺过程包括金属粉末的制取和预处理、坯料的成形、烧结和后处理等工序。,5.2.1 粉末制备,金属粉末的制备方法分为两大类:机械法和物理化学法。此外还有较先进的机械合金
13、化法,汞齐法、蒸发法、超声粉碎法等超微粉末制造技术。 制备方法决定着粉末的颗粒大小、形状、松装密度、化学成分、压制性、烧结性等。,图5.2.1 二流雾化法制取金属粉末示意图,水喷射流,液体金属,液金属体,气喷射流,(a)水雾化,(b)气雾化,图5.2.2 离心雾化法制取金属粉末示意图,旋转杯,液体金属,液体金属,自耗电极,旋转电极,钨电极,旋转圆盘,5.2.2 粉末的预处理,粉末的预处理包括粉末退火、分级、混合、制粒、加润滑剂等。 1、退火 粉末退火可以使氧化物还原,降低碳和其它杂质的含量,提高粉末的纯度;还能消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构。 2、分级 分级是将粉末按粒度大小分成若干级
14、的过程。 3、混合 混合即将两种或两种以上不同成分的粉末均匀化的过程。 4、制粒 制粒是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。,5.2.3 坯料成形,成形:粉末 所需形状的凝聚体的过程。 通过成形,松散的粉末被压实成具有一定形状、尺寸和强度的坯件。 常用的成形方法有模压、等静压、轧制、粉浆浇注、挤压、松装烧结成形和爆炸成形等。,1、模压,即粉末料在压模内压制。制作压坯时压力的大小依粉末种类、形状及各种条件而有很大差异,室温压制时一般需要约100 MPa以上的压力,压制压力过大时,影响加压工具;且易使坯体发生层状裂纹、伤痕和缺陷等。压制压力最大限度为12001500 MP
15、a。 常用的模压方法有单向压制、双向压制、浮动模压制等。,常用的模压方法 1、8固定模冲 2、6固定阴模 3粉末 4、5、7、10运动模冲 9浮动阴模,2、等静压制,等静压制压力直接作用在粉末体或弹性模套上,使粉末体在同一时间内各个方向上均衡受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯的过程。 按其特性分为冷等静压制和热等静压制两大类。 (1)冷等静压制 冷等静压制为在室温下等静压制,液体为压力传递媒介。 特点:压坯密度高,较均匀,力学性能好,尺寸大且形状复杂,已用于棒材、管材和大型制品的生产。,(2)热等静压制 把粉末压坯或装入特制容器内的粉末体置入热等静压机高压容器中,施以高温和高压,使这些粉末
16、体被压制和烧结成致密的零件或材料的过程。气体为压力传递媒介。 特点: 压制压力和烧结温度均低于冷等静压制。 制品的致密度和强度高、均匀,晶粒细小,形状和尺寸不受限制。 应用: 已用于粉末高速钢、难熔金属、高温合金和金属陶瓷等制品生产。,3、粉末轧制,粉末轧制是将金属粉末通过一个特制的漏斗喂入转动的轧辊缝中,可轧出具有一定厚度、长度连续、强度适宜的板带坯料。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。,5.2.4 烧 结,烧结是粉末或粉末压坯,在适当的温度和气氛中受热所发生的现象或过程。 1、烧结方法: (1)按原料组成不同分: 单元系烧结:纯金属或化合物在熔点以下的温度进行
17、固相烧结; 多元系固相烧结:两种或两种以上组元在低熔成分熔点以下固相烧结 多元系液相烧结:在超过低熔成分熔点温度进行的烧结; (2)按进料方式不同分: 连续烧结 间歇烧结,2、影响粉末制品烧结质量的因素 影响烧结体性能主要是:粉末体的性状、成形条件和烧结的条件。 烧结条件的因素包括加热速度、烧结温度和时间、冷却速度、烧结气氛及烧结加压状况等。,5.2.5 后 处 理,常用的后处理方法有复压、浸渍、热处理、表面处理和切削加工等。 1、复压 为提高烧结体物理和力学性能而进行的施加压力处理,包括精整和整形等。 2、浸渍 用非金属物质(如油、石蜡和树脂等)填充烧结体孔隙的方法。常用的浸渍方法有浸油、浸塑料、浸熔融金属等。 3、热处理 对烧结体加热到一定温度,再通过控制冷却方法等处理,以改善制品性能的方法。常用的热处理方法有淬火、化学热处理、热机械处理等。 4、表面处理 常用的表面处理方法有蒸汽处理、电镀、浸锌等。,原料粉末,添加剂,混合,压制,等静压,注射,挤压,轧制,烧结,热等静压,热挤压,粉浆浇注,精整,浸油,锻造,热处理,轧制,复压,复烧,后处理,成品,粉末冶金材料和制品生产工艺流程,小 结,1、简述粉末冶金的机理。 2、简述粉末冶金的工艺过程。 3、坯料成形的方法有哪些?应用范围? 4、影响粉末制品烧结质量的因素有哪些?,
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