粉末冶金成形技術(shù)

粉末冶金成形技術(shù)粉末冶金成形技術(shù)粉末冶金成形技術(shù)xxx公司粉末冶金成形技術(shù)文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準審核制定方案設(shè)計，管理制度第四章粉末冶金成形技術(shù)一、粉末冶金成形定義：用金屬粉末或金屬與非金屬粉末的混合物作原料，采用壓制、燒結(jié)及后處理等工序來制造某些金屬材料、復合材料或制品的工藝技術(shù)。粉末冶金生產(chǎn)工藝與陶瓷制品的生產(chǎn)工藝相似，因此粉末冶金成型技術(shù)又常常叫金屬陶瓷法。方法：將均勻混合的粉末材料壓制成形，借助粉末原子間的吸引力和機械嚙合作用，使制品結(jié)合成為具有一定強度的整體，然后再高溫燒結(jié)，進一步提高制品的強度，獲得與一般合金相似的組織。二、粉末冶金材料或制品1.難熔金屬及其合金（如鎢、鎢——鉬合金）；2.組元彼此不相溶，熔點十分懸殊的特殊性能材料，如鎢——銅合金；3.難溶的化合物或金屬組成的復合材料（如硬質(zhì)合金、金屬陶瓷）三、粉末冶金成型技術(shù)特點：1.某些特殊性能材料的唯一成型方法；2.可直接制出尺寸準確，表面光潔的零件，是少甚至無切削的生產(chǎn)工藝；3.節(jié)約材料和加工工時；4.制品強度較低；5.流動性較差，形狀受限；6.壓制成型的壓強較高，制品尺寸較??；7.壓模成本較高。四、粉末冶金成形過程原始粉末+添加劑→混合→壓制成型→燒結(jié)→零件成品粉末冶金工藝理論基礎(chǔ)一）、金屬粉末的性能金屬粉末的性能對其成型和燒結(jié)過程及制品質(zhì)量有重要影響，分為化學成分、物理性能和工藝性能。固態(tài)物質(zhì)按分散程度不同分為致密體、粉末和膠體。致密體：通常所說的固體，粒徑在1mm以上；膠體微粒：粒徑在μm以下；粉末體或簡稱粉末：粒徑介于二者之間。1.粉末的化學成分主要金屬或組元的含量，雜質(zhì)或夾雜物的含量，氣體的含量。金屬的含量一般不低于98-99%。2.粉末的物理性能1）顆粒形狀：球狀、粒狀、片狀和針狀。影響粉末的流動性、松裝密度等。2）粒度：粉末顆粒的線性尺寸，用“目”來表示，用篩分法等測量。對壓制時的比壓、燒結(jié)時的收縮及燒結(jié)制品的力學性能有影響。3）粒度分布：按粒度不同分為若干級，每一級粉末（按質(zhì)量、數(shù)量或體積）所占的百分比。對粉末的壓制和燒結(jié)有影響。4）顆粒比表面積：單位質(zhì)量粉末的總表面積，可算出顆粒的平均尺寸。對粉末的壓制和燒結(jié)有影響。3.粉末的工藝性能1）流動性：粉末的流動能力，用50g粉末在規(guī)定條件下從標準漏斗中流出所需的時間來表示,單位為s/50g。等軸狀或粗顆粒的粉末流動性好，但受顆粒粘附作用的影響。流動性直接影響壓制操作時的自動裝粉和最終得到的壓件密度的均勻性。2）松裝密度在規(guī)定條件下粉末自由填充單位容積的重量，單位為g/cm3.顆粒較粗、密度較大的粉末，松裝密度大。松裝密度不同，壓制成形坯料的高度或孔隙率不同。3）壓縮性在加壓條件下粉末被壓縮的程度，用規(guī)定壓力下粉末所能達到的壓坯密度表示。提高壓制力或松裝密度、減小壓坯速度或粉末的強度，壓縮性增大，壓坯密度增加。4）成形性粉末被壓縮成一定形狀并在后續(xù)加工中保持這種形狀的能力。一定壓力下獲得的壓坯強度越高，成形性越好。二、粉末壓制原理1.壓制的機理：在模具或其他容器中，在外力作用下，將粉末緊實成具有預(yù)定形狀和尺寸的工藝過程。