粉末冶金工藝及材料基礎(chǔ)知識(shí)介紹

一往冇前

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粉末冶金是制取金屬粉末并通過成形和燒結(jié)等工藝將金屬粉末或與非金屬粉末的混合物制成制品的加工方法，既可制取用普通熔煉方法難以制取的特殊材料,，又可制造各種精密的機(jī)械零件,，省工省料。但其模具和金屬粉末成本較高,，批量小或制品尺寸過大時(shí)不宜采用。粉末冶金材料和工藝與傳統(tǒng)材料工藝相比,，具有以下特點(diǎn)：

1．粉末冶金工藝是在低于基體金屬的熔點(diǎn)下進(jìn)行的,，因此可以獲得熔點(diǎn)、密度相差懸殊的多種金屬,、金屬與陶瓷,、金屬與塑料等多相不均質(zhì)的特殊功能復(fù)合材料和制品。

2．提高材料性能,。用特殊方法制取的細(xì)小金屬或合金粉末,，凝固速度極快、晶粒細(xì)小均勻,，保證了材料的組織均勻,，性能穩(wěn)定，以及良好的冷,、熱加工性能,，且粉末顆粒不受合金元素和含量的限制，可提高強(qiáng)化相含量,，從而發(fā)展新的材料體系,。

3．利用各種成形工藝，可以將粉末原料直接成形為少余量,、無余量的毛坯或凈形零件,，大量減少機(jī)加工量。提高材料利用率,，降低成本,。

粉末冶金的品種繁多，主要有：鎢等難熔金屬及合金制品,；用Co,、Ni等作粘結(jié)劑的碳化鎢（WC）、碳化鈦（TiC）,、碳化鉭（TaC）等硬質(zhì)合金,，用于制造切削刀具和耐磨刀具中的鉆頭、車刀,、銑刀,，還可制造模具等；Cu合金,、不銹鋼及Ni等多孔材料,，用于制造燒結(jié)含油軸承,、燒結(jié)金屬過濾器及紡織環(huán)等。

1 粉末冶金基礎(chǔ)知識(shí)

⒈1 粉末的化學(xué)成分及性能

尺寸小于1mm的離散顆粒的集合體通常稱為粉末,，其計(jì)量單位一般是以微米（μm）或納米（nm）,。

1.粉末的化學(xué)成分

常用的金屬粉末有鐵、銅,、鋁等及其合金的粉末,，要求其雜質(zhì)和氣體含量不超過1%～2%，否則會(huì)影響制品的質(zhì)量,。

2.粉末的物理性能

⑴ 粒度及粒度分布

粉料中能分開并獨(dú)立存在的最小實(shí)體為單顆粒,。實(shí)際的粉末往往是團(tuán)聚了的顆粒，即二次顆粒,。圖7.1.1描繪了由若干一次顆粒聚集成二次顆粒的情形,。實(shí)際的粉末顆粒體中不同尺寸所占的百分比即為粒度分布。

⑵ 顆粒形狀

即粉末顆粒的外觀幾何形狀,。常見的有球狀,、柱狀、針狀,、板狀和片狀等,，可以通過顯微鏡的觀察確定。

⑶ 比表面積

即單位質(zhì)量粉末的總表面積,，可通過實(shí)際測定,。比表面積大小影響著粉末的表面能、表面吸附及凝聚等表面特性,。

3.粉末的工藝性能

粉末的工藝性能包括流動(dòng)性,、填充特性、壓縮性及成形性等,。

⑴ 填充特性

指在沒有外界條件下,，粉末自由堆積時(shí)的松緊程度。常以松裝密度或堆積密度表示,。粉末的填充特性與顆粒的大小,、形狀及表面性質(zhì)有關(guān)。

⑵ 流動(dòng)性

指粉末的流動(dòng)能力,，常用50克粉末從標(biāo)準(zhǔn)漏斗流出所需的時(shí)間表示,。流動(dòng)性受顆粒粘附作用的影響。

⑶ 壓縮性

表示粉末在壓制過程中被壓緊的能力,，用規(guī)定的單位壓力下所達(dá)到的壓坯密度表示,，在標(biāo)準(zhǔn)模具中,規(guī)定的潤滑條件下測定。影響粉末壓縮性的因素有顆粒的塑性或顯微硬度,，塑性金屬粉末比硬,、脆材料的壓縮性好,；顆粒的形狀和結(jié)構(gòu)也影響粉末的壓縮性。