松散粉末加壓→(1空隙被填滿2.氧化膜被破碎3.接觸面積增大4.原子產(chǎn)生吸引力5顆粒間機械咬合作用增強)→具有一定密度和強度的壓坯三、粉末燒結(jié)原理燒結(jié)定義：粉末或壓坯在低于主要組分熔點的溫度下加熱并保溫一定時間，使粉末顆粒間產(chǎn)生一系列物理、化學變化（原子擴散、固溶和化合），從而獲得一定的物理及力學性能的材料或制品的工序。燒結(jié)目的：通過顆粒間的冶金結(jié)合以提高其強度。燒結(jié)原理：（1.表面能大2.結(jié)構(gòu)缺陷多3.活性狀態(tài)原子多）→加熱→（1.粉末物質(zhì)遷移2.再結(jié)晶3.晶粒長大）→顆粒接觸面積增大→壓坯空隙減少，密度增大，強度增加燒結(jié)分類1.固相燒結(jié)：燒結(jié)發(fā)生在低于其組成成分熔點的溫度，成分不發(fā)生熔化。2.液相燒結(jié)：燒結(jié)發(fā)生在兩種組成成分熔點之間，燒結(jié)過程中液體、固體同時存在。如硬質(zhì)合金和金屬陶瓷制品的燒結(jié)。液相燒結(jié)時，在液相表面張力的作用下，顆粒相互靠緊，故燒結(jié)速度快，制品強度高。燒結(jié)時的影響因素：燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間和大氣環(huán)境、粉末材料、顆粒尺寸及形狀、表面特性以及壓制壓力等。燒結(jié)溫度的影響：1）燒結(jié)溫度過高或時間過長，會使壓坯歪曲或變形，其晶粒亦大，產(chǎn)生所謂的“過燒”的廢品；2）燒結(jié)溫度過低或時間過短，則產(chǎn)品的結(jié)合強度等性能達不到要求，產(chǎn)生所謂的“欠燒”的廢品。常用材料的燒結(jié)溫度和燒結(jié)氣氛如課本表所示四、粉末冶金工藝流程粉末制備、粉末預(yù)處理、成形、燒結(jié)和燒結(jié)后處理、粉末的制備主要取決于該材料的性能及制取方法的成本。按轉(zhuǎn)變的作用原理將粉末制取方法分為：☆機械法☆物理化學法機械法：將原材料進行機械粉碎，而其化學成分基本不發(fā)生變化；物理、化學法：借助物理或化學作用改變材料的聚集狀態(tài)或化學成分來獲得粉末。1.機械法：靠壓碎、擊碎和磨削等作用，將塊狀金屬或合金粉碎成粉末的制粉方法。1）粉碎法：球磨法，適用脆性材料或通過脆化處理的金屬粉末，是粉碎法中最常用的方法。但對于軟態(tài)金屬粉，可采用漩渦研磨法，即通過螺旋槳的作用產(chǎn)生漩渦高速氣流，使金屬顆粒自行相互撞擊而磨碎。2）霧化法：采用高速的氣流或水流，使液態(tài)金屬霧化、冷凝成細小粒狀金屬粉末。工藝簡單，可連續(xù)、大量生產(chǎn)而被廣泛應(yīng)用。2.物理、化學方法1）物理法：蒸氣冷凝法，將金屬蒸氣冷凝而制取金屬粉末。制取蒸氣壓較大的金屬，如Zn等，要求金屬具有較低的熔點和較高的揮發(fā)性。2）化學法：還原法、電解法☆電解法金屬鹽水溶液中電解沉積金屬粉末。制粉工藝簡單，粉末純度高，顆粒呈樹枝狀，其成形性和燒結(jié)性好，但生產(chǎn)成本比還原法和霧化法要高，因此只是特殊性能要求時采用。、粉末預(yù)處理退火2.篩分3混合4制粒（p244）、粉末的成形1.粉末成形過程將松散的粉末置于壓模中受一定的壓力后，使其成為具有一定尺寸、形狀、密度、強度的壓坯。1）粉末顆粒產(chǎn)生相對移動并重新排布，孔隙被填充，隨著壓力增大，使壓坯密度急劇增大，達到最大松裝密度。2）粉末顆粒相互壓緊，再繼續(xù)增大壓力時，壓坯密度無變化；3）隨著壓力繼續(xù)增加，粉末顆粒發(fā)生彈、塑性變形或脆斷，壓坯密度進一步增大。2.粉末成形方法封閉鋼模壓制成形：常溫下將金屬粉末裝入鋼模型腔中，通過模沖對粉末加壓使之成型為壓坯。1）單向壓制：陰模和下模沖不動，上模沖單向?qū)Ψ勰┦┘訅毫?。模具簡單，操作方便，生產(chǎn)率高，但由于上模沖和陰模間摩擦阻力作用，使制品上下兩端密度不均勻。壓坯直徑越小，高度越大，密度越不均勻。適用于壓制高度或厚度較小的制品。2）雙向壓制：陰模固定不動，上、下模沖以大小相等，方向相反的壓力同時對粉末施加壓力，使得制品中間密度低、兩端密度高。壓坯密度較單向壓制均勻，適用于壓制高度或厚度較大的制品。3）浮動模壓制：陰模由彈簧支撐。開始下模沖固定不動，由上模沖對粉末施壓，當施壓一定程度時，模壁與粉末間的摩擦力增大，超過彈簧的支撐力時，陰模將與上模沖一起運動，相當于下模沖上升，實現(xiàn)雙向壓制。壓坯密度較單向壓制均勻，適用于壓制高度或厚度較大的制品。4）引下法：陰模不斷被加壓，與上模沖一起下將，當壓制結(jié)束后，上模沖回升，陰模繼續(xù)下降，直到下模沖上的壓坯呈靜止狀態(tài)脫出。壓制形狀復雜的零件和因摩擦力小而不能浮動壓制的制品。3.粉末成型中的基本問題1）摩擦措施：壓坯從陰模中脫出時，與陰模壁的摩擦阻礙脫模。措施：采取一定的潤滑劑混合金屬粉末中，但會對壓坯的性能產(chǎn)生影響，另一個方法是模壁潤滑法。2）壓坯沿高度密度不均：壓制過程中會產(chǎn)生垂直壓模壁的側(cè)壓力，側(cè)壓力的作用使靠近模壁的外層粉末與模壁之間產(chǎn)生摩擦，使接近模沖斷面處壓力大，遠離模沖端面處壓力減小，壓力分布不均使壓坯各個部分密度分布的不均勻。措施：①減小摩擦力，在模具內(nèi)壁上涂抹潤滑油，或提高模具內(nèi)壁的表面光潔度；②采用雙向壓制可改善；③設(shè)計模具時，盡量減小高徑比。四）、燒結(jié)工藝將成型的坯體在低于其主要成分熔點的溫度下加熱，粉體相互結(jié)合并發(fā)生收縮與致密化，形成具有一定強度和性能的固體材料的過程。燒結(jié)是一個自發(fā)的不可逆的過程，系統(tǒng)表面能降低是推動燒結(jié)進行的基本動力。1）、燒結(jié)過程：a.燒結(jié)初期：坯料中顆粒重排，接觸處產(chǎn)生鍵合，空隙變形、縮?。ù髿饪紫В?，固—氣總表面積沒有變化。b.燒結(jié)中期：傳質(zhì)開始，粒界增大，空隙進一步變形，變小，但仍然連通，形如隧道。c.燒結(jié)后期：傳質(zhì)繼續(xù)進行，粒徑增大，氣孔變成孤立閉氣孔，密度達到95%以上，制品強度高。2）燒結(jié)方法a.連續(xù)燒結(jié)：待燒結(jié)材料連續(xù)地、平穩(wěn)地通過燒結(jié)爐進行燒結(jié)。生產(chǎn)率高，適用于大批、大量生產(chǎn)。b.間歇燒結(jié)：在爐內(nèi)分批燒結(jié)零件的方式。生產(chǎn)率低，適用于單件、小批生產(chǎn)。c.固相燒結(jié)：燒結(jié)速度較慢，制品強度較低。d.液相燒結(jié)：燒結(jié)速度較快，制品強度較高，用于具有特殊性能的制品。3）,影響粉末制品燒結(jié)質(zhì)量的因素粉末制品的燒結(jié)質(zhì)量取決于燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間和燒結(jié)氣氛。