⑷ 成形性 指粉末壓制后,，壓坯保持既定形狀的能力,，用粉末能夠成形的最小單位壓制壓力表示，或用壓坯的強(qiáng)度來衡量,。成形性受顆粒形狀和結(jié)構(gòu)的影響,。

1.2 粉末冶金的機(jī)理

1.壓制的機(jī)理

壓制就是在外力作用下，將模具或其它容器中的粉末緊密壓實(shí)成預(yù)定形狀和尺寸壓坯的工藝過程,。鋼模冷壓成形過程如圖7.1.2所示。粉末裝入陰模,通過上下模沖對其施壓,。在壓縮過程中,，隨著粉末的移動(dòng)和變形，較大的空隙被填充,，顆粒表面的氧化膜破碎,，顆粒間接觸面積增大，使原子間產(chǎn)生吸引力且顆粒間的機(jī)械楔合作用增強(qiáng),，從而形成具有一定密度和強(qiáng)度的壓坯,。

2.等靜壓制

壓力直接作用在粉末體或彈性模套上，使粉末體在同一時(shí)間內(nèi)各個(gè)方向上均衡受壓而獲得密度分布均勻和強(qiáng)度較高的壓坯的過程,。按其特性分為冷等靜壓制和熱等靜壓制兩大類,。

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⑴ 冷等靜壓制

即在室溫下等靜壓制，液體為壓力傳遞媒介,。將粉末體裝入彈性模具內(nèi),，置于鋼體密封容器內(nèi)，用高壓泵將液體壓入容器,，利用液體均勻傳遞壓力的特性,，使彈性模具內(nèi)的粉末體均勻受壓。因此,，冷等靜壓制壓坯密度高,，較均勻，力學(xué)性能較好,，尺寸大且形狀復(fù)雜,，已用于棒材、管材和大型制品的生產(chǎn),。

⑵ 熱等靜壓制

把粉末壓坯或裝入特制容器內(nèi)的粉末體置入熱等靜壓機(jī)高壓容器中,，施以高溫和高壓，使這些粉末體被壓制和燒結(jié)成致密的零件或材料的過程,。在高溫下的等靜壓制,，可以激活擴(kuò)散和蠕變現(xiàn)象的發(fā)生,，促進(jìn)粉末的原子擴(kuò)散和再結(jié)晶及以極緩慢的速率進(jìn)行塑性變形，氣體為壓力傳遞媒介,。粉末體在等靜壓高壓容器內(nèi)同一時(shí)間經(jīng)受高溫和高壓的聯(lián)合作用,，強(qiáng)化了壓制與燒結(jié)過程，制品的壓制壓力和燒結(jié)溫度均低于冷等靜壓制,，制品的致密度和強(qiáng)度高,，且均勻一致，晶粒細(xì)小,，力學(xué)性能高,，消除了材料內(nèi)部顆粒間的缺陷和孔隙，形狀和尺寸不受限制,。但熱等靜壓機(jī)價(jià)格高,，投資大。熱等靜壓制已用于粉末高速鋼,、難熔金屬,、高溫合金和金屬陶瓷等制品的生產(chǎn)。

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3.粉末軋制

將粉末通過漏斗喂入一對旋轉(zhuǎn)軋輥之間使其壓實(shí)成連續(xù)帶坯的方法,。將金屬粉末通過一個(gè)特制的漏斗喂入轉(zhuǎn)動(dòng)的軋輥縫中,，可軋出具有一定厚度、長度連續(xù),、強(qiáng)度適宜的板帶坯料,。這些坯體經(jīng)預(yù)燒結(jié)、燒結(jié),，再軋制加工及熱處理等工序,，就可制成具有一定孔隙度的、致密的粉末冶金板帶材,。粉末軋制制品的密度比較高,，制品的長度原則上不受限制，軋制制品的厚度和寬度會(huì)受到軋輥的限制,；成材率高為80%～90%,，熔鑄軋制的僅為60%或更低。粉末軋制適用于生產(chǎn)多孔材料,、摩擦材料,、復(fù)合材料和硬質(zhì)合金等的板材及帶材。

4.粉漿澆注

是金屬粉末在不施加外力的情況下成形的,，即將粉末加水或其它液體及懸浮劑調(diào)制成粉漿,，再注入石膏模內(nèi)，利用石膏模吸取水分使之干燥后成形,。常用的懸浮劑有聚乙烯醇,、甘油,、藻骯酸鈉等，作用是防止成形顆粒聚集,，改善潤濕條件,。為保證形成穩(wěn)定的膠態(tài)懸浮液，顆粒尺寸不大于5μm～10μm,，粉末在懸浮液中的質(zhì)量含量為40%～70%,。粉漿成形工藝參見本書6.2.2。

5.擠壓成形

將置于擠壓筒內(nèi)的粉末,、壓坯或燒結(jié)體通過規(guī)定的�,？讐撼觥０凑諗D壓條件不同,，分為冷擠壓和熱擠壓,。冷擠壓是把金屬粉末與一定量的有機(jī)粘結(jié)劑混合在較低溫度下（40℃～200℃）擠壓成坯塊；粉末熱擠壓是指金屬粉末壓坯或粉末裝入包套內(nèi)加熱到較高溫度下壓擠,，熱擠壓法能夠制取形狀復(fù)雜、性能優(yōu)良的制品和材料,。擠壓成形設(shè)備簡單,，生產(chǎn)率高，可獲得長度方向密度均勻的制品,。

擠壓成形能擠壓出壁很薄直經(jīng)很小的微形小管,，如厚度僅0.01mm，直徑1mm的粉末冶金制品,；可擠壓形狀復(fù)雜,、物理力學(xué)性能優(yōu)良的致密粉末材料，如燒結(jié)鋁合金及高溫合金,。擠壓制品的橫向密度均勻,，生產(chǎn)連續(xù)性高，因此,，多用于截面較簡單的條,、棒和螺旋形條、棒（如麻花鉆等）,。

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6.松裝燒結(jié)成形

粉末未經(jīng)壓制而直接進(jìn)行燒結(jié),，如將粉末裝入模具中振實(shí)，再連同模具一起入爐燒結(jié)成形,，用于多孔材料的生產(chǎn),；或?qū)⒎勰┚鶆蛩裳b于芯板上，再連同芯板一起入爐燒結(jié)成形,，再經(jīng)復(fù)壓或軋制達(dá)到所需密度,，用于制動(dòng)摩擦片及雙金屬材料的生產(chǎn),。

將置于擠壓筒內(nèi)的粉末、壓坯或燒結(jié)體通過規(guī)定的�,？讐撼�,。按照擠壓條件不同，分為冷擠壓和熱擠壓,。冷擠壓是把金屬粉末與一定量的有機(jī)粘結(jié)劑混合在較低溫度下（40℃～200℃）擠壓成坯塊,；粉末熱擠壓是指金屬粉末壓坯或粉末裝入包套內(nèi)加熱到較高溫度下壓擠，熱擠壓法能夠制取形狀復(fù)雜,、性能優(yōu)良的制品和材料,。擠壓成形設(shè)備簡單，生產(chǎn)率高,，可獲得長度方向密度均勻的制品,。

7.爆炸成形

借助于爆炸波的高能量使粉末固結(jié)的成形方法。爆炸成形的特點(diǎn)是爆炸時(shí)產(chǎn)生壓力很高,，施于粉末體上的壓力速度極快,。如炸藥爆炸后，在幾微秒時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的沖擊壓力可達(dá)106MPa（相當(dāng)于107個(gè)大氣壓）,，比壓力機(jī)上壓制粉末的單位壓力要高幾百倍至幾千倍,。爆炸成形壓制壓坯的相對密度極高，強(qiáng)度極佳,。如用炸藥爆炸壓制電解鐵粉,，壓坯的密度接近純鐵體的理論密度值。