a.燒結(jié)溫度和時間：燒結(jié)溫度過高或過低，時間過長或過短，都會使產(chǎn)品性能下降。通常燒結(jié)溫度高，保溫時間短。b.燒結(jié)氣氛：燒結(jié)時通常采用還原性氣氛，以防壓坯燒損并可使表面氧化物還原。4）.燒結(jié)后處理a.復壓:提高燒結(jié)體的精度和性能而進行的施加壓力的處理方法。b.浸滲:利用燒結(jié)件空隙，在燒結(jié)件中浸入各種液態(tài)的過程。浸油和塑料可改善燒結(jié)體的潤滑性；浸熔融金屬可改善燒結(jié)體的強度和耐磨性。c.切削加工:在制品上加工橫槽、橫孔等.d.熱處理:進一步提高制品的強度和硬度。e.表面保護處理提高制品的耐蝕性等性能。五、粉末制品的結(jié)構(gòu)工藝性（參照課本表1.盡量采用形狀簡單、對稱的形狀，避免截面變化過大以及窄槽、球面等。2.避免局部薄壁，壁厚一般不小于2mm，壁厚盡量均勻,以利于裝粉壓實和防止出現(xiàn)裂紋。避免側(cè)壁上的徑向孔和徑向槽出現(xiàn)，這個一般是不能壓制的，需要在燒結(jié)后用切削加工來完成。沿壓制方向的截面有變化時，只能沿壓制方向逐漸縮小，而不能逐漸增大，以利壓實。各壁的交接處應(yīng)避免尖角，采用圓角或倒角過渡。圓角半徑不小于，球面部分應(yīng)留出小塊平面。錐面和斜面需要一段平直帶，避免模具出現(xiàn)易損現(xiàn)象。與壓制方向一致的內(nèi)孔、外凸臺等，要有一定的錐度，可以簡化模沖結(jié)構(gòu)，利于脫模。8.階梯圓柱體每級直徑之差不宜大于3mm，每級長度與直徑之比應(yīng)在3以下。表的4.9.粉末冶金制品上無法壓制出網(wǎng)狀花紋。表的510.粉末冶金制品上應(yīng)避免小而薄的凸臺，不利于制出工件，如表中的11.11.壁厚應(yīng)均勻，盡量采用對稱結(jié)構(gòu)，以利于壓坯密度均勻，表中的13.六、粉末冶金材料粉末冶金常用制作減摩材料、結(jié)構(gòu)材料、摩擦材料、硬質(zhì)合金、難溶金屬材料、過濾材料、金屬陶瓷、無偏析高速工具鋼、磁性材料、耐熱材料等。一）硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是粉末冶金工具材料的一種，主要用于制造高速切削硬而韌材料的刀具，制造某些冷作模具、量具及不受沖擊、震動的高耐磨零件。1.硬質(zhì)合金的性能特點1）具有很高的常溫硬度（69-81HRC），高的熱硬性（可達900-1000℃），優(yōu)良的耐磨性。2）具有較高的抗壓強度（可達6000MPa），但抗彎強度較低；3）良好的耐蝕性（抗大氣、酸、堿等）和抗氧化性；4）線膨脹系數(shù)小。2硬質(zhì)合金的應(yīng)用1）用作刀具材料。硬質(zhì)合金作刀具材料的用量最大，如車刀、銑刀、刨刀、磚頭等；2）用作模具材料。用硬質(zhì)合金作模具主要是指冷作模，如冷拉模、冷沖模、冷擠壓模和冷鐓模等；3）用作量具及耐磨零件。如千分尺、塊規(guī)、塞規(guī)等。二）含油軸承材料含油軸承材料是一種具有多孔性的粉末冶金材料，常用以制造軸承零件。這種材料壓制成軸承后，放在潤滑油中浸潤，由于粉末冶金材料的多孔性，在毛細現(xiàn)象作用下，可吸附大量潤滑油，故稱為含油軸承。常用的含油軸承有鐵基和銅基含有軸承兩類1.鐵基含油軸承：是鐵-石墨（%）粉末冶金材料，硬度為30-110HBS，或鐵-硫（%）-石墨（1-2%）粉末冶金材料，硬度為35-70HBS；2.銅基含油軸