爆炸成形可加工普通壓制和燒結(jié)工藝難以成形的材料,，如難熔金屬,、高合金材料等，還可壓制普通壓力無法壓制的大型壓坯,。

除上述方法外,，還有注射成形及熱等靜壓制新技術(shù)等新的成形方法。

2.燒結(jié)的機(jī)理

燒結(jié)是粉末或壓坯在低于其主要組分熔點(diǎn)溫度以下的熱處理過程,，目的是通過顆粒間的冶金結(jié)合以提高其強(qiáng)度,。隨著溫度升高，粉末或壓坯中產(chǎn)生一系列的物理,、化學(xué)變化：水和有機(jī)物的蒸發(fā)或揮發(fā),、吸附氣體的排除、應(yīng)力消除以及粉末顆粒表面氧化物的還原等,，接著粉末表層原子間的相互擴(kuò)散和塑性流動(dòng),。隨著顆粒間接觸面的增大，會(huì)產(chǎn)生再結(jié)晶和晶粒長大，有時(shí)出現(xiàn)固相的熔化和重結(jié)晶,。以上各過程常常會(huì)相互重疊,，相互影響，使燒結(jié)過程變得十分復(fù)雜,。燒結(jié)過程中制品顯微組織的變化如圖7.1.3所示,。

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4 U5 \5 W" O% m- Y# `% M2 粉末冶金工藝

2.1 粉末制備

金屬粉末的制備方法分為兩大類：機(jī)械法和物理化學(xué)法。還有新研制的機(jī)械合金化法,，汞齊法,、蒸發(fā)法、超聲粉碎法等超微粉末制造技術(shù),。制備方法決定著粉末的顆粒大小,、形狀、松裝密度,、化學(xué)成分,、壓制性、燒結(jié)性等,。

2.2粉末的預(yù)處理

粉末的預(yù)處理包括粉末退火,、分級(jí)、混合,、制粒,、加潤滑劑等。

2.3 成形

成形是將粉末轉(zhuǎn)變成具有所需形狀的凝聚體的過程,。常用的成形方法有模壓、軋制,、擠壓,、等靜壓、松裝燒結(jié)成形,、粉漿澆注和爆炸成形等,。

2.4 燒結(jié)

不同的產(chǎn)品、不同的性能燒結(jié)方法不一樣,。

⑴按原料組成不同分類,。可以將燒結(jié)分為單元系燒結(jié),、多元系固相燒結(jié)及多元系液相燒結(jié),。

⑵ 按進(jìn)料方式不同分類。分為為連續(xù)燒結(jié)和間歇燒結(jié),。

2.5 后處理

指壓坯燒結(jié)后的進(jìn)一步處理,，根據(jù)產(chǎn)品具體要求決定是否需要后處理。常用的后處理方法有復(fù)壓、浸漬,、熱處理,、表面處理和切削加工等。

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3 粉末冶金零件結(jié)構(gòu)的工藝性

粉末冶金材料常用的成形方法是在剛性封閉模具中將金屬粉末壓縮成形,，模具成本較高,；由于粉末流動(dòng)性較差，且又受到摩擦力的影響,，壓坯密度一般較低且分布不均勻,，強(qiáng)度不高，薄壁,、細(xì)長形和沿壓制方向呈變截面的制品還難以成形,。因此，采用壓制成形的零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)注意下列問題,。

⑴ 盡量采用簡單,、對稱的形狀，避免截面變化過大以及窄槽,、球面等,，以利于制模和壓實(shí)，如圖7.3.1所示,。

⑵ 避免局部薄壁,，以便裝粉壓實(shí)和防止出現(xiàn)裂紋,如圖7.3.2所示。

⑶ 避免側(cè)壁上的溝槽和凹孔,，以利于壓實(shí)或減少余塊,。

⑷ 避免沿壓制方向截面積漸增，以利于壓實(shí),。各壁的交接處應(yīng)采用圓角或倒角過渡,，避免出現(xiàn)尖角，以利于壓實(shí)及防止模具或壓坯產(chǎn)生應(yīng)力集中,。

4:粉末冶金材料

粉末冶金是一項(xiàng)很有發(fā)展的新技術(shù),、新工藝，已廣泛應(yīng)用在農(nóng)機(jī),、汽車,、機(jī)床、冶金,、化工,、輕工、地質(zhì)勘探,、交通運(yùn)輸?shù)雀鞣矫�,。粉末冶金材料有工具材料及機(jī)械零件和結(jié)構(gòu)材料。工具材料大致有粉末高速鋼、硬質(zhì)合金,、超硬材料 ,、陶瓷工具材料及復(fù)合材料等。機(jī)械零件和結(jié)構(gòu)材料有粉末減摩材料,，包括多孔減摩材料和致密減摩材料,；粉末冶金鐵基零件及粉末冶金非鐵金屬零件等。

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邢云鶴

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